CHƯƠNG 5 DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT

Chöông 5

DINH DÖÔÕNG CUÛA VI
SINH VAÄT


I. Bốn nhu cầu cơ bản của VSV
1. Nhu cầu về năng lượng .
2. Nhu cầu về nước.
3. Nhu cầu về nguyên tố.
4. Nhu cầu về nhân tố tăng trưởng .
Chất dinh dưỡng là những chất được tê

bào hấp thu và tham gia vào các quá trình biến
dưỡng trong tế bào để cuối cùng có thể đáp ứng
được các nhu cầu cơ bản trên của tế bào.


I- NHU CẦU VỀ NGUYÊN TỐ CỦA VSV

1. nguyên tố đa lượng là những nguyên tố này
cần thiết cho VSV ở hàm lượng lớn, bao gồm :
 C, H, O, N, S, P. Đây là 6 nguyên tố cấu tạo
nên glucide, lipide, protéine và acide nucléique.
K+, Ca++, Mg++, Fe++/ Fe+++. Đây là 4 nguyên tố ở
dạng ion
2.Nguyên tố vi lượng
 Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu. Đây là những nguyên
tố cần ở liều lượng rất thấp, nhưng lại không thể
thiếu được trong tế bào. Thông thường, môi trường
nuôi cấy sử dụng nước máy và các chất dinh dưỡng

phổ biến trong đó đã có đủ các nguyên tố trên. Các
nguyên tố vi lượng tham gia vào thành phần các
enzyme, coenzyme, xúc tác các phản ứng, duy trì
cấu trúc của protéine .


Các nguyên tố trên được đưa vào môi trường nuôi
cấy vi sinh vật theo các mức liều lượng như sau:

*Những nguyên tố chính (C, H, O, N, S, P) :
nồng độ được tính bằng g/l của môi trường nuôi
cấy.

*Những nguyên tố phụ (K, Ca, Mg, Fe) : nồng độ
được tính bằng mg/l của môi trường nuôi cấy.

*Những nguyên tố vi lượng (Mn, Zn, Co, Mo, Ni,
Cu): nồng độ được tính bằng µg/l của môi trường
nuôi cấy.



Nguyên tố

Chức năng

Hydro

Thành phần của tế bào nước và các phân tử hữu cơ trong tế bào

Oxigen

Thành phần nước của tế bào và một số phân tử hữu cơ. Điểm tiếp
nhận điện tử của sự hô hấp của VSV hiếu khí

Carbon

Thành phần của các phân tử hữu cơ có trong tế bào

Nito

Thành phần của các amino acid nên là thành phần của các
protein. Hiện diện trong các đơn vị nucleotide tạo nên acid
nucleic, coenzyme và ATP

Lưu
huỳnh

Được tìm thấy trong cystein và methionine_ vì vậy, là thành phần
quan trọng của nhiều protein. Có mặt trong các coenzyme, vi
dụ như co-carboxyl

Phospho

Được tìm thấy trong acid nucleic, DNA và RNA. Hiện diện trong
phospholipid là 1 phần của màng tế bào. Tìm thấy trong
coenzyme


Kali

Là 1 loại cation chính của tế bào có vai trò quan trọng trong
việc duy trì áp suất thẩm thấu. Có vai trò như cofactor của
enzyme

Magie

Đòi hỏi duy trì cấy trúc vững chắc của màng tế bào, ribosome,
DNA, RNA. Hoạt động là 1 cofactor ở một vài loại enzyme

Canxi

Có thể bổ sung vào cấu trúc vách tế bào. Là thành phần
chính của vi khuẩn nội bào tử

Sắt

Thành phần quan trọng của nhiễm sắc thể trong hô hấp nội
bào. Là cofactor của một vài loại enzyme

Các
nguyê
n tố vi
lượng

Thành phần của hệ thống enzyme và coenzyme.


zinc

Zn

1) Required for tryptophan, hence auxin
(IAA), synthesis.

manganese

Mn

1) Required for chlorophyll synthesis.
2) Activates many enzymes.

Cu

1) Required for chlorophyll synthesis.
2) Component of many enzymes and
carriers, especially those of
electron transport chain.

copper

boron

B

1) Required for complete flowering and
fruit development.
2) Involved in translocation of
carbohydrates and hormones.

molybdenu
m

Mo

1) Component of enzymes in N
metabolism (nitrate to organic N)
2) Component of enzymes in nitrogen
fixation (N gas to ammonia)

chlorine

Cl

1) Oxygen evolution in photosynthesis
2) Stomatal functioning

Ni

1) Component of several enzymes,
especially urease (breaks
down urea)

nickel


Zn++ được tìm thấy ở vò trí hoạt động của một vài

enzyme. Nó cũng liên quan đến việc cấu thành các tiểu phần
điều hòa và xúc tác của enzyme aspartate transcarbamylase ở

E. coli .
Mn++ có thể giúp nhiều enzyme xúc tác việc chuyển
vận nhóm phosphate.
Mo++ cần cho quá trình cố đònh đạm.
Co++ là một thành phần của vitamine B12 .



Sinh vật

Nhu cầu Amino
Axit

Nhu cầu
Vitamin

Nhu cầu Purine
và pyrimidine

Escherichia Coli Không

Không

Không

Salmonella
typhi

Không

Không

Niacin

Không

Trytophan

Proteus vulgaris Không
Staphylococcus

Arginine, cysteine và Thiamine và
phenylalanine
niacin

Không

Leuconostoc
mesenteroides

19 amino axit

10 vitamin (8
nhóm chính)

Purines và
pyrimidines

Aspergillus
niger

Không

Không

Không

Mucor hiemalis

Không

Thiamine

Không

Saccharomyces
cerevisiae

Không

Vitamin B

Không

Bảng 5.5: Các nhân tố yêu cầu cho sự phát triển của
VSV


Examples of culture media for microorganisms with simple and demanding
nutritional requirements

Complex culture
Defined culture
Defined culture medium for
medium for either
medium for E.coli
Leuconostoc mesenteroides
E. coli or L.
mesentheroides

K2HPO4 7 g

K2HPO4 0.6 g

KH2PO4 2 g

KH2PO4 2 g

KH2PO4 0.6 g

Yeast Extract 5 g

Glucose 15 g

Glucose 25 g

Glucose 15 g

(NH4)2SO4 1 g

NH4Cl 3 g

Peptone 5 g

MgSO4 0.1 g

MgSO4 0.1 g

 

CaCl2 0.02 g

 

 

Trace elements 
(Fe, Co, Mn, Zn,
Cu, Ni, Mo) 2-10
µg
each
Distilled water
1000 ml
pH 7

A.Amino 100-200 µ g of each.
Purines and 10 mg each.
Vitamins (biotin, folate,
nicotinic acid, pyridoxal,
Distilled water,
pyridoxamine, pyridoxine,

riboflavin,thiamine,
1000 ml 
pantothenate, p-aminobenzoic pH 7
acid)0.01-1 mg of each.
Trace elements 2-10 µ g each
Distilled water 1000 ml


Vitamins and their functions
p-Aminobenzoic acid

Precursor of folic acid

Folic acid

One-carbon metabolism; methyl group transfer

Biotin

Fatty acid biosynthes; β -decarboxylations; CO2fixation

Cobalamin (B12)

Reduction of and transfer of single carbon fragments;
synthesis of deoxyribose

Lipic acid

Transfer of acyl groups in decarboxylation of pyruvate
and α -ketoglutarate

Nicotinic acid (niacin)

Precursor of NAD+; electron transfer in oxidationreduction reactions

Pantothenic acid

Precursor of coenzyme A; activation of acetyl and
other acyl derivatives

Riboflavin

Presursor of FMN, FAD in flavoproteins involved in
electron transport

Thiamine (B1)

α -Decarboxylations; transketolase

Vitamins B6 (pyridoxalpyridoxamine group)

Amino acid and keto acid transformations

Vitamin K group; quinones

Electron transport; synthesis of sphingolipids

Hydroxamates

Iron-binding compounds; solubilization of iron and

transport into cell

Coenzyme M (CoM)

Required by certain methanogens; plays a role in
methanogenesis


Micronutrients (trace elements) needed by living organisms
 Element

Cellular Function

Chromium (Cr)

Required by mammals for glucose metabolism; no known microbial requirement

Cobalt (Co)

Vitamin B12; transcarboxylase (propionic acid bacteria)

Copper (Cu)

Certain proteins, notably those involved in respiration, for example, 
cytochrome c oxidase; or in photosynthesis, for example, plastocynanin; some 
speroxide dismutases

Manganese (Mn)

Activator on many enzymes; present in certain superoxide dismutases and in the 

water-splitting enzyme of photosystem II in oxygenic phototrophs

Molybdenum 
(Mo)

Present in various flavin-containing enzymes; also in mylybdenum nitrogenase, 
nitrate reductase, sulfite oxidase; DMSO-TMAO reductases, some formate 
dehydrogenases; oxotransferases

Nickel (Ni)

Most hydrogenases; coenzyme F430 of methanogens; carbon monoxide dehydrogenase; 
urease

Selenium (Se)

Formate dehydrogenase; some hydrogenases; the amino acid selenocysteine

Tungsten (W)

Some formate dehydrogenases; oxotranserases of hyperthermophiles (for example, 
aldehyde: ferredoxin oxidoreductase of Pyrococcus
aldehyde: ferredoxin oxidoreductase of Pyrococcus furiosus)
furiosus)

Vanadium (V)

Vanadium nitrogenase; bromoperoxidase

Zinc (Zn)

Present in the enzymes carbonic anhydrase, alcohol dehydrogenase, RNA and DNA 
polymerases, and many DNA-binding proteins

Iron (Fe)b

Cytochromes, catalases, peroxidases, iron-sulfur proteins (for example, 
ferredoxin), oxygenases, all nitrogenases


Macronutrients in Nature and in Culture Media
Element

Usual form of nutrient
found in the environment

Chemical form supplied in
culture media

Carbon (C)

CO2, organic compounds

Glucose, malate, acetate,
pyruvate, hundreds of other
compounds, or complex
mixtures (yeast extract,
peptone, and so on)

Hydrogen (H)

H2O, H2, organic
compounds

H2O, organic compounds

Oxygen (O)

H2O, O2, organic
compounds

H2O, O2, organic
compounds

Nitrogen (N)

NH3, NO3-, NO2-, N2,
organic nitrogen
compounds

Inorganic: NH4Cl, (NH4)2,
SO4, KNO3, N2 
Organic: Amino acids,
nitrogen bases of
nucleotides, many other Ncontaining organic
compounds

Phosphorus (P)

PO43-, organic P

KH2PO4, Na2HPO4

Sulfur (S)

H2S, SO42-, So, organic S
compounds, metal sulfides
(FeS, CuS, ZnS, NiS, and so
on)

Na2SO4, Na2S2O3, Na2S,
cysteine, or other organic
sulfur compounds

Potassium (K)

K+ in solution or as various

KCl, KH2PO4-


II- NHU CẦU VỀ C, H, O
Thường thì những nhu cầu về C, H, O được thoả mãn cùng một

lúc. Carbon cần cho sự hình thành bộ khung của tất cả các phân tử chất
hữu cơ.
VSV thuộc nhóm autotrophes (tự dưỡng) mới sử dụng được CO2
như nguồn C chủ yếu và duy nhất. Trong số những vi sinh vật tự dưỡng
này, phần lớn là quang tự dưỡng, còn lại là hóa tự dưỡng (oxy hóa chất
vô cơ để thu năng lượng).

VSV thuộc nhóm hétérotrophe sử dụng thức ăn hữu cơ để đồng
thời cung cấp năng lượng và Carbon . Ví dụ : quá trình phân giải chất
hữu cơ (glycolyse) sinh ra năng lượng dưới dạng ATP và NADH, cũng
tạo ra một sườn carbon mà sau này được sử dụng trong quá trình sinh
tổng hợp .
Một trong những đặc tính đáng chú ý nhất về nhu cầu dinh dưỡng
của VSV là tính chất cực kỳ linh động của nó, điều này có liên quan
đến nguồn carbone. Không có bất kỳ một chất hữu cơ thiên nhiên nào
mà không được VSV sử dụng. Ví du:Xạ khuẩn (actinomycète) có khả
năng phân giải alcool amylique, paraffine và ngay cả cao su .
Một vài vi khuẩn hầu như sử dụng được bất kỳ chất gì như nguồn
C. Ví dụ như Pseudomonas cepacia sử dụng hơn 100 cơ chất carbon khác
nhau.


CÁC KIỂU DINH DƯỢNG CỦA VI SINH VINH VẬT












* Dựa vào nhu cầu về năng lượng, VSV được chia thành 2 loại
- VSV quang dưỡng (Phototrophes) sử dụng ánh sáng làm nguồn năng

lượng thông qua quá trình quang hợp.
- VSV hóa dưỡng (Chemotrophes)sử dụng năng lượng từ các phản ứng
oxyhóa các hợp chất hóa học (hoặc vô cơ, hoặc hữu cơ)
* Dựa vào nhu cầu Carbon , vi sinh vật được phân 2 nhóm:
- VSV tư dưỡng ( Autotrophe) sử dụng Carbon dạng khí CO2.
- VSV di dưỡng (Hétérotrophe) sử dụng Carbon dạng hợp chất hữu cơ.
* Dựa vào nhu cầu nguồn cung cấp hydrogen hay điện tử , VSV gồm 2
loại:
- VSV lithotrophe sử dụng cơ chất vô cơ làm nguồn cho điện tử.
- VSV organotrophe lấy điện tử và hydrogène từ những hợp chất hữu
cơ


Tám kiểu dinh dưỡng ở VSV
Nguồn

Chất

Nguồn C xây dựng

năng lượng

cho
điện
tử

Chất hữu cơ

Ánh sáng

Chất
hữu cơ

1. Quang dò dưỡng hữu cơ
(Photoorganohetorothroph)

nên vật chất tế bào
Khí CO2

2. Quang tự dưỡng hữu cơ
(Photoorganoautothroph)

Ánh sáng

Chất
vô cơ

3. Quang dò dưỡng vô cơ
(Photolitocheterothroph)

4. Quang tự dưỡng vô cơ
(Photolitoautothroph)

Chất
hữu cơ

Chất
hữu cơ

5. Hóa dò dưỡng hữu cơ

6. Hóa tự dưỡng hữu cơ
(Chemoorganoautothroph)

Chất
vô cơ

Chất
vô cơ

(Chemoorganoheterothrop
h)
7. Hóa dò dưỡng vô cơ
(Chemolitocheterothroph)

8. Hóa tự dưỡng vô cơ
(Chemolitoautothroph)


III- NHU CẦU VỀ N, P, S











Để tăng trưởng, VSV cần phải dung nạp vào cơ thể một lượng lớn N, P,
S. Mặc dù những nguyên tố này cũng được cung cấp đồng thời theo
nguồn thức ăn có C.Tuy nhiên, VSV còn có thể sử dụng nguồn thức ăn ở
dạng muối vô cơ .
*N cần thiết cho việc tổng hợp acide amine, purine và pyrimidine, một
vài glucide và lipide, coenzyme và các cơ chất khác. Các dạng Nitơ được
VSV sử dụng :
- Nitơ hữu cơ: a.amine, pepton, gelatin, casein, nước thòt..
- N vô cơ như:
NH3 :được dung nạp trực tiếp nhờ hoạt động của một vài enzyme như
glutamate déhydrogénase hay glutamine synthétase, và glutamate
synthase.
Nitrate:Phần lớn các phototrophe và VSV không quang tổng hợp có khả
năng sử dụng nitrat để khử thành NH3 cung cấp cho cơ thể.
N2 của không khí: Một số vi khuẩn (như phần lớn các cyanobactéries và
vi khuẩn Rhizobium có khả năng khử và đồng hóa N2 của không khí nhờ
vào hệ thống nitrogénase .


 *P hiện diện trong acide nucléique,

phospholipide, nucléotide dưới dạng ATP,
một vài coenzyme, một vài protéine và các
thành phần khác của tế bào.

Hầu như tất cả VSV đều sử dụng được
nguồn phosphate vô cơ như nguồn phosphore
và được hấp thu trực tiếp vào cơ thể.

 *S cần thiết cho sự tổng hợp cơ chất như

cystéine, méthionine, một vài glucide, biotine
và thiamine.

Phần lớn VSV sử dụng được sulphate
(SO4) làm nguồn cung cấp S. Sulphate sẽ được
đưa vào cơ thể bằng cách đồng hóa. Một vài vi
khuẩn lại đòi hỏi S ở dạng khử như cystéine.


IV- NHU CẦU VỀ YẾU TỐ TĂNG TRƯỞNG


Yếu tố tăng trưởng là những thành phần hóa học

thiết
yếu của tế bào, hay tiền chất của chúng, mà tế bào không
thể tổng hợp được, do đó phải được cung cấp từ môi trường
ngoài.
Có 3 loại yếu tố tăng trưởng chính :
Acide amine : cần thiết cho việc tổng hợp các protéine
Purine và pyrimidine : cần cho sự tổng hợp acide
nucléique cho tế bào
Vitamine : là những phần hữu cơ nhỏ cấu thành các
coenzyme hay một phần của coenzyme. Vitamine cần ở một
lượng rất nhỏ cho sự tăng trưởng. Một vài VSV cần nhiều
loại vitamine-ví dụ như Enterococcus faecalis đòi hỏi đến 8
vitamine khác nhau cho sự tăng trưởng của nó

Còn có một loại yếu tố tăng trưởng khác -như hème
(của hémoglobime hay của cytochrome) cần thiết cho
Heamophilus influenzae, hay cholestérol thì cần thiết cho một
vài Mycoplasma.


1. Khuyếch tán thụ đông (diffusionn passive)
Một số cơ chất như glycérol có thể đi qua màng tế bào

bằng khuyếch tán thụ động Trong cơ chế này, các phân tử
sẽ di chuyển từ một vùng có nồng độ cao sang vùng có nồng
độ thấp do giao động nhiệt (agitation thermique).
 Vận tốc khuyếch tán thụ động tùy thuộc vào gradient
nồng độ bên ngoài và bên trong tế bào. Nồng độ cơ chất
bên ngoài phải cao hơn bên trong thì mới có sự di chuyển từ
ngoài vào trong.Vận tốc khuếch tán sẽ sẽ giảm dần cho đến
khi nồng độ chất tan ở hai phía đạt cân bằng.
Cơ chế khuyếch tán thụ động là một quá trình ít hiệu
quả và ít được sử dụng bởi vi sinh vật, chỉ có nước và một số
chất tan trong nước và lipid như glycérol có thể đi vào tế
bào bằng khuyếch tán thụ động,


2. Khuếch tán dễ dàng (Diffusion facilite)ù
Vận tốc khuyếch tán qua màng bán thấm chọn lọc sẽ

gia tăng mạnh mẽ nhờ có protéine vận chuyển gọi là
perméase, nằm trong màng tế bào chất. Quá trình này
được gọi là khuyếch tán dễ dàng.

Cơ chế vận chuyển dễ dàng dường như không quan

trọng lắm đối với procaryote. Ở E. coli, Salmonella
typhimurium, Pseudomonas, Bacillus và phần đông các vi
khuẩn khác, cơ chế này được sử dụng để vận chuyển
Glycérol. Cơ chế này rất được chú ý ở Eucaryote và được
dùng để chuyên chở các loại đường và acide amine khác
nhau .


3.Vận chuyển chủ động (Transport actif)
Là sự chuyên chở các phân tử chất tan đi ngược với gradient

nồng độ, nhờ sử dụng năng lượng biến dưỡng (ATP). Do cơ chế
vận chuyển chủ động phải nhờ đến protéine vận chuyển
(permease), nên trong chừng mực nào đó nó cũng giống như cơ
chế vận chuyển dễ dàng. Chất vận chuyển liên kết với một vài
chất tan và có tính chuyên biệt rõ rệt đối với những phân tử này.
Khác với khuyếch tán dễ dàng, vận chuyển tích cực có sử
dụng năng lượng biến dưỡng (ATP) và khả năng tập trung cơ chất.
Hệ thống vận chuyển này sử dụng permease khu trú ở khoảng
không chu chất (espace périplasmique) nằm giữa màng tế bào
chất và vách tế bào của vi khuẩn Gr-.
Vi khuẩn

E. coli sử dụng cơ chế này để vận chuyển các loại
đường (Arabinose, Maltose, Galactose, Ribose) và acide amine
(Glutamate, Histidine, Leucine).