bài giảng QUÁ TRÌNH SINH lý của VI SINH vật

QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG Nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật • Nitơ: nitơ hữu cơ, nitơ vô cơ • Carbon: chất hữu cơ, CO2 • Các chất khác: chất khóang, chất sinh trưởng... Nguồn dinh dưỡng cacbo

QUÁ TRÌNH SINH LÝ CỦA VI SINH VẬT

QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG

I QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG

 Nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật

• Nitơ: nitơ hữu cơ, nitơ vô cơ

• Carbon: chất hữu cơ, CO2

• Các chất khác: chất khóang, chất sinh trưởng.

Nguyên tố Vai trò cần thiết

Nhiều vi khuẩn chỉ có thể sinh trưởng khi có ôxy,Một số vi khuẩn khác sử dụng ôxy tuỳ từng loại

Nguồn dinh dưỡng cacbon

Tự dưỡng cacbon :

Các vi sinh vật thuộc kiểu dinh dưỡng này có khả năng đồng hoá CO2 hoặc các muối cacbonat để tạo nên các hợp chất cacbon hữu cơ của cơ thể Một số loài như vi khuẩn nitrat hoá chỉ có thể sống trên nguồn cacbon vô

cơ là CO2 hoặc muối cacbonat gọi là tự dưỡng bắt buộc

Một số có khả năng sống trên nguồn cacbon vô cơ hoặc hữu cơ gọi là tự dưỡng không bắt buộc.

Dị dưỡng cacbon

Các vi sinh vật thuộc kiểu dinh dưỡng này không có khả năng đồng hoá các hợp chất cacbon vô cơ như CO2, muối cacbonat Nguồn dinh dưỡng cacbon bắt buộc đối với chúng phải là các hợp chất hữu

cơ, thường là các loại đường đơn.

Nguồn dinh dưỡng nitơ :

Tự dưỡng amin

Các vi sinh vật thuộc nhóm tự dưỡng amin có khả năng tự tổng hợp các axit amin của cơ thể

amôn của axit vô cơ.

Dị dưỡng amin

không có khả năng tự tổng hợp các axit

Dinh dưỡng các nguyên tố vô cơ:

• Phospho tham gia vào các thành phần quan trọng của tế bào, như các nucleoproteic, acid nucleic, polyphosphate, phospholipid,…

• Lưu huỳnh là thành phần của một số acid amin trong phân tử protein và là nhóm phụ (-SH) của một số enzyme CoA Bởi vậy, khi không

có mặt lưu huỳnh trong môi trường sự trao đổi chất của tế bào bị vi phạm và có thể không tổng hợp được protein

Dinh dưỡng các chất sinh trưởng:

• Những chất kích thích sinh trưởng là các vitamin, các base purin và pyrimidin.

• Những nhân tố sinh trưởng cơ bản đối với nấm men không có sắc tố là 6 vitamin nhóm B: inozit (B8), biotin (B7 hay H), acid pantotenic (B3), tiamin (B1), pyridoxine (B6), acid nicotinic (B5 hay PP)

• Đối với nấm men có sắc tố đỏ cần các chất sinh trưởng là tiamin, ngoài ra còn có acid paraaminobenzic.

QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG

- Cơ chế hấp thụ chất dinh dưỡng

• Khuếch tán bị động

QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG

- Cơ chế hấp thụ chất dinh dưỡng

• Khuyếch tán xúc tiến

QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG

- Cơ chế hấp thụ chất dinh dưỡng

• Chuyển vận chủ động

Màng ngoài Màng trong

ATP ADP+Pi

QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG

- Cơ chế hấp thụ chất dinh dưỡng

Thẩm thấu bị động Chuyển vận nhĩm

Khuyếch tán xúc tiến Chuyển vận chủ động

Màng ngoài Màng trong Màng ngoài Màng trong

S

S

S S

S S

Enzym-2 Enzym-2 Enzym-2

Enzym-1 + PEP

Màng ngoài Màng trong Màng ngoài Màng trong

ATP ADP+Pi

QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG

- Sơ đồ trao đổi chất của vi sinh vật

TẾ BÀO VI SINH VẬT

CÁC SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG

CÁC SẢN PHẨM

DỊ HÓA

SỰ TĂNG SINH KHỐI

CHẤT DỰ TRỮ

CÁC CHẤT

DINH DƯỠNG

Sự trao đổi năng lượng

Sự dị hóa

Tái tổng hợp

Trao đổi xây dựng

Sự dinh dưỡng

Sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Sinh trưởng là biểu thị sự tăng trưởng các thành phần của

tế bào

QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN

Colony forming units

colony

1.Các khái niệm và các thông số sinh trưởng

 Ở SV có kích thước lớn, sự sinh trưởng là sự tăng có thứ

tự thành phần cấu tạo tế bào

 Trong vi sinh học, sự sinh trưởng được hiểu là sự tăng số

lượng TB của quần thể.

 Thời gian thế hệ (kí hiệu là g) là thời gian cần cho một tế bào phân chia hay quần thể nhân đôi về mặt số lượng cá thể

Thời gian thế hệ thay đổi nhiều ở các quần thể khác nhau và các điều kiện khác nhau

 Nếu cấy 1VK vào MT thì số lượng TB sẽ tăng

 Tốc độ sinh trưởng riêng của VSV (µ) là số lần phân chia trong một đơn vị thời gian của một chủng trong

đk nuôi cấy cụ thể

µ = n/ t

Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn

3.1 Nuôi cấy tĩnh

Là nuôi cấy trong dụng cụ

chứa MT lỏng không được

bổ sung chất dd mới và

không lấy đi các sản phẩm

chuyển hóa vật chất

• Sinh trưởng của quần thể VK tuân theo những quy luật nhất định và được biểu thị bằng đường cong sinh trưởng

• Đồ thị phản ánh sự phụ thuộc logarit số lượng

TB trong quần thể với thời gian

• Đồ thị chia thành 4 pha:

Pha cân bằng Pha suy

vong

Thời gian

 TB ở trạng thái hoạt động mạnh nhất nhưng số

 Các yếu tố ảnh hưởng đến pha lag

a Đặc điểm của giống cấy

- Giống ở pha log được cấy vào cùng MT thì

đồ thị không có pha lag.

- Giống ở pha lag hay pha suy vong thì thời

gian pha lag sẽ kéo dài.

- Lượng giống cấy nhiều pha lag ngắn và

ngược lại (1/10)

b.Thành phần môi trường

MT dinh dưỡng phong phú thì pha lag ngắn và

ngượclại

3.1.2 Pha logarit

• Sinh khối TB tăng theo thời gian, tăng theo cấp số mũ

và được tính theo công thức

X = X 0 2 µt

 Trong pha log: µ là cực đại và luôn là một hằng số đối với một chủng VK nhất định trong điều kiện nuôi cấy

cụ thể

 Kích thước, TP hoá học, trạng thái sinh lý TB không

thay đổi theo thời gian -> TB ở trạng thái động học

Nếu mục đích thu các chất có HTSH, thu TB ở trạng thái hoạt động mạnh nên dừng tại đây.

Trong PTN, muốn nhuộm Gram chính xác, cần chọn giống ở pha log do thành TB hầu hết VK còn nguyên vẹn.

Thông thường trong tự nhiên, sự sinh trưởng của VSV trong pha logarit chỉ xảy ra định kỳ, phụ thuộc vào thức ăn.

3.1.3 Pha cân bằng

• Quần thể VK ở trạng thái cân bằng động học (số TB mới sinh ra bằng số TB cũ chết đi)

• Hiệu suất sinh trưởng giảm do chất dinh dưỡng cạn

dần, chất độc hại tăng lên, pH môi trường thay đổi

• Sinh khối VK đạt cực đại, không đổi theo thời gian (số

TB mới sinh ra bằng số TB cũ chết đi)

3.1.4 Pha suy vong

+ Số TB có khả năng sống giảm dần theo luỹ thừa dẫn đến sự chết hàng loạt các cá thể

+ Chất độc hại tích lũy khá nhiều Chất dinh dưỡng cạn kiệt dưới mức cần thiết

+ Số TB bị tự phân bởi enzim, sự phân hủy các chất dự trữ cùng tăng lên

 Nếu mục đích để thu các sản phẩm TĐC thì nên dừng việc nuôi cấy ở pha này.

Tóm lại:

sinh trưởng, hình thái, sinh lý TB luôn thay đổi

Sự sinh trưởng của quần thể VK tuân theo quy luật nhất định và phụ thuộc vào thời gian

 Ý nghĩa của việc nghiên cứu sinh trưởng của VK trong nuôi cấy tĩnh

 Nghiên cứu quá trình sinh trưởng của quần thể VSV

 Nghiên cứu sự tạo thành các sản phẩm TĐC,các chất

có hoạt tính sinh học, sinh khối TB

Hiện tượng sinh trưởng kép và sinh trưởng thêm

 Nếu trong MT tổng hợp có hỗn hợp 2 loại hợp chất cacbon thì VK có xu hướng tổng hợp các enzim phân giải hợp chất cacbon dễ đồng hoá trước.Sau mới tổng hợp tiếp enzim phân giải hợp chất thứ 2

 Khi đó đồ thị ST sẽ có 2 pha lag, 2 pha log (đồ thị sinh

trưởng kép).

Đồ thị sinh trưởng kép

Đồ thị sinh trưởng thêm Glucoza/sorbitol (1/3), (2/2), (3/1)

• Đồ thị sinh trưởng thêm

Sau pha suy vong, một số VK sống sót và tiếp tục sinh trưởng nhờ các chất dinh dưỡng được giải

phóng ra từ quá trình tự phân Đồ thị sinh trưởng

kéo dài thêm 1 đoạn cong nhỏ gọi là hiện tượng sinh trưởng thêm.

Đồ thị sinh trưởng thêm

Trong nuôi cấy tĩnh:

 MT không được đổi mới, ĐKMT luôn đổi

 Thời gian pha log ngắn

 Giống VSV mau bị già

 Thay đổi tốc độ sinh trưởng riêng

 Bất lợi cho quá trình công nghệ VS

 Để khắc phục tình trạng trên, trong CNSH đã sử dụng thiết bị nuôi cấy liên tục là Chêmostat và Turbidostat

 Nuôi cấy liên tục là

quá trình nuôi người

 Giả sử chêmôstat hoạt động, lượng sinh khối VK

trong bình (x) không sống đựơc vì 1 nguyên nhân nào

đó sẽ rút sạch khỏi bình theo công thức:

(2)

Dx = - dx/dt

 Nếu VK phát triển trong bình nuôi thì số lượng VK sẽ

tăng lên theo thời gian và phụ thuộc vào tốc độ sinh

Có 3 trường hợp xảy ra:

 µ > D thì V > 0, mật độ VK sẽ tăng theo thời gian

 µ < D thì V < 0, mật đô VK sẽ giảm theo thời gian và rút sạch khỏi bình

 µ = D thì V = 0, mật độ VK trong bình không thay đổi theo thời gian (số TB sinh ra = số TB mất đi)

Thiết bị nuôi cấy liên tục có khả năng duy trì tốc độ ST của VK bằng đúng hệ số pha loãng (µ = D)

Thiết bị nuôi cấy liên tục có khả năng duy trì tốc

độ ST của VK bằng đúng hệ số pha loãng (µ = D)

 Nhờ đó, tốc độ sinh trưởng riêng của quần thể

VK đạt mức cao nhất trong điều kiện cụ thể và

dễ kiểm soát.

So sánh nuôi cấy tĩnh và nuôi cấy liên tục

Nuôi cấy tĩnh Nuôi cấy liên tục

 Thành phần MT không

được đổi mới

 Chất dinh dưỡng cạn dần

theo thời gian

 Thời gian pha log ngắn

 Tốc độ sinh trưởng riêng,

trạng thái sinh lý, sinh hóa

của tế bào luôn thay đổi

 MT luôn được đổi mới và

ổn định

 Chất dd ổn định và dư thừa

 Thời gian pha log dài

 Tốc độ sinh trưởng riêng,

trạng thái sinh lý, sinh hóa của tế bào luôn ổn định.

Nuôi cấy tĩnh Nuôi cấy liên tục

 Sinh khối TB đạt mức

không cao

 Sự ST của quần thể theo

các pha phụ thuộc vào thời

 Việc điều khiển tự động

thực hiện dễ dàng.

 Ý nghĩa của nuôi cấy liên tục

 NCLT được xem như một hệ thống mở có khuynh hướng dẫn đến một cân bằng động học Nhờ điều khiển tự động, quần thể VK được cung cấp MT ổn định nên ST và PT tối đa

 Trong CN để thu sinh khối VK, thu các sản phẩm TĐC và các chất có hoạt tính sinh học phục vụ đời sống

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT

Vi sinh vật sống ở các biển

Vi sinh vật ưa ấm

( mesophyle)

Đại đa số các loại vi

Vi sinh vật ưa nóng

(thermophyle)

Thường gặp trong các suối

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT

- Yếu tố vật lý

 Nhiệt độ

121 250 Nhiệt hơi nước tiêu diệt hoàn toàn vi sinh vật và bào tử trong vòng 15 – 20 phút

116 240 Nhiệt hơi nước tiêu diệt hoàn toàn vi sinh vật và bào tử trong vòng 30 – 40 phút

110 230 Nhiệt hơi nước tiêu diệt hoàn toàn vi sinh vật và bào tử trong vòng 60 – 80 phút

100 212 Nhiệt độ sôi của nước có khả năng tiêu diệt tế bào dinh dưỡng nhưng không tiêu

diệt được bào tử

82 – 93 179 – 200 Tế bào đang phát triển của vi khuẩn, nấm men, nấm mốc bị tiêu diệt hoàn toàn

62 – 82 151 – 180 Các vi sinh vật ưa nhiệt vẫn phát triển được

60 – 77 140 – 171 Pasteur hóa, tiêu diệt phần lớn vi sinh vật gây bệnh trong sữa, nước quả, trừ bào

tử của chúng

16 – 38 61 – 100 Các loài nấm men, nấm sợi, vi khuẩn phát triển mạnh

10 – 16 50 – 61 Các loài ưa lạnh phát triển mạnh

0 32 Các loài vi sinh vật ngừng phát triển

– 18 0 Vi khuẩn ở trạng thái chết

– 251 – 420 Rất nhiều loài vi sinh vật không bị chết trong hydrogen lỏng

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT

- Yếu tố vật lý

 Tia bức xạ

Tia tử ngọai 136 – 3200A o - Vi sinh vật chết hoặc đột biến

Tia bức xạ ion hóa (X, R) 136 – 1000A o - Vi sinh vật chết hoặc đột biến

Tia diệt khuẩn 2000 – 2950A o - Diệt khuẩn phòng bảo quản

Aùnh sáng ban ngày 4000 – 8000A o

-Là năng lượng của VSV có màu -Tiêu diệt 1 phần VSV không màu

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT

- Yếu tố vật lý

 Độ ẩm

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT

- Yếu tố hóa học

 pH

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT

E Coli

Clostridium botulinum Bacillus cereus

Vibrio sp.

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT

- Yếu tố hĩa học

 Chất độc và chất diệt khuẩn

Ester, alcol, dd NaOH yếu.

Muối kim loại nặng, Zn, acid, formalin HNO3, Cl2, KMnO4,…

Glycerin, đường, muối (tăng nồng độ)

III CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VI SINH VẬT

- Yếu tố sinh học

 Hiện tượng cộng sinh :

khi hai sinh vật cùng chung sống hòa bình, sinh vật này hữu ích cho sinh vật kia lại.

 Hiện tượng đối kháng (hoại sinh) :

khi hai sinh vật tiêu diệt lẫn nhau.

 Hiện tượng ký sinh:

sinh vật này sống dựa vào sinh vật kia, hút chất dinh dưỡng của sinh vật kia để nuôi sống mình