Vi sinh vật - Dinh dưỡng của vi sinh vật pot

Vi sinh vat Dinh dưỡng của vi sinh vật 13.1. YÊU CẦU DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT 13.1.1. Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật Cơ sở vật chất cấu tạo nên tế bào vi sinh vật là các nguyên tố hoá học. Căn cứ vào mức độ yêu cầu của vi sinh vật đối với các nguyên tố này mà người ta chia ra thành các nguyên tố đa lượng và các nguyên tố vi lượng. Các nguyên tố chủ yếu bao gồm: C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca và Fe. Trong số này có 6 loại chủ yếu (chiếm đến 97% trọng lượng khô của tế bào vi sinh vật), đó là C, H, O, N, P và S. Các nguyên tố vi lượng thường là Zn, Mn, Na, Cl, Mo, Se, Co, Cu, W, Br và B. Tỷ lệ các nguyên tố hoá học tham gia cấu tạo tế bào vi sinh vật là không giống nhau ở các nhóm vi sinh vật khác nhau. Ví dụ nấm men, nấm sợi và vi khuẩn có lượng chứa trung bình của 6 nguyên tố chủ yếu là không giống nhau (bảng 13.1): Bảng 13.1: Lượng chứa trung bình các loại nguyên tố chủ yếu trong tế bào một số nhóm vi sinh vật (% trọng lượng khô) Nguyên tố Vi khuẩn Nấm men Nấm sợi C ~50 ~50 ~48 Vi sinh vat H O N P S ~8 ~20 ~15 ~3 ~1 ~7 ~31 ~12 - - ~7 ~40 ~5 - - Theo các tài liệu của Tempest (1969), Pirt (1975) và Herbert (1976) thì thành phần trung bình của các nguyên tố tạo nên tế bào vi sinh vật nói chung là như sau: Bảng 13.2: Thành phần các nguyên tố cấu tạo nên sinh khối tế bào % trọng lượng khô * Nguyên tố Trung bình Biên độ Các nguồn dinh dưỡng điển hình được sử dụng cho sinh trưởng VSV trong môi trường C O N 50 21 12 45-58 18-31 5-17 CO 2 , hợp chất hữu cơ H 2 0, 0 2 , các hợp chất hữu cơ NH 3 , NO 3 -, các hợp chất hữu cơ chứa N Vi sinh vat H P S K Mg Ca Cl Fe Na Những nguyên tố khác,Mo, Ni, Co, Mn, Zn, 8 3 1 1 0.5 1 0.5 0.5 1 0.5 6-8 1.2-10 0.3-1.3 0.2-5 0.1-1.1 0.02-2.0 0.01-5.0 Nước, các hợp chất hữu cơ. Phosphate và các hợp chất chứa P. SO4 -2 , H 2 S, và các hợp chất chứa S. K + (có thể thay thế bằng Rb + ) Mg 2+ Ca 2+ Cl- Fe 3+ , Fe 2+ và phức chất của Fe Na + Lấy từ các ion vô cơ khác *Các tế bào bao gồm 70% trọng lượng là nước và 30% là các nguyên liệu khô khác. Mức trung bình này được tính theo sinh trưởng của vi khuẩn Gr(-) trong điều kiện dư thừa chất dinh dưỡng ở nuôi cấy theo mẻ. Vi khuẩn lưu huỳnh (sulfur bacteria), vi khuẩn sắt (iron bacteria) và vi khuẩn đại dương (marine bacteria) có lượng chứa các nguyên tố S, Fe, Na, Cl nhiều hơn so với các nhóm vi khuẩn khác. Tảo Silic (diatom) có chứa lượng SiO 2 khá cao trong thành tế bào. Thành phần các nguyên tố hoá học còn thay đổi trong một Vi sinh vat phạm vi nhất định tuỳ thuộc vào tuổi nuôi cấy và điều kiện nuôi cấy. Khi nuôi cấy trên các môi trường có nguồn N phong phú thì lượng chứa N trong tế bào sẽ cao hơn so với khi nuôi cấy trên các môi trường nghèo nguồn N. Các nguyên tố hoá học chủ yếu tồn tại trong tế bào vi sinh vật dưới dạng chất hữu cơ, chất vô cơ và nước. Chất hữu cơ thường bao gồm protein, carbon hydrat, lipid, acid nucleic, vitamin và các sản phẩm phân giải của chúng cũng như các chất trao đổi chất. Để phân tích các thành phần hữu cơ trong tế bào thường sử dụng hai phương pháp: một là, dùng phương pháp hoá học để trực tiếp chiết rút từng thành phần hữu cơ trong tế bào, sau đó tiến hành phân tích định tính và định lượng. Hai là, phá thành tế bào, thu nhận các thành phần kết cấu hiển vi rồi phân tích thành phần hoá học của từng kết cấu đó. Chất vô cơ thường đứng riêng rẽ dưới dạng muối vô cơ hoặc kết hợp với chất hữu cơ. Khi phân tích thành phần vô cơ trong tế bào người ta thường phân tích tro sau khi đã nung tế bào ở nhiệt độ 550 0 C, chất vô cơ thu được dưới dạng các oxit vô cơ được gọi là thành phần tro. Dùng phương pháp phân tích vô cơ có thể định tính hay định lượng từng nguyên tố vô cơ. Bảng 13.3:Thành phần hóa học của tế bào vi khuẩn (theo F.C.Neidhardt et al.,1996) Phân tử khô (1) / tế bào % khối lượng Số phân tử Số loại phân tử - Nước - Các đại phân tử +Protein +Polysaccharide - 96 55 5 24 609 802 2 350 000 4 300 22 000 000 2,1 1 khoảng 2500 khoảng 1850 2 (2) Vi sinh vat +Lipid +ADN +ARN - Các đơn phân tử +Aminoacid và tiền thể +Đường và tiền thể +Nucleotid và tiền thể - Các ion vô cơ Tổng cộng 9,1 3,1 20,5 3,0 0,5 2 0,5 1 100 255 500 4 (3) 1 khoảng 660 khoảng 350 khoảng 100 khoảng 50 khoảng 200 khoảng 18 Chú thích: (1) -Khối lượng khô của tế bào vi khuần Escherichia coli đang sinh trưởng là khoảng 2.8 x 10 -13 g. (2) - Giả thiết Peptidoglycan và Glycogen là 2 thành phần chủ yếu. (3) - Tế bào chứa vài loại phospholipid, do tính đa dạng của thành phần acid béo giữa các chi vi khuẩn khác nhau và do ảnh hưởng của điều kiện sinh trưởng mà có nhiều hình thức tồn tại của mỗi loại phospholipid. Nước là thành phần không thể thiếu để duy trì hoạt động sống bình thường của tế bào. Nước thường chiếm đến 70-90% trọng lượng tế bào. Độ chênh lệch giữa trọng lượng tươi và trọng lượng khô chính là lượng nước trong tế bào, thường biểu thị bằng tỷ lệ % tính theo công thức sau đây: Vi sinh vat (Trọng lượng tươi - Trọng lượng khô) / Trọng lượng tươi x 100%. Đơn vị trọng lượng tế bào trong dịch nuôi cấy thường được biểu thị bằng đơn vị g/l hay mg/ml. Phương pháp nung khô tế bào ở nhiệt độ 550 0 C thường làm phân giải một số hợp chất của tế bào vì vậy khi tính trọng lượng khô của tế bào nên dùng phương pháp sấy khô ở 105 0 C hay làm khô ở nhiệt độ không cao trong chân không, hoặc làm khô nhanh nhờ tia hồng ngoại 13.1.2. Các chất dinh dưỡng và chức năng sinh lý Vi sinh vật chủ yếu thu nhận được chất dinh dưỡng từ môi trường bên ngoài. Căn cứ vào chức năng sinh lý khác nhau trong tế bào mà người ta thường chia các chất dinh dưỡng thành 5 nhóm lớn: 1) Nguồn carbon (source of carbon) Là nguồn vật chất cung cấp C trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật. Trong tế bào nguồn C trải qua một loạt quá trình biến hoá hoá học phức tạp sẽ biến thành vật chất của bản thân tế bào và các sản phẩm trao đổi chất. C có thể chiếm đến khoảng một nửa trọng lượng khô của tế bào. Đồng thời hầu hết các nguồn C trong các quá trình phản ứng sinh hoá còn sinh ra trong tế bào nguồn năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của vi sinh vật. Một số vi sinh vật dùng CO 2 làm nguồn C duy nhất hay chủ yếu để sinh trưởng, khi đó nguồn C không phải là nguồn sinh năng lượng. Vi sinh vật sử dụng một cách chọn lọc các nguồn C. Đường nói chung là nguồn C và nguồn năng lượng tốt cho vi sinh vật. Nhưng tuỳ từng loại đường mà vi sinh vật có những khả năng sử dụng khác nhau. Ví dụ trong môi trường chứa glucose và galactose thì vi khuẩn Escherichia coli sử dụng trước glucose (gọi là nguồn C tốc hiệu) còn galactose được sử dụng sau (gọi là nguồn C trì hiệu). Hiện nay trong các cơ sở lên men công nghiệp người ta sử dụng nguồn C chủ yếu là Vi sinh vat glucose, saccharose, rỉ đường (phụ phẩm của nhà máy đường) tinh bột (bột ngô, bột khoai sắn ), cám gạo, các nguồn cellulose tự nhiên hay dịch thuỷ phân cellulose. Năng lực đồng hoá các nguồn C ở các vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Có loài có khả năng sử dụng rộng rãi nhiều nguồn C khác nhau, nhưng có loài khả năng này rất chọn lọc. Chẳng hạn vi khuẩn Pseudomonas có thể đồng hoá được tới trên 90 loại hợp chất C, nhưng các vi khuẩn thuộc nhóm dinh dưỡng methyl (methylotrophs) thì chỉ đồng hoá được các hợp chất 1C như methanol, methane Nguồn C chủ yếu được vi sinh vật sử dụng gồm có đường, acid hữu cơ, rượu, lipid, hydrocarbon, CO 2 , carbonat (Bảng 13.4) Bảng 13.4: Nguồn C được vi sinh vật sử dụng Nguồn C Các dạng hợp chất Đường glucose, fructose, maltose, saccharose, tinh bột, galactose, lactose, mannite, cellobiose, cellulose, hemicellulose, chitin Acid hữu cơ acid lactic, acid citric, acid fumaric, acid béo bậc cao, acid béo bậc thấp, aminoacid Rượu ethanol Lipid lipid, phospholipid Vi sinh vat Hydrocarbon khí thiên nhiên, dầu thô, dầu paraffin Carbonate NaHCO 3 , CaCO 3 , đá phấn Các nguồn C khác Hợp chất nhóm thơm, cyanide, protein, pepton, acid nucleic Hình 13.1: Sản lượng sinh trưởng tối ưu khi vi sinh vật dị dưỡng sử dụng các nguồn C khác nhau Nguồn carbon thường được sử dụng trong công nghiệp lên men là rỉ đường (molasses). Sự khác nhau giữa rỉ đường mía và rỉ đường củ cải được thấy rõ trong bảng 13.5 Bảng 13.5: Thành phần hóa học của rỉ đường củ cải và rỉ đường mía Vi sinh vat Thành phần Tỷ lệ Rỉ đường củ cải Rỉ đường mía Đường tổng số % 48-52 48-56 Chất hữu cơ khá đường % 2-17 9-12 Protein (N x 6,25) % 6-10 2-4 K % 2-7 1,5-5,0 Ca % 0,1-0,5 0,4-0,8 Mg % khoảng 0,09 khoảng 0,06 P % 0,02-0,07 0,6-2,0 Biotin mg/kg 0,02-0,15 1,0-3,0 Acid pantoteic mg/kg 50-110 15-55 Inositol mg/kg 5000-8000 2500-6000 Vi sinh vat Tiamin mg/kg khoảng 1,3 khoảng 1,8 Tỷ lệ các nguyên tố trong các hợp chất cao phân tử ở vi sinh vật có thể thấy rõ trong bảng sau đây: Bảng 13.6: Tỷ lệ các nguyên tố trong các cao phân tử ở tế bào vi sinh vật % trọng lượng khô Thành phần Trung bình Biên độ dao động %C %H %O %N %S %P Protein 55 15 c -75 53 7 23 16 1 - RNA d 21 5 c –30 e 36 4 34 17 - 10 DNA d 3 1 c –5 f 36 4 34 17 - 10 peptidoglycan 3 0 g –20 h 47 6 40 7 - - Phospholipit 9 0 i -15 67 7 19 2 - 5 [...].. .Vi sinh vat Lipopolysaccharide 3 0h-4j 55 10 30 2 - 3 Lipit trung tính - 0-4 5k 77 12 11 - - - Acid Teichoic - 0l-5d 28 5 52 - - 15 Glycogen 3 0-5 0k 28 6 49 - - - PHB - 0-8 0k 45 7 37 - - - PHA (C8)m - 0-6 0k 56 9 23 - - - Polyphosphatd - 0-2 0n 68 - 61 - - 39 Cyanophycino - 0-1 0 - 15 25 27 - a Theo Herbert (1976) Các thông số được thu nhận từ các vi sinh vật khác nhau, không điển... + Dinh dưỡng vô cơ (lithotroph) + Dinh dưỡng hữu cơ cung cấp điện tử Dùng các phân tử hữu cơ để cung cấp điện tử (organotroph) Có thể mô hình hóa chức năng sinh lý của các chất dinh dưỡng đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật qua hình 13.3 sau đây: Hình 13.3: Mô hình sơ lược về chức năng sinh lý của các chất dinh dưỡng đối với Vi sinh vat sự sinh trưởng của vi sinh vật Có thể đem phần lớn vi sinh vật. .. trong urease, cần cho sự sinh trưởng của vi khuẩn hydrogen Nếu thiếu nguyên tố vi lượng trong quá trình sinh trưởng thì hoạt tính sinh lý của vi sinh vật bị giảm sút, thậm chí ngừng sinh trưởng Do nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật là không giống nhau cho nên khái niệm về nguyên tố vi lượng chi có ý nghĩa tương đối Vi sinh vật thường tiếp nhận nguyên tố vi lượng từ các chất dinh dưỡng hữu cơ thiên nhiên,... vi sinh vật Vi sinh vật aw Vi sinh vat Vi khuẩn nói chung 0,91 Nấm men 0,88 Nấm sợi 0,80 Vi khuẩn ưa mặn 0,76 Vi nấm ưa mặn 0,65 Nấm men ưa áp suất thẩm thấu cao 0,60 Nhìn chung aw thích hợp nhất cho sự sinh trưởng của vi khuẩn cao hơn của nấm men và nấm sợi Vi sinh vật ưa mặn có aw thích hợp nhất cho sự sinh trưởng là khá thấp Phần nước có thể tham gia vào các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. .. acid - (B1) keto) Phycomyces blakesleeanus (F) Ochromonas malhamensis (A) Colpidium campylum (P) Chú thích: B -Vi khuẩn; F -Vi nấm; A -Vi tảo; P-Động vật nguyên sinh 5) Nước Nước là thành phần không thể thiếu để vi sinh vật có thể sinh trưởng Chức năng sinh lý của nước trong tế bào là: - Hoà tan và chuyển vận các chất, hỗ trợ cho vi c hấp thu chất dinh dưỡng, giải phóng các sản phẩm trao đổi chất - Tham... là nguồn chất dinh dưỡng không thể thiếu đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật Chúng có các chức năng sinh lý chủ yếu là: tham gia vào thành phần của các trung tâm hoạt tính ở các enzyme của vi sinh vật, duy trì tính ổn định của kết cấu cá đại phân tử và tế bào, điều tiết và duy trì cân bằng áp suất thẩm thấu của tế bào, khống chế điện thế oxy hoá khử của tế bào và là nguồn vật chất sinh năng lượng... bổ sung nguyên tố vi lượng vào môi trường nuôi cáy vi sinh vật Vi sinh vat Vì nhiều nguyên tố vi lượng là kim loại nặng cho nên nếu dư thừa sẽ gây hại cho vi sinh vật Khi cần bổ sung thêm nguyên tô vi lượng vào môi trường cần lưu ý khống chế chính xác liều lượng 4) Nhân tố sinh trưởng Nhân tố sinh trưởng (growth factor) là những hợp chất hữu cơ mà có những vi sinh vật cần thiết để sinh trưởng tuy với... 13.16: Các loại hình dinh dưỡng của vi sinh vật (II) Loại hình dinh dưỡng Nguồn năng lượng; Đại diện Hydrogen; điện tử; Carbon -Tự dưỡng quang năng vô cơ Quang năng; H2, H2S, Vi khuẩn lưu huỳnh, màu tía,màu lục; Vi khuẩn lam (photolithoautotrophy) S hoặc H2O; CO2 -Dị dưỡng quang năng Quang năng; Chất Vi khuẩn phi lưu huỳmh màu tía, hữu cơ màu lục hữu cơ (photoorganoheterotrophy) -Tự dưỡng hoá năng Hoá... thừa Tuy nhiên, trong quá trình công Vi sinh vat nghệ sinh học, sự giới hạn bởi các chất dinh dưỡng chứ không phải nguồn carbon giữ chức năng điều khiển các trạng thái sinh lý và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật Sự hạn chế các chất dinh dưỡng nào đó thường kích thích hoặc tăng cường sự tạo thành rất nhiều các sản phẩm trao đổi chất và các enzyme của vi sinh vật Ví dụ, năng suất sẽ được tăng lên... phòng thí nghiệm thì các chất dinh dưỡng phải được cung cấp đầy đủ vào môi trường và các chất dinh dưỡng phải ở dạng mà các vi sinh vật này có thể sử dụng được Do có sự đa dạng sinh lý của thế giới vi sinh vật mà có vô số các môi trường với thành phần dinh dưỡng khác nhau đã được đưa ra, với mục đích hoặc là làm giàu một cách chọn lọc hoặc là để nuôi cấy một nhóm ví sinh vật đặc thù nào đó (LaPage và . Teichoic - 0 l -5 d 28 5 52 - - 15 Glycogen 3 0-5 0 k 28 6 49 - - - PHB - 0-8 0 k 45 7 37 - - - PHA (C8) m - 0-6 0 k 56 9 23 - - - Polyphosphat d - 0-2 0 n 68 - 61 - - 39 Cyanophycin o - 0-1 0. Vi sinh vat Dinh dưỡng của vi sinh vật 13.1. YÊU CẦU DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT 13.1.1. Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật Cơ sở vật chất cấu tạo nên tế bào vi sinh vật là. 17 - 10 peptidoglycan 3 0 g –20 h 47 6 40 7 - - Phospholipit 9 0 i -1 5 67 7 19 2 - 5 Vi sinh vat Lipopolysaccharide 3 0 h -4 j 55 10 30 2 - 3 Lipit trung tính - 0-4 5 k 77 12 11 - - -