Chương 3: Dinh dưỡng và sinh trưởng của vi sinh vật

9/11/2013 1 Chương 3: Dinh dưỡng và sinh trưởng của VSV DINH DƯỠNG VI SINH VẬT Khái quát về nhu cầu dd của VSV  95% trọng lượng khô của tế bào: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe – Nguyên tố đa lượng  C, H, O, N, S, P cấu tạo nên glucid, lipid, protein, a. nucleic  K, Ca, Mg, Fe hiện diện ở dạng cation  Những nguyên tố cần ở liều lượng rất thấp: Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu – Nguyên tố vi lượng  Không thể thiếu được trong tế bào.  Tham gia vào cấu tạo enzyme, coenzyme, xúc tác phản ứng, duy trì cấu trúc của protein. 9/11/2013 2 Các nguyên tố chủ yếu trong tế bào VSV (% trọng lượng khô) Thành phần hóa học của vi khuẩn theo F.C. Neidhardt 1996 Phân tử khô / tế bào % khối lượng khô. - Nước - Các đại phân tử +Protein +Polysaccharide +Lipid +ADN +ARN - Các đơn phân tử +Aminoacid và tiền thể +Đường và tiền thể +Nucleotid và tiền thể - Các ion vô cơ - 96 55 5 9,1 3,1 20,5 3,0 0,5 2 0,5 1 Thành phần dinh dưỡng trong môi trường nuôi cấy VSV Các nguồn dinh dưỡng Nước Nguồn cacbon Nguồn nito Chất sinh trưởng Nguồn muối vô cơ 9/11/2013 3 Nước (Water) Nước là thành phần không thể thiếu để vi sinh vật có thể sinh trưởng. Chức năng sinh lý của nước trong tế bào là: - Hoà tan và chuyển vận các chất, hỗ trợ cho việc hấp thu chất dinh dưỡng, giải phóng các sản phẩm trao đổi chất. - Tham gia vào hàng loạt các phản ứng hóa học trong tế bào. - Duy trì cấu hình thiên nhiên ổn định của các đại phân tử như protein, acid nucleic... - Là thể dẫn nhiệt tốt, hấp thu tốt nhiệt lượng sinh ra trong quá trình trao đổi chất và khuếch tán kịp thời ra bên ngoài để duy trì sự ổn định của nhiệt độ bên trong tế bào. - Duy trì hình thái bình thường của tế bào. Nhu cầu về nguồn cacbon  Nhu cầu C, H, O thường được thỏa mãn cùng một lúc.  Carbon (C) cần cho sự hình thành bộ khung của tất cả các phân tử chất hữu cơ. - Nguồn C trải qua một loạt quá trình biến hoá hoá học phức tạp để tạo vật chất của bản thân tế bào VSV và các sản phẩm trao đổi chất. Nguồn cacbon được VSV sử dụng Nguồn C Các dạng hợp chất Đường glucose, fructose, maltose, saccharose, galactose, lactose, Polysaccharide Tinh bột, cellulose … Acid hữu cơ acid lactic, acid citric, acid fumaric, acid béo bậc cao, acid béo bậc thấp, aminoacid... Rượu Ethanol Lipid lipid, phospholipid Hydrocarbon khí thiên nhiên, dầu thô, dầu paraffin Carbonate NaHCO3, CaCO3, đá phấn Các nguồn C khác Hợp chất nhóm thơm, cyanide, protein, pepton, acid nucleic... 9/11/2013 4 Nhu cầu nguồn Nitơ (source of nitrogen) Nguồn N Các dạng hợp chất Protein và sản phẩm phân giải của protein Peptone, peptide, aminoacid... Ammone và muối ammone NH3, (NH4)2SO4,... (dễ được hấp thu) Nitrate KNO3 (dễ được hấp thu) N phân tử N2 (chỉ với vi sinh vật cố định N) Các nguồn N khác Purine, pyrimidine, urea, amine, amide, cyanide (chỉ một số nhóm vi sinh vật mới có thể đồng hoá được) Whey, cao nấm men, bột đậu nành 9/11/2013 5 2. Khi nuôi cấy 1 đối tượng VSV có bổ sung nguồn nitơ là muối amoni vô cơ hoặc nitrat vô cơ người ta thấy VSV sinh trưởng phát triển không tốt. Nguyên nhân có thể do đâu? (giả sử các yếu tố khác được đáp ứng đầy đủ) Có thể khắc phục bằng cách nào? 1. Nấm men, vi khuẩn, tảo, nấm mốc thích hợp với nguồn nitơ vô cơ nào? 3. Phân biệt các nhóm VSV có nhu cầu khác nhau với amino acid? Nguồn muối vô cơ (source of inorganic salt) Các muối vô cơ là nguồn chất dinh dưỡng không thể thiếu Hợp chất sử dụng Chức năng sinh lý KH2PO4, K2HPO4 Là tp của acid nucleic, nucleoprotein, phospholipid, coenzyme, ATP... Làm nên hệ thống đệm giúp điều chỉnh pH môi trường (NH4)2SO4 ,MgSO4 Là thành phần của các aminoacid chứa S, một số vitamin; glutathione… MgSO4 Là thành phần trung tâm hoạt tính của một số enzyme, thành phần của sắc tố quang hợp… CaCl2, Ca(NO3)2 Tạo tính ổn định của một số cofactor, enzyme 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. KH2PO4, KH2PO4 Là cofactor của một số enzyme, duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào… FeS04 Thành phần của sắc tố vi khuẩn và một số enzyme Nhu cầu về chất sinh trưởng 9/11/2013 6 Nhu cầu về yếu tố tăng trưởng  Có 3 loại yếu tố tăng trưởng Acid amin: cần để tổng hợp protein  Purine hay pyrimidine: cần để tổng hợp acid amin Vitamin: là thành phần cấu thành các coenzyme.  Yếu tố tăng trưởng của VSV này có thể không phải là yếu tố tăng trưởng của VSV khác. Vai trò của vitamin đối với một số VSV Cho biết vai trò của các chất trong 2 mt trên? 9/11/2013 7 Cơ chế hấp thụ chất dinh dưỡng  Chất dinh dưỡng phải được vsv hấp thu vào tế bào trước khi được sử dụng  Cơ chế hấp thu phải mang tính chuyên biệt.  Màng tế bào chất là một màng thấm có tính chọn lọc – ngăn cản sự xuyên qua tự do của phần lơn các cơ chất.  Các cơ chất được hấp thu qua màng thông qua các cơ chế: vận chuyển thụ động (passive transport) và vận chuyển chủ động (active transport). Vận chuyển thụ động  Phân tử di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp do giao động nhiệt.  Nồng độ cơ chất bên ngoài phải cao hơn bên trong tế bào  vận chuyển từ ngoài vào trong.  Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào sự chênh lệch gradient nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào. Tốc độ giảm khi chênh lệch gradient nồng độ giảm.  Không tiêu tốn năng lượng, ít hiệu quả (vận chuyển được những phân tử có kích thước nhỏ hoặc có khả năn hòa tan trong lipid)  ít được sử dụng. Khuếch tán 9/11/2013 8 Khuếch tán dễ dàng  Là quá trình khuếch tán các phân tử lớn (như glucose) qua màng nhờ những protein nằm trên màng tế bào chất (các kênh protein và các protein mang) Vận chuyển chủ động  Là quá trình vận chuyển cơ chất qua màng ngược gradient nồng độ.  Quá trình này tiêu tốn năng lượng của tế bào (ATP)  Những protein màng có vai trò vận chuyển (permease)  Những phân tử được vận chuyển kết hợp chuyên biệt với permease – làm permease thay đổi cấu trúc và năng lượng hoạt hóa – được vận chuyển vào trong. Đây là cơ chế vận chuyển điển hình xảy ra với hầu hết chất dinh dưỡng. SINH TRƯỞNG – PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT 9/11/2013 9 1.Khi nghiên cứu sự sinh trưởng, phát triển của VSV có gì đặc biệt hơn so với thực vật, động vật? 2.Ý nghĩa các đại lượng và công thức tương quan giữa các đại lượng khi xây dựng mẫu lí thuyết cho ST-PT của VSV? Sinh trưởng, phát triển của VSV trong nuôi cấy tĩnh Đặc điểm ST-PT của VSV trong từng pha? Đường cong sinh trưởng của VSV trong nuôi cấy tĩnh Đường cong sinh trưởng trên xảy ra trong điều kiện nào? Time Sinh khối VSV 9/11/2013 10 Đường cong trên cho biết hiện tượng gì ở VSV? Giải thích cụ thể? Time lag log Cân bằng động Tử vong lag log Sinh khối VSV Giả sử khi nuôi cấy vi khuẩn Vibrio, ban đầu người ta cấy 3 triệu tế bào/ml vào môi trường nuôi cấy. Hỏi sau 1h số lượng tế bào đạt bao nhiêu, biết rằng cứ 20 phút tế bào phân chia 1 lần? Khi theo dõi sinh trưởng của Vibrio người ta ghi: G=1/5h, hoặc khi ghi C = 6 h-1  có thể hiểu như thế nào? Phương pháp xác định ST-PT của VSV  Đếm tế bào bằng buồng đếm trên kính hiển vi  Xác định sinh khối khô  Đo độ đục  Phương pháp MPN  Xác định nitơ tổng hay cacbon tổng  Xác định O2 , CO2 hay sản phẩm lên men thông qua quá trình trao đổi chất 9/11/2013 11 ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ HÓA HỌC – VẬT LÍ ĐẾN ST - PT Ảnh hưởng pH môi trường * Độ pH là đại lượng đo độ axid hay độ kiềm tương đối * Độ pH ảnh hưởng tới tính thấm qua màng, hoạt động chuyển hóa vật chất trong tế bào, hoạt tính enzim, sự hình thành ATP,… pH có ý nghĩa quyết định đối với sinh trưởng của nhiều vsv Có 3 nhóm vsv:  - VSV ưa acid: đa số nấm, 1 số vi khuẩn,…  - VSV ưa trung tính: vi khuẩn, bệnh, động vật nguyên sinh  - VSV ưa kiềm: vi khuẩn ở các hồ, đất kiềm  Mỗi nhóm có pH cực tiểu, tối thích, cực đại khác nhau Thiobacillus thiooxydans Actinomycetes Bacillus (vsv ưa acid) (vsv ưa kiềm) (vsv ưa trung tính) Ảnh hưởng pH môi trường 9/11/2013 12 Ảnh hưởng pH môi trường  Môi trường nuôi cấy VSV thường bổ sung chất đệm (như muối của acid yếu, muối của kiềm yếu) để ổn định tính pH khi nuôi cấy.  Phân biệt các nhóm vsv theo nhu cầu oxi cho sinh trưởng của chúng Nhóm vsv Đặc điểm phân biệt Đại diện Hiếu khí bắt buộc Cần ôxi Nhiều VK, hầu hết tảo, nấm, ĐV nguyên sinh Hiếu khí không bắt buộc Có oxi hoặc không có oxi, có oxi thì sinh trưởng tốt hơn Phần lớn nấm men, nhiều Vk Vi hiếu khí Điều kiện áp lực oxi rất thấp ( 0.01-0.03 Ba) Vibrio cholerae, hydrogenomonas,… Kị khí chịu dưỡng Có oxi thì hô hấp hiếu khí, không có oxi thì hô hấp kị khí hoặc lên men Nấm men, bacillus Kị khí Bị chết khi có mặt oxi Clostridium,Enterobac terium,… Ảnh hưởng của O2 9/11/2013 13 Các chất hóa học khác nhau sẽ gây ra những tác động khác nhau đến VSV. Ảnh hưởng của chất diệt khuẩn Ảnh hưởng của chất diệt khuẩn Ảnh hưởng của các yếu tố vật lí - Nhiệt độ - Độ ẩm - Áp lực, áp suất thủy tĩnh và áp suất thẩm thấu - Các tia bức xạ - Sức căng bề mặt - Âm thanh 9/11/2013 14 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM  Hầu hết các quá trìnhghghghh sống của vi khuẩn có liên quan đến nước  độ ẩm không khí và môi trường có ảnh hưởng đến ST-PT của VSV.  VSV sống trong mt thiếu nước → loại nước khỏi tế bào vi khuẩn → trao đổi chất bị giảm → tế bào chết.  Hoạt độ nước (Aw) là lượng nước tự do có trong thực phẩm  phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần hóa học của thực phẩm. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM Làm lạnh Làm khô trong chân không Bảo quản thời gian dài Nguyên tắc đông khô Phơi khô hoặc sấy khô → bảo quản lâu dài nhiều loại sản phẩm (hoa quả khô, cỏ khô, ruốc thịt khô). Ứng dụng: 9/11/2013 15 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phát triển của VSV  Nhiệt độ cao: protein biến tính  hàng loạt enzyme bất hoạt  bất hoạt hóa ARN  Phá hoại màng tế bào  Nhiệt độ thấp: bất hoạt quá trình vận chuyển các chất hòa tan qua màng do:  thay đổi hình không gian của một số permeaza chứa trong màng  ảnh hưởng đến việc hình thành và tiêu thụ ATP cần cho quá trình vận chuyển chủ động. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ 9/11/2013 16 Ảnh hưởng của áp suất thẩm thấu  Ứng dụng tác dụng co sinh chất ở các nồng độ: muối cao (10 – 15%) hoặc đường (50 – 80%) để bào quản thực phẩm và làm mứt… Môi trường ưu trương Môi trường nhược trương - Tế bào mất khả năng rút nước và chất dinh dưỡng. - Tế bào sẽ khô sinh lý, bị co sinh chất và nếu thời gian kéo dài -> chết. - Nước từ môi trường sẽ xâm nhập vào tế bào. - Áp lực bên trong tế bào tăng lên, do thành tế bào vi khuẩn cứng nên không xảy ra hiện tượng vỡ sinh chất Ảnh hưởng của áp suất thủy tĩnh  - Áp suất cao + thể tích tế bào giảm + độ nhớt  nội chất tăng -> bất hoạt 1 số enzym, nhất là  enzym trong quá trình phân chia -> giảm tốc độ  hoặc ngừng phản ứng sinh hóa.  - Áp lực thủy tĩnh cao -> 1 số chức phận của màng tế bào tổn thương.  => Gây tác hại làm chậm hoặc mất khả năng di động, làm ngừng sinh trưởng, làm thay đổi quá trình trao đổi chất. Ảnh hưởng của sức căng bề mặt  - Làm thay đổi đặc tính bề mặt của vi khuẩn: - - Nâng cao tính thấm của thế bào.  - Sử dụng nuôi cấy vi khuẩn kháng acid. Vì vi khuẩn kháng aicd có bề mặt khị nước. Giảm sức căng bề mặt kích tích sinh trưởng của chúng. - - Ngăn cản vi khuẩn gắn lên vật cứng.  - Thêm 1 lượng nhỏ chất hoạt tính bề mặt Tween 80 vào môi trường giúp vi khuẩn khuếch tán đều. - - Sử dụng sát trùng hay tẩy uế.  - Vi khuẩn Gram dương rất mẩn cảm với chất này. 9/11/2013 17  Thay đổi sức căng bề mặt môi trường dịch thể: Các chất hoạt tính bề mặt Các chất nâng cao sức căng bề mặt: đa số là các muối vô cơ. Các chất giảm sưc căng bề mặt: các acid béo, ancohol, saponat và chất với chuỗi cacbon dài, thẳng và thơm. Ảnh hưởng của sức căng bề mặt Ảnh hưởng của sóng âm thanh  Sóng âm thanh, đặc biệt là sóng siêu âm (>20kHz) ảnh hưởng lớn đến vi khuẩn.  Dưới tác dụng của siêu âm, môi trường truyền âm bị xô đi đẩy lại, bị ép và tạo chân không liên tiếp sinh ra nhiều khoảng trống  -- > các chất hòa tan và hơi của chất lỏng lập tức dồn vào các khoảng trống gây ra tác dụng cơ học làm chết vi sinh vật (vỡ vỏ tế bào) -- > một phần chất khí hoà tan bị ion hóa tạo ra nước oxi già, nitro oxid là những chất độc đối với vi sinh vật, nhất là vi khuẩn.  - Các tế bào sinh dưỡng chết nhanh chóng.  - Tế bào non mẫn cảm hơn tế bào già.  - Các loài vi khuẩn khác nhau có sức chịu đựng khác nhau với sóng siêu âm:  Vi khuẩn kháng acid Ảnh hưởng của sóng âm thanh  Ứng dụng:  - Thu nhận các chế phẩm vô bào.  - Tách các enzyme nội bào.  - Phân lập một số thành phần của tế bào: riboxom, thành tế bào, màng tế bào chất.  9/11/2013 18 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TIA BỨC XẠ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TIA BỨC XẠ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TIA BỨC XẠ  Tia bức xạ có bước sóng càng ngắn thì năng lượng càng lớn.  Tia cực tím, tia X và đặc biệt tia phóng xạ có khả năng tiêu diệt VSV rất nhanh  gây tổn thương thành tế bào, DNA, protein cấu trúc, enzyme …  Ứng dụng: tiệt trùng thực phẩm, tạo giống đột biến.