Để có thể tái sinh và hoạt động một cách hợp lý, vi sinh vật cần có nguồn năng lượng: carbon để tổng hợp tế bào mới và các nguyên tố vô cơ (chất dinh dưỡng) như: nitơ (N), phospho (P), lưu huỳnh (S), canxi (Ca) và magie (Mg). Ngoài ra, các chất dinh dưỡng hữu cơ cũng cần thiết để tổng hợp tế bào [8].
Bảng 1.3: Chức năng sinh lý của nguyên tốđa lượng [8]
Nguyên tố
đa lượng Hợp chất sử dụng Chức năng sinh lý
P KH2PO4, K2HPO4
Là thành phần của acid nucleic, nucleoprotein, phospholipid, co-enzyme, ATP... Làm nên hệ thống đệm giúp điều chỉnh pH môi trường. S (NH4)2SO4, MgSO4
Là thành phần của các aminoacid chứa S, một số vitamin; glutathione có tác dụng điều chỉnh điện thế oxy hoá khử trong tế bào.
Mg
MgSO4
Là thành phần trung tâm hoạt tính của enzyme phosphoryl hoá hexose, dehydrogenase của acid isocitric, polymerase của acid nucleic, thành phần của chlorophyll và bacterio-chlorophyll. Ca CaCl2, Ca(NO3)2
Tạo tính ổn định của một số cofactor, enzyme duy trì, cần cho trạng thái cảm thụ của tế bào.
Na NaCl
Thành phần của hệ thống chuyển vận của tế bào, duy trì áp suất thẩm thấu, duy trì tính ổn định của một số enzyme.
K KH2PO4, KH2PO4
Là cofactor của một số enzyme, duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào, là nhân tố ổn định của ribosome ở một số vi khuẩn ưa mặn.
Fe FeSO 4
Thành phần của sắc tố vi khuẩn và một số enzyme, là vật chất và nguồn năng lượng của một số vi khuẩn sắt, cần thiết để tổng hợp chlorophyll và độc tố vi khuẩn bạch hầu.
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
Bảng 1.4: Chức năng sinh lý của nguyên tố vi lượng [8]
Nguyên tố
vi lượng Tác dụng sinh lý
Zn Có mphosphatase kiặt trong alcohol dehydrogenase, lactodehydrogenase, ềm, RNA polymerase, DNA polymerase... Mn Có mặt trong peroxyd dismutase, carboxylase citric synthetase
Mo Có mặt trong nitrate reductase, nitrogenase, formic dehydrogenase. Se Có mặt trong glycin reductase, formic reductase.
Co Có mặt trong glutamic mutase. Cu Có mặt trong cytochrome oxydase.
W Có mặt trong formic dehydrogenase.
Br Có mặt trong urease, cần cho sự sinh trưởng của vi khuẩn hydrogen.
Hai nguồn carbon thông dụng nhất đối với mô tế bào là carbon hữu cơ và CO2. Những vi sinh vật sử dụng nguồn carbon hữu cơđể tạo thành mô tế bào được gọi là vi sinh vật dị dưỡng (heterotrophs). Các vi sinh vật sử dụng nguồn carbon từ CO2 được gọi là vi sinh vật tự dưỡng (autotrophs). Sự chuyển hóa CO2 thành mô tế bào hữu cơ là quá trình khửđòi hỏi phải cung cấp thêm năng lượng. Do đó, các vi sinh vật tự dưỡng tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình tổng hợp hơn so với vi sinh vật dị dưỡng. Đây chính là nguyên nhân khiến cho tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật tự dưỡng thường thấp hơn vi sinh vật dị dưỡng [2]; [8].
Năng lượng cần thiết để tổng hợp tế bào có thểđược cung cấp từ ánh sáng mặt trời hoặc từ phản ứng oxy hóa hóa học. Các vi sinh vật có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng được gọi là vi sinh vật quang dưỡng (phototrophs). Các vi sinh vật quang dưỡng có thể là vi sinh vật dị dưỡng (vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh) hoặc các vi sinh vật tự dưỡng (tảo và vi khuẩn quang hợp). Các vi sinh vật lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học được gọi là chemotrophs. Cũng giống như vi sinh vật quang dưỡng, cheomotrophs cũng gồm hai loại: dị dưỡng hóa học (nguyên sinh động vật, nấm và hầu hết các vi khuẩn) và tự dưỡng hóa học (vi khuẩn nitrate hóa). Các vi sinh vật tự dưỡng hóa học thu năng lượng từ quá trình oxy hóa hợp chất vô cơ như: ammoniac,
Học viên cao học: Nguyễn Mai Trung
nitrit và các hợp chất chứa lưu huỳnh. Các vi sinh vật dị dưỡng hóa học thường thu năng lượng từ quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ. Sự phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng và carbon của tế bào được trình bày trong bảng 1.5:
Bảng 1.5: Phân loại vi sinh vật theo nguồn carbon và nguồn năng lượng
Loại Nguồn năng lượng Nguồn carbon Tự dưỡng Quang tự dưỡng Tự dưỡng hóa học Dị dưỡng Dị dưỡng hóa học Quang dị dưỡng Ánh sáng mặt trời
Phản ứng oxy hóa khử chất vô cơ Phản ứng oxy hóa khử chất hữu cơ Ánh sáng mặt trời CO2 CO2 Carbon hữu cơ Carbon hữu cơ (Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993)