7. Những đóng góp mới của đề tài
2.2.4.Hệ thống CH cốt lõi đã thiết kế để dùng trong dạy học chương Sinh học Vi sinh vật, Sinh học lớp 10
học Vi sinh vật, Sinh học lớp 10
Chương 1: Chuyển hóa vật chất và năng lượng ở Vi sinh vật
Câu hỏi 1: Vì sao vi sinh vật được xem là một nhóm sinh vật đặc biệt?
Câu hỏi gợi ý cấp 1:
1. Em hiểu thế nào về vi sinh vật?
2. Con người sử dụng vi sinh vật như thế nào? Câu hỏi gợi ý cấp 2:
1. Tại sao nói vi sinh vật không phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới? 2. Đặc trưng của vi sinh vật là gì?
3. Thế nào là môi trường nuôi cấy Vi sinh vật? Có mấy loại môi trường nuôi cấy? Đặc điểm của mỗi loại môi trường nuôi cấy?
4. Nếu chỉ dựa vào nguồn carbon được đồng hóa để phân nhóm kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật là chưa đủ. Giải thích?
5. Trong môi trường thiếu oxy, vi sinh vật sẽ sống như thế nào? 6. Nếu muốn sử dụng vi sinh vật, người ta nuôi cấy chúng như thế nào? Gợi ý trả lời
Vi sinh vật (microorganisms) là tên gọi chung để chỉ tất cả các sinh vật có hình thể bé nhỏ, muốn thấy rõ được người ta phải sử dụng tới kính hiển vi. Virut (Virus) là nhóm vi sinh vật đặc biệt, chúng nhỏ bé tới mức chỉ có thể quan sát được qua kính hiển vi điện tử (eletron microscope). Virut chưa có cả cấu trúc tế bào. Các
vi sinh vật khác thường là đơn bào hoặc đa bào nhưng có cấu trúc đơn giản và chưa phân hoá thành các cơ quan sinh dưỡng (vegetative organs).
Vi sinh vật không phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới. Chúng thậm chí thuộc về nhiều giới (kingdom) sinh vật khác nhau. Giữa các nhóm có thể không có quan hệ mật thiết với nhau.
Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sát thấy bằng mắt thường. Nó phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất. Chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm cho đến nước biển ...
Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong thiên nhiên cũng như trong cuộc sống của con người. Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu cơ trong đất, nó tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. Nó là các khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của các hệ sinh thái. Nó đóng vai trò quyết định trong quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên.
Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng vi sinh vật trong đời sống hàng ngày. Các quá trình làm rượu, làm dấm, làm tương, muối chua thực phẩm ... đều ứng dụng đặc tính sinh học của các nhóm vi sinh vật. Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò của vi sinh vật, thì việc ứng dụng nó trong sản xuất và đời sống ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn. Ví dụ như việc chế vacxin phòng bệnh, sản xuất chất kháng sinh và các dược phẩm quan trọng khác ... Đặc biệt trong bảo vệ môi trường, người ta đã sử dụng vi sinh vật làm sạch môi trường, xử lý các chất thải độc hại. Sử dụng vi sinh vật trong việc chế tạo phân bón sinh học, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc hại cho môi trường, bảo vệ mối cân bằng sinh thái.
Trong thiên nhiên ngoài những nhóm vi sinh vật có ích như trên, còn có những nhóm vi sinh vật gây hại. Ví dụ như các nhóm vi sinh vật gây bệnh cho người, động vật và thực vật, các nhóm vi sinh vật gây ô nhiễm thực phẩm, ô nhiễm các nguồn nước, đất và không khí ... Nếu nắm vững cơ sở sinh học của tất cả các quá trình có lợi hay có hại trên, ta sẽđưa ra được những biện pháp khoa học để phát huy những mặt có lợi và hạn chế những mặt gây hại của vi sinh vật, đặc biệt là trong bảo vệ môi trường.
Vi sinh vật tuy nhỏ bé chất trong sinh giới nhưng năng lực hấp thu và chuyển hoá của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao. Chẳng hạn vi khuẩn lactic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải một lượng đường lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối lượng của chúng. Năng lực chuyển hoá sinh hoá mạnh mẽ của vi sinh vật dẫn đến những tác dụng hết sức lớn lao của chúng trong thiên nhiên cũng như trong hoạt động sống của con người.
So với các sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở cực kỳ lớn. Vi khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp cứ khoảng
12 - 20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ (generation time) là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, 24 giờ phân cắt 72 lần, từ một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 4.722.366.500.000.000.000.000 tế bào (nặng 4711 tấn!).
Khi nuôi cấy để thu nhận sinh khối (biomass) giàu protein phục vụ chăn nuôi người ta nhận thấy tốc độ sinh tổng hợp (biosynthesis) của nấm men này cao hơn của bò tới 100.000 lần. Thời gian thế hệ của tảo Chlorella là 7 giờ, của vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ.
Năng lực thích ứng của vi sinh vật vượt rất xa so với động vật và thực vật. Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất bất lợi. Người ta nhận thấy số lượng enzim thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein trong tế bào vi sinh vật.
Vi sinh vật rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống. Tần số biến dị ở
vi sinh vật thường là 10-5 - 10-10.
Có 3 loại môi trường nuôi cấy vi sinh vật là: Môi trường tự nhiên, Môi trường bán tổng hợp và Môi trường tổng hợp.
Các chất dinh dưỡng của vi sinh vật là bất kỳ chất nào được vi sinh vật hấp thụ từ môi trường xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho các quá trình sinh tổng hợp tạo ra thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho các quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoăc để cung cấp cho các quá trình trao đổi năng lượng.
Không phải mọi thành phần của môi trường nuôi cấy vi sinh vật đêu được coi là chất dinh dưỡng. Một số chất rắn cần thiết cho vi sinh vật nhưng chỉ làm nhiệm vụ bảo đảm các điều kiện thích hợp về thế oxy hóa - khử, về pH, về áp suất thẩm thấu, về cân bằng lớn…Chất dinh dưỡng phải là những hợp chất tham gia vào các quá trình trao đổi chất nội bào. Thành phần hóa học của tế bào vi sinh vật quyết định nhu cầu dinh dưỡng của chúng.
Lượng chứa các nguyên tố ở các vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Ở các điều kiện nuôi cấy khác nhau, các giai đoạn khác nhau lượng chứa các nguyên tố trong cùng một loài sinh vật cũng không giống nhau. Trong tế bào vi sinh vật, vật chất được chia làm 2 nhóm: Nước, các muối khoáng và các chất hữu cơ.
Căn cứ vào nguồn thức ăn carbon mà người ta chia vi sinh vật thành các nhóm sinh lí sau đây:
Nhóm 1: Tự dưỡng:
+) Tự dưỡng quang năng: Nguồn carbon là CO2 và năng lượng là ánh sáng mặt trời. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+) Tự dưỡng hóa năng: Nguồn carbon là CO2 và năng lượng từ các hợp chất vô cơ đơn giản.
Nhóm 2: Dị dưỡng:
+) Dị dưỡng quang năng: Nguồn carbon được lấy từ chất hữu cơ, nguồn năng lượng là từ ánh sáng. Ví dụ: Vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía.
+) Dị dưỡng hóa năng: Nguồn carbon là chất hữu cơ và nguồn năng lượng là từ sự chuyển hóa trao đổi chất của một cơ thể khác.
+) Hoại sinh: Nguồn carbon là từ carbon hữu cơ và nguồn năng lượng là từ sự trao đổi chất của xác hữu cơ.
+) Ký sinh: Nguồn carbon là từ carbon hữu cơ và năng lượng lấy từ các tổ chức hoặc dịch thể khác.
Trên thế giới không có hợp chất carbon hữu cơ nào mà không bị nhóm vi sinh vật nào phân giải.
Đối với vi sinh vật dị dưỡng, nguồn carbon làm cả 2 chức năng là nguồn dinh dưỡng và nguồn năng lượng.
Một số vi khuẩn sống ký sinh trong máu, cơ quan của người và động vật, muốn sinh trưởng và phát triển được ngoài nguồn carbon còn phải thêm nguồn CO2 nữa.
Lên men là quá trình chuyển hóa vật chất, trong đó chất dinh dưỡng bi oxy hóa và bị phân giải trong điều kiện kỵ khí, không có sự tham gia của chất nhận electron ở bên ngoài. Chất nhận electron là một trong số các chất hữu cơ trung gian của quá trình biến đổi.
Hô hấp là quá trình chuyển hóa vật chất, trong đó chất nhận electron cuối cùng có thể là oxy (hiếu khí) hoặc một hợp chất vô cơ như NO3, SO42-, CO22-… (hô hấp kị khí).
Câu 2: Trong quá trình tổng hợp và phân giải các chất ở vi sinh vật, quá trình nào giúp con người hưởng lợi nhiều hơn? Vì sao?
Câu hỏi gợi ý cấp 1:
1. Con người có thể lợi dụng điều gì từ quá trình tổng hợp của vi sinh vật? 2. Quá trình phân giải của vi sinh vật đã tạo ra các hợp chất quý cho con người. Nhận định này là đúng?
3. Sự tồn tại song song quá trình phân giải và tổng hợp ở vi sinh vật giúp ích gì cho bản thân chúng và con người?
Câu hỏi gợi ý cấp 2:
1. Các sản phẩm chủ yếu trong quá trình tổng hợp vật chất ở vi sinh vật là gì? 2. Các sản phẩm chủ yếu của quá trình phân giải protein ở vi sinh vật là gì? 3. Các sản phẩm chủ yếu của quá trình phân giải polisaccharit ở vi sinh vật là gì?
4. Sự thống nhất của 2 quá trình tổng hợp và phân giải thể hiện ở đặc điểm nào? Gợi ý trả lời:
Khi một tế bào vi khuẩn sinh trưởng và phân chia kết quả cuối cùng là xuất hiện 2 tế bào . Để quá trình trên được hoàn thành thì mỗi bố mẹ phải được nhân đôi và được lắp vào đúng vị trí của chúng trong cấu trúc đang phát triển . Cấu trúc này sẽ trở thành tế bào con. Như ta đã biết tế bào vi khuẩn tạo thành bởi một lượng lớn các cao phân tử( Protein, axit nucleic, polisacarit, lipit...). Khi đưa vào môi trường nuôi cấy vi khuẩn , các hợp chất có khối lượng thấp như a.a, các purin, pirimidin
nhiều vi khuẩn có khả năng hấp thụ trực tiếp. Nhưng khi trong môi trường thiếu các chất này , vi khuẩn phải tự tổng hợp chúng từ các tiền chất đơn giản .
- Tổng hợp protein:
- Tổng hợp Polisacarit:
ATP + Glucozo-1-P ADP- Glucozo + PPvc- (glucozo)n + ADP- Glucozo (Glucozo)n+1 + ADP
- Tổng hợp lipit Glucozo
Glixerandehit-3-P < > Đihiđrôxiaxeton-P
Axit Pyruvic Glixeron
Axetyl - CoA a. béo Lipit Tổng hợp Axitnucleic:
Các bazo nitric
Đường 5C Nucleotit liên kết hóa trị , lk hiddro Axit Nucleic H3PO4
Các chất chuyển hóa sơ cấp là các chất được sinh ra ở pha đầu của sự sinh trưởng rất cần cho sự sinh trưởng của vi sinh vật . Gen mã hóa cho toàn bộ sản phẩm sơ cấp nằm trong bộ gen của tế bào . (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tổng hợp protein đơn bào: Spirulina là một giống vi khuẩn lam hình xoắn dùng để sản xuất Protein đơn bào. Trong tế bào chứa tới 60% protein theo sinh khối khô. Sản xuất protein từ vi khuẩn này ở Nhật Bản là 1000taans khô/năm, ở Đức là 200 tấn khô/năm...Nấm men rượu có 20%-30% chất khô , trong đó protein chiếm 52,41%, lipit chiếm 1.72%, có rất nhiều vitamin B1, B2(riboflavin) B5 (axit pantotenic), B6 (piridoxin, H(biotin)...
Tại Nhật bản , lượng protein trong 1 tấn nấm men dùng cho chăn nuôi có thể thu được lượng Protein tương đương trong 700- 800 Kg thịt hay 1 tấn rưỡi thịt gà hoặc 15000-36000 quả trứng.
Protein tinh khiết được sản xuất từ nấm men có thể dùng để chữa bệnh , thu nhận axit amin , làm thịt nhân tạo nhờ tạo sợi . Khi sống trong điều kiện kị khí thì nấm men rượu sẽ lên men.
- Tổng hợp axit amin: Ngày nay các aa được sử dụng rộng rãi trong y học , trong chăn nuôi và trong công nghiệp thực phẩm . Có thể sản xuất a.a bằng con đường sinh học. Đôi khi người ta kết hợp cả con đường sinh học và háo học như trong trường hợp tổng hợp Lizin từ axit diaminopimelic. Bước đầu là hóa học , cuối cùng tổng hợp lizin bằng con đường sinh học. Ứng dụng trong thực tiễn như làm nguồn thức ăn bổ sung các aa không thể thay thế. Ngoài ra một aa không thể thay thế còn được dùng để làm tăng độ ngọt cho món ăn đó là glutamic.
- Tổng hợp oligosaccarit và polisacarit: Một số vi sinh vật tiết vào môi trường một số loại plisacarit gọi là gôm . Gôm có vai trò bảo vệ vi sinh vật khỏi bị khô , ngăn cản sự tiếp xúc với virut , đồng thời là nguồn dữ trữ cacbon và năng lượng. Được tổng hợp bằng cách kéo dài chuỗi sacarit có trước nhờ việc thêm monosacarit. Gôm dùng để làm kem phủ bề mặt bánh và làm chất phụ gia trong khai thác dầu hỏa. trong y học gôm được dùng là chất thay huyết tương và trong sinh hóa học dùng làm chất tách chiết ezim.
- Tổng hợp các enzim như amilaza được dùng khi làm trương , rượu nếp, trong công nghiệp sản xuất bánh kẹo , công nghiệp dệt, công nghiệp sản xuất xiro. Proteaza được sử dụng làm tương, chế biến thịt, trong công nghiệp thuộc da, công nghiệp bột giặt., xenlulolaza được sử dụng để xử lí nước thải giàu tinh bột, xử lí các bã dùng làm thức ăn trong chăn nuôi và sản xuất bột giặt.
Phân giải ở vi sinh vật:
Ở vi sinh vật có 2 kiểu phân giải là phân giải ngoài và phân giải trong. Phân giải là hình thức phân giải các chất có bên ngoài môi trường. Phân giải trong là hình thức phân giải các phân tử protein bị hư hỏng hay các tế bào già chết đi hay phân giải một số hợp chất không cần thiết ben trong cơ thể tạo ra các sản phẩm đơn giản.
Khi tiếp xúc với các chất dinh dưỡng có phần tử lớn như axit nucleic , protein, tinh bột, lipit ... ( có chứa trong xác động thực vật ) vi sinh vật không thể vân chuyển qua màng sinh chất, vi sinh vật phải tiết vào môi trường các enzim thủy phân các cơ chất trên thành các chất đơn giản hơn. Đây chính là hình th ức phân giải ngoại bào.
- Phân giải axit nucleic: Để phân giải axit nucleic vi sinh vật tiết ra ngoài môi trường các loại enzim nucleaza để tạo thành các nucleotit. Được ứng dụng trong
việc tiêu diệt các virut gây bệnh khi ADN của virut giải phóng vào vật chủ , trong trường hợp này sự phân giải ADN lạ có ý nghĩa quan trọng.
- Phân gải protein:
Protein axit amin
Quá trình phân giải protein tạo ra các sản phẩm được ứng dụng trong thực tế để làm tương: Sử dụng khả năng phân giải protein và phân giải tinh bột có trong xôi và đậu tương của mốc hoa cau và của vi khuẩn.
Nhờ enzim proteaz mà các vi sinh vật phân giải xác động vật thành các chất mùn hữu cơ tạo độ mùn cho đất .
Để tẩy sạch bóng ở bộ da của động vật người ta sử dụng enzim proteaza và lipaza từ vi sinh vật thay cho hóa chất .
Trong làm nước mắm sử dụng enzim proteaza phân hủy protein từ cá thành các axit amin do đó nước mắm được xem là nguồn thực phẩm tôt bổ sung các axit amin và một số vitamin.
Trong công nghiệp san xuất bột giặt người ta sử dụng proteaza là một phần thủy phân các chất bản có nguồn gốc prpotein . người ta gọi đây là bột giặt sinh học.
- Phân gải polisacarit:
Phân giải ngoài: Các loại polisacarit trong tự nhiên rất đa dạng và phong phú. Để đồng hóa được các cơ chất trên , vi sinh vật tiết ra các enzim amilaza phân giải tinh bột thành glucozo, xenlulaza phân giải xenlulozo thành glucozo và kinaza