Bài 21: Trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản ở vi sinh vật

I. Quá trình tổng hợp và phân giải các chất ở vi sinh vật

1. Quá trình tổng hợp

- Sinh tổng hợp (quá trình đồng hoá), trong đó tế bào sử dụng năng lượng để liên kết các phân tử đơn giản thành các phân tử hữu cơ phức tạp cần thiết. Vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp tất cả các chất thiết yếu cho tế bào như carbohydrate, protein, nucleic acid và lipid.

a. Tổng hợp carbohydrate

- Nhiều vi sinh vật có khả năng tổng hợp nên một loại đường đơn quan trọng là glucose theo nhiều con đường, trong đó con đường quang hợp là phổ biến và quan trọng nhất.

- Từ glucose, các vi sinh vật tổng hợp nên các đường đa làm nguyên liệu xây dựng tế bào và dự trữ năng lượng.

b. Tổng hợp protein

- Protein được tổng hợp từ các đơn phân là các amino acid. Phần lớn vi sinh vật có khả năng tự tổng hợp được toàn bộ 20 amino acid cần thiết cho sự phát triển, trong khi con người chỉ có thể tổng hợp được 11 amino acid.

c. Tổng hợp lipid

- Lipid là thành phần chính của màng tế bào và màng ngoài của vi khuẩn Gram âm.

- Lipid được tổng hợp từ các acid béo và glycerol.

d. Tổng hợp nucleic acid

- Nucleotide được tổng hợp từ một gốc đường 5 carbon và các amino acid glutamine. glycine, aspartate và phosphoric acid. Các phản ứng đều sử dụng năng lượng từ ATP.

- Nucleic acid được tổng hợp từ các đơn phân là nucleotide qua một quá trình phức tạp.

2. Phân giải các chất

II. Sinh trưởng của quần thể vi khuẩn

1. Nuôi cấy không liên tục

	Quần thể vi khuẩn		Dinh dưỡng
Pha tiềm phát (pha lag)	Vi khuẩn thích ứng dần với môi trường, chúng tổng hợp các enzyme trao đổi chất và DNA, chuẩn bị cho quá trình phân bào.	Mật độ tế bào vi khuẩn trong quần thể gần như không thay đổi.	Dinh dưỡng đầy đủ cho sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn.
Pha luỹ thừa (pha log)	Vi khuẩn phân chia mạnh mẽ.	Mật độ tế bào vi khuẩn trong quần thể tăng nhanh, quần thể đạt tốc độ sinh trưởng tối đa.	Dinh dưỡng đầy đủ nhưng tiêu hao nhanh cho sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn.
Pha cân bằng	Số tế bào sinh ra cân bằng với số tế bào chết đi.	Mật độ tế bào vi khuẩn trong quần thể hầu như không thay đổi.	Dinh dưỡng bắt đầu thiếu hụt cho sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn.
Pha suy vong	Số tế bào chết đi hoặc bị phân huỷ nhiều hơn số tế bào sinh ra.	Mật độ tế bào vi khuẩn trong quần thể bắt đầu suy giảm.	Dinh dưỡng cạn kiệt và các chất độc hại cho sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn tích tự tăng dần.

2. Nuôi cấy liên tục

- Trong mô hình nuôi cấy lớn, thường xuyên được bổ sung chất dinh dưỡng và loại bỏ các sản phẩm trao đổi chất, môi trường nuôi cấy như vậy được gọi là môi trường nuôi cấy liên tục.

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của quần thể vi sinh vật

1. Các yếu tố vật lí

Yếu tố	Ảnh hưởng	Ứng dụng
Nhiệt độ	- Vi sinh vật ưa lạnh (dưới 15 oC). - Vi sinh vật ưa ấm (từ 20 oC đến 40 oC). - Vi sinh vật ưa nhiệt (từ 55 oC đến 65 oC). - Vi sinh vật siêu ưa nhiệt (từ 75 oC đến 100 oC).	Con người dùng nhiệt độ cao để thanh trùng các chất lỏng, thực phẩm, dụng cụ,...; nhiệt độ thấp để kìm hãm sinh trưởng của vi sinh vật.
Độ ẩm	Hàm lượng nước trong môi trường quyết định độ ẩm. Nước là dung môi hoà tan các chất dinh dưỡng, tham gia phân huỷ các chất. Mỗi loại vi sinh vật sinh trưởng trong một giới hạn độ ẩm nhất định.	- Dùng nước để khống chế sinh trưởng của nhóm vi sinh vật có hại và kích thích sinh trưởng của nhóm vi sinh vật có ích do con người. - Điều chỉnh độ ẩm của lượng thực, thực phẩm, đồ dùng để bảo quản được lâu hươn bằng cách phơi khô, sấy khô.
Độ pH	Ảnh hưởng đến tính thấm qua màng, sự chuyển hoá các chất trong tế bào, hoạt hoá enzyme, sự hình thành ATP... Dựa vào độ pH của môi trường, vi sinh vật được chia thành 3 nhóm: - Vi sinh vật ưa acid. - Vi sinh vật ưa kiềm. - Vi sinh vật ưa pH trung tính.	- Tạo điều kiện nuôi cấy thích hợp với từng nhóm vi sinh vật. - Điều chỉnh độ pH môi trường để ức chế các vi sinh vật gây hại và kích thihcs các vi sinh vật có lợi.
Ánh sáng	Cần thiết cho quá trình quang hợp của các vi sinh vật quang tự dưỡng, tác động đến bào tử sinh sản, tổng hợp sắc tố, chuyển động hướng sáng.	Dùng bức xạ điện từ để ức chế, tiêu diệt vi sinh vật.
Áp suất thẩm thấu	- Áp suất thẩm thấu cao gây co nguyên sinh ở các tế bào vi sinh vật khiến chúng không phân chia được.  - Áp suất thẩm thấu thấp làm các tế bào vi sinh vật bị trương nước và có thể vỡ ra (đối với các vi khuẩn không có thành tế bào).	Điều chỉnh áp suất thẩm thấu để bảo quản thực phẩm như ướp muối, ướp đường,...

2. Các yếu tố hoá học

a. Chất dinh dưỡng

- Các loài sinh vật chỉ có thể tồn tại và sinh sản trong môi trường có các chất dinh dưỡng như protein, lipid, carbohydrate, ion khoáng,...

- Một số vi sinh vật chỉ sinh trưởng được khi có mặt các nhân tố sinh trưởng trong môi trường. Nhân tố sinh trưởng là những chất cần thiết cho sự sinh trưởng của chúng nhưng với hàm lượng rất ít.

- Dựa vào khả năng tổng hợp các nhân tố sinh trưởng, vi sinh vật được chia thành hai loại:

• Vi sinh vật khuyết dưỡng: không tự tổng hợp được các nhân tố sinh trưởng.
• Vi sinh vật nguyên dưỡng: tự tổng hợp được các nhân tố sinh trưởng.

b. Chất ức chế

Chất hoá học	Ảnh hưởng	Ứng dụng
Các hợp chất phenol	Biến tính protein, màng tế bào	Khử trùng phòng thí nghiệm, bệnh viện
Các loại cồn (ethanol, izopropanol 70% đến 80%)	Làm biến tính protein, ngăn cản các chất qua màng tế bào	Thanh trùng trong y tế và phòng thí nghiệm
Iodine, rượu iodine (2%)	Oxy hoá các thành phần tế bào	Diệt khuẩn trên da, tẩy trùng trong bệnh viện
Clo (cloramin, natri hypiclorid)	Oxy hoá mạnh các thành phần tế bào	Thanh trùng nước máy, nước bể bơi, công nghiệp thực phẩm
Hợp chất kim loại nặng	Làm bất hoạt các protein	Diệt bào tử đang nảy mầm
Các aldehyde	Làm bất hoạt các protein	Sử dụng để thanh trùng nhiều đối tượng
Các loại khí ethyene oxide (từ 10% đến 20%)	Oxy hoá các thành phần tế bào	Khử trùng các dụng cụ nhựa, kim loại
Kháng sinh	Diệt khuẩn có tính chọn lọc	Dùng chữa các bệnh nhiễm khuẩn trong y tế, thú y,...

3. Kháng sinh, ý nghĩa của kháng sinh và tác hại của việc lạm dụng kháng sinh

- Kháng sinh ức chế và tiêu diệt vi khuẩn theo nhiều cơ chế khác nhau. 

→ Con người đã phát triển và sử dụng rỗng rãi các loại thuốc kháng sinh để điều trị các bệnh gây ra bởi vi khuẩn, giúp cứu sống nhiều người và thúc đẩy chăn nuôi.

- Hiện tượng kháng lại thuốc kháng sinh ở vi khuẩn đang là mối lo ngại lớn đối với toàn nhân loại. Nguyên nhân chính là do việc sử dụng thuốc kháng sinh không đúng theo chỉ định của bác sĩ hoặc do bệnh nhân tự ý dùng thuốc.

- Việc sử dụng rộng rãi thuốc kháng sinh trong chăn nuôi làm tăng nguy cơ xuất hiện vi khuẩn kháng thuốc, thậm chí đa kháng thuốc trên vật nuôi. Những vi khuẩn này có thể được truyền sang người và gene kháng kháng sinh có thể được truyền sang vi khuẩn gây bệnh ở người.

- Để kéo dài hiệu quả điều trị bệnh của thuốc kháng sinh cũng như làm chậm quá trình kháng lại thuốc kháng sinh ở vi khuẩn gây bệnh, chúng ta cần tuân thủ triệt để quy trình điều trị bệnh bằng thuốc kháng sinh, hạn chế tối đa sử dụng thuốc kháng sinh trong chăn nuôi, đặc biệt là việc dùng chúng với vai trò như là một chất kích thích tăng trưởng.

IV. Các hình thức sinh sản ở vi sinh vật

1. Phân đôi

- Phân đôi là hình thức sinh sản phổ biến ở vi sinh vật, trong đó một tế bào mẹ phân chia thành hai tế bào con giống nhau.

2. Sinh sản bằng bào tử

- Nấm có khả năng sinh sản bằng bào tử dạng vô tính hoặc hữu tính, vi khuẩn cũng có thể sinh sản nhờ các ngoại bào tử.

- Có nhiều loại bào tử khác nhau như bào tử đính ở nấm, bào tử tiếp hợp ở nấm tiếp hợp, ngoại bào tử hay bào tử đốt ở xạ khuẩn. Tất cả các bào tử sinh sản ở vi khuẩn đều chỉ có các lớp màng, không có vỏ và không tìm thấy hợp chất calcium dipicolinate.

3. Nảy chồi

- Nảy chồi là phương thức sinh sản vô tính đặc trưng của một số ít vi sinh vật như vi khuẩn quang dưỡng màu tía, nấm men.

- Một các thể con sẽ dần hình thành ở một phía của cá thể mẹ. Cá thể con sau khi trưởng thành sẽ tách ra thành một cá thể độc lập.

1. Vi sinh vật có khả năng tự tổng hợp các đại phân tử hữu cơ cần thiết cho cơ thể như các đường đa, protein, nucleic acid và lipid từ các chất đơn giản hấp thụ từ môi trường.

2. Các vi sinh vật tiết enzyme phân giải các chất hữu cơ phức tạp trong môi trường thành các chất đơn giản rồi hấp thụ vào tế bào, một phần các chất này tiếp tục được phân giải theo kiểu hô hấp hay lên men.

3. Sinh trưởng của quần thể vi khuẩn chỉ sự tăng lên về mặt số lượng tế bào trong quần thể. Trong môi trường nuôi cấy không liên tục, quần thể vi khuẩn sinh trưởng theo bốn pha cơ bản: pha tiềm phát, pha luỹ thừa, pha cân bằng, pha suy vong. Trong môi trường nuôi cấy liên tục, mật độ vi khuẩn trong quần thể được giữ ở mức tối ưu để cho năng suất sản phẩm cao nhất.

4. Sự sinh trưởng của vi sinh vật chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố vật lí và hoá học, kháng sinh.

5. Vi sinh vật có ba hình thức sinh sản chính là phân đôi, sinh sản bằng bào tử (vô tính hoặc hữu tính) và hình thức nảy chồi.