Sinh lí học của vi sinh vật

Chương 2
Sinh lý học của vi sinh vật
Lời cảm ơn
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. TS.
Nguyễn Bá Hiên, Trưởng bộ môn Vi sinh vật –
Truyền nhiễm, Khoa Thú y, Trường Đại học
Nông nghiệp Hà Nội đã dày công biên soạn bộ
bài giảng này!
I. Khái niệm :
Sinh lý học của vi khuẩn là khoa học về sự dinh dưỡng, sinh
trưởng và các chức năng sống khác của vi khuẩn.
Nội dung cụ thể:
+ Nghiên cứu thành phần hoá học
+ Quy luật và cơ chế của :
- Sự dinh dưỡng
- Hô hấp
- Sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn.
II. Thành phần hoá học của tế bào VSV
Chủ yếu là nước và một phần vật chất khô.
1. Nước:
Chiếm 70 - 80% trọng lượng tế bào, tồn tại ở hai dạng:
+ Nước kết hợp :
- Tham gia vào thành phần chất keo của NSC tế bào
- Tạo môi trường thích hợp cho phản ứng sinh học nôi bào
- Nước liên kết rất khó tách ra
- Mất nước liên kết  cấu trúc tế bào bị phá huỷ, tế bào chết.
+ Nước tự do:
- Là dung môi cho các chất vô cơ, hữu cơ hoà tan
- Tham gia vào các phản ứng thủy phân trong tế bào.
- Nguồn cung cấp ion H+ , OH
–

- Dễ bay hơi khi sấy khô, mất nước tự do khô tế bào, TĐC bị ảnh
hưởng sâu sắc
2. Chất khô
Chất khô trong tế bào chiếm từ 15- 25% trọng lượng tế bào
gồm: Chất hữu cơ và chất khoáng
+ Chất hữu cơ :
Các chất hữu cơ chiếm 85 % vật chất khô, gồm có:
- Protit:
Chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số chất hữu cơ :50 - 80% trọng lượng khô
tế bào
. Protein của nấm men : 40 – 60 %
. Protein của nấm mốc : 15 – 40 %
. Protein của vi khuẩn : 60 – 80 %
. Protein của tảo hiển vi: 40 – 50 %
Protit gồm 2 loại:
. Là những protein đơn giản như albumin, globulin đó là các chất
dự trữ.
. Protit phức tạp ( proteit) có vai trò sinh học quan trọng trong tế
bào như Nucleoprotein, lipoprotein , glucoprotein…
+ Gluxit:
- Chiếm tỷ lệ tương đối cao trong tế bào
- Hàm lượng gluxit thay đổi tuỳ loại VSV:
. Vi khuẩn : 10 – 30 % trọng lượng khô
. Nấm men : 27 – 63 %
. Nấm mốc : 40 - 60 %
- Tồn tại ở hai dạng: đơn giản (ozơ) và phức tạp (ozit)
Đóng vai trò quan trọng trong tế bào:
. Tham gia cấu trúc tế bào (màng, giáp mô, axít Nucleic )
. Là nguyên liệu chủ yếu cho hô hấp của tế bào
. Thức ăn dự trữ của tế bào .

+ Lipit:
- Lipit chỉ chiếm số lượng ít :3 – 7 % trọng lượng khô
Ơ nấm men, mốc lượng lipit có thể có tới 40 %.
Ơ vi khuẩn chỉ có 1 – 3%. Riêng VK lao, lipit trong tế bào
có tới 45 %
- Lipit tồn tại ở 2 dạng
.Dạng đơn giản là các hạt mỡ dự trữ.
.Dạng phức tạp là lipoprotein, phospholipit
- Tham gia cấu trúc màng NSC, màng tế bào,
- Là nguồn nguyên liệu năng lượng
.Sắc tố:
- Sắc tố có nhiều loại, khác nhau về màu sắc: đỏ, xanh, đen,
vàng, tím, …và khác cả về tính chất lý học, hoá học
- Sắc tố chứa chủ yếu trong dịch bào làm cho VSV có màu sắc
Một số VSV sắc tố ở dạng hạt nằm rải rác trong NSC, một số
VSV khác sắc tố tiết ra ngoài môi trường
- Chức năng:
. VSV tự dưỡng thu năng lượng mặt trời
. Tránh tác động của tia tử ngoại ( VSV hoại sinh)
. Một số sắc tố có khả năng kháng khuẩn
Một số chất hữu cơ khác:
- Các axit hữu cơ: axit oxalic, xitric…
- Muối của axit hữu cơ
- Vitamin : tiền vitamin A, vitamin B, C, K, PP…
Trong tế bào VSV, phần lớn các loại coenzym là vitamin hoặc
dẫn xuất của vitamin
. Vitamin được hấp thu từ môi trường hoặc do VSV tổng hợp
ra từ các hợp chất hữu cơ khác
. Vitamin cần thiết cho VSV phát triển, một số VSV muốn phát
triển bình thường phải được cung cấp 1 hoặc nhiều loại vitamin

Chất khoáng:
- Chiếm số lượng ít trong tế bào VSV( 15 % vật chất khô),
- Chúng có trong thành phần của các hợp chất hữu cơ phức
tạp: proteit, vitamin, enzym…
- Giữ vai trò quan trọng trong hoạt động sống của tế bào
Giữ áp suất thẩm thấu nội bào ở mức bình thường
- Lượng chất khoáng thay đổi tuỳ loại VSV, tuỳ giai đoạn và
điều kiện phát triển
- Chất khoáng được chia làm hai loại:
+ Nguyên tố đa lượng:
+ Nguyên tố vi lượng:
III. Dinh dưỡng của vi sinh vật
1. Khái niệm:
+ Chất dinh dưỡng:
Là những chất được VSV hấp thu từ môi trường xung quanh
và được sử dụng cho quá trình trao đổi chất của tế bào
Ví dụ:
. Axit amin
. Các loại đường đơn
. N
2
, CO
2
, NH
3
, ….
+ Quá trình dinh dưỡng:
Là quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng từ môi trường vào tế
bào VSV
2. Nhu cầu thức ăn của VSV

Ví dụ:
Vi khuẩn cần lượng thức ăn bằng trọng lượng cơ thể
của chúng. Bởi vì :
. Cần thức ăn cho việc kiến tạo
. Cung cấp năng lượng cho quá trình sống
. Cần thức ăn cho quá trình sinh sản
( VK sinh sản rất nhanh
20 - 30 phút sinh sản một lần và theo cấp số nhân
1 tế bào/ 24 giờ  47.146,9 x 10
6
tế bào)
Nhu cầu về thức ăn cuả VSV có thể chia làm 3 loại:
+ Thức ăn cung cấp năng lượng:
cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của VSV như:
gluxit, lipit, protein , NH3 …
+ Thức ăn kiến tạo:
sau khi hấp thụ được tiêu hoá, chế biến lại thành nguyên liệu
tham gia xây dựng cấu trúc tế bào như: gluxit, lipit, protein ,
N2 ,CO2 …
• + Thức ăn đặc biệt:
• Là những chất cần thiết đối với hoạt động sống của VSV mà
một loài nào đó không thể tự tổng hợp được.
• Ví dụ :
• - Axit amin không thay thế
• - Vitamin Vikhuẩn Streptococcus cần B1
3. Các kiểu dinh dưỡng của VSV
Thành phần cơ bản cấu tạo lên tế bào VSV gồm 4 nguyên tố chính :C, H,
O, N
+ Dinh dưỡng cacbon:
Các bon chiếm > 50 % vật chất khô của VSV

Là yếu tố rất quan trọng trong các hợp chất có mặt trong tế bào
Trong tự nhiên cac bon tồn tại ở 2 dạng
- Hợp chất cac bon vô cơ : CO
2
, muối cacbonát
. - Hợp chất cac bon hữu cơ: gluxit, lipit, protein
Tuỳ thuộc khả năng sử dụng nguồn các bon, người ta chia VSV
làm 2 nhóm
VSV tự dưỡng các bon:
. Là các VSV có thể sử dụng nguồn cacbon vô cơ như CO2 và muối
cacbonat
. Dựa vào nguồn cung cấp năng lượng, người ta chia kiểu tự dưỡng
cacbon làm 2 loại:
- VSV tự dưỡng C quang năng:
. có sắc tố quang hợp (Bacterioclorophil)
. Có khả năng chuyển hoá trực tiếp năng lượng của ánh sáng mặt trời
thành năng lượng hoá học tích luỹ lại trong ATP
. Sử dụng năng lượng này để chuyển cacbon vô cơ thành cacbon hữu cơ
cần thiết cho cơ thể.
Ví dụ:
Quá trình quang hợp của VK lưu huỳnh màu lục (Green sunfua
bacteria):
ánh sáng mặt trời
Lục tố vi khuẩn
CO
2
+ 2H
2
S
(C

6
H
12
O
6
) + H
2
O + 2S
Tương tự cây
xanh:
CO
2
+ 2H
2
O
(C
6
H
12
O
6
) +
O
2
Ánh sáng mặt trời
Diệp lục
Như vậy cả hai phản ứng đều sử dụng quang năng để tạo thành các
hợp chất cacbon hữu cơ từ CO
2
và một chất khác.

Điều khác nhau cơ bản ở đây là:
Vi khuẩn lưu huỳnh thu H từ H
2
S, giải phóng S.
Cây xanh thu H từ H
2
O giải phóng O
2
.
1
6
Do đó công thức tổng quát của quá trình quang hợp là:
ánh sáng
Sắc tố quang hợp
CO
2
+ 2H
2
A
(C
6
H
12
O
6
) + H
2
O + 2A
Trong đó A là một chất vô cơ.
-VSV tự dưỡng C hoá năng:

. Là nhóm VSV sử dụng năng lượng của các phản ứng oxy hoá để
chuyển nguồn C vô cơ thành chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể .
Ví dụ:
Vi khuẩn Nitrocomonas sử dụng năng lượng của phản ứng oxy hoá
NH3.
2NH
3
+ 3O
2
2HNO
2
+ 2H
2
O 158 calo
CO
2
+ 4H
+
(C
6
H
12
O
6
) +
H
2
O
O
2

4H
+
1
6
1
6
Vi khuẩn lưu huỳnh (Green sunfua bacteria) cũng có kiểu hoá năng:
Từ đó vi khuẩn khử CO
2
trong không khí:
Từ các phản ứng trên có thể rút ra công thức tổng quát dạng dinh
dưỡng hoá năng như sau:
+ H
2
S + O
2
2H
2
O + S + 126 calo
O
2
4H
+
+ CO
2
+
4H
+
(C
6

H
12
O
6
) + H
2
O
126
calo
Chất vô cơ : H
2
M + O
2
Chất oxy hoá + Q (năng lượng)
CO
2
+ 4H
+
(C
6
H
12
O
6
) +
H
2
O
Q
1

6
1
6
Như vậy ở nhóm VSV tự dưỡng C hoá năng, để đồng
hoá C phải gồm 2 bước:
+ Bước 1: Oxy hoá hợp chất vô cơ để giải phóng W
+ Bước 2: Nhờ có W chuyển C vô cơ > C hữu cơ
Ơ VSV 2 quá trình này diễn ra song hành
VSV tự dưỡng C hoá năng có chuyên tính cao
Ví dụ:
Vi khuẩn Nitrocomonas chỉ oxy hoá NH3.
+ Vi sinh vật dị dưỡng cacbon:
- Là những VSV chỉ có thể sử dụng C ở dạng hợp chất hữu cơ sẵn
có trong môi trường làm nguồn dinh dưỡng xây dựng cơ thể và
cung cấp W cho hoạt động sống của VSV.
• Dựa vào nguồn cung cấp các hợp chất hữu cơ,nhóm VSV này
chia làm 2 loại:
+ VSV ký sinh:
. Là loại VSV sử dụng nguồn C từ các hợp chất hữu cơ có sẵn
trên cơ thể vật chủ
+VSV hoại sinh:
. Là các VSV chỉ sử dụng nguồn C từ những hợp chất hữu cơ
có ở các xác chết động, thực vật
Dinh dưỡng Nitơ
. Nitơ có ý nghĩa quan trọng với sự phát triển của VSV
Nitơ tồn tại ở 2 dạng:
+ Nitơ vô cơ:
- Nitơ phân tử( N
2
): Chiếm một lượng nhiều nhất và chính là đạm của khí

quyển. Trong không khí, N
2
chiếm 75,5% về trọng lượng, 78,1% về thể tích.
Tính ra trong khí quyển hành tinh chúng ta có tới 4 triệu tỷ tấn (4.10
15
tấn)
- Nitơ vô cơ hữu hiệu:
Tồn tại dưới dạng muối amon ( NH
3
+ )
, nitrat ( NO
3
-
), số lượng bằng 1%
lượng đạm hữu cơ:
+ Nitơ hữu cơ:
Có chủ yếu trong sinh vật và các sản phẩm không hoàn toàn của chúng.
. Lượng đạm này có khoảng 10 - 25 tỷ tấn.
Vi sinh vật có thể sử dụng nguồn Nitơ ở cả 3 dạng trong thiên nhiên.
Tuỳ nguồn Nitơ VSV sử dụng, người ta chia dinh dưỡng Nitơ làm 2
loại:
+ VSV tự dưỡng amin:
. Là nhóm VSV có khả năng sử dụng nguồn Nitơ vô cơ hoặc các
hợp chất Nitơ hữu cơ đơn giản như axit amin, protein, ure để tạo lên
các axit amin và thành phần chứa Nitơ trong tế bào.
. Đối với N
2
chỉ những VSV có khả năng cố định Nitơ mới sử dụng
được. Loại VSV có hệ enzym Nitrogenaza phong phú, loại này có 2
loại:

- VSV cố định Nitơ không cộng sinh như:
. Vi khuẩn Azotobacte ( A. chrococcum), hiếu khí
. Vi khuẩn Beijerinskii
. Vi khuẩn Clostridium ( Clos. pasteurianum), yếm khí
- VSV cố định Nitơ cộng sinh như:
. Vi khuẩn nốt sần cây họ đậu (Rhizobium)
. Vi khuẩn lam…
Các VSV tự dưỡng amin có vai trò rất quan trọng trong chu trình
chuyển hoá đạm trong tự nhiên.
Nhờ có VSV, lượng đạm trong tự nhiên luôn được chuyển hoá từ
dạng này sang dạng khác để sinh vật có thể hấp thu, duy trì sự
sống.
Ta có chu trình đạm trong tự nhiên:
Protein vi sinh vật
Protein động vật
Protein thực vật
NH
3
VSV amon
hoá
đồng hoá đạm vô cơ
đồng hoá đạm vô cơ
VSV Nitrat hoá
NO
3
VSVcố định Nitơ
phân tử
N
2
VSV phản nitrat hoá

Dồng
hoá
đạm vô
cơ
+ VSV dị dưỡng amin:
- Gồm những VSV chỉ có khả năng sử dụng Nitơ ở dạng hữu cơ
- Các axit amin này phải được VSV sử dụng một cách nguyên vẹn để tổng
hợp lên protit của VSV
Có thể thấy sự khác nhau giữa vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng amin qua sơ
đồ sau:
Protein
Peptit Axit amin
VSV tự dưỡng
NH
3
NO
3
N
2
Protein
vi sinh vật
3. Cơ chế của sự dinh dưỡng
. Để duy trì sự sống tế bào, VSV phải trao đổi vật chất và
năng lượng với môi trường bên ngoài.
. VSV không có cơ quan tiêu hoá và bài tiết
.Toàn bộ quá trình trao đổi vật chất được thực hiện nhờ màng
NSC của tế bào.
. Các chất dinh dưỡng qua màng NSC để vào cơ thể, sản
phẩm cặn bã đều qua màng ra ngoài.
. VSV hấp thu thức ăn một cách chọn lọc và chỉ hấp thu

được các chất có cấu trúc phân tử đơn giản, dễ hoà tan.
Người ta thấy rằng:
+ Axit amin, chuỗi peptit ngắn có 3 – 5 a.a
+ Gluxit chỉ ở dạng đường đơn VSV mới hấp thu được