Sinh lí học của vi sinh vật

Chất khoáng:- Chiếm số lượng ít trong tế bào VSV 15 % vật chất khô, - Chúng có trong thành phần của các hợp chất hữu cơ phức tạp: proteit, vitamin, enzym… - Giữ vai trò quan trọng trong

Chương 2 Sinh lý học của vi sinh vật

Lời cảm ơn

Nguyễn Bá Hiên, Trưởng bộ môn Vi sinh vật –

Truyền nhiễm, Khoa Thú y, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã dày công biên soạn bộ bài giảng này!

I Khái niệm :

Sinh lý học của vi khuẩn là khoa học về sự dinh dưỡng, sinh trưởng và các chức năng sống khác của vi khuẩn

Nội dung cụ thể:

+ Nghiên cứu thành phần hoá học

+ Quy luật và cơ chế của :

- Sự dinh dưỡng

- Hô hấp

- Sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn

II Thành phần hoá học của tế bào VSV

Chủ yếu là nước và một phần vật chất khô.

1 Nước:

Chiếm 70 - 80% trọng lượng tế bào, tồn tại ở hai dạng:

+ Nước kết hợp :

- Tham gia vào thành phần chất keo của NSC tế bào

- Tạo môi trường thích hợp cho phản ứng sinh học nôi bào

- Nước liên kết rất khó tách ra

- Mất nước liên kết  cấu trúc tế bào bị phá huỷ, tế bào chết.

+ Nước tự do:

- Là dung môi cho các chất vô cơ, hữu cơ hoà tan

- Tham gia vào các phản ứng thủy phân trong tế bào.

- Nguồn cung cấp ion H+ , OH –

- Dễ bay hơi khi sấy khô, mất nước tự do khô tế bào, TĐC bị ảnh hưởng sâu sắc

2 Chất khô

Chất khô trong tế bào chiếm từ 15- 25% trọng lượng tế bào

gồm: Chất hữu cơ và chất khoáng

Là những protein đơn giản như albumin, globulin đó là các chất

dự trữ.

Protit phức tạp ( proteit) có vai trò sinh học quan trọng trong tế bào như Nucleoprotein, lipoprotein , glucoprotein…

+ Gluxit:

- Chiếm tỷ lệ tương đối cao trong tế bào

- Hàm lượng gluxit thay đổi tuỳ loại VSV:

Vi khuẩn : 10 – 30 % trọng lượng khô

Nấm men : 27 – 63 %

Nấm mốc : 40 - 60 %

- Tồn tại ở hai dạng: đơn giản (ozơ) và phức tạp (ozit)

Đóng vai trò quan trọng trong tế bào:

Tham gia cấu trúc tế bào (màng, giáp mô, axít Nucleic ) Là nguyên liệu chủ yếu cho hô hấp của tế bào

Thức ăn dự trữ của tế bào

+ Lipit:

- Lipit chỉ chiếm số lượng ít :3 – 7 % trọng lượng khô

Ơ nấm men, mốc lượng lipit có thể có tới 40 %

Ơ vi khuẩn chỉ có 1 – 3% Riêng VK lao, lipit trong tế bào

có tới 45 %

- Lipit tồn tại ở 2 dạng

.Dạng đơn giản là các hạt mỡ dự trữ

.Dạng phức tạp là lipoprotein, phospholipit

- Tham gia cấu trúc màng NSC, màng tế bào,

- Là nguồn nguyên liệu năng lượng

- Chức năng:

VSV tự dưỡng thu năng lượng mặt trời

Tránh tác động của tia tử ngoại ( VSV hoại sinh)

Một số sắc tố có khả năng kháng khuẩn

Một số chất hữu cơ khác:

- Các axit hữu cơ: axit oxalic, xitric…

- Muối của axit hữu cơ

- Vitamin : tiền vitamin A, vitamin B, C, K, PP…

Trong tế bào VSV, phần lớn các loại coenzym là vitamin hoặc dẫn xuất của vitamin

Vitamin được hấp thu từ môi trường hoặc do VSV tổng hợp

ra từ các hợp chất hữu cơ khác

Vitamin cần thiết cho VSV phát triển, một số VSV muốn phát triển bình thường phải được cung cấp 1 hoặc nhiều loại vitamin

Chất khoáng:

- Chiếm số lượng ít trong tế bào VSV( 15 % vật chất khô),

- Chúng có trong thành phần của các hợp chất hữu cơ phức tạp: proteit, vitamin, enzym…

- Giữ vai trò quan trọng trong hoạt động sống của tế bào

Giữ áp suất thẩm thấu nội bào ở mức bình thường

- Lượng chất khoáng thay đổi tuỳ loại VSV, tuỳ giai đoạn và điều kiện phát triển

- Chất khoáng được chia làm hai loại:

+ Nguyên tố đa lượng:

+ Nguyên tố vi lượng:

III Dinh dưỡng của vi sinh vật

1 Khái niệm:

+ Chất dinh dưỡng:

Là những chất được VSV hấp thu từ môi trường xung quanh

và được sử dụng cho quá trình trao đổi chất của tế bào

Ví dụ:

Axit amin Các loại đường đơn N2 , CO2 , NH3 , …

+ Quá trình dinh dưỡng:

Là quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng từ môi trường vào tế bào VSV

2 Nhu cầu thức ăn của VSV

( VK sinh sản rất nhanh

20 - 30 phút sinh sản một lần và theo cấp số nhân

1 tế bào/ 24 giờ  47.146,9 x 106 tế bào)

Nhu cầu về thức ăn cuả VSV có thể chia làm 3 loại:

+ Thức ăn cung cấp năng lượng:

cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của VSV như:

gluxit, lipit, protein , NH3 …

+ Thức ăn kiến tạo:

sau khi hấp thụ được tiêu hoá, chế biến lại thành nguyên liệu tham gia xây dựng cấu trúc tế bào như: gluxit, lipit, protein , N2 ,CO2 …

một loài nào đó không thể tự tổng hợp được

• Ví dụ :

3 Các kiểu dinh dưỡng của VSV

Thành phần cơ bản cấu tạo lên tế bào VSV gồm 4 nguyên tố chính :C, H,

O, N

+ Dinh dưỡng cacbon:

Các bon chiếm > 50 % vật chất khô của VSV

Là yếu tố rất quan trọng trong các hợp chất có mặt trong tế bào

Trong tự nhiên cac bon tồn tại ở 2 dạng

- Hợp chất cac bon vô cơ : CO2 , muối cacbonát

- Hợp chất cac bon hữu cơ: gluxit, lipit, protein

Tuỳ thuộc khả năng sử dụng nguồn các bon, người ta chia VSV

làm 2 nhóm

Ví dụ:

Quá trình quang hợp của VK lưu huỳnh màu lục (Green sunfua bacteria):

ánh sáng mặt trời Lục tố vi khuẩn

Như vậy cả hai phản ứng đều sử dụng quang năng để tạo thành các

Điều khác nhau cơ bản ở đây là:

1 6

Do đó công thức tổng quát của quá trình quang hợp là:

ánh sáng Sắc tố quang hợp

Trong đó A là một chất vô cơ.

-VSV tự dưỡng C hoá năng :

Là nhóm VSV sử dụng năng lượng của các phản ứng oxy hoá để chuyển nguồn C vô cơ thành chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể

1 6

1 6

Vi khuẩn lưu huỳnh (Green sunfua bacteria) cũng có kiểu hoá năng:

Từ các phản ứng trên có thể rút ra công thức tổng quát dạng dinh dưỡng hoá năng như sau:

O24H +

+ CO2 + 4H + 126 (C6H12O6) + H2O

1 6

Như vậy ở nhóm VSV tự dưỡng C hoá năng, để đồnghoá C phải gồm 2 bước:

+ Bước 1: Oxy hoá hợp chất vô cơ để giải phóng W+ Bước 2: Nhờ có W chuyển C vô cơ > C hữu cơ

Ơ VSV 2 quá trình này diễn ra song hành

VSV tự dưỡng C hoá năng có chuyên tính cao

Ví dụ:

+ Vi sinh vật dị dưỡng cacbon:

Dinh dưỡng Nitơ

Nitơ có ý nghĩa quan trọng với sự phát triển của VSV

Nitơ tồn tại ở 2 dạng:

+ Nitơ vô cơ:

- Nitơ phân tử( N2 ): Chiếm một lượng nhiều nhất và chính là đạm của khí quyển Trong không khí, N2 chiếm 75,5% về trọng lượng, 78,1% về thể tích Tính ra trong khí quyển hành tinh chúng ta có tới 4 triệu tỷ tấn (4.10 15 tấn)

- Nitơ vô cơ hữu hiệu:

Tồn tại dưới dạng muối amon ( NH3 + ) , nitrat ( NO3 - ), số lượng bằng 1%

lượng đạm hữu cơ:

+ Nitơ hữu cơ:

Có chủ yếu trong sinh vật và các sản phẩm không hoàn toàn của chúng Lượng đạm này có khoảng 10 - 25 tỷ tấn.

Vi sinh vật có thể sử dụng nguồn Nitơ ở cả 3 dạng trong thiên nhiên

Tuỳ nguồn Nitơ VSV sử dụng, người ta chia dinh dưỡng Nitơ làm 2 loại:

+ VSV tự dưỡng amin:

Là nhóm VSV có khả năng sử dụng nguồn Nitơ vô cơ hoặc các hợp chất Nitơ hữu cơ đơn giản như axit amin, protein, ure để tạo lên các axit amin và thành phần chứa Nitơ trong tế bào.

Đối với N2 chỉ những VSV có khả năng cố định Nitơ mới sử dụng được Loại VSV có hệ enzym Nitrogenaza phong phú, loại này có 2 loại:

- VSV cố định Nitơ không cộng sinh như:

Vi khuẩn Azotobacte ( A chrococcum), hiếu khí Vi khuẩn Beijerinskii

Vi khuẩn Clostridium ( Clos pasteurianum), yếm khí

- VSV cố định Nitơ cộng sinh như:

Vi khuẩn nốt sần cây họ đậu (Rhizobium) Vi khuẩn lam…

Các VSV tự dưỡng amin có vai trò rất quan trọng trong chu trình chuyển hoá đạm trong tự nhiên

Nhờ có VSV, lượng đạm trong tự nhiên luôn được chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác để sinh vật có thể hấp thu, duy trì sự

sống

Ta có chu trình đạm trong tự nhiên:

Protein vi sinh vật Protein động vật Protein thực vật

NH 3

VSV amon hoá

đồng hoá đạm vô cơ đồng hoá đạm vô cơ

+ VSV dị dưỡng amin:

- Gồm những VSV chỉ có khả năng sử dụng Nitơ ở dạng hữu cơ

- Các axit amin này phải được VSV sử dụng một cách nguyên vẹn để tổng hợp lên protit của VSV

Có thể thấy sự khác nhau giữa vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng amin qua sơ

3 Cơ chế của sự dinh dưỡng

Để duy trì sự sống tế bào, VSV phải trao đổi vật chất và

năng lượng với môi trường bên ngoài.

VSV không có cơ quan tiêu hoá và bài tiết

.Toàn bộ quá trình trao đổi vật chất được thực hiện nhờ màng NSC của tế bào.

Các chất dinh dưỡng qua màng NSC để vào cơ thể, sản

phẩm cặn bã đều qua màng ra ngoài.

VSV hấp thu thức ăn một cách chọn lọc và chỉ hấp thu

được các chất có cấu trúc phân tử đơn giản, dễ hoà tan.

Người ta thấy rằng:

+ Axit amin, chuỗi peptit ngắn có 3 – 5 a.a

+ Gluxit chỉ ở dạng đường đơn VSV mới hấp thu được

vi sinh vật vi sinh vật Peptitaza

Lipaza

vi sinh vật Amilaza Xellulaza

Monopeptit axit amin

Glucoza

Polypeptit glyxerin + axit béo Dextran

Protit

Lipit

Gluxit

Để hấp thu được các chất dinh dưỡng VSV phải nhờ các

ngoại enzim tiết ra môi trường

Enzym phân huỷ các hợp chất cao phân tử  các chất đơn giản, dễ hoà tan rồi mới hấp thu qua màng NSC

Sự thẩm thấu của các chất dinh dưỡng qua màng NSC là một quá trình lý hoá phức tạp, phụ thuộc vào điều kiện sau:

- Khả năng thẩm thấu của màng

- Nồng độ chất dinh dưỡng ở trong và ngoài

màng

- Độ pH môi trường

- Điểm đẳng điện của tế bào VSV

Cơ chế của sự hấp thu

Màng NSC tế bào có khả năng điều chỉnh tinh vi sự ra vào của các chất

Tế bào nhận và thải các chất một cách chọn lọc.

Sự vận chuyển các chất qua màng NSC tuân theo một trong các

cơ chế sau:

+ Cơ chế vận chuyển thụ động :

Cơ chế vận chuyển này không tiêu tốn W

Theo kiểu này các chất đi qua màng NSC nhờ sự chênh

lệch nồng độ chất tan giữa môi trường và tế bào.

.Chiều đi của các chất từ nơi có nồng độ cao  nồng độ thấp Trong quá trình trao đổi chất chỉ có nước, CO2 và một số ít axit béo qua màng theo cơ chế này.

.

*Cơ chế vận chuyển tích cực :

Theo cơ chế này các chất muốn qua được màng NSC phải liên kết với Protein vận chuyển (Pecmeaza)

Pecmeaza nằm ở lỗ màng NSC

Pecmeaza được tổng hợp theo kiểu cảm ứng

Pecmeaza vận chuyển chon lọc 1 hay vài cơ chất

Dựa vào việc cần hay không cần W trong quá trình

thức :

+ Phương thức vận chuyển thụ động:

- Theo phương thức vận chuyển này không cần chi phí năng lượng của tế bào

- Cơ chất liên kết thuận nghịch với pecmeaza nằm ở

lỗ màng tạo phức hợp: Pecmeaza + cơ chất

- Hướng đi của cơ chất theo kiểu xuôi dòng: nồng độ cao  nồng độ thấp

Ơ VSV có nhân thật thường vận chuyển theo cơ chế này

Bên ngoài tế bào Màng nguyên sinh Bên trong tế bào

P P

PHƯƠNG THỨC VẬN CHUYỂN THỤ ĐỘNG

.Quá trình này cần phải tiêu tốn W

W này do ATP của tế bào cung cấp

Theo cơ chế này:

+ Pecmeaza ở trạng thái chưa hoạt động( Pi)

+ Nhờ W của tế bào cung cấp: Pi  Pecmeaza hoạt đông(P)

+ Pecmeaza liên kết với chất dinh dưỡng  được vận chuyển vào bên trong tế bào

+ Trong tế bào nồng độ chất dinh dưỡng cao, pecmeaza không thể tách chất dinh dưỡng này ra được  tế bào cung cấp W để

pecmeaza tách khỏi cơ chất  Pi  được chuyển ra lỗ màng….Pi ở trạng thái không hoạt động.

ADP ATP

ADP P

S

S Q

Cơ chế vận chuyển nhóm:

- 1964, Kundig phát hiện ở vi khuẩn E coli một hệ thống vận chuyển: hệ thống PTS (Phosphat Transferaza )

- Hệ thống này vận chuyển hầu hết các loại đường vào tế bào VK

- Hệ thống PTS gồm 2 enzym E1, E2 và một protein chứa Histidin (PrH)

- Hệ thống PTS được phân tử PEP(Phosphat Enol Pyruvic) cung cấp năng lượng(- P)

Enzym E1 xúc tác chuyển dây nối năng lượng P cho PrH  PrH- P Enzym này chung cho nhiều loại đường

Enzym E2 chuyển C6 của đường đơn đến PrH- P (E2 đặc trưng cho từng loại đường, vai trò của nó giống như Pecmeraza)

Glucoza khi qua màng  glucoza- 6- P

E2 – Glucoza PrH P

4 Sự chuyển hoá các chất bên trong tế bào VSV

MĐ: xây dựng tế bào, cho sinh sản, cung cấp W

Toàn bộ quá trình này gồm:

+ Trao đổi W:

còn gọi là quá trình hô hấp.

Hô hấp ở VSV có điểm khác với động, thực vật

Cần Oxy(hiếu khí), không cần Oxy (yếm khí)

Chất oxy hoá có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ

Một phần W chuyển thành nhiệt năng làm nóng môi trường

- Hô hấp của VSV là quá trình oxy hoá khử các chất hữu cơ, vô

cơ trong tế bào để tạo thành những chất đơn giản nghèo năng lượng

- Năng lượng giải phóng ra được cất giữ vào các mạch cao năng của ATP rồi cung cấp dần cho các hoạt động sống của VSV

- Nguyên liệu cho quá trình oxy hoá chủ yếu là gluxit:

C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + 2824 Kc

C2 H 5 OH + O 2  CH3 COOH + H2O + 486 Kc

C6H12O6  2C2 H 5 OH + CO 2 + 115 Kc

- Nguyên liệu cho quá trình oxy hoá là chất vô cơ

tính chất có sử dụng O2 hay không trong quá trình hô hấp,

người ta chia hô hấp của vi khuẩn thành hai loại:

Cơ chất O - H 2 O + W ADP ATP

Hô hấp hiếu khí

Đây là một quá trình rất phức tạp, có nhiều enzym tham gia: xytocrom, xytocrom oxydaza, peroxydaza.

Cơ sở của quá trình hô hấp hiếu khí ở vsv là sự oxy hoá Hydro trong

Trong quá trình vận chuyển đó W giải phóng ra từ từ, tích luỹ vào các mạch nối cao năng của ATP để cung cấp cho các hoạt động sống của VSV.

Hô hấp yếm khí của VSV

- Hô hấp yếm khí ở VSV là quá trình không có Oxy tham gia-Người ta gọi quá trình này là quá trình lên men

- Sự oxy hoá ở đây là có việc tách H2 ra khỏi cơ chất, chuyển qua nhiều trạm, đưa đến vật nhận nào đó không phải là Oxy

- Cơ chất chủ yếu của quá trình hô hấp yếm khí là gluxit

- Khác với hô hấp hiếu khí, sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men ngoài CO2 còn có các hợp chất cacbon chưa được oxy hoá hoàn toàn như rượu, axit hữu cơ

Dựa vào sản phẩm cuối cùng của quá trình này mà người ta đặt tên quá trình lên men:

Ví dụ:

Lên men etylic Lên men axetic

Môt số quá trình lên men:

+ Lên men Etylic

- Dưới tác dụng của một số loại VSV, trong điều kiện yếm khí đường gluoza được phân giải thành rượu etylic và CO2 , đồng thời giải phóng W

- Quá trình tóm tắt:

C6H12O6  2C2 H 5 OH + 2CO 2 + 115 Kc

- Nhiệt độ thích hợp cho lên men: 15 – 250 C

- Ưng dụng:

Sản xuất rượu dùng Sacchromyces cerevisiae

.Sản xuất bia dùng Sacchromyces carlsbergensis

Sản xuất rượu vang Sacchromyces vini

Men nở bột mỳ Sacchromyces cerevisiae

.Sản xuất protein nấm men: S cerevisiae,Candida,

Torula

Lên men Lactic:

- Dưới tác dụng của một số loại VSV, trong điều kiện yếm khí,đường gluoza được phân giải thành a lactic và CO2 , đồng thời giải phóng W

- Quá trình tóm tắt:

C6H12O6  2CH 3 - CHOH- COOH + 94 Kc

- Lên men lactic dị hình ngoài sản phẩm axit lactic còn có các sản

phẩm phụ: axit axetic, etylic, CO2,, H2

- Nhiêt độ thích hợp tuỳ loại vi khuẩn thường từ 200 C – 45o C

- Ưng dụng:

Sản xuất axit lactic

Chế biến sữa chua dùng: Streptococcus lactic

Streptococcus bulgaricus Chế biến pho mát dùng : Lactobacillus casei

Muối dưa, ủ chua thức ăn: Lactobacillus plantarum

Lên men butylic:

- Dưới tác dụng của một số loại VSV, trong điều kiện yếm khí,đường gluoza được phân giải cho axit butylic và CO2 , đồng thời giải phóng W

Sản xuất axit butylic

Điều chỉnh điều kiện lên men sản xuất butanol, axeton

Trong đất lượng axít này tích nhiều dẫn đến bất lợi cho cây trồng

Quá trình lên men butylic cũng gây ảnh hưởng xấu trong bảo quản hoa quả, thực phẩm, muối dưa, ủ chua thức ăn trong chăn nuôi

Lên men propionic:

- Dưới tác dụng của một số loại VSV, trong điều kiện yếm khí,đường gluoza được phân giải cho axit propionic, axetic và CO2 , đồng thời giải phóng W

- Quá trình tóm tắt:

3C6H12O6 4CH3CH2COOH +2CH3COOH +H2 O+2CO2+ W

- vi khuẩn lên men propionic: VK yếm khí

.Thuộc giống Propionibacterium

Ưng dụng:

- Trong sản xuất phomát

- Trong sản xuất vitamin B12

Ví dụ: Propionibacterium shermanii

Vi khuẩn này thường có trong sữa, đất

Lên men metan:

- Dưới tác dụng của một số loại VSV, trong điều kiện yếm khí, một số hợp chất hữu cơ được phân giải, đồng thời giải phóng khí metan

- Điều chế khí metan từ phân rác

- Vi khuẩn lên men metan có khả năng tích luỹ vitamin B12.  có thể thu B12 từ bùn ao