CHƯƠNG 1: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
1.4 Dinh dưỡng và môi trường nuôi cấy vi khuẩn
Trong tế bào vi sinh vật, các hợp chất được phân thành hai nhóm lớn:
nước và các muối khoáng, các chất hữu cơ (Lê Văn Hoàng, 2007; Nguyễn Lân Dũng và ctv., 2007):
Nước và muối khoáng: nước chiếm đến 70 - 90 % khối lượng cơ thể vi sinh vật. Phần nước có thể tham gia vào quá trình trao đổi chất của vi sinh vật được gọi là nước tự do. Đa phần nước trong vi sinh vật đều ở dạng nước tự do.
Nước kết hợp là phần nước liên kết với các hợp chất hữu cơ cao phân tử trong tế bào. Nước liên kết mất khả năng hoà tan và lưu động. Muối khoáng chiếm khoảng 2 - 5 % khối lượng khô của tế bào. Chúng thường tồn tại dưới các dạng muối sulfate, phosphate, carbonate, chloride...Trong tế bào chúng thường ở dạng các ion. Các ion trong tế bào vi sinh vật luôn luôn tồn tại ở những tỷ lệ nhất định, nhằm duy trì độ pH và áp suất thẩm thấu thích hợp cho từng loại vi sinh vật.
1.4.2 Nhu cầu dinh dưỡng và môi trường nuôi cấy vi khuẩn
Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật quyết định nhu cầu dinh dưỡng của chúng. Thành phần hoá học của các chất dinh dưỡng được cấu tạo từ các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên tố khoáng đa vi lượng. Theo Madigan et al., (1997), vai trò của các nhóm chất dinh dưỡng như sau:
- Nhóm nguyên tố đa lượng
Carbon, nitrogen, oxygen và hydrogen là các nguyên tố đa lượng vi khuẩn đòi hỏi với lượng lớn. Carbon chiếm 50% trọng lượng khô của tế bào, là nguyên tố chính cấu tạo nên các đại phân tử. Nitrogen là nguyên tố quan
10
trọng thứ hai sau carbon trong tế bào vi khuẩn, nitrogen chiếm khoảng 12%
trọng lượng khô. Nitrogen là thành phần chính của protein, nucleic acid … Phần lớn vi khuẩn thích sử dụng đạm NH3 và cũng có thể sử dụng NO3-, còn N2 chỉ sử dụng được bởi vi khuẩn cố định đạm. Theo Biền Văn Minh và ctv., (2006) thì các hợp chất hữu cơ chứa cả C và N (pepton, nước thịt, nước chiết ngô, nước chiết nấm men, nước chiết đại mạch, nước chiết giá đậu,...) có thể sử dụng vừa làm nguồn C vừa làm nguồn N đối với vi sinh vật. Trong công nghiệp lên men, rỉ đường là nguồn carbon rẻ tiền và rất thích hợp cho sự phát triển của nhiều loại vi sinh vật khác nhau. Oxygen và hydro được vi sinh vật lấy từ nước, các hợp chất vô cơ và hữu cơ có hydro và oxygen.
Ngoài 4 nguyên tố C, H, O, N, các nguyên tố đa lượng khác cũng rất cần cho sự tăng trưởng của vi khuẩn như P, S, K,… P cần cho vi khuẩn để tổng hợp nucleic acid và phospholipids. S giữ vai trò quan trọng trong cấu trúc amino acid, cystein, biotine, lipoic acid và cả coenzyme A. K rất cần thiết cho tất cả vi sinh vật vì K cần thiết cho hầu hết các enzyme đặc biệt là các enzyme có liên quan trong quá trình tổng hợp protein của vi khuẩn. Mg giữ chức năng ổn định ribosome, màng tế bào, nucleic acid và cần cho hoạt động của enzyme. Ca không cần thiết nhiều cho sự phát triển của vi sinh vật. Ca giúp ổn định vách tế bào và đóng vai trò ổn định nhiệt của endospore của tế bào vi khuẩn. Na cần thiết cho một số vi khuẩn và nhu cầu về Na thường liên quan với sự thích nghi của vi sinh vật đó trong môi trường sống, như trong môi trường nước biển, hàm lượng Na cao nên các vi sinh vật biển thường đòi hỏi cho sự phát triển, trong khi ở môi trường nước ngọt các loài vi sinh vật vẫn có thể phát triển trong sự vắng mặt của Na. Fe tuy được xem là nguyên tố vi lượng nhưng sắt được yêu cầu nhiều hơn các nguyên tố kim loại khác bởi vi sinh vật. Fe có vai trò chính trong hô hấp của tế bào, là thành phần nồng cốt của các sắc tố và các protein liên kết với lưu huỳnh có liên quan trong quá trình vận chuyển điện tử. Tuy nhiên phần lớn các sắt vô cơ trong tự nhiên thường ít hòa tan nên vi sinh vật lấy sắt bằng cách tiết ra các gốc thích sắt (siderophores) có tác dụng hòa tan các muối sắt và vận chuyển vào trong tế bào. Những gốc thích sắt này là dẫn xuất của các phức chất màu và có sự ái lực cao đối với sắt.
- Nhóm nguyên tố vi lượng
Các nguyên tố vi lượng là các kim loại như Cr, Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, Zn, … Tuy vi sinh vật chỉ yêu cầu các nguyên tố này với số lượng nhỏ nhưng các nguyên tố này giữ vai trò rất quan trọng như các nguyên tố đa lượng.
Nhiều loại đóng vai trò trong cấu trúc của nhiều loại enzyme. Do yêu cầu của vi sinh vật thấp nên trong nuôi cấy vi sinh vật không cần thiết bổ sung thêm
11
các nguyên tố vi lượng vào trong môi trường, ngoại trừ trường hợp nước cất và hóa chất sử dụng quá tinh khiết không chứa khoáng.
- Các chất hổ trợ tăng trưởng
Các chất hổ trợ tăng trưởng là những phức hợp hữu cơ như vitamin, amino acid, purine và pyrimidine,… Giống như các nguyên tố vi lượng, vi khuẩn yêu cầu chúng với lượng rất thấp. Mặc dù hầu hết vi sinh vật có thể tổng hợp tất cả các phức chất này, tuy nhiên một số loài vi sinh vật vẫn cần được bổ sung nhân tố này từ bên ngoài.
- Môi trường nuôi cấy
Trong nuôi cấy vi sinh vật có hai loại môi trường chính: loại môi trường có thành phần hóa học xác định và loại môi trường có thành phần hóa học không xác định, mỗi loại đều có những ưu khuyết điểm. Ở môi trường có hàm lượng hóa chất xác định có ưu điểm là giúp xác định được các thành phần dinh dưỡng mà vi sinh vật cần cũng như biết được hóa chất ức chế sự phát triển của chúng, tuy nhiên môi trường này thường đắt tiền. Còn ở môi trường có thành phần hóa chất không xác định như môi trường sữa, thịt bò, đậu nành,… có thuận lợi là dễ thực hiện vì nguồn nguyên liệu dễ tìm trong tự nhiên, rẻ tiền, tuy nhiên do không có thành phần hóa chất xác định nên khó khăn trong các nghiên cứu sâu về yêu cầu dinh dưỡng chi tiết của vi sinh vật.
Ở mỗi loại vi sinh vật khác nhau có sự khác biệt nhau về yêu cầu dinh dưỡng rất lớn, một môi trường nuôi cấy nào đó thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật này nhưng lại không thích hợp cho vi sinh vật khác. Nên việc tìm ra môi trường nuôi cấy tốt cho vi sinh vật đòi hỏi phải biết được nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật đó và cung cấp cho chúng trong môi trường nuôi cấy.
Hiện nay, môi trường King’s B là môi trường nuôi cấy vi khuẩn thông thường nhất và thích hợp cho sự tạo sắc tố huỳnh quang. Tuy nhiên, không phải tất cả các vi sinh vật đều tạo huỳnh quang trên môt trường này (Madigan at al, 1997).
12
Thành phần dinh dưỡng của một số loại vật liệu sử dụng trong các công thức môi trường thí nghiệm (Lã Văn Kính, 2003).
Thành phần dinh dưỡng của khoai tây tươi: (Tính theo trạng thái thức ăn)
Vật chất khô (%)
Protein thô (%)
Béo thô
(%) Xơ thô(%) ADF (%)
NDF (%)
18,78 2,2 0,09 0,86 0,73 2,64
NFE (%)
Đường TS
(%) Khoáng
TS (%)
Ca (%)
P (%)
Muối (%)
14,83 14,37 0,8 0,02 0,03 0,39
Thành phần dinh dưỡng của khoai lang tươi: (Tính theo trạng thái thức ăn)
Vật chất khô (%)
Protein thô (%)
Béo thô (%)
Xơ thô(%) ADF (%)
NDF (%)
30,54 1,54 0,33 0,88 1,19 2,94
NFE (%)
Đường TS (%)
Khoáng TS (%)
Ca (%)
P (%)
Muối (%)
27,04 26,09 0,75 0,03 0,07 0,01
Thành phần dinh dưỡng của khoai mì tươi: (Tính theo trạng thái thức ăn)
Vật chất khô (%)
Protein thô (%)
Béo thô
(%) Xơ thô(%) ADF (%)
NDF (%)
35,05 1,34 0,36 1,11 1,78 2,66
NFE (%)
Đường TS
(%) Khoáng
TS (%)
Ca (%)
P (%)
Muối (%)
30,91 30,33 1,34 0,05 0,04 0,03
Thành phần dinh dưỡng của bã bia tươi: (Tính theo trạng thái thức ăn)
13
Vật chất khô (%)
Protein thô (%)
Béo thô
(%) Xơ thô(%) ADF (%)
NDF (%)
13,51 4,09 1,19 1,85 2,32 7,52
NFE (%)
Đường TS (%)
Khoáng TS (%)
Ca (%)
P (%)
Muối (%)
5,9 5,34 0,49 0,05 0,08 -
Thành phần dinh dưỡng của bã đậu nành tươi: (Tính theo trạng thái thức ăn)
Vật chất khô (%)
Protein thô (%)
Béo thô
(%) Xơ thô(%) ADF (%)
NDF (%)
17,1 4,16 2,4 2,78 3,63 4,92
NFE (%)
Đường TS (%)
Khoáng TS (%)
Ca (%)
P (%)
Muối (%)
6,99 6,07 0,77 0,07 0,08 -
* ADF (Acid detergent fibre): Xơ còn lại sau thuỷ phân bằng dung dịnh axit (gồm cellulose, lignin, silic).
* NDF (Neutral detergent fibre): Xơ cũn lại sau thuỷ phừn bằng dung dịch trung tớnh (gồm cellulose, lignin, hemicellulose).
* NFE (Nitrogen free extractives): Dẫn xuất không đạm hoặc chất chiết không Nitrogen.
1.5 Sinh trưởng của vi khuẩn