Bài giảng vi sinh vật học chương 5 trao đổi chất ở vi sinh vật

Chương 5: Trao đổi chất vi sinh vật 5.1 đại cương trao đổi chất 5.2 Thành phần hoá học tế bào 5.3 Dinh dưỡng VSV 5.4 Hô hấp VSV 5.1 đại cương trao đổi chất + Là thuộc tính sống (trao đổi chất, sinh trưởng phát triển, di truyền - biến dị) + Bao gồm trình bản: dinh dưỡng (hấp thu thức ăn từ môi trường), hơ hấp (chuyển hóa nội bào chất dinh dưỡng) đào thải môi trường "sản phẩm trình trao đổi chất" + Qua trình trao đổi chất, vi sinh vật thu nguồn vật liệu cần thiết để cấu tạo, đổi tế bào nguồn lượng phục vụ cho hoạt động sống chúng + Cường độ trình trao đổi chất vi sinh vật lớn nhiều so với động vật thực vật 5.2 Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật 5.2.1 Nước + Là thành phần chính, chiếm tỉ lệ lớn: 70-85% + Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào điều kiện môi trường sống (áp suất thẩm thấu mơi trường), lồi vi sinh vật, trạng thái tồn tại, lứa tuổi + Chức năng: dung mơi hịa tan, mơi trường cho phản ứng chuyển hóa nội bào, tham gia vào cấu trúc tế bào tham gia trực tiếp vào trình chuyển hóa (p/ứng thủy phân) + Đặc điểm: nước tự (dung môi) phần dễ biến đổi; nước liên kết (tham gia vào cấu trúc TB) phần ổn định biến đổi + Sự nước tự tác động đến hoạt tính sinh lý VSV (mất ít: kìm hãm; tăng lên: rối loạn chức sinh lý, kìm hãm mạnh mẽ; nhiều: làm rối loạn đình hoạt động sống) Mất nước tự không làm chết vi sinh vật Mất nước liên kết phá vỡ cấu trúc tế bào, dẫn tới làm chết vi sinh vật 5.2 Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật 5.2.2 Protit + Là thành phần chất khơ chính, chiếm 70-85% chất khơ + Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào loài vi sinh vật, điều kiện môi trường sống, trạng thái tồn tại, lứa tuổi + Thành phần: bao gồm protit phức tạp (glucoproteit, lipoproteit tham gia vào cấu trúc TB) dạng protit đơn giản (albumin, peptit, axít amin ) + Chức năng: thành phần cấu trúc tế bào giữ vai trị quan trọng q trình chuyển hóa + Đặc điểm: protit VSV có đủ axít amin, tương tự nguồn protein từ động vật hay thực vật, không phát thấy khác biệt lớn thành phần nguồn protein vi sinh vật với protein truyền thống * Một số loài VSV điều kiện định “siêu tổng hợp tích tụ” hay vài axít amin … 5.2 Thành phần hố học tế bào vi sinh vật 5.2.3 Gluxit + Chiếm 10-30% tổng lượng chất khơ + Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào lồi vi sinh vật, điều kiện môi trường sống, trạng thái tồn tại, lứa tuổi + Thành phần: bao gồm gluxit phức tạp (glucoproteit, lipopolysaccharit tham gia vào cấu trúc TB) dạng protit đơn giản (các loại đường ) + Chức năng: nguồn cung cấp lượng chính, cung cấp vật liệu khung cacbon cho VSV tham gia vào cấu trúc tế bào + Đặc điểm: tương tự nguồn gluxit động vật hay thực vật, không phát thấy khác biệt lớn thành phần nguồn gluxit vi sinh vật với gluxit ĐV-TV Một số lồi VSV có giáp mạc điều kiện định “siêu tổng hợp tích tụ” polysaccarit ứng dụng cơng nghiệp 5.2 Thành phần hố học tế bào vi sinh vật 5.2.4 Lipit + Chiếm tỉ lệ nhỏ tế bào + Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào lồi vi sinh vật, điều kiện mơi trường sống, trạng thái tồn tại, lứa tuổi + Thành phần: bao gồm lipit phức tạp (lipoproteit, lipopolysaccharit, photpholipit tham gia vào cấu trúc TB) lipit đơn giản (glyxerin, axít béo ) + Chức năng: tham gia vào cấu trúc tế bào có vai trị quan trọng q trình hấp thu thức ăn; số vi sinh vật, lipit có liên quan đến hoạt tính kháng nguyên chúng + Đặc điểm: có khác biệt nhỏ thành phần nguồn lipit vi sinh vật với lipit ĐV-TV (trong lipit VSV có axit béo khơng no nối đơi, axít béo mạch ngắn đặc biệt thành phần (n- -hydroxybutyric)n khơng tìm thấy lipitđv-tv) 5.2 Thành phần hố học tế bào vi sinh vật 5.2.5 Các nguyên tố khoáng + Chiếm tỉ lệ nhỏ tế bào, 2-3% chất khô + Rất đa dạng thành phần, bao gồm nguyên tố đa lượng (Ca, P, S, Na ), nguyên tố vi lượng (Co, I2, Fe ) + Chức năng: tham gia vào cấu trúc tế bào cấu trúc nhiều enzym nên có vai trị quan trọng q trình trao đổi chất vi sinh vật + Đặc điểm: có mặt nồng độ ngun tố khống có ảnh hưởng lớn đến đường hướng trao đổi chất (phổ sản phẩm tạo trình lên men) đến sinh trưởng, phát triển VSV 5.2 Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật 5.2.6 Các chất hoạt động sinh học + Là chất chiếm tỉ lệ nhỏ song có vai trị quan trọng, ảnh hưởng đến trình trao đổi chất, sinh trưởng phát triển VSV + Về chất, vài axít amin khơng thay thế, vitamin hay chất điều hoà sinh trưởng + Chức năng: có vai trị quan trọng, ảnh hưởng đến sinh trưởngphát triển lực lên men chủng + Đặc điểm: Một số chủng VSV, điều kiện định, tổng hợp tích tụ dư thừa lượng đáng kể (hay vài) chất "hoạt động sinh học" định 5.3 Dinh dưỡng vi sinh vật 5.3.1 Khái niệm dinh dưỡng vi sinh vật + Là trình hấp thu thức ăn từ mơi trường vào tế bào + Q trình hấp thu thức ăn xảy toàn bề mặt tế bào nên cường độ hấp thu thức ăn VSV lớn + Màng tế bào chất có vai trị quan trọng, định việc điều tiết hấp thu thức ăn (và đào thải môi trường "sản phẩm trao đổi chất") 5.3 Dinh dưỡng vi sinh vật 5.3.2 Cơ chế hấp thu thức ăn vi sinh vật + Quá trình hấp thu thức ăn trình phức tạp khác nhau, phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc màng tế bào chất, chất cấu tử thức ăn điều kiện mơi trường + Q trình hấp thu thức ăn qua màng tế bào chất xảy theo hai chế là: a/ hấp thu thức ăn bị động (quá trình vận chuyển cấu tử từ môi trường vào tế bào tự xảy ra, không phụ thuộc vào vi sinh vật) b/ hấp thu thức ăn chủ động (quá trình vận chuyển cấu tử vào tế bào không tự xảy ra, mà có kiểm sốt hay điều tiết vi sinh vật) 5.3.2 Cơ chế hấp thu thức ăn vi sinh vật a/ Cơ chế hấp thu thức ăn bị động + Quá trình vận chuyển cấu tử qua màng tự xảy ra, tham gia điều tiết màng tế bào chất + Động lực trình vận chuyển bị động chờnh lệch trường nồng độ: Các cấu tử chất tan khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp (ngược lại, dung mơi khuếch tán từ nơi có nồng độ chất tan thấp đến nơi có nồng dộ chất tan cao - áp suất thẩm thấu cao) * Cơ chế hấp thu bị động xảy với nước, glyxerin số muối khoáng 5.3.2 Cơ chế hấp thu thức ăn vi sinh vật b/ Cơ chế hấp thu thức ăn chủ động + Là trình vận chuyển cấu tử qua màng xảy với tham gia điều tiết màng tế bào chất + Trên màng TBC phân bố phân tử protein đảm nhiệm chức vận chuyển vật chất qua màng (các permeaza); Các phân tử permeaza liên kết (đặc hiệu tuyệt đối, hay đặc hiệu tương đối) với cấu tử thức ăn vận chuyển chúng qua màng + Q trình vận chuyển chất qua màng TBC kèm theo tiêu tốn lượng (hoặc không tiêu tốn lượng bổ sung) dẫn tới làm biến đổi cấu trúc cấu tử thức ăn sau vận chuyển vào (hoặc khơng làm biến đổi cấu hình chất) * Thức ăn, sau vận chuyển vào tế bào chất, tham gia vào phản ứng chuyển hoá nội bào bị biến đổi cấu trúc, đặc tính khả vận chuyển ngược mụi trường 5.3.2 Cơ chế hấp thu thức ăn vi sinh vật b/ hấp thu thức ăn chủ động Vận chuyển ngược chiều trường nồng độ, nhờ ATP: Na-K pump 5.3.2 Cơ chế hấp thu thức ăn vi sinh vật b/ hấp thu thức ăn chủ động 5.3 Dinh dưỡng vi sinh vật 5.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp thu thức ăn vi sinh vật + Đặc tính sinh học màng tế bào chất, loài VSV có đặc trưng riêng protein vận chuyển permeaza nên hấp thu chất tương ứng đặc tính quy định cấu trúc di truyền chủng + Bản chất cấu tử thức ăn: VSV hấp thu chất dinh dưỡng dạng hoà tan (trong nước, chất béo) Các cấu tử kích thước nhỏ nhóm chức thường dễ hấp thu cấu tử khối lượng lớn nhiều nhóm chức VSV có xu hướng ưu tiên hấp thu thức ăn dễ đồng hoá trước, nguồn thức ăn cạn, chúng điều chỉnh trình trao đổi chất để hấp thu nguồn thức ăn khó đồng hố + Nồng độ cấu tử thức ăn: VSV hấp thu thuận lợi dải nồng độ định chất dinh dưỡng; nồng độ thấp, trình vận chuyển chất từ môi trường lên bề mặt tế bào bị cản trở; Nếu nồng độ cao, cản trở làm nước tự tế bào 5.3 Dinh dưỡng vi sinh vật 5.3.4 Sự hấp thu nguồn thức ăn khác VSV a/ Nguồn thức ăn cacbon: + Khả sử dụng nguồn thức ăn cacbon loài VSV mang đặc trưng riêng, song đa dạng VSV tham gia vào mắt xích q trình tuần hồn vật chất thiên nhiên Căn nguồn thức ăn, VSV phân chia thành: - VSV tự dưỡng cacbon: lồi có khả sử dụng nguồn cacbon đơn giản (CO2, CH4, C2H6 ) để tổng hợp mạch khung cacbon cần thiết cho thể Phụ thuộc vào nguồn lượng sử dụng, người ta phân chia tiếp thành VSV tự dưỡng quang (là VSV hấp thu sử dụng nguồn lượng ánh sáng mặt trời) VSV tự dưỡng hoá (là VSV thu nhận lượng cần thiết từ nguồn lượng giải phóng phản ứng hoá học) - VSV dị dưỡng cacbon: lồi có khả sử dụng nguồn cacbon hữu dạng phức tạp Với VSV này, nguồn cacbon thích hợp thường loại đường đơn giản, dextrin, glucan hay polymer đường: tinh bột, hemixenluloza, xenluloza 5.3.4 Sự hấp thu nguồn thức ăn khác VSV b/ Nguồn thức ăn nitơ: + Khả sử dụng nguồn thức ăn nitơ loài VSV mang đặc trưng riêng, song đa dạng VSV tham gia vào mắt xích trình tuần hồn nitơ thiên nhiên Phụ thuộc chất nguồn nitơ, VSV phân chia thành: - VSV tự dưỡng amin: lồi có khả sử dụng nguồn nitơ vơ để tổng hợp cho tất axít amin cần thiết Hầu hết VSV có khả này; nguồn nitơ vơ thích hợp với đa số lồi NH4+, NO3-; số lồi VSV đồng hố NO2, N2 - VSV dị dưỡng amin: lồi VSV khơng có khả tự tổng hợp cho tất axít amin cần thiết Các VSV phát triển cung cấp axít amin này, thí dụ VSV ký sinh (*tất loài VSV phát triển tốt cung cấp nguồn thức ăn nitơ dạng axít amin, nguồn nitơ hữu thích hợp pepton, polypeptit, dịch thuỷ phân protit, bột đậu, cá ) * Trong thực tiễn, người ta tạo ứng dụng chủng khuyết dưỡng amin (sự phát triển phụ thuộc nghiêm ngặt vào axít amin thiếu) 5.3.4 Sự hấp thu nguồn thức ăn khác VSV c/ Nhu cầu chất khoáng chất hoạt động sinh học: + Nhu cầu VSV nguyên tố khoáng hay chất hoạt động sinh học không lớn, song đa dạng Sự thiếu hụt chất khoáng, dù nhỏ lượng, tác động mạnh mẽ đến sinh trưởng phát triển chủng + Một số loài VSV, sinh trưởng, phát triển đường hướng trao đổi chất chúng phụ thuộc nhiều vào nồng độ ion khoáng hay, đặc biệt với chất hoạt động sinh học * Vấn đề hàm lượng khoáng cần đặc biệt lưu ý thực tiễn chuẩn bị môi trường lên men: Sử dụng nguyên liệu tự nhiên có lợi đa dạng nguyên tố khoáng giá thành, song hàm lượng chúng thường có dao động lớn Trong sử dụng nguyên liệu tổng hợp gặp trở ngại khơng cung cấp đủ ngun tố khống cần thiết 4.4 Hô hấp vi sinh vật 4.4.1 Đại cương hô hấp vi sinh vật + Là q trình chuyển hố nội bào chất dinh dưỡng, qua VSV thu nhận lượng để trì hoạt động sống vật liệu để xây dựng đổi cấu trúc tế bào + Bản chất q trình oxy hố-khử sinh học liên quan đến trình vận chuyển H+ e- từ chất chất nhận, xảy qua nhiều giai đoạn với xúc tác enzym đặc hiệu + Năng lượng giải phóng q trình hơ hấp cách từ từ, bậc; phần VSV sử dụng để tổng hợp phân tử mang lượng sinh học ATP (ADP, AMP - phần lớn lượng cịn lại mơi trường dạng nhiệt làm nhiệt độ môi trường tăng lên) + Có thể xảy điều kiện có khơng có ơxy, chất nhận H+ e- là: O2 (QT oxy hoá); + h/chất hữu trung gian (QT lên men); hay + chất vô (QT oxy hố yếm khí)