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

- Trong sinh tổng hợp (còn gọi là quá trình đồng hóa), tế bào sử dụng năng lượng 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.

- Vai trò: hình thành các hợp chất (vật liệu) để xây dựng và duy trì các hoạt động của vi sinh vật, đồng thời, giúp vi sinh vật tích lũy năng lượng.

a) Tổng hợp carbohydrate

- Tổng hợp đường đơn: Nhiều loài vi sinh vật có khả năng tổng hợp glucose theo nhiều con đường khác nhau.

• Tổng hợp đường đơn bằng con đường quang hợp (đây là con đường phổ biến và quan trọng nhất): xảy ra ở vi khuẩn lam và các loài tảo,…
• Tổng hợp đường đơn bằng con đường hóa tổng hợp: xảy ra ở vi khuẩn sắt, vi khuẩn nitrate,…

- Tổng hợp đường đa từ đường đơn: 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

- Tổng hợp 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.
• Tất cả các amino acid đều được vi sinh vật tổng hợp từ những sản phẩm của quá trình phân giải đường và nguồn nitrogen lấy từ môi trường, trong đó, một số vi sinh vật có khả năng cố định đạm để tự cung cấp nguồn nitrogen cho quá trình tổng hợp amino acid.

- Tổng hợp protein: Protein được tổng hợp từ các đơn phân là amino acid.

c) Tổng hợp lipid

- Cơ chế: Các vi sinh vật tổng hợp lipid từ nguyên liệu glycerol và acid béo.

- Vai trò: Lipid được tổng hợp sẽ tham gia cấu tạo nên tế bào, đặc biệt là màng tế bào; đồng thời, lipid cũng có thể là nguồn dự trữ năng lượng và carbon.

d) Tổng hợp nucleic acid

- Tổng hợp nucleotide: Nucleotide được tổng hợp từ 1 gốc đường 5 carbon và các amino acid glutamine, glycine, aspartate và phosphoric acid. Các phản ứng đều sử dụng năng lượng từ ATP.

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

2. Phân giải các chất

- Phân giải là quá trình biến đổi chất hữu cơ phức tạp thành những chất đơn giản.

- Vai trò: Quá trình phân giải giúp hình thành nguyên liệu và năng lượng cung cấp cho quá trình tổng hợp và các hoạt động của tế bào.

- Cơ chế:

• Khi tiếp xúc với các chất dinh dưỡng các phân tử lớn như nucleic acid, protein, đường đa, lipid, các vi sinh vật dị dưỡng hoại sinh thường tiết enzyme phân giải ngoại bào để phân giải các chất phức tạp thành các chất đơn giản rồi mới hấp thụ vào bên trong tế bào.
• Trong tế bào vi sinh vật (cả vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng), một phần chất hữu cơ đơn giản được phân giải tiếp theo nhiều con đường khác nhau để tạo ra năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào.

- Ứng dụng quá trình phân giải ở vi sinh vật:

• Ứng dụng quá trình phân giải protein để sản xuất nước mắm, nước tương, acid hữu cơ.
• Ứng dụng quá trình phân giải carbohydrate để sản xuất bánh kẹo, rượu, sữa chua, rau củ muối chua.
• Ứng dụng vi sinh vật để xử lí chất thải ô nhiễm (rác thải hữu cơ, dầu loang, nước thải,…).

II. Sinh trưởng của quần thể vi sinh vật

- Khái niệm sinh trưởng của quần thể vi sinh vật: Sinh trưởng của quần thể vi sinh vật được hiểu là sự tăng lên về mặt số lượng tế bào trong quần thể.

- Thời gian thế hệ (kí hiệu là g):

• Là thời gian tính từ khi một tế bào sinh ra đến khi tế bào đó phân chia, hay cũng là thời gian cần có để số tế bào trong quần thể tăng gấp đôi.
• Trong điều kiện lí tưởng, thời gian thế hệ của quần thể là một hằng số và khác nhau ở mỗi loài vi sinh vật.

Ví dụ: Ở vi khuẩn E.coli cứ sau 20 phút phân chia một lần (g = 20).

- Sự gia tăng số lượng tế bào của quần thể vi sinh vật:

• Trong điều kiện lí tưởng, công thức tính số tế bào tạo thành (Nt) được tạo thành từ No tế bào ban đầu sau n lần phân chia trong thời gian t là:

Nt = No × 2t/g = No × 2n

• Số lượng tế bào trong quần thể thay đổi theo thời gian và còn phụ thuộc vào hình thức nuôi cấy vi sinh vật: nuôi cấy không liên tục hoặc nuôi cấy liên tục.

1. Nuôi cấy không liên tục

- Điều kiện môi trường nuôi cấy: Trong môi trường nuôi cấy không liên tục, không được bổ sung chất dinh dưỡng mới và không được lấy đi các sản phẩm trao đổi chất.

- Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn: Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn diễn ra theo 4 pha là tiềm phát, lũy thừa, cân bằng, suy vong.

2. Nuôi cấy liên tục

- Điều kiện môi trường nuôi cấy: Trong môi trường nuôi cấy liên tục, thường xuyên được bổ sung chất dinh dưỡng và loại bỏ các sản phẩm trao đổi chất.

- Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn: Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn trong môi trường nuôi cấy liên tục không diễn ra pha suy vong mà được duy trì ở một mức độ cân bằng sao cho năng suất sản phẩm đạt cao nhất.

- Ứng dụng: Nuôi cấy liên tục được ứng dụng để sản xuất sinh khối nhằm tách chiết các sản phẩm sinh học có giá trị như các vitamin, enzyme, chất kháng sinh,…

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

1. Các yếu tố vật lí

2. Các yếu tố hóa học

a) Chất dinh dưỡng

- Các chất dinh dưỡng trong môi trường như protein, carbohydrate, lipid, ion khoáng,… có ảnh hưởng trực tiếp đến sự tồn tại và sinh trưởng của vi sinh vật.

- Nhân tố sinh trưởng đối với vi sinh vật:

• Nhân tố sinh trưởng là những chất cần cho sự sinh trưởng của chúng nhưng với hàm lượng rất ít, có thể là một số loại amino acid, vitamin,… hay một số nguyên tố vi lượng như Mn, Zn, Mo,…
• Dựa vào nhân tố sinh trưởng, vi sinh vật được chia thành 2 nhóm là: vi sinh vật khuyết dưỡng (vi sinh vật không tự tổng hợp các nhân tố sinh trưởng) và vi sinh vật nguyên dưỡng (vi sinh vật tự tổng hợp các nhân tố sinh trưởng).

b) Chất ức chế

Một số chất hóa học có khả năng ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật theo các cơ chế khác nhau:

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

a) Kháng sinh và ý nghĩa của kháng sinh

- Khái niệm: Kháng sinh là chất có tác dụng ức chế sự phát triển hoặc tiêu diệt vi khuẩn có tính chọn lọc.

- Nguồn gốc: Kháng sinh có thể được chiết xuất từ các vi sinh vật hoặc được tổng hợp nhân tạo.

- Cơ chế tác động: Kháng sinh ức chế và tiêu diệt vi khuẩn theo nhiều cơ chế khác nhau như ức chế tổng hợp thành tế bào, protein hay nucleic acid,… của vi khuẩn.

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

b) Hiện tượng kháng kháng sinh

- Khái niệm: Hiện tượng kháng kháng sinh xảy ra khi mầm bệnh hay vi khuẩn có khả năng tạo ra cách chống lại thuốc kháng sinh làm cho kháng sinh không thể tiêu diệt hoặc ngăn chặn được sự phát triển của chúng.

- Nguyên nhân:

• Do sử dụng thuốc kháng sinh không đúng theo chỉ định của bác sĩ hoặc do bệnh nhân tự ý dùng thuốc.
• Do việc sử dụng rộng rãi thuốc kháng sinh trong chăn nuôi cũng 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 qua tiếp xúc, giết mổ và gene kháng kháng sinh có thể truyền sang vi khuẩn gây bệnh ở người.

- Tác hại:

• Vi sinh vật kháng thuốc kháng sinh làm cho việc điều trị bệnh nhiễm khuẩn trở nên khó khăn, thậm chí không thể điều trị được.
• Nhiễm khuẩn do vi khuẩn đề kháng buộc bác sĩ phải sử dụng thuốc kháng sinh thay thế, thường có độc tính cao hơn dẫn đến thời gian nằm viện kéo dài và gây ra tốn kém chi phí y tế.

IV. Các hình thức sinh sản ở vi sinh vật

Vi sinh vật có 3 hình thức sinh sản chính gồm: phân đôi, bào tử (vô tính hoặc hữu tính), nảy chồi.

1. Phân đôi

- Là hình thức sinh sản phổ biến nhất ở vi sinh vật.

- Đặc điểm:

• Trong hình thức phân đôi, một tế bào mẹ phân chia thành hai tế bào con giống nhau.
• Vi sinh vật nhân sơ chỉ phân đôi vô tính, vi sinh vật nhân thực có thể phân đôi hữu tính theo cách tiếp hợp (có sự kết hợp vật chất di truyền giữa hai nhân con đơn bội của hai vi sinh vật rồi mới tiến hành phân đôi).

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 ngoại bào tử.

- Đặc điểm:

• Có nhiều loại bào tử khác nhau như bào tử đính ở vi 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.

- Nội bào tử ở vi khuẩn:

• Thường được tạo thành ở hai chi vi khuẩn là Bacillus và Clostridium .
• Không giữ chức năng sinh sản mà có tác dụng giúp vi khuẩn sống tiềm sinh khi gặp điều kiện môi trường bất lợi.

3. Nảy chồi

- Là phương thức sinh sản vô tính đặc trưng của một số ít vi sinh vật.

- Đặc điểm: Trong hình thức này, một cá 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. Khác với phân đôi, một cá thể mẹ có thể nảy chồi ra nhiều cá thể con.