Trương Thị Phương Hoa KTTP2 K59 1 | P a g e CHƯƠNG 3 SINH LÝ HỌC VSV QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG CỦA VSV I THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO VSV 1 Phần nước Chiếm phần lớn trọng lượng TB VSV 75 85% Chia làm 2 lo[.]
Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 CHƯƠNG 3: SINH LÝ HỌC VSV QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG CỦA VSV I THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO VSV: Phần nước: - Chiếm phần lớn trọng lượng TB VSV: 75-85% - Chia làm loại: Nước tự Nước liên kết - Làm dung mơi hịa tan chất dinh dưỡng - Là nước mà ion H+, OH- nối thơng qua liên kết hóa học với phức chất - Là nguồn cung cấp ion H+, OH- cho TB ( ví dụ protein, lipid, gluxit) - Tham gia vào cấu trúc TB trình phân hủy tổng hợp TB - Thay đổi tùy thuộc độ ẩm môi trường - Tương đối ổn định, khơng biến thiên → Có thể biến động - Mất nước tự - Mất nước liên kết → Rối loạn trình trao đổi chất → Phá vỡ cấu trúc TB, gây hậu xấu Phần khô: 2.1 Chiếm 15- 25% trọng lượng TB Protein: - Chiếm tỉ lệ cao TB VSV: 50- 80% chất khơ - Có loại: Protein cấu tạo - Là phức chất để cấu tạo nên TB như: photpholipid, lipoprotein 1|Page Protein dự trữ - Là sợi protein đơn giản TB tổng hợp nên điều kiện giàu nitơ photpho Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 - Đóng vai trị định hoạt động sống - Đem sử dụng môi trường thiếu thức ăn - Hàm lượng ổn định - Hàm lượng không ổn định 2.2 Gluxit: - Chiếm 10-30% chất khô TB - Phần lớn nằm dạng polysaccharit như: hemixellulose, dextran, glycogen số loại đường đơn giản, chủ yếu đường glucose 2-3% - Có loại: Gluxit liên kết - Là phức chất tham gia vào cấu trúc TB Gluxit dự trữ - Là loại đường đơn giản, tích lũy TB mơi trường giàu đường - Là nguồn cung cấp lượng cacbon cho TB - Hàm lượng không thay đổi 2.3 - Hàm lượng không ổn định Lipid: - Chiếm 10-30% chất khô Ở số loài VSV, hàm lượng lipid lên tới 50% - Hàm lượng lipid biến thiên theo điều kiện mơi trường - Có loại: Lipid liên kết Lipid tự - Nằm dạng photpholipid lipoprotein - Dự trữ dạng giọt mỡ trung tính axit béo tự - Tham gia vào cấu trúc TB - Đây nguồn cung cấp lượng dự trữ cho 2|Page Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 VSV 2.4 Axit nucleic: - Chiếm 10-30% chất khô, khoảng 3-4% ADN - Trong TB VSV, hàm lượng axit nucleic tương đối cao 2.5 Các chất có hoạt tính sinh học cao: - Là vitamin, enzym, kháng sinh, axit amin tự sắc tố - Chiếm tỷ lệ nhỏ TB VSV (chỉ vết) khơng thể thiếu giữ vai trị vô quan trọng 2.6 Các nguyên tố tro vi lượng: - Chiếm tỷ lệ ít: P, K, S, Mg Bo, Mo, Cu, Zn - Tham gia vào trung tâm hoạt động enzym → Giữ vai trò quan trọng với hoạt động sống VSV II TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG Ở VSV: - Trao đổi chất trình: + Hấp thụ thức ăn từ môi trường → QT dinh dưỡng + Chế biến chất dinh dưỡng thành chất thể → QT đồng hóa ( QT thu lượng) >< QT dị hoá: phân hủy thành phần thể + Thải sản phẩm cuối môi trường - 3|Page QT trao đổi lượng: QT oxi hóa chất dinh dưỡng (QT phân hủy) để tạo lượng Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 Sự trao đổi chất gồm: - Đồng hóa - chủ yếu QT dinh dưỡng - Dị hóa – chủ yếu QT hơ hấp - Dinh dưỡng hơ hấp hai q trình ngược xảy đồng thời gắn chặt với - Cơ thể VSV muốn tạo NL để hoạt động sống phải dựa vào nguồn dinh dưỡng hấp thụ QT trao đổi chất QT trao đổi chất thực nhờ vào NL TB - Hai QT có đặc trưng riêng biệt tùy theo đặc điểm sống nhóm VSV: Nhóm dinh dưỡng quang - Sử dụng trực tiếp NL ánh sáng mặt trời để đồng hóa CO2 tạo thành chất hữu thể Nhóm dinh dưỡng hóa - Sử dụng lượng sinh QT oxy hóa chất vơ để đồng hóa CO2 khơng khí - VSV hơ hấp hiếu khí: QT oxh sinh NL kèm theo việc liên kết với oxy khơng khí - VSV hơ hấp kỵ khí: QT oxh sinh NL khơng kèm theo việc liên kết với oxy khơng khí (Chất nhận điện tử oxy mà chất hữu chất vơ cơ) - NL giải phóng từ phản ứng oxh QT giữ lại hợp chất giàu NL TB, phổ biến ATP + NL phân tử tích lũy liên kết cao P O ( cịn gọi QT photphoryl hóa) 4|Page Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 + Khi cần đến NL, ATP oxh để giải phóng NL - Để có QT trao đổi chất trao đổi NL phải có QT dinh dưỡng - Dinh dưỡng QT thu nhận tiêu hóa thức ăn, tạo nên chất cần thiết để xây dựng đổi TB III NHU CẦU VỀ CÁC CHẤT DINH DƯỠNG Ở VSV: - Chất dinh dưỡng dùng cho: + QT sinh tổng hợp nên thành phần cấu tạo TB + QT tạo NL cho TB hoạt động - Có chất dùng cho hai QT có chất sử dụng cho hai QT Nước: - Nhu cầu VSV nước cao, nước chiếm 75-85% trọng lượng TB VSV - Tất QT sinh hóa xảy TB cần có nước - Ở điều kiện khô hạn, VSV chết trạng thái tiềm sinh Nguồn dinh dưỡng C: VSV có khả sử dụng nguồn dinh dưỡng khác nhau: - 5|Page Các nguồn C dễ hấp thu đa số VSV đường, sau tinh bột, glyxerin số axit hữu axit lactic, axit citric Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 Khi nuôi VSV dị dưỡng người ta thường sử dụng môi trường chứa đường, tinh bột số axit hữu làm nguồn C Các hợp chất C khó phân giải xellulose, dầu hỏa thích hợp cho nhóm VSV đặc hiệu chất - Các nguồn C vơ CO2, CO32-, CO lại nguồn dinh dưỡng nhóm tự dưỡng C - Nhiều nhóm VSV cịn có khả đồng hóa nguồn C từ chất đạm hữu protein, pepton, axit amin Các chất VSV sử dụng phần C phần N hợp chất - Nồng độ chất dinh dưỡng cao gây ức chế khả sinh trưởng VSV Nồng độ đường 30-70% có khả ức chế sinh trưởng nhiều loài VSV Nguồn dinh dưỡng N: VSV có khả hấp thu nhiều nguồn dinh dưỡng N khác nhau, tùy đặc điểm loại mà đòi hỏi dạng N khác nhau: - Dạng N vô cơ: NH3, NH4+, NO3- → Nguồn dinh dưỡng nhóm VSV tự dưỡng amin NH3, NH4+: thích hợp với vi khuẩn nấm men NO3- : xạ khuẩn, nấm mốc tảo - Dạng N hữu cơ: protein, polypeptit, axit amin → Nguồn dinh dưỡng nhóm VSV dị dưỡng amin Chúng khơng có khả tự tổng hợp axit amin TB từ hợp chất N vô 6|Page Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 VSV hấp thụ trực tiếp protein mà phải phân hủy chúng thành polypeptit nhờ enzym protease VSV hấp thụ polypeptit khơng q axit amin Có VSV địi hỏi phải có sẵn axit amin định môi trường nuôi cấy Danh sách axit amin cần thiết gọi aminogram khác tùy theo lồi VSV Các dạng N hữu khơng nguồn dinh dưỡng N mà nguồn dinh dưỡng C - Dạng N phân tử (N2): chiếm phần lớn khơng khí → Nguồn dinh dưỡng N nhóm VSV cố định nitơ Trong tự nhiên có nhóm có khả đồng hóa nitơ phân tử Chúng bao gồm: Những loài sống tự đất Những loài sống cộng sinh với thực vật → Cung cấp cho thực vật lượng đạm đáng kể Nguồn dinh dưỡng khoáng: - Nguyên sinh chất: chứa hàm lượng khoáng lớn - Hàm lượng thay đổi tùy thuộc: + Loài + Độ tuổi sinh lý - Photpho: + Là nguồn dinh dưỡng khoáng quan trọng 7|Page Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 + Chiếm 50% tổng số chất khoáng thành phần TB + Tham gia vào nhiều thành phần quan trọng TB như: axit nucleic, photphoprotein, photpholipit, ADP, ATP, + Thường dùng: KH2PO4, K2HPO4 làm nguồn nuôi cấy VSV - Lưu huỳnh: + Là nguồn dinh dưỡng khoáng quan trọng VSV + Tham gia vào thành phần số axit amin như: cystine, methionin số vitamin + VSV thường đồng hóa S từ hợp chất lưu huỳnh vơ cơ, chí vài lồi cịn có khả đồng hóa hợp chất có tính độc H2S - Sắt: nguyên tố cần thiết cho VSV nằm thành phần số enzym chứa Fe - Nguồn dinh dưỡng khoáng khác: Ca, Mg, Zn, Mn, K, Na, cần thiết VSV Thiếu → Khơng thể sinh trưởng, phát triển bình thường - Các nguyên tố vi lượng cần thiết: Bo, Mo, Co, Cu, Cần với liều lượng nhỏ → Dùng nước tự nhiên để chế tạo MT cung cấp cho chúng Các chất sinh trưởng: - Cần với liều lượng nhỏ thiếu, bao gồm: enzym, kháng sinh, vitamin, axit amin tự 8|Page Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 - Thúc đẩy QT sinh trưởng VSV - Mỗi lồi VSV địi hỏi loại chất sinh trưởng khác - Cùng loài VSV, sống điều kiện khác nhau, đòi hỏi chất sinh trưởng khác IV SỰ HẤP THU THỨC ĂN CỦA VSV: - VSV hấp thu thức ăn thơng qua tồn bề mặt TB - Cường độ khuếch tán phụ thuộc yếu tố: Tính thẩm thấu màng TB Tính chất lý học cấu tạo hóa học chất dinh dưỡng Nồng độ chất hòa tan ngồi TB - Cao tính thẩm thấu màng TB sinh vật khác - Chất hòa tan → Dễ khuếch tán - Sự chênh lệch định áp suất thẩm thấu → Cho phép chất dinh dưỡng từ mơi trường dễ dàng khuếch tán qua - Chất khơng hịa tan → làm tăng giảm cường độ khuếch tán → không khuếch tán qua màng TB → VSV tiết enzym chuyển chất khơng hịa tan thành đơn cấu tử dễ hòa tan VD: phân giải polysaccharit, lipit, protein cần enzym tương ứng amylase, lipase, protease - Chất có kích thước phân tử nhỏ 9|Page Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 (hidrocacbua, muối vô cơ) dễ khuếch tán qua màng TB chất có phân tử lượng lớn - Những chất có nhóm định chức: -NH2, -OH, -COOH khó khuếch tán V CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT DINH DƯỠNG VÀO TB VSV: Khuếch tán thụ động Vận chuyển nhờ pecmease Vận chuyển thụ động 10 | P a g e Vận chuyển chủ động Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 - Dựa trên: - Không tiêu tốn lượng - Cần lượng TB - Các chất hòa tan liên kết thuận nghịch với phân tử pecmease - Nồng độ chất đó: + Sự chênh lệch nồng độ + Sự chênh lệch điện hai phía màng: • Bề mặt TB VSV hệ thống có mang điện tích định → Phức hợp “chất hòa tan – điện tích ln ln bổ pecmease” sung QT hô hấp TB thải ion H+ HCO3- - Phức hợp qua màng → Xảy phản ứng trao đổi nhờ chênh lệch nồng độ ion điện tích bề mặt TB với chất hịa tan chất dinh dưỡng MT Vận chuyển xi dịng - Các chất khuếch tán theo chế này: H2O, O2, CO2, axit béo số chất tan lipid bên > bên TB cần đến → Phân tử pecmease bên ngồi màng TB có lực cao phân tử chất cần vận chuyển Sau vận chuyển vào phía màng trở nên bất hoạt, có lực thấp chất cần vận chuyển Khi thấm phía ngồi màng, lại trở thành có hoạt tính nhờ cung cấp lượng gọi QT hoạt hóa lại Vận chuyển ngược dịng Một pecmease làm hai nhiệm vụ vận chuyển chủ động vận chuyển thụ động IV CÁC KIỂU DINH DƯỠNG Ở VSV: Căn vào nguồn chất dinh dưỡng: 11 | P a g e Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 1.1 Dinh dưỡng Cacbon: VSV tự dưỡng cacbon - Là lồi có khả hấp thụ C dạng hợp chất vô cơ: CO2, muối cacbonat để xây dựng TB Tự dưỡng bắt buộc Tự dưỡng khơng - VSV sống nguồn C vơ - VSV có khả sống nguồn C vô hữu VSV dị dưỡng cacbon - Là VSV có khả sử dụng C dạng hợp chất hữu (đường đơn) Prototroph Axotroph bắt buộc VD: vi khuẩn nitrat VD: số vi khuẩn có khả hóa oxh metan oxit cacbon làm nguồn thức ăn tạo thành CO2, sau khử CO2 - Đường + muối khống - Đường + muối khoáng + chất sinh trưởng định: vitamin, axit amin, bazơ purin, pirimidin 2CO + O2 → 2CO2 + E CO2 + H2O → HCOOH + O2 - Nguồn thức ăn thích hợp là: gluxit, rượu đa chức, oxy axit - VSV sử dụng hchc dạng L, không dùng dạng D - Sử dụng thức ăn theo thói quen, sở thích VD: vi khuẩn xellulo mơi trường có đường xellulo chúng dùng xellulo chủ yếu 12 | P a g e Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 1.2 Dinh dưỡng nitơ: VSV tự dưỡng amin VSV dị dưỡng amin - Là VSV có khả tự tổng hợp protein - Khơng có khả tự tổng hợp hoàn toàn TB từ hợp chất nitơ vô cơ: NH3, NO2-, NO3-, sợi protein từ hợp chất vơ cơ, có khả N2, nitơ hữu tự tổng hợp vài axit amin Số lại phải hấp thu axit amin có sẵn từ môi trường - Các muối amon axit hữu thích hợp muối amon axit vơ muối amon vơ - Thuộc nhóm có VSV ký sinh hoại cơ: sinh VSV gây thối hiếu khí + Phần NH4+: VSV hấp thụ + Phần anion lại SO42-, Cl-: kết hợp với ion H+ có mơi trường tạo thành axit → Làm giảm pH môi trường Chúng sinh tổng hợp protein protease, phân hủy phân tử protein thành axit amin hấp thụ vào TB VSV hoại sinh - Là loại sử dụng nguồn nitơ từ sản phẩm thủy phân protein kể pepton, peptit, axit amin, VSV ký sinh - Là loại sử dụng sản phẩm thủy phân protein nằm TB vật chủ sử dụng sợi protein nguyên thể Dựa vào nguồn lượng: 2.1 Dinh dưỡng quang (quang dưỡng): - VSV thuộc nhóm có khả sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời 13 | P a g e Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 Dinh dưỡng quang vô Dinh dưỡng quang hữu (Tự dưỡng quang năng) (Dị dưỡng quang năng) - VSV thuộc nhóm có khả dùng chất vơ ngoại bào để làm nguồn cung cấp electron cho trình tạo lượng TB - VSV thuộc nhóm có khả dùng chất hữu làm nguồn cung cấp electron cho QT hình thành ATP TB - Sự tổng hợp chất thực thực vật - VSV có sắc tố quang hợp → hấp thu lượng mặt trờ, chuyển hóa thành lượng hóa học tích lũy phân tử ATP - Sắc tố quang hợp vi khuẩn chlorofil xanh mà gồm nhiều loại khác như: bacterilchlorofil a, b, c, d, Mỗi loại có phổ hấp thụ ánh sáng riêng 2.2 Dinh dưỡng hóa (hóa dưỡng): - Có khả sử dụng lượng chứa hợp chất hóa học có môi trường để tạo thành nguồn lượng thân Dinh dưỡng hóa vơ Dinh dưỡng hóa hữu (nhóm tự dưỡng hóa năng) (nhóm dị dưỡng hóa năng) - Vi khuẩn hiếu khí: Nitrosomonas, Nitrobacter, Thiobacillus, - Vi khuẩn kỵ khí: Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrficans… - Có khả sử dụng lượng sinh - Sử dụng hợp chất hữu môi trường làm q trình oxh hợp chất vơ để đồng chất oxy hóa sinh lượng hóa CO2 khơng khí tạo thành chất hữu 14 | P a g e Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 TB - Chất cho e: Chất hữu - Chất cho e: chất vô Chất nhận e: oxy chất vô khác Q TRÌNH HƠ HẤP CỦA VSV I BẢN CHẤT CỦA SỰ HƠ HẤP: - Hơ hấp phân giải chất phức tạp thành đơn giản, giải phóng lượng tự do, tạo chất làm sở cho tổng hợp tế bào - Bản chất hơ hấp: + Q trình phân giải hợp chất tương đối phức tạp thành hợp chất đơn giản, đồng thời giải phóng lượng tự + Sự phân giải xảy điều kiện môi trường khác nhau, phụ thuộc vào tính chất lồi Mơi trường có oxy Mơi trường khơng có oxy - Sự phân giải xảy theo kiểu oxy hóa: hợp chất hữu phân giải đến thành CO2 nước - VSV có khả phân giải đến sản phẩm trung gian, phân giải không đến - Năng lượng hóa học giải phóng hồn tồn - Năng lượng hóa học giải phóng khơng hồn tồn - Kiểu hơ hấp giống ĐV,TV – dùng oxy để tách hydro khỏi hợp chất hữu - Kiểu hô hấp không giống Đ,TV - VSV hiếu khí: Chất nhận e oxy 15 | P a g e Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 - VSV kỵ khí: Chất nhận e chất hữu cơ/ chất vô + Chất nhận e: chất hữu → QT lên men + Chất nhận e: chất vô Vi khuẩn phản nitrat hóa – Chất nhận điện tử NO3→ Hơ hấp nitrat Vi khuẩn phản sulfat hóa – Chất nhận điện tử SO42→ Hơ hấp sulfat II TÍNH CHẤT HƠ HẤP CỦA VI SINH VẬT: Nhóm VSV hơ hấp hiếu khí (nấm mốc vi khuẩn axetic): Oxy hóa hồn tồn Oxy hóa khơng hồn tồn - Năng lượng giải phóng hồn tồn - Năng lượng tự tàng trữ hợp chất trung gian - Sản phẩm cuối nước, CO2 sinh khối VSV - VD: QT oxy hóa đường thành axit citric nhờ nấm mốc Aspergillus niger: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 674kcal C6H12O6 + 3/2O2 = C6H7O8 + H2O + 174kcal - Ứng dụng sản xuất axit hữu Nhóm VSV hơ hấp kỵ khí (vi khuẩn lactic, vi khuẩn butyric, vi khuẩn propionic): - Hơ hấp yếm khí có điểm giống oxy hóa khơng hồn tồn lượng giải phóng khơng hồn tồn, đa số cịn tích trữ phân tử chất trung gian 16 | P a g e Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 VD: C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2 + 27kcal Sản xuất sản phẩm lên men muối chua rau quả, ủ phomat Nhóm VSV hơ hấp tùy tiện (nấm men, số nấm mốc Mucor rouxii, Rhizopus nigricans số vi khuẩn đường ruột E coli): Trong điều kiện hiếu khí Trong điều kiện yếm khí - Chúng phân giải nguyên liệu đầu đến CO2, nước, sinh khối - Nấm men phân giải đường thành rượu - Năng lượng giải phóng hồn tồn - Năng lượng giải phóng 1/25 trường hợp có oxy - TB sinh trưởng nhanh, sinh khối thu nhiều - Để thu nhiều lượng chúng phải phân giải nhiều sinh khối - Ứng dụng: sản xuất sinh khối - Ứng dụng: trình sản xuất rượu III SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG HÔ HẤP CỦA VI SINH VẬT: - Năng lượng hóa học giải phóng trình hơ hấp dùng để phục vụ hoạt động có ích VSV: + Tổng hợp TB + Hấp thu thức ăn + Sinh sản + Di động → Sử dụng 1/3 lượng hơ hấp 2/3 môi trường dạng nhiệt quang → tượng tỏa nhiệt nồi lên men môi trường tự nhiên chứa đựng nhiều chất → thiết bị lên men cần thiết bị làm lạnh kèm để trì nhiệt độ ổn định cho hoạt động tối ưu VSV 17 | P a g e Trương Thị Phương Hoa - KTTP2 K59 - Ở số VSV lượng tỏa dạng quang Ví dụ số lồi cá biển có VSV sống cộng sinh Khi hơ hấp VSV phát quang Ứng dụng: tìm luồng cá biển 18 | P a g e ... Dạng N vô cơ: NH3, NH4+, NO3- → Nguồn dinh dưỡng nhóm VSV tự dưỡng amin NH3, NH4+: thích hợp với vi khuẩn nấm men NO3- : xạ khuẩn, nấm mốc tảo - Dạng N hữu cơ: protein, polypeptit, axit amin... lượng sinh QT oxy hóa chất vơ để đồng hóa CO2 khơng khí - VSV hơ hấp hiếu khí: QT oxh sinh NL kèm theo vi? ??c liên kết với oxy khơng khí - VSV hơ hấp kỵ khí: QT oxh sinh NL khơng kèm theo vi? ??c liên... nucleic: - Chiếm 10 -30 % chất khơ, khoảng 3- 4% ADN - Trong TB VSV, hàm lượng axit nucleic tương đối cao 2.5 Các chất có hoạt tính sinh học cao: - Là vitamin, enzym, kháng sinh, axit amin tự sắc