Bài giảng Vi sinh - Bài 3: Dinh dưỡng và tăng trưởng của vi khuẩn - Bùi Hồng Quân

Bài 3: Dinh dưỡng và tăng trưởng của vi khuẩn 3.1. Dinh dưỡng vi khuẩn 3.2. Sự tăng trưởng của vi khuẩn 3.3. Ứng dụng Bùi Hồng Quân buihongquan.com Dinh dưỡng và biến dưỡng ở vi sinh vật Bùi Hồng Quân buihongquan.com Dinh dưỡng và biến dưỡng - Chất dinh dưỡng: vật chất cung cấp nguồn năng lượng hoặc vật liệu cấu thành tế bào + Tự dưỡng: tự tổng hợp được một vật liệu nhất định cấu thành tế bào + Dị dưỡng: cần vật liệu cấu thành tế bào từ môi trường - Biến dưỡng: chuyển hóa chất dinh dưỡng để cung cấp năng lượng, vật chất cho tế bào + Biến dưỡng năng lượng: chuyển hóa chất dinh dưỡng, năng lượng từ môi trường thành năng lượng cho hoạt động của VSV + Biến dưỡng vật chất: chuyển hóa chất dinh dưỡng thành vật chất cấu thành tế bào và các sản phẩm trao đổi chất khác + Biến dưỡng dị hóa (catabolism): biến đổi vật chất để thu năng lượng + Biến dưỡng đồng hóa (anabolism): biến đổi vật chất để cấu thành tế bào Bùi Hồng Quân buihongquan.com Bùi Hồng Quân buihongquan.com Nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật (1) 1. Nước - Chiếm 80-90% sinh khối VSV, - Môi trường cho các phản ứng sinh hóa và hoạt động phân tử trong tế bào - Mỗi VSV cần độ ẩm môi trường thích hợp 2. Nguồn carbon (C) - Nguyên tố cấu thành tất cả các đại phân tử trong tế bào, đồng thời là nguồn năng lượng của nhiều VSV - Dạng CO2 (VSV tự dưỡng carbon): - Dạng hợp chất carbon hữu cơ (VSV dị dưỡng carbon): polysaccharide tự nhiên (cellulose, tinh bột, pectin, chitin), đường đơn giản, axít hữu cơ; các peptide, axít amin; lipid, axít béo 3. Nguồn nitơ (N) - Nguyên tố cần cho protein, axít nucleic trong tế bào - Dạng đạm vô cơ: N2, (VSV cố định đạm), NH3, các muối NH4 - Dạng đạm hữu cơ: protein, axít amin Bùi Hồng Quân buihongquan.com Nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật (2) 4. Nguồn lân (P): - Chiếm 50% khoáng trong tế bào ở dạng các axít nucleic, hợp chất mang năng lượng cao, chất truyền điện tử - Dạng lân vô cơ (muối phosphate) hoặc hữu cơ 5. Nguồn S: cần cho một số axít amin, được đồng hoùa từ SO4 2- 6. Các nguyên tố đa lượng khác: K, Mg, Na, Ca 7. Các nguyên tố vi lượng: Cr, Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, W, V và Zn 8. Các chất sinh trưởng Bùi Hồng Quân buihongquan.com Môi trường nuôi cấy - Nguồn gốc thành phần môi trường: môi trường dinh dưỡng tự nhiên, tổng hợp - Tính chất thành phần môi trường: môi trường đơn giản, phức tạp - Thành phần môi trường: môi trường xác định, không xác định - Tính chất vật lý: môi trường lỏng, rắn, bán rắn Bùi Hồng Quân buihongquan.com Nguyên tố Chức năng Hydro Thành phần của nước tế bào và các phân tử hữu cơ trong tế bào Oxigen Thành phần nước của tế bào và nhiều phân tử hữu cơ. Chất nhận điện tử cuối cùng của hô hấp hiếu khí Carbon Thành phần của các phân tử chất hữu cơ trong tế bào Nito Thành phần của các amino acid nên là thành phần của các protein. Hiện diện trong các nucleotide tạo nên acid nucleic, các 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, ví dụ như co-carboxylase Phospho Được tìm thấy trong acid nucleic, DNA và RNA. Hiện diện trong phospholipid là 1 phần của màng tế bào. Tìm thấy trong các coenzyme Kali Là 1 loại cation chính của tế bào có vai trò quan trọng trong việc duy trì áp suất thẩm thấu bên trong của tế bào. Có vai trò như cofactor của enzyme Magne 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 hơ hấp nội bào. Là cofactor của một vài loại enzyme vi lượng Thành phần của hệ thống enzyme và coenzyme. Vai trò của các nguyên tố hóa học đối với tế bào vi sinh vật • Carbohydrate: – Đường: glucose, fructose, lactose, galactose, maltose – Tinh bột: ngũ cốc, các loại củ • Một số VSV sử dụng trực tiếp tinh bột (amylase) VD: Aspergillus niger, Rhizopus, 1 số nấm men – Rỉ đường: 30% saccharose – Huyết thanh sữa (whey): • 50% chất khô, 20-25% protein, vitamin, khoáng – Cellulose: • Ví dụ: Trichoderma viride, Asp. niger • Để sinh tổng hợp cellulase Thành phần dinh dưỡng trong môi trường - cacbon  Tùy thuộc vào nhóm VSV mà nguồn carbon cung cấp có thể là vô cơ hay hữu cơ Thành phần dinh dưỡng trong MT – cacbon (tt) Căn cứ vào nguồn thức ăn C, chia VSV thành: a) Nhóm tự dưỡng (autotroph): Tự dưỡng quang năng (photoautotroph, photolithotrophs): Vd: tảo, 1 số vi khuẩn quang hợp lưu huỳnh Tự dưỡng hóa năng (chemoautotroph, chemolithotrops): Tự dưỡng hóa năng: dùng C vô cơ CO2 và năng lượng từ các hc vô cơ ở trạng thái khử: H2S, S, NH3, Fe2+ b) Nhóm dị dưỡng (heterotroph): Dị dưỡng quang năng (photoheterotroph): VD: VK quang hợp không chứa lưu huỳnh, 1 số tảo Dị dưỡng hóa năng (chemoautotroph): Hoại sinh: Kí sinh: Kiểu dinh dưỡng của VSV Các dạng môi trường nuôi cấy • MT nuôi nhiều loại VSV thuộc một nhóm đặc biệt. • Duy trì VSV trong các môi trường nuôi cấy • Phân biệt giữa các nhóm VSV khác nhau • Phân lập các nhóm VSV đặc biệt hoặc các dạng VSV từ một môi trường nào đó, như từ thực phẩm. • Giúp định danh VSV • Xét nghiệm các chất dinh dưỡng hoặc các hợp chất chống VSV Các bước chuẩn bị môi trường nuôi cấy Hoà tan trong nước (nếu trong môi trường có agar cần đun sôi) Cân, đong các thành phần theo công thức môi trường Chỉnh pH Phân phối môi trường vào các dụng cụ thích hợp Khử trùng bằng autoclave Môi trường trung tính: 121oC, 15' Môi trường trung tính: 121oC, 15' Một số môi trường chọn lọc: đun sôi Các quy luật sinh trưởng của VSV • Sinh trưởng: sự tăng lên về kích thước, khối lượng của tế bào gắn liền với sự tổng hợp các hợp chất cao phân tử dẫn đến sự hình thành cấu tạo mới trong tb. • Nếu chỉ tăng về kích thước, và khối lượng nhưng ko có sự tổng hợp các hợp chất cao phân tử dẫn đến sự hình thành cấu tạo mới  sự trương nở • Nếu mt thiếu dinh dưỡng, tb sử dụng chất dự trữ, giảm khối lượng  ko gọi là sinh trưởng • Sinh sản: sự tăng lên về số lượng tb. Các quy luật sinh trưởng của VSV (tt) Đường cong sinh trưởng của VSV trong nuôi cấy tĩnh Nuôi cấy tĩnh: trong thời gian nuôi không thêm chất dinh dưỡng, không loại bỏ các SP trao đổi chất. Pha lag – Pha tiềm phục Các quy luật sinh trưởng của VSV (tt) Pha lag là gì? Nguyên nhân tồn tại pha lag? Độ dài của pha lag = f (Tuổi của giống, thành phần môi trường, lượng giống cấy ban đầu) Các quy luật sinh trưởng của VSV (tt) Pha log: Tb bắt đầu phân chia. Vk sinh trưởng và phát triển theo lũy thừa, sinh khối và số lượng tb tăng theo phương trình: N= No* 2n N: tổng số tế bào n: số lần phân chia No: số tế bào ban đầu Đường biểu diễn sinh trưởng theo lũy thừa của vi khuẩn sẽ là đường thẳng.  Hoạt tính sinh lý của tb trong pha log như thế nào? Thời gian thế hệ T: thời gian phân chia thế hệ T2: thời gian cuối T1: thời gian đầu Hằng số tốc độ phân chia Các quy luật sinh trưởng của VSV (tt) Các quy luật sinh trưởng của VSV (tt) Pha ổn định: Quần thể ở trạng thái cân bằng động. Số tb mới sinh = số tb cũ chết nên sinh khối không tăng cũng không giảm. Lượng tb & sinh khối = max Nguyên nhân tồn tại pha ổn định: Sự cạn về cơ chất dinh dưỡng. Mật độ quá lớn của quần thể vi khuẩn. Sự tích lũy các sản phẩm trao đổi chất, các chất độc Hoạt động sống, trạng thái sinh lý tb: Tb sử dụng chất dự trữ, phân hủy một phần ribosom và tổng hợp một số enzim bổ sung. Tb nào mẫn cảm với các tác nhân MT bị chết trước, tb mới vẫn được tạo ra (ít), một số không chết cũng không sinh sản do đó tạo thành trạng thái cân bằng động. Các quy luật sinh trưởng của VSV (tt) Pha suy vong: Số tế bào sống giảm theo lũy thừa. Các tb tự phân nhờ các enzim của bản thân. Ở các vi khuẩn sinh bào tử sẽ hình thành bào tử. Sự chết của tế bào có thể diễn ra nhanh hay chậm có liên quan đến sự tự phân hay không tự phân của tế bào. Do sức sống lớn bào tử bị chết chậm nhất. Nguyên nhân tử vong: •Nồng độ chất dinh dưỡng giảm thấp làm giảm hoạt tính trao đổi chất, phân hủy dần dần các chất dự trữ và cuối cùng dẫn đến sự chết hàng loạt tế bào. •Đặc tính của bản thân chủng vi sinh vật. •Tính chất của các sản phẩm trao đổi chất Các quy luật sinh trưởng của VSV (tt) Hiện tượng sinh trưởng kép Nguyên nhân: VK sinh trưởng kép khi môi trường chứa nguồn C gồm 2 chất hữu cơ khác nhau. VSV đồng hóa nguồn C nào mà nó ưa thích nhất, đồng thời cơ chất thứ 1 này kìm hãm sự tổng hợp các enzim để đồng hóa cơ chất thứ 2. Khi nguồn C thứ 1 hết, nguồn C thứ 2 cảm ứng tổng hợp nên các enzim cần cho việc chuyển hóa nó. Quá trình tổng hợp này đòi hỏi một thời gian nhất định. Đó là lí do có pha log thứ 2.  Hiện tượng sinh trưởng kép không chỉ giới hạn ở nguồn carbon mà còn thấy ở nguồn nito và phospho Các quy luật sinh trưởng của VSV (tt) Sinh trưởng & phát triển VSV trong nuôi cấy liên tục Cơ sở của phương pháp: Cung cấp cho vsv điều kiện ổn định để trong thời gian dài chúng vẫn sinh trưởng trong pha log. MT dinh dưỡng mới được đưa liên tục vào bình nuôi cấy đồng thời loại khỏi bình một lượng dịch tương ứng.