C2H5OH + O2 → CO2 + H2O + 326kcal
Trong thực tế, sử dụng tính chất oxy hoá không hoàn để sản xuất các acid hữu cơ
Vi sinh vật hô hấp kị khí
Là những vi sinh vật không có khả năng sử dụng O2 phân tử làm chất nhận H2 mà nó có khả năng sử dụng các sản phẩm trung gian trong qua trình phân giải các chất làm chất nhận năng sử dụng các sản phẩm trung gian trong qua trình phân giải các chất làm chất nhận
Quá trình lên men lactic, acid pyruvic là chất nhận H2
Quá trình lên men rượu, CH3CHO là chất nhận H2
Sự có mặt của O2 trong lên men yếm khí là chất độc đối với các vi sinh vật này H2+O2→ H2O2 (chất sát khuẩn) H2+O2→ H2O2 (chất sát khuẩn)
Tính chất hô hấp này được sử dụng để sản xuất các chế phẩm lên men
Vi sinh vật hô hấp tuỳ tiện
Chủ yếu là nấm men, một ssó là nấm mốc như Mucor rouxii, Rhizopus, một số vi khuẩn đường ruột (E.coli) Hô hấp tuỳ tiện có nghĩa Hô hấp tuỳ tiện có nghĩa
Đối với nấm men
+ Trong điều kiện có oxy, nấm men sử dụng oxy làm chất nhận H2, sinh khối thu được nhiều (TB sinh trưởng nhanh, NL giải phóng nhiều)→ ứng dụng cho SX sinh khối nhiều (TB sinh trưởng nhanh, NL giải phóng nhiều)→ ứng dụng cho SX sinh khối
+ Trong điều kiện không có oxy → lên men rượu
Đối với nấm mốc
+ Có oxy: hình thành acid hữu cơ + Không có oxy: hình thành rượu + Không có oxy: hình thành rượu
5. Sự sử dụng năng lƣợng hô hấp của vi sinh vật
Năng luợng được phân giải trong quá trình hô hấp được sủ dụng và các hoạt động có ích của vi sinh vật như tổng hợp tế bào, hấp thu thức ăn, sinh sản, di động… Năng lượng phục vụ cho hoạt sinh vật như tổng hợp tế bào, hấp thu thức ăn, sinh sản, di động… Năng lượng phục vụ cho hoạt động sống chỉ chiếm 1/3 năng lượng hô hấp còn lại thoát ra dưới dạng nhiệt năng hoặc quang năng. Chính vì vậy mà người ta có thể quan sát được các hiện tượng tăng nhiệt độ trong các nồi lên men, trong các đống phân rác ủ. Ở một số VSV, năng lượng hô hấp được toả ra dưới dạng quang năng (1 số VSV ký sinh trên cá → ứng dụng đi tìm luồng cá)
BÀI ĐỌC THÊM CHƢƠNG TRAO ĐỔI CHẤT 1. Sự phân giải hydrat C 1. Sự phân giải hydrat C
Glucose và các loại đường khác trong tự nhiên thường tồn tại dưới dạng các chất trùng hợp. Dưới dạng các đơn phân tử, chúng là những chất dinh dưỡng chủ yếu đối với đa số vi sinh vật dị dưỡng.
Có nhiều con đường phân giải glucose dẫn đến các hợp chất 3C, trong đó acid pyruvic là chất trung gian quan trọng nhất của quá trình trao đổi chất. 3 con đường thường gặp đó là:
- Con đường đường phân hay con đường EMP (Embden-Meyerhof-Parnas), là con đường phổ biến nhất. - Con đường pentozophosphat hay con đường hexomonophosphat: thấy được ở nhiều cơ thể vi sinh vật, diễn
ra theo một chu trình mà trật tự phản ứng theo chiều nghịch, bao gồm các phản ứng chủ yếu đối với sự tái sinh chất nhận CO2 của quá trình cố định CO2.
- Con đường Entner-Doudoroff hay con đường KDPG vì sản phẩm trung gian điển hình của nó là acid2- keto3-desoxy-6phosphogluconic.
Ngoài ra cũng còn những cơ thể phân giải khác, song chúng chỉ mang ý nghĩa cá biệt.
1.1. Đƣờng phân
Ðường phân là giai đoạn đầu tiên của quá trình phân giải glucose xảy ra không cần sự hiện diện của O2. Ðường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tất cả tế bào sống, và là chuỗi phản ứng đã xảy ra ở những sinh vật đầu tiên khi mà trái đất còn chưa có O2.
Đường phân gồm có 10 bước và chia thành 3 giai đoạn, mỗi bước được xúc tác bởi một enzym riêng biệt. 3 giai đoạn đó là: (hình)
- Giai đoạn đầu tư năng lượng (bước 1-3) - Giai đoạn phân giải (bước 4-5)
- Giai đoạn bảo tồn năng lượng (bước 6-10)
(i, ii) Glucose là một hợp chất bền vững, ít có xu hướng phân cắt ra thành những chất đơn giản hơn, do đó tế bào muốn lấy năng lượng từ glucose trước tiên phải đầu tư năng lượng để hoạt hóa phân tử. Do đó, giai đoạn đầu của đường phân là cung cấp ATP cho phân tử glucose (hình). Trong các phản ứng chuẩn bị hai phân tử ATP gắn gốc phosphat cuối cùng của nó vào phân tử glucose. Ðến giai đoạn này quá trình đường phân đã sử dụng 2 phân tử
ATP.
(iii) Phản ứng kế tiếp, hơi phức tạp hơn, bắt đầu để dẫn đến sự thành lập ATP mới, thật sự là hai phản ứng. Phản ứng đầu là một phản ứng oxy hóa khử, trong trường hợp này sản phẩm trung gian là NADH thay vì là NADPH. Phản ứng thứ hai là sự phosphoryl hóa PGAL (phosphoglyceraldehyd). Ở giai đoạn này, tế bào thu lại đƣợc 2 phân tử ATP đã dùng cho sự phosphoryl hóa glucose trong lúc bắt đầu đường phân. Năng lượng đầu tư ban đầu đã
được trả lại. Sau phản ứng sắp xếp lại trong bước (9) gốc phosphat được chuyển vào ADP theo sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất để thành lập ATP, kết quả tạo ra hai phân tử ATP và hai phân tử acidpyruvic
Hình: Sơ đồ chu trình đường phân
Glucose →2 Pyruvate +2ATP+2NADH 1.2. Chu trình pentozophosphat và Entner Doudoroff:
Là những phương thức phân giải glucose khác thu ít phân tử ATP hơn so với đường phân, tuy nhiên chúng sinh ra các tiền chất trao đổi không được sinh ra trong đường phân.
Phương trình của chu trình pentozophosphat (hexomonophosphat):
3 Hexozo-6-phosphat + 6NADP+2 Hexozo-6-phosphat +triozo-3-phosphat + 3CO2 + 6NADPH + 6H+
Hình: Sơ đồ chu trình pentozophosphat
Hình: Sơ đồ chu trình Entner Doudoroff Phương trình của chu trình Entner Doudoroff:
1.3. Hô hấp tế bào và lên men
Sau khi glucose đã được oxy hoá theo con đường đường phân hoặc một trong các con đường trao đổi chất trung gian, tế bào sẽ sử dụng các phân tử acid pyruvic sinh ra để hoàn thiện hô hấp tế bào hoặc lên men.
Hô hấp tế bào: là một quá trình trao đổi chất liên quan đến sự oxy hoá hoàn toàn các phân tử cơ chất và sau đó là
sự sản sinh ATP nhờ một loạt phản ứng oxy hoá khử. 3 giai đoạn của sự hô hấp tế bào là: (i) sự tổng hợp Acetyl- CoA, (ii) chu trình Krebs, (iii) một loạt các phản ứng oxy hoá khử cuối cùng, tập hợp lại tạo nên một chuỗi vận chuyển điện tử.
Sự tổng hợp Acetyl-CoA: 2 nguyên tử C từ acid pyruvic sẽ liên kết với coenzym A để tạo thành Acetyl-CoA, chất
này sau đó sẽ đi vào chu trình Krebs. Một loạt gồm 8 bước được xúc tác bởi enzim để chuyển năng lượng từ Acetyl- CoA tới các coenzym NAD+ và FAD.
(a) (b)
Hình: Sơ đồ tổng hợp Acetyl-CoA (a), phân tử Acetyl-CoA (b)
Chu trình Krebs (chu trinh acid citric, chu trình tricarbocyclic)
Acetyl-CoA được hình thành đi vào một chuỗi phản ứng của một chu trình gọi là chu trình Krebs hay chu trình acid citric. Mỗi phân tử acetyl-CoA được tạo ra từ phân tử glucose ban đầu kết hợp với một hợp chất 4C (acid oxaloacetic) đã hiện diện trong tế bào để tạo ra một hợp chất 6C mới là acid citric. Vì mỗi phân tử glucose tạo ra hai phân tử acetyl CoA nên có hai vòng acid citric xảy ra.
Phương trình phản ứng
Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3 H2O → CoA-SH + 3 NADH + H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2 + 3 H+
Lên men
Là sự phân giải hydratcarbon trong điều kiện kị khí. Là quá trình oxy hoá khử cơ kết quả là một phần cơ chất bị khử còn một phần khác bị oxy hoá. Oxy phân tử không tham gia vào quá trình oxy hoá này mà sở dĩ có hiện tượng oxy hoá chỉ là do tách hydro ra khỏi cơ chất.
Các sản phẩm cuối cùng của lên men bao gồm acid, rượu, aldehyd, các loại khí.
Sau khi đã hoàn thành giai đoạn đường phân, tuỳ theo đặc tính của vi sinh vật là hảo khí hay kị khí mà sự chuyển hoá sẽ khác nhau vì vi sinh vật có thể sử dụng các chất nhận hydro cuối cùng khác nhau. Tuỳ theo chất nhận hydro cuối cùng (tức là quan hệ của vi sinh vật với nguồn oxy tự do mà người ta chia chúng thành 3 loại có tính chất hô hấp khác nhau
- Vi sinh vật hô hấp hảo khí: vi sinh vật sử dụng oxy phân tử làm chất nhận hydro cuối cùng. Nếu quá trình oxy hoá hoàn toàn, năng lượng được giải phóng hoàn toàn; nếu oxy hoá không hoàn toàn, năng lượng được tồn trữ dưới các hợp chất trung gian
C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O + 117 kcal C2H5OH + O2 → CO2 + H2O + 326 kcal
Trong thực tế, sử dụng tính chất hô hấp không hoàn toàn để sản xuất các acid hữu cơ.
- Vi sinh vật hô hấp kị khí: là vi sinh vật không có khả năng sử dụng oxy phân tử làm chất nhận H2 mà nó có khả năng sử dụng các sản phẩm trung gian trong quá trình phân giải các chất làm chất nhận
Ex: Quá trình lên men lactic, acid pyruvic là chất nhận H2, trong lên men rượu, CH3CHO là chất nhận H2. Sự có mặt của oxy là chất độc đối với các loại vi sinh vật hô hấp kị khí
H2+O2 → H2O2 (chất sát khuẩn)
Tính chất hô hấp này được sử dụng để sản xuất các chế phẩm lên men.
- Vi sinh vật hô hấp tuỳ tiện: chủ yếu là nấm men, một số nấm mốc như Mucor rouxii, Rhizopus, một số vi khuẩn đường ruột (E.coli)
Ex: Nấm men trong điều kiện có oxy, sử dụng O2 làm chất nhận H2, sinh khối thu được nhiều (tế bào sinh trưởng nhanh, năng lượng giải phóng nhiều), ứng dụng trong sản xuất sinh khối. Trong điều kiện không có oxy, lên men rượu.
CHƢƠNG 5 – SINH TRƢỞNG-PHÁT TRIỂN Ở VI SINH VẬT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG
1. Khái niệm
Cũng như các sinh vật khác, sinh trưởng và phát triển là một thuộc tính cơ sở của vi sinh vật.
Sinh trƣởng là sự tăng về kích thước và khối lượng tế bào.
Phát triển là sự tăng về số lượng tế bào (sinh sản).
Chương này chỉ đề cập đến sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn vì vi khuẩn đã được nghiên cứu rất kỹ và có thể khái quát hoá dưới dạng toán học. cứu rất kỹ và có thể khái quát hoá dưới dạng toán học.
Do kích thước của tế bào nhỏ nên khi nghiên cứu sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật, người ta theo dõi sự thay đổi của cả quần thể. theo dõi sự thay đổi của cả quần thể.
2. Các thông số và hằng số dùng để xác định số lƣợng vi sinh vật
Trong môi trường dinh dưỡng thích hợp vi khuẩn sẽ sinh trưởng nhanh và bước vào quá trình phân chia. - Từ No tế bào, sau n lần phân chia, ta sẽ có tổng số tế bào N = No.2n (1) - Từ No tế bào, sau n lần phân chia, ta sẽ có tổng số tế bào N = No.2n (1)
- Vi khuẩn phân chia n lần sau khoảng thời gian t thì khoảng thời gian giữa hai lần phân chia liên tiếp gọi là thời gian thế hệ (g) g = t/n tiếp gọi là thời gian thế hệ (g) g = t/n