Khái quát chung về vi sinh vật: Chuyển hoá vật chất và năng lượng vi sinh vật

Khái quát chung về vi sinh vật: Chuyển hoá vật chất và năng lượng vi sinh vật

A KHÁI QUÁT CHUNG VỀ VI SINH VẬT Khái niệm : VSV gồm nhiều nhóm phân loại khác nhau, thể đơn bào hay tập hợp đơn bào, có kích thước hiển vi Đặc tính chung - Kích thước vơ nhỏ bé, cấu tạo đơn giản - Có khả sinh trưởng phát triển nhanh (TB nhỏ, DT bề mặt lớn->có lợi cho vận chuyển chất dinh dưỡng -> sinh trưởng nhanh ) - Có khả hấp thụ nhiều, chuyển hóa nhanh, sinh tổng hợp mạnh mẽ chất có hoạt tính sinh học ( TB nhỏ, tỷ lệ S/V lớn-> Bề mặt TĐC lớn ->sự TĐC với MT hiệu 1cm3 VK có S = 6m2 1kg nấm men phân giải 1000kg đường/ngày có nghĩa 1h phân giải lượng thức ăn gấp 110 lần khối lượng thể.) - Phân bố rộng rãi nhờ khả thích ứng với nhiều điều kiện khác MT ( Bào tử nhiều Vk chịu 10% AgCl 2h, phênol 5% /15 ngày.) - Dễ phát sinh biến dị: • Tần số biến dị vi sinh vật 10-5 – 10-10 • Biến dị thường gặp đột biến gen - Đa dạng chủng loại:( ĐV có 1,5 triệu lồi, TV có 0,5 triệu lồi, VSV có 100 000 loài (1/10 số thực tư nhiên).Trong ruột người có 100 - 400 loại VSV, chiếm 1/3 khối lượng phân khô người Hàng năm bổ sung thêm 1500 lồi mới.) Phương pháp ni cấy VSV: a Cơ sở: tạo chủng VSV thần khiết b Phương pháp: - Pha lỗng mẫu nước vơ trùng - Cấy dung dịch lên môi trường đặc nhiệt độ thích hợp tạo khuẩn lạc - Cấy từ khuẩn lạc sang môi trường tạo chủng VSV thần khiết c Cần phân biệt MT tự nhiên MT nuôi cấy VSV - VSV phân bố rộng rãi đất, nước, đáy đại dương, thể người, động vật, thực vật, …Các yếu tố gọi MT tự nhiên (nơi cung cấp chất cần thiết cho ST PT) VSV - MT nuôi cấy VSV: người chủ động tạo để ni cấy VSV phịng thí nghiệm Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu chia loại: + MT tự nhiên: Chứa chất tự nhiên sữa, thịt , trứng, huyết thanh, máu, …với số lượng thành phần không xác định + MT tổng hợp: Đã biết thành phần hóa học số lượng chất có MT: [ VD: (NH4)PO4-1,5; KH2PO4-1,0; MgSO4-0,2; CaCl2-0,1; NaCl – 5,0 ( g/l) ] + MT bán tổng hợp: chứa số chất tự nhiên số chất hóa học biết rõ thành phầnvà số lượng B TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Ở VI SINH VẬT I Các kiểu dinh dưỡng vi sinh vật Nguồn lượng nguồn cacbon chủ yếu Đại diện Quang tự dưỡng Ánh sáng CO2 VK lam anabaena cylindrica VK lưu huỳnh màu tía Hố tự dưỡng chất vô CO2 Nitrosomonas, Nitrobacter VK hydro, VK sắt Quang dị dưỡng Ánh sáng chất hữu VK không chứa S màu lục VK không chứa S màu tía Hố dị dưỡng chất hữu chất hữu nấm, tất động vật nguyên sinh, VK lactic, Clostridium, Bacillus, Pseudomonas, VSV khử sun phat… * Sư khác VK màu lục, VK lam, VK không S màu tía: + Về cấu trúc máy quang hợp + Sắc tố quang hợp + Nơi phân bố Ví dụ: VK S màu lục Về cấu trúc Cloroxom gồm túi liên máy kết với protein nằm quang hợp màng TBC Sắc tố Là khuẩn diệp lục a,c, d, e quang hợp Nơi phân Sống đáy ao giàu chất hữu bố phân giải VK lam Tilacoit phicobilixom VK khơng S màu tía Các vùng lõm vào màng TBC Diệp lục a, caroten, phicoxianin, phicoeritrin Sống lớp nước bề mặt giàu oxy Là khuẩn diệp lục a,b Sống lớp nước nông II Hô hấp lên men: * glucoza trung tâm đường TĐC VSV + Glucoza nguồn cung cấp lượng chủ yếu cho hoạt động thể + VSV dễ đồng hóa + Cung cấp tiền chất cho hầu hết trình sinh tổng hợp đại phân tử cho TB + Tồn dạng dự trữ góp phần trì ổn định tính chất sinh lý, áp suất thẩm thấu TB * Glucoza VSV phân giải theo đường sau:  Đường phân (EMP) - Diễn TBC, xuất sớm nhất, hầu hết VSV - 1G axit piruvic + 2ATP (Năng lượng 51%)  Con đường HMP hay PP - Phổ biến nhiều VSV, sản xuất tiền chất trao đổi dùng đồng hóa mà đường phân khơng tạo - 1G axit piruvic + 1ATP (Năng lượng 25,5%)  Con đường ED - Rất VSV tham gia trừ Pseu aeruginosa Enterococcus faecalis - Tạo tiền chất trao đổi mà đường phân không tạo 1G axit piruvic + 1ATP (Năng lượng 25,5%) C6H12O6 KDPG NADH + H+ , NADPH + H+ ,2 CH3COCOOH + 1ATP (KDPG : kêtô đêoxi phơtphoglucơnat) Hơ hấp hiếu khí Axit piruvic Hơ hấp kị khí Lên men Đặc điểm so sánh Điều kiện Chất nhận e Cách tạo ATP Sản phẩm cuối Enzim sử dụng Số -ATP/1glucơzơ Hơ hấp hiếu khí Có O2 O2 Ít O2 NO2, SO2 ,CO2 -Khơng có SOD catalaza < 36 (38)ATP 36 (38 )ATP 25- 30% Hiệu suất lượng VSV thực Các hợp chất hữu Các hợp chất vơ A.Lác tíc, A.propionic, rươu etylic Hơ hấp kị khí - chuỗi vận chuyển e - chuỗi vận chuyển e màng ti thể màng sinh chất ( nhân thực) màng sinh chất( nhân sơ) CO2 + H2O NO3-, SO4- ,CO3Nghèo lượng Nghèo lượng Bị ơxihóa triệt để Bị ơxi hóa triệt để -SOD( superoxit dismutaza), catalaza CO2 + H2O 41% Vi khẩn sinh mêtan, vi khuẩn oxi hóa sắt Lên men: Khơng có O2 Chất hữu chuỗi vận chuyển e nằm tế bào chất Chất hữu Giàu lượng Bị ơxi hóa phần có SOD, khơng có catalaza 2ATP 5% Mấm men, vi khuẩn lactic Nấm mốc III Qúa trình tổng hợp vi sinh vật ứng dụng – Phần lớn vi sinh vật có khả tự tổng hợp loại axit amin, chúng sử dụng lượng enzim nội bào để tổng hợp chất 1.Tổng hợp prôtêin: tổng hợp prôtêin diễn tương tự tế bào sinh vật axit amin liên kết với liên kết peptit: n(axit amin) → prôtêin Tổng hợp pôlisaccarit : vi khuẩn tảo, việc tổng hợp tinh bột glicôgen cần hợp chất mở đầu ADP-glucôzơ (ađênôzin điphôtphat-glucôzơ): (Glucôzơ)n + ADP-glucôzơ → (Glucôzơ)n+1 + ADP Tổng hợp lipit: vi sinh vật tổng hợp lipit cách liên kết glixêrol axit béo Glixêrol dẫn xuất từ đihiđrôxiaxêtônP (trong đường phân) Các axit béo tạo thành nhờ kết hợp liên tục với phân tử axêtylCoA 4.Tổng hợp axit nuclêic: bazơ nitơ kết hợp với đường cacbon axit phôtphoric để tạo nuclêôtit, liên kết nuclêôtit tạo axit nuclêic Ứng dụng tổng hợp vi sinh vật đời sống người + Con người khai thác đặc điểm VSV tốc độ sinh trưởng tổng hợp sinh khối cao để sản xuất sản phẩm sinh học 500 kg nấm men tạo thành ngày 50 prôtêin + Sử dụng vi sinh vật để tạo loại axit amin quý axit glutamic, lizin tạo prôtêin đơn bào + Sản xuất chất xúc tác sinh học: enzim ngoại bào vi sinh vật sử dụng phổ biến đời sống người kinh tế quốc dân, chẳng hạn: * Amilaza (thuỷ phân tinh bột) dùng làm tương, rượu nếp, công nghiệp sản xuất bánh kẹo, công nghiệp dệt, sản xuất xirô… * Prôtêaza (thuỷ phân prôtêin) dùng làm tương, chế biến thịt, công nghiệp thuộc da, công nghiệp bột giặt… * Xenlulaza (thuỷ phân xenlulôzơ) dùng chế biến rác thải xử lí bã thải dùng làm thức ăn cho chăn nuôi sản xuất bột giặt… * Lipaza (thuỷ phân lipit) dùng công nghiệp bột giặt chất tẩy rửa… IV Qúa trình phân giải vi sinh vật ứng dụng * Phân giải ngoại bào: Khi tiếp xúc với chất dinh dưỡng có phân tử lớn acid nucleic, protein, tinh bột lipid (chứa xác động vật thực vật) vận chuyển qua màng sinh chất, vi sinh vật phải tiết vào môi trường enzyme thuỷ phân chất thành chất đơn giản Phân giải acid nucleic protein Vi sinh vật tiết enzyme: -Nucleaza: phân giải DNA RNA thành nucleotid -Proteaza: phân giải protein thành acid amin Phân giải polysacharite Các loại polysacharite tự nhiên phong phú đa dạng Để đồng hoá chất trên, vi sinh vật tiết enzyme: -Amilaza phân giải tinh bột thành glucose -Cellulaza phân giải cellulose thành glucose kitinaza phân giải kitin thành N-acetyl-glucozamin Phân giải lipid Để thu nguồn carbon lượng từ lipid, vi sinh vật tiết vào môi trường enzyme lipaza phân giải lipid (mỡ) thành acid béo glycerol 4 ỨNG DỤNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI Ở VI SINH VẬT a, Sản xuất thực phẩm cho người thức ăn cho gia súc -Trồng nhiều loại nấm ăn: Lợi dụng hoạt tính phân giải cellulose người ta tận dụng bã thải thực vật (rơm, rạ, lõi ngơ, bã mía, xơ bơng) - Lên men rượu, giấm… *Lên men rượu - Cơ chế lên men Nấm men C6H12O6 C2H5OH + CO2 + 113.4 Kcalo - Nhóm vi sinh vật thực hiện: Nấm men - Điều kiện lên men: Khơng có ơxi, nhiệt độ: 37 – 40oC - Ứng dụng + Sản xuất rượu, bia, rượu vang, cồn + Thu sinh khối nấm men làm thức ăn + Sản xuất rượu nếp, rượu trắng, rượu cần Giai đoạn 1: Đường hóa tinh bột nhờ nấm mốc Nấm mốc, VSV (C6H12O6)n nC6H12O6 Giai đoạn 2: Lên men rượu C6H12O6 Nấm men, kị khí C2H5OH + CO2 + 113.4 Kcalo pH 4-5 *Sản xuất bia: + Nguyên liệu : Tinh bột, rỉ đường, hoa hublông ( hương bia) + Cơ chế : giống sản xuất rượu: - Sản xuất rượu vang: + Nguyên liệu: trái ( đường trái cây) Cơ chế: Nấm men C6H12O6 C2H5OH + CO2 + 113.4 Kcalo *Lên men lactic - Cơ chế lên men VK Lactic C6H12O6 CH3CHOH COOH - Nhóm vi sinh vật thực hiện: Vi khuẩn lactic - Điều kiện lên men: Khơng có ơxi, nhiệt độ: 37 – 40oC, PH TB trạng thái động học (TB tiêu chuẩn) Các enzim tổng hợp nhiều có hoạt tính cao Sự ST giảm dần vào cuối pha đồng hóa mạnh mẽ chất dinh dưỡng Quần thể VK nhạy cảm với chất kìm hãm TĐC kháng sinh Nếu mục đích thu chất có hoạt tính sinh học, thu TB trạng thái hoạt động mạnh nên dừng • Trong phịng thí nghiệm, muốn nhuộm Gram xác, cần chọn giống pha log thành TB hầu hết VK cịn ngun vẹn • Thơng thường tự nhiên, sinh trưởng VSV pha logarit xảy định kỳ, phụ thuộc vào thức ăn * Pha cân • Quần thể VK trạng thái cân động học (số TB sinh số TB cũ chết đi) • Hiệu suất sinh trưởng giảm chất dinh dưỡng cạn dần, chất độc hại tăng lên, pH mơi trường thay đổi • Sinh khối VK đạt cực đại, không đổi theo thời gian (số TB sinh số TB cũ chết đi) μ = μx = dx/dt = * Nếu mục đích ni cấy để thu sinh khối nên dừng đầu pha * Trong tự nhiên, VSV thường nằm pha cân * Pha suy vong + Số TB có khả sống giảm dần theo luỹ thừa dẫn đến chế hàng loạt cá thể + Chất độc hại tích lũy nhiều Chất dinh dưỡng cạn kiệt mức cần thiết + Số TB bị tự phân enzim, phân hủy chất dự trữ tăng lên * Nếu mục đích để thu sản phẩm TĐC nên dừng việc nuôi cấy pha Ý nghĩa việc nghiên cứu sinh trưởng VK nuôi cấy tĩnh  Nghiên cứu trình sinh trưởng quần thể VSV  Nghiên cứu tạo thành sản phẩm TĐC,các chất có hoạt tính sinh học, sinh khối TB Hiện tượng sinh trưởng kép sinh trưởng thêm • Nếu MT tổng hợp có hỗn hợp loại hợp chất cacbon VK có xu hướng tổng hợp enzim phân giải hợp chất bon dễ đồng hoá trước.Sau tổng hợp tiếp enzim phân giải hợp chất thứ • Khi đồ thị ST có pha lag, pha log (đồ thị sinh trưởng kép) • Đồ thị sinh trưởng kép • Đồ thị sinh trưởng thêm Sau pha suy vong, số VK sống sót tiếp tục sinh trưởng nhờ chất dinh dưỡng giải phóng từ q trình tự phân Đồ thị sinh trưởng kéo dài thêm đoạn cong nhỏ gọi tượng sinh trưởng thêm b Nuôi cấy liên tục  Nuôi cấy liên tục q trình ni người ta liên tục cho dịng MT vào đồng thời loại bỏ lượng dịch ni cấy tương ứng  Chêmostat Turbidostat có khả năng: - Duy trì MT ni cấy ln ổn định - Giữ giống nuôi cấy trạng thái (pha log) Nuôi cấy tĩnh Nuôi cấy liên tục - Thành phần MT không đổi - MT đổi ổn định - Chất dinh dưỡng cạn dần theo thời gian - Chất dd ổn định dư thừa - Thời gian pha log ngắn - Thời gian pha log dài - Tốc độ sinh trưởng riêng, trạng thái sinh lý, sinh - Tốc độ sinh trưởng riêng, trạng thái sinh lý, sinh hóa tế bào ln thay đổi hóa tế bào ln ổn định - Sinh khối TB đạt mức không cao - Sinh khối TB đạt mức cao - Sự ST quần thể theo pha phụ thuộc vào - Sự ST theo lũy thừa thường xuyên mật độ thời gian không đổi theo thời gian - Việc điều khiển tự động khó thực - Việc điều khiển tự động thực dễ dàng  Ý nghĩa ni cấy liên tục • NCLT xem hệ thống mở có khuynh hướng dẫn đến cân động học Nhờ điều khiển tự động, quần thể VK cung cấp MT ổn định nên ST PT tối đa • Trong CN để thu sinh khối VK, thu sản phẩm TĐC chất có hoạt tính sinh học phục vụ đời sống II SINH SẢN VI SINH VẬT Sinh sản vi sinh vật nhân sơ a Vi khuẩn - Phân đôi hình thức ss vơ tính chủ yếu hầu hết vi khuẩn VSV cổ - Nảy chồi hình thức sinh sản số vi khuẩn sống nước hay số VK quang hợp TB mẹ tạo thành chồi cực, chồi lớn lên, tách thành vi khuẩn b Xạ khuẩn - Sinh sản vơ tính phân cắt phần đỉnh sợi khí sinh thành chuỗi bào tử - Gặp điều kiện thuận lợi BT nảy mầm thành thể Sinh sản vi sinh vật nhân chuẩn a Nấm men * Sinh sản vơ tính - Nảy chồi hình thức sinh sản vơ tính chủ yếu - Phân đơi hình thức sinh sản vơ tính phổ biến xảy chi nấm men Schizosaccharomyces Sinh sản hữu tính - Ss hữu tính bào tử túi b.Nấm mốc * Sinh sản vơ tính: - Bằng bào tử trần hay gọi ngoại bào tử Bào tử vơ tính hình thành đỉnh sợi nấm khí sinh - Sinh sản vơ tính: bào tử kín - Sinh sản vơ tính bào tử áo Bào tử bao bọc vách dày * Sinh sản hữu tính - Sinh sản hữu tính bào tử đảm + Có nấm lớn nấm rơm + Mặt mũ nấm có cấu trúc hình dùi cui gọi đảm + Bào tử phát sinh đỉnh đảm gọi bào tử đảm - Sinh sản hữu tính bào tử túi + Bào tử nằm bên túi gọi BT túi - Sinh sản hữu tính bào tử tiếp hợp + BT lớn hình thành lớp thành dày - Sinh sản hữu tính bào tử nỗn Là bào tử lớn có lơng roi hình thành nấm thủy sinh Đặc điểm chung sinh sản Ở vi sinh vật  Hình thức sinh sản phong phú đơn giản  Tốc độ sinh sản nhanh  VSV dễ dàng phát tán khắp nơi nhờ gió, nhờ nước SV khác  Do đặc điểm mà người sản xuất sinh khối VSV để thu sản phẩm với nhiều mục đích khác Một vài ứng dụng - Sử dụng en zim amylaza proteaza A oryae để SX nước tương, nước giải khát (murin-Nhật) - Sản xuất KS Xephalosporin từ nấm mốc Cephalosporium - Tảo Chlorella người nuôi cấy tàu vũ trụ nhằm cung cấo oxy thức ăn cho nhà du hành vũ trụ - 80% kháng sinh biết có nguồn gốc từ xạ khuẩn - Sử dụng phi lao có xạ khuẩn cố định đạm để phủ xanh đồi trọc, tái sinh rừng - Bón phân để VSV phát triển khu vực ô nhiễm dầu - Sử dụng chế phẩm sinh học Probiotic phòng trị số bệnh đường ruột Các nhân tố ảnh hưởng đến sinh trưởng sinh sản vi sinh vật (sgk 10 nâng cao) ... xác động vật thực vật) vận chuyển qua màng sinh chất, vi sinh vật phải tiết vào môi trường enzyme thuỷ phân chất thành chất đơn giản Phân giải acid nucleic protein Vi sinh vật tiết enzyme: -Nucleaza:... thu sinh khối VK, thu sản phẩm TĐC chất có hoạt tính sinh học phục vụ đời sống II SINH SẢN VI SINH VẬT Sinh sản vi sinh vật nhân sơ a Vi khuẩn - Phân đôi hình thức ss vơ tính chủ yếu hầu hết vi. .. liệu thực vật (quần áo, chăn, màn, chiếu, hàng mây, tre, sách vở, tranh ảnh ) dễ bị mốc làm giảm phẩm chất C SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN Ở VI SINH VẬT I SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Khái niệm Ở