Bài giảng vi sinh vật học chương 5 trao đổi chất ở vi sinh vật

đại cương về trao đổi chất + Là một trong 3 thuộc tính cơ bản của sự sống trao đổi chất, sinh trưởng và phát triển, di truyền - biến dị + Qua quá trình trao đổi chất, vi sinh vật thu n

5. 1 đại cương về trao đổi chất

+ Là một trong 3 thuộc tính cơ bản của sự sống (trao đổi

chất, sinh trưởng và phát triển, di truyền - biến dị)

+ Qua quá trình trao đổi chất, vi sinh vật thu nguồn vật liệu

cần thiết để cấu tạo, đổi mới tế bào và nguồn năng lượng phục vụ cho mọi hoạt động sống của chúng

+ Bao gồm 3 quá trình cơ bản: dinh dưỡng (hấp thu thức ăn

từ môi trường), hô hấp (chuyển hóa nội bào các chất dinh dưỡng) và đào thải ra môi trường các "sản phẩm quá

trình trao đổi chất"

+ Cường độ quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật lớn hơn

nhiều so với động vật và thực vật

5. 2 Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.1 Nước

+ Là thành phần chính, chiếm tỉ lệ rất lớn: 70-85%

+ Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào điều kiện môi trường sống (áp

suất thẩm thấu môi trường), loài vi sinh vật, trạng thái tồn tại, lứa tuổi

+ Chức năng: là dung môi hòa tan, là môi trường cho mọi phản ứng

chuyển hóa nội bào, tham gia vào cấu trúc tế bào và tham gia trực tiếp vào quá trình chuyển hóa (p/ứng thủy phân)

+ Đặc điểm: nước tự do (dung môi) là phần dễ biến đổi; nước liên kết

(tham gia vào cấu trúc TB) là phần ổn định ít biến đổi

+ Sự mất nước tự do sẽ tác động đến hoạt tính sinh lý của VSV (mất

ít: kìm hãm; mất tăng lên: rối loạn chức năng sinh lý, kìm hãm

mạnh mẽ; mất quá nhiều: làm rối loạn hoặc đình chỉ hoạt động

sống) Mất nước tự do không làm chết vi sinh vật Mất nước liên

kết sẽ phá vỡ cấu trúc tế bào, dẫn tới làm chết vi sinh vật.

5.2 Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.2 Protit

+ Là thành phần chất khô chính, chiếm 70-85% chất khô

+ Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào loài vi sinh vật, điều kiện môi

trường sống, trạng thái tồn tại, lứa tuổi

+ Chức năng: là thành phần cơ bản trong cấu trúc tế bào và giữ vai

trò hết sức quan trọng trong mọi quá trình chuyển hóa

+ Thành phần: bao gồm cả protit phức tạp (glucoproteit, lipoproteit

tham gia vào cấu trúc TB) và các dạng protit đơn giản (albumin,

các peptit, các axít amin )

+ Đặc điểm: trong protit VSV có đủ các axít amin, tương tự như

nguồn protein từ động vật hay thực vật, và không phát hiện thấy sự khác biệt lớn về thành phần giữa nguồn protein vi sinh vật với

protein truyền thống

* Một số loài VSV trong điều kiện nhất định có thể “siêu tổng hợp

và tích tụ” một hay một vài axít amin nào đó …

5.2 Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.3 Gluxit

+ Chiếm 10-30% tổng lượng chất khô

+ Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào loài vi sinh vật, điều kiện môi

trường sống, trạng thái tồn tại, lứa tuổi

+ Chức năng: là nguồn cung cấp năng lượng chính, cung cấp vật liệu

khung cacbon cơ bản cho VSV và tham gia vào cấu trúc tế bào

+ Thành phần: bao gồm cả gluxit phức tạp (glucoproteit,

lipopolysaccharit tham gia vào cấu trúc TB) và các dạng protit đơn giản (các loại đường )

+ Đặc điểm: tương tự như nguồn gluxit động vật hay thực vật, không

phát hiện thấy sự khác biệt lớn về thành phần giữa nguồn gluxit vi sinh vật với gluxit ĐV-TV Một số loài VSV có giáp mạc trong điều kiện nhất định có thể “siêu tổng hợp và tích tụ” một polysaccarit nào đó và được ứng dụng trong công nghiệp

5.2 Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.4 Lipit

+ Chiếm tỉ lệ nhỏ trong tế bào

+ Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào loài vi sinh vật, điều kiện môi

trường sống, trạng thái tồn tại, lứa tuổi

+ Chức năng: tham gia vào cấu trúc tế bào và có vai trò quan trọng

trong quá trình hấp thu thức ăn; ở một số vi sinh vật, lipit có liên quan đến hoạt tính kháng nguyên của chúng

+ Thành phần: bao gồm cả lipit phức tạp (lipoproteit,

lipopolysaccharit, photpholipit tham gia vào cấu trúc TB) và lipit đơn giản (glyxerin, các axít béo )

+ Đặc điểm: có sự khác biệt nhỏ về thành phần giữa nguồn lipit vi

sinh vật với lipit ĐV-TV (trong lipit VSV có cả axit béo không no 2 nối đôi, axít béo mạch ngắn và đặc biệt thành phần (n- -hydroxy-butyric)n không tìm thấy ở lipitđv-tv)

5.2 Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.5 Các nguyên tố khoáng

+ Chiếm tỉ lệ nhỏ trong tế bào, 2-3% chất khô

+ Rất đa dạng về thành phần, bao gồm cả các nguyên tố

đa lượng (Ca, P, S, Na ), các nguyên tố vi lượng (Co, I2, Fe )

+ Chức năng: tham gia vào cấu trúc tế bào và cấu trúc

nhiều enzym nên có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật.

+ Đặc điểm: sự có mặt và nồng độ các nguyên tố khoáng

có ảnh hưởng rất lớn đến đường hướng trao đổi chất ( phổ sản phẩm tạo ra trong quá trình lên men ) và đến sự sinh

trưởng, phát triển của VSV

5.2 Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.6 Các chất hoạt động sinh học

+ Là các chất chiếm tỉ lệ nhỏ song có vai trò hết sức quan trọng, ảnh

hưởng đến quá trình trao đổi chất, sự sinh trưởng và phát triển của VSV

+ Về bản chất, có thể là một vài axít amin không thay thế, vitamin

hay các chất điều hoà sinh trưởng

+ Chức năng: có vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng-

phát triển và năng lực lên men của chủng

+ Đặc điểm: Một số chủng VSV, trong điều kiện nhất định, có thể

tổng hợp và tích tụ dư thừa lượng đáng kể một (hay một vài) chất

"hoạt động sinh học" nhất định

5. 3 Dinh dưỡng vi sinh vật

5.3.1 Khái niệm về dinh dưỡng của vi sinh vật

+ Là quá trình hấp thu thức ăn từ môi trường vào tế

bào.

+ Quá trình hấp thu thức ăn xảy ra trên toàn bộ bề mặt

tế bào nên cường độ hấp thu thức ăn của VSV rất lớn

+ Màng tế bào chất có vai trò hết sức quan trọng , quyết

định trong việc điều tiết hấp thu thức ăn (và đào thải ra môi trường các "sản phẩm trao đổi chất").

5.3 Dinh dưỡng vi sinh vật

5.3.2 Cơ chế sự hấp thu thức ăn của vi sinh vật

+ Quá trình hấp thu thức ăn là quá trình phức tạp và khác

nhau, phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc của màng tế bào chất, bản chất cấu tử thức ăn và điều kiện môi trường

+ Quá trình hấp thu thức ăn qua màng tế bào chất có thể xảy

ra theo một trong hai cơ chế cơ bản là:

a/ hấp thu thức ăn bị động (quá trình vận chuyển các cấu tử này

từ môi trường vào trong tế bào tự xảy ra, không phụ thuộc vào

vi sinh vật)

b/ hấp thu thức ăn chủ động (quá trình vận chuyển các cấu tử

này vào trong tế bào không tự xảy ra, mà có sự kiểm soát hay điều tiết của vi sinh vật)

5.3.2 Cơ chế sự hấp thu thức ăn của vi sinh vật

a/ Cơ chế hấp thu thức ăn bị động

+ Quá trình vận chuyển các cấu tử này qua màng tự xảy ra,

không có sự tham gia điều tiết của màng tế bào chất

+ Động lực của quá trình vận chuyển bị động này là chờnh

lệch của trường nồng độ: Các cấu tử chất tan sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp (ngược lại, dung môi sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ chất tan

thấp đến nơi có nồng dộ chất tan cao - áp suất thẩm thấu cao)

* Cơ chế hấp thu bị động xảy ra với nước, glyxerin và một số muối

khoáng

5.3.2 Cơ chế sự hấp thu thức ăn của vi sinh vật

b/ Cơ chế hấp thu thức ăn chủ động

+ Là quá trình vận chuyển các cấu tử này qua màng xảy ra với sự

tham gia điều tiết của màng tế bào chất

+ Trên màng TBC phân bố các phân tử protein đảm nhiệm chức

năng vận chuyển vật chất qua màng (các permeaza); Các phân

tử permeaza liên kết (đặc hiệu tuyệt đối, hay đặc hiệu tương đối)

với cấu tử thức ăn và vận chuyển chúng qua màng

+ Quá trình vận chuyển chất qua màng TBC có thể kèm theo tiêu

tốn năng lượng (hoặc không tiêu tốn năng lượng bổ sung) và có

thể dẫn tới làm biến đổi cấu trúc cấu tử thức ăn sau khi đó

được vận chuyển vào trong (hoặc không làm biến đổi cấu hình cơ

chất).

* Thức ăn, sau khi được vận chuyển vào tế bào chất, sẽ tham gia ngay vào các phản ứng chuyển hoá nội bào bị biến đổi cấu trúc, đặc tính mất khả năng vận chuyển ngược ra mụi trường

5.3.2 Cơ chế sự hấp thu thức ăn của vi sinh vật

b/ hấp thu thức ăn chủ động

Vận chuyển ngược chiều trường nồng độ, nhờ ATP: Na-K pump

5.3.2 Cơ chế sự hấp thu thức ăn của vi sinh vật

b/ hấp thu thức ăn chủ động

5.3 Dinh dưỡng vi sinh vật

5.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu thức ăn

của vi sinh vật

+ Đặc tính sinh học của màng tế bào chất, do mỗi loài VSV đều có đặc

trưng riêng về các protein vận chuyển permeaza nên chỉ hấp thu được các

cơ chất tương ứng đặc tính quy định trong cấu trúc di truyền của chủng

+ Bản chất của cấu tử thức ăn: VSV chỉ hấp thu được các chất dinh

dưỡng dạng hoà tan (trong nước, trong chất béo) Các cấu tử kích thước nhỏ và ít nhóm chức thường dễ được hấp thu hơn các cấu tử khối lượng lớn

và nhiều nhóm chức VSV có xu hướng ưu tiên hấp thu các thức ăn dễ

đồng hoá trước, khi nguồn thức ăn này đã cạn, chúng mới điều chỉnh quá trình trao đổi chất để hấp thu nguồn thức ăn khó đồng hoá hơn

+ Nồng độ cấu tử thức ăn: VSV chỉ hấp thu thuận lợi ở dải nồng độ nhất

định của chất dinh dưỡng; nếu nồng độ quá thấp, quá trình vận chuyển chất

từ môi trường lên bề mặt tế bào bị cản trở; Nếu nồng độ quá cao, sẽ cản trở

do làm mất nước tự do của tế bào

5.3 Dinh dưỡng vi sinh vật

5.3.4 Sự hấp thu các nguồn thức ăn khác nhau ở VSV

a/ Nguồn thức ăn cacbon:

+ Khả năng sử dụng nguồn thức ăn cacbon của mỗi loài VSV mang đặc trưng riêng, song hết sức đa dạng VSV tham gia vào mọi mắt xích

của quá trình tuần hoàn vật chất trong thiên nhiên Căn cứ nguồn thức ăn, VSV được phân chia thành:

- VSV tự dưỡng cacbon: là các loài có khả năng sử dụng nguồn cacbon đơn giản (CO2, CH4, C2H6 ) để tổng hợp mạch khung cacbon cần thiết cho cơ thể Phụ thuộc vào nguồn năng lượng sử dụng, người ta còn phân

chia tiếp thành VSV tự dưỡng quang năng (là các VSV hấp thu và sử dụng nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời) và VSV tự dưỡng hoá năng (là VSV thu nhận năng lượng cần thiết từ nguồn năng lượng giải phóng ra của các phản ứng hoá học)

- VSV dị dưỡng cacbon: là các loài chỉ có khả năng sử dụng nguồn

cacbon hữu cơ dạng phức tạp Với các VSV này, nguồn cacbon thích

hợp thường là các loại đường đơn giản, các dextrin, glucan hay các

polymer của đường: tinh bột, hemixenluloza, xenluloza

5.3.4 Sự hấp thu các nguồn thức ăn khác nhau ở VSV

b/ Nguồn thức ăn nitơ:

+ Khả năng sử dụng nguồn thức ăn nitơ của mỗi loài VSV mang đặc trưng riêng, song hết sức đa dạng VSV tham gia vào mọi mắt xích

của quá trình tuần hoàn nitơ trong thiên nhiên Phụ thuộc bản chất nguồn nitơ, VSV được phân chia thành:

- VSV tự dưỡng amin: là các loài có khả năng sử dụng nguồn nitơ vô cơ

để tổng hợp cho mình tất cả các axít amin cần thiết Hầu hết các VSV

đều có khả năng này; nguồn nitơ vô cơ thích hợp với đa số các loài là

NH4+ , NO3- ; một số loài VSV có thể đồng hoá được cả NO2, N2

- VSV dị dưỡng amin: là các loài VSV không có khả năng tự tổng hợp cho mình tất cả các axít amin cần thiết Các VSV này chỉ phát triển

được cung cấp các axít amin này, thí dụ các VSV ký sinh (*tất cả các loài

VSV đều phát triển tốt khi được cung cấp nguồn thức ăn nitơ dưới dạng các axít amin, nguồn nitơ hữu cơ thích hợp là pepton, polypeptit,

dịch thuỷ phân protit, bột đậu, cá )

* Trong thực tiễn, người ta đó tạo ra và ứng dụng các chủng khuyết dưỡng amin (sự phát triển phụ thuộc nghiêm ngặt vào axít amin thiếu)

5.3.4 Sự hấp thu các nguồn thức ăn khác nhau ở VSV

c/ Nhu cầu về các chất khoáng và chất hoạt động sinh học:

+ Nhu cầu của VSV về các nguyên tố khoáng hay về các chất hoạt động sinh học tuy không lớn, song rất đa dạng Sự thiếu hụt một chất

khoáng, dù nhỏ về lượng, sẽ tác động mạnh mẽ đến sự sinh trưởng

và phát triển của chủng

* Vấn đề hàm lượng khoáng cần đặc biệt lưu ý trong thực tiễn khi chuẩn

bị môi trường lên men: Sử dụng nguyên liệu tự nhiên có lợi thế về sự đa

dạng các nguyên tố khoáng và giá thành, song hàm lượng của chúng

thường có dao động lớn Trong khi sử dụng nguyên liệu tổng hợp có thể gặp trở ngại do không cung cấp đủ các nguyên tố khoáng cần thiết

+ Một số loài VSV, sự sinh trưởng, phát triển và đường hướng trao đổi chất của chúng phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ các ion khoáng hay, đặc biệt với các chất hoạt động sinh học.

4. 4 Hô hấp ở vi sinh vật

4.4.1 Đại cương về hô hấp của vi sinh vật

+ Là quá trình chuyển hoá nội bào các chất dinh dưỡng, qua đó VSV

thu nhận được năng lượng để duy trì hoạt động sống và vật liệu để xây dựng và đổi mới cấu trúc tế bào.

+ Bản chất là các quá trình oxy hoá-khử sinh học liên quan đến quá

trình vận chuyển H + và e - từ chất cho đến chất nhận, xảy ra qua nhiều giai đoạn và với sự xúc tác của các enzym đặc hiệu

+ Năng lượng được giải phóng trong quá trình hô hấp thoát ra một cách

từ từ, từng bậc; một phần được VSV sử dụng để tổng hợp các phân tử

mang năng lượng sinh học ATP (ADP, AMP - phần lớn năng lượng còn lại thoát ra môi trường dưới dạng nhiệt làm nhiệt độ môi trường tăng lên )

+ Có thể xảy ra trong điều kiện có hoặc không có ôxy, nếu chất

nhận H + và e - là: O2 (QT oxy hoá); + h/chất hữu cơ trung gian (QT lên

Glucoza

2

Axit piruvic 1

Succinat Fumarat Malat Oxaloaxetat

Axit amin Glyxerin Axit béo

Sơ đồ

betaưoxy hoá

NH3

ATP

4.4.2 Sơ đồ đường hướng hụ hấp của VSV dị dưỡng

chuyển hoỏ ngoại bào

1 Sơ đồ đường phõn:

* Chu trỡnh Crebs:

4.4.3 Vấn đề sử dụng năng lượng ở vi sinh vật

+ Vi sinh vật chỉ sử dụng được một phần năng lượng giải phóng ra

trong quá trình chuyển hoá thức ăn, dưới dạng năng lượng sinh học, phần lớn năng lượng còn lại thoát ra ngoài môi trường dưới dạng nhiệt độ làm cho nhiệt độ môi trường lờn men tăng lên

+ Đòi hỏi về điều nhiệt trong lên men công nghiệp, là yêu cầu hết

sức quan trọng để duy trì nhiệt độ lên men tối ưưu

+ Hiệu ứng nhiệt trên trong thiên nhiên đó được khai thác từ rất

sớm, thí dụ:

- trong quá trình ủ phân hữu cơ, VSV phát triển sẽ giải toả nhiệt thải

vào mụi trường, làm tăng nhiệt độ đống ủ tăng tốc độ mùn hoá

và tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh

- Bón phân trước khi vào đông và ủ phân để sưởi ấm nhà kính; cảnh

báo sớm trong nông nghiệp theo lượng tuyết rơi

4.4.3 Vấn đề sử dụng năng lượng ở vi sinh vật

+ Lên men trên môi trường rắn - xốp (MT đặc):

- Để giải toả nhiệt thải và cung cấp ôxy: thông gió phòng nuôi

- Do trở lực không khí thấp không thể thông gió đồng đều tại tất cả các

vùng không gian trong phòng

- Thông gió sẽ kéo theo giảm độ ẩm, do nước bay hơi giảm ẩm, gõy ức

chế sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

- Giải pháp khả thi: thông gió với điều ẩm không khí và đảo trộn định kỳ vị

trí các khay, giá trong phòng nuôi

+ Lên men trong môi trường lỏng:

- Giải toả tốt nhiệt thải là vấn đề khó khăn, do dung tích thiết bị lớn (~ nhiệt

thải lớn) và chênh lệch nhiệt độ so với chất tải nhiệt nhỏ

- Khả năng duy trì hiệu quả và đồng đều nhiệt độ trong toàn bộ thể tích

thùng lên men và trong suốt quá trình lên men là chỉ tiêu hết sức quan

trọng khi lựa chọn thiết bị, đặc biệt là với các quá trình lên men yếm khí

…