CHUYÊN ĐỀ CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG DINH DƯỠNG CACBON CỦA VI SINH VẬT

LỜI MỞ ĐẦU Chuyên đề sử dụng tham khảo để giảng dạy lớp, dạy cho đội tuyển học sinh giỏi 10 phục vụ số kỳ thi như: Olimpic Hùng Vương, kỳ thi trường chuyên duyên hải đồng Bắc bộ… Chuyên đề chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong đóng góp ý kiến bổ sung bạn đồng nghiệp để chuyên đề thêm hữu ích CHUYÊN ĐỀ CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG DINH DƯỠNG CACBON CỦA VI SINH VẬT A KIẾN THỨC CHUNG Các kiểu dinh dưỡng Cacbon nguyên tố cấu tạo nên khung chất hữu Để tổng hợp chất hữu cơ, vi sinh vật cần hai thành phần nguồn lượng nguồn cacbon, nguồn gốc hai thành phần mà vi sinh vật sử dụng sở phân loại kiểu dinh dưỡng vi sinh vật Có kiểu dinh dưỡng cacbon vi sinh vật là: quang tự dưỡng, quang dị dưỡng, hóa tự dưỡng hóa dị dưỡng (HS dựa vào sơ đồ để phân biệt kiểu dinh dưỡng) Sơ đồ 1: khái quát hoạt động chuyển hóa vật chất lượng vi sinh vật Ngoài dinh dưỡng cacbon, vi sinh vật cần nguyên liệu khác để xây dựng cấu trúc tế bào cung cấp cho hoạt động sống nitơ ngun tố khống Chun đề tơi đề cập đến nội dung chuyển hóa vật chất lượng dinh dưỡng cacbon vi sinh vật Tìm hiểu chung liên kết giàu lượng ATP Trong tế bào chất hữu chứa lượng, phân huỷ lượng giải phóng Năng lượng phân tử cố định liên kết Các liên kết thường có lượng khoảng 0,3 - 3,0 Kcalo/M Ngồi liên kết bình thường, số phân tử chứa liên kết có lượng lớn hơn, liên kết cao Những liên kết có lượng dự trữ ≥ Kcalo/M thuộc dạng liên kết cao năng, ký hiệu dấu ∼ Có dạng liên kết cao phổ biến: - Liên kết O ∼ P: dạng liên kết cao phổ biến có vai trò quan trọng tế bào Liên kết cao dạng có phân tử đường - photphat (A 1,3 PG, APEP ), cacbanyl - P, đặc biệt nucleotid di, tri - photphat (ADP, ATP, GDP, GTP ) Trong quan trọng ATP - Liên kết C ∼ S: dạng liên kết cao có acyl - CoA(acetyl - CoA, sucxinyl - CoA ) - Liên kết N ∼ P: liên kết cao có phân tử creatin - photphat Trong phân tử chứa liên kết cao năng, ATP phân tử có vai trò quan trọng tế bào, xem pin lượng tế bào Phân tử ATP chứa liên kết cao Trong điều kiện chuẩn, lượng liên kết cao 7,3Kcalo/M, liên kết cao thứ 9,6Kcalo/M Năng lượng thay đổi tuỳ điều kiện pH, nhiệt độ, nồng độ ATP, áp suất Biến động lượng liên kết cao ATP khoảng - 12Kcalo/M ATP vừa có lượng lớn đủ thoả mãn cho trình xảy tế bào vừa linh động nên lượng dễ giải phóng cho thể hoạt động lượng sử dụng phổ biến (được coi “đồng tiền” lượng tế bào) Công thức cấu tạo ATP Photphoryl hố Photphoryl hố q trình tổng hợp ATP theo phương trình: ADP + H3PO4 → ATP + H2O ADP Adenozin diphotphat (có nhóm photphat) ATP Adenozin triphotphat (có nhóm photphat) Để phản ứng xảy cần có lượng enzime ATP-aza xúc tác Năng lượng cần thiết cho phản ứng lượng chứa đựng liên kết cao nhóm photphat (≈ 7,3 Kcalo/M) Tùy nguồn lượng cung cấp mà có dạng photphoryl hố: photphoryl hố mức chất photphoryl hố mức coenzime (photphoryl hóa oxi hóa) * Photphoryl hố mức chất Photphoryl hố mức chất trình tổng hợp ATP nhờ lượng thải phản ứng oxy hoá trực tiếp chất Ví dụ: có phản ứng tạo ATP từ chất q trình oxi hố phân tử glucose giai đoạn đường đường phân chu trình Crebs Q trình photphoryl hố mức chất tích luỹ khơng q 10% tồn ATP tạo hô hấp nên ý nghĩa không lớn 90% lượng ATP lại tích luỹ qua q trình photphoryl hố mức coenzime hay qua chuỗi hơ hấp * Photphoryl hố mức coenzime (photphoryl hóa oxi hóa) Thuyết Mitchell đưa năm 1962 gọi thuyết hoá thẩm, giải thích chế photphoryl hố cách hợp lý quan tâm nhiều Thuyết hố thẩm nêu lên mối quan hệ dòng điện tử chuỗi truyền e- hô hấp với photphoryl hoá màng ty thể Sự chênh lệch nồng độ ion tạo trình vận chuyển e- H+ qua màng (thực chất chuỗi phản ứng oxi hóa-khử) làm cho tích luỹ e- H+ phía màng ty thể chênh lệch tạo nên điện hố (năng lượng hóa thẩm) Thế điện hố giải phóng nhờ dòng vận chuyển proton H+ qua ATP-aza cung cấp lượng cho phản ứng tổng hợp ATP Hầu hết lượng glucozo giải phóng dạng ATP giai đoạn Đây sở giải thích hiệu đường phân giải glucozo khác vi sinh vật B CÁC HOẠT ĐỘNG CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA VI SINH VẬT TRONG DINH DƯỠNG CACBON Quang dưỡng Là hình thức hấp thụ chuyển hóa lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu 1.1 Giai đoạn hấp thụ chuyển hóa lượng ánh sáng (pha sáng) 1.1.1 Bản chất pha sáng Là giai đoạn lượng ánh sáng tác động vào phân tử sắc tố gây tượng kích động electron (e-) làm bật khỏi phân tử sắc tố để vào chuỗi truyền điện tử Đường khác e- chuỗi truyền điện tử định sản phẩm pha sáng, dựa vào sản phẩm pha sáng ta có hai kiểu quang hợp quang hợp tạo O2 (ở vi sinh vật hiếu khí) quang hợp khơng tạo O2 (ở vi sinh vật kị khí) 1.1.2 Vị trí pha sáng Ở vi sinh vật nhân sơ hệ sắc tố chuỗi vận chuyển điện tử pha sáng nằm màng sinh chất, đặc biệt vi khuẩn lam số vi khuẩn khác thường có màng sinh chất gấp nếp ăn sâu vào tế bào chất tạo mezoxom gọi phiến tilacoit giúp tăng diện tích hấp thụ chuyển hóa lượng ánh sáng Ở vi sinh vật nhân thực có bào quan chuyên hóa cho quang hợp lục lạp, hệ sắc tố chuỗi vận chuyển điện tử nằm màng tilacoit lục lạp (A) (B) Hình 1: cấu tạo lục lạp (A) tế bào nhân sơ (B) * Giới thiệu hệ sắc tố: Hình 2: Cấu trúc Chlorophyll vị trí khác sắc tố cholorophyll a, cholorophyll b bacteriocholorophyll a Theo hình 2, nhóm cholorophyll a bị thay đổi để sản cholorophyll b, trái lại để chuyển cholorophyll a thành bacteriocholorophyll a phải cần cải biến hệ thống vòng Chuỗi bên (R) bacteriocholorophyll a phytil (1 chuỗi gồm 20C gặp cholorophyll a b) hay geranilgeranil (1 chuỗi bên gồm 20C tương tự phytil nhièu nối đôi) (Theo: Prescott cs, 2005) Các sinh vật quang hợp có sắc tố dùng hấp phụ ánh sáng sắc tố quan trọng cholorophyll (chất diệp lục) Đây vòng phẳng, lớn gồm nhân pirol thay nguyên tử magiê phối hợp với nguyên tử nitơ trung tâm Một số cholorophyll gặp sinh vật nhân thật mà quan trọng cholorophyll a cholorophyll b Hai phân tử cholorophyll khác cấu trúc đặc tính quang phổ Khi hồ tan axeton cholorophyll a có đỉnh hấp thụ ánh sáng 665 nm; cholorophyll b có đỉnh hấp thụ 645nm Ngồi đặc tính hấp thu ánh sáng đỏ cholorophyll hấp thu mạnh ánh sáng xanh (đỉnh hấp thu thứ hai cholorophyll a 430nm) Vì cholorophyll hấp thu chủ yếu vùng đỏ xanh ánh sáng lục truyền qua Hậu sinh vật quang hợp có màu lục Đi dài kị nước gắn vào vòng cholorophyll giúp cho sắc tố gắn vào màng vị trí phản ứng quang Hình 3: Các sắc tố phụ tiêu biểu Beta-caroten carotenoit gặp tảo thực vật cao cấp Sắc tố chứa chuỗi dài nối đôi nối đơn luân phiên gọi nối đôi tiếp hợp Fucoxantin sắc tố phụ carotenoit gặp số ngành tảo (dấu chấm cấu trúc biểu thị nguyên tử C) Phycoxyanobilin ví dụ tetrapirol đường thẳng liên kết với protein để tạo thành phycobiliprotein (Theo: Prescott cs, 2005) Các sắc tố quang hợp khác thu giữ quang mà phổ biến carotenoit Đây phân tử dài thường có màu vàng nhạt có hệ thống liên kết kép tiếp hợp β-caroten gặp Prochloron hầu hết nhóm tảo; flucoxantin có mặt khuê tảo (diatoms), tảo giáp (Dinoflagellates) tảo nâu (Phaeophyta) Tảo đỏ vi khuẩn lam chứa sắc tố quang hợp gọi phycobiliprotein bao gồm protein liên kết với tetrapyrol Phycoerytrin sắc tố đỏ có đỉnh hấp thu cực đại 550nm phycocyanin sắc tố xanh (hấp thu cực đại 620-640nm) Về vai trò quang hợp carotenoit phycobiliprotein thường coi sắc tố phụ Mặc dù cholorophyll hấp thu quang cách có hiệu vùng xanh - lục đến vàng (khoảng 470-630nm) sắc tố phụ hấp thu ánh sáng vùng truyền lượng thu đến cholorophyll Nhờ chúng giúp cho quang hợp có hiệu qua vùng rộng chiều dài sáng Các sắc tố phụ bảo vệ vi sinh vật khỏi ánh sáng mặt trời gay gắt oxy hố gây hư hại cho máy quang hợp trường hợp thiếu chúng Các cholorophyll sắc tố phụ tập hợp thành dãy có tổ chức cao gọi quang hệ (ăngten) với chức tạo diện tích bề mặt rộng dùng thu giữ photon nhiều tốt Mỗi quang hệ chứa khoảng 300 phân tử cholorophyll Quang thu giữ quang hệ chuyền từ cholorophyll sang sang cholorophyll khác tới cholorophyll đặc biệt trung tâm phản ứng; cholorophyll trực tiếp tham gia vào việc vận chuyển electron quang hợp * Giới thiệu quang hệ PSI PSII: Quang hệ đơn vị chuyển hóa lượng ánh sáng bao gồm sắc tố phức hệ protein màng, lượng bước sóng mà phân tử sắc tố trung tâm phản ứng hấp thụ định đường điện tử (electron) sản phẩm đường Hình 4: Hệ sắc tố chuỗi truyền điện tử màng tilacoit Quang hệ PSI có phân tử sắc tố hấp thụ ánh sáng bước sóng khác nhóm vi sinh vật: vi sinh vật quang hợp tạo O2 700nm (nên gọi P700), vi khuẩn khơng lưu huỳnh màu tía 870 nm, vi khuẩn lưu huỳnh màu lục 840nm, v.v Quang hệ PSII (chỉ có vi sinh vật quang hợp tạo O2) có phân tử sắc tố hấp thụ ánh sáng bước sóng 680nm 1.1.3 Diễn biến pha sáng a Quang hợp tạo O2 Quang hợp tạo O2 sử dụng đồng thời hai đường không vòng vòng: + Con đường khơng vòng: Có tham gia hai quang hệ PSI PSII Khi có ánh sáng chiếu vào sắc tố quang hệ bật điện tử (e-), điện tử vào chuỗi vận chuyển theo thứ tự sau: Bước 1: Trung tâm phản ứng PSI có mức lượngcơ cao PSII nên giải phóng electron trước, e- từ PSI qua chuỗi truyền điện tử đến cuối chuỗi truyền phức hệ feredoxin NADP+ nhận để tổng hợp NADPH Bước 2: PSII giải phóng e- vào chuỗi truyền để chuyển đến để bù (trả lại) e- PSI Trên đường đi, e- qua Cyt b6 làm kênh mở, kết tạo dòng vận chuyển H+ qua màng H+ tích lũy nhiều phía ngồi màng sinh chất vi khuẩn xoang tilacoit lục lạp gây áp lực nồng độ lên ATP-aza (máy tổng hợp ATP, protein xuyên màng), H+ chuyển qua ATP-aza kích thích tổng hợp ATP (photphoryl hóa oxi hóa - thuyết hóa thẩm Michell) Bước 3: Cuối cùng, lượng ánh sáng làm phân li phân tử nước (quang phân li nước) xoang tilacoit (hoặc tế bào chất vi khuẩn) theo phương trình: H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2eTrong H+ dùng để vận chuyển qua màng, 2e- chuyển đến bù cho PSII, O2 khuếch tán môi trường * Sản phẩm đường khơng vòng: ATP, NADPH, O2 theo tỉ lệ 2:2:1 vì: Cứ photon ánh sáng tác động vào PSI giải phóng 2e- để tạo 1NADPH photon ánh sáng tác động vào PSII giải phóng 2e- để bù cho PSI đồng thời tạo 1ATP photon ánh sáng làm phân li H2O để bù 2e- cho PSII đồng thời tạo 1/2O2 Hình 5: truyền điện tử theo đường khơng vòng 10 Hình 17: Một số sản phẩm lên men Hình 18: Một số cách chuyển hóa pyruvate điều kiện có O2 khơng có O2 - Trong hô hấp tế bào, NADH vào chuỗi truyền e- để tổng hợp ATP Chất nhận ecuối oxi - Trong q trình lên men, NADH khơng vào chuỗi truyền e- để thu lượng mà nhường H+ e‑ cho chất hữu để chuyển hóa phân tử thành axit lactic, rượu (Chất nhận H+ e‑ cuối chất hữu cơ) 23 Hình 19: Sơ đồ trình lên men rượu lên men lactic Lên men gồm giai đoạn: đường phân tạo sản phẩm lên men a Lên men rượu etylic (CH3CH2OH) Do nấm men thực (thuộc loại kị khí khơng bắt buộc, có O2 hơ hấp hiếu khí để tăng sinh khối mà khơng tạo sản phẩm lên men) C6H12O6 → Axit pyruvic → rượu etylic + CO2 b Lên men lactic (CH3CHOHCOOH) + Lên men lactic đồng hình: Do vi khuẩn lactic đồng hình thực hiện, khơng tạo CO2 C6H12O6 → Axit pyruvic → axit lactic + Lên men lactic dị hình: Do VK lactic dị hình thực hiện, tạo nhiều sản phẩm khác có CO2 C6H12O6 → Axit pyruvic → axit lactic (60%) + etylic + Axetic + CO2 2.2 Hố dưỡng vơ (hóa tự dưỡng) Là q trình tổng hợp chất hữu từ CO2 nhờ lượng phản ứng oxi hóa chất vơ Phương trình tổng qt: A (Chất vô cơ) + O2 → AO2 + Q (năng lượng) CO2 + RH2 + Q → Chất hữu 24 Ơxi hóa H2S tạo lượng để tổng chất hữu cơ: 2H2S + O2 → 2H2O + 2S + Q 2S +2H2O + 3O2 → 2H2SO4 + Q 6CO2 +12H2S + Q → C6H12O6+ 6H2O +12S Ơxi hóa NH3 tạo lượng để tổng chất hữu cơ: 2NH3 + 3O2 → 2HNO2+ 2H2O + Q 6CO2 + 24H + Q → C6H12O6 + 6H2O Ơxi hóa HNO2 thành HNO3 tạo lượng để tổng chất hữu cơ: 2HNO2 + O2 → 2HNO3 + Q 6CO2 + 24H + Q → C6H12O6 + 6H2O Ơxi hóa Fe2+ thành Fe3+ tạo lượng để tổng chất hữu cơ: 4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3 + CO2 + Q Ôxi hóa H2 lấy lượng để tổng chất hữu cơ: 6H2 + 2O2 + CO2 → (CH2O) + 5H2O 25 TÓM TẮT NỘI DUNG 26 MỘT SỐ CÂU HỎI THAM KHẢO Câu a Dựa vào nhu cầu ôxi cần cho sinh trưởng động vật nguyên sinh, vi khuẩn uốn ván, nấm men rượu vi khuẩn giang mai xếp vào nhóm vi sinh vật b Kiểu dinh dưỡng, nguồn lượng, nguồn cacbon, kiểu hơ hấp vi khuẩn nitrat hố? Vai trò vi khuẩn với trồng a Dựa vào nhu cầu ôxi cần cho sinh trưởng, vi sinh vật xếp vào nhóm sau: - Động vật nguyên sinh: Hiếu khí bắt buộc - Vi khuẩn uốn ván : Kị khí bắt buộc - Nấm mem rượu: Kị khí khơng bắt buộc - Vi khuẩn giang mai: Vi hiếu khí - Kiểu dinh dưỡng ; Hố tự dưỡng - Nguồn lượng: Ơxi hố chất vơ NH3  NO-2 NO3- + lượng - Nguồn cacbon tổng hợp cacbon hiđrat từ CO2 , H2O - Kiểu hơ hấp hiếu khí - Vai trò với trồng: Nitrat nguồn nitơ dễ hấp thu chủ yếu trồng Câu a Phân biệt vi khuẩn lưu huỳnh quang tổng hợp hoá tổng hợp b Căn vào nhu cầu ôxi hoạt động sống, ta phân vi sinh vật thành nhóm nào? Tại vi khuẩn kị khí bắt buộc khơng thể tồn mơi trường có ơxi a Vi khuẩn lưu huỳnh : - Quang tổng hợp : nguồn lượng từ ánh sáng mặt trời Phương trình : CO2 + H2S + NL ASMT → C6H12O6 + S - Hoá tổng hợp: nguồn lượng từ phản ứng ơxi hố hợp chất lưu huỳnh: Phương trình: H2S + 1/2O2 → H2O + S +Q S +3/2 O2 + H2O → H2SO4 + Q CO2 + H2S + Q → C6H12O6 + S a - Các nhóm vi sinh vật theo nhu cầu ôxi: - Vi khuẩn kị khí bắt buộc khơng sống mơi trường có ơxi vì: + Khi có ơxi, SV tiến hành hơ hấp hiếu khí → tạo peroxyt gây độc cho tế bào + Ở vi khuẩn hiếu khí có SOD Catalaza phân giải hợp chất vi khuẩn kị khí bắt buộc khơng có nên vi khuẩn kị khí bắt buộc khơng sống mơi trường có ơxi Câu a Một học sinh nói "Oxy chất độc vi khuẩn kị khí vi khuẩn hiếu khí" Bằng kiến thức em giải thích bạn học sinh nói vậy? b Chỉ điểm giống khác biệt kiểu dinh dưỡng nhóm vi khuẩn nitrit hóa với nhóm vi khuẩn nitrat hóa? 27 a - Khi oxy nhận e tạo thành O-2 2O-2 + H+ → H2O2 + O2 H2O2 chất độc VK → O2 chất độc vi khuẩn - Tuy nhiên vi khuẩn hiếu khí có E catalaza chúng phân giải H2O2 khử độc cho tế bào → VK hiếu khí khơng bị chết có O2 VK kị khí khơng có E catalaza → mơi trường hiếu khí chúng bị chết nhiễm độc b * Giống nhau: chúng có kiểu dinh dưỡng hóa tự dưỡng * Khác nhau: phương thức thu nhận lượng + Vi khuẩn nitrit hóa (Nitrosomonas) : oxi hóa NH3 thành axit nitrơ để lấy lượng cho trình khử CO2 2NH3 + 3O2 2HNO2 + H2O + Q (552,3 kj) + Vi khuẩn nitrat hóa (Nitrobacter) : oxi hóa HNO2 thành axit nitric để lấy lượng cho trình khử CO2 HNO2 + O2 2HNO3 + Q (75,7 kj) Câu Cho dòng vi khuẩn lắc tíc đồng hình vào bình A, dòng vi khuẩn lắc tíc dị hình vào bình B (bình A, B chứa dung dịch glucơzơ) a Nhận xét kết bình b Khi ứng dụng lên men lactic muối dưa rau quả, học sinh nhận xét sau: - Vi khuẩn lactic phá vỡ tế bào làm cho rau tóp lại - Các loại rau muối dưa - Muối dưa để lâu ngon - Muối rau phải cho lượng muối để diệt vi khuẩn lên men thối (lượng muối từ 4-6% khối lượng khô rau) Nhận xét hay sai? Hãy giải thích? a - Bình A có q trình lên men lactic đồng hình q trình lên men đơn giản, tạo thành axit lactic, khơng có CO2 - Bình B có q trình lên men lactic dị hình trình lên men phức tạp, ngồi tạo axit lactic có rượu etylic, axit axetic, CO2 b Giải thích - Sai: VK lactic không phá hoại tế bào chất nguyên sinh rau mà có tác dụng chuyển glucơzơ dung dịch muối rau thành axit lactic - Sai: Các loại rau dùng để lên men lactic phải có lượng đường tối thiểu để sau muối hình thành lượng axit lactic 1-2% (độ pH=4-4.5%) - Sai: Khi để lâu dưa chua vi khuẩn lactic bị ức chế Nấm men, nấm sợi phát triển làm giảm chua → vi khuẩn thối phát triển làm hỏng dưa - Sai: Muối có tác dụng tạo áp suất thẩm thấu, rút lượng nước đường rau dung dịch cho vi khuẩn lactic sử dụng, đồng thời ức chế phát triển vi khuẩn lên men thối 28 Câu a Viết sơ đồ trình lên men rượu lên men axit lactic, thể chất nhận điện tử cuối chất hữu nội sinh b Tại sữa chua thực phẩm ưa thích nhiều người? Giải thích thay đổi trạng thái, hương vị sữa trình lên men axit lactic c Hệ vi sinh vật muối chua rau thay đổi theo thời gian nào? a Vẽ sơ đồ - Q trình lên men rượu: C6H12O6 (Glucơzơ) NAD+ 2CH3COCOOH (Axit piruvic) NADH CO2 C2H5OH 2CH3CHO (Rượu etylic) (Axêtalđêhyt) - Quá trình lên men axit lactic C6H12O6 (Glucôzơ) NAD+ NADH CH3 CHOHCOOH 2CH3COCOO H (Axit piruvic) b Vì sữa chua loại thực phẩm bổ dưỡng: (Axit lactic) - Có hương vị thơm ngon tự nhiên - Dễ tiêu, bổ dưỡng chứa đường đơn, vitamin, axit amin *Giải thích thay đổi trạng thái, hương vị sữa trình lên men: - Vi khuẩn lactic biến đường sữa thành axit lăctic làm giảm độ pH với lượng nhiệt sinh → Sữa chua có vị thấp so với sữa nguyên liệu, vị chua tăng lên dạng đông tụ - Các sản phẩm phụ este, axit hữu làm cho sữa có hương thơm c - Ban đầu vi khuẩn lactic vi khuẩn gây thối phát triển Vi khuẩn lactic lên men axit lactic làm giảm độ pH dung dịch, ức chế hoạt động vi khuẩn thối - Dưa chua dần lên, độ pH tiếp tục giảm, ức chế hoạt động vi khuẩn lactic - Nấm men phát triển sinh trưởng mơi trường có độ pH thấp → xuất lớp váng trắng Nấm men ơxi hóa axit lactic thành CO2 nước làm dưa giảm dần độ chua - Vi khuẩn gây thối lại bắt đầu phát triển làm cho dưa bị hỏng 29 Câu a Vì vi khuẩn kị khí bắt buộc phát triển điều kiện khơng có ơxi? b Một cốc rượu nhạt (5%→6% etanol) bia, cho thêm chuối, đậy cốc vải màn, để nơi ấm, sau vài ngày có váng trắng phủ bề mặt mơi trường Rượu biến thành giấm - Hãy điền hợp chất hình thành vào sơ đồ sau: CH3CH2OH + O2 →…………………+ H2O + Q - Váng trắng vi sinh vật tạo ra? Ở đáy cốc có loại vi sinh vật không? Tại sao? - Nhỏ giọt nuôi cấy vi sinh vật lên lam kính nhỏ bổ sung giọt H2O2 vào giọt thấy tượng gì? - Nếu để cốc giấm với váng trắng lâu độ chua giấm nào? Tại sao? a Vì vi khuẩn kị khí bắt buộc khơng có enzim catalaza, SOD không loại bỏ sản phẩm độc hại cho tế bào điều kiện có O2 như: H2O2, ion superoxid b - Chất tạo thành giấm CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O + Q - Váng trắng đám vi khuẩn axetic liên kết với tạo Ở đáy cốc khơng có loại vi khuẩn này, chúng vi sinh vật hiếu khí bắt buộc - Khi nhỏ giọt H2O2 vào giọt nuôi cấy vi khuẩn axetic thấy bọt nhỏ li ti hình thành O2 tác dụng catalaza, H2O2 bị phân hủy thành H2O O2 - Khi để giấm lâu ngày độ chua giấm giảm vi khuẩn Axetobacter có khả tiếp tục biến giấm thành CO2 H2O làm pH tăng lên, giấm dần độ chua Câu Nitrogenaza hệ enzim cố định nitơ khí có mặt số nhóm vi sinh vật cố định N2 Giải thích thích nghi cấu tạo hoạt động chức để thực cố định N2 loại vi khuẩn sau: Nostoc (1 loại vi khuẩn lam), Azotobacter (vi khuẩn hiếu khí sống tự do), Rhizobium (một loại vi khuẩn cộng sinh với đậu) - Nostoc: + Có dị bào nang (heterocyte), màng dày  ngăn không cho O2 xâm nhập vào  thực cố định đạm + Dị bào nang không xảy PSII pha sáng quang hợp  khơng giải phóng O2 + Nostoc có khơng bào khí  chìm để tránh nơi có nhiều O2 tìm nơi có ánh sáng - Azotobacter: + Tế bào có màng dày  ngăn khơng cho O2 vào ạt + Màng sinh chất hình thành nếp gấp  tạo túi  nitrogenaza hoạt động + Túi có enzim hydrogenaza  xúc tác phản ứng H+ + O2  H2O  không ảnh hưởng đến hoạt động enzim cố định đạm - Rhizobium: 30 + Vi khuẩn vào tế bào rễ  hình thành thể giả khuẩn: Bacterioid, thể giả khuẩn tiết hem; tế bào rễ tiết pr Noduline + Noduline + Hem  leghemoglobin  hấp thụ O2 giải phóng từ từ cho thể giả khuẩn hoạt động cố định đạm hô hấp Câu a Điểm khác đường tổng hợp chất hữu nhóm vi khuẩn hố tổng hợp? b Trình bày phương thức đồng hóa CO2 vi sinh vật tự dưỡng? a Các nhóm VK hố tổng hợp gồm: nhóm VK lấy lượng từ hợp chất chứa S, nhóm VK lấy lượng từ hợp chất chứa N, nhóm VK lấy lượng từ hợp chất chứa Fe, nhóm VK lấy lượng từ H phân tử - Các nhóm VK hố tổng hợp có khác biệt khâu chúng sử dụng chất cho Hiđro khác nhau, từ cho sản phẩm khác + Nhóm VK lấy lượng từ hợp chất chứa Nitơ tiến hành Ơxi hóá NH3 thành axit Nitrơ để lấy phần lượng + Nhóm VK lấy lượng từ hợp chấy chứa S có khả Ơxi hố H2S để lấy phần lượng + Nhóm VK lấy lượng từ hợp chất chứa Fe có khả Oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ để lấy phần lượng + Nhóm VK lấy lượng từ Hiđro có khả Oxi hoá Hiđro phân tử để lấy phần lượng b Phương thức đồng hóa CO2 vi sinh vật tự dưỡng Nhóm vi sinh vật tự dưỡng gồm có: - VSV tự dưỡng quang năng: Sử dựng lượng AS mặt trời để quang hợp, gồm: + Vi tảo, vi khuẩn lam: Lấy nguồn hyđro từ nước, quang hợp giải phóng oxy + Một số VK thuộc Rhodospirillales: Lấy hyđro từ khí hyđro tự do, từ H2S, hợp chất hữu có chứa hyđro Quang hợp khơng giải phóng oxy - VSV tự dưỡng hóa năng: Sử dụng lượng oxy hóa hợp chất hữu đó, gồm: +VK nitrit hóa: Sử dụng lượng sinh oxy hóa amơn thành nitrit +VK nitrat hóa: Ơxy hóa nitrit thành nitrat để lấy lượng +VK sắt: Lấy lượng từ phản ứng oxy hóa Fe++ thành Fe+++ +VK oxy hóa lưu huỳnh: Lấy lượng oxy hóa S thành hợp chất chứa S Câu a Để phân biệt kiểu dinh dưỡng vi sinh vật, người ta dựa vào tiêu chí ngồn lượng nguồn C chủ yếu Hãy xếp vi sinh vật sau: Tảo, vi khuẩn tía, vi khuẩn quang hợp, vi khuẩn nitrit hóa, vi khuẩn lục, vi khuẩn oxi hóa S, vi khuẩn hiđro, vi khuẩn khác rõ nguồn lượng, nguồn C tương ứng theo bảng sau: Kiểu dinh Nguồn lượng Nguồn C Vi sinh vật dưỡng Quang tự dưỡng Quang dị dưỡng 31 Hóa tự dưỡng Hóa dị dưỡng b Bình đựng nước thịt bình đựng nước đường để lâu ngày, mở nắp có mùi giống khơng? Tại sao? a Kiểu dinh dưỡng Nguồn Nguồn C Vi sinh vật lượng Quang tự dưỡng Ánh sáng CO2 Tảo, vi khuẩn quang hợp Quang dị dưỡng Ánh sáng Chất hữu VK tiá, VK lục Hóa tự dưỡng Chất vơ (H2, CO2 VK nitrit hóa, VK oxi H2S,NH4,NO2,Fe) hóa S, VK hiđro Hóa dị dưỡng Chất hữu Chất hữu Các VK khác b Bình đựng nước thịt để lâu ngày có mùi thối có tượng khử amin từ aa dư thừa nitơ, thiếu C… - Bình đựng nước đường để lâu ngày có mùi chua VSV q dư thừa C, thiếu nitơ nên chúng lên men tạo axit… Câu 10 a Ở nấm men (Saccharomyces serevisiae), phân giải glucơzơ điều kiện kị khí diễn nào? b Nêu kiểu dinh dưỡng, nguồn lượng, nguồn cacbon, kiểu hơ hấp vi khuẩn nitrat hóa? a - Trong điều kiện kị khí, xảy trình lên men rượu - PT: Glucozơ (C6H12O6) → C2H5OH (etanol) + CO2 - Chất cho e: NADH - Chất nhận e cuối cùng: axetalđehyd (CH3CHO) b - Kiểu dinh dưỡng hoá tự dưỡng - Nguồn lượng: ơxy hố NO2- → NO3- + lượng - Nguồn carbon: từ CO2 - Kiểu hô hấp: hiếu khí Câu 11 Hãy giải thích câu sau: a Vì rượu chưng cất phương pháp thủ công số vùng dễ làm người uống bị đau đầu ? b Vì thức ăn nhiều nước dễ bị nhiễm vi khuẩn ? c Vì sữa chua khơng có vi khuẩn kí sinh gây bệnh ? d Vì virut xem dạng sống đặc biệt ? a Do chưng cất phương pháp thủ công nên andehit không khử hết, ngồi điaxêtil, hợp chất tác động mạnh lên hệ thần kinh => người uống nhiều gây đau đầu b Do vi khuẩn sinh trưởng tốt mơi trường có độ ẩm cao c Vì sữa chua lên men tốt, vi khuẩn lactic tạo môi trường axit pH thấp, ức chế vi khuẩn kí sinh gây bệnh d Vì virut chưa có cấu tạo tế bào, cấu tạo từ phần: 32 Phần vỏ prôtêin giữ chức bảo vệ, phần lõi axit nucleic giữ chức di truyền Virut khơng có enzim nên sống kí sinh bắt buộc Câu 12 a Vì rượu vang không trùng cách dễ bị vi khuẩn lactic dị hình làm chua, nên không để lâu ? b Tại dưa muối để lâu bị khú ? c Theo em, làm tương làm nước mắm người ta có sử dụng loại vi sinh vật hay không? Axit amin tương nước mắm từ đâu ra? a Do vi khuẩn lactic dị hình rượu vang biến đổi phần dư glucôzơ thành sản phẩm : axit lactic, CO2, etanol, axit axêtic… Vì rượu có bọt, vị chua b - Trong trình muối dưa, vi khuẩn lactic hoạt động, hàm lượng axit lactic tăng dần đến mức độ ức chế vi khuẩn lactic hoạt động - Khi pH thấp loại nấm men phát triển => hàm lượng axit lac tic giảm - Hàm lượng axit lactic giảm đến mức độ định vi khuẩn lên men thối phát triển làm khú dưa c Không loại vsv - Làm tương chủ yếu dùng nấm sợi Làm nước mắm sử dụng vi khuẩn kị khí ruột cá - Axit amin tương nước mắm enzim proteaza phân giải Protein có đậu thịt cá Câu 13 a So sánh trình lên men rượu từ đường lên men lactic b Ăn xôi đậu tương không thấy ăn tương Vị tương có từ đâu? Cơ sở khoa học nó? a *Giống nhau: - Đều nhờ tác dụng VSV - Nguyên liệu phân giải đường đơn – glucozo - Đều qua giai đoạn đường phân - Điều kiện kị khí *Khác nhau: Tiêu chí Lên men rượu từ đường Lên men lăctic Tác nhân Nấm men Vi khuẩn lăctic Sản phẩm Rượu etylic, CO2 Axit lactic Phản ứng C6H12O62C2H5OH+ 2CO2+Q C6H12O62CH3CHOH-COOH + Q Chất nhận e Axetaldehit Axit piruvic Mùi Mùi rượu Mùi chua Thời gian Lâu Nhanh b Vị có từ đường gluco axit amin Tinh bột Nấm sợi thủy Glucozo phânAmilaza (gạo nếp) a 33 Protein (đậu tương) Vi khuẩn thủy phânProteaza Axit amin a Câu 14 Cho sơ đồ chuyển hoá sau: NH3 Q ( hoá năng) + CO2 chất hữu HNO2 a Cho biết tên VSV tham gia sơ đồ chuyển hoá b Hình thức dinh dưỡng kiểu hơ hấp VSV này? Giải thích? c Viết phương trình phản ứng chuyển hoá sơ đồ a Tên VSV tham gia sơ đồ chuyển hoá trên: Nitrosomonas, Nitrobacter b Hình thức dinh dưỡng hơ hấp: - Hố tự dưỡng nhóm VSV tổng hợp chất hữu nhờ nguồn lượng thu từ trình oxi hóa chất,nguồn cacbon từ CO2 - Hiếu khí bắt buộc khơng có O2 khơng thể oxi hóa chất khơng có lượng cho hoạt động sống c Phương trình phản ứng: - Vi khuẩn nitric hoá ( Nitrosomonas) 2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + Q CO2 + 4H + Q′ (6%) → 1/6C6H12O6 + H2O - Các vi khuẩn nitrat hóa ( Nitrobacter) 2HNO2 + O2 → 2HNO3 + Q CO2 + 4H + Q′ (7%) → 1/6C6H12O6 + H2O a Sự khác biệt chất cho điện tử nhóm vk quang hợp: khơng lưu huỳnh màu tía; lưu huỳnh màu luc vi khuẩn lam - Vi khuẩn khơng lưu huỳnh màu tía: sử dụng H2 hợp chất hữu dạng khử etanol - Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục: sử dụng sunfua dạng khử(H2S) - Vi khuẩn lam sử dụng H2O làm chất cho điện tử tạo oxi phân tử Câu 15 a Kể tên nhóm vi sinh vật không cần sắc tố quang hợp mà tổng hợp chất hữu từ CO2 khơng khí ? lấy ví dụ đại diện nhóm phân tích? b Các loại vi sinh vật tham gia vào trình lên men rượu từ tinh bột Vai trò điều kiện hoạt động vi sinh vật đó? a.* Đó nhóm vi sinh vật tự dưỡng hố Thơng qua q trình oxi hố chất vơ ( NH4, NO2-, S, H2, Fe2+…) chúng tạo ATP giàu lượng Hidro để cung cấp cho q trình khử CO2 khơng khí thành chất hữu *Gồm nhóm vi khuẩn phân giải hợp chất chứa nitơ, nhóm vi khuẩn phân giải hợp chất chứa lưu huỳnh, nhóm vi khuẩn phân giải hợp chất chứa sắt nhóm vi khuẩn lấy lượng từ hidrơ 34 - Nhóm vi khuẩn phân giải hợp chất chứa nitơ, nhóm đơng nhất, gồm loại chủ yếu: + Nhóm vi khuẩn nitrat hóa nitrosomonas Chúng oxi hóa NH3 thành axit nitrit để lấy lượng: 2NH3 + 3O2  HNO2 + H2O + 158 kcal 6% lượng giải phóng vi khuẩn sử dụng để tổng hợp glucơzơ từ CO2 - Các vi khuẩn nitrat hóa nitrobacter Chúng oxi hóa HNO2 thành HNO3: 2HNO2 +O2  HNO3 + 38 kcal 7% lượng giải phóng vi khuẩn sử dụng để tổng hợp glucôzơ từ CO2 b * Vi sinh vật tham gia: Nấm mốc, nấm men * Vai trò: - Nấm mốc tiết enzim amilaza để thủy phân tinh bột thành đường - Nấm men lên men đường thành rượu * Điều kiện hoạt động: - Nấm mốc : Mơi trường có ơxy - Nấm men: Mơi trường khơng có ơxy 35 KẾT LUẬN Hy vọng chuyên đề giúp học sinh có hiểu biết sâu sắc hoạt động dinh dưỡng chuyển hóa vật chất vi sinh vật, biết tác hại lợi ích hoạt động vi sinh vật từ ứng dụng sống Chuyên đề có sử dụng số tài liệu tham khảo : - Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi THPT môn Sinh học tập (phần sinh học tế bào sinh học vi sinh vật) (Vũ Đức Lưu) - Tài liệu giáo khoa chuyên phần vi sinh vật học - Cơ sở vi sinh vật Nguyễn Thành Đạt (Tập 1, 2) - Bồi dưỡng HSG TL Chuyên Vi sinh - Campbell biology - Một số tư liệu Webside sinhhocvietnam.vn 36 MỤC LỤC A KIẾN THỨC CHUNG………………………………………………………1 B CÁC HOẠT ĐỘNG CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA VI SINH VẬT TRONG DINH DƯỠNG CACBON………………………………5 Quang dưỡng………………………………………………………………….8 Hóa dưỡng…………………………………………………………………….17 C TĨM TẮT NỘI DUNG……………………………………………………… 26 D MỘT SỐ CÂU HỎI THAM KHẢO………………………………………… 27 KẾT LUẬN 36 Tài liệu tham khảo 36 37 ... ĐỘNG CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA VI SINH VẬT TRONG DINH DƯỠNG CACBON Quang dưỡng Là hình thức hấp thụ chuyển hóa lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu 1.1 Giai đoạn hấp thụ chuyển hóa. .. nguồn cacbon, nguồn gốc hai thành phần mà vi sinh vật sử dụng sở phân loại kiểu dinh dưỡng vi sinh vật Có kiểu dinh dưỡng cacbon vi sinh vật là: quang tự dưỡng, quang dị dưỡng, hóa tự dưỡng hóa. ..CHUYÊN ĐỀ CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG DINH DƯỠNG CACBON CỦA VI SINH VẬT A KIẾN THỨC CHUNG Các kiểu dinh dưỡng Cacbon nguyên tố cấu tạo nên khung chất