A. Thiết kế môi trường và kiểm tra các chất dinh dưỡng giới hạn 1 Thiết kế môi trường sinh trưởng
13.2. CÁC LOẠI HÌNH DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT
Vi sinh vật có tính đa dạng rất cao cho nên các loại hình dinh dưỡng (nutritional types) là khá phức tạp. Căn cứ vào nguồn C, nguồn năng lượng, nguồn điện tử, có thể chia thành các loại sau đây (bảng 13.15)
Bảng 13.15: Các loại hình dinh dưỡng của vi sinh vật (I)
-Nguồn C (Carbon sources)
+Tự dưỡng (autotroph) +Dị dưỡng (heterotroph)
CO2 là nguồn C duy nhất hay chủ yếu Nguồn C là chất hữu cơ
-Nguồn năng lượng (Energy sources)
+Dinh dưỡng quang năng (phototroph)
+Dinh dưỡng hoá năng (chemotroph)
Nguồn năng lượng là ánh sáng
Nguồn năng lượng là năng lượng hóa học giải phỏng ra từ sự oxy hoá hợp
Nguồn điện tử (Electron sources)
+ Dinh dưỡng vô cơ (lithotroph)
Dùng các phân tử vô cơ dạng khử để cung cấp điện tử
+ Dinh dưỡng hữu cơ (organotroph)
điện tử
Có thể mô hình hóa chức năng sinh lý của các chất dinh dưỡng đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật qua hình 13.3 sau đây:
Hình 13.3: Mô hình sơ lược về chức năng sinh lý của các chất dinh dưỡng đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật.
Có thể đem phần lớn vi sinh vật phân thành bốn nhóm chính (bảng 13.16) Bảng 13.16: Các loại hình dinh dưỡng của vi sinh vật (II)
Loại hình dinh dưỡng Nguồn năng lượng; Hydrogen; điện tử; Carbon
Đại diện
-Tự dưỡng quang năng vô cơ (photolithoautotrophy)
Quang năng; H2, H2S, S hoặc H2O; CO2
Vi khuẩn lưu huỳnh, màu tía,màu lục; Vi khuẩn lam.
-Dị dưỡng quang năng hữu cơ (photoorganohetero- trophy)
Quang năng; Chất hữu cơ
Vi khuẩn phi lưu huỳmh màu tía, màu lục.
-Tự dưỡng hoá năng vô cơ (chemolithoauto- trophy)
Hoá năng (vô cơ); H2, H2S, Fe2+, NH3, hoặc NO2-, CO2
Vi khuẩn oxy hoá S, vi khuẩn
hydrogen, vi khuẩn nitrát hoá, vi khuẩn oxy hoá sắt.
-Dị dưỡng hoá năng
hữu cơ (chemoorganohetero- trophy)
Hoá năng (hữu cơ); Chất hữu cơ
Động vật nguyên sinh, nấm, phần lớn các vi khuẩn không quang hợp (bao gồm cả các vi khuẩn gây bệnh).
Loại Tự dưỡng quang năng vô cơ còn được gọi là Photolithotrophic autotrophy; loại Dị dưỡng quang năng hữu cơ còn được gọi là Photoorganotrophic heterotrophy; loại Tự dưỡng hóa năng vô cơ còn được gọi là Chemolithotrophic autotrophy; loại Dị dưỡng hóa năng hữu cơ còn được gọi là Chemoorganotrophic heterotrophy.
Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn các quá trình trao đổi chất của từng nhóm vi sinh vật này trong chương Trao đổi chất.
Các vi sinh vật thuộc loại hình Tự dưỡng quang năng vô cơ và Dị dưỡng quang năng vô cơ có thể lợi dụng ánh sáng để sinh trưởng. Chúng có vai trò quan trọng trong quá trình diễn biến của môi trường sinh thái trong giai đoạn cổ xưa của Trái đất. Vi sinh vật Tự dưỡng hoá năng vô cơ phân bố rộng rãi trong đất và trong nước, chúng tham gia tích cực vào các vòng tuần hoàn vật chất trên Trái đất. Vi sinh vật Dị dưỡng hoá năng hữu cơ dùng chất hữu cơ vừa làm nguồn carbon vừa làm nguồn năng lượng. Hầu hết các loài vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh đã biết đều thuộc loại hình Dị dưỡng hoá năng hữu cơ. Tất cả các vi sinh vật gây bệnh đã biết đều thuộc loại này. Trong loại hình dị dưỡng hoá năng hữu cơ lại chia thành hai nhóm: Nhóm Hoại sinh (metatrophy) dùng chất hữu cơ chết (xác động thực vật) để làm nguồn carbon. Nhóm Ký sinh (paratrophy) ký sinh trên cơ thể thực vật, người và động vật để hấp thu chất dinh dưỡng. Chúng không thể sống được khi tách rời khỏi vật chủ. Tuy nhiên giữa hai nhóm này còn có những loại hình trung gian là Hoại sinh không bắt buộc
(facultive metatrophy) và Ký sinh không bắt buộc (facultive paratrophy).
Một số chủng vi sinh vật phát sinh đột biến (đột biến tự nhiên hay đột biến nhân tạo) mất đi năng lực tổng hợp một (hoặc một số) chất cần thiết cho sinh trưởng (thường là nhân tố sinh trưởng như aminoacid, vitamin), chúng chỉ sinh trưởng được khi bổ sung vào môi trường các chất này. Người ta gọi chúng là loại hình Khuyết dưỡng (auxotroph). Các chủng hoang dại tương ứng được gọi là loại hình Nguyên dưỡng (prototroph). Người ta thường sử dụng các chủng vi sinh vật khuyết dưỡng trong nghiên cứu Di truyền học vi sinh vật.
Không có ranh giới tuyệt đối giữa các loại hình dinh dưỡng của vi sinh vật. Vi sinh vật dị dưỡng không phải tuyệt đối không sử dụng được CO2 mà chỉ là không thể dùng CO2 làm nguồn carbon duy nhất hay chủ yếu để sinh trưởng. Trong điều kiện tồn tại chất hữu cơ, chúng vẫn có thể đồng hóa CO2
để tạo ra tế bào chất. Tương tự như vậy, vi sinh vật tự dưỡng không phải là không có thể sử dụng chất hữu cơ để sinh trưởng. Ngoài ra, một số vi sinh vật có thể thay đổi loại hình dinh dưỡng khi sinh trưởng trong những điều kiện khác nhau. Ví dụ vi khuẩn phi lưu huỳnh màu tía (purple nonsulfur bacteria) khi không có chất hữu cơ có thể đồng hóa CO2 và thuộc loại vi sinh vật tự dưỡng; nhưng khi có chất hữu cơ tồn tại thì chúng lại có thể sử dụng chất hữu cơ để sinh trưởng và lúc đó chúng là các
vi sinh vật dị dưỡng. Hơn nữa, vi khuẩn phi lưu huỳnh màu tía trong điều kiện kỵ khí và có chiếu sáng có thể sinh trưởng nhờ năng lượng của ánh sáng và thuộc loại dinh dưỡng quang năng; nhưng trong điều kiện hiếu khí và không chiếu sáng thì chúng lậi sinh trưởng nhờ năng lượng sinh ra từ quá trình oxy hóa chất hữu cơ và thuộc loại dinh dưỡng hóa năng. Tính biến đổi loại hình dinh dưỡng ở vi sinh vật rõ ràng là có lợi cho việc nâng cao năng lực thích ứng của chúng đối với sự biến đổi của điều kiện môi trường.