Hệ thống kiến thức phần dinh dưỡng, chuyển hóa vật chất và năng lượng ở vi sinh vật bồi dưỡng học sinh giỏi

Nội dung tài liệu: Hệ thống kiến thức phần dinh dưỡng, chuyển hóa vật chất và năng lượng ở vi sinh vật bồi dưỡng học sinh giỏi

1. MẪU 4 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN ĐỀ NGHỊ CÔNG NHẬN SÁNG KIẾN Kính gửi1: Hội đồng sáng kiến trường THPT chuyên Bắc Giang Tôi (chúng tôi) ghi tên dưới đây 2: Số Họ và tên Ngày Nơi công tác Chức danh Trình độ Tỷ lệ (%) và nội dung đóng TT tháng chuyên góp vào việc tạo ra sáng kiến năm môn (nếu là nhóm tác giả SK) sinh Tỷ lệ (%) Nội dung đóng góp vào việc tạo ra sáng kiến (ghi rõ nội dung công việc cụ thể tham gia của đồng tác giả sáng kiến “nếu có”) 01 Nguyễn Thị 25/ 3/ THPT Chuyên Giáo viên Thạc sĩ 50% Hải Yến 1977 Bắc Giang sinh học 02 Phạm Thị 24/06/1 Trường THPT Giáo viên Thạc sĩ 50% - Xây dựng kế Ngọc Khánh 981 Chuyên Bắc sinh học hoạch, nội dung, Giang khảo sát, đánh giá kết quả. Là tác giả (nhóm tác giả) đề nghị xét công nhận sáng kiến: 1. Tên sáng kiến: Hệ thống kiến thức phần dinh dưỡng, chuyển hóa vật chất và năng lượng ở vi sinh vật bồi dưỡng học sinh giỏi. Điện thoại liên hệ của tác giả sáng kiến (hoặc đại diện nhóm tác giả sáng kiến) Nguyễn Thị Hải Yến. Điện thoại: 0978580152. Email: nthyen.cbg@bacgiang.edu.vn Phạm Thị Ngọc Khánh. Điện thoại:0984156676. Email: ptnkhanh.cbg@bacgiang.edu.vn 2. Lĩnh vực áp dụng sáng kiến3: Giáo dục và đào tạo. 3. Ngày sáng kiến được áp dụng lần đầu hoặc áp dụng thử: 09-12/2022. 4. Các tài liệu kèm theo: 4.1. Thuyết minh mô tả giải pháp và kêt quả thực hiện sáng kiến: 01 cuốn 4.2. Quyết định công nhận sáng kiến: Quyết định số../...............................ngày../../ của Hội đồng sáng kiến cấp................. 4.3. Biên bản họp Hội đồng sáng kiến cấp: .. Bắc Giang, ngày 01 tháng 03 năm 2023 Đại diện nhóm tác giả sáng kiến Nguyễn Thị Hải Yến Phạm Thị Ngọc Khán 1 1. Hội đồng sáng kiến trường/trung tâm.. (SK đề nghị công nhận cấp cơ sở); Hội đồng sáng kiến ngành giáo dục (SK đề nghị công nhận ngành GD). 1
2. MẪU 5 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THUYẾT MINH MÔ TẢ GIẢI PHÁP VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN SÁNG KIẾN 1.Tên sáng kiến : Hệ thống kiến thức phần dinh dưỡng, chuyển hóa vật chất và năng lượng ở vi sinh vật bồi dưỡng học sinh giỏi. 2.Ngày sáng kiến được áp dụng lần đầu hoặc áp dụng thử: 09-12/2022. 3.Các thông tin cần bảo mật (nếu có): không. 4.Mô tả các giải pháp cũ thường làm (Nêu rõ tên giải pháp, tình trạng và nhược điểm, hạn chế của giải pháp cũ): Nhược điểm, hạn chế của giải pháp cũ: + Tài liệu phục vụ giảng dạy như sách giáo khoa và sách tham khảo còn hạn chế. + Chưa có hệ thống lý thuyết chi tiết, chuyên sâu về vấn đề nghiên cứu. + Nội dung kiến thức, câu hỏi chưa đầy đủ, chưa cập nhật. 5. Sự cần thiết phải áp dụng giải pháp sáng kiến: Nội dung kiến thức trong sách giáo khoa và sách tham khảo còn sơ sài, không có hệ thống, không đáp ứng cho việc bồi dưỡng học sinh giỏi của lớp chuyên và đội tuyển HSGQG. Nhằm mục đích giúp các em học sinh có kiến thức chuyên sâu hơn về phần này, qua đó để các em có nền tảng tốt theo học đội tuyển HSG. Chúng tôi biên soạn chuyên đề theo cấu trúc mới một cách chi tiết, cơ bản, tổng hợp và chuyên sâu, cùng một số dạng bài tập và câu hỏi mà các em sẽ gặp phải khi làm đề thi HSG các cấp với hy vọng làm tài liệu đọc và ôn tập cho các em học sinh trong đội tuyển học sinh giỏi. 6. Mục đích của giải pháp sáng kiến (Nêu rõ mục đích khắc phục các nhược điểm của giải pháp cũ hoặc mục đích của giải pháp mới do mình tạo ra): Là tư liệu giảng dạy lớp chuyên và bồi dưỡng học sinh giỏi tham gia các kỳ thi, đặc biệt là kỳ thi HSGQG. 2
3. 7. Nội dung: Thuyết minh giải pháp mới hoặc cải tiến Bước 1: Yêu cầu học sinh tự nghiên cứu lý thuyết về nội dung chuyên đề Bước 2: Giáo viên giảng dạy, tương tác với HS về lý thuyết nội dung chuyên đề Bước 3: Giáo viên giao bài tập về nhà cho HS dựa trên nội dung câu hỏi, bài tập đã xây dựng. Bước 4: HS làm bài tập, báo cáo trước lớp; GV chữa và hoàn chỉnh các câu hỏi bài tập cần trả lời Bước 5: GV kiểm tra, đánh giá HS PHẦN I: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU A. KIẾN THỨC CƠ BẢN I. Các chất dinh dưỡng của vi sinh vật 1. Các chất dinh dưỡng cần thiết 1.1. Nguyên tố đa lượng C, H, O, N, P, S và K. Các nguyên tố này có mặt trong tất cả các hợp chất (như protein, axit nucleic ) cấu tạo nên các chất vô cơ và hữu cơ của tế bào, cơ thể vi sinh vật. Riêng các nguyên tố C, H, O, N chiếm tới 90% đến 96% toàn bộ chất khô của tế bào. 1.2. Nguyên tố vi lượng Gồm các nguyên tố mà vi sinh vật cần với hàm lượng rất nhỏ nhưng không thể thiếu cho sự tăng trưởng, sinh sản của vi sinh vật. Các nguyên tố đó tham gia vào cấu tạo enzim, hoạt hóa enzim đóng vai trò quan trọng trong các quá trình chuyển hóa. Ví dụ như: Mo, Mn... 3
4. Lượng các nguyên tố cần ở các vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Trong các điều kiện nuôi cấy khác nhau, tương ứng với các giai đoạn phát triển khác nhau, lượng các nguyên tố cần trong cùng một loài vi sinh vật cũng không giống nhau. 1.3. Nhu cầu về chất sinh trưởng của vi sinh vật Một số vi sinh vật muốn phát triển cần phải được cung cấp những chất sinh trưởng nhất định gọi là nhân tố sinh trưởng. Nhân tố sinh trưởng là những chất hữu cơ cần thiết cho hoạt động sống của một loài vi sinh vật nào đó mà chúng không tự tổng hợp được từ các chất khác. Như vậy những chất được coi là nhân tố sinh trưởng của loại vi sinh vật này hoàn toàn có thể không phải là nhân tố sinh trưởng đối với một loại vi sinh vật khác. Vi sinh vật tự dưỡng và một số vi sinh vật dị dưỡng (như Escherichia coli) thậm chí có thể sinh trưởng mà không cần bất kỳ nhân tố sinh trưởng nào. Mặt khác, cùng một loài vi sinh vật nhưng nhu cầu đối với nhân tố sinh trưởng cũng thay đổi tuỳ theo điều kiện môi trường. Ví dụ Mucor rouxii khi sinh trưởng trong điều kiện kị khí thì cần thiamin (B1) và biotin (H), nhưng trong điều kiện hiếu khí thì lại tự tổng hợp được các vitamin này. Thông thường, bổ sung vào môi trường các chất hữu cơ như cao nấm men, cao thịt, dịch đun động thực vật (nhộng, giá đỗ ) là có thể đáp ứng được nhu cầu về nhân tố sinh trưởng. Nhân tố sinh trưởng đối với một loại vi sinh vật nào đó có thể là một trong các chất sau đây: các gốc kiềm purin, pirimidin và các dẫn xuất của chúng, các axit amin, các vitamin thông thường... 2. Các nguồn dinh dưỡng thường sử dụng trong nuôi cấy vi sinh vật. 2.1. Nguồn thức ăn cacbon của vi sinh vật Căn cứ vào nguồn thức ăn cacbon người ta chia sinh vật thành các nhóm tự dưỡng và dị dưỡng. Tuỳ nhóm vi sinh vật mà nguồn cacbon được cung cấp có thể là các chất vô cơ (CO2...) hoặc chất hữu cơ (C6H12O6 ). Thường sử dụng cacbohydrat làm nguồn cacbon khi nuôi cấy phần lớn các vi sinh vật dị dưỡng. Ví dụ: Xenlulo được đưa vào các môi trường nuôi cấy vi sinh vật phân giải xenlulo dưới dạng giấy lọc, bông hoặc các dạng xenlulo; Trong công nghiệp lên men, rỉ đường là nguồn cacbon rẻ tiền và rất thích hợp cho sự phát triển của nhiều loại vi sinh vật khác nhau. 4
5. Ngoài ra, người ta có thể sử dụng các nguồn hữu cơ khác như lipit, protein làm nguồn cacbon. Ví dụ: Khi sử dụng lipit, parafin, dầu mỏ... làm nguồn cacbon nuôi cấy một số loài vi sinh vật, phải thông khí mạnh để tạo từng giọt nhỏ có thể tiếp xúc được với thành tế bào của vi sinh vật. Các hợp chất hữu cơ chứa cả C và N (pepton, nước thịt, nước chiết ngô, nước chiết nấm men, nước chiết đại mạch, nước chiết giá đậu...) có thể sử dụng vừa làm nguồn C vừa làm nguồn N đối với vi sinh vật. 2.2. Nguồn thức ăn nitơ của vi sinh vật - + + Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi sinh vật là NO3 và NH . 4NH4 sau khi được - tế bào hấp thu có thể được trực tiếp sử dụng, còn NO3 sau khi được hấp thụ cần + khử thành NH4 rồi mới được vi sinh vật sử dụng. Muối nitrat là nguồn thức ăn nitơ thích hợp đối với nhiều loại tảo, nấm sợi và xạ khuẩn nhưng ít thích hợp đối với nhiều loại nấm men và vi khuẩn. Thường sử dụng muối NH4NO3 để làm nguồn nitơ cho nhiều loại vi sinh vật. Nguồn nitơ dự trữ nhiều nhất trong tự nhiên chính là nguồn khí nitơ tự do (N2) trong khí quyển. Vi sinh vật còn có khả năng đồng hoá rất tốt nitơ chứa trong các thức ăn hữu cơ. Nguồn nitơ hữu cơ thường được sử dụng để nuôi cấy vi sinh vật là pepton loại chế phẩm thuỷ phân không triệt để của một nguồn protein nào đấy. 2.3. Nguồn thức ăn khoáng của vi sinh vật Khi tạo các môi trường tổng hợp (dùng nguyên liệu là hoá chất) bắt buộc phải bổ sung đủ các nguyên tố khoáng cần thiết. Nhu cầu khoáng của vi sinh vật cũng không giống nhau đối với từng loài, từng giai đoạn phát triển. II. Phân loại môi trường nuôi cấy vi sinh vật Kiểu nuôi cấy chỉ chứa một loại vi sinh vật được gọi là nuôi cấy thuần khiết, còn nuôi cấy hỗn hợp là kiểu nuôi cấy chứa nhiều hơn một loại vi sinh vật. Các bước cần thiết cho nuôi cấy vi sinh vật như sau: - Chuẩn bị môi trường nuôi cấy phù hợp với vi sinh vật, giúp cho sự sinh trưởng tốt nhất. - Tiệt trùng môi trường nuôi trước đó để loại bỏ các sinh vật sống không mong muốn có sẵn trong môi trường nuôi cấy. 5
6. - Cấy vi sinh vật vào môi trường đã chuẩn bị. Thông thường môi trường nuôi cấy được chuẩn bị trong các bình nuôi phổ biến như ống nghiệm, bình tam giác, đĩa petri, nồi lên men Môi trường dinh dưỡng thường khác nhau về tỷ lệ thành phần các chất dinh dưỡng. Ngoài ra về trạng thái môi trường nuôi cấy có hai dạng phổ biến là dạng rắn và dạng lỏng, dạng lỏng thường được áp dụng cho hệ thống nuôi cấy liên tục trong công nghiệp. * Căn cứ vào thành phần môi trường ta có 3 loại môi trường nuôi cấy: môi trường tự nhiên, môi trường tổng hợp, môi trường bán tổng hợp. Các loại môi trường này khác nhau rất nhiều về hình thức và thành phần tùy theo loài vi sinh vật cần nuôi cấy cũng như tùy thuộc vào mục đích của công tác nuôi cấy. 1. Môi trường nuôi cấy tự nhiên Môi trường thuộc nhóm này được phân lập ra dựa trên kinh nghiệm hơn là dựa vào sự hiểu biết về thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật nuôi cấy. Các môi trường tự nhiên được dùng phổ biến là: sữa, nước thịt bò, nước các loại rau củ hoặc ngũ cốc Các loại môi trường này thường chứa đựng nhiều chất hữu cơ và vô cơ tan trong nước có thể đáp ứng yêu cầu về dưỡng chất của một số lớn vi sinh vật (không phải là tất cả). Ưu điểm: Dễ chuẩn bị và có thể sử dụng cho nhiều mục đích thông thường trong nghiên cứu vi sinh vật. Nhược điểm của loại môi trường tự nhiên là không biết chính xác thành phần dinh dưỡng cũng như thành phần dinh dưỡng của những lần chuẩn bị khác nhau sẽ rất khác nhau. Do đó kết quả nuôi cấy của các lần chuẩn bị môi trường khác nhau có thể sẽ không giống nhau. 2. Môi trường nuôi cấy tổng hợp Để khắc phục nhược điểm của môi trường nuôi cấy tự nhiên, người ta đã thiết lập các môi trường nuôi cấy tổng hợp, trong đó các thành phần dinh dưỡng của môi trường được xác định rõ về số lượng và chất lượng. Ưu điểm của các loại môi trường nuôi cấy tổng hợp là ta có thể biết rõ cũng như điều khiển thành phần dinh dưỡng của môi trường một cách dễ dàng. Với biện pháp tăng thêm hoặc bỏ bớt chất dinh dưỡng trong môi trường, chúng ta có thể biết rõ tác động của chất dinh dưỡng đối với vi sinh vật. Ngoài ra, đây là loại môi trường rất chính xác nhờ đó tránh được sự thay đổi trong các lần chuẩn bị môi trường, 6
7. cũng như sẽ là môi trường rất tốt cho các loại vi sinh vật đã được biết rõ nhu cầu dinh dưỡng của chúng. Nhược điểm của môi trường tổng hợp là giá thành cao, chuẩn bị khá phức tạp và mất thời gian hơn đối với môi trường tự nhiên và chỉ sử dụng cho từng loài vi sinh vật xác định được nhu cầu dinh dưỡng. Trường hợp vi sinh vật chưa xác định, không thể nuôi cấy trên môi trường loại này một cách bảo đảm. Kiểu môi trường này thích hợp sử dụng trong phạm vi phòng thí nghiệm. 3. Môi trường nuôi cấy bán tổng hợp Môi trường nuôi cấy bán tổng hợp là môi trường nuôi cấy tự nhiên được bổ sung thêm với một số chất dinh dưỡng được xác định. Ví dụ: khi nuôi cấy vi khuẩn Xanthomonas campestris pv. oryzae người ta thường dùng môi trường tự nhiên. Tuy nhiên trong lúc cần phân lập và tách dòng vi khuẩn từ một tế bào thì vi khuẩn này mọc không được tốt trên môi trường đó. Để thực hiện công tác này người ta phải thêm vào môi trường một số lượng rất nhỏ Fe. Vi khuẩn sẽ mọc thành các khuẩn lạc rất tốt trên môi trường mới này. * Căn cứ vào trạng thái của môi trường, người ta chia thành môi trường đặc và môi trường lỏng. - Môi trường đặc: là loại môi trường được làm đông đặc lại nhờ có bổ sung thêm thạch (agar), gelatin hay silica gel. - Môi trường lỏng là các môi trường không bổ sung các chấy làm đông đặc môi trường. Để thông khí phải dùng tới máy lắc hay các nồi lên men có hệ thống thổi khí vô trùng và hệ thống khuấy đảo làm tan đều bọt khí. Môi trường lỏng ngoài việc sử dụng trong nghiên cứu tại phòng thí nghiệm còn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất lớn tại các nhà máy lên men công nghiệp. III. Các kiểu dinh dưỡng ở vi sinh vật Vi sinh vật có thể được chia thành các loại khác nhau về kiểu dinh dưỡng. Các cơ thể hấp thu năng lượng từ ánh sáng được gọi là quang dưỡng và các cơ thể hấp thu năng lượng từ các hợp chất hóa học được gọi là hóa dưỡng. Các cơ thể chỉ cần các hợp chất vô cơ như CO2 làm nguồn cacbon được gọi là tự dưỡng. Trái lại các cơ thể dị dưỡng đòi hỏi ít nhất một chất dinh dưỡng hữu cơ như glucô để hình thành các hợp chất hữu cơ khác. Kết hợp các khả năng trên về nguồn năng lượng và nguồn 7
8. cacbon người ta chia các hình thức dinh dưỡng thành 4 kiểu được tóm tắt ở sơ đồ dưới đây: Hóa học Nguồn năng lượng Ánh sáng HÓA DƯỠNG QUANG DƯỠNG Nguồn Cacbon Nguồn Cacbon Chất hữu cơ CO2 Chất hữu cơ CO2 HÓA DỊ DƯỠNG HÓA TỰ DƯỠNG QUANG DỊ DƯỠNG QUANG TỰ DƯỠNG Nấm, động vật Các vi khuẩn oxi Vi khuẩn Vi khuẩn lam, tảo nguyên sinh, hóa hidro, vi không chứa đơn bào, vi khuẩn phần lớn vi khuẩn nitrat hóa, lưu huỳnh lưu huỳnh màu khuẩn không vi khuẩn sắt, vi màu lục, màu lục, màu tía. quang hợp. khuẩn oxi hóa tía lưu huỳnh. 1. Các con đường trao đổi chất cơ bản ở vi sinh vật tự dưỡng 1.1. Quang tự dưỡng (quang hợp): Quang hợp là quá trình sử dụng năng lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu cơ từ các nguyên liệu vô cơ. Quá trình quang hợp ở vi khuẩn tương tự như ở thực vật, cũng gồm hai pha: pha sáng (pha quang photphoril hóa) và pha tối (pha cố định CO2). Ở pha sáng: năng lượng ánh sáng được truyền sang ATP; electron từ nguồn vô cơ (chất cho e) truyền sang NADP+, khử NADP+ thành NADPH. Tuy nhiên vi khuẩn quang hợp được chia thành hai loại: vi khuẩn quang hợp thải oxi và vi khuẩn quang hợp không thải oxi. Sự khác nhau giữa hai loại quang hợp này được thể hiện trong bảng sau: Tiêu chí phân biệt QUANG TỰ DƯỠNG Quang hợp thải oxi Quang hợp không thải oxi Đại diện Vi khuẩn lam, tảo lục Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục, 8
9. màu tía Sắc tô quang hợp Chlorophin a Khuẩn diệp lục Quang hệ II Có Không Chất cho electron H2O H2S hoặc S Giải phóng oxi Có Không Sản phẩm tạo thành ATP và NADH ATP Quang hợp thải oxi ở vi khuẩn lam và tảo lục giống như ở thực vật, phương trình tổng quát có dạng như sau: CO2 + H2O (ánh sáng)  (CH2O) + O2. Quang hợp không thải oxi đã được Van Niel chứng minh năm 1931 và đưa ra phương trình chung: CO2 + 2H2A (ánh sáng)  (CH2O) + H2O + 2A. Trong đó: H2A là chất cho điện tử, ở vi khuẩn lưu huỳnh là H2S, do đó khi oxi hóa H2S sẽ dẫn đến giải phóng S hoặc H2SO4: CO2 + 2H2S (ánh sáng)  (CH2O) + H2O + 2S 2CO2 + H2S + 2H2O (ánh sáng)  2(CH2O) + H2SO4 Ngoài ra nhóm vi khuẩn này còn có thể dùng S làm chất cho điện tử: 3CO2 + 2S + 5H2O (ánh sáng)  3(CH2O)+ 2H2SO4. Năng lượng thu được từ quá trình quang photphoril hóa được vi sinh vật tự dưỡng dùng để cố định CO2 ở pha tiếp theo. 1.2. Hóa tự dưỡng: Hóa tự dưỡng là quá trình sử dụng năng lượng hóa học từ các chất vô cơ như 2+ H2S, NH3, Fe ... để tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ là CO2 . (Vi khuẩn hóa tự dưỡng dùng chu trình Canvin để cố định CO2 tạo ra chất hữu cơ nhờ năng lượng của các phản ứng oxi hóa) Kiểu dinh dưỡng này chỉ có ở một số sinh vật nhân sơ ( vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn oxi hóa hidro, vi khuẩn oxi hóa S, vi khuẩn mêtan ) Phương trình tổng quát: A (Chất vô cơ) + O2 -> AO2 + Q CO2 + RH2 + Q -> chất hữu cơ ( Trong dó Q là năng lượng của các phản ứng oxi hóa khử tạo ra, RH2 là chất cho hidro) Các nhóm vi khuẩn hóa tổng hợp 9
10. * Vi khuẩn nitrat hóa gồm 2 nhóm chủ yếu: Nitrosomonas và Nitrobacter - Nhóm vi khuẩn Nitrosomonas oxi hóa NH3 thành nitrit NH3 + O2 -> HNO2 + 2H2O + 158 kcal ( 6% năng lượng được VK sử dụng để tổng hợp Glucozo từ CO2) - Các vi khuẩn Nitrobacter oxi hoá nitrit thành nitrat HNO2 + O2 -> HNO3 + 38 kcal ( 7 % năng lượng được VK sử dụng để tổng hợp Glucozo từ CO2) * VK nitrat hóa có vai trò quan trọng trong tự nhiên: Chuyển hóa N thành dạng dễ tiêu cung cấp cho cây trồng. * Vi sinh vật cổ dinh dưỡng mêtan CH4 + O2 -> CO2 + H2O + Q * Vi khuẩn oxi hóa Fe: oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ FeCO3 + O2 + H2O -> Fe( OH)3 + 4CO2 + Q Một phần NL được VK sử dụng để tổng hợp chất hữu cơ. Nhờ hoạt động của nhóm vi khuẩn này mà Fe(OH)3 kết tủa dần dần tạo ra các mỏ sắt. * Vi khuẩn oxi hóa hidro H2 + O2 ----> H2O + Q * Vi khuẩn oxi hóa hợp chất chứa S H2S + O2-- -----> H2O + 2S +Q 2S + H2O + O2 -----> H2SO4 +Q CO2 + H2S + Q --------> C6H12O6 + H2O +2S * Hoạt động của nhóm vi khuẩn này đã phần làm sạch môi trường nước. 2. Các con đường trao đổi chất cơ bản ở vi sinh vật dị dưỡng 2.1. Hóa dị dưỡng Là kiểu dinh dưỡng mà cơ thể dị dưỡng thu nhận nguồn cacbon từ các phân tử hữu cơ như đường, protein, chất béo. Chúng oxi hóa các chất hữu cơ để thu nhận năng lượng và cacbon xây dựng tế bào. 10
11. Oxi hóa các chất hữu cơ để thu nhận năng lượng và các sản phẩm hữu cơ trung gian được tiến hành thông qua quá trình hô hấp hiếu khí hoặc hô hấp kị khí hoặc lên men tùy từng nhóm sinh vật. - Có O2: hô hấp hiếu khí: Quá trình vận chuyển e và photon qua màng, chất nhận điện tử cuối cùng là oxi Không có O2: + Hô hấp kỵ khí:Quá trình vận chuyển e- và photon qua màng, chất nhận điện tử cuối cùng là chất vô cơ ( oxi liên kết) + Lên men: Sự vận chuyển e- và photon không qua màng chất nhận điện tử cuối cùng là chất hữu cơ. a.Hô hấp hiếu khí Các giai đoạn - Phân giải đường thành axit pyruvic ( VSV phân giải theo nhiều con đường: con đường đường phân, con đường pentozophotphat, con đường Entner- Doudoroff). Trong đó phổ biến nhất là con đường đường phân. + + Nguyên liệu: Đường Glucozo C6H12O6, NAD , Pv + Sản phẩm: 2 a pyruvic, 2ATP, 2 NADH + Vị trí xảy ra: TBC - Chu trình Crep ( Chu trình axit tricacboxylic): + 1Axit pyruvic biến đổi thành 1 axetyl-CoA tạo 1CO2 và 1 NADH + Axetyl- CoA đi vào chu trình Crep tạo 2 CO2, 3NADH, 1FADH, 1ATP. => Tính từ 2 a pyruvic đi vào chu trình Crep tạo 6CO2, 8 NADH, 2FADH, 2ATP + Vị trí xảy ra: Chất nền của ty thể - Chuỗi truyền e và photphorin hóa oxi hóa. + Nguyên liệu: 10NADH, 2FADH, O2 + + + Sản phẩm: H2O, NAD , FAD , 34ATP. + Vị trí xảy ra: Màng trong của ty thể Hiệu quả năng lượng: TB thu 38 ATP. 11
12. b. Hô hấp kỵ khí - Các giai đoạn: Đường phân, chu trình Crep, chuỗi truyền điện tử -Trong hô hấp kỵ khí chất nhận e cuối cùng không phải là O2 mà là các hợp chất của oxi. - - Nếu chất nhận e cuối cùng là NO3 : Hô hấp nitrat ( xảy ra ở VK phản nitrat hóa) - - - - + - + NO3 bị khử thành NO2 : NO3 +2e + 2H -> NO2 + H2O - + NO2 bị khử thành NO -> N2O -> N2 - Nếu chất nhận điện tử cuối cùng là SO42-: Hô hấp sunfat ( xảy ra ở VK khử sunfat) 2- - + SO4 + 8e + 8H -> H2S + 4H2O 2- - Nếu chất nhận e cuối cùng là CO2 ( CO3 ): Hô hấp cacbonnat ( xảy ra ở VSV cổ sinh mêtan) - + CO2 + e + H -> CH4 + H2O Hiệu quả năng lượng: TB thu 25-30 ATP c. Lên men - Lên men rượu - Lên men lactic Hiệu quả năng lượng: TB thu 2ATP * Định nghĩa lên men theo nghĩa rộng và nghĩa hẹp - Theo nghĩa rộng:Là quá trình phân giải các chất để thu năng lượng nhờ hoạt động sống của VSV. - Theo nghĩa hẹp:Là quá trình phân giải kỵ khí các chất để thu năng lượng, trong đó hidro được tách ra từ một cơ chất và được vận chuyển đến chất nhận điện tử cuối cùng là chất hữu cơ. *. Bản chất của quá trình lên men + Giai doạn 1: Đường phân axit pyruvic + Giai doạn 2: Axit pyruvic chất hữu cơ đơn giản +CO2 + Q Tuỳ theo sản phẩm lên men phân chia thành các loại lên men khác nhau * Lên men rượu 12
13. Khái niệm: Là quá trình phân giải kỵ khí glucozơ thành rượu etylic nhờ nấm men hoặc một số VSV khác theo PTTQ: C6H12O6 C2H5OH +CO2 + Q Nguyên liệu: tinh bột, đường Tác nhân: nấm sợi, nấm men, một số VK Các giai đoạn của quá trình lên men: Nsợi Nmen Chưng cất TB ----- Đường ------ Rượu------------ -- Rượu uống Cơ chế của quá trình lên men rượu đường phân Glucoza-------------------- axit pyruvic NAD NADH2 CO2 Etylic <----------------------axetaldehyt alcoolđehydrogena Hiệu ứng Pasteur: Là sự ức chế quá trình lên men rượu khi có oxi Nguyên nhân: Khi có O2, O2 sẽ lấy mất NADH Enzym alcoolđehydrogena bị bất hoạt lượng etanol giảm, TB nấm men tăng sinh khối. Một số vấn đề cần chú ý trong quá trình lên men rượu: pH 4- 4,5, kỵ khí , nhiệt độ ổn định và không quá cao. Ứng dụng của quá trình lên men rượu ( SX rượu, bia, nước giải khát, làm nở bột mỳ ) *Lên men tạo axit lactic Khái niệm: Là quá trình phân giải kỵ khí đường thành axit lactic dưới tác dụng của VK lactic theo PTTQ: VK lactic C6H12O6 ---------------- CH3CHOHCOOH + Q Nguyên liệu: Đường Tác nhân: VK lactic: VK G+, không sinh nội bào tử, không di động, sống hiếu khí hoặc kỵ khí, hình que, cầu, khuyết dưỡng nhiều loại vitamin. 13
14. Các loại lên men lactic : + Lên men lactic đồng hình: Sản phẩm là axit lactic(95% năng lượng/gluco) -> Cơ chế của quá trình lên men lên men lactic đồng hình( Con đường đường phân) đường phân Gluco------------------------------- axit pyruvic NAD NADH2 Axit lactic Lactacdehydrogena + Lên men lactic dị hình: Sản phẩm là axit lactic, rượu etylic, axit axetic, CO2...( 60% năng lượng /gluco) - > Cơ chế của quá trình lên men lên men lactic dị hình: gluco được phân giải theo con đường glucozơ 6- photphat. Ứng dụng của quá trình lên men : Muối chua rau quả, ủ chua thức ăn , làm sữa chua ..) * Lên men sinh metan (khí sinh học) Nguyên liệu: chất hữu cơ Tác nhân: VSV hoại sinh sinh CH4 Cơ chế của quá trình lên men: hợp chất cao phân tử-> chất hữu cơ đơn giản -> axit cacboxylic + rượu -> axit axetic -> CO2 + CH4 + H2O Ứng dụng của quá trình lên men: Xử lý chất thải thành khí đốt sinh học * Lên men thối Nguyên liệu: Cá Tác nhân: Enzym trong ruột cá, VK ưa mặn VK thối Nấu, lọc Cơ chế: Protein cá----------> peptit-----> aa --------> nước mắm Enzym cá 14
15. Một số VSV thu nhận C và năng lượng bằng con đường oxi hóa không hoàn chất hữu cơ tạo ra những sản phẩm thải nhưng lại có ý nghĩa đối với con người * Ôxi hoá rượu etylic thành axit axetic (giấm) Nguyên liệu: Rượu Tác nhân: VK axetic thuộc các giống Acetobacter, Gluconobacter. Đặc điểm: VK G-, hình que, elip, không sinh nội bào tử, sống hiếu khí bắt buộc. Cơ chế: C2H5OH + O2------------------ CH3COOH +H2O VK axetic Một số vấn đề cần chú ý: + Dung dịch lên men luôn đạt 0,3- 0,5 % độ rượu + Có oxi + Bổ sung muối vô cơ, gluxit, hợp chất có nitơ * Ôxi hoá tạo axit glutamic Nguyên liệu: Rỉ đường, tinh bột sắn Tác nhân: VK Corynebacterium glutamicum Cơ chế: Theo con đường đường phân và chu trình Crep Một số vấn đề cần chú ý: Bổ sung urê ( N). vitamin H( Biotin) * Ôxi hoá đường sacaroza thành axit citric ( axit chanh) Nguyên liệu: đường saccaroza, mantoza từ rỉ đường, tinh bột, bột sắn Tác nhân: Nấm sợi Aspegilus. Niger ( nấm mốc đen) Cơ chế: Con đường đường phân và chu trình Crep (trong môi trường nhiều đường nhưng thiếu các nguyên tố vi lượng đường không được phân giải triệt để mà chỉ dừng lại ở axit xitric) Một số vấn đề cần chú ý: Có oxi Ứng dụng của quá trình: dùng trong công nghiệp thực phẩm, y học, chất tẩy rửa. Ngoài nguồn năng lượng khởi đầu cho hô hấp và lên men là glucozo, TB còn sử dụng năng lượng từ lipit và protein. * Dị hóa lipit 15
16. VSV có enzym lipaza để thủy phân lipit thành a béo và glyxerin. Glyxerin được chuyển hóa thành các chất trung gian là cơ sở của đường phân. Axit béo bị oxi hóa theo con đường - oxi hóa chuyển thành axety- CoA đi vào chu trình Crep. * Dị hóa protein VSV có enzym proteaza phân giải protein thành các aa. Các aa bị khử amin để loại bỏ nhóm amin nhờ các phản ứng chuyển vi amin. Các a hữu cơ được tạo ra từ khử amin chuyển hóa thành a pyruvic, axetyl- CoA đi vào chu trình Crep. 2.2. Quang dị dưỡng Là kiểu dinh dưỡng mà cơ thể vi sinh vật có thể sử dụng năng lượng ánh sáng nhưng bắt buộc phải thu cacbon từ dạng hữu cơ. Kiểu dinh dưỡng này chỉ có ở một số sinh vật nhân sơ biển và ưa mặn. Tuy nhiên, một số vi sinh vật có thể thay đổi loại hình dinh dưỡng khi sinh trưởng trong những điều kiện khác nhau. Ví dụ vi khuẩn không chứa lưu huỳnh màu tía, khi không có chất hữu cơ có thể đồng hóa CO2 và thuộc loại vi sinh vật tự dưỡng, nhưng khi có chất hữu cơ tồn tại thì chúng lại có thể sử dụng chất hữu cơ để sinh trưởng và lúc đó chúng là các vi sinh vật dị dưỡng. Hơn nữa, vi khuẩn không chứa lưu huỳnh màu tía trong điều kiện kỵ khí và có chiếu sáng có thể sinh trưởng nhờ năng lượng của ánh sáng và thuộc loại dinh dưỡng quang năng; nhưng trong điều kiện hiếu khí và không chiếu sáng thì chúng lại sinh trưởng nhờ năng lượng sinh ra từ quá trình oxy hóa chất hữu cơ và thuộc loại dinh dưỡng hóa năng. Tính biến đổi loại hình dinh dưỡng ở vi sinh vật rõ ràng là có lợi cho việc nâng cao năng lực thích ứng của chúng đối với sự biến đổi của điều kiện môi trường. Khuẩn diệp lục CO2 + C3H7OH (CH2O)n + H2O + CH3 – CO – CH3 ( Chất hưu cơ khử) ( Chất hữu cơ oxi hoá) 16
17. B. HỆ THỐNG CÂU HỎI KIỂM TRA- ĐÁNH GIÁ Câu 1: Thế nào vi sinh vật nguyên dưỡng, vi sinh vật khuyết dưỡng. Làm thế nào để nhận ra được vi sinh vật khuyết dưỡng. Hiểu về vi sinh vật khuyết dưỡng có ứng dụng gì trong thực tiễn. Trả lời: - Khái niệm + Vi sinh vật nguyên dưỡng là vi sinh vật có khả năng tự tổng hợp các nhân tố sinh trưởng cho chu kỳ sống của chúng. + Vi sinh vật khuyết dưỡng là vi sinh vật không có khả năng tổng hợp được nhân tố sinh trưởng (1 hoặc nhiều) cho chu trình sống của chúng. - Phương pháp + Tạo các môi trường nuôi cấy trong đó mỗi môi trường nuôi cấy thiếu một nhân tố sinh trưởng. Ở những môi trường nuôi cấy mà không thấy xuất hiện khuẩn lạc của vi sinh vật thì sẽ biết được vi sinh vật khuyết dưỡng về nhân tố sinh trưởng đó. - Ứng dụng + Sử dụng vi sinh vật khuyết dưỡng người ta có thể xác định được loại thực phẩm giàu chất dinh dưỡng nào hoặc nghèo chất dinh dưỡng nào. + Hiểu được vi sinh vật khuyết dưỡng về nhân tố sinh trưởng nào mà người ta có thể tạo môi trường nuôi cấy thích hợp cho vi sinh vật phục vụ cho sản xuất sinh khối vi sinh vật. Câu 2. Nuôi vi khuẩn lactic trên các môi trường tổng hợp khác nhau chứa một dung dịch cơ sở (CS), rồi bổ sung thêm các thành phần, người ta thu được các kết quả sau: Môi trường 1: CS + axit folic + piridoxin: không mọc Môi trường 2: CS + riboflavin + piridoxin: không mọc Môi trường 3: CS + axit folic + riboflavin + piridoxin: mọc Môi trường 4: CS + axit folic + riboflavin: không mọc a.Cho biết các chất thêm vào môi trường cơ sở có vai trò như thế nào với vi khuẩn lactic? b. Người ta muốn định lượng hàm lượng axit folic trong cao nấm men bằng cách sử dụng chủng vi khuẩn trên. Có thể sử dụng môi trường nào? Trả lời: 17
18. a. Các chất thêm vào môi trường CS là nhân tố sinh trưởng của vi khuẩn lactic, vì thiếu 1 trong 3 hợp chất trên vi khuẩn lactic không thể phát triển được. b. Vì trong cao nấm men có axit folic nên có thể sử dụng môi trường 2 khi đó môi trường nuôi cấy có đủ các nhân tố sinh trưởng thì vi khuẩn sẽ phát triển. Câu ( Đề HSGQG 2015) 1. Phân lập từ dưa chua thu được vi khuẩn Steptococcus faecalis. Nuôi vi khuẩn này trên môi trường cơ sở ( MTCS) gồm các chất sau: 1 g NH4Cl, 1 g K2HPO4, 0,2g MgSO4, 0,1g CaCl2, 5g Glucozo và các nguyên tố vi lượng Mn, Mg, Cu, Co, Zn ( mỗi loại 2. 10-5g) và thêm nước vừa đủ 1 lít. Thêm vào môi trường cơ sở các hợp chất khác nhau trong các thí nghiệm 1 đến 3 dưới đây, sau đó đưa vào tử ấm 370C và giữ trong 24h, kết quả thu được như sau: TN1: MTCS + axit folic → không sinh trưởng TN2: MTCS + pyridoxin → không sinh trưởng TN3: MTCS + axit folic + pyridoxin → có sinh trưởng a. Dựa theo nguồn cung cấp năng lượng; nguồn C; chất cho e; các chất thêm vào MTCS thì vi khuẩn Steptococcus faecalis có kiểu dinh dưỡng nào? b. Các chất thêm vào MTCS có vai trò gì đối với vi khuẩn Steptococcus faecalis? Trả lời a. Hóa dị dưỡng hữu cơ b. Nhân tố sinh trưởng Câu 3. Để nghiên cứu tác động của tryptophan lên sinh trưởng của vi trùng thương hàn, người ta cấy song song dịch huyền phù vi sinh vật này lên môi trường dinh dưỡng không chứa tryptophan và môi trường dinh dưỡng có chứa 30mg/l tryptophan. Sau 24 giờ nuôi ở nhiệt độ phù hợp người ta chỉ thấy có sự sinh trưởng của vi khuẩn trên môi trường có chứa tryptophan. a. Tryptophan là loại hợp chất gì đối với trùng thương hàn? b. Từ vi khuẩn thương hàn bằng cách chiếu tia tử ngoại (UV) với liều lượng hạn chế người ta thu được chủng 2 có khả năng tự tổng hợp được tryptophan. Vì sao? c. Để xác định nhu cầu tryptophan đối với vi trùng thương hàn có người nói nên sử dụng chủng 2 có đúng không? 18
19. Trả lời: a. Tryptophan là nhân tố sinh trưởng của vi trùng thương hàn, vì thiếu hợp chất này chúng không phát triển được. b. Đã tạo chủng đột biến có khả năng tự tổng hợp được tryptophan c. Không nên sử dụng chủng 2 mà phải dùng chủng 1 là chủng khuyết dưỡng với tryptophan. Câu 5 : Một chủng tụ cầu vàng (Staphylococus aureus) được cấy trên 3 môi trường như sau: - Môi trường a: Chứa nước, muối khoáng và nước thịt. - Môi trường b: Chứa nước, muối khoáng, glucôzơ và vitamin B1. - Môi trường c: Chứa nước, muối khoáng và glucôzơ Sau khi nuôi ở tủ ấm 370C thấy các môi trường a, b trở lên đục, trong khi môi trường c vẫn trong suốt. a. Môi trường a, b, c là loại môi trường gì? b.Hãy giải thích kết quả thí nghiệm. c. Glucôzơ, vitamin và nước thịt có vai trò gì đối với vi khuẩn? Trả lời: a. - Môi trường a là môi trường bán tổng hợp vì có nước thịt và muối khoáng. - Môi trường b là môi trường tổng hợp vì có glucôzơ và vi tiamin. - Môi trường c là môi trường tổng hợp vì có muối khoáng và glucôzơ. b. Kết quả cho thấy tụ cầu vàng này là VSV không sống được trên môi trường tối thiểu vì nó đòi hỏi VTM B1 và các hợp chất phức tạp trong nước thịt để phát triển. c. Vai trò: - Glucôzơ là hợp chất cung cấp C và năng lượng. - Vitamin hoạt hoá các enzim. - Nước thịt là nguồn cung cấp nitơ hữu cơ cho vi khuẩn. Câu 4 19
20. a. Vi khuẩn lactic chủng 1 tự tổng hợp được axit folic và không tự tổng hợp được pheninalanin, còn vi khuẩn lactic chủng 2 thì ngược lại. Có thể nuôi 2 chủng này trên môi trường thiếu axit folic và pheninalanin nhưng đủ các chất dinh dưỡng khác được không? vì sao? b. Để vi khuẩn của chủng tụ cầu vàng sinh trưởng phát triển bình thường cần có nhân tố sinh trưởng là tiamin (VTM B1). Khi nuôi chủng tụ cầu vàng trong môi trường gồm nước, muối khoáng và nước thịt, chúng vẫn sống được. Hãy cho biết môi trường trên là môi trường gì? Giải thích tại sao chủng tụ cầu vàng lại sống được trên môi trường đó Trả lời: a. Hai chủng vi khuẩn lactic 1 và 2 là chủng vi khuẩn khuyết dưỡng. Khi nuôi trong cùng một môi trường không có nhân tố sinh trưởng là axit foclic và pheninalanin, chúng có thể phát triển được vì chúng có thể tiếp hợp với nhau tạo ra chủng nguyên dưỡng mới... b. Môi trường nuôi chủng tụ cầu vàng là môi trường bán tổng hợp vì thành phần của môi trường này gồm có muối khoáng và nước thịt. - Tiamin là nhân tố sinh trưởng của tụ cầu vàng, tuy nhiên trong nước thịt đã có nhân tố sinh trưởng nên chủng tụ cầu vàng này vẫn sống được trong môi trường gồm có muối khoáng và nước thịt. Câu 6. Người ta cấy vi khuẩn Proteus vulgaris trên các môi trường lỏng có thành phần tính theo đơn vị g/l: NH4Cl – 1; FeSO4.7H2O - 0,01 ; K2HPO4 – 1; CaCl2 - 0,01; MgSO4.7H2O - 0,2; -5 H2O - 1 lít; Các nguyên tố vi lượng (Mn, Mo,Cu, Zn): mỗi loại 2. 10 Bổ sung thêm vào mỗi loại môi trường: Các loại môi trường Chất bổ sung M1 M2 M3 M4 Glucose 0 5g 5g 5g Axit nicotinic 0 0 0,1mg 0 Cao nấm men 0 0 0 5g 20