Giáo án sinh chương i chuyển hóa vật chất và năng lượng ở vi sinh vật

Phần II CHƯƠNG SINH HỌC VI SINH VẬT CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Ở VI SINH VẬT A KIẾN THỨC TRỌNG TÂM VÀ CHUYÊN SÂU Chuyển hóa vật chất lượng vi sinh vật gồm q trình bản: - Đồng hóa: sử dụng lượng để tổng hợp chất hữu phức tạp từ chất đơn giản - Dị hóa: phân giải chất hữu phức tạp thành chất đơn giản, đồng thời giải phóng lượng cung cấp cho hoạt động sống thể Đồng hóa dị hóa hai q trình ngược lại có mối quan hệ gắn bó chặt chẽ với nhau, hai mặt đồng xu, tách rời Có thể hình dung khái qt q trình đồng hóa dị hóa sơ đồ sau: CHẤT PHỨC TẠP NĂNG ATP LƯỢNG CHẤT ĐƠN GIẢN Xét mặt chuyển hóa lượng, đồng hóa q trình hấp thu chuyển hóa lượng (ở dạng quang hay hóa năng) từ nguồn lượng thành dạng lượng hóa hợp chất hữu phức tạp Ngược lại, dị hóa trình chuyển hóa lượng liên kết hợp chất hữu thành lượng ATP, cung cấp cho hoạt động sống tế bào cuối cùng, lượng chuyển thành nhiệt, thải mơi trường Như vậy, thể sinh vật nói chung vi sinh vật nói riêng, chuyển hóa vật chất gắn liền với chuyển hóa lượng Chuyển hóa vật chất thực theo chu trình kín, cịn chuyển hóa lượng q trình diễn theo chiều, nghĩa hệ sống nhận lượng từ bên ngồi, chuyển hóa cuối cùng, thải hệ thống dạng nhiệt xạ Đồng hóa vi sinh vật kiểu dinh dưỡng Vi sinh vật cần phải lấy nguyên liệu (thực chất nguyên tố hóa học) lượng để tổng hợp chất hữu tham gia xây dựng tế bào thể Dựa vào nguồn cacbon (nguyên liệu quan trọng để tổng hợp chất hữu cơ) nguồn lượng, vi sinh vật chia thành nhiều kiểu dinh dưỡng khác Bảng 1: Các kiểu dinh dưỡng vi sinh vật Kiểu dinh dưỡng Nguồn lượng Nguồn cacbon Quang tự dưỡng Ánh sáng CO2 Quang dị dưỡng Ánh sáng Chất hữu Trang Hóa tự dưỡng Hóa học CO2 Hóa dị dưỡng Hóa học Chất hữu a Vi sinh vật quang tự dưỡng Vi sinh vật quang tự dưỡng vi sinh vật có khả quang hợp, tổng hợp chất hữu từ CO nhờ lượng ánh sáng hấp thu hệ sắc tố quang hợp Phương trình đồng hóa nhóm vi sinh vật có dạng sau: ng lượng ánh sáng CO2 + HX  Naê      Hệ sắc tố quang hợp  CH O  n +X Trong chế này, HX đóng vai trị chất cho hiđro electron Kiểu dinh dưỡng có nhóm vi sinh vật vi khuẩn lam, vi khuẩn lưu huỳnh màu lục, màu tía lồi tảo Kiểu dinh dưỡng có sinh vật đa bào thực vật Trong hệ sinh thái, đặc biệt hệ sinh thái nước, vi sinh vật quang tự dưỡng đóng vai trị sinh vật sản xuất, cung cấp phần lớn nguồn vật chất hữu cho toàn quần xã sinh vật thủy vực b Vi sinh vật quang dị dưỡng Các vi sinh vật có khả hấp thu chuyển hóa lượng ánh sáng thành dạng lượng cung cấp cho hoạt động sống thể có việc tổng hợp chất hữu cấu trúc nên tế bào Tuy nhiên, chúng bắt buộc phải lấy cacbon từ môi trường dạng hữu Phương trình đồng hóa nhóm vi sinh vật mơ tả sau: NL aùnhsaùng     Chất hữu thể + X Cacbon hữu + HX  Khuẩ n diệp lục Kiểu dinh dưỡng gặp số loài vi khuẩn biển vi khuẩn ưa mặn (như Rhodospirilium) HX nguồn hiđro electron, thường axit hữu (acetate hay fumarate) H 2, H2O hay H2S c Vi sinh vật hóa tự dưỡng Đây loài vi sinh vật lấy lượng từ phản ứng oxi hóa hợp chất vơ sử dụng CO làm nguồn cacbon Năng lượng có nhờ oxi hóa hợp chất vơ NH 4 , NO 2 , H , H 2S,S,S2 O3 2 , Fe 2 Chúng hình thành nhóm hạn chế tham gia vào chu trình vật chất sống đất nước Hydrogenomonas oxi hóa hydro, Nitrosomonas oxi hóa NH3 , Nitrobacter oxi hóa nitrite, Thiobacillus oxi hóa hợp chất khử lưu huỳnh… Kiểu dinh dưỡng có vi sinh vật nhân sơ Phương trình đồng hóa tổng quát: A  O      AO  Năng lượng CO  HX          CH O  n  X d Vi sinh vật hóa dị dưỡng Nhóm vi sinh vật phải tiêu thụ chất hữu để lấy lượng cacbon Nhóm bao gồm vi khuẩn, vi nấm động vật nguyên sinh Rất nhiều loài nhóm lồi vi sinh vật gây bệnh cho người động vật ý Để lấy lượng từ chất hữu cơ, vi sinh vật cần phải phân giải chúng thành chất đơn giản Quá trình thực thơng qua chuỗi phản ứng oxi hóa khử liên tiếp tế bào mà chất q trình dị hóa Và đương nhiên, lượng tạo trình Trang sử dụng phần cho q trình đồng hóa, phần lại cung cấp cho hoạt động sống khác tế bào Có thể tóm tắt q trình sau: Oxi hóa Chất hữu dạng khử ( ) chất hữu dạng oxi hóa + Năng lượng Các hoạt động khác Cacbon hữu Chất hữu thể Cần ý rằng, nguồn lượng trực tiếp tham gia vào trình đồng hóa vi sinh vật lượng ATP Năng lượng đề cập kiểu dinh dưỡng lượng sơ cấp Khi hấp thu vào thể, vi sinh vật cần phải có q trình chuyển hóa thành lượng ATP sử dụng Trong q trình sống, lồi vi sinh vật thường có kiểu dinh dưỡng đặc trưng Tuy nhiên, kiểu dinh dưỡng vi sinh vật thay đổi tùy điều kiện mơi trường Ví dụ, môi trường khan nguồn cacbon hữu cơ, loài vi sinh vật quang tự dưỡng tăng cường tổng hợp sản phẩm sơ cấp từ CO2 nhờ lượng ánh sáng Tuy nhiên, điều kiện môi trường chứa nhiều chất hữu giàu lượng, loài vi sinh vật chuyển đổi sang kiểu hóa dị dưỡng kiểu tốn lượng Đa dạng kiểu dinh dưỡng sở cho đa dạng môi trường sống loài vi sinh vật Quang hợp vi sinh vật Quang hợp vi sinh vật trình tổng hợp chất hữu nhờ lượng ánh sáng Về chế, quang hợp vi sinh vật có nhiều điểm tương tự thực vật Tuy nhiên, cacbon hiđro lấy từ nhiều nguồn khác nhau, tạo nhiều kiểu quang hợp khác Do lấy hiđro electron từ nhiều nguồn khác nên sản phẩm quang hợp có khác Những loài vi sinh vật sử dụng H 2O làm nguồn cung cấp hiđro electron, chúng có trình quang phân li H 2O thải O Kiểu quang hợp gọi quang hợp thải oxi Cịn lồi lấy hiđro electron từ hợp chất khác (như H 2S, chất hữu cơ,… khơng phải H 2O ) sản phẩm quang hợp, khơng có oxi tạo Do vậy, kiểu quang hợp gọi quang hợp không thải oxi Quang hợp thải oxi có nhóm vi sinh vật tảo, vi khuẩn lam quang hợp khơng thải oxi có nhóm vi khuẩn lưu huỳnh màu tía, vi khuẩn lưu huỳnh màu lục,… Do cấu tạo khác nên máy quang hợp nhóm vi sinh vật quang hợp khác Vi sinh vật nhân sơ khơng có bào quan có màng nên q trình quang hợp diễn màng tế bào tế bào chất Trong đó, chuỗi truyền điện tử pha sáng diễn màng tế bào, pha tối diễn tế bào chất Để tăng hiệu quang hợp, màng tế bào vi khuẩn quang hợp thường lõm vào, hình thành cấu trúc mesosom Ở số nhóm vi khuẩn lam, mesosom phát triển, chí, chúng tách khỏi màng tế bào tạo thành túi kín kiểu túi thilacoit thực vật Ngồi ra, sắc tố quang hợp vi khuẩn có khác biệt Khuẩn diệp lục có phổ hấp thu rộng diệp lục thực vật vi sinh vật nhân thực Còn vi sinh vật nhân thực, trình quang hợp diễn lục lạp Tuy nhiên, số lượng lục lạp tế bào thường không nhiều thực vật Bảng 1: Tổng hợp hình thức quang hợp vi khuẩn Kiểu Đại diện Sắc tố quang hợp Nguồn hiđro Nguồn Trang quang electron cacbon Diệp lục a H 2O CO2 Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía Khuẩn diệp lục a, b H2, H2S, S2O32- CO2 chất hữu hai Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục Khuẩn diệp lục a, c, d, e H2, H2S, S2O32- chất hữu CO2 chất hữu hai Vi sinh vật cổ Bacteriorhodopsin Chất hữu Chất hữu hợp Quang hợp Vi khuẩn lam thải oxi Quang hợp không thải oxi Cố định nitơ vi sinh vật Cố định nitơ q trình chuyển hóa nitơ từ dạng N2 sang dạng NH4+ Phương trình tổng quát sau: N  6H  2NH Trong điều kiện bình thường, N2 khí trơ mặt hóa học Do vậy, để tách hai nguyên tử nitơ gắn hiđro vào cần phải có lực khử mạnh, lượng ATP đặc biệt enzym nitrogenaza Vì vậy, có số nhóm vi sinh vật thực trình Vi sinh vật cố định nitơ gồm nhóm: - Nhóm vi sinh vật sống tự do, gồm vi khuẩn lam (Cyanobacter), Azotobacter, clostridium… - Nhóm vi sinh vật sống cộng sinh Ví dụ vi khuẩn nốt sần họ đậu (vi khuẩn Rhizobium) Về chế, cố định nitơ trình khử liên tiếp phân tử nitơ thành sản phẩm cuối NH3 Quá trình cần có tham gia ATP chất khử mạnh NADH,… 2H 2H 2H N N  4ATP   HN NH  4ATP   H N  NH  4ATP   2NH Cần ý rằng, enzym nitrogenaza hoạt động mơi trường kị khí (khơng có oxi phân tử) Vì thế, lồi hiếu khí ln có biến đổi phù hợp để tạo điều kiện cho hoạt động enzym Ở vi khuẩn sống tự (trừ vi khuẩn lam), tiếp xúc trực tiếp với oxi, chúng có chế ngăn chặn xâm nhập oxi vào tế bào chất Q trình hơ hấp hiếu khí xảy màng, làm cho phần lớn oxi hấp thu chuyển hóa thành H 2O trước vào tế bào chất Phần oxi dư thừa biến đổi thành H 2O hệ enzym hydogenaza màng tế bào Sơ đồ cố định nitơ lồi vi khuẩn hiếu khí (trừ vi khuẩn lam) Trang Ở vi khuẩn lam, chúng hạn chế tạo oxi tế bào quang hợp cách thực cố định đạm tế bào dị hình, nơi mà trình tổng hợp ATP thực theo đường photphoryl hóa vịng quang hợp khơng thải O (ở tế bào dị hình, chất cho hiđro e H 2S) Đối với lồi vi khuẩn hiếu khí cộng sinh nốt sần họ đậu, nốt sần tạo cấu trúc tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động vi sinh vật Phần vỏ bao quanh tế bào vi khuẩn (nằm nốt sần) có xuất leghemglobin, loại sắc tố có khả liên kết với oxi, cung cấp cho vi khuẩn giống Hb người Sắc tố đảm bảo khơng có oxi tự tế bào vi khuẩn có đủ oxi cho vi khuẩn hơ hấp Ngồi ra, họ đậu cung cấp đường cho vi khuẩn Ngược lại, nhận NH4+ từ vi khuẩn Sơ đồ cố định nitơ vi khuẩn lam Ý nghĩa q trình cố định nitơ: - Chuyển hóa nitơ từ dạng khơng hấp thu sang dạng hấp thu Đây nguồn phân bón quan trọng trồng - Khép kín chu trình nitơ tự nhiên Vi sinh vật cố định nitơ sử dụng để sản xuất loại phân bón vi sinh Azotobacterin, Nitragin… Hô hấp lên men Để thực hoạt động sống, vi sinh vật phải thực q trình dị hóa, phân giải chất hữu phức tạp thành chất đơn giản đồng thời giải phóng lượng dạng ATP Bản chất đường chuyển hóa lượng electron liên kết hóa học hợp chất hữu thành lượng ATP Electron sau lượng chuyển cho chất nhận cuối Dựa vào chất nhận electron cuối mà người ta chia đường dị hóa vi sinh vật gồm hơ hấp lên men a Hô hấp Hô hấp đường thu nhận lượng tế bào mà chất nhận electron cuối chất vô cơ, lấy từ môi trường Nếu chất nhận electron cuối O gọi hơ hấp hiếu khí, Oxi  2 dạng liên kết  NO3 ,SO , CO  gọi hơ hấp kị khí Ngun liệu hơ hấp hợp chất hữu phổ biến glucozơ Trang Hô hấp nói chung hơ hấp vi sinh vật nói riêng trải qua giai đoạn: - Giai đoạn đường phân có vai trị phân giải glucozơ thành phân tử axit pyruvic - Giai đoạn chu trình Krebs phân giải hồn tồn axit pyruvic thành CO2 , tích lũy electron H giàu lượng vào NADH FADH2 - Giai đoạn chuỗi vận chuyển electron có vai trị chuyển hóa lượng NADH FADH thành lượng ATP (tổng hợp ATP theo chế hóa thẩm thấu), đồng thời tái tạo NAD + FAD cho chu trình Krebs Ở vi sinh vật nhân sơ, đường phân chu trình Krebs diễn tế bào chất, chuỗi vận chuyển electron diễn màng tế bào vi sinh vật nhân thực, đường phân diễn tế bào chất, chu trình Krebs diễn chất ti thể chuỗi truyền electron diễn màng ti thể Mặc dù đường hô hấp hiếu khí tạo nhiều ATP so với hơ hấp kị khí mức lượng chất nhận electron cuối hơ hấp kị khí cao Trong số trường hợp, thiếu enzym chu trình Krebs nên chất hữu khơng phân giải hoàn toàn thành CO2 mà tạo sản phẩm dở dang Sản phẩm thải ngồi tế bào Vì điều mà số NADH FADH2 tạo hơn, lượng ATP tạo Cơ chế gọi chế oxi hóa khơng hồn tồn Cơ chế có số lồi vi khuẩn vi khuẩn axetic b Lên men Lên men đường thu nhận lượng tế bào mà chất nhận electron cuối hợp chất hữu cơ, hợp chất trung gian q trình chuyển hóa nội bào Lên men gồm giai đoạn: - Đường phân: phân giải đường glucozơ thành phân tử axit pyruvic - Lên men: biến đổi axit pyruvic thành sản phẩm lên men, tái tạo NAD+ cho đường phân Do giai đoạn lên men không tạo ATP nên số phân tử ATP tạo trình lên men thấp (2ATP/1 glucozơ) Sơ đồ tổng quát trình lên men: Các giai đoạn trình lên men diễn tế bào chất không cần oxi Dựa vào số sản phẩm lên men, người ta chia ra: - Lên men đồng hình: Chỉ tạo loại sản phẩm - Lên men dị hình: Tạo nhiều loại sản phẩm lên men Quá trình lên men vi sinh vật ứng dụng để sản xuất chế phẩm theo nhu cầu người Có q trình lên men nhiều người quan tâm lên men rượu (lên men etylic) lên men lactic Trang Lên men rượu Lên men lactic Chất nhận electron cuối Acetaldehyt Axit pyruvic Sản phẩm lên men Rượu etylic Axit lactic Thời gian Lâu Nhanh Tác nhân Nấm men Vi khuẩn lactic PTTQ C6 H12 O6  2C2 H5OH  2CO C6 H12 O6  2C3H O3 Nhận biết Dịch lên men có mùi rượu Dịch lên men có mùi chua Sản xuất đồ uống có cồn Muối chua rau quả, sản xuất axit lactic, làm sữa chua, phomat… Ứng dụng Mỗi lồi vi sinh vật có nhiều đường thu nhận lượng khác Đây đặc điểm thích nghi nhóm sinh vật Chẳng hạn vi khuẩn E.coli có khả hơ hấp hiếu khí có oxi, khơng có oxi, tiến hành lên men hơ hấp kị khí Có thể tóm tắt đường thu nhận lượng vi sinh vật theo bảng đây: Chất nhận e cuối Sản phẩm khử Hiệu lượng Hơ hấp hiếu khí Hơ hấp kị khí Oxi hóa khơng hồn tồn Lên men O2 CO , H O  Oxi liên kết (NO3 , 2 SO , CO ) CO2 , H 2O, sản phẩm phụ ( N , S, H 2S, CH ) 38ATP/1 glucozơ Ít 38 ATP/1 glucozơ O2 Chất hữu cơ, H 2O Ít hơ hấp hiếu khí Chất hữu Chất hữu 2ATP/1 glucozơ B CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ÔN LUYỆN Câu 1: Nêu kiểu dinh dưỡng, nguồn lượng, nguồn cacbon, kiểu hơ hấp vi khuẩn nitrat hóa Vai trị vi khuẩn trồng? Hướng dẫn giải:  - Vi khuẩn nitrat hóa vi khuẩn hóa tổng hợp, chúng sử dụng oxi phân tử để oxi hóa NO thành NO3 , thu lượng sử dụng lượng để đồng hóa CO2 - Vì thế: + Kiểu dinh dưỡng hóa tự dưỡng + Nguồn cacbon CO2 + Kiểu hô hấp: hơ hấp hiếu khí - Vai trị vi khuẩn trồng: chuẩn hóa nitơ từ dạng khơng hấp thu thành dạng hấp thu Trang Câu 2: Người ta pha chế dung dịch nuôi cấy vi sinh vật (môi trường D) gồm thành phần sau: H2O; NaCl; (NH4)2PO4; KH2PO4; MgSO4; CaCl2 Tiến hành nuôi cấy chủng vi khuẩn A, B, C môi trường điều kiện khác nhau, thu kết sau: Môi trường nuôi cấy Mơi trường D + 10g cao thịt bị, để bóng tối Mơi trường D, để bóng tối có sục CO2 Mơi trường D, chiếu sáng, có sục CO2 Chủng A Chủng B Chủng C Mọc Không mọc Không mọc Không mọc Mọc Không mọc Không mọc Mọc Mọc Xác định kiểu dinh dưỡng chủng Hướng dẫn giải: - Chủng A sống điều kiện bóng tối địi hỏi phải có chất hữu  kiểu dinh dưỡng hóa dị dưỡng - Chủng B sống bóng tối địi hỏi phải có CO  kiểu dinh dưỡng hóa tự dưỡng - Chủng C sống điều kiện có CO2 ánh sáng  quang tự dưỡng Câu 3: Một học sinh vội viết hai trình lên men sau: (1) C12 H 22 O11  CH3CHOHCOOH (2) CH3CH OH  O2  CH 3COOH  H 2O  Q Theo em, bạn viết chưa? Hãy chỗ nhầm lẫn bạn Hãy giải thích hai q trình mà bạn viết chất (nguyên liệu), chất tạo thành, chất nhận electron cuối loại vi sinh vật thực Hướng dẫn giải: - Cả hai trình bạn viết chưa vì: + Quá trình (1) trình lên men lactic, nguyên liệu glucozơ, saccarozơ + Q trình (2) khơng phải lên men, diễn điều kiện hiếu khí (cần có O ) - Giải thích: Q trình (1) Q trình (2) Cơ chất Glucozơ Rượu etylic Chất tạo thành Axit lactic Axit acetic Chất nhận e cuối Axit pyruvic O2 Vi khuẩn lactic: Vi khuẩn lên men giấm: - Lactobacillus - Acetobacter - Streptococus - Glucozơnobacter … … Loại vi khuẩn thực Câu 4: Vi khuẩn Axetic có khả oxi hóa rượu etylic thành axit Axetic để thu nhận lượng theo phương trình: C2 H5OH  O  CH3COOH  H 2O  Q a Xét kiểu dinh dưỡng; nhu cầu oxi vi khuẩn Axetic thuộc nhóm vi sinh vật nào? Trang b Q trình oxi hóa rượu thành axit Axetic vi khuẩn Axetic khác với trình len men khác với q trình hơ hấp hiếu khí điểm nào? Hướng dẫn giải: a Xét kiểu dinh dưỡng: vi khuẩn Axetic thuộc nhóm hóa dị dưỡng Xét nhu cầu oxi: vi khuẩn Axetic thuộc nhóm vi sinh vật hiếu khí b - Khác với lên men: + Nguyên liệu etylic, glucozơ + Diễn điều kiện hiếu khí + Chất nhận electron cuối oxi + Hiệu lượng cao - Khác với hô hấp: + Nguyên liệu etylic, glucozơ + Chất hữu phân giải không hoàn toàn, tạo sản phẩm chất hữu + Hiệu lượng thấp Câu 5: Để nghiên cứu kiểu hơ hấp lồi vi khuẩn, người ta cấy sâu vi khuẩn vào môi trường có chứa thành phần: thạch gam, thịt bị 30 gam, glucozơ gam, nước tinh khiết 1000ml Sau nuôi cấy tủ ấm 35oC 24 thấy vi khuẩn phát triển mặt thống ống nghiệm Thêm vào mơi trường 1gam KNO3 thấy chúng phát triển mặt thống tồn ống nghiệm a Hãy xác định kiểu hô hấp trực khuẩn cho biết chất nhận electron cuối chuỗi truyền electron chưa có KNO3 b Vì có KNO3 trực khuẩn lại phát triển mặt thống tồn ống nghiệm? c Viết phương trình hơ hấp tế bào vi khuẩn sống đáy ống nghiệm có KNO Biết hoạt động hô hấp tạo khí N2 Hướng dẫn giải: a Khi chưa có KNO3 : Vi khuẩn phát triển mặt thoáng ống nghiệm, chứng tỏ chúng cần oxi để tiến hành hô hấp  kiểu hô hấp hô hấp hiếu khí, chất nhận electron cuối O b Khi có KNO3 : Khi có KNO3 vi khuẩn phát triển đáy ống nghiệm  vi khuẩn kị khí khơng bắt  buộc, khơng có O , chúng sử dụng NO3 làm chất nhận electron cuối thay O để tiến hành hơ hấp  tế bào mặt thống ống nghiệm tiến hành hơ hấp hiếu khí, tế bào phía tiến hành hơ hấp kị khí (hơ hấp nitrat)  chúng sống tồn ống nghiệm c Phương trình: C6 H12O6  4NO3  6CO  6H 2O  2N  Q (ATP + nhiệt) Câu 6: Hoạt động coenzym NADH hơ hấp tế bào q trình lên men có khác nhau? Hướng dẫn giải:  - Trong hô hấp tế bào, NADH vào chuỗi truyền điện tử  e  để tổng hợp ATP; chất nhận H  e  cuối oxi Trang - Trong q trình lên men, NADH khơng vào chuỗi truyền e  mà nhường H  e  cho chất nhận electron cuối để hình thành sản phẩm lên men - Chất nhận H  e  cuối chất hữu nội bào Câu 7: Hãy giải thích thích nghi cấu tạo hoạt động chức để thực cố định nitơ loại vi khuẩn Nostoc (vi khuẩn lam), Azotobacter (vi khuẩn hiếu khí sống tự do), Rhizobium loại vi khuẩn cộng sinh với họ đậu Hướng dẫn giải: - Nostoc quang hợp giải phóng oxi phân tử Để đảm bảo cho trình cố định nitơ, vi khuẩn lam hình thành tế bào đặc biệt heterocyte (tế bào dị hình), tế bào có thay đổi kiểu trao đổi chất Chỉ có phức hệ quang hợp I q trình quang hợp khơng tạo O Do hệ enzym nitrogenaza hoạt động bình thường để cố định nitơ phân tử Mặt khác Nostoc thường chứa khơng bào khí giúp vi khuẩn lên hay chìm xuống tránh nơi có hàm lượng oxi cao thu lượng ánh sáng quang hợp - Azotobacter: tạo lớp màng bao dày bên ngồi tế bào ngăn khơng cho oxi thâm nhập vào cách tùy tiện, màng tế bào chất vi khuẩn gấp nếp tạo thành túi chứa hệ nitrogenaza hình thành nhanh chóng hiđro nhờ hệ hiđrogenaza Để trung hịa oxi phân tử, đẩy mạnh q trình hơ hấp màng tế bào chất để khơng cịn oxi vào bên - Rhizobium họ đậu, sống tự đất không cố định đạm Chỉ hình thành nốt sần rễ đậu chúng biến thành thể giả khuẩn Bacteriode có khả hoạt hóa hệ enzym nitrogenaza Tế bào rễ hình thành loại protein đặc biệt (Noduline), protein liên kết với nhân hem Bacteriode tiết để trở thành leghenmoglobin, sắc tố màu hồng bao quanh Bacteriode hấp thụ oxi loại bỏ tác động gây hại hoạt tính nitrogenaza, mặt khác cung cấp oxi cần thiết cho trình oxi hóa Rhizobium Câu 8: Phân biệt quang hợp vi khuẩn lam với quang hợp vi khuẩn lưu huỳnh màu tía Hướng dẫn giải: Kiểu Sắc tố Nguồn Nguồn Sản quang hợp quang hợp hiđro Cacbon phẩm electron Vi khuẩn lam Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía Quang hợp thải oxi Diệp lục a H 2O Quang hợp không thải oxi Khuẩn diệp lục a, b H2, H2S, S2O32- CO2 CO2 chất hữu hai CH O, O2 CH O, S… Câu 9: Các phản ứng phân giải glucozơ điều kiện hiếu khí kị khí nấm men tóm tắt sau: C6 H12 O6  6O  6CO  6H O (1) C6 H12 O6  2C2 H5OH  2CO2 (2) Trong thí nghiệm, việc sử dụng hoàn toàn 0,5 mol Glucozơ, điều kiện hiếu khí phần kị khí phần, thu 1,8 mol CO2 Trang 10 a Hãy tính tỉ lệ phần trăm số mol glucozơ dùng phản ứng hiếu khí b Hãy tính hệ số hô hấp định nghĩa tỉ số số mol CO2 hình thành số mol O tiêu thụ Hướng dẫn giải: a Gọi x số mol glucozơ bị phân giải theo phản ứng (1)  Số mol CO2 tạo theo phản ứng (1) 6x Số mol CO2 tạo theo phản ứng (2) 2(0,5-x) Theo ta có phương trình: 6x +2(0,5 - x) = 1,8  x = 0,2 (mol) Vậy, tỉ lệ % số mol glucozơ dùng phản ứng hiếu khí là: 0,2:0,5 x 100% = 40% b Tổng số mol O tiêu thụ: 6x = 6.0,2 = 1,2 mol Vậy hệ số hô hấp: RQ = 1,8: 1,2 = 1,5 Câu 10: Người ta tiến hành thí nghiệm sau: Cho 50ml dung dịch đường saccarozơ 10% vào chai nhựa dung tích 75ml, cho khoảng 10 gam bánh men rượu giã nhỏ vào chai, đậy nắp kín để nơi có nhiệt độ 30 - 35 0C Sau vài ngày đem quan sát a Hãy nêu giải thích tượng quan sát b Nếu sau cho bột bánh men vào chai mà khơng đậy nắp tượng quan sát có khác? Hướng dẫn giải: a Các tượng quan sát được: - Chai nhựa bị căng phồng - Dung dịch chai bị xáo trộn, có nhiều bọt khí lên - Mở nắp chai ngửi thấy mùi rượu Giải thích: - Trong bánh men rượu có chứa nấm men rượu - Trong mơi trường khơng có oxi, nấm men tiến hành phân giải saccarozơ thành glucozơ fructozơ sau sử dụng loại đường để tiến hành lên men rượu: C12 H 22 O11  H O  2C6 H12 O6 C6 H12 O6  2C2 H5OH  2CO2 - Q trình lên men tạo khí CO2 nên thấy bọt khí bay lên, chai đậy nắp kín nên CO2 khơng ngồi, tích tụ lại làm cho chai bị căng phồng - Hoạt động tế bào nấm men làm cho dung dịch bị xáo trộn, đục - Quá trình lên men tạo rượu etylic nên ngửi thấy mùi rượu b Nếu không đậy nắp chai, phần mặt thống dung dịch tiếp xúc với khơng khí, có oxi nên tế bào nấm men tiến hành phân giải đường saccarozơ, thực hô hấp hiếu khí: C12 H 22 O11  H O  2C6 H12 O6 C6 H12 O6  6O  6CO2  6H 2O Ở lòng dung dịch, tế bào nấm men không tiếp xúc với oxi nên tiến hành lên men rượu Trang 11 C6 H12 O6  2C H 5OH  2CO Như vậy, chai vừa xảy q trình hơ hấp hiếu khí vừa có q trình lên men rượu - Hơ hấp hiếu khí tạo nhiều ATP hơn, nấm sinh trưởng mạnh hơn, độ xáo trộn dung dịch cao - Số bọt khí tạo có số tế bào tiến hành lên men, tế bào mặt thống tiến hành hơ hấp, có thải CO2 khơng qua dung dịch nên khơng tạo bọt khí - Mùi rượu nhẹ số tế bào lên men Câu 11: Nêu sở hóa học phương pháp nhuộm Gram? Ý nghĩa phương pháp nhuộm Gram? Hướng dẫn giải: - Phương pháp nhuộm Gram phương pháp nhuộm kép Lần thứ nhuộm thuốc nhuộm màu tím, lần thứ nhuộm thuốc nhuộm màu đỏ - Cơ sở hóa học: Do cấu tạo thành tế bào vi khuẩn Gram (–) Gram (+) khác nên bắt màu thuốc nhuộm khác + Vi khuẩn Gram (-): có thành peptidoglucan mỏng (ít lớp), nằm lớp màng sinh chất màng ngồi Màu tím kết tinh dễ dàng bị rửa trôi khỏi tế bào chất tế bào có màu hồng đỏ thuốc nhuộm bổ sung (nhuộm lần 2) + Vi khuẩn Gram (+): có thành tế bào dày (có nhiều lớp peptidoglucan) Do nhuộm thuốc tím kết tinh thuốc thành tế bào giữ lại tế bào chất, việc rửa cồn khơng loại bỏ tím kết tinh Khi nhuộm lần thứ thuốc nhuộm màu hồng đỏ màu tím có tế bào chất q đậm nên ngăn chặn biểu màu hồng đỏ - Ý nghĩa: + Về mặt sinh học: phân biệt vi khuẩn dựa khác biệt thành phần tế bào + Về mặt thực tiễn: ứng dụng điều trị bệnh Vì vi khuẩn Gram (-) có lớp LPS (là loại lipit) thành tế bào chất độc, gây sốt gây sốc cho thể người Vi khuẩn Gram (-) có lớp màng giúp bảo vệ tế bào vi khuẩn khỏi hàng rào bảo vệ thể Do vậy, vi khuẩn Gram (-) có xu hướng kháng lại kháng sinh tốt vi khuẩn Gram (+) lớp màng ngăn cản thuốc vào tế bào Câu 12: a Phân biệt vi khuẩn với vi sinh vật cổ (Archaea) b Căn vào đâu mà người ta lại cho Archaea ranh giới vi khuẩn sinh vật nhân thực? Hướng dẫn giải: a Phân biệt vi khuẩn với vi sinh vật cổ (Archaea) Đặc điểm Vi khuẩn Vi sinh vật cổ Có protein histon Khơng Có Axit amin mở đầu Foocmin methionin Methionin Thành tế bào Murein Pseudomurein Cấu trúc lipit màng Chứa liên kết este Chứa liên kết ete ADN polymezaza Có loại tham gia Có nhiều loại Sắc tố quang hợp Diệp lục a, khuẩn diệp Bacteriorhodopsine lục (ở sinh vật quang hợp) Sinh trưởng nhiệt độ Khơng có khả Chịu nhiệt độ cao từ Trang 12 80 – 100oC cao b Archaea ranh giới vi khuẩn sinh vật nhân thực vì: Vi sinh vật cổ vừa có số đặc điểm giống vi khuẩn, vừa có số đặc điểm giống sinh vật nhân thực - Đặc điểm giống vi khuẩn: Cơ thể đơn bào, tế bào nhân sơ, riboxom loại 70S, có plasmit - Đặc điểm giống sinh vật nhân thực: Một số vi sinh vật cổ có gen phân mảnh (có intron xen kẽ exon); có protein histon liên kết với ADN; axit amin mở đầu methionin Câu 13: Xét trình biến đổi hợp chất nitơ đất NH OH    NH Hydroxyla amoniac  NO NO3  NO    N 2O   N2 Oxidizing ammonium Nitrogen Hậu trình với đất nào? Nêu cách khắc phục Hướng dẫn giải: Đây hô hấp nitrat đất (Hơ hấp kị khí):  - Q trình amon hóa nitrat: q trình phân giải NO3  NH NH3 vi khuẩn sử dụng làm nguyên liệu tổng hợp protein (q trình giống q trình amon hóa thực vật)  - Q trình phản nitrat hóa: trình phân giải NO3  N Do vi khuẩn phản nitrate hóa khơng có  khả khử nitrat thành NH , nên nuôi cấy chúng cần phải bổ sung thêm nguồn đạm vào môi trường  (pepton NH ) Vi khuẩn phản nitrat hóa làm nitơ nghiêm trọng đất, trình xảy mạnh đất bị kỵ khí (đất ngập nước, bị nén chặt) dùng phân đạm (phân nitrat) với phân chuồng ruộng lúa ngập nước Có thể khắc phục cách tạo cho đất thống khí (làm đất tơi xốp) để oxi phân tử ức chế tế bào vi khuẩn phản nitrat hóa khơng tổng hợp enzym nitratreductaza nitritreductaza  Quá trình phản nitrat bị ức chế Câu 14: Nêu đặc điểm vi khuẩn giúp trở thành bậc thầy khả thích nghi với mơi trường? Hướng dẫn giải: - Về cấu trúc: + Hầu hết vi khuẩn có thành tế bào giúp sống môi trường nhược trương mà không bị vỡ + Một số vi khuẩn có roi (tiên mao) giúp di chuyển định hướng mơi trường, có nhung mao giúp bám dính bề mặt, nhung mao giới tính tạo cầu tiếp hợp + Một số vi khuẩn có khả hình thành màng nhầy giúp chống lại nhận bạch cầu, chống lại thực bào tăng độc lực vi khuẩn + Đa số vi khuẩn có plasmit mang gen có lợi cho vi khuẩn (kháng thuốc, chịu axit, mặn, chịu nhiệt,…) truyền gen cho nhiều cách tiếp hợp, biến nạp, tải nạp + Một số vi khuẩn điều kiện bất lợi hình thành nội bào tử điều kiện bất lợi giúp vi khuẩn vượt qua điều kiện bất lợi mơi trường + Các vi khuẩn cổ có thành tế bào, màng sinh chất đặc trưng, có tỉ lệ G-X/A-T cao, có protein đặc biệt giúp chúng sống môi trường khắc nghiệt Trang 13 - Về trao đổi chất: Vi khuẩn có đa dạng kiểu trao đổi chất: quang tự dưỡng, hóa tự dưỡng, quang dị dưỡng, hóa dị dưỡng Thậm chí có vi khuẩn sử dụng kiểu dinh dưỡng môi trường kiểu dinh dưỡng khác mơi trường khác Chúng sống điều kiện có oxi khơng có oxi Vì chúng sống nhiều môi trường khác - Về di truyền: hệ gen vi khuẩn có phân tử ADN đột biến biểu ngay, tế bào có kích thước nhỏ, chưa có màng nhân nên ADN dễ bị đột biến - Về sinh sản: + Vi khuẩn sinh sản phân đơi với tốc độ nhanh TB có kích thước nhỏ, trao đổi chất nhanh, sinh sản nhanh Vì mà vi khuẩn thích nghi nhanh với thay đổi môi trường Câu 15: Vi sinh vật thể đa bào bậc cao (thực vật, động vật) có kiểu hơ hấp tế bào giống nhau? Kiểu hơ hấp tế bào có riêng vi sinh vật? Ở kiểu hô hấp, với đối tượng cho ví dụ Giải thích vi sinh vật lại có kiểu hơ hấp đa dạng vậy? Hướng dẫn giải: * Kiểu hô hấp giống vi sinh vật, thực vật động vật: - Hơ hấp hiếu khí: có chuỗi vận chuyển e với O chất nhận điện tử cuối Ví dụ tất thực vật, động vật, động vật nguyên sinh, nấm men - Lên men: khơng có chuỗi vận chuyển e, chất nhận điện tử cuối chất hữu Ví dụ thực vật, chín có tượng lên men rượu Ở động vật, vận động liên tục máu khơng cung cấp đủ O , xảy lên men lactic Ở vi sinh vật, có lên men lactic vi khuẩn Lactic, lên men rượu nấm men - Kiểu hô hấp riêng VSV: hô hấp kị khí (hơ hấp nitrat, hơ hấp sunphat,…) VD: Hơ hấp nitrat: vi khuẩn phản nitrat hóa Hơ hấp sunfat: vi khuẩn lưu huỳnh - VSV có kiểu hơ hấp đa dạng vì: vi sinh vật bao gồm nhiều đại điện từ siêu giới khác nhau: vi khuẩn cổ, tế bào nhân sơ (vi khuẩn), tế bào nhân thực (nấm, động vật nguyên sinh) Câu 16: Để nghiên cứu kiểu hô hấp kiểu dinh dưỡng loại vi khuẩn, người ta cấy chúng vào loại môi trường: + Môi trường A: nước, muối khống (một số muối photphat clorua) + Mơi trường B: gồm môi trường A glucozơ + Môi trường C: gồm môi trường B nước thịt + Môi trường D: gồm môi trường C 2g KNO3 Sau nuôi cấy 24h nhiệt độ phù hợp, kết thu sau: + Ở môi trường A B: vi khuẩn không phát triển + Ở môi trường C: vi khuẩn phát triển bề mặt + Ở môi trường D: vi khuẩn phát triển tồn mơi trường Hãy xác định kiểu dinh dưỡng kiểu hô hấp loại vi khuẩn này? Giải thích? Hướng dẫn giải: - Kiểu dinh dưỡng: hóa dị dưỡng khuyết dưỡng vài loại axit amin Trang 14 Vì mơi trường A mơi trường tối thiểu, mơi trường B có nguồn cacbon glucozơ, vi khuẩn không phát triển Môi trường C D có bổ sung thêm nước thịt nguồn cung cấp axit amin, vi khuẩn phát triển - Kiểu hơ hấp: vi khuẩn vừa hơ hấp hiếu khí (phát triển bề mặt mơi trường C) vừa  hơ hấp kị khí (chất nhận e cuối NO3 ) Câu 17: a Hãy nêu đặc điểm khác biệt tế bào vi khuẩn tế bào người khiến vi khuẩn có khả sinh sản nhanh tế bào người b Vì người ta dùng thuốc kháng sinh đặc hiệu để tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh thể người lại không làm tổn hại tế bào người? Hướng dẫn giải: a Tế bào vi khuẩn có khả sinh sản nhanh tế bào người vì: - Vi khuẩn có kích thước bé nên tỷ lệ S/V lớn Khi tỉ lệ S/V lớn trao đổi chất tế bào với môi trường xảy nhanh vận chuyển chất bên tế bào diễn nhanh - Vi khuẩn sinh vật nhân sơ khơng có màng nhân trình phiên mã dịch mã xảy đồng thời  trình tổng hợp protein xảy nhanh  sinh sản nhanh b Có thể dùng thuốc kháng sinh đặc hiệu để tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh thể người lại khơng làm tổn hại tế bào người vì: - Tế bào vi khuẩn có thành tế bào cịn tế bào người khơng nên người ta sử dụng chất kháng sinh để ức chế enzym tổng hợp thành tế bào vi khuẩn Ví dụ thuốc kháng sinh penixilin - Quá trình sinh tổng hợp protein vi khuẩn có riboxom 70S số đặc điểm khác với trình sinh tổng hợp protein tế bào người nên sử dụng loại thuốc ức chế tổng hợp protein vi khuẩn mà không ảnh hưởng đến tế bào người Câu 18: a Viết sơ đồ tóm tắt q trình nitrat hóa đất từ amoni thành nitrit vi khuẩn Nitrosomonas từ nitrit thành nitrat vi khuẩn Nitrobacter? b Kiểu dinh dưỡng kiểu hô hấp loại vi khuẩn nào? Hướng dẫn giải: a Sơ đồ tóm tắt giai đoạn: + Giai đoạn nitrit hóa vi khuẩn Nitrosomonas NH   3/2 O  NO   H O  2H   lượng  Hoặc viết: NH  NH OH  NO2 + Giai đoạn nitrat hóa vi khuẩn Nitrobacter NO   1/2 O  NO3  lượng   Hoặc viết: NO  NO3 b Dinh dưỡng kiểu hô hấp: + Là vi sinh vật hóa tự dưỡng, nguồn lượng thu từ q trình oxi hóa NH  NO  NO   NO3 ; nguồn C từ CO2 để tạo thành cacbon hidrat cho tế bào Trang 15 + Là vi khuẩn hiếu khí bắt buộc cần oxi, khơng có oxi khơng thể oxi hóa amoni khơng có lượng cho hoạt động sống Câu 19: Một học sinh phân lập lồi vi khuẩn (kí hiệu A, B, C) tiến hành ni lồi mơi trường có đủ chất hữu cần thiết thay đổi khí O chất KNO3 Kết thu sau: Loài vi khuẩn Lồi A Lồi B Lồi C Có đủ O KNO3 + + - Có KNO3 + - + Có O + + - Khơng có O khơng có KNO3 - - + Mơi trường Ghi chú: dấu (+): vi khuẩn phát triển; dấu (-): vi khuẩn bị chết a Dựa vào kết thí nghiệm, cho biết kiểu hơ hấp lồi vi khuẩn nói b Khi mơi trường có đủ chất hữu có KNO3 , lồi vi khuẩn A thực q trình chuyển hóa lượng có chất hữu thành lượng ATP cách nào? c Giả sử loài có lồi xuất từ giai đoạn trái đất ngun thủy lồi nào? Vì sao? Hướng dẫn giải: a Lồi A: kị khí khơng bắt buộc (hiếu khí khơng bắt buộc) Vì có O KNO3 lồi A phát triển Lồi B: hiếu khí bắt buộc Vì mơi trường có O lồi B phát triển Cịn khơng có O lồi B khơng phát triển Lồi C: kị khí bắt buộc b - Khi mơi trường có KNO3 lồi A thực hơ hấp kị khí mà chất nhận điện tử cuối  NO3 (phản nitrat) - Loài C vi khuẩn xuất từ giai đoạn trái đất nguyên thủy lồi hơ hấp kị khí (trái đất nguyên thủy chưa có oxi) Trang 16