DINH DƯỔNG CỦA VI SINH VẬT
4. NGUỒN THÚC ẴN KHOÁNG CỦA VI SINH VẬT
Khi sử dụng các môi trư ờ ng thiên nhiên để nuôi cấy vi sinh vật người ta thường không cấn th iết bổ sung các nguyên tố khoáng. Trong nguyên liệu dùng làm các môi trư ờ ng này (khoai tây, nước th ịt, sữa, huyết thanh, pepton, giá đậu...) thường có chứa đủ các nguyên tố khoáng cần th iết đối với vi sinh vật. Ngược lại khi làm các môi trư ờ ng tổng hợp (dùng nguyên liệu là hđa chát) bát buộc phải bổ sung đủ các nguyên tố khoáng cẩn thiết. N hững nguyên tố khoáng mà vi sinh vật đòi hỏi phải được cung cấp với liêu lượng lớn được gọi là các nguyên tố đại lượng. Còn những nguyên tố khoáng m à vi sinh vật chỉ đòi hỏi với những liổu lượng r ấ t nhỏ được gọi là các nguyên tố vi lượng.
Nổng độ cẩn th iết của từ ng nguyên tố vi lượng tro n g môi trư ờ ng thư ờ ng chỉ vào khoáng 10 6 - 10 8M.
Hàm lượng các chất khoáng chứa trong nguyên sinh ch ất vi sinh vật thư ờ ng thay đổi tùy loài, tùy giai đoạn phát triể n và tùy điểu kiện nuôi cẫy. T hành ph ấn khoáng cùa tế bào các loài vi sinh vật khác nhau thường là chênh lệch nhau rấ t nhiéu. C hẳng hạn cđ nghiên cứu (M esrobiana và Peuneska, 1963) cho biết th àn h phần khoáng ở m ột số vi khuẩn gây bệnh là như sau (% chất khoáng) :
P205 4,93 - 74,38 N a20 0,2 - 28,08
K*0 2,4 - 39,8 C1 0,03 - 43,69
S 03 0,5 - 28,8 MgO 0,12 - 12,0
CaO 0,3 - 14,0
Nhu cấu của vi sinh vật cũng không giống nhau đối với tùy loài, tùy giai đoạn phát triển . Người ta nhận tháy nổng độ cẩn th iế t vé các muổi khoáng đối với vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn thường thay đổi trong các phạm vi sau đây :
Muối khoáng
Nổng độ cần thiết (g/1)
Dối với vi khuần Dối vói nấm và xạ khuần
K2HPO4 0,2- 0,5 1-2
KIỈ2PO4 0,2- 0,5 1-2
MgSO* . 7H2O 0,1-0,2 0,2-0,5
MnSƠ4 . 4112O 0,005-0,01 0,02-0,1
FcS04 . 7112O 0,005-0,01 0,05-0,02
Na2MoƠ4 0,001-0,005 0,01-0,02
ZnSƠ4 . 7112O - 0,02-0,1
C0CI2 tói 0,03 tới 0,06
CaCl2 0,01-0,03 0,02-0,1 •
CaSƠ4 . 5112O 0,001-0,005 0,01-0,05
Thành phấn môi trường cđ th ể thay đổi theo một sự tính toán nào đổ đ ể sao cho nổng độ chung của mỗi cation hoặc mỗi anion phù hợp với sổ lượng đã nêu lên tro n g bàng nđi trên .
p bao giờ cũng chiếm tỉ lệ cao n h át tro n g số các nguyên tố khoáng của tế bào vi sinh vật (nhiều khi p chiếm đến 50% so với tổng só chất khoáng), p cđ m ặ t tro n g cấu tạo của nhiéu th àn h phần quan trọ n g của tế bào (axit nucleic, photphoprotein, photpholipit, nhiéu coenzim quan trọ n g như ADP, ATP, UDP, UTP, XDP, XTP, NAD, NADP, Aavin... ; một số vitam in như tiam in, biotin...). Để đảm bảo nguón dinh dưỡng
155
photpho, người ta thường sử dụng các loại photphat vô cơ. Việc bổ sung photphat (nhất là p h otphat kali) vào các môi trường dinh dưỡng ngoài tác dụng cung cấp p còn có tác dụng tạo ra tính đệm của môi trường. Với các tỉ lệ thích hợp hỗn hợp muối KH2P 04
và K^HPC^ có thể tạo ra những mức pH ổn định trong khoảng pH = 4,5 - 8,0 trong môi trường axit I^H PC ^ sẻ tạo ra ion H + :
HPỢ*- + H O R ,p o ; + OH“
4 2 2 4
H - P o ; ^ HPC>2- + H +
2 4 4
s củng là một nguyên tố khoáng quan trọ n g trong tế bào vi sinh vật. s cố m ặt
tro n g m ột số axit am in (xixtin, xixtein, m etionin), một số vitam in (biotin, tiam in...), xixtin, xixtein và một trip e p tit là glutation không những tham gia vào cẫu trúc protein m à còn cò vai trò quan trọng tro n g các quá trìn h oxi hoa khử. Việc chuyển nhổm sunphidrin th àn h nhổm disunphit cđ vai trò rấ t lớn trong quá trỉnh chuyển điện tử từ nguyên liệu hô hấp đến oxi phân tử :
2RSH ^ RS - SR + 2H
Các hợp chất hữu cơ có chứa lưu huỳnh ở dạng oxi hđa thường cd tác dụng độc đối với tế bào vỉ sinh vật (có th ể kể tới trường hợp strep to x it và các sunpham it khác).
T rong khi đđ các muối sunphat vô cơ với nguyên tử lưu huỳnh củng ở trạ n g thái oxi hda thì lại được cơ th ể vi sinh vật đổng hda rấ t tốt. Một số vi sinh vật cđ th ể dùng cả S2O3- (tiosunphat) làm nguổn thức ăn lưu huỳnh. Một số vi sinh v ật khác lại đòi hỏi các thức ăn chứa lưu huỳnh ở dạng khử (H2S, xixtin, xixtein...). Fe là nguyên tó rấ t cấn th iết để giúp vi sinh vật có th ể tổng hợp một số m en loại pocphirin chứa sá t (như xitocrom, xitocromoxidaza, peroxidaza, catataza...). Nguyên tử nitơ của 4 nhân piron nhờ các liên kết hđa học thông thường là các liên kết hóa học phụ. Một số vi sinh vật tự dưỡng quang n ăng còn sử dụng sát để tổng hợp ra các sác tố quang hợp có cấu trú c pocphirin (clorophin, bacterioclorophin).
Mg là nguyên tố được vi sinh vật đòi hỏi cũng với lượng khá cao (10“ 3 - 10~4M).
Mg m ang tính ch ất m ột coíacto, chúng tham gia vào nhiều phản ứng enzim có liên quan đến các quá trìn h photphoryl hda (chuyển H3P 04 từ một hợp ch ất hữu cơ này san g m ột hợp ch ất hữu cơ khác). Mg2+ có th ể làm hoạt hđa các hexokinaza, ATP - aza, pirophotphataza, photphopheraza, transaxetylaza, photphoglucom utaza, cacboxylaza, enolaza, các men trao đdi protein, các men oxi hóa khử của chu trin h Krebs (tấ t cà khoảng trê n 80 enzim khác nhau). Mg2* còn cố vai trò quan trọng tro n g việc làm liên kết các tiể u phấn riboxom với nhau.
Ca mậc dấu là nguyên tố ít tham gia vào việc xây dựng nên các hợp chăt hừu cơ như ng nđ cổ vai trò đáng kể trong việc xây dựng các cấu trúc tin h vi của tế bào.
Canxi đổng vai trò cáu nối tru n g gian giữa nhiéu th àn h phấn quan trọ n g của tế bào sống (như giữa ADN và protein tro n g nhân, giữa các nucleotit với nhau, giữa ARN và protein tro n g riboxom). Canxi rấ t cấn th iết đối với việc hình th àn h các cấu trúc không gian Ổn định của nhiều bào quan như riboxom, ti th ể, nhân...
Zn cũng là m ột cofacto tham gia vào nhiều quá trin h enzim. Zn cđ tác dụng đáng kể tro n g việc hoạt hda các enzim như cacboanhidraza, enolaza, photphataza kiểm, pirophotphataza, lơxitinaza...
156
Mn có chứa trong một số enzim hô hấp. Mn cũng cd vai trò quan trọ n g tro n g việc làm hoạt hóa một số enzim như photphom onoesteraza, cacboxylaza, ATP - aza hidroxylam in reductaza, acginaza, am inopeptidaza, enolaza, photphoglucom utaza...
Việc hoạt hóa cácenzim không phải lúc nào cũng m ang tính chẫt đăc hiệu. Lấy ví dụ như enzim izoxitratliaza (tách từ vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa) có th ể được hoạt hóa bởi nhiéu ion khác nhau (Mg2+, Mn2+, Fe2+, hoặc Co2+). Có trư ờ n g hợp một ion kim loại này lại có tác dụng đối với một ion kim loại khác. C hẳng hạn ion N a+
ctí th ể làm ức chế sự phát triể n của vi khuẩn Lactobacillus casei nhưng tác dụng ức chế này có th ể bị m ất đi nếu bổ sung thêm vào môi trường các ion K+ chác ràn g đã có sự cạnh tra n h giữa hai ion này trong việc liên kết với các enzim hoặc coenzim.
Cũng có những nguyên tố htía học ta chưa hiểu rồ vé vai trò sinh lí của chúng.
Trong số các nguyên tố này phải kể đến kali.
K là nguyên tố chiếm một tỉ lệ khá cao trong th àn h phấn khoáng của tế bào vi sinh vật, nhưng cho đến nay người ta chưa thấy kali tham gia vào bất kì th à n h phấn nào của nguyên sinh chất, cũng chưa tỉm thấy bất kì enzim nào có chứa K. Người ta nhận thấy kali thường tổn tại trong dạng ion K+ ở m ặt ngoài của cấu trú c tế bào.
Nhiều nghiên cứu sử dụng K4 0 cho biết m ột phấn đáng kể kali tổn tại ở trạ n g thái liên kết hóa lí không bển với protein và các th àn h phấn khác của nguyên sin h chất.
Kali có th ể tác dụng như các ion kim loại khác thông qua việc ảnh hưởng đến tính chất hóa keo và hoạt động xúc tác của các enzim. Nhưng nhiêu thí nghiệm cho biết việc dự định thay th ế kali trong môi trư ờng dinh dưỡng bằng các ion kim loại kiểm hóa trị 1 (như Na, Li, Rb, Cs...) đểu không có kết quả. Có những tài liệu cho biết kali tham gia vào việc hoạt hđa một số enzim như amylaza, invectaza, ph o tp h o tran sax etilaza, axetyl C oA -xintetaza, piruvatphotphokinaza, A T P-aza, ketohexokinaza...). Kali làm tă n g độ ngậm nước của các hệ thống keo do đó ảnh hưởng đến các quá trìn h tra o đổi chất, nhất là các quá trìn h tổng hợp. Kali có th ể còn tham gia vào quá trin h tổ n g họp m ột số vitam in (như tiam in...) và có những ảnh hưởng đáng kể đến quá trìn h hô hấp của tế bào vi sinh vật.
Na và C1 cũng là các nguyên tố m à nhiểu vi sinh vật đòi hỏi với lượng không nhỏ, nhưng cho đến nay người ta vản còn biết rấ t ít vé vai trò sinh lí của chúng.
Hàm lượng Na và C1 đặc biệt cao trong tế bào các vi sinh vật ưa m ặn sống tro n g nước biển, đ ất vùng ven biển hoặc sống trên các loại thực phẩm ướp m ận. Các vi sinh vật ưa m ận cđ th ể được chia thành ba nhóm : nhdm ưa m ận ít, thích hợp p h át triể n trên môi trư ờ ng chứa 2-5% (khối lượng : th ể tích) NaCl, nhóm ưa m ận vừa, thích hợp phát triể n trê n môi trường chứa 5-20% NaCl và nhdm ưa m ặn cao, thích hợp p h át triển trên môi trường chứa đến 20-30% NaCl.
Bình thường khi nuôi cấy vi sinh vật, người ta không cẩn bổ sung các nguyên tố vi lượng. N hững nguyên tố này thường có sẵn trong nước máy, tro n g các htía chất dùng làm môi trường hoậc có lản ngay tro n g thủy tinh của các dụng cụ nuôi cấy.
Trong m ột số trường hợp cụ th ể người ta phải bổ sung các nguyên tố vi lượng vào môi trư ờ ng nuôi cấy vi sinh vật. Chẳng hạn bổ sung Zn vào các môi trư ờ n g nuôi cáy nấm mốc, bổ sung Co vào các môi trư ờng nuôi cấy vi sinh vật tổng hợp v itam in Bj2, bổ sung B và Mo vào môi trư ờng nuôi cấy các vi sinh vật cổ định đạm...
Sự tổn tại một cách dư th ừ a các nguyên tố khoáng là khững cán th iế t và ctí th ể dẫn đến những ảnh hưởng xấu. Chảng hạn việc thừa p ctí th ể làm giảm th ấp hiệu suất tích lũy m ột số chất kháng sinh, th ừ a Fe sẽ làm cản trở quá trỉn h tích lũy vitam in B, hoậc vitam in B[2.
157