ÑAÏI HOÏC NOÂNG LAÂM TP. HOÀ CHÍ MINH giang vi sinh vat dai cuong.pdf · ÑAÏI HOÏC NOÂNG LAÂM TP. HOÀ CHÍ MINH KHOA COÂNG NGHEÄ MOÂI TRÖÔØNG W X Leâ Quoác Tuaán

ÑAÏI HOÏC NOÂNG LAÂM TP. HOÀ CHÍ MINH KHOA COÂNG NGHEÄ MOÂI TRÖÔØNG

Leâ Quoác Tuaán

Baøi giaûng

VI SINH VAÄT HOÏC ñaïi cuông

Löu haønh noäi boä

-2003-

1

CHÖÔNG 1

MÔÛ ÑAÀU

1. Sô löôïc lòch söû phaùt trieån cuûa vi sinh vaät Töø xöa khi chöa nhaän thöùc ñöôïc vi sinh vaät, con ngöôøi ñaõ bieát khaù nhieàu veà taùc

duïng do vi sinh vaät gaây neân. Trong saûn xuaát vaø trong ñôøi soáng, con ngöôøi ñaõ tích luyõ nhieàu kinh nghieäm veà caùc bieän phaùp lôïi duïng vi sinh vaät coù ích vaø phoøng traùnh caùc vi sinh vaät coù haïi.

Caùch ñaây treân 600 naêm, ngöôøi daân Ai caäp doïc soâng Nile ñaõ coù taäp quaùn naáu röôïu. ÔÛ Trung Quoác röôïu ñaõ ñöôïc naáu caùch ñaây treân 4000 naêm. Muoái döa, laøm giaám, laøm töông, laøm maém, laøm söõa chua, öôùp thòt caù… laø nhöõng bieän phaùp höõu hieäu ñeå söû duïng hoaëc khoáng cheá vi sinh vaät phuïc vuï cho cheá bieán thöïc phaåm.

Vieäc saùng taïo ra caùc hình thöùc uû phaân, ngaâm phaân, ngaâm ñay, troàng luaân canh vôùi caây hoï ñaäu…ñeàu laø nhöõng bieän phaùp maø toå tieân ta töø laâu ñaõ bieát phaùt huy taùc duïng cuûa vi sinh vaät trong noâng nghieäp.

Veà phöông dieän chöõa beänh loaøi ngöôøi cuõng ñaõ sôùm tích luyõ ñöôïc nhieàu kinh nghieäm phong phuù. Ngay töø tröôùc coâng nguyeân Hippocrate (460-373 TCN) ñaõ ñeà caäp ñeán baûn chaát soáng cuûa caùc taùc nhaân gaây ra beänh truyeàn nhieãm.

Ngöôøi coù coâng phaùt hieän ra theá giôùi vi sinh vaät laø moät ngöôøi Haø Lan Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723). OÂng ñaõ töï cheá taïo ra treân 400 chieác kính hieån vi, nhôø ñoù oâng coù theå quan saùt ñöôïc theá giôùi sinh vaät nhoû beù maø maét thöôøng khoâng theå phaùt hieän ñöôïc. Cho tôùi theá kyû 19 nhöõng chieác kính hieån vi quang hoïc hoaøn chænh ra ñôøi. Naêm 1934 kính hieån vi ñieän töû ñaàu tieân ra ñôøi. Ñoù laø loaïi kính hieån vi khoâng duøng aùnh saùng maø duøng moät chuøm ñieän töû khueách ñaïi leân nhôø ñieän töø tröôøng.

Töø thaäp kyû 60 cuûa theá kyû 19 baét ñaàu thôøi kyø nghieân cöùu sinh lyù hoïc cuûa caùc vi sinh vaät. Ngöôøi coù coâng lôùn trong vieäc naøy, vaø veà sau ñöôïc xem laø oâng toå cuûa vi sinh vaät hoïc ñoù chính laø Louis Pasteur (1822-1895), moät nhaø khoa hoïc ngöôøi Phaùp. Coâng trình cuûa oâng ñaõ ñem laïi nhöõng bieán ñoåi quan troïng trong 3 lónh vöïc: veà coâng nghieäp, oâng ñaõ ñeà ra caùc cô sôû hôïp lyù, vöõng chaéc cho caùc quaù trình leân men; veà noâng nghieäp, cuøng vôùi caùc nhaø khoa hoïc ñöông thôøi oâng ñaõ vaïch ra cho caùc nhaø noâng nhöõng aùnh saùng môùi veà nhieäm vuï vaø phöông phaùp cô baûn; veà y hoïc, töø tröôùc ñeán nay trong lòch söû phaùt trieån chöa coù nhöõng tieán boä naøo coù yù nghóa quyeát ñònh nhö caùc coâng trình nghieân cöùu cuûa L. Pasteur.

2

Döôùi ñaây laø moät soá coáng hieán quan troïng cuûa L. Pasteur veà vi sinh vaät hoïc:

Naêm Coáng hieán

1854 – 1864 Chöùng minh quaù trình leân men laø do vi sinh vaät gaây neân.

1862 Nhaän giaûi thöôûng cuûa Vieän Haøn laâm Khoa hoïc Phaùp veà vieäc phuû ñònh hoïc thuyeát Töï sinh.

1863 Chöùng minh vi khuaån laø nguoàn goác cuûa beänh than.

1865 Phaùt hieän ra nguyeân nhaân cuûa beänh baøo töû truøng ôû taèm vaø ñeà xuaát ñöôïc caùc bieän phaùp phoøng traùnh

1877 Phaùt hieän caùc phaåy khuaån gaây beänh.

1880 - Phaùt hieän caùc tuï caàu khuaån vaø caùc lieân caàu khuaån gaây beänh - Tìm ra vaccin choáng beänh dòch taû gaø nhôø söû duïng vi khuaån

ñaõ chuyeån sang daïng maát ñoäc löïc. - Phaùt hieän naõo moâ caàu khuaån

1881 Tìm ra vaccin choáng beänh than

1883 Phaùt hieän tuï huyeát khuaån lôïn

1880-1885 Nghieân cöùu vaccin choáng beänh daïi vaø ñaõ thaønh coâng vaøo ngaøy 6-7-1885

1888 Trôû thaønh vieän tröôûng ñaàu tieân cuûa Vieän Pasteur ôû Paris (cho ñeán khi qua ñôøi)

Nhaø baùc hoïc Ñöùc Robert Koch (1843-1910), laø ngöôøi coäng söï maät thieát vôùi Pasteur. Ngoaøi coâng lao to lôùn trong vieäc khaùm phaù ra vi khuaån lao, vi khuaån taû, oâng coøn tìm ra phöông phaùp phaân laäp thuaàn khieát vi sinh vaät treân caùc moâi tröôøng ñaëc (solid medium). Hoïc troø cuûa oâng laø J.R.Petri (1852-1921) ñaõ phaùt kieán ra loaïi hoäp loàng laøm baèng thuûy tinh. R. Koch ñaõ phaùt hieän ra phöông phaùp nhuoäm maøu teá baøo vi sinh vaät. Veà sau caùc phöông phaùp nhuoäm tieâu baûn ñaõ ñöôïc caûi tieán bôûi Ehrlich (1881), Ziehl vaø Neelsen (1883), Loeffler (1884), Gram (1884)… R. Koch ñöôïc nhaän giaûi Nobel naêm 1905. Ngöôøi coù coâng ñaàu tieân cho vieäc chöùng minh coù söï toàn taïi cuûa loaïi vi sinh vaät nhoû beù hôn vi khuaån nhieàu laàn laø nhaø sinh lyù hoïc thöïc vaät Nga D.I. Ivanovskii (1864-1920). OÂng chöùng minh coù söï toàn taïi cuûa loaïi vi sinh vaät sieâu hieån vi gaây ra beänh khaûm (mosaic) ôû laù thuoác laù vaøo naêm

3

1892. Ñeán naêm 1897 nhaø khoa hoïc Haø Lan M.W. Beijerinck (1851-1931) goïi loaïi vi sinh vaät naøy laø virus theo goác La Tinh coù nghóa laø “noïc ñoäc”. Ñeán naêm 1917 thì F.H. d’ Heùrelle (1873-1949) phaùt hieän ra caùc virus cuûa vi khuaån vaø ñaët teân laø theå thöïc khuaån (Bacteriophage).

Maëc daàu L. Pasteur laø ngöôøi ñaàu tieân chöùng minh cô sôû khoa hoïc cuûa vieäc cheá taïo vaccin nhöng thuaät ngöõ vaccin (Vaccin, töø goác La Tinh Vaccinae coù nghóa laø beänh ñaäu muøa boø) laïi do baùc só noâng thoân ngöôøi Anh Edward Jenner (1749-1823) ñaët ra. OÂng laø ngöôøi ñaàu tieân nghó ra phöông phaùp chuûng muû ñaäu boø cho ngöôøi laønh ñeå ñeà phoøng beänh ñaäu muøa heát söùc nguy hieåm cho tính maïng con ngöôøi.

Ngöôøi ñaët neàn moùng cho khoa Mieãn dòch hoïc (Immunology) laø nhaø khoa hoïc Nga Ilya Ilitch Metchnikov (1845-1916). OÂng ñaõ ñeán Paris naêm 1887 ñeå gaëp L. Pasteur töø nhöõng ngaøy ñaàu xaây döïng Vieän Pasteur Paris. Vôùi lyù thuyeát “thöïc baøo” noåi tieáng oâng ñaõ ñöôïc nhaän giaûi thöôûng Nobel naêm 1908 (cuøng vôùi P. Ehrlich).

Caàn phaûi noùi theâm coâng lao cuûa nhaø khoa hoïc ngöôøi Anh J. Lister (1827-1912), ngöôøi ñaõ ñeà xuaát ra vieäc söû duïng caùc hoùa chaát dieät khuaån vaø vieäc söû duïng phöông phaùp voâ truøng trong phaåu thuaät.

Nhaø khoa hoïc Phaùp goác Nga S.N. Vinogradskii (1856-1953) laø ngöôøi ñaàu tieân phaùt hieän ra vi khuaån saét (1880), vi khuaån löu huyønh (1887), vi khuaån nitrate hoùa (1890). Nhaø khoa hoïc Haø Lan M.W. Beijerinck (1851-1931) laø ngöôøi ñaàu tieân phaân laäp ñöôïc vi khuaån noát saàn Rhizobium (1888), vi khuaån coá ñònh ñaïm hieáu khí Azotobacter (1901), vi khuaån leân men butylic, vi khuaån phaân giaûi pectin vaø nhieàu nhoùm vi khuaån khaùc.

Ngöôøi ñaàu tieân phaùt hieän ra chaát khaùng sinh laø baùc só ngöôøi Anh Alexander Fleming (1881-1955). Naêm 1928 oâng laø ngöôøi ñaàu tieân taùch ñöôïc chuûng naám sinh chaát khaùng sinh penicilin, môû ra moät kyû nguyeân môùi cho khaû naêng ñaåy luøi nhanh choùng caùc beänh nhieãm khuaån. OÂng ñöôïc nhaän giaûi thöôûng Nobel naêm 1945 (cuøng vôùi B.E. Chain vaø H.W. Florey).

Naêm 1897 Eduard Buchner (1860-1917) laàn ñaàu tieân chöùng minh ñöôïc vai troø cuûa enzyme trong quaù trình leân men röôïu. OÂng ñaõ nghieàn naùt teá baøo naám men baèng caùt thaïch anh vaø laáy chaát dòch voâ baøo chieát ruùt töø men ñöa vaøo moät dung dòch chöùa 37% ñöôøng, sau nöûa giôø ñaõ baét ñaàu thaáy saûn sinh CO2 vaø röôïu ethylic. Tính ñeán naêm 1984 ngöôøi ta ñaõ bieát ñeán 2477 loaïi enzyme khaùc nhau vaø enzyme ñaõ coù maët trong raát nhieàu hoaït ñoäng saûn xuaát vaø ñôøi soáng cuûa con ngöôøi.

Caùc vi sinh vaät coøn taïo ra böôùc ngoaët cuûa di truyeàn hoïc trong caùc nghieân cöùu veà di truyeàn. Con ngöôøi ñaõ ñuû nhaän thöùc veà taàm quan troïng cuûa vi sinh vaät trong nhieàu lónh vöïc. Maët khaùc cuõng laø moái ñe doaï khuûng khieáp ñoái vôùi nhaân loaïi neáu caùc vi sinh vaät ñaõ ñöôïc thay ñoåi gen ñöôïc söû duïng trong chieán tranh nhö nhöõng loaïi vuõ khí phaân töû voâ phöông cöùu chöõa.

4

2. Ñaëc ñieåm chung cuûa vi sinh vaät Vi sinh vaät (microoganisms) laø teân goïi chung ñeå chæ taát caû caùc sinh vaät coù hình theå

nhoû beù, chæ coù theå thaáy ñöôïc döôùi kính hieån vi.

Virus laø nhoùm vi sinh vaät nhoû beù tôùi möùc chæ coù theå quan saùt ñöôïc qua kính hieån vi ñieän töû. Virus chöa coù caáu truùc teá baøo. Caùc vi sinh vaät khaùc thöôøng laø ñôn baøo hoaëc ña baøo nhöng coù caáu truùc ñôn giaûn vaø chöa phaân hoaù thaønh caùc cô quan sinh döôõng.

Vi sinh vaät khoâng phaûi laø moät nhoùm rieâng bieät trong sinh giôùi. Chuùng thaäm chí thuoäc veà nhieàu giôùi sinh vaät khaùc nhau. Giöõa caùc nhoùm coù theå khoâng coù quan heä maät thieát vôùi nhau. Chuùng coù chung nhöõng ñaëc ñieåm sau ñaây:

2.1. Kích thöôùc

Kích thöôùc nhoû beù, maét ngöôøi khoâng theå thaáy ñöôïc. Thöôøng ñöôïc ño baèng micrometer, virus ñöôïc ño baèng nanometer. Vì coù kích thöôùc nhoû neân dieän tích beà maët cuûa moät taäp ñoaøn raát lôùn. Ví duï caàu khuaån chieám theå tích 1cm3 coù dieän tích beà maët laø 6m2.

2.2. Haáp thu vaø chuyeån hoaù

Vi sinh vaät coù khaû naêng haáp thu nhieàu vaø chuyeån hoaù nhanh, naêng löïc haáp thu cuûa noù vöôït xa caùc sinh vaät baäc cao. Chaúng haïn vi khuaån lactic (Lactobacillus) trong 1 giôø coù theå phaân giaûi moâït löôïng ñöôøng lactose naëng hôn 1000-10000 laàn khoái löôïng cuûa chuùng. Naêng löïc chuyeån hoaù cuûa vi sinh vaät raát maïnh (neáu tính μl O2 maø moãi mg chaát khoâ cuûa cô theå sinh vaät tieâu hao trong 1 giôø, thì ôû moâ laù cuûa thöïc vaät laø 0.5-4, ôû gan ñoäng vaät laø 10-20, coøn naám men röôïu laø 110, vi khuaån thuoäc chi Azotobacter laø 2000). Vì naêng löïc chuyeån hoaù maïnh cho neân chuùng coù taùc duïng heát söùc lôùn lao trong thieân nhieân cuõng nhö trong hoaït ñoäng soáng cuûa con ngöôøi.

2.3. Sinh tröôûng vaø phaùt trieån

So vôùi caùc sinh vaät khaùc thì vi sinh vaät coù toác ñoä sinh tröôûng vaø phaùt trieån raát lôùn. Vi khuaån Escherichia coli trong caùc ñieàu kieän thích hôïp cöù khoaûng 12-20 phuùt laïi phaân chia 1 laàn. Neáu laáy thôøi gian theá heä laø 20 phuùt thì moãi giôø phaân chia 3 laàn, sau 24 giôø thì 1 teá baøo ban ñaàu seõ sinh ra 4.722.366.500.1012 teá baøo (naëng 4722 taán!). Taát nhieân trong thöïc teá khoâng theå taïo ra caùc ñieàu kieän sinh tröôûng lyù töôûng nhö vaäy ñöôïc cho neân soá löôïng vi khuaån thu ñöôïc trong 1 ml dòch nuoâi caáy thöôøng chæ ñaït möùc ñoä 108-109 teá baøo. Thôøi gian theá heä cuûa moãi loaøi vi sinh vaät laø khaùc nhau, ví duï nhö naám men Saccharomyces cerevisiae laø 120 phuùt. Khi nuoâi caáy ñeå thu nhaän sinh khoái giaøu protein phuïc vuï chaên nuoâi ngöôøi ta nhaän thaáy toác ñoä sinh toång hôïp cuûa naám men naøy cao hôn boø ñeán 100.000 laàn. Thôøi gian theá heä cuûa taûo Chlorella laø 7 giôø, vi khuaån lam Nostoc laø 23 giôø.

5

2.4. Söï thích öùng vaø bieán dò di truyeàn

Naêng löïc thích öùng cuûa vi sinh vaät vöôït xa so vôùi ñoäng vaät vaø thöïc vaät. Trong quaù trình tieán hoaù laâu daøi vi sinh vaät ñaõ taïo cho mình nhöõng cô cheá ñieàu hoaø trao ñoåi chaát ñeå thích öùng vôùi nhöõng ñieàu kieän soáng baát lôïi. Söï thích öùng cuûa vi sinh vaät coù khi vöôït quaù söï töôûng töôïng cuûa con ngöôøi. Phaàn lôùn vi sinh vaät coù theå giöõ nguyeân söùc soáng ôû nhieät ñoä -1960C. Moät soá vi sinh vaät coù theå sinh tröôûng ôû nhieät ñoä 2500C, thaäm chí 3000C. Moät soá vi sinh vaät coù khaû naêng soáng trong moâi tröôøng pH raát thaáp nhö Thiobacillus thioxidans soáng ôû pH = 0.5, ngöôïc laïi Thiobacillus denitrificans thích hôïp ôû pH = 10.7. Moät soá vi sinh vaät coù theå soáng raát saâu trong loøng ñaïi döông ôû moät aùp löïc raát lôùn leân ñeán 1103.4 atm. Nhieàu vi sinh vaät thích nghi vôùi ñieàu kieän hoaøn toaøn thieáu oxy (vi sinh vaät kî khí baét buoäc).

Vi sinh vaät raát deã phaùt sinh bieán dò bôûi vì thöôøng laø ñôn baøo, ñôn boäi, sinh saûn nhanh, soá löôïng nhieàu, tieáp xuùc tröïc tieáp vôùi moâi tröôøng soáng. Taàn soá bieán dò laø 10-5–10-10. Hình thöùc bieán dò thöôøng gaëp laø ñoät bieán gen vaø daãn ñeán nhöõng thay ñoåi veà hình thaùi, caáu taïo, kieåu trao ñoåi chaát, saûn phaåm trao ñoåi chaát, tính khaùng nguyeân, tính ñeà khaùng… Beân caïnh caùc bieán dò coù lôïi, vi sinh vaät cuõng thöôøng sinh ra nhöõng bieán dò coù haïi ñoái vôùi nhaân loaïi, chaúng haïn bieán dò veà tính khaùng thuoác.

2.5. Chuûng loaïi vaø söï phaân boá

Vi sinh vaät phaân boá roäng khaép moïi nôi treân traùi ñaát. Chuùng coù maët treân cô theå ngöôøi, ñoäng vaät, thöïc vaät, trong ñaát, trong nöôùc, trong khoâng khí, treân moïi ñoà duøng, moïi vaät lieäu, töø bieån khôi ñeán nuùi cao, töø nöôùc ngoït, nöôùc ngaàm cho ñeán nöôùc bieån.

Trong ruoät ngöôøi coù khoâng döôùi 100-400 loaøi vi sinh vaät khaùc nhau, chuùng chieám ñeán 1/3 khoái löôïng cuûa phaân.

ÔÛ ñoä saâu 10.00m ôû Thaùi Bình Döông, nôi toái taêm, laïnh leõo coù aùp suaát raát cao ngöôøi ta vaãn phaùt hieän thaáy coù khoaûng 106-1010 vi khuaån/ml (chuû yeáu laø vi khuaån löu huyønh).

Vi sinh vaät cuõng hieän dieän trong khoâng khí ôû ñoä cao 84km, trong lôùp traàm tích saâu tôùi 427m, ôû Chaâu Nam Cöïc vaãn coù caùc vi khuaån soáng.

Veà chuûng loaïi trong khi toaøn boä giôùi ñoäng vaät coù khoaûng 1.5 trieäu loaøi, thöïc vaät khoaûng 0.5 trieäu loaøi thì vi sinh vaät cuõng coù tôùi 100 nghìn loaøi bao goàm 30 nghìn loaøi ñoäng vaät nguyeân sinh, 69 nghìn loaøi naám, 23 nghìn loaøi vi taûo, 2.5 nghìn loaøi vi khuaån lam, 1.5 nghìn loaøi vi khuaån, 1.2 nghìn loaøi virus vaø rickettsia…Tuy nhieân nhöõng vi sinh vaät maø chuùng ta bieát cho ñeán nay chæ chieám khoâng ñeán 10% toång soá loaøi coù saün trong töï nhieân.

6

3. Vò trí cuûa vi sinh vaät trong sinh giôùi Vieäc phaân loaïi caùc nhoùm vi sinh vaät ñaõ baét ñaàu töø giöõa theá kyû 18 bôûi nhaø khoa hoïc

Thuïy Ñieån Linneaus (1707 – 1778). Naêm 1969 nhaø sinh thaùi hoïc ngöôøi Myõ R. H. Whittaker (1920 – 1981) ñeà xuaát heä thoáng phaân loaïi 5 giôùi. Ñoù laø giôùi Khôûi sinh (Prokaryota hay Monera) bao goàm vi khuaån vaø vi khuaån lam; giôùi Nguyeân sinh (Protista) bao goàm moät soá taûo ñôn baøo, moät soá naám ñôn baøo coù loâng roi hay tieâm mao, vaø caùc nhoùm ñoäng vaät nguyeân sinh; giôùi Naám (Fungi); giôùi Thöïc vaät (Plantae) vaø giôùi Ñoäng vaät (Animalia).

7

Ñeán 1979 nhaø sinh vaät hoïc laõo thaønh Trung Quoác Chen Shixiang (1905-1988) ñöa ra kieán nghò veà heä thoáng phaân loaïi 6 giôùi vaø 3 toång giôùi sinh vaät nhö sau:

I – Nhoùm sinh vaät chöa coù teá baøo 1 – Giôùi virus

II – Nhoùm giôùi sinh vaät nhaân nguyeân thuyû 2 – Giôùi vi khuaån 3 – Giôùi vi khuaån lam (hay taûo lam) III – Nhoùm giôùi sinh vaät nhaân thaät 4 – Giôùi thöïc vaät 5 – Giôùi naám 6 – Giôùi ñoäng vaät

Naêm 1980 Woese nhaän thaáy thöù töï nucleotide cuûa ARN cuûa ribosome 16S vaø 5S ôû moät soá vi khuaån coù sai khaùc so vôùi ôû ña soá caùc vi khuaån khaùc, quaù trình dòch maõ khoâng chòu taùc duïng cuûa cloramphenicol nhöng laïi bò öùc cheá bôûi ñoäc toá cuûa vi khuaån baïch caàu. OÂng xeáp chuùng thaønh moät giôùi rieâng goïi laø giôùi vi khuaån coå (Archaebacteria).

8

Caùc quaù trình phaân loaïi cuûa sinh giôùi döïa vaøo caùc ñaëc ñieåm veà hình thaùi caáu truùc

cuõng nhö chöùc naêng cuûa sinh vaät. Qua moät quaù trình nghieân cöùu laâu daøi, caùc nhaø khoa hoïc ñaõ döïa vaøo nhöõng luaän cöù veà caùc ñaëc ñieåm treân vaø söï tieán hoùa cuûa sinh giôùi ñeå phaân chia theá giôùi sinh vaät thaønh nhöõng giôùi khaùc nhau, chuùng ta coù theå thaáy ñöôïc qua nhaùnh tieán hoùa sau.

9

Coù moät vaán ñeà coøn chöa ñuû caên cöù ñeå xeùt ñoaùn. Ñoù laø vieäc virus vaø phage (bacteriophage hay thöïc khuaån theå) laø nhöõng daïng tieán hoùa thaáp coå xöa hay do caùc daïng tieán hoùa cao bò thoaùi hoùa ñi maø taïo thaønh.

Vi sinh vaät tuy raát ñôn giaûn veà hình thaùi nhöng laïi bao goàm caùc nhoùm coù ñaëc ñieåm sinh lyù khaùc bieät nhau raát xa (hieáu khí, kî khí, dò döôõng, töï döôõng, hoaïi sinh, coäng sinh…). Trong khi ôû caùc sinh vaät baäc cao (thöïc vaät, ñoäng vaät) tuy coù hình thaùi khaùc nhau raát xa nhöng laïi raát gaàn guõi vôùi nhau veà ñaëc ñieåm sinh lyù.

10

4. Ñaëc ñieåm cuûa sinh vaät tieàn nhaân vaø sinh vaät nhaân thaät Sinh vaät tieàn nhaân vaø sinh vaät nhaân thaät coù nhöõng ñaëc ñieåm chuû yeáu ñöôïc trình baøy

qua baûng so saùnh sau:

Ñaëc ñieåm Tieàn nhaân (Prokaryotes) Nhaân thaät (Eukaryotes) Heä thoáng di truyeàn

- Vò trí

- Caáu truùc cuûa nhaân Maøng nhaân Soá löôïng nhieãm saéc theå Nhieãm saéc theå chöùa histon Phaân baøo giaûm nhieãm - Sinh saûn höõu tính Cô cheá hình thaønh hôïp töû Baûn chaát hôïp töû Heä thoáng toång hôïp protein Ñaëc ñieåm cuûa ribosome

Caáu truùc trong teá baøo chaát : Ty theå Luïc laïp Lisosome Theå Golgi Maïng löôùi noäi chaát Heä thoáng oáng nhoû Khoâng baøo thaät – coù maøng bao boïc

Caáu truùc ngoaøi teá baøo - Maøng teá baøo chaát Chöùa sterol Chöùa moät phaàn boä maùy hoâ haáp vaø quang hôïp - Thaønh teá baøo Möùc ñoä gaëp Chöùa peptidoglican (peptidoglican, murein) - Cô quan chuyeån vaän Tieâm mao chöùa 9+2 oáng nhoû baét nguoàn töø trung töû Tieâm mao khoâng nhö treân Chaân giaû

Theå nhaân (nucleotide)

- 1 - -

Tieáp hôïp (conjugation) Bieán naïp (transformation)

Taûi naïp (transduction) Löôõng boäi moät phaàn (chæ coù löôõng

boäi ñaày ñuû khi tieáp hôïp)

70 S - - - - - - -

- (ôû vi khuaån lam vaø mycoplasma coù vôùi noàng ñoä thaáp)

+ (khoâng coù ôû vi khuaån maøu luïc)

Haàu nhö phoå bieán + -

ôû moät soá vi khuaån -

Nhaân (nucleus)

Ty theå (mitochondria) Luïc laïp (chloroplasts)

+

>1 + +

Tieáp hôïp

Löôõng boäi (diploid)

80S (teá baøo chaát) 70S (cô quan töû, baøo quan)

+

- hoaëc + + (khoâng bao goàm taát caû)

+ + + +

+

Chæ moät soá nhoùm -

+ (moät soá nhoùm)

+ (moät soá nhoùm)

11

5. Vai troø cuûa vi sinh vaät trong töï nhieân vaø thöïc tieãn Nhö chuùng ta ñaõ bieát vi sinh vaät hieän dieän khaép moïi nôi, trong khí quyeån, ñòa

quyeån vaø sinh quyeån. Ngay caû trong nhöõng ñieàu kieän soáng khaéc nghieät chuùng ta vaãn tìm thaáy söï toàn taïi vaø phaùt trieån cuûa chuùng. Ngoaøi nhöõng loaøi vi sinh vaät thích nghi vôùi caùc ñieàu kieän nhieät ñoä, pH, ñoä maën khaéc nghieät coøn coù caû nhöõng vi sinh vaät coù khaû naêng ñoàng hoaù daàu moû, phenol, khí thieân nhieân…

Trong 1g ñaát canh taùc thöôøng coù khoaûng 1-22 tæ vi khuaån; 0.5-14 trieäu xaï khuaån; 3-5 trieäu vi naám; 10-30 nghìn vi taûo…, trong 1m3 khoâng khí phía treân chuoàng gia suùc thöôøng coù khoaûng 1-2 trieäu vi sinh vaät, treân ñöôøng phoá coù khoaûng 5000, nhöng treân maët bieån chæ coù khoaûng 1-2 vi sinh vaät maø thoâi.

Vi sinh vaät trong ñaát trong nöôùc tham gia tích cöïc trong caùc quaù trình phaân giaûi chaát höõu cô, bieán chuùng thaønh CO2 vaø caùc hôïp chaát voâ cô khaùc (N, P, K, S, Ca…) laøm nguoàn thöùc aên cho caùc loaïi caây troàng. Caùc vi sinh vaät coá ñònh nitrogen thöïc hieän vieäc bieán khí N2 trong khoâng khí thaønh hôïp chaát nitrogen (NH3, NH4

+) cung caáp cho caây troàng. Soá löôïng nitrogen moãi naêm maø vi sinh vaät taïo ra nhôø con ñöôøng naøy nhieàu gaáp 3 laàn so vôùi toång soá phaân ñaïm hoaù hoïc ñöôïc saûn xuaát ra treân theá giôùi. Vi sinh vaät coù khaû naêng phaân giaûi caùc hôïp chaát khoù tan coù chöùa P, K, S vaø taïo ra voøng tuaàn hoaøn vaät chaát trong töï nhieân.

Vi sinh vaät trong ñaát vaø trong nöôùc tham gia vaøo quaù trình hình thaønh chaát muøn. Vi sinh vaät tham gia tích cöïc vaøo vieäc phaân giaûi caùc pheá thaûi noâng nghieäp, pheá thaûi ñoâ thò, pheá thaûi coâng nghieäp, vì theá chuùng coù vai troø quan troïng trong vieäc baûo veä moâi tröôøng. Tuy nhieân, caùc vi sinh vaät gaây beänh thì laïi tham gia vaøo quaù trình gaây oâ nhieãm moâi tröôøng ôû nhöõng nôi coù ñieàu kieän veä sinh keùm.

Vi sinh vaät coù vai troø quan troïng trong ngaønh naêng löôïng. Naêm 1990, ngöôøi ta thoáng keâ thaáy nhaân loaïi moãi naêm ñaõ tieâu duøng moät löôïng sinh khoái hoaù thaïch (daàu moû, khí ñoát, than ñaù) nhöng nguoàn naêng löôïng naøy seõ caïn kieät, theo öôùc tính, vaøo naêm 2050. Trong caùc nguoàn naêng löôïng maø con ngöôøi hy voïng seõ khai thaùc trong töông lai coù naêng löôïng thu ñöôïc töø sinh khoái (biomass). Ngöôøi ta coù theå söû duïng vi sinh vaät ñeå chuyeån hoaù caùc chaát höõu cô thaønh coàn ñeå laøm nhieân lieäu. Töø phaân chuoàng ngöôøi ta coù theå chuyeån hoaù thaønh khí methane ñeå laøm chaát ñoát (1 taán phaân = 70-73m3 khí).

Vi sinh vaät laø löïc löôïng saûn xuaát tröïc tieáp cuûa ngaønh coâng nghieäp leân men. Vi sinh vaät coù caùc kieåu trao ñoåi chaát phong phuù vaø naêng löïc trao ñoåi maïnh neân coù theå sinh ra nhieàu saûn phaåm trao ñoåi khaùc nhau trong moät khoaûng thôøi gian ngaén. Trong coâng nghieäp tuyeån khoaùng, nhieàu chuûng vi sinh vaät ñaõ ñöôïc söû duïng ñeå hoaø tan caùc kim loaïi quyù töø caùc quaëng ngheøo hoaëc töø caùc baõi chöùa xæ quaëng. Ñoù laø phöông phaùp chaét loïc kim loaïi vaø ñaõ ñöôïc söû duïng ñeå saûn xuaát ñoàng, baïc, vaøng, keõm…

Töø ñaàu thaäp kæ 70 cuûa theá kæ 20, ngöôøi ta ñaõ thöïc hieän thaønh coâng thao taùc di truyeàn ôû vi sinh vaät. Vaø keát quaû cuûa vieäc naøy ñaõ mang laïi lôïi ích to lôùn cho di truyeàn hoïc bôûi vì

12

noù coù theå taïo ra nhöõng saûn phaåm tröôùc ñaây chöa heà ñöôïc taïo thaønh bôûi vi sinh vaät. Moät soá saûn phaåm ñaõ ñöôïc taïo ra töø caùc vi sinh vaät ñaõ ñöôïc taùi toå hôïp gen bao goàm: Caùc saûn phaåm phuïc vuï y teá vaø thuù y (kích thích toá sinh tröôûng ngöôøi, caùc vaccin theá heä môùi, caùc chaát khaùng sinh, vitamine…); saûn phaåm phuïc vuï coâng nghieäp thöïc phaåm vaø thöùc aên gia suùc (caùc acid amin, sinh khoái vi sinh vaät); saûn phaåm phuïc vuï noâng nghieäp (thuoác tröø saâu vi sinh vaät, phaân boùn vi sinh, kích toá sinh tröôûng ñoäng vaät nuoâi vaø caây troàng); saûn phaåm phuïc vuï coâng nghieäp hoùa hoïc vaø coâng nghieäp naêng löôïng (khí sinh hoïc, caùc dung moâi höõu cô, caùc acid höõu cô, enzyme, chaát phuï gia daàu khí); baûo veä moâi tröôøng (caùc vi sinh vaät mang gen taùi toå hôïp coù theå phaân giaûi maïnh caùc chaát pheá thaûi hoaëc phaù huûy caùc ñoäc chaát…)

Tuy theá, chuùng ta khoâng theå boû qua caùc vi sinh vaät coù haïi. Chuùng gaây beänh cho ngöôøi, gia suùc, gia caàm, ñoäng thöïc vaät thuyû sinh, caây troàng. Chuùng laøm hö hoaëc bieán chaát löông thöïc, thöïc phaåm, nguyeân vaät lieäu, haøng hoaù. Chuùng coù theå saûn sinh ra nhöõng ñoäc toá. Chæ caàn 1mg ñoäc toá cuûa vi khuaån Clostrididum botulinum cuõng ñuû gieát haïi tôùi 1000 taán cô theå sinh vaät. Chæ rieâng söï taán coâng cuûa virus HIV cuõng ñaõ laøm cho 30 – 40 trieäu ngöôøi mang virus naøy ôû cuoái theá kyû 20.

13

CHÖÔNG 2

HÌNH THAÙI VAØ CAÁU TAÏO TEÁ BAØO CAÙC VI SINH VAÄT TIEÀN NHAÂN (PROKARYOTES)

Vi sinh vaät nguyeân thuûy bao goàm vi khuaån thaät (Eubacteria) vaø vi khuaån coå (Archaebacteria). Trong vi khuaån thaät goàm nhieàu nhoùm khaùc nhau. Nhöõng nhoùm chuû yeáu laø vi khuaån (bacteria), xaï khuaån (actinomycetes), vi khuaån lam (cyanobacteria) vaø nhoùm vi khuaån nguyeân thuûy mycoplasma, Ricketsia, clamidia.

1. Vi khuaån 1.1. Hình thaùi, kích thöôùc, nhuoäm maøu

Hình thaùi vaø kích thöôùc cuûa vi khuaån khaùc nhau, nhöõng hình daïng chuû yeáu laø hình caàu, hình que, hình daáu phaåy, xoaén, hình sôïi…Ñöôøng kính cuûa vi khuaån thay ñoåi trong khoaûng 0.2 – 2.0 μm, chieàu daøi khoaûng 2.0 – 8.0 μm.

- Vi khuaån hình caàu : Song caàu khuaån (Diplococcus), lieân caàu khuaån (Streptococcus), tuï caàu khuaån (Staphylococcus). - Vi khuaån hình que : tröïc khuaån (Bacillus), Bacterium, coù theå gaëp daïng ñôn, daïng ñoâi, daïng chuoãi… - Vi khuaån hình xoaén : phaåy khuaån (Vibro), xoaén khuaån (Spirillum).

Ngoaøi ra coøn gaëp moät soá daïng vi khuaån coù caùc hình daïng khaùc nhö hình khoái vuoâng, hình tam giaùc, khoái hình sao.

Teá baøo vi khuaån raát nhoû beù cho neân muoán quan saùt thì phaûi duøng kính hieån vi coù ñoä phoùng ñaïi lôùn vaø ñeå quan saùt roõ hôn phaûi nhuoäm maøu chuùng.

Coù raát nhieàu phöông phaùp nhuoäm maøu nhö : - Nhuoäm baèng thuoác nhuoäm xanh methylen hoaëc fucshin - Nhuoäm Gram

1. Coá ñònh maãu baèng ngoïn löûa ñeøn coàn 2. Nhuoäm maøu baèng dung dòch tím tinh theå (crystal violet) trong 1 phuùt, sau ñoù röûa

baèng nöôùc caát. 3. Nhuoäm maøu baèng dung dòch iod (dung dòch lugol) trong 1 phuùt, sau ñoù röûa baèng

nöôùc caát. 4. Nhoû coàn 950 cho ñeán maát maøu, sau ñoù röûa baèng nöôùc caát. 5. Nhuoäm maøu baèng thuoác nhuoäm ñoû (safranin hay fuchsin Ziehl) trong 30-60 giaây,

sau ñoù röûa baèng nöôùc caát vaø quan saùt.

Nhoùm vi khuaån Gram döông (G+) coù ñaëc tính khoâng bò dung moâi ethanol taåy phöùc chaát maøu giöõa tím keát tinh vaø iod, cho neân seõ baét maøu tím. Nhoùm vi khuaån Gram aâm (G-) bò dung moâi taåy maøu thuoác nhuoäm ban ñaàu do ñoù seõ baét maøu vôùi thuoäc nhuoäm boå sung (ñoû vaøng vôùi Safranin hay ñoû tía vôùi Fucshin).

14

Gram döông : Micrococcus, Saccharococcus, Staphylococcus, Streptococcus, Sarcina, Peptococcus, Lactobacillus, Eubacteria…

Gram aâm : Spirillum, Aquaspirillum, Streptobacillus, caùc chi thuoäc hoï Pseudomonadaceae, Methylococcaceae, Acetobacteraceae…

1.2. Thaønh teá baøo

Thaønh teá baøo laø lôùp caáu truùc ngoaøi cuøng, coù ñoä raén chaéc nhaát ñònh ñeå duy trì hình daïng teá baøo, coù khaû naêng baûo veä teá baøo khoûi nhöõng taùc ñoäng baát lôïi cuûa moâi tröôøng. Noàng ñoä ñöôøng vaø muoái beân trong teâ baøo thöôøng cao hôn beân ngoaøi, do ñoù teá baøo haáp thu khaù nhieàu nöôùc töø beân ngoaøi vaøo, neáu khoâng coù thaønh teá baøo vöõng chaéc thì teá baøo seõ bò vôõ.

Thaønh teá baøo coù nhöõng chöùc naêng chuû yeáu sau: - Duy trì ngoaïi hình teá baøo - Hoã trôï söï chuyeån ñoäng cuûa Tieâm mao - Giuùp teá baøo ñeà khaùng vôùi caùc löïc taùc ñoäng töø beân ngoaøi. - Caàn thieát cho quaù trình phaân caét bình thöôøng cuûa teá baøo. - Caûn trôû söï xaâm nhaäp vaøo teá baøo cuûa moät soá chaát coù haïi - Coù lieân quan maät thieát ñeán tính khaùng nguyeân, tính gaây beänh, nhö khaû naêng sinh

ñoäc toá, tính maãn caûm vôùi thöïc khuaån…

Thaønh phaàn cuûa thaønh teá baøo raát phöùc taïp. Caáu truùc cuûa thaønh teá baøo vi khuaån G+ vaø G- raát khaùc nhau, coù theå so saùnh nhö sau :

Tæ leä % ñoái vôùi khoái löôïng khoâ cuûa thaønh teá baøo Thaønh phaàn

Gram döông Gram aâm Peptidoglycan 30 – 95 5 – 20 Teichoic acid Cao 0 Lipoid Haàu nhö khoâng coù 20 Protein Khoâng coù hoaëc ít cao

Peptidoglican (PG) laø loaïi polymer xoáp, khoâng tan, khaù cöùng vaø beàn vöõng, bao quanh teá baøo nhö moät maïng löôùi. Caáu truùc cô baûn cuûa peptidoglycan goàm 3 thaønh phaàn : N-acetylglucosamine, N – acetylmuramic acid vaø tetrapeptide

Teichoic acid laø moät thaønh phaàn ñaëc tröng cuûa teá baøo vi khuaån G+. Teichoic acid laø polymer cuûa ribitol vaø glycerol phosphate lieân keát vôùi PG hoaëc maøng teá baøo chaát. Loaïi lieân keát vôùi maøng teá baøo chaát ñöôïc goïi laø lipoteichoic. Do tích ñieän aâm teichoic acid giuùp vieäc vaän chuyeån caùc ion döông vaøo, ra teá baøo vaø giuùp teá baøo döï tröõ phosphate. Ngoaøi ra chuùng coøn lieân quan ñeán khaùng nguyeân beà maët vaø tính gaây beänh cuûa moät soá vi khuaån G+. Chuùng coøn goïi laø thuï theå haáp phuï ñaëc bieät ñoái vôùi moät soá theå thöïc khuaån.

15

Trong quaù trình nhuoäm Gram teá baøo tröôùc heát ñöôïc xöû lí vôùi tím tinh theå roài vôùi iod. Keát quaû laø coù söï taïo thaønh phöùc chaát tím tinh theå – iod beân trong teá baøo. Khi vi khuaån G- bò taåy coàn, lipid cuûa lôùp maøng ngoaøi bò hoøa tan laøm taêng tính thaám cuûa maøng daãn ñeán söï röûa troâi phöùc chaát tím tinh theå – iod vaø laøm cho vi khuaån maát maøu. Khi nhuoäm boå sung chuùng seõ baét maøu vôùi thuoác nhuoäm naøy. Ôû vi khuaån G+ coàn laøm cho caùc loã trong PG co laïi do ñoù phöùc chaát tím tinh theå – iod bò giöõ laïi trong teá baøo.

1.3. Maøng nguyeân sinh chaát (cytoplasmic membrane)

Maøng teá baøo chaát coøn ñöôïc goïi laø maøng chaát – cytoplasmic membrane. Maøng NSC caáu taïo bôûi 2 lôùp phospholipide (PL), chieám khoaûng 30 – 40% khoái löôïng vaø caùc protein naèm phía trong, phía ngoaøi hay xuyeân qua maøng chieám 60 – 70% khoái löôïng. Moãi phaân töû PL chöùa moät ñaàu ñieän tích ñieän phaân cöïc (ñaàu phosphate) vaø moät ñuoâi khoâng tích ñieän, khoâng phaân cöïc (ñaàu hydrocarbon). Ñaàu phaân cöïc tan trong nöôùc naèm phía trong. Vì theá PL coù hai ñaàu laø ñaàu haùo nöôùc vaø ñaàu kî nöôùc. Caùc PL trong maøng laøm maøng hoùa loûng vaø cho pheùp caùc protein di ñoäng töï do.

Maøng NSC laø haøng raøo ñoái vôùi ña soá caùc phaân töû tan trong nöôùc vaø coù tính choïn loïc hôn nhieàu so vôùi thaønh teá baøo. Tuy vaäy maøng NSC coù chöùa caùc protein ñaëc bieät, chuùng coù theå vaän chuyeån caùc phaân töû nhoû vaøo teá baøo theo cô cheá thuï ñoäng, khoâng caàn naêng löôïng hoaëc chuû ñoäng, caàn naêng löôïng.

Maøng NSC ôû vi khuaån laø vò trí laøm nhieäm vuï hoâ haáp. Maøng NSC coù chöùa caùc protein cuûa chuoãi hoâ haáp vaø caùc enzyme toång hôïp ATP. Ôû caùc vi khuaån löu huyønh maøng NSC coøn coù chöùa caû boä maùy quang hôïp. Ngoaøi ra ta coøn gaëp caùc enzyme tham gia caùc quaù trình toång hôïp lipide maøng, teichoic acid, PG, vaø coøn gaëp caû caùc polysacharide ñôn giaûn.

Nhìn chung, maøng NSC coù caùc chöùc naêng sau: - Khoáng cheá söï vaän chuyeån trao ñoåi ra, vaøo cuûa caùc chaát dinh döôõng, caùc saûn phaåm

trao ñoåi chaát. - Duy trì moät aùp suaát thaåm thaáu bình thöôøng beân trong teá baøo - Laø nôi sinh toång hôïp caùc thaønh phaàn cuûa thaønh teá baøo vaø caùc polymer cuûa voû nhaày. - Laø nôi tieán haønh caùc quaù trình phosphoryl oxy hoùa vaø phosphoryl quang hôïp.

16

- Laø nôi toång hôïp nhieàu loaïi enzyme, caùc protein cuûa chuoãi hoâ haáp. - Cung caáp naêng löôïng cho söï vaän ñoäng cuûa Tieâm mao.

17

Döôùi ñaây laø hình aûnh so saùnh caáu truùc cuûa maøng teá chaát baøo cuûa vi khuaån Gram aâm vaø Gram döông

18

1.4. Teá baøo chaát (cytoplasm)

Teá baøo chaát (TBC) laø vuøng dòch theå ôû daïng keo chöùa caùc chaát hoøa tan trong suoát vaø caùc haït nhö ribosome, goàm khoaûng 80% nöôùc. Trong TBC coù protein, nucleic acid, carbonhydrate, lipide, caùc ion voâ cô vaø nhieàu chaát coù khoái löôïng phaân töû thaáp khaùc. TBC cuûa vi khuaån khoâng di ñoäng beân trong teá baøo cuõng khoâng chöùa boä khung teá baøo töùc laø maïng löôùi caùc sôïi giuùp duy trì hình daïng cuûa teá baøo. Ñieàu naøy khaùc haún vôùi TBC cuûa caùc teá baøo nhaân thaät.

Ribosome naèm töï do trong TBC chieám tôùi 70% khoái löôïng khoâ cuûa teá baøo vi khuaån. Phaàn coù chöùc naêng toång hôïp caùc protein tieát gaén vôùi phía trong cuûa maøng teá baøo chaát. Ribosome goàm 2 tieåu phaàn : 50S vaø 30S. Hai tieåu phaàn naøy keát hôïp vôùi nhau taïo thaønh monosome 70S (S – laø ñôn vò Svedberg, ñaïi löôïng ño toác ñoä laéng cuûa caùc haït trong moät dòch huyeàn phuø khi ly taâm cao toác). Ribosome cuûa vi khuaån chòu taùc ñoäng cuûa nhieàu chaát khaùng sinh nhö streptomycin, tetracyclin…

Trong moâi tröôøng giaøu carbon nhöng ngheøo nitrogen, teá baøo chaát cuûa nhieàu vi khuaån thöôøng tích luõy caùc chaát döï tröõ khoâng tan trong nöôùc. Coù theå chia caùc chaát döï tröõ thaønh caùc nhoùm sau:

1. Chaát höõu cô. a. Nguoàn C vaø naêng löôïng + Glycogen + PHB (poly - β - hydroxybutyrate) b. Nguoàn N + Cyanophycin + Phycocycanin 2. Chaát voâ cô a. Haït dò nhieãm b. Haït löu hình.

1.5. Theå nhaân (nuclear body)

Theå nhaân laø nhaân nguyeân thuûy chöa coù maøng nhaân ñaëc tröng cho caùc cô theå thuoäc giôùi prokaryota. Theå nhaân cuûa vi khuaån laø moät nhieãm saéc theå (NST) duy nhaát caáu taïo bôûi moät sôïi DAN xoaén keùp (tuy nhieân ôû Streptomyces cuõng gaëp NST ôû daïng thaúng) coøn gaén vôùi thaønh teá baøo chaát. Nhö vaäy phaàn lôùn caùc teá baøo cuûa sinh vaät tieàn nhaân laø teá baøo ñôn boäi. Nhieãm saéc theå cuûa vi khuaån coù chieàu daøi thay ñoåi töø 0.25 – 3μm, chöùa khoaûng 6.6 – 13 x 106 caëp base.

Ngoaøi NST, nhieàu vi khuaån coøn coù chöùa DNA ngoaøi nhieãm saéc theå. Ñaáy laø nhöõng sôïi DNA keùp, daïng voøng kín, coù khaû naêng sao cheùp ñoäc laäp ñöôïc goïi laø plasmide

Theå nhaân laø cô sôû vaät chaát chöùa ñöïng thoâng tin di truyeàn cuûa vi khuaån.

19

1.6. Bao nhaày (capsule)

ÔÛ moät soá loaøi vi khuaån beân ngoaøi thaønh teá baøo coøn coù moät lôùp bao nhaày daïng keo, coù ñoä daày baát ñònh. Thaønh phaàn chuû yeáu cuûa bao nhaày laø polysarcharide, ngoaøi ra coøn coù polypeptide vaø protein

Bao nhaày coù theå coù caùc chöùc naêng sau ñaây: - Baûo veä vi khuaån traùnh bò thöông toån khi khoâ haïn, traùnh hieän töôïng thöïc baøo cuûa

baïch caàu. - Döï tröõ thöùc aên, ñeà phoøng khi thieáu thöùc aên coù theå söû duïng voû nhaày nhö nguoàn chaát

dinh döôõng - Tích luõy moät soá saûn phaåm trao ñoåi chaát - Giuùp vi khuaån baùm vaøo beà maët cuûa moät soá giaù theå.

1.7. Tieâm mao (flagella) vaø khuaån mao (fimbria)

Tieâm mao (hay loâng roi) laø nhöõng sôïi loâng daøi, uoán khuùc, moïc ôû maët ngoaøi moät soá vi khuaån vaø coù taùc duïng giuùp caùc vi khuaån naøy coù theå chuyeån ñoäng trong moâi tröôøng loûng vôùi toác ñoä khoaûng 100μm/s. Quan saùt khuaån laïc cuûa vi khuaån moïc treân moâi tröôøng ñaëc cuõng coù theå phaùn ñoaùn ñöôïc khaû naêng sinh tieâm mao cuûa chuùng. Neáu khuaån laïc moûng, lan nhanh, meùp khoâng ñeàu, hình khoâng troøn thì chöùng toû ñoù laø loaïi vi khuaån coù tieâm mao vaø coù khaû naêng di ñoäng. Ngöôïc laïi khuaån laïc troøn, meùp phaúng, khaù daày thì thöôøng laø khuaån laïc cuûa caùc vi khuaån khoâng coù tieâm mao vaø khoâng di ñoäng.

Sôïi tieâm mao caáu taïo bôûi caùc phaân töû cuûa moät loaïi protein ñaëc bieät goïi laø flagellin. Caùc protein naøy ñöôïc toång hôïp trong teá baøo chaát, sau ñoù chuyeån qua truï nhoû maø daãn ñeán sôïi.

20

Vi khuaån di ñoäng trong moâi tröôøng loûng theo nhieàu kieåu phuï thuoäc vaøo nhieàu lyù do khaùc nhau. Nhieàu khi hoaøn toaøn ngaãu nhieân. Tieâm mao thöôøng gaëp ôû caùc chi vi khuaån nhö Vibrio, Spirillum, Pseudomonas, Escherichia, Salmonella, Proteus…ÔÛ Clostridium, Bacterium, Bacillus…coù loaøi coù tieâm mao coù loaøi khoâng coù.

Khuaån mao coù khi coøn goïi laø nhung mao. Chuùng raát ngaén, raát nhoû (ñöôøng kính 7 – 9nm), roãng giöõa (ñöôøng kính trong 2 – 2.5nm) soá löôïng raát nhieàu (250 – 300 sôïi/teá baøo), coù baûn chaát laø protein. Chöùc naêng cuûa khuaån mao laø giuùp vi khuaån baùm giöõ vaøo giaù theå.

Coù moät loaïi khuaån mao ñaëc bieät goïi laø khuaån mao giôùi tính. Noù gioáng khuaån mao nhöng daøi hôn nhieàu. Moãi vi khuaån coù theå coù 1 – 4 khuaån mao giôùi tính. Coâng duïng cuûa noù laø laøm caàu noái giöõa 2 teá baøo khaùc giôùi tính vaø qua caàu noái naøy nhöõng ñoaïn DNA töø teá baøo naày ñöôïc chuyeàn sang teá baøo khaùc.

1.8. Baøo töû (spore, endospore)

Moät soá vi khuaån vaøo cuoái thôøi kyø sinh tröôûng vaø phaùt trieån seõ sinh ra beân trong teá baøo moät theå nghæ coù daïng hình caàu hay baàu duïc ñöôïc goïi laø baøo töû hay noäi baøo töû. Vì moãi teá baøo chæ sinh ra coù 1 baøo töû cho neân ñaây khoâng phaûi laø loaïi baøo töû coù chöùc naêng sinh soâi naåy nôû nhö ôû naám.

Baøo töû coù tính khaùng nhieät, khaùng böùc xaï, khaùng hoùa chaát, khaùng aùp suaát thaåm thaáu. Chaúng haïn baøo töû cuûa vi khuaån gaây ngoä ñoäc thòt Clostridium botulinum ñun soâi 1000C trong 5 – 9.5 giôø hoaëc 1210C sau 10 phuùt môùi cheát.

Trong thôøi gian nghæ hoaøn toaøn khoâng thaáy baát kyø

21

moät hoaït löïc trao ñoåi chaát naøo cuûa baøo töû, neân ngöôøi ta goïi ñoù laø troïng thaùi soáng aån. Baøo töû coù theå giöõ söùc soáng töø vaøi naêm ñeán vaøi chuïc naêm.

Quaù trình hình thaønh baøo töû : Caùc teá baøo sinh baøo töû khi gaëp ñieàu kieän thieáu thöùc aên hoaëc coù tích luõy saûn phaåm trao ñoåi chaát coù haïi seõ baét ñaàu thöïc hieän quaù trình hình thaønh baøo töû. Veà maët hình thaùi coù theå chia thaønh caùc giai ñoaïn :

- Hình thaønh nhöõng buùi nhieãm saéc - Teá baøo baét ñaàu phaân caét khoâng ñoái xöùng, taïo ra moät vuøng nhoû goïi laø tieàn baøo töû - Tieàn baøo töû hình

thaønh 2 lôùp maøng, taêng cao tính khaùng böùc xaï

- Lôùp voû sô khai hình thaønh giöõa 2 lôùp maøng cuûa baøo töû sau khi ñaõ tích luõy nhieàu peptidoglycan, Ca. Tính chieát quang taêng cao

- Keát thuùc vieäc hình thaønh aùo baøo töû

- Keát thuùc vieäc hình thaønh voû baøo töû. Baøo töû baét ñaàu thaønh thuïc, baét ñaàu coù tính khaùng nhieät.

- Baøo nang vôõ ra, baøo töû thoaùt ra ngoaøi.

Söï naåy maàm cuûa baøo töû : quaù trình chuyeån baøo töû ôû traïng thaùi nghæ sang teá baøo sinh

döôõng cuûa vi khuaån ñöôïc goïi laø quaù trình naåy maàm cuûa baøo töû. Quaù trình naøy goàm 3 giai ñoaïn : hoaït hoùa, naåy maàm vaø sinh tröôûng.

22

2. Xaï khuaån Xaï khuaån

(Actinomycetes) laø moät nhoùm vi khuaån thaät (Eubacteria) phaân boá roäng trong töï nhieân. Thöôøng coù 1 trieäu xaï khuaån / 1 gam ñaát. Phaàn lôùn xaï khuaån laø caùc teá baøo G+, hieáu khí, hoaïi sinh, coù caáu taïo daïng sôïi phaân nhaùnh (khuaån ti). Xaï khuaån ñöôïc nghieân cöùu nhieàu vì coù theå saûn sinh nhieàu saûn phaåm trao ñoåi chaát quan troïng. Xaï khuaån coøn ñöôïc duøng ñeå saûn xuaát nhieàu loaïi enzyme (proteinase, amilase, cellulase…), moät soá vitamin vaø acid höõu cô. Moät soá ít xaï khuaån kò khí coù theå gaây ra caùc beänh cho ngöôøi, cho ñoäng vaät vaø caây troàng. Moät soá xaï khuaån coù theå taïo noát saàn treân reã moät soá caây khoâng thuoäc boä ñaäu vaø coù khaû naêng coá ñònh nitrogen.

2.1. Vò trí cuûa xaï khuaån trong giôùi vi sinh vaät

Tröôùc TK 19 ngöôøi ta xeáp xaï khuaån vaøo naám. Veà sau do nghieân cöùu saâu hôn ngöôøi ta môùi thaáy chuùng coù nhaân nguyeân thuûy, coù kích thöôùc nhoû beù nhö vi khuaån neân xeáp vaøo vi khuaån nhaân thaät.

Thuoäc veà caùc xaï khuaån coù nang bao töû nhieàu muùi coù caùc chi Geodermatophillus, Dermatophillus, Frankia. Thuoäc veà caùc xaï khuaån di ñoäng coù caùc chi Actinoplanes, Ampulariella, Pilimenia, Dactylosporangium, Micromonospora. Thuoäc veà Streptomycetes goàm caùc chi Streptomyces, Streptoverticillium, Kineosporia. Thuoäc veà xaï khuaån ñôn baøo öa nhieät vaø caùc chi coù lieân quan goàm coù Thermomonospora, Actinosynnema, Nocadiopsis. Thuoäc veà xaï khuaån öa nhieät coù chi Thermoactinomyces.

23

2.2. Ñaëc ñieåm hình thaùi

Heä sôïi cuûa xaï khuaån chia ra thaønh khuaån ti cô chaát vaø khuaån ti khí sinh. Chi Actinomyces vaø vaøi chi khaùc chæ coù khuaån ti khí sinh. Loaïi khuaån ti khoâng mang baøo töû ñöôïc goïi chung laø khuaån ti dinh döôõng.

Ñöôøng kính khuaån ti xaï khuaån thay ñoåi trong khoaûng töø 0.2 – 1μm ñeán 2 – 3μm. Ña soá xaï khuaån coù khuaån ti khoâng coù caùch ngaên vaø khoâng töï ñöùt ñoaïn. Maøu saéc cuûa khuaån ti ôû xaï khuaån phong phuù. Coù theå gaëp caùc maøu traéng, vaøng, da cam, ñoû, luïc, lam, tím, naâu, ñen…khuaån ti cô chaát coù theå tieát ra moâi tröôøng moät soá loaïi saéc toá. Coù saéc toá tan trong nöôùc, coù saéc toá chæ tan trong dung moâi höõu cô.

Khuaån ti cô chaát phaùt trieån moät thôøi gian thì daøi ra trong khoâng khí thaønh nhöõng khuaån ti khí sinh. Sau moät thôøi gian phaùt trieån treân ñænh khuaån ti khí sinh seõ xuaát hieän caùc sôïi baøo töû. Moät soá xaï khuaån coù sinh nang baøo töû beân trong coù chöùa caùc baøo töû nang.

3. Vi khuaån lam

Tröôùc ñaây vi khuaån lam (Cyanobacteria) thöôøng ñöôïc goïi laø taûo lam (Cyanophyta). Thöïc ra thì ñaây laø moät nhoùm vi sinh vaät nhaân nguyeân thuûy thuoäc vi khuaån thaät. Vi khuaån lam coù khaû naêng töï döôõng quang naêng nhôø chöùa saéc toá quang hôïp laø chaát dieäp luïc a. Quaù trình quang hôïp cuûa khuaån lam laø quaù trình phosphoryl hoùa quang hôïp khoâng tuaàn hoaøn, coù giaûi phoùng oxy nhö ôû caây xanh.

Vi khuaån lam phaân boá roäng raõi trong töï nhieân. Ña soá vi khuaån lam soáng trong nöôùc ngoït vaø taïo thaønh thöïc vaät phuø du caû caùc thuûy vöïc. Moät soá khuaån lam soáng coäng sinh, nhö Anabaena azollae coäng sinh trong beøo hoa daâu. Moät soá phaân boá trong nöôùc maën vaø nöôùc lôï giaøu chaát höõu cô. Coù theå tìm thaáy vi khuaån lam ôû caùc suoái nöôùc noùng ôû nhieät ñoä 870C. ÔÛ ñaùy ao hoà thöôøng gaëp caùc chi khuaån lam laø Oscillatoria, Lyngbya.

Moät soá vi khuaån coù giaù trò dinh döôõng cao, coù chöùa moät soá hoaït chaát coù giaù trò y hoïc, laï coù toác ñoä phaùt trieån nhanh, khoù nhieãm taïp khuaån vì thích hôïp ñöôïc vôùi caùc ñieàu kieän moäi tröôøng khaù ñaëc bieät, cho neân ñaõ ñöôïc saûn xuaát ôû quy moâ coâng nghieäp ñeå thu sinh khoái.

Nhöõng vi khuaån lam coù hoaït tính coá ñònh nitrogen cao ( thuoäc caùc chi Nostoc, Anabaena, Tolypothrix…) ñaõ ñöôïc saûn xuaát thaønh caùc cheá phaåm laøm phaân boùn sinh hoïc.

Teá baøo sinh döôõng cuûa khuaån lam coù theå coù hình caàu, hình elip, hình quaû leâ, hình tröùng, hình thoi, hình oáng…coù teá baøo ñöôøng kính chæ khoaûng 1μm nhöng cuõng coù teá baøo chieàu ngang sôïi vöôït quaù 30μm (Oscillatoria).

Khuaån lam coù caáu taïo teá baøo gaàn guõi vôùi vi khuaån G-. Thaønh teá baøo daày phaân thaønh 2 taàng, taàng ngoaøi laø lipopolisaccharide, taàng trong laø peptidoglycan. Nhieàu khuaån lam coøn coù bao nhaày coù caáu taïo polisaccharide. Cô quan thöïc hieän quaù trình quang hôïp ôû vi khuaån laø thylakoids, chuùng coù soá löôïng nhieàu, coù daïng baûn xeáp song song hay coù daïng uoán khuùc naèm ôû gaàn maøng teá baøo chaát. Treân maøng thylakoids coù chöùa chaát dieäp luïc a, β-

24

caroten. Treân maët ngoaøi cuûa thylakoids coù chöùa phycobilisome (moät caáu truùc protein daïng ñóa chöùa 75% Phycocyanin, 12% Phycoeurythrin, 12% allaphycocyanin.

Hình thöùc sinh saûn chuû yeáu cuûa khuaån lam laø söï ñöùt ñoaïn töø caùc sôïi khuaån, sau ñoù phaùt trieån thaønh moät sôïi môùi. Haït sinh saûn laø moät teá baøo coù maøng nhaày ñöôïc taùch ra töø sôïi vi khuaån lam vaø laøm chöùc naêng sinh saûn. Coù tröôøng hôïp baøo töû ñöôïc hình thaønh vôùi soá löôïng lôùn (treân 100) baèng caùch phaân chia lieân tuïc teá baøo chaát cuûa teá baøo meï vaø phaân hoùa daàn thaønh caùc baøo töû. ÔÛ khuaån lam chöa thaáy hình thöùc sinh saûn höõu tính.

4. Nhoùm vi khuaån nguyeân thuyû

Nhoùm vi khuaån nguyeân thuûy coù kích thöôùc raát nhoû baøo goàm 3 loaïi : Mycoplasma, Rickettsia vaø Clamydia. Nhieàu taùc giaû cho raèng ba loaïi naøy coù vò trí trung gian giöõa virus vaø vi khuaån.

4.1. Mycoplasma : laø vi sinh vaät nguyeân thuûy chöa coù thaønh teá baøo, ñoù laø loaïi sinh vaät nhoû nhaát trong sinh giôùi coù ñôøi soáng dinh döôõng ñoäc laäp. Nhieàu loaïi Mycoplasma coù theå gaây beänh cho ñoäng vaät thöïc vaät vaø con ngöôøi

4.2. Rickettsia : laø loaïi vi sinh vaät nhaân nguyeân thuûy G- chæ coù theå toàn taïi trong teá baøo caùc sinh vaät nhaân thaät. Chuùng khaùc vôùi Mycoplasma ôû choã ñaõ coù thaønh teá baøo vaø khoâng theå soáng ñoäc laäp trong caùc moâi tröôøng nhaân taïo.

4.3. Chlamydia : ñoù laø loaïi vi khuaån raát nhoû G-, coù chu kyø phaùt trieån ñoäc ñaùo, kí sinh baét buoäc trong teá baøo caùc sinh vaät nhaân thaät. Coù caáu taïo teá baøo, coù chöùa ñoàng thôøi DNA vaø RNA, coù ribosome trong teá baøo, coù heä enzyme hoaøn chænh.

25

CHÖÔNG 3.

HÌNH THAÙI VAØ CAÁU TAÏO TEÁ BAØO CAÙC VI SINH VAÄT NHAÂN THAÄT (EUKARYOTES)

Vi sinh vaät nhaân thaät bao goàm caùc vi naám (microfungi), moät soá ñoäng vaät nguyeân sinh, moät soá taûo ñôn baøo.

1. Ñaëc ñieåm chung cuûa vi naám

Vi naám goàm taát caû caùc loaøi naám men vaø caùc sôïi naám khoâng sinh quaû theå lôùn. Caùc naám sinh quaû theå lôùn thöôøng ñöôïc goïi laø naám lôùn. Tuy nhieân giai ñoaïn sôïi naám cuûa caùc naám lôùn cuõng vaãn laø ñoái töôïng nghieân cöùu cuûa vi sinh vaät hoïc.

Naám laø caùc vi sinh vaät thuoäc moät giôùi rieâng bieät goïi laø giôùi naám – Fungi, chuùng coù nhöõng ñaëc ñieåm sau ñaây:

- Cô theå laø moät taûn, coù boä maùy dinh döôõng chöa phaân hoùa thaønh caùc cô quan rieâng bieät. Taûn naám coù theå laø ña baøo hoaëc ñôn baøo, ña soá coù daïng sôïi hay khuaån ti. Sôïi naám coù kích thöôùc trung bình laø 5 – 10μm.

- Caùc vaùch ngang ôû sôïi naám ñeàu coù loã thoâng. Qua loã thoâng naøy chaát nguyeân sinh vaø cuõng coù theå laø nhaân ñi qua laïi vôùi nhau ñöôïc. Nhaân teá baøo trong sôïi naám thöôøng di chuyeån ñeán nhöõng nôi maø coù hoaït ñoäng sinh lyù dieãn ra maïnh meõ. Moãi teá baøo trong sôïi naám chöa coù hoaït ñoäng trao ñoåi chaát ñoäc laäp vì chöa coù giôùi haïn roõ reät.

- Coù nhieàu ñaëc ñieåm chung vôùi caùc sinh vaät nhaân thaät, nhaát laø caáu taïo nhaân, vaø khaùc haún veà nhieàu maët so vôùi caùc vi sinh vaät nhaân nguyeân thuûy.

- Naám khoâng coù caáu truùc thoáng nhaát giöõa caùc nhoùm veà thaønh phaàn cuûa thaønh teá baøo. Chæ coù moät soá ít coù chöùa cellulose trong thaønh teá baøo. Chaát döï tröõ trong teá baøo khoâng phaûi laø tinh boät nhö thöïc vaät maø laø glycogen nhö ôû ñoäng vaät

26

Caáu truùc cuûa teá baøo naám 1. Theå bieân 2. Thaønh teá baøo 3. Maøng teá baøo 4. Nhaân teá baøo 5. Haït nhaân 6. Maøng nhaân 7. Khoâng baøo 8. Maïng löôùi noäi chaát 9. Haït döï tröõ 10. Ti theå 11. Teá baøo chaát

- Naám khoâng chöùa trong teá baøo caùc saéc toá quang hôïp, neân khoâng coù khaû naêng quang hôïp ñeå soáng töï döôõng. Naám chæ coù ñôøi soáng hoaïi sinh (treân chaát höõu cô), kyù sinh (treân cô theå soáng) hoaëc coäng sinh (vôùi taûo hoaëc vi khuaån lam trong ñòa y).

- Naám sinh saûn baèng baøo töû voâ tính hoaëc baøo töû höõu tính

- Naám khoâng coù moät chu trình phaùt trieån chung. Coù theå phaân bieät ñöôïc 5 kieåu chu trình phaùt trieån cuûa naám : chu trình löôõng boäi, chu trình hai theá heä, chu trình ñôn boäi, chu trình ñôn boäi – song nhaân vaø chu trình voâ tính.

2. Naám men

Naám men laø teân goïi thoâng thöôøng cuûa moät nhoùm naám coù vò trí phaân loaïi khoâng thoáng nhaát nhöng coù chung caùc ñaëc ñieåm sau ñaây:

- Thöôøng toàn taïi ôû traïng thaùi ñôn baøo

- Ña soá phaùt trieån baèng caùch naåy choài, coù khi cuõng hình thaønh söï phaân chia teá baøo.

- Nhieàu loaïi coù khaû naêng leân men ñöôøng

- Thích nghi vôùi moâi tröôøng chöùa ñöôøng cao, coù tính acid cao.

Naám men thöôøng phaân boá roäng trong töï nhieân, nhaát laø trong caùc moâi tröôøng coù chöùa ñöôøng, coù pH thaáp, chaúng haïn nhö trong hoa quaû, rau döa, maät mía, ræ ñöôøng, maät ong, trong ñaát ruoäng mía, vöôøn caây aên quaû, trong caùc ñaát coù nhieãm daàu moû.

27

2.1. Hình thaùi vaø caáu truùc cuûa teá baøo naám men

Laø vi sinh vaät ñieån hình cho nhoùm nhaân thaät. Teá baøo naám men thöôøng lôùn gaáp 10 laàn so vôùi vi khuaån. Loaïi naám men thöôøng söû duïng cho cheá bieán röôïu bia laø Saccharomyces cerevisiae, coù kích thöôùc thay ñoåi trong khoaûng 2.5 – 10 μm x 5.5 – 21μm do ñoù coù theå thaáy roõ döôùi kính hieån vi quang hoïc. Coù hình caàu, elip, thoi…

Thaønh teá baøo naám men daøy khoaûng 25nm, chieám 25% khoái löôïng teá baøo, ñöôïc caáu taïo bôûi glucan vaø mannan. Trong thaønh teá baøo coù chöùa khoaûng 10% protein vaø moät löôïng nhoû lipide. Döôùi thaønh teá baøo laø lôùp maøng teá baøo chaát coù caáu taïo chuû yeáu laø protein (chieám 50% troïng löôïng khoâ), phaàn coøn laïi laø lipide (40%) vaø moät ít polysaccaride.

Nhaân cuûa teá baøo naám men ñöôïc bao boïc bôûi moät maøng nhaân nhö ôû caùc sinh vaät nhaân thaät. Maøng nhaân coù caáu truùc 2 lôùp vaø coù raát nhieàu loã treân maøng. Nhaân cuûa teá baøo men röôïu chöùa 17 ñoâi NST.

Ty theå cuûa naám men cuõng gioáng vôùi caùc naám sôïi vaø caùc sinh vaät coù nhaân khaùc, coù chöùa DNA daïng voøng. Coù moät loaïi plasmide cuûa teá baøo men röôïi coù vai troø trong troïng trong kyõ thuaät di truyeàn.

Caùc teá baøo naám men khi giaø seõ xuaát hieän khoâng baøo. Trong khoâng baøo coù chöùa caùc enzyme thuûy phaân, polysaccharide, caùc saûn phaåm trao ñoåi chaát.

2.2. Sinh saûn vaø caùc chu kyø soáng

Naám men coù nhieàu phöông thöùc sinh saûn

(1) Sinh saûn voâ tính

- Naåy choài : taát caû caùc naám men

- Phaân caét : ôû chi Schizosacharomyces.

- Baèng baøo töû.

(2) Sinh saûn höõu tính : baøo töû tuùi ôû caùc chi Saccharomyces, Zygosaccharomyces.

Naåy choài laø phöông thöùc sinh saûn phoå bieán nhaát ôû naám men. ÔÛ ñieàu kieän thuaän lôïi naám men sinh soâi naåy nôû nhanh.

Chu kyø soáng cuûa naám men coù theå phaân ra thaønh 3 loaïi

(1) Caùc teá baøo dinh döôõng ñôn boäi (n) coù theå tieáp hôïp vôùi nhau ñeå taïo ra teá baøo dinh döôõng löôõng boäi (2n). Sau quaù trình giaûm phaân seõ sinh ra caùc baøo töû tuùi (thöôøng laø 4 baøo töû tuùi)

(2) Caùc teá baøo dinh döôõng ñôn boäi (n) sinh saûn theo loái phaân caét. Hai teá baøo khaùc daáu ôû gaàn nhau seõ tieáp hôïp vôùi nhau vaø sau quaù trình phaân caét 3 laàn, laàn ñaàu giaûm nhieãm seõ taïo ra 8 baøo töû tuùi. Teá baøo mang 8 baøo töû naøy trôû thaønh tuùi. Khi tuùi vôõ caùc

28

baøo töû tuùi seõ thoaùt ra ngoaøi vaø khi gaëp ñieàu kieän thuaän lôïi seõ phaùt trieån thaønh teá baøo dinh döôõng.

(3) Theå dinh döôõng chæ coù theå toàn taïi döôùi daïng löôõng boäi (2n), sinh saûn theo loái naåy choài khaù laâu. Baøo töû tuùi ñôn boäi tieáp hôïp töøng ñoâi vôùi nhau ngay khi coøn trong tuùi.

2.3. Vai troø cuûa naám men

Raát nhieàu loaøi naám men ñaõ ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong saûn xuaát : coâng nghieäp saûn xuaát bia, röôïi, nöôùc giaûi khaùt, sinh khoái phuïc vuï chaên nuoâi, vaø cao naám men, caùc loaïi enzyme phuïc vuï trong ngaønh döôïc.

Loaøi Saccharomyces cerevisiae hieän ñang ñöôïc söû duïng nhö moät coâng cuï ñaéc löïc ñeå mang caùc DNA taùi toå hôïp phuïc vuï cho saûn xuaát caùc saûn phaåm theá heä môùi cuûa kyõ thuaät di truyeàn.

Tuy nhieân beân caïnh lôïi ích maø naám men mang laïi coù khoâng ít loaøi naám men gaây haïi cho con ngöôøi vaø gia suùc, gaây hoûng thöïc phaåm cheá bieán. Coù khoaûng 13 – 15 loaøi naám men coù khaû naêng gaây beänh cho ngöôøi vaø gia suùc.

3. Naám sôïi

Naám sôïi laø caùc naám khoâng phaûi naám men vaø khoâng sinh theå quaû nhö ôû caùc naám lôùn. Naám sôïi ñöôïc goïi laø naám moác, töùc laø chæ taát caû caùc loaïi moác moïc treân thöïc phaåm, quaàn aùo, saùch vôû…Chuùng phaùt trieån raát nhanh treân nhieàu nguoàn chaát höõu cô khi gaëp khí haäu noùng aåm.

Nhieàu naám sôïi kyù sinh treân ngöôøi, ñoäng thöïc vaät vaø gaây ra caùc beänh khaù nguy hieåm. Nhieàu naám sôïi sinh ra caùc ñoäc toá coù theå gaây beänh ung thö vaø nhieàu beänh khaùc.

Trong thieân nhieân naám phaân boá roäng raõi vaø tham gia tích cöïc vaøo voøng tuaàn hoaøn vaät chaát, nhaát laø quaù trình phaân giaûi chaát höõu cô thaønh muøn.

Nhieàu loaïi naám ñaõ ñöôïc söû duïng roäng raõi trong coâng nghieäp cheá bieán thöïc phaåm, coâng nghieäp enzyme, döôïc phaåm, thuoác tröø saâu sinh hoïc, kích thích toá sinh tröôûng thöïc vaät, xöû lyù oâ nhieãm moâi tröôøng…

3.1. Hình thaùi vaø caáu truùc cuûa sôïi naám

Caùc naám sôïi coù kích thöôùc vaø caáu truùc töông töï nhö naám men. Beân ngoaøi coù thaønh teá baøo ñeán maøng TBC, beân trong TBC vôùi nhaân phaân hoùa. Maøng nhaân coù hai lôùp vaø treân maøng coù nhieàu loã nhoû. Trong nhaân coù haïch nhaân. Beân trong teá baøo naám coøn coù khoâng baøo, ti theå, maïng löôùi noäi chaát.

29

3.2. Caùc daïng bieán hoaù cuûa heä sôïi naám

Luùc baøo töû naám rôi vaøo ñieàu kieän moâi tröôøng thích hôïp noù coù theå naåy maàm vaø moïc ra theo caû 3 chieàu thaønh moät heä sôïi naám hay goïi laø khuaån ti. Treân khuaån ti ta phaân bieät ñöôïc 2 loaïi khuaån ti. Khuaån ti cô chaát hay khuaån ti dinh döôõng vaø khuaån ti khí sinh. Khuaån ti cô chaát caém saâu vaøo moâi tröôøng coøn khuaån ti khí sinh phaùt trieån töï do trong khoâng khí.

Heä sôïi naám coù theå bieán hoùa ñeå thích nghi vôùi caùc ñieàu kieän soáng khaùc nhau thaønh caùc daïng ñaëc bieät sau ñaây :

- Reã giaû

- Sôïi huùt

- Sôïi boø hay thaân boø

- Ñaàu baøo töû traàn

- Nang baøo töû kín

- Ñaûm

- Cuïm giaù

- Ñóa giaù

30

CHÖÔNG 4

VIRUS Theo Atlas R. M. (1994) “Virus laø moät thöïc theå voâ baøo coù chöùa moät löôïng toái thieåu

protein vaø nucleic acid maø chæ coù theå sao cheùp sau khi ñaõ xaâm nhaäp vaøo nhöõng teá baøo soáng chuyeân bieät. Chuùng khoâng coù quaù trình trao ñoåi chaát noäi taïi, söï sao cheùp nhôø vaøo heä gen cuûa cuûa chuùng. Trong teá baøo chuû caùc thaønh phaàn cuûa virus ñöôïc toång hôïp moät caùch rieâng reõ vaø ñöôïc laép raùp beân trong teá baøo thaønh daïng virus thaønh thuïc”

Virus khaùc bieät vôùi caùc vi sinh vaät khaùc caùc ñaëc ñieåm sau ñaây :

- Virus coù keát caáu ñaïi phaân töû voâ baøo, khoâng coù heä thoáng sinh naêng löôïng, khoâng coù ribosome, khoâng coù hieän töôïng sinh tröôûng caù theå, khoâng phaân caét thaønh hai phaàn ñeàu nhau, khoâng maãn caûm vôùi caùc chaát khaùng sinh noùi chung.

- Moãi loaïi virus chæ chöùa moät loaïi nucleic acid, hoaëc laø DNA hoaëc laø RNA.

1. Hình thaùi vaø caáu truùc

1.1. Kích thöôùc

Tuyeät ñaïi ña soá virus coù kích thöôùc raát nhoû, coù theå loït qua maøng loïc vi khuaån. Chính vì theá khoâng theå quan saùt thaáy virus döôùi kính hieån vi quang hoïc. Vôùi kính hieån vi ñieän töû vaø caùc kyõ thuaät phuï trôï, ngaøy nay ta coù theå ño ñaïc, quan saùt tæ mæ hình thaùi töøng loaïi virus.

Döôùi ñaây laø kích thöôùc cuûa moät soá loaïi virus tieâu bieåu

Teân khoa hoïc hoï virus Kích thöôùc (nm)

Virus RNA Piconaviridae 20 – 30

Caliciviridae 35 – 40

Reoviridae 100 – 120

Virus DNA Parvoviridae 18 –26

Papovaviridae 70 – 90

Poxviridae 130 - 300

31

1.2. Hình thaùi

Virus chöa coù caáu taïo teá baøo, moãi virus khoâng theå goïi laø moät teá baøo maø ñöôïc goïi laø moät haït virus. Thaønh phaàn chuû yeáu cuûa haït virus laø nucleic acid (DNA hay RNA) ñöôïc bao quanh bôûi moät voû protein.

Nucleic acid naèm giöõa haït virus taïo thaønh loõi hay heä gen cuûa virus. Protein boïc beân ngoaøi loõi taïo thaønh moät voû goïi laø capside. Capside mang caùc thaønh phaàn khaùng nguyeân vaø coù taùc baûo veä loõi nucleic acid. Loõi vaø voû hôïp laïi taïo thaønh moät nucleocapside, ñoù laø keát caáu cô baûn cuûa moïi virus.

Moät soá virus coù caáu taïo khaù phöùc taïp, beân ngoaøi capside coøn coù moät maøng bao caáu taïo bôûi lipide hay lipoprotein. Coù luùc treân maøng coøn coù caùc maáu gai baùm ñaày chung quanh. Maøng bao thöïc chaát laø maøng teá baøo chaát cuûa vaät chuû nhöng ñaõ bò virus caûi taïo thaønh vaø mang tính khaùng nguyeân ñaëc tröng cho virus.

Virus thöôøng coù caáu truùc ñoái xöùng xoaén hoaëc ñoái cöùng 20 maët hoaëc ñoái xöùng ñaúng

truïc. Loaïi thöù 3 laø ñoái xöùng phöùc hôïp khoâng gioáng hai loaïi ñoái xöùng treân. Moãi loaïi ñoái xöùng laïi phaân thaønh loaïi coù maøng bao vaø loaïi khoâng coù maøng bao.

(1) Ñoái xöùng xoaén

(a) Khoâng coù maøng bao

- Hình que : virus khaûm thuoác laù

- Hình sôïi : thöïc khuaån theå f1, fd, M13 cuûa vi khuaån E. coli

(b) Coù maøng bao

32

- Daïng uoán khuùc : virus cuùm (hoï Orthromyxoviridae)

- Daïng ñaïn : virus daïi (hoï Rhabdoviridae)

(1) Ñoái xöùng 20 maët (ñaúng truïc)


- Daïng nhoû : virus vieâm tuûy xaùm (hoï Picornaviridae)

- Daïng lôùn : virus muïn côm (hoï Papovaviridae)

(b) Coù maøng bao

- Virus sôûi (hoï Togaviridae)

(2) Ñoái xöùng phöùc hôïp


- Thöïc khuaån theå T cuûa vi khuaån E. coli

(b) Coù maøng bao

- Virus ñaäu muøa (hoï Poxviridae)

1.3. Nucleic acid cuûa virus

Nucleic acid laø cô sôû löu tröõ, taùi taïo moïi thoâng tin di truyeàn, vì vaäy laø thaønh phaàn quan troïng cuûa moïi virus. Virus coù nhieàu loaïi hình nucleic acid vaø laø cô sôû phaân töû ñaùng tin caäy ñeå phaân loaïi virus. Caùc loaïi hình nucleic acid cuûa virus ñöôïc phaân bieät döïa treân maáy ñieåm chuû yeáu sau ñaây : laø DNA hay RNA; laø chuoãi ñôn hay chuoãi keùp; laø daïng sôïi hay daïng voøng; voøng kín hay voøng hôû; heä gen laø moät thaønh phaàn, hai thaønh phaàn, hay nhieàu thaønh phaàn.

2. Caùc phöông thöùc sinh saûn

Söï sinh saûn cuûa thöïc khuaån khoâng phaûi laø söï sinh soâi naåy nôû nhö ôû vi khuaån maø chæ laø söï toång hôïp cuûa hai thaønh phaàn cô baûn roài laép raùp laïi vôùi nhau

Noùi chung söï sinh saûn cuûa virus ñöôïc phaân chia thaønh 5 giai ñoaïn

Haáp thuï Xaâm nhaäp Sao cheùp Thaønh thuïc Phoùng thích Toång hôïp protein

Sao cheùp Nucleic acid

Toång hôïp Protein

Laép raùp

Nucleoprotein (virion)

33

Laáy söï sinh saûn cuûa thöïc khuaån theå T ôû E. coli laøm ví duï

2.1. Söï haáp phuï

Trong dung dòch khi theå thöïc khuaån ngaãu nhieân gaëp teá baøo vaät chuû töông öùng coù theå coù söï tieáp xuùc giöõa muùt cuûa sôïi ñuoâi vôùi thuï theå ñaëc dò treân beà maët teá baøo. Sau khi caùc sôïi ñuoâi ñaõ baùm treân thuï theå, caùc maáu ghim vaø ñóa goác seõ aùp saùt vaøo beà maët teá baøo.

Vieäc haáp phuï chòu aûnh höôûng cuûa nhieàu nhaân toá ngoaïi caûnh.

- Soá löôïng thöïc khuaån : vì soá ñieåm haáp phuï treân beà maët teá baøo vaät chuû coù haïn do ñoù soá theå thöïc khuaån ñöôïc haáp phuï cuõng coù haïn. Tuy nhieân do ñaàu oáng ñuoâi cuûa theå thöïc khuaån coù moät ít lizosome laøm cho beà maët teá baøo vôõ ra neân khoâng laøm saûn sinh ra caùc theå heä theå thöïc khuaån môùi, ngöôøi ta goïi laø söï phaù vôõ töï ngoaïi.

- Caùc ion döông : Caùc cation Ca2+, Mg2+, Ba2+…ñeàu coù taùc duïng xuùc tieán söï haáp phuï, ngöôïc laïi caùc cation Al3+, Fe3+…laïi coù taùc duïng laøm baát hoaït.

34

- Nhaân toá boå trôï : triptophan coù theå xuùc tieán söï haáp phuï cuûa theå thöïc khuaån T4, biotin coù theå xuùc tieán söï haáp phuï cuûa theå thöïc khuaån ôû vi khuaån sinh glutamic acid.

- pH : moâi tröôøng trung tính coù lôïi cho söï haáp phuï. Khi pH quaù cao pH>10 hoaëc thaáp pH<5 theå thöïc khuaûn raát khoù haáp thuï.

- Nhieät ñoä : nhieät ñoä thích hôïp cho söï phaùt trieån cuõng laø thích hôïp cho söï haáp phuï.

Caàn naém vöõng aûnh höôûng cuûa caùc yeáu toá noùi treân ñeå coù theå xuùc tieán söï haáp phuï khi caàn tieâu dieät vi khuaån gaây haïi hoaëc ñeå öùc cheá söï haáp phuï khi söû duïng vi khuaån hoaëc xaï khuaån trong coâng nghieäp leân men.

2.2. Söï xaâm nhaäp

Sau khi haáp phuï, ñóa goác vaø sôïi ñuoâi seõ nhaän ñöôïc söï kích thích, laøm cho capsome cuûa bao ñuoâi seõ coù nhöõng vaän ñoäng phöùc taïp. Chuùng co laïi chæ coøn ½ chieàu daøi vaø ñaâm oáng ñuoâi vaøo qua thaønh teá baøo vaø maøng teá baøo chaát. Trong quaù trình naøy caùc men lisozyme ôû ñaàu oáng ñuoâi coù taùc duïng laøm hoøa tan peptidoglycan ôû moät phaàn cuûa thaønh teá baøo. Thôøi gian haáp phuï ñeán xaâm nhaäp raát ngaén, ôû nhieät ñoä thích hôïp vôùi theå thöïc khuaån T4 chæ caàn 15 giaây. Neáu coù töø hai theå thöïc khuaån khaùc nhau trôû leân xaâm nhaäp vaøo cuøng moät teá baøo vaät chuû thì cuoái cuøng cuõng chæ coù moät theå thöïc khuaån sinh saûn maø thoâi.

2.3. Söï sao cheùp

Quaù trình sinh saûn xaûy ra cuøng vôùi söï sao cheùp nucleic acid vaø söï sinh toång hôïp protein. Ñaàu tieân theå thöïc khuaån cung caáp thoâng tin di truyeàn cho teá baøo vaät chuû vaø teá baøo naøy toång hôïp ra caùc nguyeân lieäu döïa treân heä thoáng trao ñoåi chaát cuûa teá baøo vaät chuû. Caùc nguyeân lieäu seõ ñöôïc tieáp tuïc taïo thaønh caùc boä phaän cuûa theå thöïc khuaån hoaøn chænh, ñoù laø caùc theå thöïc khuaån theá heä “con” coù kích thöôùc nhö nhau.

Caùc ñôn vò caáu truùc vaø boä maùy sinh toång hôïp bao goàm caùc acid amin, ribosome, caùc nucleoside triphosphate caàn cho söï sao cheùp cuûa virus ñeàu do teá baøo vaät chuû toång hôïp neân. Tuy nhieân, moät soá nhieãm saéc theå virus coù chöùa caùc nucleotide caûi bieán khoâng thaáy trong teá baøo vaät chuû. Trong tröôøng hôïp naøy DNA cuûa virus ñoïc maõ cho caùc enzyme xuùc taùc moät soá böôùc trong quaù trình toång hôïp cuûa caùc nucleotide khoâng bình thöôøng naøy.

2.4. Söï thaønh thuïc

Söï thaønh thuïc coøn ñöôïc goïi laø söï laép raùp laø giai ñoaïn thöù tö cuûa quaù trình sinh saûn cuûa virus. Sau khi caùc protein capside vaø nucleic acid cuûa virus ñaõ ñöôïc tích luõy phong phuù trong teá baøo vaät chuû thì seõ baét ñaàu quaù trình laép raùp. ÔÛ caùc virus coù caáu truùc ñoái xöùng xoaén oác söï laép raùp töông ñoái ñôn giaûn. Caùc protein capside seõ lieân keát vôùi nhieãm saéc theå cuûa virus vaø cuoän laïi thaønh daïng xoaén oác. Söï laép raùp cuûa caùc theå thöïc khuaån coù ñoái xöùng phöùc taïp hôn. Khi ñoù quaù trình laép raùp vaø giaûi phoùng caùc virion thaønh thuïc lieân quan vôùi nhau. Vieäc taäp hôïp dieãn ra ôû maët trong cuûa maøng teá baøo chaát vaø khi caùc protein capside gaén vaøo DNA thì sôïi virion ñang sinh tröôûng bò ñaåy qua thaønh teá baøo.

35

2.5. Söï phoùng thích

ÔÛ caùc virus RNA coù voû vaø ôû caùc theå thöïc khuaån daïng sôïi, söï phoùng thích khoûi teá baøo nhö moät phaàn cuûa quaù trình laép raùp cuoái cuøng cuûa virion. Virus DNA coù voû coù theå di chuyeån töø maïng löôùi noäi chaát ñeán caùc baøo nang. Töø ñaây chuùng ñöôïc phoùng thích nhôø quaù trình ñaøo thaûi khoûi teá baøo coøn goïi laø quaù trình xuaát baøo. ÔÛ moät soá virus ñoäng vaät khoâng coù voû, virus tröïc tieáp phoùng thích qua maøng teá baøo chaát maø khoâng laøm toån haïi ñeán teá baøo vaät chuû. Tuy nhieân, nhieàu virus ñoäng vaät vaø virus thöïc vaät seõ laøm gieát cheát teá baøo vaät chuû vaø thoaùt ra ngoaøi sau khi teá baøo chuû ñaõ bò töï phaân. Trong phaàn lôùn tröôøng hôïp theå thöïc khuaån ñang ñöôïc giaûi phoùng thoâng qua vieäc laøm phaân giaûi vi khuaån. Trong moät soá tröôøng hôïp moät gen cuûa theå thöïc khuaån ñöôïc bieåu hieän trong pha muoän seõ ñoïc maõ cho lisosome phaân giaûi caùc lieân keát glycoside cuûa peptidoglycan. Trong moät soá tröôøng hôïp khaùc moät gen cuûa theå thöïc khuaån ñoïc maõ cho moät enzyme phaân giaûi lieân keát cheùo peptide trong peptidoglycan. Tuy vaäy, cho ñeán nay vaãn coøn chöa roõ nguyeân nhaân laøm dung giaûi teá baøo trong khoâng ít tröôøng hôïp.

36

CHÖÔNG 5

DINH DÖÔÕNG CUÛA VI SINH VAÄT

1. Thaønh phaàn teá baøo vaø dinh döôõng cuûa vi sinh vaät Caùc chaát dinh döôõng ñoái vôùi vi sinh vaät laø baát kyø chaát naøo ñöôïc vi sinh vaät haáp

thuï töø moâi tröôøng xung quanh vaø ñöôïc chuùng söû duïng laøm nguyeân lieäu ñeå cung caáp cho caùc quaù trình sinh toång hôïp taïo ra caùc thaønh phaàn cuûa teá baøo hoaëc ñeå cung caáp cho caùc quaù trình trao ñoåi naêng löôïng.

Quaù trình haáp thuï caùc chaát dinh döôõng ñeå thoaû maõn moïi nhu caàu sinh tröôûng vaø phaùt trieån ñöôïc goïi laø quaù trình dinh döôõng.

Khoâng phaûi moïi thaønh phaàn cuûa moâi tröôøng nuoâi caáy vi sinh vaät ñeàu ñöôïc coi laø chaát dinh döôõng. Moät soá chaát raén caàn thieát cho vi sinh vaät nhöng chæ laøm nhieäm vuï baûo ñaûm caùc ñieàu kieän thích hôïp veà theá oxi hoaù - khöû, veà pH... Chaát dinh döôõng phaûi laø nhöõng hôïp chaát coù tham gia vaøo caùc quaù trình trao ñoåi chaát noäi baøo.

Thaønh phaàn hoaù hoïc cuûa teá baøo vi sinh vaät quyeát ñònh nhu caàu dinh döôõng cuûa chuùng. Thaønh phaàn hoaù hoïc caáu taïo bôûi caùc nguyeân toá C, H, O, N, P, S, K, Na ñaõ chieám ñeán 98% khoái löôïng khoâ cuûa teá baøo vi khuaån E. coli .

Löôïng chöùa caùc nguyeân toá ôû caùc vi sinh vaät khaùc nhau laø khoâng gioáng nhau ôû caùc ñieàu kieän nuoâi caáy khaùc nhau, caùc giai ñoaïn khaùc nhau löôïng chöùa caùc nguyeân toá trong cuøng moät loaøi vi sinh vaät cuõng khoâng gioáng nhau. Trong teá baøo vi sinh vaät caùc hôïp chaát ñöôïc phaân thaønh 2 nhoùm lôùn: (1) Nöôùc vaø muoái khoaùng; (2) Caùc chaát höõu cô.

1.1. Nöôùc vaø muoái khoaùng

Nöôùc chieám ñeán 70-90% khoái löôïng cô theå vi sinh vaät. Taát caû caùc phaûn öùng xaûy ra trong teá baøo vi sinh vaät ñeàu ñoøi hoûi coù söï toàn taïi cuûa nöôùc. ÔÛ vi khuaån nöôùc thöôøng chieám 70-85%, ôû naám sôïi laø 85-90%.

Töø coå xöa ngöôøi ta ñaõ bieát söû duïng phöông phaùp saáy khoâ thöïc phaåm ñeå kìm haõm söï phaùt trieån cuûa vi sinh vaät. Vieäc söû duïng muoái hoaëc ñöôøng ñeå baûo quaûn thöïc phaåm laø nhaèm taïo ra moät söï khoâ haïn sinh lyù khoâng thích hôïp cho söï phaùt trieån cuûa vi sinh vaät.

Yeâu caàu cuûa vi sinh vaät ñoái vôùi nöôùc ñöôïc bieåu thò moät caùch ñònh löôïng baèng ñoä hoaït ñoäng cuûa nöôùc (water activity, aw) trong moâi tröôøng. Ñoä hoaït ñoäng cuûa nöôùc coøn ñöôïc goïi laø theá naêng cuûa nöôùc (water potential, pw):

0p

paw =

P : aùp löïc hôi cuûa dung dòch

p0 : aùp löïc hôi nöôùc

37

Nöôùc nguyeân chaát coù aw = 1, nöôùc bieån coù aw = 0,980, maùu ngöôøi coù aw = 0,995 ...

Moãi vi sinh vaät thöôøng coù moät trò soá aw toái thích vaø moät trò soá aw toái thieåu. Moät soá vi sinh vaät coù theå phaùt trieån ñöôïc trong moâi tröôøng coù trò soá aw raát thaáp, ngöôøi ta goïi chuùng laø caùc vi sinh vaät chòu aùp. Chaúng haïn aw coù theå chaáp nhaän ñöôïc cuûa Saccharomyces rouxii laø 0,850, cuûa Pennicilium laø 0,800 ...

Phaàn nöôùc coù theå tham gia vaøo quaù trình trao ñoåi chaát cuûa vi sinh vaät ñöôïc goïi laø nöôùc töï do. Ña phaàn nöôùc trong teá baøo vi sinh vaät toàn taïi ôû daïng nöôùc töï do. Nöôùc lieân keát laø phaàn nöôùc keát hôïp vôùi caùc hôïp chaát höõu cô cao phaân töû trong teá baøo (protein, hydrate carbon ...). Nöôùc lieân keát maát khaû naêng hoaø tan vaø löu ñoäng.

Muoái khoaùng chieám khoaûng 2-5% khoái löôïng khoâ cuûa teá baøo. Chuùng thöôøng toàn taïi döôùi daïng caùc muoái sulphate, photphate ... trong teá baøo chuùng thöôøng ôû daïng caùc ion. Caùc ion trong teá baøo vi sinh vaät luoân toàn taïi ôû nhöõng tæ leä nhaát ñònh nhaèm duy trì ñoä pH vaø löïc thaåm thaáu thích hôïp cho töøng loaïi vi sinh vaät.

1.2. Chaát höõu cô

Chaát höõu cô trong teá baøo vi sinh vaät chuû yeáu caáu taïo bôûi caùc nguyeân toá C, H, O, N, P, S ... Rieâng 4 nguyeân toá C, H, O, N ñaõ chieám tôùi 90-97% toaøn boä chaát khoâ cuûa teá baøo. Ñoù laø caùc nguyeân toá chuû choát ñeå caáu taïo neân protein, acid nucleic, lipide, hydrate carbon. Trong teá baøo vi khuaån caùc hôïp chaát ñaïi phaân töû thöôøng chieám tôùi 96% khoái löôïng khoâ, caùc chaát ñôn phaân töû chæ chieám coù 3,5%, coøn caùc ion voâ cô chæ coù 1%.

Protein caáu taïo chuû yeáu bôûi caùc nguyeân toá : C (50-55%), O (21-24%), N (15-18%), H (6,5-7,3%), S (0-0,24%), ngoaøi ra coøn coù theå coù moät löôïng raát nhoû caùc nguyeân toá khaùc nhö P, Fe, Zn ...

Protein ñöôïc taïo thaønh töø caùc acid amin.

Khi hình thaønh protein caùc acid amin noái lieàn vôùi nhau qua lieân keát peptid (lieân keát coäng hoaù trò). Lieân keát naøy (-CO-NH-) ñöôïc taïo thaønh do phaûn öùng keát hôïp giöõa nhoùm α-carboxyl cuûa moät acid amin naøy vôùi nhoùm α-amin cuûa moät acid amin khaùc vaø loaïi ñi moät phaân töû nöôùc.

Tuyø soá löôïng acid amin lieân keát vôùi nhau maø ta coù caùc dipeptide, tripeptide, tetrapeptide, ... Töø phaân töû coù 15 lieân keát peptide trôû leân ta goïi laø polypeptide. Polypeptide naøy coøn ñöôïc goïi laø protein. Coù luùc 1 protein ñöôïc taïo thaønh do vaøi polypeptide lieân keát laïi vôùi nhau.

38

39

Coù 20 loaïi acid amin tham gia vaøo caáu truùc cuûa protein, soá goác acid amin laø raát lôùn vì vaäy coù theå taïo ra ñöôïc tôùi 2018 loaïi protein khaùc nhau. Caùc protein naøy coù theå ñöôïc xeáp loaïi theo hình daïng, theo caáu truùc hoaëc theo chöùc naêng:

- Xeáp loaïi theo hình daïng : + Protein hình sôïi

+ Protein hình caàu

- Xeáp loaïi theo caáu truùc: + Protein ñôn giaûn

+ Protein phöùc taïp (protein keát hôïp)

- Xeáp loaïi theo chöùc naêng : + Protein phi hoaït tính (kieán taïo, döï tröõ...)

+ Protein hoaït tính (xuùc taùc, vaän taûi, ...)

Trong teá baøo vi sinh vaät ngoaøi protein, peptide coøn coù caû nhöõng acid amin ôû traïng thaùi töï do.

Acid nucleic caáu taïo chuû yeáu bôûi N (1-16%), P (9-10%), phaàn coøn laïi laø C, H, O. caên cöù vaøo ñöôøng pentose trong phaân töû maø acid nucleic ñöôïc chia thaønh 2 loaïi: DNA (deoxyribonucleic acid) vaø RNA (ribonucleic acid).

Caùc saûn phaåm thuyû phaân cuûa 2 loaïi acid nucleic naøy nhö sau :

Acid phosphoric

RNA Polynucleotide Nucleotide D-Ribose

Nucleoside

Base nitrogen

- Adenin (A)

- Guanin (G)

- Uracin (U)

- Cystosin (C)

Phosphoric acid

DNA Polynucleotide Nucleotide D-2- Deoxyribose

Nucleoside

Base nitrogen

- Adenin (A)

- Guanin (G)

- Timin (T)

- Cystosin (C)

40

Tæ leä G + C ôû caùc chi vi sinh vaät khaùc nhau coù theå khoâng gioáng nhau. Ñaây laø moät

chæ tieâu quan troïng ñöôïc söû duïng ñeå phaân loaïi vi sinh vaät trong giai ñoaïn hieän nay. Sau ñaây laø moät soá ví duï:

41

- Vi khuaån Gram (-) :

Chi G + C mol %

Proteus

Vibrio

Acinetobacter

38-42

40-50

40-47

- Vi khuaån Gram (+) :

Chi G + C mol %

Clostridium

Sarcina

Corynebacterrium

23-43

28-31

52-68

Hydrate carbon (caáu taïo bôûi C, H, O) vi sinh vaät coù theå chia thaønh 3 nhoùm:

- Monosaccharide:

+ Pentose : ribose, deoxiribose, ...

+ Hexose : glucose, fructose, galactose

- Oligosaccharide :

+ Disaccharide : saccharose, lactose, ...

+ Trisaccharide : rafinose, ...

- Polygosaccharide : tinh boät, glycerin, cellulose, ...

Lipide trong teá baøo vi sinh vaät thöôøng coù 2 nhoùm:

- Lipide ñôn giaûn (ester cuûa glycerin vaø acid beùo) : chuû yeáu laø triacinglycerol

- Lipide phöùc taïp:

+ Phospholipide : chuû yeáu laø phosphoglyceride ...

+ Glycolipide : galactozylglyceride, sulfoglucozylglyceride, ...

Coù nhöõng loaïi naám men chöùa tôùi 50-60% lipide. Phospholipide keát hôïp vôùi protein taïo thaønh lipoprotein. Chuùng tham gia vaøo caáu truùc cuûa maøng teá baøo chaát, maøng ti theå ...

Vitamin : coù söï khaùc nhau raát lôùn trong nhu caàu cuûa vi sinh vaät. Ñoái vôùi nhöõng sinh vaät töï döôõng chaát sinh tröôûng, chuùng coù theå töï toång hôïp ra caùc vitamin caàn thieát. Nhöng ñoái vôùi vi sinh vaät dò döôõng chaát sinh tröôûng, chuùng ñoøi hoûi phaûi cung caáp ít hoaëc nhieàu vitamin khaùc nhau.

42

2. Nguoàn thöùc aên carbon cuûa vi sinh vaät Caên cöù vaøo nguoàn thöùc aên carbon maø ngöôøi ta chia vi sinh vaät thaønh caùc nhoùm

sinh lyù sau:

a. Töï döôõng:

- Töï döôõng quang naêng: Nguoàn C laø CO2, nguoàn naêng löôïng laø aùnh saùng.

- Töï döôõng hoaù naêng: Nguoàn C laø CO2, nguoàn naêng löôïng laø moät soá hôïp chaát voâ cô ñôn giaûn.

b. Dò döôõng:

- Dò döôõng quang naêng : Nguoàn C laø chaát höõu cô..., nguoàn naêng löôïng laø aùnh saùng.

Ví duï : Vi khuaån khoâng löu huyønh maøu tía.

- Dò döôõng hoaù naêng : Nguoàn C laø chaát höõu cô, nguoàn naêng löôïng laø töø söï chuyeån hoaù trao ñoåi chaát cuûa chaát nguyeân sinh cuûa moät cô theå khaùc.

Ví duï : Ñoäng vaät nguyeân sinh, naám, moät soá vi khuaån.

- Hoaïi sinh : Nguoàn C laø chaát höõu cô, nguoàn naêng löôïng laø töø söï trao ñoåi chaát cuûa chaát nguyeân sinh caùc xaùc höõu cô.

Ví duï : naám, vi khuaån.

- Kyù sinh : Nguoàn C laø chaát höõu cô, nguoàn naêng löôïng laø laáy töø caùc toå chöùc hoaëc dòch theå cuûa moät soá cô theå soáng.

Ví duï : Caùc vi sinh vaät gaây beänh cho ngöôøi, ñoäng vaät, thöïc vaät ...

Nhö vaäy, tuyø nhoùm sinh vaät maø nguoàn carbon ñöôïc cung caáp coù theå laø chaát voâ cô (CO2, NaHCO3, CaCO3, ...) hoaëc chaát höõu cô. Giaù trò dinh döôõng vaø khaû naêng haáp thuï caùc nguoàn thöùc aên carbon khaùc nhau phuï thuoäc vaøo 2 yeáu toá :

+ Thaønh phaàn hoaù hoïc vaø tính chaát sinh lyù cuûa nguoàn thöùc aên naøy.

+ Ñaëc ñieåm sinh lyù cuûa töøng loaïi vi sinh vaät.

Vi sinh vaät coù theå ñoàng hoaù ñöôïc caû nhöõng hôïp chaát carbon raát beàn vöõng nhö cao su, chaát deûo, daàu moû, ... Ngay formol laø moät hoaù chaát dieät khuaån raát maïnh nhöng cuõng coù nhoùm naám sôïi söû duïng laøm thöùc aên.

Nhieàu chaát höõu cô vì khoâng tan ñöôïc trong nöôùc hoaëc vì coù khoái löôïng phaân töû quaù lôùn cho neân tröôùc khi ñöôïc haáp thuï, vi sinh vaät phaûi tieát ra caùc enzyme thuyû phaân nhö amilase, cellulase, lipase, ... ñeå chuyeån hoaù chuùng thaønh caùc chaát deã haáp thuï (ñöôøng, acid amin, ...)

Trong nuoâi caáy phaàn lôùn vi sinh vaät, ngöôøi ta thöôøng söû duïng ñöôøng ñeå laøm thöùc aên carbon. Tuy nhieân, caàn chuù yù raèng ñöôøng ñôn ôû nhieät ñoä cao coù theå bò chuyeån hoaù thaønh loaïi hôïp chaát coù maøu toái goïi laø ñöôøng chaùy raát khoù haáp thuï. Trong moâi tröôøng kieàm sau khi khöû truøng ñöôøng coøn deã bò acid hoaù vaø laøm bieán ñoåi pH moâi tröôøng. Ñeå traùnh caùc hieän töôïng naøy khi khöû truøng moâi tröôøng chöùa ñöôøng ngöôøi ta thöôøng chæ haáp

43

ôû aùp löïc 0,5atm (112,50C) vaø duy trì trong 30 phuùt. Vôùi caùc loaïi ñöôøng ñôn toát nhaát laø neân söû duïng phöông phaùp haáp giaùn ñoaïn (phöông phaùp Tyndal) hoaëc loïc rieâng dung dòch ñöôøng (thöôøng duøng noàng ñoä 20%) baèng neán loïc hoaëc maøng loïc vi khuaån sau ñoù môùi duøng thao taùc voâ truøng ñeå boå sung vaøo caùc moâi tröôøng ñaõ khöû truøng.

Khi cheá taïo caùc moâi tröôøng chöùa tinh boät tröôùc heát phaûi hoà hoaù tinh boät ôû nhieät ñoä 60-700C sau ñoù ñun soâi roài môùi ñöa ñi khöû truøng ôû noài haáp aùp löïc.

Noàng ñoä ñöôøng duøng trong nuoâi caáy caùc loaïi vi sinh vaät khaùc nhau thì khaùc nhau. Ví duï : Khi nuoâi caáy vi khuaån, xaï khuaån ngöôøi ta thöôøng duøng 0,5-0,2% ñöôøng, ñoái vôùi naám men, naám sôïi thöôøng duøng 3-10% ñöôøng.

Haàu heát vi sinh vaät chæ ñoàng hoaù ñöôïc caùc loaïi ñöôøng ôû daïng ñoàng phaân D.

Caùc hôïp chaát höõu cô chöùa caû C vaø N (pepton, nöôùc thòt, nöôùc chieát naám men,...) coù theå söû duïng vöøa laøm nguoàn C vöøa laøm nguoàn N ñoái vôùi vi sinh vaät.

Vôùi vi sinh vaät dò döôõng nguoàn thöùc aên carbon laøm caû 2 chöùc naêng : nguoàn dinh döôõng vaø nguoàn naêng löôïng.

Moät soá vi khuaån dò döôõng, nhaát laø caùc vi khuaån gaây beänh soáng trong maùu, trong caùc toå chöùc hoaëc trong ruoät cuûa ngöôøi vaø ñoäng vaät muoán sinh tröôûng ñöôïc ngoaøi nguoàn carbon höõu cô coøn caàn phaûi ñöôïc cung caáp moät löôïng nhoû CO2 thì môùi phaùt trieån ñöôïc.

Trong coâng nghieäp leân men, nguoàn ræ ñöôøng laø nguoàn carbon reû tieàn vaø raát thích hôïp söû duïng ñoái vôùi nhieàu loaïi vi sinh vaät khaùc nhau.

3. Nguoàn thöùc aên nitrogen cuûa vi sinh vaät Nguoàn nitrogen deã haáp thuï nhaát ñoái vôùi vi sinh vaät laø NH3 vaø NH+

4. Tröôùc ñaây coù quan ñieåm cho raèng moät soá vi khuaån khoâng coù khaû naêng ñoàng hoaù muoái amon. Quan ñieåm naøy khoâng ñuùng. Ngaøy nay ngöôøi ta cho raèng taát caû caùc loaïi vi sinh vaät ñeàu coù khaû naêng söû duïng muoái amon. Ñoâi khi coù nhöõng loaïi vi sinh vaät khoâng phaùt trieån ñöôïc treân caùc moâi tröôøng chöùa muoái amon thì nguyeân nhaân khoâng phaûi ôû baûn thaân goác NH4

+ maø laø ôû ñoä chua sinh lyù do caùc muoái naøy taïo ra. Sau khi ñoàng hoaù goác NH4

+ trong moâi tröôøng seõ tích luyõ caùc anion voâ cô (SO4

2-, HPO42-, Cl- ...), vì theá laøm haï thaáp raát nhieàu

trò soá pH cuûa moâi tröôøng. Muoái amon cuûa caùc acid höõu cô ít laøm chua moâi tröôøng hôn do ñoù coù luùc ñöôïc söû duïng nhieàu hôn. Urea laø nguoàn thöùc aên nitrogen trung tính veà maët sinh lyù. Khi bò phaân giaûi bôûi enzyme urease, urea seõ giaûi phoùng thaønh NH3 vaø CO2. Phaàn NH3 ñöôïc vi sinh vaät söû duïng maø khoâng laøm chua moâi tröôøng nhö ñoái vôùi caùc muoái amon :

NH2 - CO -NH2 + H2O ⎯⎯ →⎯urease 2NH3 + CO2

Nhieàu khi ñeå nuoâi caáy vi sinh vaät baèng nguoàn nitrogen laø urea ngöôøi ta phaûi boå sung theâm muoái amon vì phaûi coù thöùc aên nitrogen deã haáp thuï cho vi sinh vaät phaùt trieån ñaõ thì môùi coù theå saûn sinh ra ñöôïc urease ñeå thuyû phaân urea.

44

Muoái nitrate laø nguoàn thöùc aên nitrogen thích hôïp ñoái vôùi nhieàu loaïi taûo, naám sôïi vaø xaï khuaån nhöng ít thích hôïp ñoái vôùi nhieàu loaïi naám men vaø vi khuaån. Sau khi vi sinh vaät söû duïng heát goác NO3

-, caùc ion kim loaïi coøn laïi seõ laøm kieàm hoaù moâi tröôøng. Ñeå traùnh hieän töôïng naøy ngöôøi ta thöôøng söû duïng muoái NH4NO3 ñeå laøm nguoàn nitrogen cho nhieàu loaïi vi sinh vaät. Tuy nhieân, goác NH4

+ thöôøng bò haáp thuï nhanh hôn, roài môùi haáp thuï ñeán goác NO3.

Nguoàn nitrogen coù döï tröõ nhieàu nhaát trong töï nhieân laø nguoàn nitrogen töï do trong khí quyeån. Chuùng chieám tæ leä raát cao trong khoâng khí (75,5% theo khoái löôïng hoaëc 78,16% theo theå tích). Trong khí nitrogen, 2 nguyeân töû N lieân keát vôùi nhau baèng 3 daây noái raát beàn vöõng (N ≡ N). Naêng löôïng cuûa 3 daây noái naøy cao tôùi 225kcal/M. Chính vì vaäy maø nitrogen raát khoù keát hôïp vôùi caùc nguyeân toá khaùc vaø nitrogen coù nhieàu chung quanh ta maø caû ngöôøi, ñoäng vaät laãn caây troàng ñeàu luoân luoân thieáu thoán thöùc aên nitrogen. Muoán phaù vôõ 3 lieân keát naøy ngöôøi ta phaûi söû duïng tôùi nhöõng naêng löôïng raát lôùn.

Ña soá vi sinh vaät khoâng coù khaû naêng ñoàng hoaù nitrogen trong khoâng khí. Tuy nhieân, coù nhöõng vi sinh vaät coù theå chuyeån hoaù N2 thaønh NH3 nhôø hoaït ñoäng xuùc taùc cuûa moät heä thoáng enzyme coù teân goïi laø nitrogenase. Ngöôøi ta goïi caùc vi sinh vaät naøy laø vi sinh vaät coá ñònh nitrogen, coøn quaù trình naøy ñöôïc goïi laø quaù trình coá ñònh nitrogen.

Vi sinh vaät coøn coù khaû naêng ñoàng hoaù raát toát nitrogen chöùa trong caùc thöùc aên höõu cô. Caùc thöùc aên naøy seõ vöøa laø nguoàn carbon vöøa laø nguoàn nitrogen cung caáp cho vi sinh vaät. Vi sinh vaät khoâng coù khaû naêng haáp thuï tröïc tieáp caùc protein cao phaân töû. Chæ coù caùc polypeptide chöùa khoâng quaù 5 goác acid amin môùi coù theå di chuyeån tröïc tieáp qua maøng teá baøo chaát cuûa vi sinh vaät. Raát nhieàu vi sinh vaät coù khaû naêng saûn sinh protease xuùc taùc vieäc thuyû phaân protein thaønh caùc hôïp chaát phaân töû thaáp coù khaû naêng xaâm nhaäp vaøo teá baøo vi sinh vaät.

Nguoàn nitrogen höõu cô thöôøng ñöôïc söû duïng ñeå nuoâi caáy vi sinh vaät laø pepton loaïi cheá phaåm thuyû phaân khoâng trieät ñeå cuûa moät nguoàn protein naøo ñoù. Chuùng khaùc nhau veà löôïng chöùa caùc loaïi polypeptide vaø löôïng chöùa acid amin töï do.

Veà acid amin: coù theå coù 3 quan heä khaùc nhau ñoái vôùi töøng loaïi vi sinh vaät. Coù nhöõng loaïi vi sinh vaät khoâng caàn ñoøi hoûi phaûi cung caáp baát kyø loaïi acid amin naøo. Chuùng coù khaû naêng toång hôïp ra toaøn boä acid amin maø chuùng caàn thieát töø NH4

+ vaø caùc chaát höõu cô khoâng chöùa nitrogen. Ngöôøi ta goïi nhoùm vi sinh vaät naøy laø nhoùm töï döôõng amin. Coù nhöõng loaïi vi sinh vaät ngöôïc laïi baét buoäc phaûi ñöôïc cung caáp moät hoaëc nhieàu acid amin maø chuùng caàn thieát. Chuùng khoâng coù khaû naêng töï toång hôïp ra ñöôïc caùc acid amin naøy. Ngöôøi ta goïi chuùng laø nhoùm dò döôõng amin. Loaïi thöù 3 laø loaïi caùc vi sinh vaät khoâng coù caùc acid amin trong moâi tröôøng vaãn phaùt trieån ñöôïc, nhöng neáu coù maët moät soá acid amin naøo ñoù thì söï phaùt trieån cuûa chuùng seõ ñöôïc taêng cöôøng nhieàu hôn.

Nhu caàu veà acid amin cuûa caùc loaïi vi sinh vaät khaùc nhau laø raát khaùc nhau. Trong khi caùc loaøi ñoäng vaät khaùc nhau raát xa thöôøng cuõng chæ coù nhu caàu gioáng nhau veà caùc acid amin thì giöõa caùc loaøi vi sinh vaät raát gioáng nhau veà hình thaùi vaø raát gaàn nhau veà vò

45

trí phaân loaïi laïi coù theå ñoøi hoûi raát khaùc nhau veà caùc acid amin. Caùc acid amin maø cô theå sinh vaät ñoøi hoûi phaûi ñöôïc cung caáp (töùc laø caùc acid amin maø cô theå sinh vaät khoâng töï toång hôïp ñöôïc) goïi laø caùc acid amin khoâng thay theá. Danh saùch caùc acid amin khoâng thay theá ñoái vôùi moãi loaøi sinh vaät ñöôïc goïi laø aminogram cuûa loaøi aáy. Aminogram cuûa caùc loaøi ñoäng vaät thöôøng cheânh nhau raát ít. Caùc acid amin khoâng thay theá chuû yeáu ôû ñoäng vaät laø methionine, treonine, valine, leucine, isoleucine, arginine, lysine, phenylalanin, tryptophane vaø hystidine. Aminogram cuûa vi sinh vaät raát khaùc nhau. Nhieàu loaïi vi sinh vaät thuoäc nhoùm dò döôõng amin nhöng chæ ñoøi hoûi 1-2 loaïi acid amin naøo ñoù. Trong khi ñoù coù loaïi vi sinh vaät neáu khoâng ñöôïc cung caáp ñuû 17-18 loaïi acid amin thì khoâng theå phaùt trieån ñöôïc. Khoâng coù caùc acid amin khoâng thay theá chung cho taát caû caùc vi sinh vaät.

Ñoái vôùi ña soá caùc loaøi vi khuaån ngöôøi ta thöôøng nuoâi caáy coù thaønh phaàn nhö sau :

Pepton 5g

Cao thòt 3g

NaCl 8g

Nöôùc caát 1000ml

Neáu laøm moâi tröôøng ñaëc thì boå sung theâm 15-20g thaïch.

Tuy vaäy, coù nhöõng vi sinh vaät ñeå nuoâi caáy ñöôïc ta phaûi chuaån bò moâi tröôøng vôùi raát nhieàu thaønh phaàn khaùc nhau.

Caùc ñoàng phaân acid amin daõy D thöôøng khoâng ñöôïc vi sinh vaät haáp thuï. Chuùng thöôøng mang ñoäc tính ñoái vôùi teá baøo. Ngöôøi ta bieát caùc D-acid amin coù theå coù maët trong moät soá loaïi chaát khaùng sinh. Chæ coù moät soá loaïi naám moác coù chöùa enzyme racemase môùi coù khaû naêng chuyeån hoaù D-acid amin thaønh L-acid amin.

Ñeå tìm hieåu moái quan heä vôùi acid amin cuûa moät chuûng vi sinh vaät naøo ñoù tröôùc heát ngöôøi ta caáy chuûng vi sinh vaät naøy leân moät moâi tröôøng dinh döôõng coù nguoàn nitrogen duy nhaát laø muoái amon. Neáu chuùng phaùt trieån ñöôïc thì chöùng toû chuùng thuoäc nhoùm töï döôõng amin. Neáu chuùng khoâng phaùt trieån ñöôïc vaø sau khi boå sung hoãn dòch acid amin (dòch thuyû phaân cazein coù troän theâm tryptophane) laïi phaùt trieån toát thì chöùng toû chuùng thuoäc nhoùm dò döôõng amin. Neáu boå sung hoãn dòch acid amin roài maø chuùng vaãn khoâng phaùt trieån ñöôïc thì phaûi tìm xem coøn nhöõng nhu caàu naøo khaùc chöa ñöôïc ñaùp öùng nhö nguoàn carbon, vitamin, chaát khoaùng ...

Muoán bieát roõ moái quan heä cuûa moät chuûng vi sinh vaät vôùi töøng loaïi acid amin rieâng bieät, ngöôøi ta phaûi söû duïng nhöõng moâi tröôøng coù chöùa ñaày ñuû nguoàn thöùc aên carbon, khoaùng, vitamin nhöng khoâng chöùa acid amin. Laàn löôït boå sung töøng loaïi acid amin vaøo moâi tröôøng vaø theo doõi aûnh höôûng cuûa chuùng ñoái vôùi söï phaùt trieån cuûa chuûng vi sinh vaät naøy. Cuõng coù theå ñöa vaøo moâi tröôøng moät hoãn dòch ñaày ñuû caùc acid amin vaø caùc hoãn hôïp dòch ñaõ loaïi boû moät caùch phaân bieät töøng acid amin moät. Theo doõi söï phaùt trieån cuûa vi sinh vaät seõ xaùc ñònh ñöôïc nhu caàu cuûa chuùng ñoái vôùi töøng loaïi acid amin.

46

Nhieàu loaïi vi sinh vaät coù khaû naêng duøng moät loaïi acid amin naøo ñoù laøm nguoàn thöùc aên nitrogen duy nhaát. Chuùng seõ phaân giaûi acid amin naøy thaønh NH3 roài sau ñoù töï toång hôïp neân haøng loaït caùc acid amin khaùc.

Coù nhöõng chuûng vi sinh vaät bieåu hieän moái quan heä raát maät thieát giöõa noàng ñoä cuûa moät acid amin naøo ñoù trong moâi tröôøng vaø möùc ñoä phaùt trieån cuûa chuùng. Ngöôøi ta goïi chuùng laø nhöõng vi sinh vaät chæ thò vaø duøng chuùng trong vieäc ñònh löôïng acid amin.

Coù theå duøng caùc phöông phaùp gaây ñoät bieán ñeå taïo ra caùc chuûng vi sinh vaät “dinh döôõng khuyeát” (hay khuyeát döôõng), töùc laø nhöõng chuûng maát ñi khaû naêng töï toång hôïp moät chaát naøo ñoù, chuùng trôû neân maãn caûm vôùi söï coù maët vaø vôùi noàng ñoä cuûa chaát maø chuùng caàn thieát. Phöông phaùp phaân tích acid amin nhôø vi sinh vaät caøng ngaøy caøng ñöôïc öùng duïng roäng raõi treân theá giôùi. Noù cho pheùp phaùt hieän nhöõng noàng ñoä acid amin raát thaáp vaø raát thích hôïp trong caùc tröôøng hôïp khoâng thuaän tieän söû duïng caùc phöông phaùp phaân tích hoaù lyù khaùc. Beân caïnh caùc phaân tích ñònh löôïng, caùc phaân tích ñònh tính duøng caùc vi sinh vaät chæ thò naøy nhieàu khi cuõng raát coù giaù trò. Chaúng haïn nhö vieäc söû duïng vi khuaån chæ thò maãn caûm vôùi acid glutamic ñeå phaùt hieän caùc khuaån laïc vi sinh vaät phaân laäp töø thieân nhieân coù khaû naêng sinh toång hôïp acid glutamic.

4. Nguoàn thöùc aên khoaùng cuûa vi sinh vaät Khi söû duïng caùc moâi tröôøng thieân nhieân ñeå nuoâi caáy vi sinh vaät ngöôøi ta thöôøng

khoâng caàn thieát boå sung caùc nguyeân toá khoaùng. Trong nguyeân lieäu duøng laøm caùc moâi tröôøng naøy (khoai taây, nöôùc thòt, söõa,...) thöôøng coù chöùa ñuû caùc nguyeân toá khoaùng caàn thieát ñoái vôùi vi sinh vaät. Ngöôïc laïi, khi laøm caùc moâi tröôøng toång hôïp (duøng nguyeân lieäu laø hoaù chaát) baét buoäc phaûi boå sung ñuû caùc nguyeân toá khoaùng caàn thieát. Nhöõng nguyeân toá khoaùng maø vi sinh vaät ñoøi hoûi phaûi ñöôïc cung caáp vôùi lieàu löôïng lôùn ñöôïc goïi laø caùc nguyeân toá ñaïi löôïng. Coøn nhöõng nguyeân toá khoaùng maø vi sinh vaät chæ ñoøi hoûi vôùi nhöõng lieàu löôïng raát nhoû ñöôïc goïi laø caùc nguyeân toá vi löôïng.

Noàng ñoä caàn thieát cuûa töøng nguyeân toá vi löôïng trong moâi tröôøng thöôøng chæ vaøo khoaûng 10-6

- 10-8M.

Phosphore bao giôø cuõng chieám tæ leä cao nhaát trong soá caùc nguyeân toá khoaùng cuûa teá baøo vi sinh vaät (nhieàu khi P chieám ñeán 50% so vôùi toång soá chaát khoaùng). P coù maët trong caáu taïo cuûa nhieàu thaønh phaàn quan troïng cuûa teá baøo (acid nucleic, phospholipide, nhieàu coenzyme quan troïng nhö ADP, ATP, NAD, NADP, ...; moät soá vitamin nhö thiamine, biotin,...). Ñeå ñaûm baûo nguoàn dinh döôõng phosphore, ngöôøi ta thöôøng söû duïng caùc loaïi phosphate voâ cô. Vieâïc boå sung phosphate vaøo caùc moâi tröôøng dinh döôõng ngoaøi taùc duïng cung caáp P coøn coù taùc duïng taïo ra tính ñeäm cuûa moâi tröôøng. Vôùi caùc tæ leä thích hôïp hoãn hôïp muoái KH2PO4 vaø K2HPO4 coù theå taïo ra nhöõng möùc pH oån ñònh trong khoaûng pH = 4,5 - 8,0 trong moâi tröôøng acid K2HPO4 seõ taïo ra ion H+ :

HPO4 + H2O H2PO4 + OH-

H2PO4 HPO4 + H+

47

Löu huyønh (Sulfur) cuõng laø moät nguyeân toá khoaùng quan troïng trong teá baøo vi sinh vaät. S coù maët trong moät soá acid amin (cystine, cystein, methionin), moät soá vitamin (biotine, thiamin...), cystin, cystein vaø moät tripeptide laø glutation khoâng nhöõng tham gia vaøo caáu truùc protein maø coøn coù vai troø quan troïng trong caùc quaù trình oxy hoaù khöû. Vieâïc chuyeån nhoùm sulfidrin thaønh nhoùm disulfide coù vai troø raát lôùn trong quaù trình chuyeån ñieän töû töø nguyeân lieäu hoâ haáp ñeán oxy phaân töû :

2RSH RS - SR + 2H+

Caùc hôïp chaát höõu cô coù chöùa löu huyønh ôû daïng oxy hoaù thöôøng coù taùc duïng ñoäc ñoái vôùi teá baøo vi sinh vaät. Trong khi ñoù caùc muoái sulphate voâ cô vôùi nguyeân töû löu huyønh cuõng ôû traïng thaùi oxy hoaù thì laïi ñöôïc cô theå vi sinh vaät ñoàng hoaù raát toát. Moät soá vi sinh vaät coù theå duøng caû thiosulphate laøm nguoàn thöùc aên löu huyønh. Moät soá vi sinh vaät khaùc laïi ñoøi hoûi caùc thöùc aên chöùa S ôû daïng khöû.

Fe laø nguyeân toá raát caàn thieát ñeå giuùp vi sinh vaät coù theå toång hôïp moät soá men loaïi porphyrin chöùa saét (nhö cytochrome, peroxidase...). Nguyeân töû nitrogen cuûa 4 nhaân piron nhôø caùc lieân keát hoaù hoïc thoâng thöôøng laø caùc lieân keát hoaù hoïc phuï. Moät soá vi sinh vaät töï döôõng quang naêng coøn söû duïng Fe ñeå toång hôïp ra caùc saéc toá quang hôïp coù caáu truùc porphyrin (chlorophyll, bacteriochlorophyll).

Mg laø nguyeân toá ñöôïc vi sinh vaät ñoøi hoûi cuõng vôùi löôïng khaù cao (10-3 - 10-4M). Mg mang tính chaát moät cofactor, chuùng tham gia vaøo nhieàu phaûn öùng enzyme coù lieân quan ñeán caùc quaù trình phosphoryl hoaù. Mg2+ coù theå laøm hoaït hoaù caùc hexokinase. ATP-ase, pyrophosphatase,...caùc men trao ñoåi protein, caùc men oxy hoaù khöû cuûa chu trình Krebs. Mg2+ coøn coù vai troø quan troïng trong vieäc laøm lieân keát caùc tieåu phaàn ribosome vôùi nhau.

Ca maëc daàu laø nguyeân toá ít tham gia vaøo vieäc xaây döïng neân caùc hôïp chaát höõu cô nhöng noù coù vai troø ñaùng keå trong vieäc xaây döïng caùc caáu truùc tinh vi cuûa teá baøo. Ca ñoùng vai troø caàu noái trung gian giöõa nhieàu thaønh phaàn quan troïng cuûa teá baøo soáng (nhö giöõa DNA vaø protein trong nhaân, giöõa caùc nucleotide vôùi nhau, giöõa RNA vaø protein trong ribosome). Ca raát caàn thieát ñoái vôùi vieäc hình thaønh caùc caáu truùc khoâng gian oån ñònh cuûa nhieàu baøo quan nhö ribosome, ti theå ...

Zn cuõng laø moät cofactor tham gia vaøo nhieàu quaù trình enzyme. Zn coù taùc duïng ñaùng keå trong vieäc hoaït hoaù caùc enzyme nhö carboalhidrase, enolase,...

Mn coù chöùa trong moät soá enzyme hoâ haáp. Mn cuõng coù vai troø quan troïng trong vieäc laøm hoaït hoaù moät soá enzyme nhö phosphomonoesterase, carboxylase, ATP-ase,...

Vieäc hoaït hoaù caùc enzyme khoâng phaûi luùc naøo cuõng mang tính chaát ñaëc hieäu. Ví duï nhö enzyme isocitrateliase (taùch töø vi khuaån Pseudomonas aeruginoza) coù theå ñöôïc hoaït hoaù bôûi nhieàu ion khaùc nhau (Mg2+, Mn2+, Fe2+ hoaëc Co2+). Coù tröôøng hôïp moät ion kim loaïi naøy laïi coù taùc duïng ñoái vôùi moät ion kim loaïi khaùc. Chaúng haïn ion Na+ coù theå laøm öùc cheá söï phaùt trieån cuûa vi khuaån Lactobacillus casei nhöng taùc duïng öùc cheá naøy coù theå bò maát ñi neáu boå sung theâm vaøo moâi tröôøng caùc ion K+ chaéc raèng ñaõ coù söï caïnh tranh giöõa hai ion naøy trong vieäc lieân keát vôùi caùc enzyme hoaëc coenzyme.

48

Cuõng coù nhöõng nguyeân toá hoaù hoïc ta chöa hieåu roõ veà vai troø sinh lyù cuûa chuùng. Trong soá caùc nguyeân toá naøy phaûi keå ñeán Kali.

K laø nguyeân toá chieám moät tæ leä khaù cao trong thaønh phaàn khoaùng cuûa teá baøo vi sinh vaät, nhöng cho ñeán nay ngöôøi ta chöa thaáy K tham gia vaøo baát kyø thaønh phaàn naøo cuûa nguyeân sinh chaát, cuõng chöa tìm thaáy baát kyø enzyme naøo coù chöùa K. Coù nhöõng taøi lieäu cho bieát K tham gia vaøo vieäc hoaït hoaù moät soá enzyme nhö amylase, invertase, ATP-ase,... K laøm taêng ñoä ngaäm nöôùc cuûa caùc heä thoáng keo do ñoù aûnh höôûng ñeán caùc quaù trình trao ñoåi chaát, nhaát laø caùc quaù trình toång hôïp. K coù theå coøn tham gia vaøo quaù trình toång hôïp moät soá vitamin vaø coù nhöõng aûnh höôûng ñaùng keå ñeán quaù trình hoâ haáp cuûa teá baøo vi sinh vaät.

Na vaø Cl cuõng laø caùc nguyeân toá maø nhieàu vi sinh vaät ñoøi hoûi vôùi löôïng khoâng nhoû, nhöng cho ñeán nay ngöôøi ta vaãn coøn bieát raát ít veà vai troø sinh lyù cuûa chuùng. Haøm löôïng Na vaø Cl ñaëc bieät cao trong caùc teá baøo vi sinh vaät öa maën soáng trong nöôùc bieån, ñaát vuøng ven bieån hoaëc soáng treân caùc loaïi thöïc phaåm öôùp maën. Caùc vi sinh vaät öa maën coù theå ñöôïc chia thaønh 3 nhoùm : nhoùm öa maën ít, thích hôïp phaùt trieån treân moâi tröôøng chöùa 2-5% (khoái löôïng : theå tích) NaCl, nhoùm öa maën vöøa, thích hôïp phaùt trieån treân moâi tröôøng chöùa 5-20% NaCl vaø nhoùm öa maën cao, thích hôïp phaùt trieån treân moâi tröôøng chöùa ñeán 20-30% NaCl.

Bình thöôøng trong nuoâi caáy vi sinh vaät ngöôøi ta khoâng caàn boå sung caùc nguyeân toá vi löôïng. Nhöõng nguyeân toá naøy thöôøng coù saün trong nöôùc maùy, trong caùc hoaù chaát duøng laøm moâi tröôøng hoaëc coù laãn ngay trong thuyû tinh cuûa caùc duïng cuï nuoâi caáy. Trong moät soá tröôøng hôïp cuï theå ngöôøi ta phaûi boå sung caùc nguyeân toá vi löôïng vaøo moâi tröôøng nuoâi caáy vi sinh vaät. Chaúng haïn boå sung Zn vaøo moâi tröôøng nuoâi caáy naám moác, boå sung Co vaøo caùc moâi tröôøng nuoâi caáy vi sinh vaät toång hôïp vitamin B12 ...

Söï toàn taïi moät caùch dö thöøa caùc nguyeân toá khoaùng laø khoâng caàn thieát vaø coù theå daãn ñeán nhöõng aûnh höôûng xaáu. Chaúng haïn vieäc thöøa P coù theå laøm giaûm thaáp hieäu suaát tích luyõ moät soá chaát khaùng sinh.

5. Nhu caàu veà chaát sinh tröôûng cuûa vi sinh vaät Vaán ñeà moät soá vi sinh vaät muoán phaùt trieån caàn phaûi ñöôïc cung caáp nhöõng chaát

sinh tröôûng naøo ñoù thaät ra ñaõ ñöôïc L. Pasteur phaùt hieän töø khoaûng caùc naêm 1859-1864. Pasteur nuoâi caáy vi sinh vaät treân caùc moâi tröôøng chöùa thöùc aên carbon, muoái amon vaø moät soá muoái khoaùng khaùc. OÂng nhaän thaáy vi sinh vaät phaùt trieån raát yeáu. Nhöng neáu boå sung theâm moät ít nöôùc chieát caùc nguyeân lieäu thieân nhieân vaøo caùc moâi tröôøng noùi treân thì söï phaùt trieån cuûa vi sinh vaät seõ taêng leân raát nhieàu.

Naêm 1901 Winldiers phaùt hieän thaáy moät naám men muoán phaùt trieån toát caàn phaûi ñöôïc cung caáp nhöõng chaát höõu cô ñaëc bieät naøo ñaáy, chöùa trong baûn thaân teá baøo naám men, trong naám luùa hoaëc trong nhöõng cô chaát thieân nhieân khaùc. OÂng goïi loaïi chaát höõu cô naøy laø “Bios” (coù nghóa laø “söï soáng”)

49

Thöïc ra töø tröôùc ñoù Lunin ñaõ phaùt hieän thaáy chuoät baïch muoán phaùt trieån bình thöôøng khoâng nhöõng ñoøi hoûi phaûi ñöôïc cung caáp protein, lipide, glucide, muoái khoaùng maø coøn caàn tôùi nhöõng chaát höõu cô ñaëc bieät maø theo oâng thì nhöõng chaát naøy coù chöùa trong söõa.

Naêm 1912, K. Funk nhaø sinh hoaù ngöôøi Ba lan, nhaän thaáy trong caùm gaïo coù chöùa moät chaát höõu cô coù theå duøng ñeå ñieàu trò ñöôïc beänh teâ phuø ôû gaø. OÂng cho raèng nhöõng chaát naøy thuoäc loaïi acid amin khoâng thay theá vaø ñaët teân cho chuùng laø “vitamin” (coù nghóa laø caùc acid amin caàn thieát cho söï soáng). Thuaät ngöõ naøy hieän ñöôïc söû duïng roäng raõi ñeå chæ haøng loaït caùc chaát sinh tröôûng maëc duø cho ñeán nay ngöôøi ta ñeàu bieát raèng vitamin khoâng phaûi laø acid amin, nhieàu loaïi vitamin khoâng coù chöùa goác amin naøo trong caáu truùc cuûa chuùng.

Veà baûn chaát thì hieän nay ngöôøi ta ñaõ xaùc ñònh ñöôïc phaàn lôùn caùc vitamin laø nhöõng thaønh phaàn cuûa coenzyme. Nhöõng hôïp chaát höõu cô coù baûn chaát phi protein tham gia vaøo nhöõng bieán ñoåi do enzyme xuùc taùc vôùi tính chaát laø nhöõng yeáu toá phuø hôïp khoâng theå thieáu ñöôïc.

Tuy nhieân, khaùi nieäm “chaát sinh tröôûng” ñoái vôùi vi sinh vaät khoâng hoaøn toaøn gioáng nhö khaùi nieäm “vitamin” ñoái vôùi cô theå ngöôøi vaø ñoäng vaät. Ñoái vôùi vi sinh vaät thì chaát sinh tröôûng laø moät khaùi nieäm raát linh ñoäng. Noù chæ coù yù nghóa laø nhöõng chaát höõu cô caàn thieát ñoái vôùi hoaït ñoäng soáng maø moät loaïi vi sinh vaät naøo ñoù khoâng töï toång hôïp ñöôïc ra chuùng töø caùc chaát khaùc.

Tuyø thuoäc vaøo khaû naêng sinh toång hôïp cuûa töøng loaøi vi sinh vaät maø cuøng moät chaát coù theå laø hoaøn toaøn khoâng caàn thieát (neáu vi sinh vaät naøo töï toång hôïp ñöôïc ra noù) coù theå laø coù taùc duïng kích thích sinh tröôûng (neáu vi sinh vaät naøo töï toång hôïp ñöôïc nhöng nhanh choùng tieâu thuï heát) hoaëc coù theå laø raát caàn thieát ñoái vôùi quaù trình sinh tröôûng phaùt trieån, gioáng nhö laø tröôøng hôïp caùc vitamin ñoái vôùi ngöôøi vaø ñoäng vaät (neáu vi sinh vaät naøy hoaøn toaøn khoâng coù khaû naêng töï toång hôïp ñöôïc ra noù). Nhö vaäy laø nhöõng chaát ñöôïc coi laø chaát sinh tröôûng cuûa loaïi vi sinh vaät naøy hoaøn toaøn coù theå khoâng phaûi laø chaát sinh tröôûng ñoái vôùi moät loaïi vi sinh vaät khaùc. Haàu nhö khoâng coù chaát naøo laø chaát sinh tröôûng chung ñoái vôùi taát caû caùc loaïi vi sinh vaät.

Ñaëc ñieåm cuûa moâi tröôøng soáng moät maët aûnh höôûng ñeán khaû naêng toång hôïp chaát sinh tröôûng cuûa vi sinh vaät, maët khaùc aûnh höôûng ñeán ñaëc ñieåm trao ñoåi chaát cuûa chuùng. Vieäc moät loaïi vi sinh vaät khoâng ñoøi hoûi moät chaát sinh tröôûng naøo ñoù coù theå do 2 nguyeân nhaân : moät laø vi sinh vaät naøy khoâng töï toång hôïp ra ñöôïc chaát sinh tröôûng ñoù, hai laø trong quaù trình trao ñoåi chaát cuûa loaïi vi sinh vaät naøy khoâng coù söï tham gia cuûa loaïi coenzyme chöùa chaát sinh tröôûng ñoù.

Cuøng moät loaïi vi sinh vaät nhöng neáu nuoâi caáy trong caùc ñieàu kieän khaùc nhau cuõng coù theå coù nhöõng nhu caàu khaùc nhau veà chaát sinh tröôûng. Chaúng haïn naám moác Mucor rouxii ñöôïc chöùng minh laø chæ caàn biotin vaø thiamine khi phaùt trieån trong ñieàu kieän kî khí. Khi nuoâi caáy trong ñieàu kieän hieáu khí, chuùng seõ töï toång hôïp ra ñöôïc caùc chaát sinh tröôûng naøy. Ñieàu kieän pH vaø nhieät ñoä cuûa moâi tröôøng nhieàu khi cuõng aûnh höôûng roõ reät

50

ñeán nhu caàu veà chaát sinh tröôûng cuûa vi sinh vaät. Söï coù maët cuûa moät soá chaát dinh döôõng khaùc coù khi cuõng aûnh höôûng ñeán nhu caàu vaø chaát sinh tröôûng cuûa vi sinh vaät.

Thoâng thöôøng caùc chaát ñöôïc coi laø chaát sinh tröôûng ñoái vôùi moät loaïi naøo ñoù coù theå thuoäc veà moät trong caùc loaïi sau ñaây : caùc goác kieàm purine, pyrimidine vaø caùc daãn xuaát cuûa chuùng, caùc acid beùo vaø caùc thaønh phaàn cuûa maøng teá baøo, caùc vitamin thoâng thöôøng...

Nhu caàu veà caùc goác kieàm purine vaø pyrimidine khoâng gioáng nhau ñoái vôùi caùc loaïi vi sinh vaät khaùc nhau. Phaûn öùng döông tính ñoái vôùi caùc chaát naøy thöôøng thaáy ôû nguyeân sinh ñoäng vaät, nhieàu vi khuaån gaây beänh, vi khuaån lactic ... Noàng ñoä thích hôïp cuûa caùc chaát naøy ñoái vôùi vi sinh vaät thöôøng vaøo khoaûng 5-20 γ/ml. [mγ (miligamma) = ng (nanogram) = 10-3γ = 10-9g].

Moät soá vi sinh vaät khoâng toång hôïp laáy ñöôïc nucleotide töø caùc goác kieàm purine vaø pyrimidine coù saün trong moâi tröôøng. Chuùng ñoøi hoûi phaûi ñöôïc cung caáp moät soá nucleoside, ñoâi khi ñoøi hoûi phaûi cung caáp saün caû moät soá nucleotide.

Coù nhöõng chaát ñöôïc coi laø chaát sinh tröôûng ñoái vôùi moät soá vi sinh vaät (mycoplasma, nguyeân sinh ñoäng vaät, moät soá vi khuaån) vì nhöõng chaát naøy tham gia vaøo thaønh phaàn cuûa thaønh teá baøo maø caùc vi sinh vaät ñoù khoâng töï toång hôïp ñöôïc ra chuùng. Chaúng haïn Mycoplasma mycoides thöôøng ñoøi hoûi phaûi ñöôïc cung caáp glycerin, nhieàu loaïi khaùc ñoøi hoûi caùc acid beùo vôùi chuoãi carbon khaù daøi.

Inoside vaø choline tham gia vaøo thaønh phaàn phospholipide cuûa maøng teá baøo do ñoù cuõng laø chaát sinh tröôûng ñoái vôùi moät soá loaïi vi sinh vaät. Chuùng thöôøng caàn caùc chaát naøy vôùi noàng ñoä trong moâi tröôøng vaøo khoaûng 10 - 20 γ/ml.

Töø khi phaùt sinh ra “men hoâ haáp vaøng” (Warburg vaø Christian, 1932) maø coenzyme ñöôïc xaùc ñònh laø riboflavin phosphate, ngöôøi ta ñaõ chuù yù raát nhieàu ñeán vieäc nghieân cöùu cô cheá taùc duïng cuûa caùc vitamin. Ngaøy nay ngöôøi ta ñaõ xaùc ñònh thaáy raát nhieàu caùc vitamin tan trong nöôùc, tham gia vaøo thaønh phaàn coenzyme cuûa cac enzyme vaø nhôø ñoù chuùng coù vai troø raát lôùn trong caùc quaù trình trao ñoåi chaát.

Coù nhieàu taøi lieäu nghieân cöùu nhaèm laøm saùng toû cô cheá, taùc duïng cuûa töøng loaïi vitamin trong caùc hoaït ñoäng trao ñoåi chaát ôû cô theå soáng.

Nhieàu vitamin coù vai troø quan troïng trong quaù trình oxy hoaù khöû, quaù trình hoaït hoaù caùc acid amin.

Coenzyme A (caáu taïo bôûi acid adenilic, acid phosphoric, cisteamin vaø acid pantotenic) coù vai troø quan troïng trong vieäc chuyeån goác acetyl, chuùng coøn tham gia vaøo quaù trình benzoyl hoaù glycine thaønh acid huric.

Moät soá vi sinh vaät khoâng coù khaû naêng töï toång hôïp ra nhöõng vitamin nhaát ñònh nhöng laïi raát caàn tôùi söï coù maët cuûa caùc vitamin naøy. Moät soá chuûng coù möùc ñoä phaùt trieån tæ leä thuaän vôùi noàng ñoâï cuûa nhöõng vitamin nhaát ñònh trong moâi tröôøng. Ngöôøi ta ñaõ söû duïng chuùng ñeå ñònh löôïng caùc vitamin naøy. Phöông phaùp ñònh löôïng vitamin baèng vi sinh vaät coù nhieàu öu ñieåm ñaùng keå. Moät maët noù cho pheùp xaùc ñònh ñöôïc caû nhöõng noàng

51

ñoä vitamin raát nhoû, xaùc ñònh ñöôïc caû nhöõng löôïng vaät maãu raát ít vaø maëc khaùc trong nhieàu tröôøng hôïp cho pheùp phaân bieät ñöôïc nhöõng loaïi “vitamin thaät” (coù hoaït tính sinh hoïc) vôùi nhöõng “vitamin giaû” coù caáu truùc töông töï.

Ngöôøi ta nhaän thaáy raèng raát nhieàu vi sinh vaät coù khaû naêng toång hôïp vitamin. Sinh khoái vi sinh vaät thöôøng chöùa haàu heát caùc loaïi vitamin chuû yeáu vôùi nhöõng haøm löôïng khaù cao.

Nhìn chung sinh khoái naám men thöôøng chöùa nhieàu vitamin hôn so vôùi sinh khoái caùc loaïi vi sinh vaät khaùc. Maët khaùc, naám men laïi coù haøm löôïng protein cao (48 - 52%) vaø coù toác ñoä phaùt trieån raát nhanh. Chính vì nhöõng lyù do naøy maø töø laâu ngöôøi ta ñaõ xaây döïng caùc nhaø maùy nhaèm saûn xuaát sinh khoái vitamin duøng laøm thöùc aên boå sung cho ngöôøi vaø gia suùc, gia caàm.

Caùc saûn phaåm leân men (röôïu, bia, baùnh mì,...) vaø caùc loaïi döôïc phaåm cheá taïo töø men bia khoâ ñeàu chöùa phong phuù vitamin. Vieäc nghieân cöùu ñeå saûn xuaát caùc loaïi “thòt nhaân taïo” duøng cho ngöôøi töø sinh khoái naám men cuõng coù nhöõng trieån voïng raát lôùn.

Ngöôøi ta ñaõ söû duïng thaønh coâng moät soá loaïi vi sinh vaät ñeå saûn xuaát ôû quy moâ coâng nghieäp moät soá loaïi vitamin tinh khieát duøng trong y hoïc, ñaùng chuù yù nhaát laø acid ascorbic (vitamin C), riboflavin (vitamin B2), cyanocobalamin (vitamin B12) vaø ergocalciferol (vitamin D2).

Vieäc oxy hoaù sorbit thaønh sorbose laø moät giai ñoaïn quan troïng cuûa coâng nghieäp saûn xuaát vitamin C.

Nhieàu vi sinh vaät coù khaû naêng toång hôïp riboflavin. Trong moãi gam sinh khoái naám men (tính theo khoái löôïng khoâ) thöôøng coù ñeán 40 - 120 riboflavin.

Loaïi vi sinh vaät coù khaû naêng toång hôïp riboflavin cao nhaát laø hai loaïi naám men Eremothecium ashbyii vaø Ashbya gossypii. Nhöõng loaïi naám naøy nguyeân laø caùc loaïi naám kyù sinh gaây beänh ôû caây boâng.

Vitamin B12 haàu nhö chæ ñöôïc toång hôïp nhôø vi sinh vaät. Ñaõ coù ñuû cô sôû ñeå khaúng ñònh raèng toaøn boä soá löôïng vitamin B12 chöùa trong cô theå ngöôøi vaø ñoäng vaät, hoaëc chöùa trong ñaát, trong nöôùc, trong buøn,... ñeàu coù nguoàn goác vi sinh vaät.

Nhöõng taûo coù khaû naêng toång hôïp vitamin B12 thöôøng thuoäc nhoùm taûo naâu hoaëc taûo ñoû. Nhieàu vi khuaån lam cuõng coù khaû naêng naøy. Nhieàu taùc giaû cho raèng vitamin B12 tìm thaáy ôû taûo coù theå khoâng phaûi laø do taûo toång hôïp ra maø laø ñöôïc sinh ra töø loaïi vi khuaån soáng treân beà maët caùc taûo naøy.

Loaïi vi khuaån coù khaû naêng toång hôïp vitamin B12 maïnh meõ nhaát laø moät soá loaøi vi khuaån thuoäc chi Propionibacterium (ñieån hình nhaát laø loaøi P. shermanii)

Tieàn vitamin D (ergosterin) laø chaát döôùi taùc ñoäng cuûa tia töû ngoaïi seõ ñöôïc chuyeån hoaù thaønh vitamin D2 (ergocalcipherol). Ergosterin chöùa phong phuù trong teá baøo nhieàu loaïi naám, nhaát laø naám men.

52

Veà maët sinh lyù moät soá nghieân cöùu cho thaáy naám men nuoâi caáy trong ñieàu kieän hieáu khí chöùa moät löôïng ergosterin nhieàu hôn gaáp 10 laàn so vôùi nuoâi caáy trong ñieàu kieän kî khí.

6. Cô cheá vaän chuyeån caùc chaát dinh döôõng vaøo teá baøo vi sinh vaät Ñeå toàn taïi, sinh tröôûng vaø phaùt trieån, teá baøo vi sinh vaät phaûi thöôøng xuyeân trao

ñoåi vaät chaát vaø naêng löôïng vôùi moâi tröôøng beân ngoaøi. Moät maët chuùng nhaän caùc chaát dinh döôõng caàn thieát töø moâi tröôøng, maët khaùc thaûi ra ngoaøi caùc saûn phaåm trao ñoåi chaát. Nhö theá laø giöõa moâi tröôøng xung quanh vaø moâi tröôøng beân trong teá baøo toàn taïi moät haøng raøo thaåm thaáu, haøng raøo naøy chính laø maøng teá baøo chaát lipoprotein. Nhöõng daãn chöùng sau ñaây coù theå chöùng minh cho keát luaän noùi treân : caùc hôïp chaát öa lipide thöôøng xaâm nhaäp vaøo teá baøo nhanh hôn caùc hôïp chaát kò lipide. Hôn nöõa, neáu xöû lyù vi sinh vaät baèng caùc dung moâi cuûa lipide nhö butanol (gaây neân vieäc taùch caùc hôïp chaát phaân töû thaáp khoûi teá baøo) thì haøng raøo thaåm thaáu cuûa vi sinh vaät coù theå bò huyû hoaïi. Roõ raøng maøng teá baøo chaát phaûi coù khaû naêng ñieàu chænh tinh vi söï ra vaøo cuûa caùc chaát khaùc nhau. Teá baøo nhaän vaø thaûi caùc chaát moät caùch choïn loïc. Söï xaâm nhaäp cuûa nöôùc vaø caùc chaát hoaø tan qua maøng teá baøo chaát laø moät quaù trình ñoäng hoïc; teá baøo vi sinh vaät soáng khoâng bao giôø ôû traïng thaùi caân baèng vôùi caùc chaát cuûa moâi tröôøng xung quanh. Söï vaän chuyeån cuûa caùc chaát qua maøng teá baøo vi sinh vaät tuaân theo moät trong 2 cô cheá : khueách taùn ñôn giaûn hay coøn goïi laø vaän chuyeån bò ñoäng vaø vaän chuyeån hoaù khoâng gian ñaëc bieät.

Theo cô cheá khueách taùn thuï ñoäng caùc phaân töû ñi qua maøng nhôø söï cheânh leäch noàng ñoä (trong tröôøng hôïp caùc chaát khoâng ñieän ly) hay cheânh leäch ñieän theá (trong tröôøng hôïp caùc ion) ôû 2 phía cuûa maøng. Haøng loaït nghieân cöùu ñaõ khaúng ñònh ngoaøi nöôùc ra raát ít hôïp chaát coù theå qua maøng theo cô cheá noùi treân. Traùi laïi ña soá caùc chaát hoaø tan qua maøng do taùc duïng cuûa caùc cô cheá vaän chuyeån ñaëc bieät : nhöõng phaân töû vaän chuyeån saép xeáp trong maøng lieân keát vôùi caùc phaân töû chaát hoaø tan roài chuyeån chuùng vaøo beà maët beân trong cuûa maøng : töø ñaây caùc phaân töû chaát hoaø tan ñöôïc chuyeån vaøo teá baøo chaát. Kieåu khueách taùn naøy ñöôïc goïi laø khueách taùn xuùc tieán. Caùc phaân töû protein vaän chuyeån noùi treân goïi laø protein thaám - permease. Baûn chaát protein cuûa caùc permease ñaõ ñöôïc khaúng ñònh bôûi caùc daãn chöùng sau ñaây :

- Vieäc toång hôïp permease thöôøng ñöôïc caûm öùng hoaëc bò kieàm cheá theo cuøng moät caùch nhö toång hôïp moät soá men.

- Cloramphenicol öùc cheá toång hôïp protein cuõng öùc cheá quaù trình toång hôïp permease.

- Haøng loaït protein maøng mang tính chaát cuûa permease ñaõ ñöôïc taùch ra. Teá baøo vi sinh vaät coù khaû naêng toång hôïp moät löôïng lôùn caùc permease cuûa acid amin vaø hydrate carbon. Tuy nhieân, neáu caùc heä thoáng vaän chuyeån naøy ñeàu ñöôïc toång hôïp thöôøng xuyeân theo kieåu caáu truùc thì teá baøo seõ heát söùc phí phaïm veà vaät chaát vaø naêng löôïng. Do ñoù ta khoâng laáy laøm laï laø nhieàu permease ñöôïc toång hôïp theo kieåu caûm öùng hoaëc kieàm cheá. Ngoaøi protein thaám coøn coù enzyme vaän chuyeån.

53

Söï vaän chuyeån caùc chaát nhôø permease coù theå laø thuï ñoäng (khoâng caàn naêng luôïng cuûa teá baøo) hoaëc chuû ñoäng (caàn naêng löôïng cuûa teá baøo). Theo cô cheá vaän chuyeån thuï ñoäng chaát hoaø tan lieân keát thuaän nghòch vaøo moät vò trí ñaëc bieät treân phaân töû permease naèm ôû beân trong maøng (coù theå ôû caùc loã cuûa maøng). Phöùc hôïp “chaát hoaø tan - permease” ñöôïc vaän chuyeån theo caû hai phía cuûa maøng nhôø söï cheânh leäch noàng ñoä cuûa moät chaát naøo ñoù, nghóa laø söï vaän chuyeån dieãn ra theo kieåu “xuoâi doøng”. Söï vaän chuyeån thuï ñoäng nhôø permease ñaõ ñöôïc chöùng minh ôû moät soá vi sinh vaät.

Tuy nhieân, vi sinh vaät coù khaû naêng tích luyõ moät soá chaát vôùi noàng ñoä cao hôn nhieàu so vôùi noàng ñoä beân ngoaøi. Chaúng haïn noàng ñoä K+ beân trong moät soá teá baøo vi sinh vaät coù theå lôùn hôn noàng ñoä beân ngoaøi haøng ngaøn laàn. Ñeå ñaûm baûo ñoä trung hoaø ñieän teá baøo cuõng ñoàng thôøi phaûi thaûi ra beân ngoaøi caùc ion H+ hoaëc Na+. Theâm vaøo ñoù, ngöôøi ta ñaõ phaùt hieän thaáy ôû caùc maøng vi khuaån coù hoaït tính cuûa ATP-ase laø men coù lieân quan ñeán vieäc vaän chuyeån caùc chaát. Roõ raøng trong teá baøo vi sinh vaät ngoaøi cô cheá vaän chuyeån thuï ñoäng coøn toàn taïi cô cheá vaän chuyeån chuû ñoäng nhôø permease. Söï vaän chuyeån naøy ñöôïc tieán haønh ngöôïc vôùi gradien noàng ñoä, nghóa laø theo kieåu “ngöôïc doøng”; naêng löôïng tieâu thuï coù leõ do ATP cung caáp.

Cho tôùi nay, ngöôøi ta ñaõ phaân laäp ñöôïc haøng loaït protein vaän chuyeån trong caùc loaøi vi sinh vaät. Gioáng nhö enzyme, chuùng coù tính ñaëc hieäu cô chaát khaùc nhau. Moät soá coù tính ñaëc hieäu haàu nhö tuyeät ñoái. Chaúng haïn permease cuûa galactose ôû E.coli chæ vaän chuyeån galactose. Caùc permease cuûa caùc ñöôøng vaø acid amin khaùc theå hieän tính ñaëc hieäu yeáu hôn ñoái vôùi caùc chaát hoaø tan. Ñieàu ñaùng chuù yù laø trong vi khuaån söï vaän chuyeån chuû ñoäng cuûa haàu heát caùc ñöôøng phuï thuoäc vaøo quaù trình phosphoryl hoaù. Naêm 1964 Kundig phaân laäp ñöôïc moät heä thoáng phosphotransferase töø E.coli. Thí nghieäm cuûa nhieàu taùc giaû cho bieát heä thoáng naøy ñaûm nhaän söï vaän chuyeån cuûa haàu heát ñöôøng trong vi khuaån. Heä thoáng phosphotransferase bao goàm 2 men (EI vaø EII) vaø moät protein vaän chuyeån beàn nhieät (HPr) coù khoái löôïng phaân töû thaáp. Caùc thaønh phaàn protein cuûa heä thoáng naøy ñaõ ñöôïc thuaàn khieát vaø phaûn öùng dieãn ra theo 2 böôùc.

54

55

Tröôùc heát EI chuyeån phosphate töø phosphoenolpyruvate (PEP) ñeán HPr :

Ei

PrH + PEP → HPr-P + Pyruvate

Sau ñoù EII chuyeån phosphate töø HPr-P ñeán C-6 cuûa ñöôøng ñôn.

EI laø chung cho nhieàu loaïi ñöôøng nhöng EII laïi ñaëc hieäu cho töøng loaïi. Nghóa laø moät ñoät bieán naøo ñoù aûnh höôûng ñeán vieäc toång hôïp EI seõ daãn ñeán maát khaû naêng vaän chuyeån nhieàu loaïi ñöôøng. Traùi laïi, vôùi ñoät bieán nhö theá ñoái vôùi EII chæ aûnh höôûng ñeán söï vaän chuyeån cuûa moät loaïi ñöôøng.

Vieäc phaùt hieän ra heä thoáng phosphotransferase laàn ñaàu tieân cung caáp cho ta moät ví duï veà moái lieân quan giöõa vaän chuyeån ñöôøng vaø heä thoáng saûn sinh naêng löôïng trong teá baøo.

56

CHÖÔNG 6

TRAO ÑOÅI CHAÁT VAØ TRAO ÑOÅI NAÊNG LÖÔÏNG ÔÛ VI SINH VAÄT

1. Moät soá khaùi nieäm chung Caáu truùc vaø chöùc naêng cuûa moät teá baøo soáng lieân quan tröïc tieáp hoaëc giaùn tieáp ñeán

caùc phaûn öùng hoaù hoïc. Trao ñoåi chaát laø toång caùc phaûn öùng hoaù hoïc do teá baøo thöïc hieän vaø goàm hai loaïi : caùc phaûn öùng giaûi phoùng naêng löôïng hay coøn goïi laø caùc phaûn öùng toaû nhieät vaø caùc phaûn öùng thu naêng löôïng hay coøn goïi laø caùc phaûn öùng thu nhieät.

Teá baøo caàn söû duïng naêng löôïng trong nhieàu muïc ñích khaùc nhau : toång hôïp caùc caáu truùc teá baøo (thaønh, maøng ...), caùc phaàn phuï beân ngoaøi (voû nhaày, tieân mao, nhung ma...), toång hôïp caùc cao phaân töû sinh hoïc (acid nucleic, protein...) vaø caùc thaønh phaàn hoaù hoïc khaùc, söûa chöõa vaø duy trì teá baøo, sinh tröôûng vaø sinh saûn, tích luyõ chaát dinh döôõng vaø baøi tieát caùc saûn phaåm dö thöøa, di ñoäng ...

Ñoái vôùi moät soá nhoùm vi sinh vaät thì nguoàn naêng löôïng laø caùc chaát dinh döôõng ñaõ ñöôïc teá baøo haáp thu. Khi lieân keát hoaù hoïc trong caùc chaát dinh döôõng bò ñöùt, naêng löôïng ñöôïc giaûi phoùng ra ôû daïng hoaù naêng vaø seõ ñöôïc teá baøo thu nhaän ñeå söû duïng. Vôùi moät soá nhoùm vi sinh vaät khaùc thì nguoàn naêng löôïng laïi laø aùnh saùng. Chuùng chuyeån hoaù quang naêng thaønh hoaù naêng ñeå söû duïng ñöôïc trong caùc quaù trình trao ñoåi chaát.

Quaù trình chuyeån hoaù caùc chaát dinh döôõng vaø cheá bieán laïi ñeå toång hôïp ra caùc hôïp chaát rieâng cuûa teá baøo vi sinh vaät ñöôïc goïi laø quaù trình ñoàng hoaù. Ngöôïc laïi, quaù trình phaân huyû caùc thaønh phaàn cuûa cô theå ñöôïc goïi laø quaù trình dò hoaù.

Hai quaù trình ñoàng hoaù vaø dò hoaù töông taùc vôùi nhau vaø dieãn ra ñoàng thôøi.

Trong quaù trình ñoàng hoaù (quaù trình sinh toång hôïp), naêng löôïng töï do cuûa saûn phaåm bao giôø cuõng lôùn hôn naêng löôïng töï do cuûa caùc chaát phaûn öùng (ΔG > 0). Ngöôïc laïi, trong quaù trình dò hoaù, naêng löôïng töï do cuûa caùc chaát phaûn öùng bao giôø cuõng lôùn hôn naêng löôïng töï do cuûa saûn phaåm (ΔG < 0).

Caùc quaù trình oxy hoaù - phaân huyû keøm theo söï giaûi phoùng naêng löôïng caàn thieát cho hoaït ñoäng soáng ñöôïc goïi laø quaù trình trao ñoåi naêng löôïng. ÔÛ ñoäng vaät vaø caùc thöïc vaät baäc cao caùc quaù trình naøy thöôøng xaûy ra vôùi cô chaát laø caùc chaát döï tröõ cuûa cô theå (protein, polysaccharide, lipide). Nhöng ôû teá baøo vi sinh vaät, soá löôïng caùc chaát döï tröõ thöôøng raát nhoû vì theá chuùng phaûi söû duïng chuû yeáu laø caùc chaát haáp thu töø moâi tröôøng xung quanh.

Phaàn lôùn caùc loaøi vi sinh vaät thuoäc loaïi dinh döôõng hoaù naêng. Chuùng söû duïng caùc hôïp chaát hoaù hoïc ñeå laøm nguoàn sinh naêng löôïng. Naêng löôïng naøy khoâng bieán thaønh nhieät naêng maø truyeàn tröïc tieáp töø hôïp chaát naøy sang hôïp chaát khaùc cuøng vôùi caùc ñieän töû hoaëc caùc nguyeân töû. Trong soá naøy caùc vi sinh vaät dò döôõng hoaù naêng hay dinh döôõng hoaù naêng höõu cô söû duïng caùc hôïp chaát höõu cô coù saün. Coøn caùc vi sinh vaät töï döôõng hoaù naêng hay dinh döôõng hoaù naêng voâ cô thì laïi söû duïng caùc hôïp chaát voâ cô. Caùc vi sinh vaät

57

dinh döôõng quang naêng bao goàm nhoùm dinh döôõng quang naêng voâ cô vaø nhoùm dinh döôõng quang naêng höõu cô söû duïng tröïc tieáp naêng löôïng cuûa aùnh saùng.

Ñoái vôùi caùc nhoùm vi sinh vaät kî khí quaù trình oxy hoaù sinh naêng löôïng khoâng keøm theo vieäc lieân keát vôùi oxy khoâng khí.

Naêng löôïng giaûi phoùng ra töø caùc phaûn öùng oxy hoaù seõ ñöôïc giöõ laïi trong moät soá hôïp chaát giaøu naêng köôïng coù maët trong teá baøo vi sinh vaät. Ñoù laø caùc hôïp chaát nhö nucleoside triphosphate (ATP, UTP...), caùc acyl phosphate, caùc daãn xuaát cuûa acid carbonic (Acetyl - CoA).

Hôïp chaát giaøu naêng löôïng quan troïng nhaát laø ATP (adenosin triphosphate). Noù chöùa 2 lieân keát cao naêng (∼), moãi lieân keát chöùa khoaûng 1200cal (trong khi moãi lieân keát phosphate bình thöôøng chæ chöùa khoaûng 300cal).

ATP ñöôïc coi nhö “tieàn teä” cuûa naêng löôïng trong teá baøo. Chuùng ñöôïc tieâu thuï

trong taát caû caùc phaûn öùng trao ñoåi caàn naêng löôïng. Caùc phaân töû giaøu naêng löôïng naøy ñöôïc hình thaønh trong teá baøo cuûa vi sinh vaät cuõng nhö trong teá baøo cuûa moïi sinh vaät khaùc. Coù theå noùi söï hình thaønh lieân keát cao naêng giöõa P vaø O coøn goïi laø quaù trình phosphoryl hoaù laø phöông thöùc chuû yeáu ñeå tích luyõ naêng löôïng caàn thieát cho teá baøo.

58

2. Söï oxy hoaù sinh hoïc vaø sinh naêng löôïng ôû caùc vi sinh vaät dò döôõng. Söï oxy hoaù sinh hoïc laø khaùi nieäm chung ñeå chæ moät loaït caùc phaûn öùng oxy hoaù

sinh naêng löôïng xaûy ra trong caùc teá baøo soáng. Söï oxy hoaù sinh hoïc vaø söï oxy hoùa phi sinh hoïc (söï chaùy) coù nhöõng ñieåm gioáng nhau vaø nhöõng ñieåm khaùc nhau.

- Gioáng nhau : laø cuøng oxy hoaù chaát höõu cô ñeå giaûi phoùng ra naêng löôïng.

- Khaùc nhau :

Söï chaùy Söï oxy hoaù sinh hoïc

Phöông thöùc phaûn öùng

Caùc böôùc phaûn öùng

Ñieàu kieän

Chaát xuùc taùc

Hình thöùc naêng löôïng sinh ra

Hieäu suaát söû duïng naêng löôïng

3O2

C6H12O6 6H2O

3O2

6CO2 Phaûn öùng nhanh moät böôùc

Kòch lieät

Khoâng

Nhieät, aùnh saùng

Thaáp

O2

C6H12O6 → → → 6H2O

3O2 doøng electron

doøng carbon

6CO2 Phaûn öùng baäc thang nhieàu böôùc

OÂn hoaø

Enzyme (ôû vò trí nhaát ñònh trong teá baøo)

Phaàn lôùn laø ATP

Cao

Söï maát hydro cuûa cô chaát coù theå theo 4 con ñöôøng khaùc nhau. ÔÛ moãi con ñöôøng ñeàu coù chöùc naêng maát hydro, sinh naêng löôïng vaø saûn sinh caùc saûn phaåm trao ñoåi chaát phaân töû nhoû cung caáp laøm nguyeân lieäu cho caùc phaûn öùng sinh toång hôïp. Hydro taùch ra ñöôïc vaän chuyeån vaø cuoái cuøng ñöôïc tieáp nhaän bôûi oxy ñeå taïo ra nöôùc.

Coù theå bieåu thò caùc doøng chaûy electron trong dò hoaù vaø trong sinh toång hôïp kieåu khöû ôû vi sinh vaät baèng sô ñoà sau :

2.1 Con ñöôøng ñöôøng phaân (glycolysis)

Con ñöôøng naøy con goïi laø con ñöôøng EMP (Embden - Meyerhof - Parnas pathway)

Trong ñieàu kieän coù hay vaéng maët O2, glucose ñeàu ñöôïc chuyeån thaønh pyruvate qua 10 phaûn öùng trong ñoù chæ 3 phaûn öùng (1, 3 vaø 10) laø moät chieàu vaø coøn laïi laø 2 chieàu. Tröø chaát ñaàu vaø chaát cuoái, caùc chaát trung gian ñeàu ôû daïng phosphoryl hoaù. Goác phosphoryl ôû ñaây coù 3 chöùc naêng :

- Giuùp cho chaát trung gian mang ñieän tích aâm cao khoâng theå thoaùt ra ngoaøi.

- Laø vò trí gaén enzyme.

- Laø vò trí cung caáp lieân keát phosphate cao naêng ( ∼ P)

Caân baèng chung : Glucose → 2 pyruvate + 2ATP + 2NADH2

59

ATP ôû ñaây ñöôïc taïo thaønh töø 2 phaûn öùng 7 vaø 10. Phaûn öùng 7 laø phaûn öùng oxy hoaù:

3-P-glyceraldehyde + NAD+ + Pi → 1,3-di-P-glycerate + NADH2

Sau ñoù : 1,3-di-P-glycerate + ADP → 3-P-glycerate + ATP

Enzyme xuùc taùc (3-P glyceraldehyde dehydrogenase) chöùa nhoùm SH, do ñoù bò kìm haõm bôûi caùc kim loaïi naëng. Maët khaùc, 1,3-di-P-glycerate chöùa moät ∼ P ôû C1.

Trong söï coù maët cuûa arsenate, goác AsO4 do töông töï vôùi goác PO4, ñaõ lieân keát caïnh tranh vôùi ∼ P ôû C1. Keát quaû laø söï taïo thaønh ATP ôû ñaây bò kìm haõm. Phaûn öùng 10 laø phaûn öùng loaïi nöôùc :

2-P-glycerate → PEP + H2O

(PEP : phosphoenolpyruvate)

Sau ñoù : PEP + ADP → Pyruvate + ATP

Söï taïo thaønh ATP ôû 2 phaûn öùng noùi treân goïi laø phosphoryl hoaù ôû möùc ñoä cô chaát vì phosphate cao naêng (∼ P) tröôùc ñoù laø moät phaàn cuûa phaân töû chaát trao ñoåi (1,3-di-P-glycerate vaø PEP). Khi coù maët ADP chaát trao ñoåi seõ chuyeån ∼ P cho ADP :

X ∼ P + ADP → X + ATP

Ñöôøng phaân cuõng cung caáp cho teá baøo 6 trong soá 12 tieàn chaát duøng toång hôïp caùc ñôn vò caáu truùc : glucose-6-P, fructose-6-P, 3-P-glyceraldehyde, 3-P-glycerate, PEP, pyruvate, ribose-5-P, erythrose-4-P, acetyl-CoA, α-ketoglutarate (AOA) vaø succinyl-CoA.

Quaù trình ñöôøng phaân (glycolysis) dieãn ra nhö sau :

60

61

2.2. Con ñöôøng Pento-phosphate (PP, Pentose phosphate pathway) coøn goïi laø con ñöôøng Hexe-mono phosphate (HMP)

Con ñöôøng naøy giuùp cho nhieàu vi khuaån chuyeån hoaù glucose thaønh pyruvate khoâng qua con ñöôøng EMP ñoàng thôøi cung caáp cho teá baøo 2 tieàn chaát khaùc laø ribose-5-P vaø erythrose-4-P. Ngoaøi ra con ñöôøng PP coøn cung caáp NADPH caàn cho caùc phaûn öùng toång hôïp khöû.

Con ñöôøng PP dieãn ra nhö sau :

62

Neáu 3-P-glyceraldehyde ñi vaøo con ñöôøng EMP vaø chuyeån hoaù thaønh pyruvate ta seõ coù :

Glucose Pyruvate + 3CO2 + 6NADPH2 + NADH2 + ATP

2.3. Con ñöôøng 2-keto-3deoxy-6-P-gluconate (con ñöôøng KDPG) hay coøn goïi laø con ñöôøng Entner-Doudoroff (con ñöôøng ED)

Tröôùc heát glucose-6-P ñöôïc chuyeån thaønh 6-P-gluconate nhö con ñöôøng PP. Sau ñoù, chaát naøy bò loaïi nöôùc nhôø P-gluconate-dehydrase thaønh KDPG. KDPG sau ñoù bò phaân giaûi thaønh pyruvate vaø 3-P-glyceraldehyde nhôø moät aldolase ñaëc hieäu. Cuoái cuøng, 3-P-glyceraldehyde laïi ñi vaøo con ñöôøng EMP ñeå cho pyruvate. Do ñoù caân baèng chung cuûa con ñöôøng KDPG laø :

Glucose → 2pyruvate + ATP + NADH2 + NADPH2

Con ñöôøng naøy chæ gaëp ôû moät soá vi khuaån.

Con ñöôøng KDPG dieãn ra nhö sau :

63

2.4. Chu trình tricarboxylic acid (coøn goïi laø chu trình TCA hay chu trình Krebs)

Chu trình duøng oxy hoaù acetate thaønh CO2 vaø giaûi phoùng H2. Trong soá 8[H] taùch ra thì 6[H] ñöôïc chuyeån ñeán NAD+ nhôø söï xuùc taùc cuûa 3 dehydrogenase (DH): α-ketoglutarate-DH, iso-citrate-DH vaø malate-DH, coøn 2[H] ñöôïc chuyeån ñeán FAD nhôø succinate-DH. Caùc DH seõ chuyeån H2 vaøo chuoãi hoâ haáp. Ngoaøi chöùc naêng oxy hoaù taän cuøng, TCA coøn cung caáp cho teá baøo 3 tieàn chaát : oxalacetate (duøng toång hôïp aspartate), α-ketoglutarate (duøng toång hôïp glutamate) vaø succinyl-CoA (duøng toång hôïp nhaân hem caàn cho caáu truùc cuûa catalase, cytochrome, chlorophyll, vitamin B12).

Veà naêng löôïng chu trình cung caáp 1ATP ôû möùc ñoä phosphoryl hoaù cô chaát (succinyl∼ CoA + ADP + Pi → succinate + ATP)

Trong ñieàu kieän kî khí TCA khoâng coù chöùc naêng sinh naêng löôïng nhöng vaãn phaûi cung caáp cho teá baøo 3 tieàn chaát treân. Teá baøo phaûi söû duïng phaàn lôùn pyruvate ñeå leân men thu naêng löôïng coøn phaàn nhoû chuyeån thaønh acetyl∼ CoA nhôø pyruvate.

Chu trình Krebs :

64

2.5. Chuoãi hoâ haáp vaø quaù trình phosphoryl hoaù oxy hoaù

Traùi vôùi vi khuaån kî khí, vi khuaån hieáu khí coù theå toång hôïp ATP maïnh meõ hôn nhieàu nhôø coù chuoãi hoâ haáp vaø ATP-syntase (yeáu toá F0 - F1). Hai heä thoáng naøy naèm ôû maøng : maøng teá baøo hoaëc maøng trong ty theå. H+ vaø e (electron) taùch ra töø cô chaát tham gia vaøo chuoãi hoâ haáp; caùc e ñöôïc chuyeån ñeán O2. Naêng löôïng thoaùt ra ñöôïc chuyeån thaønh ATP, phaàn nhoû giaûi phoùng ôû daïng nhieät. Caùc thaønh phaàn cuûa chuoãi naèm trong lôùp lipide keùp goàm nhieàu enzyme vaän chuyeån e vaø H2, caùc coenzyme vaø nhoùm theâm, caùc dehydrogenase vaø heä thoáng vaän chuyeån. Caùc thaønh phaàn quan troïng nhaát tham gia vaøo oxy hoaù H2 laø :

- Flavoprotein: laø caùc enzyme chöùa nhoùm theâm FMN hoaëc FAD, vaän chuyeån H2

- Protein Fe-S : vaän chuyeån e chöùa nguyeân töû Fe : vöøa lieân keát vôùi S cuûa cistein, vöøa lieân keát vôùi S cuûa H2S

- Quinone : ôû maøng trong ty theå vaø ôû vi khuaån G- laø ubiquinone (CoQ), ôû vi khuaån G+ laø naphtoquinone vaø ôû luïc laïp laø plastoquinone. Quinone, ñaëc bieät laø ubiquinone coù ñaëc tính öa lipide, do ñoù laép vaøo lôùp lipide keùp cuûa maøng, vaän chuyeån H2 hoaëc e.

- Cytochrome : vaän chuyeån e, khoâng vaän chuyeån H2. Cytochrome nhaän e töø quinone; trong quaù trình vaän chuyeån moät soá löôïng H+ töông ñöông vôùi soá löôïng e bò taùch vaøo moâi tröôøng. Cytochrome coù chöùa nhoùm theâm laø hem.. Coù moät soá loaïi : a, a3, b, c, o. Cyt c gaëp ôû haàu heát cô theå coù chuoãi hoâ haáp. Cyt a.a3 ( = cytochrome-oxydase) chuyeån 4e tröïc tieáp leân O2 :

O2 + 4Fe2+ → 2O- + 4Fe3+

Caùc thaønh phaàn cuûa chuoãi hoâ haáp ñöôïc saép xeáp treân cô sôû cuûa theá oxy hoaù khöû baét ñaàu vôùi NAD+ (theá aâm nhaát) vaø keát thuùc vôùi cytochrome-oxydase vaø O2.

65

66

Trong quaù trình vaän chuyeån 2[H] töø NADH2 ñeán O2 coù 3 böôùc chuyeån e lieân quan ñeán taïo thaønh ATP vaø ñöôïc bieåu dieãn baèng heä soá P/O (mol ATP/ mol nguyeân töû oxy). Heä soá P/O = 3 khi 2 [H] ñöôïc chuyeån qua NAD+ vaø P/O = 2 khi 2[H] töø succinate qua FAD ñeán O2.

Do ñoù 1 mol glucose phaân giaûi qua con ñöôøng EMP vaø chu trình TCA vaø taát caû

hydro taùch ra ñeàu ñöôïc chuyeån vaøo chuoãi hoâ haáp ñeå taïo thaønh H2O seõ cho toång coäng 38ATP. Söï tính toaùn treân ñuùng vôùi ty theå vaø moät soá vi khuaån. Tuy nhieân ôû haàu heát vi

67

khuaån, do chæ coù 2 vò trí phosphoryl hoaù (P/O = 2) neân söï hoâ haáp glucose hieáu khí, chaúng haïn ôû E.coli, chæ cho 26ATP.

2.6. Taùc duïng ñoäc cuûa O2 leân vi khuaån hieáu khí vaø kî khí

Trong teá baøo coù 3 loaïi hoaït hoaù O2 tuyø theo soá e ñöôïc chuyeån ñoàng thôøi ñeán O2.

(1) O2 + 4e- → O2- + O2-

(2) O2 + 2e- → O22-

(3) O2 + 1e- → O2-

Phaûn öùng (1) do cyt. oxydase xuùc taùc vaän chuyeån ñoàng thôøi 4e-; moãi ion O2- seõ keát hôïp vôùi 2H+ taïo thaønh H2O.

Phaûn öùng (2) ñaëc tröng cho 1 soá enzyme chöùa flavin, ion peroxide O22- seõ phaûn

öùng vôùi H+ thaønh H2O2. H2O2 ñoäc ñoái vôùi teá baøo, chaúng haïn oxy hoaù nhoùm SH. Catalase vaø peroxidase phaân giaûi H2O2, do ñoù coù taùc duïng baûo veä teá baøo.

2 H2O2 ⎯⎯ →⎯catalase 2 H2O + O2

H2O2 + NADH2 ⎯⎯⎯ →⎯peroxidase 2H2O + NAD+

Flavoenzyme gaëp ôû nhieàu vi khuaån kî khí vaø hieáu khí vì vaäy haàu heát vi khuaån hieáu khí ñeàu chöùa catalase.

Phaûn öùng (3) ñöôïc xuùc taùc bôûi nhieàu oxidase; ion superoxide O2- laø goác raát hoaït

ñoäng. O2- vaø saûn phaåm phaûn öùng cuûa O2

- vôùi H2O2 (O2- + H2O2 + H+ → O2 + H2O +

OH-) laø goác hydroxyl ñeàu raát hoaït ñoäng, taïo thaønh trong teá baøo caùc hôïp chaát phaûn öùng maïnh. Superoxide-dismutase chuyeån hoaù goác O2

- neân coù chöùc naêng baûo veä teá baøo :

2O2- + 2H+ → H2O2 + O2

Do ñoù enzyme naøy cuøng vôùi catalase chuyeån goác superoxide thaønh oxy voâ haïi.

3. Söï oxy hoaù sinh hoïc, sinh naêng löôïng vaø coá ñònh CO2 ôû caùc vi sinh vaät töï döôõng

Nguoàn naêng löôïng ñaàu tieân cuûa vi sinh vaät dò döôõng vaø vi sinh vaät töï döôõng tuy raát khaùc nhau nhöng baûn chaát cuûa quaù trình oxy hoaù sinh hoïc cuûa chuùng laø gioáng nhau, ñeàu bao goàm 3 giai ñoaïn : maát H, chuyeån H vaø tieáp nhaän H, caùc phaûn öùng phosphoryl hoaù xaûy ra trong quaù trình oxy hoaù ñaõ giuùp taïo ra ATP, nguoàn naêng löôïng thoâng duïng caàn thieát cho hoaït ñoäng soáng.

Trong hoaït ñoäng soáng cuûa vi sinh vaät, phaûn öùng quan troïng nhaát laø ñem CO2 khöû thaønh chaát höõu cô giaûn ñôn ôû daïng [CH2O], sau ñoù tieáp tuïc sinh toång hôïp thaønh caùc thaønh phaàn phöùc taïp cuûa teá baøo. Ñoù laø moät quaù trình tieâu hao nhieàu naêng löôïng vaø tieâu hao [H] coù naêng löïc khöû.

68

3.1 Quaù trình oxy hoaù sinh hoïc, sinh naêng löôïng

3.1.1 Nhoùm töï döôõng hoaù naêng

Vi khuaån töï döôõng hoaù naêng ñeå khöû ñöôïc CO2 caàn ATP giaøu naêng löôïng vaø caàn [H] coù naêng löïc khöû thoâng qua quaù trình oxy hoaù caùc chaát voâ cô . Con ñöôõng sinh naêng löôïng chuû yeáu döïa vaøo caùc quaù trình oxy phosphoryl hoaù cuûa chuoãi hoâ haáp, do ñoù tuyeät ñaïi ña soá vi khuaån töï döôõng hoaù naêng laø vi khuaån hieáu khí. Ngoaøi con ñöôøng sinh naêng löôïng thoâng qua chuoãi hoâ haáp, moät soá ít vi khuaån löu huyønh luùc sinh tröôûng trong ñieàu kieän coù caùc hôïp chaát löu huyønh coøn coù theå phosphoryl moät phaàn cô chaát ñeå sinh naêng löôïng.

Caàn thaáy roõ vi sinh vaät töï döôõng hoaù naêng khoâng nhöõng caàn tieâu hao ATP luùc khöû

CO2 maø coøn caàn tieâu hao nhieàu ATP caû luùc saûn sinh [H] coù naêng löïc khöû.

Chæ coù döïa vaøo ATP sinh ra môùi coù theå thoâng qua phöông thöùc chuoãi hoâ haáp ñeå ñem H voâ cô (H+ + e) bieán thaønh [H] coù naêng löïc khöû ñeå duøng vaøo vieäc khöû CO2.

So saùnh vôùi vi sinh vaät dò döôõng, quaù trình trao ñoåi naêng löôïng cuûa vi khuaån töï döôõng hoaù naêng chuû yeáu coù 3 ñaëc ñieåm sau:

- Quaù trình oxy hoaù tröïc tieáp cô chaát coù lieân heä vôùi chuoãi hoâ haáp. Do dehydrogenase vaø oxy-reductase xuùc taùc, cô chaát voâ cô seõ maát hydro vaø maát e, sau ñoù tham gia vaøo chuoãi hoâ haáp. Ñieàu naøy khaùc haún vôùi quaù trình trao ñoåi chaát phöùc taïp theo caùc con ñöôøng EMP vaø TCA ñeå oxy hoaù glucose ôû caùc vi sinh vaät dò döôõng.

- Thaønh phaàn cuûa chuoãi hoâ haáp ñöôïc ña daïng hoaù hôn hydro vaø e coù theå töø nhieàu thaønh phaàn khaùc nhau tham gia vaøo chuoãi hoâ haáp.

- Hieäu suaát sinh naêng löôïng, töùc laø tæ leä P/O noùi chung thaáp hôn so vôùi caùc vi sinh vaät dò döôõng.

69

3.1.2 Nhoùm töï döôõng quang naêng

Caùc loaïi sinh vaät coù khaû naêng quang hôïp goàm caùc nhoùm sau ñaây:

Sinh vaät dinh döôõng quang naêng

A. Coù saûn sinh oxy

+ Thuoäc nhoùm coù nhaân thaät : Taûo, caây xanh

+ Thuoäc nhoùm nhaân nguyeân thuyû : Vi khuaån lam

B. Khoâng saûn sinh oxy : vi khuaån quang hôïp

Taát caû caùc vi khuaån quang hôïp ñeàu coù chöùa saéc toá quang hôïp. ÔÛ thöïc vaät saéc toá quang hôïp laø chlorophyll (chl). Saéc toá quang hôïp ôû vi khuaån ñöôïc goïi laø bacteriochlorophyll (bchl). Chlorophyll vaø bacteriochlorophyll coøn ñöôïc goïi laø chaát dieäp luïc vaø chaát khuaån luïc. Chaát dieäp luïc, chaát khuaån luïc vaø huyeát saéc toá coù caáu truùc töông töï nhö nhau, ñoù laø moät voøng porphyrin do 4 nhaân pyrol lieân keát vôùi nhau. Loõi cuûa chaát dieäp luïc vaø chaát khuaån luïc laø Mg coøn loõi cuûa chaát huyeát saéc laø Fe, chaát dieäp luïc a khaùc vôùi chaát khuaån luïc a, b, c, d, e ôû 7 goác R (töø R1 ñeán R7).

Ngoaøi caùc loaïi chlorophyll vi khuaån töï döôõng quang naêng coøn coù chöùa moät soá caùc saéc toá thuoäc carotenoid. Carotenoid ôû vi khuaån khoâng gioáng vôùi carotenoid ôû taûo hoaëc thöïc vaät.

70

71

ÔÛ vi khuaån töï döôõng quang naêng coù 2 loaïi phosphoryl hoaù quang hôïp : phosphoryl hoaù quang hôïp tuaàn hoaøn vaø phosphoryl hoaù quang hôïp khoâng tuaàn hoaøn.

Kieåu tuaàn hoaøn coù theå bieåu thò nhö sau :

Trong ñieàu kieän kî khí moät soá vi khuaån quang hôïp coù theå söû duïng naêng löôïng cuûa

aùnh saùng ñeå thöïc hieän phaûn öùng phosphoryl hoaù saûn sinh ra ATP.

72

Kieåu khoâng tuaàn hoaøn coù theå bieåu thò nhö sau :

Ñaây laø kieåu phaûn öùng phosphoryl hoaù quang hôïp gaëp ôû vi khuaån lam vaø cuõng

töông töï nhö ôû taûo vaø ôû caây xanh. ÔÛ ñaây chuoãi chuyeån vaän electron laø khoâng tuaàn hoaøn vì vaäy coøn goïi laø doøng chaûy electron khoâng tuaàn hoaøn. Quang hôïp xaûy ra trong ñieàu kieän coù oxy vaø coù 2 heä thoáng quang hôïp. Heä thoáng quang hôïp I coù chöùa chl a (chaát dieäp luïc a) vaø coù theå söû duïng ñöôïc tia saùng ñoû (böôùc soùng daøi). Heä thoáng quang hôïp II coù chöùa chl b vaø coù theå söû duïng ñöôïc tia saùng lam (böôùc soùng ngaén). Quaù trình quang hôïp naøy coù saûn sinh oxy vaø xaûy ra ñoàng thôøi vieäc sinh ATP (ôû heä thoáng quang hôïp II) vaø vieäc sinh [H] coù naêng löïc khöû. [H] coù naêng löïc khöû (trong NADPH2) laø H+ vaø e-, ñöôïc sinh ra sau söï quang phaân ly nöôùc.

Sau quang phaân ly nöôùc saûn sinh ½ O2 + 2H+ + 2e-, electron seõ lieân tieáp ñi qua chuoãi chuyeån electron (I vaø II), sau cuøng ñem electron ñeán cho NADP+ ñeå saûn sinh ra NADPH + H+. Ñeå taïo ra naêng löïc khöû CO2, trong quaù trình chuyeån electron coøn phaùt sinh 2 phaûn öùng phosphoryl hoaù ñeå sinh ra ATP. ÔÛ heä thoáng I coù sinh ra NADPH2 vaø ATP, coøn ôû heä thoáng II coù sinh ra oxy vaø ATP.

3.2. Quaù trình coá ñònh CO2

Naêng löôïng thu ñöôïc töø caùc quaù trình oxy hoaù sinh hoïc chuû yeáu ñöôïc caùc vi sinh vaät töï döôõng duøng ñeå coá ñònh CO2. Hieän nay ngöôøi ta ñaõ bieát ñeán 3 con ñöôøng coá ñònh CO2 khaùc nhau ôû vi sinh vaät : chu trình Calvin, con ñöôøng acetyl-CoA kî khí vaø chu trình TCA khöû.

3.2.1 Chu trình Calvin (hay coøn goïi laø chu trình Calvin - Bussham, chu trình Ribulose diphosphate, hoaëc chu trình pentose khöû)

73

Ñaây laø con ñöôøng chuû yeáu ñeå coá ñònh CO2 ôû vi khuaån töï döôõng hoaù naêng vaø töï döôõng quang naêng. Coù 2 loaïi enzyme ñaëc tröng cho quaù trình naøy, ñoù laø phospho-ribulokinase vaø ribulose carboxylase.

3.2.2 Con ñöôøng acetyl - CoA kî khí (hay coøn goïi laø con ñöôøng acid acetic hoaït tính)

Con ñöôøng naøy môùi ñöôïc phaùt hieän gaàn ñaây ôû caùc vi khuaån metan, khöû sulphate...

Theo con ñöôøng naøy, 1 phaân töû CO2 bò [H] coù naêng löïc khöû thaønh CH3-X, 1 phaân töû CO2 khaùc bò CO-dehydrogenase khöû thaønh CO. Qua quaù trình carboxyl hoùa CH3X seõ sinh ra acetyl-X, sau ñoù thaønh acetyl-CoA. Döôùi xuùc taùc cuûa pyruvate synthetase, acetyl-CoA seõ tieáp thu 3 phaân töû CO2 ñeå carboxyl hoùa thaønh acid pyruvic thoâng qua caùc con ñöôøng trao ñoåi chaát quen thuoäc ñeå toång hôïp ra caùc chaát höõu cô caàn thieát cho teá baøo.

3.2.3 Chu trình TCA khöû

Con ñöôøng naøy gaëp ôû moät soá vi khuaån quang hôïp, chaúng haïn nhö vi khuaån Chlorobium thiosulfatophilum. ÔÛ ñaây CO2 seõ thoâng qua succcinyl-CoA maø carboxyl hoùa khöû ñeå ñöôïc coá ñònh laïi.

Khi so saùnh 3 con ñöôøng coá ñònh CO2 noùi treân ngöôøi ta nhaän thaáy con ñöôøng coá ñònh CO2 kî khí laø coù hieäu quaû kinh teá cao hôn so vôùi con ñöôøng coá ñònh CO2 hieám khí. Chaúng haïn, 3mol CO2 qua con ñöôøng acetyl-CoA kî khí ñeå toång hôïp ra ñöôïc moät phaân töû glyceraldehyde-3-phosphate chæ caàn tieâu hao coù 3 mol ATP, trong khi thoâng qua con ñöôøng TCA khöû caàn tieâu hao tôùi 5 mol ATP, coøn neáu thoâng qua chu trình Calvin thì caàn tieâu hao tôùi 9 mol ATP.

4. Caùc quaù trình leân men Ngöôøi ta goïi quaù trình phaân giaûi hydrate carbon trong ñieàu kieän kî khí laø quaù

trình leân men. Leân men laø quaù trình oxy hoùa khöû cô chaát maø keát quaû laø moät phaàn cô chaát bò khöû coøn moät phaàn khaùc thì laïi bò oxy hoùa. Oxy phaân töû khoâng tham gia vaøo quaù trình oxy hoùa naøy maø ôû ñaây sôû dó coù söï oxy hoùa laø do coù vieäc taùch hydro ra khoûi cô chaát.

Naêng löôïng sinh ra trong quaù trình leân men seõ ñöôïc chi phí moät phaàn cho caùc phaûn öùng khöû, ngoaøi ra coøn ñöôïc tích luõy laïi moät phaàn trong caùc lieân keát cao naêng.

Trong quaù trình leân men, NADH sinh ra khi ñöôøng phaân (chu trình EMP) seõ khoâng ñöôïc chuyeån ñeán oxy phaân töû thoâng qua chuoãi chuyeån ñieän töû. Vieäc taùi taïo NAD+ ñöôïc thöïc hieän nhôø taùc duïng vôùi acid pyruvic hoaëc caùc hôïp chaát sinh ra töø acid pyruvic.

Trong teá baøo cuûa caùc vi sinh vaät kî khí baét buoäc, ngöôøi ta khoâng thaáy coù söï coù maët cuûa nhieàu loaïi men hoâ haáp (cytochrome a, b, c, peroxidase…).

Khaùc vôùi hoâ haáp hieáu khí, saûn phaåm cuoái cuøng cuûa quaù trình leân men ngoaøi CO2 coøn coù caû nhöõng hôïp chaát carbon chöa ñöôïc oxy hoùa hoaøn toaøn nhö ruôïu, acid höõu cô,

74

keton, aldehyde. Vieäc chuyeån hoùa töø giai ñoaïn acid pyruvic trôû ñi ôû caùc vi sinh vaät khaùc nhau laø khoâng gioáng nhau, tuøy thuoäc vaøo töøng loaïi leân men vaø caùc saûn phaåm tích luõy. Ngöôøi ta thöôøng duøng teân cuûa saûn phaåm ñieån hình ñöôïc tích luõy trong töøng loaïi leân men ñeå goïi quaù trình leân men aáy. Vôùi moät soá quaù trình leân men khoâng thoâng thöôøng ngöôøi ta laïi laáy cô chaát chuû yeáu ñeå goïi teân quaù trình leân men.

4.1 Quaù trình leân men ethylic

Röôïu ethylic laø loaïi saûn phaåm leân men ñöôøng khaù phoå bieán cuûa nhieàu nhoùm vi sinh vaät. Song taùc nhaân leân men röôïu chuû yeáu laø caùc naám men, ñaëc bieät laø loaøi Saccharomyces cerevisiae.

4.1.1 Leân men ethylic nhôø naám men

Quaù trình leân men ethylic nhôø naám men laø cô sôû cuûa vieäc cheá taïo caùc loaïi röôïu, bia coàn vaø glycerin. Trong quaù trình naøy ñöôøng seõ ñöôïc chuyeån hoùa thaønh acid pyruvic theo chu trình EMP. ÔÛ giai ñoaïn chuyeån hoùa töø glyceraldehyde-3-phosphate ñeán acid 1,3-diphosphoglyceric seõ coù 3 hydro ñöôïc taùch ra ñeå gaén vôùi NAD+ taïo thaønh NADH2. Hydro naøy veà sau seõ ñöôïc söû duïng ñeå khöû acetaldehyde taïo thaønh röôïu ethylic.

Trong coâng nghieäp coàn, bia, röôïu, caùc loaïi nöôùc uoáng coù röôïu ngöôøi ta thöôøng söû duïng caùc loaøi naám men sau :

- Saccharomyces cerevisiae.

- S. uvarum (= S. carlsbergensis)

- Schizosaccharomyces pombe.

- Kluyveromyces

Theo quan ñieåm hieän nay thì S. uvarum, S. carlsbergensis chæ laø nhöõng ñoàng danh cuûa Saccharomyces cerevisiae chöù khoâng phaûi laø caùc loaøi khaùc nhau.

Tuøy theo nguyeân lieäu vaø quy trình leân men, quy trình tinh cheá maø ngöôøi ta coù theå laøm ra raát nhieàu loaïi ñoà uoáng khaùc nhau coù chöùa ethylic.

4.1.2 Hieäu öùng Pasteur

Hieäu öùng Pasteur laø söï öùc cheá quaù trình leân men röôïu khi coù maët oxy. Söï chuyeån töø leân men sang hoâ haáp naøy ngoaøi vieäc laøm giaûm hieäu suaát taïo thaønh röôïu vaø CO2 coøn laøm giaûm caû söï tieâu thuï ñöôøng.

Giöõ vai troø quyeát ñònh trong hieäu öùng Pasteur laø traïng thaùi tích luõy naêng löôïng cuûa teá baøo (eneray chare, vieát taét laø E.C). Traïng thaùi naøy ñöôïc xaùc ñònh bôûi tyû leä giöõa aldehyde giaøu naêng löôïng vaø caùc aldehyde ngheøo naêng löôïng. Ngöôøi ta thöôøng bieåu dieãn traïng thaùi naêng löôïng cuûa teá baøo baèng phöông trình sau:

AMPADPATP

ADPATPCE++

+=

5,0.

75

Ñeå ñieàu chænh traïng thaùi naêng löôïng naøy, caùc enzyme dò laäp theå giöõ vai troø heát söùc quan troïng. Döôùi ñieàu kieän hieáu khí, leân men röôïu chæ cung caáp raát ít ATP treân moät phaân töû glucose tieâu thuï. Ñeå duy trì söï cung caáp naêng löôïng cho teá baøo, phaûi duøng moät löôïng glucose cao. Tæ leä ATP/AMP laø quaù nhoû. Khi coù maët oxy, moät söï taïo thaønh ATP maïnh meõ ñaõ xaûy ra nhôø söï phosphoryl hoùa chuoãi hoâ haáp, traïng thaùi naêng löôïng E.C cuûa teá baøo nhôø ñoù taêng leân.

Enzyme dò laäp theå coù tính chaát chìa khoùa ñoái vôùi söï söû duïng glucose laø phosphofructokinase, enzyme ñaëc hieäu khoâng thuaän nghòch ñaàu tieân cuûa con ñöôøng EMP. Noù xuùc taùc cho söï phosphoryl hoùa fructose-6-phosphate thaønh fructose-1,6-diphosphate nhôø ATP. Enzyme naøy bò kìm haõm dò laäp theå bôûi ATP. Söï kìm haõm naøy daãn ñeán söï taêng noàng ñoä glucose-6-phosphate trong teá baøo vì phaûn öùng tröôùc ñoù ñöôïc xuùc taùc bôûi moät enzyme thuaän nghòch, glucose-6-phosphate laïi gaây neân moät söï kìm haõm dò laäp theå ñoái vôùi hexokinase vaø caû ñoái vôùi söï haáp thuï glucose vaø do ñoù laøm giaûm tieâu thuï loaïi ñöôøng naøy.

Khi ATP kìm haõm dò laäp theå enzyme phosphofructokinase, AMP seõ trôû neân hoaït ñoäng. Moät traïng thaùi naêng löôïng thaáp gioáng nhö trong leân men seõ kích thích söï haáp thu vaø phaân giaûi glucose.

Hoaït ñoäng phosphofructokinase cuõng bò citrate öùc cheá. Nhôø chaát hieäu öùng aâm thöù hai naøy, taùc duïng kìm haõm cuûa ATP ñöôïc taêng cöôøng, ngöôïc laïi caùc ion amonium laïi gaây ra taùc duïng kích thích ñoái vôùi hoaït ñoäng cuûa phosphofructokinase.

4.1.3. Söï taïo thaønh glycerin trong leân men röôïu

Cuõng coù theå söû duïng quaù trình leân men ethylic ñeå saûn xuaát glycerin. Ngay töø giöõa theá kyû 19, L. Pasteur ñaõ phaùt hieän thaáy khi leân men röôïu thöôøng laøm sinh ra moät löôïng nhoû glycerin. Veà sau ngöôøi ta ñaõ phaùt hieän thaáy trong ñieàu kieän moâi tröôøng kieàm (pH khoaûng 8,0) löôïng glycerin seõ taêng leân raát nhieàu vaø trôû thaønh moät trong nhöõng saûn phaåm chuû yeáu. Phöông trình chung nhö sau :

2C6H12O6 + H2O = CH3COOH + CH3CH2OH + 2CH2OHCHOHCH2OH + 2CO2

a.acetic etanol glycerin

Löôïng glycerin sinh ra nhieàu hôn neáu quaù trình leân men xaûy ra vôùi söï coù maët cuûa Na2SO3. Trong tröôøng hôïp naøy acetaldehyde seõ lieân keát vôùi sulfide vaø do ñoù seõ khoâng bò khöû ñeå taïo thaønh ethanol. Saûn phaåm leân men chæ laø glycerin, CO2 vaø acetalsulfonate natri (CH3CHOHSO3Na)

4.1.4 Leân men ethylic nhôø vi khuaån

Trong caùc vi khuaån leân men röôïu, chæ coù Sarcira ventriculi ngöôøi ta môùi tìm thaáy con ñöôøng taïo thaønh ethanol theo kieåu cuûa naám men (EMP, pyruvate-decarboxylase). ÔÛ Zygomonas mobilis, glucose ñöôïc phaân giaûi theo con ñöôøng KDPG. Pyruvate ñöôïc taïo thaønh sau ñoù seõ ñöôïc enzyme pyruvate-decarboxylase phaân giaûi thaønh acetaldehyde vaø CO2. Beân caïnh moät löôïng nhoû acid lactic, coøn laïi ethanol vaø CO2 laø nhöõng saûn phaåm duy nhaát.

76

4.1.5. Coâng ngheä saûn xuaát ethanol töø caùc nguoàn cô chaát khaùc nhau

Ethanol khoâng chæ ñöôïc söû duïng roäng raõi trong coâng nghieäp thöïc phaåm, coâng nghieäp hoùa hoïc, trong y döôïc hoïc … maø trong töông lai seõ laø nguoàn nhieân lieäu quan troïng cho nhaân loaïi.

Ethanol coù theå ñöôïc saûn xuaát töø caùc nguyeân lieäu chöùa döôøng (mía, cuû caûi ñöôøng, ræ ñöôøng…), töø caùc nguyeân lieäu chöùa tinh boät (ñöôøng hoùa baèng enzyme hay thuûy phaân baèng acid), töø caùc nguyeân lieäu chöùa cellulose (thuûy phaân baèng enzyme hay baèng acid)

Töø 1 ha troàng mía ngaøy nay ngöôøi ta coù theå thu ñöôïc 63t mía (chöùa khoaûng 8,32 taán ñöôøng). Neáu duøng toaøn boä nöôùc eùp mía ñeå saûn xuaát ethanol coù theå thu ñöôïc 4460 kg ethanol (tính theo noàng ñoä 100%). Neáu duøng ñeå keát tinh ñöôøng (khoaûng 7 taán) roài duøng ræ ñöôøng ñeå saûn xuaát ethanol seõ thu ñöôïc 675 kg ethanol (tính theo noàng ñoä 100%).

Khi leân men ethylic theo phöông phaùp giaùn ñoaïn chæ thu ñöôïc 2g ethanol/l nhöng trong caùc kyõ thuaät leân men caûi tieán theo höôùng hieän ñaïi hoùa hieäu suaát coù theå naâng cao leân raát nhieàu. Chaúng haïn, theo phöông phaùp lieân tuïc, hieäu suaát laø 5g ethanol/l; phöông phaùp lieân tuïc, coù quay voøng thì hieäu suaát ñaït 40g ethanol/l.

4.2. Quaù trình leân men lactic

Leân men lactic laø quaù trình chuyeån hoùa kî khí ñöôøng vôùi söï tích luõy acid lactic trong moâi tröôøng. Hieän töôïng naøy ñaõ ñöôïc öùng duïng roäng raõi ñeå cheá bieán caùc loaïi thöùc aên chua (muoái döa, muoái caø…), uû chua thöùc aên cho gia suùc hoaëc ñeå saûn xuaát acid lactic vaø caùc loaïi lactate.

Acid lactic laø nguyeân lieäu raát caàn thieát trong coâng nghieäp thuoäc da, coâng nghieäp deät, coâng nghieäp toång hôïp chaát deûo…

Coâng nghieäp leân men ñeå saûn xuaát acid lactic coù theå noùi ñaõ ñöôïc hình thaønh töø naêm 1881.

Caùc vi khuaån lactic ñöôïc xeáp chung vaøo hoï Lactobacteriaceae. Taát caû caùc vi khuaån naøy ñeàu laø caùc vi khuaån Gram döông, khoâng taïo thaønh baøo töû vaø haàu heát khoâng di ñoäng. Thu nhaän naêng löôïng nhôø phaân giaûi hydrate carbon vaø tieát ra acid lactic.

Moät ñaëc ñieåm quan troïng cuûa caùc vi khuaån lactic laø coù nhu caàu veà chaát sinh tröôûng phöùc taïp. Khoâng moät ñaïi dieän naøo thuoäc nhoùm naøy coù theå phaùt trieån treân moâi tröôøng muoái khoaùng thuaàn khieát chöùa glucose vaø NH4

+. Ña soá chuùng caàn haøng loaït vitamin vaø caùc acid amin. Vì theá ngöôøi ta thöôøng nuoâi caáy chuùng treân caùc moâi tröôøng phöùc taïp chöùa moät soá löôïng töông ñoái lôùn cao naám men, dòch caø chua hoaëc thaäm chí maùu. Ñieàu ñaùng ngaïc nhieân laø moät soá vi khuaån lactic khi sinh tröôûng treân caùc moâi tröôøng chöùa maùu coù theå taïo thaønh cytochrome vaø thaäm chí tieán haønh caû quaù trình phosphoryl hoùa chuoãi hoâ haáp.

Coù hai kieåu leân men lactic :

+ Leân men lactic ñoàng hình : saûn phaåm cuoái cuøng chæ laø acid lactic

77

+ Leân men lactic dò hình : caùc saûn phaåm cuoái cuøng khaù ña daïng, ñoù laø acid lactic, ethanol, acid acetic vaø CO2

Caùc vi khuaån lactic ñoàng hình phaân giaûi glucose theo con ñöôøng EMP, chuùng chöùa caùc enzyme caàn thieát cho söï phaân giaûi naøy. Hydro xuaát hieän trong phaûn öùng loaïi hydro cuûa triphosphate seõ ñöôïc chuyeån cho pyruvate.

Tuøy thuoäc vaøo tính chuyeån hoùa khoâng gian cuûa enzyme xuùc taùc cho phaûn öùng naøy, lactatdehydrogenase, vaø tuøy thuoäc vaøo söï toàn taïi cuûa moät enzyme lactat-raxemase maø coù theå xuaát hieän caùc acid daïng D (-), L (+) hay DL. Chæ coù moät phaàn nhoû pyruvate ñöôïc decarboxyl hoùa vaø chuyeån hoùa thaønh acid acetic, ethanol vaø CO2 cuõng nhö thaønh aceton. Möùc ñoä taïo thaønh caùc saûn phaåm phuï naøy roõ raøng laø phuï thuoäc vaøo söï coù maët cuûa oxy.

Caùc vi khuaån lactic dò hình thieáu caùc enzyme chuû yeáu cuûa con ñöôøng EMP, ñoù laø aldolase vaø trixophosphatizomerase. Vì theá giai ñoaïn ñaàu cuûa söï phaân giaûi glucose xaûy ra theo con ñöôøng PP töùc laø qua glucose-6-phosphate, 6-phosphogluconate vaø ribulose-6-phosphate. Chaát naøy nhôø moät enzyme epimerase ñöôïc chuyeån thaønh xilulose-5-phosphate vaø sau ñoù trong moät phaûn öùng phuï thuoäc tiaminpirophosphate ñöôïc enzyme pentosophosphoketolase phaân giaûi thaønh glyceraldehydphosphate vaø acetylphosphate. Söï oxy hoùa trioase thaønh acid lactic xaûy ra gioáng nhö trong söï leân men ñoàng hình, coøn acetyl phosphate coù theå ñöôïc chuyeån hoùa thaønh ethanol hoaëc acid acetic.

Vi khuaån lactic ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong coâng nghieäp cheá bieán söõa, coâng nghieäp saûn xuaát acid lactic, trong vieäc cheá bieán rau quaû vaø thöùc aên gia suùc.

Söõa chua laø loaïi saûn phaåm leân men cuûa söõa töôi. Söõa chua coù giaù trò dinh döôõng cao vaø coù höông vò thôm ngon neân ñöôïc nhieàu ngöôøi öa thích. Coù theå saûn xuaát söõa chua baèng phöông phaùp leân men töï nhieân hoaëc phöông phaùp caáy gioáng thuaàn khieát.

Phomat (Fromage) cuõng laø moät loaïi saûn phaåm coù giaù trò cheá taïo töø söõa. Ñeå laøm phomat, ngöôøi ta phaûi söû duïng enzyme ñoâng keát söõa laáy töø daï daøy traâu boø ñeå taùch casein cuûa söõa ra, sau ñoù tieáp tuïc tieán haønh cho leân men vôùi moät noàng ñoä muoái loaõng. Tuøy loaïi phomat maø quaù trình laøm chín coù theå do nhöõng taäp ñoaøn vi sinh vaät khaùc nhau tham gia. Coù loaïi phomat ñöôïc leân men nhôø vi khuaån lactic cuøng vôùi vi khuaån propionic. Coù loaïi phomat ñöôïc leân men nhôø vi khuaån lactic, vi khuaån sinh saéc toá ñoû vaø naám moác….

Muoái döa, muoái caø cuõng laø nhöõng hình thöùc leân men töï nhieân raát quen thuoäc ñoái vôùi nhaân daân ta. Rau caûi tröôùc khi muoái döa thöôøng ñöôïc phôi choã raâm cho maát bôùt nöôùc, sau ñoù môùi ñem muoái. Ñeå taïo ñieàu kieän kî khí, ngöôøi ta thöôøng neùn döa baèng moät hoøn ñaù vaø moät caùi væ tre. AÙp suaát thaåm thaáu cao do muoái sinh ra seõ laøm ruùt chaát dòch teá baøo trong döa ra. Vi khuaån lactic vaø vi khuaån gaây thoái luùc ñaàu coù theå cuøng phaùt trieån. Sau moät thôøi gian löôïng acid lactic ñöôïc tích luõy seõ laøm öùc cheá söï phaùt trieån cuûa nhoùm vi khuaån gaây thoái. Döa chua daàn leân vaø ñeán moät ñoä chua nhaát ñònh thì seõ laøm öùc cheá ngay caû hoaït ñoäng cuûa nhoùm vi khuaån lactic. Khi ñoù, treân beà maët dung dòch coù theå

78

thaáy xuaát hieän nhöõng lôùp vaùng traéng. Ñoù laø moät loaïi naám men coù khaû naêng phaùt trieån ngay trong ñieàu kieän pH raát thaáp. Nhöõng loaïi naám men naøy coù khaû naêng oxy hoùa acid lactic thaønh CO2 vaø nöôùc, do ñoù laøm cho döa giaûm daàn ñoä chua. Khi ñoä chua giaûm ñeán moät möùc ñoä nhaát ñònh roài thì vi khuaån gaây thoái laïi baét ñaàu phaùt trieån vaø daãn ñeán vieäc laøm khuù döa.

Quaù trình leân men lactic coøn ñöôïc öùng duïng ñeå uû chua thöùc aên duøng trong chaên nuoâi gia suùc. Nhôø uû chua maø thöùc aên coù theå giöõ ñöôïc khaù laâu ôû traïng thaùi töôi maø vaãn khoâng bò hao huït veà maët chaát löôïng dinh döôõng. Rieâng veà maët vitamin thì thöùc aên sau khi uû chua laïi giaøu vitamin hôn so vôùi tröôùc khi uû chua.

4.3. Leân men propionic

Acid propionic laø saûn phaåm leân men cuûa moät chi vi khuaån coù teân goïi laø Propionibacterium. Quaù trình leân men propinic coù vai troø quan troïng trong quaù trình cheá taïo phomat.

Propionibacterium laø loaïi vi khuaån kî khí khoâng baét buoäc, Gram döông, khoâng di ñoäng, khoâng sinh baøo töû. Khi nuoâi caáy trong moâi tröôøng trung tính ôû ñieàu kieän kî khí chuùng coù hình caàu, xeáp thaønh töøng ñoâi hay coù khi töøng chuoãi. Khi nuoâi caáy thoaùng khí chuùng coù hình que hay hình phaân nhaùnh. Trong teá baøo coù chöùa caùc hemin (heä thoáng cytochrome, catalase)

Caùc vi khuaån propionic coù nhieàu trong daï daøy coû vaø ñöôøng ruoät cuûa caùc ñoäng vaät nhai laïi, ôû ñoù chuùng tham gia vaøo söï taïo thaønh acid beùo. Khoâng theå phaân laäp vi khuaån propionic tröïc tieáp töø söõa, ñaát hay nöôùc, maø ñeå phaân laäp caùc vi khuaån naøy ngöôøi ta phaûi laøm phong phuù chuùng treân dòch lactate, treân ñoù ñaõ ñöôïc caáy moät chuùt phomat.

Vi khuaån propionic thu nhaän naêng löôïng nhôø leân men. Chuùng coù theå duøng caùc cô chaát nhö glucose, saccharose … laøm cô chaát sinh tröôûng vaø leân men. Caùc döôøng hexose ñöôïc chuùng phaân giaûi theo con ñöôøng EMP.

Söï taïo thaønh acid propionic töø acid lactic dieãn ra theo phöông trình toång quaùt sau :

3CH3-CHOH-COOH → 2CH3-CH2-COOH + CH3-COOH + CO2 + H2O

Söï khöû acid lactic hoaëc pyruvate thaønh acid propionic xaûy ra theo moät con ñöôøng khoâng thoâng thöôøng. Vôùi söï tham gia cuûa moät phöùc heä biotin-CO2 tröôùc heát pyruvate ñöôïc khöû CO2 thaønh oxaloacetate, sau ñoù qua malate vaø fumarate maø bò khöû thaønh succinate. Succinate ñöôïc chuyeån thaønh succinyl-CoA theo con ñöôøng thoâng thöôøng vôùi söï tham gia cuûa ATP vaø CoA vaø sau ñoù nhôø men methylmalonyl mutase vôùi söï tham gia cuûa coenzyme B12 maø taïo thaønh methylmalonyl-CoA. Chaát naøy sau ñoù môùi bò khöû CO2 vaø propionyl CoA ñöôïc phaân giaûi thaønh propionate vaø CoA. Nhôø men CoA-transferase, CoA laïi ñöôïc chuyeån cho succinate. Söï phaân giaûi CO2 xaûy ra treân transcarboxylase chöùa biotin, enzyme naøy sau ñoù laïi tham gia vaøo phaûn öùng carboxyl hoaù pyruvate.

79

4.4. Leân men formic

Moät soá loaøi vi khuaån, nhaát laø caùc vi khuaån thuoäc hoï tröïc khuaån ñöôøng ruoät (Enterobacteriaceae) coù khaû naêng leân men ñöôøng taïo thaønh acid formic (HCOOH) vaø moät soá saûn phaåm khaùc. Quaù trình leân men naøy goïi laø quaù trình leân men formic.

Acid formic sau khi sinh ra seõ tích luyõ laïi trong moâi tröôøng hoaëc ñöôïc chuyeån hoaù thaønh H2 vaø CO2 (neáu moâi tröôøng coù phaûn öùng acid) döôùi taùc duïng cuûa men formiate hydrogenliase :

formiate hydrogenliase

HCOOH H2 + CO2

Saûn phaåm cuûa quaù trình leân men formic bao goàm nhieàu loaïi : acid formic, acid acetic, acid lactic, CO2, H2 … Caùc saûn phaåm leân men naøy khaùc nhau tuyø thuoäc vaøo töøng loaïi vi khuaån ñöôøng ruoät.

4.5. Leân men butyric vaø leân men aceton-butanol

Acid butyric, butanol, aceton, isopropanol vaø moät soá loaïi röôïu, acid höõu cô khaùc laø saûn phaåm cuûa quaù trình leân men hydrate carbon thöïc hieän bôûi moät nhoùm vi khuaån kî khí sinh baøo töû thuoäc chi Clostridium. Quaù trình leân men taïo thaønh acid butyric vaø moät soá saûn phaåm khaùc ñöôïc goïi laø quaù trình leân men butyric.

Phöông trình chung cuûa quaù trình leân men naøy laø :

12C3H12O6 → CH3CH2CH2CH2OH + CH3COCH3 + CH3CH2OH +

butanol aceton etanol

CH3CH2CH2COOH + 18H2 + 28CO2 + 2H2O + Q

acid butyric

Quaù trình leân men butyric vaø leân men aceton-butyric töø laâu ñaõ ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong coâng nghieäp. Acid butyric ñöôïc söû duïng trong coâng nghieäp saûn xuaát baùnh keïo, nöôùc giaûi khaùt… Aceton laø moät dung moâi quan troïng ñöôïc söû duïng nhieàu trong caùc ngaønh saûn xuaát thuoác noå, chaát deûo, tinh luyeän daàu hoaû… Aceton coøn ñöôïc duøng nhieàu trong phaân tích hoaù hoïc vaø trong nghieân cöùu khoa hoïc. Butanol cuõng laø moät dung moâi raát phoå bieán ñeå hoaø tan chaát sôn, chaát beùo…

4.6. Leân men methan

Vi khuaån sinh methan cuõng laø nhöõng loaïi vi khuaån kî khí baét buoäc. Chuùng chuyeån hoaù röôïu vaø acid höõu cô thaønh CH4, CO2 vaø coù theå coøn sinh ra moät soá acid höõu cô ñöôïc oxy hoaù trieät ñeå.

Methan ñöôïc sinh ra do quaù trình khöû CO2 döôùi taùc duïng cuûa chuûng Methanobacterium M.O.H.

Quaù trình leân men naøy raát ñôn giaûn, chaát cho hydro ôû ñaây laø hydro phaân töû :

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

80

Moät loaøi vi khuaån khaùc laø Methanosarcina coù khaû naêng chuyeån hoaù CO thaønh CH4. Saûn phaåm trung gian cuûa quaù trình chuyeån hoaù naøy laø CO2 vaø H2 :

4CO + 4H2O → 4CO2 + 4H2

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2

Vi khuaån sinh methan ñöôïc chöùng minh laø loaïi vi sinh vaät coù khaû naêng sinh toång hôïp maïnh meõ vitamin B12.

4.7. Leân men acetate

Moät soá Clostridium coù khaû naêng chuyeån hydro cuûa cô chaát khoâng nhöõng ñeán caùc chaát nhaän hydro höõu cô maø ñeán caû CO2 vaø laøm taïo thaønh acid acetic. Quaù trình leân men kî khí naøy ñöôïc goïi laø quaù trình leân men acetate.

Cô cheá giaû thuyeát cuûa quaù trình chuyeån hoaù CO2 thaønh acid acetic ôû vi khuaån C. thermoacetium nhö sau :

ATHF.ATP

CO2 CH3-ATHF → [Co]-CH3 → [Co]-CH2-COOH

CH3-COOH

Trong sô ñoà noùi treân ta thaáy roõ raøng quaù trình leân men acetate naøy coù lieân quan ñeán söï tham gia cuûa acid tetrahydrofolic (ATHF) vaø söï tham gia cuûa vitamin B12 ([Co]). CO2 ñöôïc taùch ra töø quaù trình phaân giaûi piruvate ñöôïc coá ñònh laïi vaø trôû thaønh chaát nhaän hydro.

Vi khuaån öa aåm C. aceti coù khaû naêng toång hôïp acetate töû CO2 vaø H2 :

4H2 + 2CO2 → CH3COOH + 2H2O

4.8. Leân men cellulose

Cellulose laø moät trong nhöõng thaønh phaàn chuû yeáu cuûa toå chöùc thöïc vaät.

Cellulose laø hôïp chaát raát beàn vöõng, ñoù laø loaïi polysaccharide cao phaân töû. Khoái löôïng phaân töû cellulose thay ñoåi khaùc nhau tuyø thuoäc vaøo töøng loaïi thöïc vaät vaø tuyø phöông phaùp xaùc ñònh.

Trong töï nhieân coù nhieàu loaïi vi sinh vaät coù khaû naêng sinh ra caùc men laøm xuùc taùc quaù trình phaân giaûi cellulose. Nhöõng vi sinh vaät naøy ñöôïc goïi laø vi sinh vaät phaân giaûi cellulose. Chuùng coù nghóa raát lôùn ñoái vôùi vieäc thöïc hieän voøng tuaàn hoaøn carbon trong töï nhieân, goùp phaàn raát quan troïng vaøo vieäc naâng cao ñoä phì nhieâu cuûa ñaát cuõng nhö vaøo vieäc tieâu hoaù thöùc aên ôû caùc loaøi ñoäng vaät nhai laïi.

Trong ñieàu kieän töï thoaùng khí cellulose coù theå bò phaân giaûi döôùi taùc duïng cuûa nhieàu nhoùm vi sinh vaät hieáu khí. Ngoaøi ra, coøn coù moät soá vi khuaån kî khí coù khaû naêng tham gia tích cöïc vaøo quaù trình phaân giaûi cellulose. Ngöôøi ta goïi quaù trình phaân giaûi cellulose kî khí laø quaù trình leân men cellulose.

81

5. Caùc quaù trình oxy hoaù khoâng hoaøn toaøn Phaàn lôùn caùc vi sinh vaät hieáu khí tieán haønh oxy hoaù chaát dinh döôõng höõu cô

thaønh CO2 vaø H2O. Vì C trong CO2 ñaït tôùi möùc oxy hoaù cao neân ngöôøi ta thöôøng goïi quaù trình naøy laø quaù trình oxy hoaù hoaøn toaøn. Moät soá vi sinh vaät coù khaû naêng oxy hoaù cô chaát trong ñieàu kieän hieáu khí nhöng laïi laøm sinh ra nhöõng saûn phaåm chöa ñöôïc oxy hoaøn toaøn. Vì coù tích luyõ caùc saûn phaåm gioáng caùc quaù trình leân men kî khí cho neân ngöôøi ta goïi caùc quaù trình oxy hoaù khoâng hoaøn toaøn laø caùc quaù trình “leân men”.

5.1 Quaù trình oxy hoaù ethanol thaønh acid acetic

Töø xöa ngöôøi ta ñaõ bieát cheá taïo giaám vaø chæ khoaûng 2 theá kyû gaàn ñaây ngöôøi ta môùi bieát saûn xuaát ra acid acetic ôû daïng ñaäm ñaëc. Acid acetic coù khoaûng 3% trong giaám. Nguôøi ta ñeå chua röôïu vang ñeå taïo thaønh giaám, giaám ñöôïc taïo thaønh töø moät dung dòch röôïu vang ñeå tónh. Sö bieán ñoåi naøy laø moät quaù trình leân men neân goïi laø leân men acetic. Thöïc chaát ñaây laø moät quaù trình oxy hoaù ñöôïc thöïc hieän bôûi moät nhoùm vi khuaån goïi laø vi khuaån acetic (thuoäc chi Acetobacter).

Quaù trình oxy hoaù naøy coù theå bieåu thò nhö sau :

C2H5OH + O2 → CH3 COOH + H2O

(Δ G0 = -45 kJ/mol)

Haøng naêm nhaân loaïi tieâu thuï moät löôïng giaám töông ñöông vôùi 160.000 taán acid acetic tinh khieát. Moät khoái löôïng lôùn acid acetic ñaäm ñaëc ñöôïc saûn xuaát ôû quy moâ coâng nghieäp ñeå söû duïng trong caùc ngaønh coâng nghieäp nhö saûn xuaát caùc loaïi ester, acetyl, toång hôïp aspirin vaø nhieàu döôïc phaåm khaùc…

Coù 3 phöông phaùp ñeå saûn xuaát giaám (hay dung dòch acid acetic noàng ñoä thaáp)

+ Phöông phaùp chaäm: coøn goïi laø phöông phaùp chum hôû, phöông phaùp Orleans hay phöông phaùp Phaùp. Quaù trình naøy ñöôïc thöïc hieän ôû Phaùp baèng caùch “leân men” röôïu vang trong caùc thuøng goã töø naêm 1670. Hieän nay ôû Vieät nam ngöôøi ta vaãn saûn xuaát giaám baèng phöông phaùp naøy trong caùc chum saønh.

+ Phöông phaùp nhanh: coøn goïi laø phöông phaùp chaûy nhoû gioït hay phöông phaùp Ñöùc. Phöông phaùp naøy ñöôïc Schutzenbachi phaùt hieän ra vaøo naêm 1823. Ngöôøi ta taïo ra beà maët tieáp xuùc lôùn giöõa vi khuaån Acetobacter vôùi khoâng khí ñeå thuùc ñaåy nhanh hôn quaù trình oxy hoaù ethanol.

+ Phöông phaùp chìm: coøn goïi laø phöông phaùp boït khí hay phöông phaùp duøng acetato. Ñaây laø phöông phaùp do Ebner vaø Hromatka phaùt hieän ra töø naêm 1949. Ngöôøi ta taïo ra caùc noài leân men ñaëc bieät (goïi laø acetato) vaø cho leân men coù thoåi khí nhoû moät dòch leân men (chöùa 6-12% ethanol vaø 1-3% acid acetic).

Ngoaøi ra, coøn coù nhöõng phöông phaùp caûi tieán. Chaúng haïn phöông phaùp phoái hôïp giöõa phöông phaùp nhanh vaø phöông phaùp chìm.

Vi khuaån acetic coù theå oxy hoaù propanol thaønh acid propionic :

82

CH3CH2CH2OH → CH3CH2CHOH

Oxy hoaù isopropanol thaønh aceton :

CH3CHOHCH3 → CH3COCH3

5.2. Quaù trình oxy hoaù saccharose thaønh acid citric

Acid citric laø moät loaïi acid höõu cô khoâng ñoäc, ñöôïc söû duïng roäng raõi trong neàn kinh teá quoác daân. Coù khoaûng 70% acid citric ñöôïc söû duïng trong caùc ngaønh coâng nghieäp thöïc phaåm (saûn xuaát nöôùc ngoït, baùnh, keïo…). Natri citrate ñöôïc duøng thay theá polyphosphate trong coâng ngheä saûn xuaát chaát taåy röûa.

Khi leân men citric ngöôøi ta thöôøng duøng ræ ñöôøng ñaõ ñöôïc xöû lyù. Ñieàu chænh sao cho noàng ñoä ñöôøng saccharose trong moâi tröôøng leân men ôû trong khoaûng 14-20% (W/V). Nguoàn nitrogen boå sung laø amon sunphate hay amon nitrate. Noàng ñoä thích hôïp laø 0,3-1,5g NH4

+/l. Coøn caàn boå sung moät löôïng nhaát ñònh phosphate nhöng luoân khoáng cheá ôû moät noàng ñoä raát thaáp. Caàn kieåm tra chaët cheõ ñeå loaïi tröø söï coù maët cuûa moät soá cation kim loaïi trong moâi tröôøng, ñaëc bieät laø ñoái vôùi Mn2+, Fe2+ vaø Zn2+.

Phöông trình chung cuûa söï chuyeån hoaù ñöôøng thaønh acid citric nhö sau :

+3O H2C – COOH

C12H22O11 C6H12O6 HO – C – COOH + 2H2O + x kcal

H2C – COOH

Saccharose Glucose Acid citric

Trong nhöõng naêm gaàn ñaây ngöôøi ta coù xu theá chuyeån ñoåi cô chaát vaø chuûng loaïi vi sinh vaät trong saûn xuaát acid citric. Ngöôøi ta ñaõ nghieân cöùu thaønh coâng quy trình leân men chìm vôùi cô chaát laø n-alkan (töø coâng nghieäp daàu moû) vaø vôùi vi sinh vaät laø naám men Saccharomycopsis (Candida) lipolytica. Gaàn ñaây loaøi naám men naøy laïi ñöôïc ñoåi teân thaønh Yarrowia lipolytica.

Nhieàu loaøi naám sôïi thuoäc caùc chi Aspergillus, Penicillium, Mucor khi phaùt trieån treân caùc moâi tröôøng coù phaûn öùng kieàm sinh lyù coù theå deã daøng tích luyõ moät löôïng ñaùng keå acid oxalic. Acid oxalic thöôøng ñöôïc sinh ra do keát quaû cuûa quaù trình thuyû phaân acid oxalacetic :

O = C – COOH

H2C – COOH + H2O → HOOC – COOH + H3C - COOH

Ngoaøi hai loaïi acid höõu cô noùi treân, moät soá naám moác coøn coù khaû naêng laøm tích luyõ laïi trong moâi tröôøng caû acid fumaric vaø acid succinic. Hieän töôïng naøy ñöôïc Ehrlich phaùt hieän thaáy ôû naám Rhizopus nigricans töø naêm 1911.

83

6. Söï phaân giaûi protein (quaù trình thoái röõa) Khaùc vôùi leân men, cô chaát cuûa quaù trình thoái röõa laø protein. Protein laø moät trong

nhöõng thaønh phaàn quan troïng cuûa xaùc ñoäng vaät, thöïc vaät vaø vi sinh vaät. Protein thöôøng chöùa khoaûng 15,0 – 17,6% nitrogen (tính theo chaát khoâ).

Söï phaân giaûi caùc hôïp chaát höõu cô chöùa nitrogen coù yù nghóa raát lôùn ñoái vôùi noâng nghieäp vaø ñoái vôùi voøng tuaàn hoaøn vaät chaát trong töï nhieân. Ngöôøi ta goïi quaù trình phaân giaûi naøy laø quaù trình amon hoaù.

Muoán phaân giaûi protein, ñaàu tieân vi sinh vaät phaûi tieát ra caùc enzyme phaân giaûi protein ngoaïi baøo vaø laøm chuyeån hoaù protein thaønh caùc hôïp chaát coù phaân töû nhoû hôn (caùc polypeptide vaø caùc olygopeptide). Caùc chaát naøy hoaëc tieáp tuïc ñöôïc phaân huyû thaønh acid amin nhôø caùc peptidase ngoaïi baøo, hoaëc ñöôïc xaâm nhaäp ngay vaøo teá baøo vi sinh vaät sau ñoù môùi chuyeån hoaù thaønh acid amin. Moät phaàn caùc acid amin naøy ñöôïc vi sinh vaät söû duïng trong quaù trình toång hôïp protein cuûa chuùng, moät phaàn khaùc tieáp tuïc ñöôïc phaân giaûi theo caùc con ñöôøng khaùc nhau ñeå sinh NH3, CO2 vaø nhieàu saûn phaåm trung gian khaùc.

Trong cô theå vi sinh vaät, caùc acid amin thöôøng ñöôïc chuyeån hoaù nhôø quaù trình khöû amin vaø quaù trình khöû carboxyl hoaëc ñoàng thôøi vöøa khöû amin vöøa khöû carboxyl.

Caùc enzyme xuùc taùc caùc quaù trình khöû amin oxy hoaù thöôøng laø ñaëc hieäu ñoái vôùi caùc ñoàng phaân L hoaëc D cuûa acid amin. Moät soá caùc enzyme naøy (caùc oxidase hieáu khí) laø caùc flavoprotein vaø khi ñoù oxy phaân töû ñoùng vai troø chaát nhaän hydro. Moät soá caùc enzyme khaùc (oxidase kî khí vaø dehydrogenase) thöïc hieän quaù trình vaän chuyeån ñieän töû vaø laøm sinh ra caùc daây noái phosphate giaøu naêng löôïng nhôø quaù trình phosphoryl hoaù.

Trong quaù trình khöû amin tröïc tieáp ta thaáy coù söï taïo thaønh noái ñoâi. Chaúng haïn nhö söï taïo thaønh acid fumaric töø acid asparaginic :

HOOCCH2CH(NH2)COOH → HOOCCH = CHCOOH + NH3

Trong quaù trình khöû amin thuyû phaân ta thaáy coù söï lieân keát vôùi caùc ion H+ vaø OH- cuûa nöôùc. Chaúng haïn nhö söï taïo thaønh acid lactic töø alanin :

CH3CH(NH2)COOH + HOH → CH3CHOHCOOH + NH3

Nhieàu saûn phaåm sinh ra trong quaù trình phaân giaûi acid amin (röôïu, acid höõu cô…) seõ ñöôïc loâi cuoán vaøo caùc quaù trình phaân giaûi sinh naêng löôïng.

Moät soá vi sinh vaät coù moät cô cheá sinh naêng löôïng ñaëc bieät döïa vaøo quaù trình phaân giaûi acid amin. Chaúng haïn nhö quaù trình phaân giaûi arginin thaønh ornitin. Tham gia vaøo quaù trình naøy ít ra co 3 loaïi enzyme khaùc nhau. Ñaàu tieân enzyme arginindezaminase xuùc taùc chuyeån hoaù arginin thaønh xitrulin, sau ñoù xitrulin seõ tieáp tuïc ñöôïc chuyeån hoaù thaønh ornitin keøm theo vieäc hình thaønh ATP :

Citrulin + Pi + ADP ⇔ Ornitin + CO2 + NH3 + ATP

84

Nhieàu loaïi amin do vi khuaån saûn sinh ra trong cô theå ngöôøi vaø ñoäng vaät coù tính ñoäc. Chaúng haïn, töø laâu ngöôøi ta bieát raèng vieäc tích luyõ histamin trong cô theå coù theå gaây ra chöùng co giaät maïch maùu.

Caùc hôïp chaát diamin nhö acmatin, putrexin, cadaverin ñeàu coù tính ñoäc. Caùc loaïi thöùc aên nhö thòt caù thiu thoái khoâng neân aên vì raát deã coù maët caùc loaïi amin ñoäc naøy.

Ngoaøi khaû naêng phaân giaûi protein, vi sinh vaät coøn coù khaû naêng phaân giaûi moät soá hôïp chaát höõu cô chöùa nitrogen khaùc. Ñaùng chuù yù nhaát laø khaû naêng phaân giaûi caùc base nitrogen, urea, acid uric, cyanamide calci vaø kitin.

7. Söï phaân giaûi lipid vaø caùc acid beùo Lipide vaø caùc chaát saùp ñöôïc nhieàu loaïi vi sinh vaät duøng laøm nguoàn thöùc aên

carbon vaø nguoàn naêng löôïng. So vôùi caùc cô chaát khaùc thì ñaây laø loaïi cô chaát ñöôïc phaân giaûi vôùi toác ñoä chaäm. Lipide vaø caùc acid beùo chöùa trong xaùc ñoäng vaät, thöïc vaät bò vuøi laáp vaøo ñaát sau moät thôøi gian seõ bò phaân giaûi heát nhôø nhieàu nhoùm vi sinh vaät khaùc nhau (vi khuaån, xaï khuaån, naám moác).

Böôùc ñaàu quaù trình phaân giaûi lipide vaø saùp laø vieäc thuûy phaân chuùng thaønh glycerin (hoaëc caùc röôïu ñôn nguyeân töû) vaø caùc acid beùo. Vieäc thuûy phaân naøy ñöôïc xuùc taùc nhôø lipase noäi baøo hoaëc ngoaïi baøo. Sau ñoù glycerin seõ ñöôïc tieáp tuïc chuyeån hoùa theo con ñöôøng EMP, coøn caùc acid beùo traûi qua moät quaù trình β-oxy hoùa cho ñeán saûn phaåm cuoái cuøng laø acetyl-CoA.

Coù theå bieåu thò quaù trình β-oxy hoùa caùc acid beùo baèng moâ hình sau ñaây:

85

86

CHÖÔNG 7

CAÙC QUAÙ TRÌNH SINH TOÅNG HÔÏP VAØ COÁ ÑÒNH NITROGEN

1. Caùc quaù trình sinh toång hôïp

Khi teá baøo vi khuaån sinh tröôûng vaø phaân chia, keát quaû cuoái cuøng laø xuaát hieän hai teá baøo. Vì vaäy, ñeå quaù trình treân ñöôïc hoaøn thaønh, moãi phaân töû trong teá baøo boá, meï phaûi ñöôïc nhaân ñoâi vaø ñöôïc laép vaøo ñuùng vò trí cuûa chuùng trong caáu truùc ñang phaùt trieån. Caáu truùc naøy seõ trôû thaønh teá baøo con.

Teá baøo vi khuaån ñöôïc taïo thaønh bôûi moät löôïng lôùn caùc cao phaân töû. Tuy nhieân, trong teá baøo caùc chaát naøy bao giôø cuõng ñi keøm vôùi moät tyû leä nhaát ñònh caùc hôïp chaát coù khoái löôïng phaân töû thaáp. Khi ñöa vaøo moâi tröôøng nuoâi caáy vi khuaån caùc hôïp chaát coù khoái löôïng phaân töû thaáp nhö acid amin, caùc purin vaø pyrimidin, nhieàu vi khuaån coù khaû naêng haáp thuï caùc chaát treân. Nhöng neáu moâi tröôøng thieáu caùc chaát naøy, vi khuaån phaûi töï toång hôïp chuùng töø caùc tieàn chaát ñôn giaûn hôn. Nguoàn cung caáp caùc tieàn chaát ñoù chính laø chu trình tricarboxylic.

Vieäc toång hôïp caùc loaïi cao phaân töû mang moät neùt chung: moät trong caùc chaát phaûn öùng phaûi cung caáp naêng löôïng cho böôùc truøng hôïp. Chaúng haïn, trong tröôøng hôïp toång hôïp hydrate carbon caàn cung caáp naêng löôïng cho vieäc toång hôïp lieân keát glucoside. Trong taát caû caùc tröôøng hôïp, thaønh phaàn coù khoái löôïng phaân töû thaáp laø phaân töû ñöôïc hoaït hoaù vaø ñaûm nhieäm vieäc cung caáp naêng löôïng.

1.1 Sinh toång hôïp acid amin

Acid amin ñöôïc phaân thaønh moät soá hoï treân cô sôû phaûn öùng môû ñaàu chung trong quaù trình sinh toång hôïp.

Hoï acid amin thôm : phenylalanin, triptophan, tyrozin

Hoï aspactate : asparagin, acid aspartic …

Hoï glutamate : arginin, acid glutamic …

Hoï pyruvate : alanin, leucine, valin

Hoï cerin : cistein, glycine, cerin

Histidine

Toång hôïp histidine khaùc vôùi toång hôïp cuûa taát caû caùc acid amin coøn laïi vaø böôùc môû ñaàu toång hôïp töông töï vôùi caùc böôùc ñaàu tieân trong vieäc taïo thaønh pyrimidine.

87

Böôùc keát thuùc chung trong sinh toång hôïp acid amin laø söï chuyeån amin töø glutamate ñeán moät hôïp chaát keto daãn ñeán taïo thaønh moät acid amin vaø α-ketoglutarate.

Sinh toång hôïp caùc acid amin thôm bao goàm vieäc hình thaønh hôïp chaát chuoãi thaúng 7-carbon: 3-deoxy-D-arabino-heptulozonate-7-phosphate; chaát naøy seõ chuyeån thaønh 5-dehydro-quinate coù caáu truùc voøng vaø laø tieàn chaát cuûa voøng thôm. Chaát trung gian cuoái cuøng cuûa con ñöôøng laø corismat, moät chaát khoâng beàn.

Trong hoï glutamate, acid glutamic ñöôïc taïo thaønh baèng con ñuôøng amin hoaù acid α-ketoglutaric, moät saûn phaåm cuûa chu trình tricarboxylic. Sinh toång hôïp cuûa L-arginin, L-glutamin vaø prolin töø acid L-glutamic.

Trong hoï pyruvate, L-alanin ñöôïc toång hôïp tröïc tieáp töø pyruvate baèng caùch chuyeån amin, hoaëc trong moät soá tröôøng hôïp baèng amin hoaù tröïc tieáp.

Ngaøy nay, caùc acid amin ñöôïc söû duïng roäng raõi trong y hoïc, trong chaên nuoâi vaø trong coâng nghieäp thöïc phaåm. Coù theå saûn xuaát acid amin baèng con ñuôøng toång hôïp hoaù hoïc nhöng nhöôïc ñieåm cuûa phöông phaùp naøy laø saûn sinh ra caû hai daïng ñoàng phaân quang hoïc. Traùi laïi con ñöôøng toång hôïp sinh hoïc chæ saûn sinh ra caùc L-acid amin laø daïng thöôøng gaëp trong haàu heát caùc heä thoáng sinh hoïc.

Vieäc saûn xuaát coâng nghieäp caùc acid amin baèng con ñöôøng vi sinh vaät baét ñaàu töø khi phaùt hieän ra vi khuaån toång hôïp vôùi haøm löôïng cao acid glutamic. Tuy nhieân, haàu heát caùc chuûng phaân laäp trong töï nhieân khoâng cho ta saûn löôïng acid amin cao ñuû cho vieäc saûn xuaát coâng nghieäp tröø ba loaïi laø acid L-glutamic. DL-alanin vaø L-valin.

1.2 Toång hôïp caùc nucleotide vaø acid nucleic

1.2.1. Toång hôïp caùc nucleotide

Caùc con ñöôøng sinh toång hôïp base purine vaø pyrimidine hoaøn toaøn khoâng coù lieân quan vôùi nhau nhöng coù moät ñaëc ñieåm chung laø ñeàu daãn ñeán vieäc hình thaønh tröïc tieáp nucleotid.

Saûn phaåm cuoái cuøng cuûa con ñuôøng toång hôïp purine laø acid inozinic (IMP). Phaàn riboxylphosphate ôû ñaây do phospho-riboxylpyrophosphate (PRPP) cung caáp. Baûn thaân PRPP laïi ñöôïc hình thaønh töø ribo-5-phosphate vaø ATP.

Con ñöôøng daãn ñeán vieäc toång hôïp caùc ribonucleotide pyrimidine ngaén hôn. ÔÛ ñaây phaàn ribozyl cuûa phaân töû cuõng xuaát phaùt töø PRPP.

Veà caùc phaûn öùng toång hôïp deoxyribonucleotide cho ñeán nay coøn ít bieát ñeán. Coù leõ caùc phaûn öùng naøy thay ñoåi tuyø theo loaøi sinh vaät. Chaúng haïn E.coli chöùa enzyme khöû ribonucleoside-diphosphate thaønh caùc deoxyribonucleoside-diphosphate. Hoaït tính enzyme caàn ATP vaø Mg2+, enzyme laø moät tyoredoxin khöû coù khoái löôïng phaân töû khoaûng 12.000.

88

1.2.2. Toång hôïp caùc acid nucleic (Tham khaûo theâm taøi lieäu)

1.3. Toång hôïp oligosaccharide vaø polysaccharide

Löôïng caùc oligo vaø polysaccharide noäi baøo ñaït tôùi 60% khoái löôïng khoâ cuûa teá baøo, coøn polysaccharide ngoaïi baøo coù theå vöôït nhieàu laàn khoái löôïng cuûa vi sinh vaät. Thaønh teá baøo cuõng chöùa moät löôïng lôùn polysaccharide.

Taát caû caùc oligo vaø polysaccharide ñöôïc toång hôïp baèng caùch keùo daøi chuoãi saccharide coù tröôùc nhôø vieäc theâm ñôn vò monosaccharide (X). Ñôn vò monosaccharide naøy tham gia vaøo phaûn öùng ôû daïng nucleotide- monosaccharide ñöôïc hoaït hoaù, thöôøng laø daãn xuaát cuûa uridine-diphosphate (UDP.X) nhöng ñoâi khi cuøng vôùi caùc nucleotide purine vaø pyrimidine khaùc. Söï toång hôïp dieãn ra theo phaûn öùng chung nhö sau :

…X.X.X.X.X.X + UDP – X = …X.X.X.X.X.X.X + UDP (n nhaùnh) (n + 1 nhaùnh)

Trong tröôøng hôïp polysaccharide bao goàm hai loaïi monosaccharide lieân tieáp (X vaø Y) phaûn öùng chung xaûy ra qua hai böôùc :

Böôùc 1 : …X.Y.X.Y.X.Y.X.Y + UDP – X = …X.Y.X.Y.X.Y.X.Y.X + UDP

Böôùc 2 : …X.Y.X.Y.X.Y.X.Y.X + UDP –Y = …X.Y.X.Y.X.Y.X.Y.X.Y + UDP

Con ñöôøng toång hôïp polysaccharide phaân nhaùnh ta coøn bieát raát ít.

89

1.4. Toång hôïp murein vaø acid teichoic

1.4.1. Toång hôïp murein (hoaëc glycopeptide, peptidoglycan)

Murein laø thaønh phaàn chuû yeáu cuûa thaønh teá baøo vi khuaån. Quaù trình sinh toång hôïp chaát naøy môùi chæ ñöôïc nghieân cöùu ôû moät soá chuûng vi khuaån tröôùc heát laø Staphylococcus aureus vaø Micrococcus lysodeikticus.

Con ñöôøng sinh toång hôïp murein ôû S. aureus ñöôïc trình baøy ôû hình veõ.

90

ÔÛ S. aureus, murein cuûa thaønh teá baøo chöùa caùc caàu glycine giöõa caùc peptide. Cho neân ôû vi khuaån naøy, tröôùc khi nhaùnh disaccharidpentapeptide ñöôïc laép vaøo glycopeptide thì chuoãi pentaglycine ñöôïc lieân keát vôùi nhoùm ε - amin cuûa lysine trong chuoãi peptide. Khaùc vôùi toång hôïp pentapeptide, vieäc toång hôïp chuoãi pentaglycine coù söï tham gia cuûa moät trong hai RNA vaän chuyeån glycine trong teá baøo (tRNA kia chæ

91

vaän chuyeån glycine trong toång hôïp protein) vaø caùc nhaùnh glycine ñöôïc laép töøng caùi moät vaøo disaccharidpentapeptide :

Glycine + tRNA ⎯⎯⎯ →⎯+2,MgATP glycyl ∼tRNA

Disaccharidpentapeptide-P–P + glycyl ∼ tRNA (5X) →

Disaccharidpentapeptide-P-P-pentaglycine

Caùc caàu pentaglycine chæ ñoùng laïi sau khi disaccharidpentapeptide ñöôïc laép vaøo glycopeptide. Phaûn öùng ñoùng caàu naøy ñi keøm vôùi söï maát nhaùnh D-alanin cuoái cuøng cuûa pentapeptide vaø ñöôïc xuùc taùc bôûi enzym transpeptidase. Haøng loaït chaát khaùng sinh aûnh höôûng ñeán caùc böôùc khaùc nhau trong chuoãi phaûn öùng toång hôïp murein.

1.4.2. Toång hôïp acid teichoic

Acid techoic laø caùc cao phaân töû ñöôïc phosphoryl hoaù cuûa ribitol hoaëc glycerol vaø thöôøng lieân keát vôùi peptidoryl-glycan nhôø moät caàu noái phosphodiester yeáu qua nhaùnh ribose taän cuøng.

Böôùc thöù nhaát trong sinh toång hôïp cuûa acid glycerolteichoic trong B.licheiformis laø hoaït hoaù L-α-glycerolphosphate nhôø CTP. Tieàn chaát ñöôïc hoaït hoaù (CDP-glycerol) ñöôïc gaén vaøo cao phaân töû nhö sau :

L-α-glycero-P + CTP CDP-glycerol + P.P

CDP-glycerol + (glycero-P)n CMP + (glycero-P)n + 1

Caùc chuoãi polyribotolphosphate cuõng ñöôïc taïo thaønh theo moät con ñöôøng töông töï nhöng vôùi CDP-ribitol laø chaát trung gian.

1.5. Toång hôïp caùc acid beùo vaø lipide

ÔÛ vi khuaån, vieäc toång hôïp caùc acid beùo no, chaün, chuoãi daøi ñeàu dieãn ra theo cuøng con ñöôøng : con ñöôøng malonyl-CoA.

Malonyl-CoA, chöùa nhoùm –CH2 raát hoaït ñoäng , deã daøng phaûn öùng vôùi acid. CoA (nghóa laø vôùi acetyl-CoA hoaëc moät acid beùo cao hôn ñöôïc hoaït hoaù) vaø sau khi loaïi ñi CO2 thì cho moät β-ketoacid. Caùc böôùc khaùc, veà thöïc chaát, dieãn ra nhö quaù trình β-oxy hoaù nghòch trong ñoù tham gia vaøo vieäc khöû β-ketoacid vaø daãn xuaát chöa no cuûa acid-CoA, laø NADPH. Quaù trình ñöôïc laëp laïi nhieàu laàn.

92

1.6. Toång hôïp protein (söï dòch maõ = translation)

Quaù trình dòch thoâng tin di truyeàn töø DNA ñeán protein traûi qua hai chaëng, toång hôïp RNA (phieân maõ) vaø toång hôïp protein (dòch maõ). Toaøn boä quaù trình, veà cô baûn dieãn ra raát gioáng nhau trong caû hai boïn Prokaryota vaø Eukaryota.

93

Tuy nhieân ñoái töôïng ñöôïc nghieân cöùu kyõ nhaát laø vi khuaån, ñaëc bieät laø E. coli. Maëc duø saûn phaåm cuûa quaù trình phieân maõ laø caû 3 loaïi RNA nhöng thoâng thöôøng danh töø naøy duøng cho vieäc toång hôïp RNAm vì phaàn lôùn genome ñoïc maät maõ cho RNAm (chæ 0,2 vaø 0,02% DNA tham gia vaøo vieäc taïo thaønh RNAr vaø RNAt).

Toång hôïp protein dieãn ra treân caùc haït ribosome. Caùc acid amin trong teá baøo chaát hoaït hoaù nhôø lieân keát vôùi RNAt töông öùng vaø ñöôïc chuyeån tieáp phöùc hôïp ribosome-RNA.

1.6.1 Ribosome

ÔÛ E.coli, ribosome laø nhöõng haït nucleoprotein chöùa 35-40% protein vaø 60-65% acid ribonucleic.

Trong vi khuaån , ribosome toàn taïi chuû yeáu ôû daïng töï do trong teá baøo chaát nhöng trong teá baøo Eukaryota phaàn lôùn ribosome gaén vaøo maïng löôùi noäi chaát, moät phaàn nhoû chöùa trong caùc ty theå vaø luïc laïp.

ÔÛ prokaryota, ribosome coù heä soá laéng 70S. Ribosome ñöôïc caáu taïo bôûi hai haït döôùi ñôn vò, haït naøy lôùn gaàn gaáp ñoâi haït kia. Tuy nhieân, ñôn vò hoaït ñoäng thöïc söï trong toång hôïp protein khoâng phaûi laø caùc monosome 70S rieâng reõ maø laø moät nhoùm ribosome (goïi laø polysome) lieân keát caïnh nhau vaøo cuøng moät sôïi RNAm. Trong teá baøo vi khuaån ñang sinh tröôûng ribosome traûi qua moät chu trình ñeàu ñaën phaân ly vaø taùi taïo tuyø theo noàng ñoä ion Mg2+ : 70S 30S + 50S.

94

Moät soá chaát khaùng sinh kìm haõm chu trình naøy.

Veà acid ribonucleic, ribosome 70S cuûa E.coli chöùa 3 phaân töû RNAr : haït 30S chöùa RNA 16S (∼1600 nucleotid) vaø haït 50S chöùa RNA 23S (∼3200 nucleotid) vaø RNA 5S (120 nucleotid).

Treân ribosome ít nhaát coù hai vò trí gaén RNAt : vò trí A laø vò trí gaén aminoaxyl-tRNA (aa-RNAt) vaø vò trí P laø vò trí gaén peptidyl-RNAt (pept-RNAt). Quaù trình toång hôïp protein dieãn ra ôû maët tieáp xuùc giöõa hai haït döôùi ñôn vò.

95

1.6.2 Söï hoaït hoaù acid amin

Tröôùc khi tham gia vaøo toång hôïp protein acid amin phaûi ñöôïc hoaït hoaù, nghóa laø ñöôïc lieân keát vôùi moät RNAt töông öùng. Sau ñoù acid amin naøy ñöôïc chuyeån ñeán ribosome. Quaù trình hoaït hoaù acid amin dieãn ra qua 2 böôùc :

- Acid amin phaûn öùng vôùi ATP taïo thaønh phöùc hôïp cao naêng acid amin ∼AMP.

- Acid amin trong phöùc hôïp ñöôïc chuyeån ñeán RNAt töông öùng.

Cuøng moät enzym acid amin-RNAt-synthetase, ñaëc tröng ñoái vôùi moãi acid amin ñaõ xuùc taùc caû hai böôùc noùi treân.

acid amin ATP + Enzyme ⎯⎯ →←+2Mg aminoaxyl ∼AMP-Enzym + PP

aminoaxyl∼AMP-Enzyme + tRNA ⎯⎯ →←+2Mg aminoaxyl-RNAt + AMP + Enzyme

(Enzym = aa-tRNA-synthetase)

1.6.3. RNA vaän chuyeån

Laø loaïi RNA coù khoái löôïng phaân töû thaáp (khoaûng 25.000) vaø coù heä soá laéng khoaûng 4S-5S chæ chöùa chöøng 75-80 nucleotid (coøn ñöôïc goïi laø RNA hoaø tan). Caáu truùc tRAN phaân laäp töø caùc teá baøo cuûa Prokaryota vaø Eukaryota ñeàu töông töï theo maãu laø cheõ ba.

RNAt chöùa 10-20% base hieám, khoâng bình thöôøng. Maëc duø laø sôïi polynucleotide ñôn nhöng do gaäp trôû laïi maø RNAt chöùa nhieàu caëp base gheùp ñoâi ôû nhöõng phaàn cuoáng cuûa moãi thuyø. Do nguyeân nhaân naøy vaø do haøm löôïng lôùn caùc base hieám neân RNAt khaù beàn vôùi taùc duïng cuûa ribonuclease. Coù khoaûng 50 gen ñoïc maõ cho RNAt nghóa laø chöøng moät gen cho moãi loaïi RNAt.

1.6.4. Caùc böôùc toång hôïp protein (Ñoïc theâm taøi lieäu tham khaûo)

96

97

2. Quaù trình coá ñònh nitrogen

Ñeå tìm hieåu caùc quaù trình coá ñònh nitrogen vaø nhoùm vi sinh vaät tham gia trong quaù trình ñoù ta phaûi bieát ñöôïc vò trí cuûa caùc vi khuaån coá ñònh nitrogen trong chu trình tuaàn hoaøn nitrogen trong töï nhieân. Ñieàu ñoù coù theå thaáy ñöôïc qua moâ hình sau

Trong khoâng khí nitrogen chieám 78.16% theo theå tích, nhöng caây troàng khoâng coù khaû naêng ñoàng hoaù tröïc tieáp nguoàn nitrogen lôùn lao naøy. Sôû dó nhö vaäy bôûi vì trong khoâng khí phaân töû N2 toàn taïi ôû traïng thaùi lieân keát hai nguyeân töû nitrogen raát beàn vöõng ñeå taïo ra ñöôïc phaûn öùng sau caàn phaûi cung caáp moät nhieät ñoä laø 40000C

Haøng naêm löôïng phaân boùn chöùa ñaïm ñöôïc saûn xuaát vôùi soá löôïng raát lôùn nhöng vaãn khoâng ñaùp öùng ñuû nhu caàu ngaøy caøng taêng cuûa caùc ngaønh noâng nghieäp. Chính vì theá vai troø cuûa caùc vi sinh vaät coá ñònh nitrogen coù moät yù nghóa heát söùc lôùn lao ñoái vôùi noâng nghieäp. Nhöõng nghieân cöùu gaàn ñaây nhaát cho bieát toång soá nitrogen coá ñònh ñöôïc bôûi vi sinh vaät treân toaøn theá giôùi laø khoaûng 175 trieäu taán/naêm.

324000

2222

0

2 HNONONOON OOC ⎯→⎯⎯→⎯⎯⎯ →⎯+ H2O

98

Coù raát nhieàu nghieân cöùu saâu veà ñaëc ñieåm sinh hoïc cuûa nhoùm vi sinh vaät coá ñònh nitrogen vaø tìm caùch phaùt huy cao nhaát taùc duïng lôùn lao naøy cuûa chuùng.

2.1. Vi khuaån noát saàn coäng sinh vôùi caây thuoäc boä Ñaäu

2.1.1. Vi khuaån noát saàn vaø söï taïo thaønh noát saàn

Vi khuaån noát saàn coù loaïi ñôn mao, coù loaïi chu mao vaø cuõng coù loaïi tieâm mao moïc thaønh chuøm ôû gaàn ñaàu, thöôøng soáng coäng sinh vôùi reå caây thuoäc boä Ñaäu. Vi khuaån noát saàn coù khaû naêng ñoàng hoaù nhieàu nguoàn carbon khaùc nhau (ñöôøng ñôn, ñöôøng keùp, acid höõu cô, röôïi baäc thaáp, glycogen…). Khoaûng 30% löôïng ñöôøng do vi khuaån noát saàn ñoàng hoaù ñöôïc duøng ñeå taïo thaønh chaát nhaày cuûa chuùng. Vi khuaån noát saàn coù theå ñoàng hoaù toát nhieàu loaïi acid amin, moät soá chi coù theå ñoàng hoaù pepton. Khaû naêng söû duïng caùc protein phaân töû lôùn noùi chung raát ít. Ngöôïc laïi chuùng coù theå söû duïng deã daøng caùc muoái amon, nitrate vaø caùc goác kieàm purin, pyrimidin. Chuùng coøn coù theå söû duïng ñöôïc caû urea hoaëc biurea.

Vi khuaån noát saàn coù theå phaùt trieån ñöôïc treân nhöõng moâi tröôøng raát ngheøo nitrogen. Tuy nhieân cho ñeán nay vaãn chöa coù ai xaùc ñònh ñöôïc laø chuùng coù khaû naêng coá ñònh nitrogen khi phaùt trieån treân caùc moâi tröôøng dinh döôõng (phaùt trieån beân ngoaøi noát

99

saàn). Moãi loaïi vi khuaån noát saàn chæ xaâm nhieãm ñöôïc leân moät nhoùm caây nhaát ñònh trong boä Ñaäu. Cuõng coù tröôøng hôïp vi khuaån noát saàn xaâm nhaäp ñöôïc vaøo nhöõng loaïi ñaäu khoâng ñaëc bieät ñoái vôùi chuùng, khi ñoù chuùng chæ coù theå taïo ra raát ít noát saàn vaø coá ñònh nitrogen raát yeáu.

Vi khuaån noát saàn thöôøng xaâm nhaäp vaøo reã caây boä Ñaäu thoâng qua caùc loâng huùt, ñoâi khi thoâng qua veát thöông ôû voû reã. Moät loaïi caây thuoäc boä Ñaäu thöôøng tieát ra xung quanh reã cuûa mình nhöõng chaát coù taùc duïng kích thích söï phaùt trieån cuûa caùc vi khuaån noát saàn thuoäc loaïi töông öùng vôùi nhoùm caây ñoù. Ngöôøi ta nhaän thaáy muoán xaâm nhieãm toát vaøo thöïc vaät thì vi khuaån noát saàn caàn ñaït tôùi maät ñoä 104 teá baøo/g ñaát. Döôùi aûnh höôûng cuûa vi khuaån noát saàn, reã caây hoï Ñaäu seõ tieát ra men poligalacturonase, enzyme naøy seõ laøm phaân huûy thaønh loâng huùt giuùp cho vi khuaån noát saàn coù ñieàu kieän xaâm nhaäp vaøo reã. Sau khi xaâm nhaäp vaøo reã chuùng seõ nhanh choùng phaùt trieån vaø xaâm nhaäp vaøo caùc teá baøo thuoäc nhu moâ reã. Khi hình thaønh theå giaû khuaån thì ti theå vaø laïp theå cuûa teá baøo seõ bò doàn saùt vaøo thaønh teá baøo vaø phaân boá doïc theo thaønh. Khi ñoù trong teá baøo seõ baét ñaàu xuaát hieän leghemoglobin vaø soá löôïng ribosome cuõng ñoàng thôøi taêng leân khaù nhieàu töø ñoù vi khuaån baét ñaàu thöïc hieän chöùc naêng coá ñònh nitrogen töï do cho thöïc vaät.

2.1.2. AÛnh höôûng cuûa ñieàu kieän ngoaïi caûnh ñoái vôùi vi khuaån noát saàn vaø söï coá ñònh nitrogen.

Moái quan heä coäng sinh giöõa vi khuaån vaø caây boä Ñaäu cuõng nhö hoaït tính coá ñònh nitrogen cuûa chuùng chòu aûnh höôûng cuûa moät soá ñieàu kieän ngoaïi caûnh sau:

(1) Ñoä aåm cuûa ñaát

Noát saàn chæ ñöôïc taïo thaønh ôû nhöõng ñaát coù ñoä aåm khoaûng 40-80%. Ñoä aåm thích hôïp nhaát laø 60-70%. Tuy nhieân coù moät soá loaïi vi khuaån coù theå taïo thaønh noát saàn ôû nhöõng ñaát coù ñoä aåm raát thaáp.

(2) Ñoä thoaùng khí

Noát saàn ñöôïc taïo thaønh trong ñieàu kieän thoâng khí toát. Khi thoâng khí keùm thì löôïng chöùa leghemoglobin trong noát saàn giaûm roõ reät.

(3) Nhieät ñoä

Hoaït ñoäng coá ñònh nitrogen chæ ñöôïc thöïc hieän moät caùch maïnh meõ trong moät phaïm vi nhieät ñoä xaùc ñònh. Phaïm vi naøy thay ñoåi tuøy loaøi caây trong boä Ñaäu. Ñoái vôùi caây vuøng nhieät ñôùi thöôøng coù phaïm vi nhieät ñoä coá ñònh nitrogen cao hôn so vôùi caây vuøng oân ñôùi.

(4) pH ñaát

Giôùi haïn pH thay ñoåi ñoái vôùi töøng loaøi. Noát saàn chæ ñöôïc taïo ra trong giôùi haïn pH = 4.6-8.0, tröø moät soá caây chòu ñöôïc ñaát chua.

100

(5) Phaân ñaïm

Söï toàn taïi moät löôïng nitrogen deã tieâu trong ñaát thöôøng laøm öùc cheá söï taïo thaønh noát saàn. Khaû naêng öùc cheá cuûa nitrate thöôøng lôùn hôn muoái amon. Ñaùng chuù yù laø khi caây boä Ñaäu coøn non, chöa hình thaønh noát saàn thì vieäc boå sung löôïng ñaïm thích hôïp seõ thuùc ñaåy maïnh meõ söï phaùt trieån cuûa chuùng, aûnh höôûng toát ñeán söï taïo thaønh noát saàn vaø hoaït ñoäng coá ñònh nitrogen phaân töû.

(6) Phaân laân

Phosphore laøm taêng cöôøng hoaït ñoäng coá ñònh nitrogen cuûa vi khuaån noát saàn, chính vì vaäy ngöôøi ta thöôøng taêng cöôøng söû duïng phaân laân ñeå boùn cho caây ñaäu, vaø ñoù laø bieän phaùp raát coù hieäu quaû ñeå naâng cao naêng löïc coá ñònh nitrogen cuûa chuùng.

(7) Kali

Thöïc ra K khoâng coù yù nghóa ñaëc hieäu ñoái vôùi quaù trình coá ñònh nitrogen, noù chæ laøm thuùc ñaåy söï phaùt trieån cuûa caây boä Ñaäu vaø thoâng qua ñoù maø laøm taêng cöôøng hoaït ñoäng coá ñònh nitrogen cuûa chuùng.

(8) Ca

Boùn voâi khoâng nhöõng laøm caûi thieän pH cuûa ñaát maø coøn naâng cao haøm löôïng Ca trong ñaát vaø thoâng qua ñoù laøm taêng cöôøng söï phaùt trieån vaø hoaït ñoäng cuûa coá ñònh nitrogen cuûa caây boä Ñaäu.

(9) Dinh döôõng carbon.

Naâng cao noàng ñoä CO2 trong khoâng khí coù theå ñaåy maïnh söï phaùt trieån vaø söï taøo thaønh noát saàn cuûa vi khuaån.

(10) Caùc nhaân toá sinh hoïc

Nhieàu nghieân cöùu cho thaáy caùc vi sinh vaät sinh chaát khaùng sinh soáng trong ñaát coù theå laøm öùc cheá maïnh meõ söï phaùt trieån cuûa vi khuaån noát saàn.

2.2. Söï taïo thaønh noát saàn vaø khaû naêng coá ñònh nitrogen ôû moät soá caây khoâng thuoäc boä Ñaäu.

Moät soá loaøi thöïc vaät khoâng thuoäc boä Ñaäu cuõng coù khaû naêng coá ñinh nitrogen, nhöng khaû naêng coá ñònh nitrogen khoâng lôùn nhö caùc loaøi thuoäc boä Ñaäu coù theå keå ñeán laø: coffea (boä Rubiales), Purshia, Cercocapus (boä Rosales)…

Vi sinh vaät coá ñònh nitrogen trong caùc tröôøng hôïp naøy thöôøng laø xaï khuaån thuoäc chi Frankia, moät soá loaøi naám cuõng coù khaû naêng coá ñònh nitrogen töï do.

101

2.3. Azospirillum.

Naêm 1974, laàn ñaàu tieân ngöôøi ta phaân laäp ñöôïc 1 loaøi xoaén khuaån soáng treân reã moát soá coû nhieät ñôùi vaø ñaët teân laø Spirillum lipoferum. Veà sau caên cöù vaøo tæ leä caùc base nitrogen trong DNA ngöôøi ta xaùc ñònh chuùng thuoäc moät chi môùi, ñöôïc ñaët teân laø Azospirillum. Azospirillum coù soá löôïng khaù lôùn ôû vuøng reã vaø trong lôùp toå chöùc ôû beà maët reã (khoaûng 106-107 teá baøo/g reã khoâ).

2.4. Vi khuaån hieáu khí soáng töï do thuoäc chi Azotobacter

Azotobacter ñöôïc phaân laäp ñaàu tieân vaøo naêm 1901 (M. W. Beijerincki, 1901). Ñoù laø loaøi Azotobacter chroococum. Veà sau ngöôøi ta tìm thaáy nhieàu loaøi khaùc trong chi Azotobacter.

Vi khuaån thuoäc chi Azotobacter coù teá baøo töø hình caàu ñeán hình que. Khi coøn non teá baøo thöôøng coù hình que kích thöôùc khoaûng 2.0-7.0 x 1.0-2.5μm. Ñoâi khi chieàu daøi ñaït ñeán 10-12μm. Teá baøo phaùt trieån theo loái phaân caét ñôn giaûn. Di ñoäng nhôø tieân mao moïc quanh khaép cô theå (chu mao). Khi giaø, teá baøo Azotobacter maát khaû naêng di ñoäng, kích thöôùc thu nhoû laïi nom hình caàu.

Phaàn lôùn caùc chuûng Azotobacter phaân laäp ñöôïc töø thieân nhieân coù khaû naêng coá ñònh ñöôïc treân 10mg N2 khi tieâu thuï heát 1g caùc hôïp chaát carbon. Moät soá chuûng Azotobacter trong nhöõng ñieàu kieän thích hôïp coù theå ñoàng hoùa ñöôïc ñeán 30mg N2/1g hôïp chaát carbon. Khaû naêng coá ñònh N2 cuûa Azotobacter khoâng nhöõng phuï thuoäc töøng loaïi chuûng vi khuaån maø coøn phuï thuoäc vaøo thaønh phaàn moâi tröôøng nuoâi caáy, pH vaø nhieät ñoä nuoâi caáy, söï toàn taïi caùc hôïp chaát nitrogen, tính chaát cuûa nguoàn thöùc aên carbon, söï coù maët cuûa caùc nguyeân toá vi löôïng vaø caùc chaát hoaït ñoäng sinh hoïc.

Nhieàu nghieân cöùu cho bieát khi phaùt trieån chung vôùi moät soá vi sinh vaät khaùc Azotobacter seõ coù hoaït ñoäng coá ñònh N2 cao hôn so vôùi khi nuoâi caáy rieâng. Azotobacter seõ ñem moät phaàn nitrogen ñoàng hoùa ñöôïc ñöa vaøo moâi tröôøng döôùi daïng NH2, acid amin hoaëc protein.

Söï coù maët cuûa muoái amon hay nitrate trong moâi tröôøng seõ laøm haïn cheá söï coá ñònh N2 cuûa Azotobacter. Ngoaøi ra caùc chaát voâ cô nhö Ca, P, Mg, Mo …cuõng aûnh höôûng ñeán söï sinh tröôûng vaø khaû naêng coá ñònh nitrogen cuûa Azotobacter.

Caùc loaøi Azotobacter khaùc nhau coù theå maãn caûm moät caùch khaùc nhau ñoái vôùi pH cuûa moâi tröôøng. pH thích hôïp nhaát ñoái vôùi Azotobacter laø 7.2-8.2.

Ñeå phaùt trieån thuaän lôïi Azotobacter ñoøi hoûi moät ñoä aåm khaù cao cuûa ñaát. Nhu caàu veà ñoä aåm cuûa chuùng töông töï nhö nhu caàu cuûa caây troàng. Tuy nhieân baøo xaùc cuûa Azotobacter vaãn coù theå chòu ñöïng ñöôïc raát laâu daøi vôùi söï khoâ caïn cuûa ñaát.

102

Nhieät ñoä thích hôïp nhaát ñoái vôùi söï phaùt trieån cuûa Azotobacter vaøo khoaûng 26-300C. Tuy nhieân ôû moät soá loaøi coù theå chòu ñöïng ñöôïc ôû nhieät ñoä cao hoaëc thaáp. ÔÛ nhieät ñoä 70C ngöôøi ta nhaän thaáy Azotobacter coù hoaït ñoäng coá ñònh nitrogen thaáp hôn 5 laàn so vôùi ôû nhieät ñoä 450C.

Ñaõ coù raát nhieàu nghieân cöùu ñeà caäp ñeán moái quan heä giöõa Azotobacter vaø caây troàng. Azotobacter thöôøng xuyeân coù maët trong vuøng reã caây troàng vôùi soá löôïng cao hôn nhieàu so vôùi ngoaøi vuøng reã. Soá löôïng chuùng bieán ñoåi phuï thuoäc vaøo töøng loaøi caây, töøng giai ñoaïn phaùt trieån cuûa caây vaø nhieàu yeáu toá sinh thaùi khaùc. Ngöôøi ta ñaõ chöùng minh ñöôïc Azotobacter khoâng phaùt trieån treân beà maët reã maø phaùt trieån trong vuøng ñaát xung quanh reã.

2.5. Vi khuaån kò khí soáng töï do thuoäc chi Clostridium

Naêm 1893 laàn ñaàu tieân Vinogradxki phaùt hieän ñöôïc moät loaøi vi khuaån kò khí soáng töï do coù khaû naêng coá ñònh nitrogen phaân töû. Ñoù laø loaøi Clostridium pasteurianum.

Teá baøo cuûa C. pasteurianum coù kích thöôùc khoaûng 2.5-7.5 x 0.7-1.3μm, coù theå ñöùng rieâng reõ, xeáp thaønh ñoâi hay xeáp thaønh chuoãi ngaén. Khi coøn non coù teá baøo chaát ñoàng ñeàu, coù khaû naêng di ñoäng. Khi giaø, teá baøo chaát coù caáu taïo haït, teá baøo maát khaû naêng di ñoäng. Baøo töû thöôøng coù hình baàu duïc, kích thöôùc khoaûng 1.2-1.6μm.

Hieän nay ngoaøi loaøi C. pasteurianum ngöôøi ta coøn nhaän thaáy coù nhieàu loaøi Clostridium khaùc coù khaû naêng coá ñònh nitrogen phaân töû. Ñoù laø caùc loaøi C. butyricum, C. aceticum, C. beijerinckia…

Vi khuaån thuoäc loaøi C. pasteurianum thöôøng coù hoaït tính coá ñònh nitrogen cao hôn caùc loaøi Clostridium khaùc. Khi ñoàng hoùa heát 1g thöùc aên carbon, chuùng thöôøng tích luõy ñöôïc khoaûng 5-10mg nitrogen

Clostridium coù khaû naêng ñoàng hoùa caùc monosaccharide, disaccharide vaø moät soá polysaccharide (nhö tinh boät, dextrin). Chuùng coù theå ñoàng hoùa caû nhieàu röôïu baäc cao vaø moät soá hôïp chaát chöùa carbon khaùc nöõa. Khi leân men hydrate carbon, Clostridium thöôøng laøm tích luõy acid höõu cô, butanol, etanol, aceton, CO2, H2…Thaønh phaàn vaø tæ leä caùc saûn phaåm leân men phuï thuoäc vaøo töøng loaøi vi khuaån cuõng nhö phuï thuoäc vaøo caùc pha khaùc nhau cuûa quaù trình leân men.

C. pasteurianum cuõng nhö nhieàu loaøi Clostridium coù khaû naêng coá ñònh nitrogen khaùc coù theå phaùt trieån ñöôïc trong moät phaïm vi pH khaù roäng (pH = 4.7-8.5), pH=5.9-8.3 hoaëc 6.9-7.3 laø thích hôïp nhaát. Caùc nghieân cöùu ôû Vieät nam cho bieát ngay caû ôû nhöõng vuøng ñaát chua, khi khoâng tìm thaáy söï phaùt trieån cuûa Azotobacter thì Clostridium vaãn coù maët vôùi soá löôïng ñaùng keå.

Baøo töû cuûa Clostridium coù söùc ñeà khaùng raát cao ñoái vôùi nhieät ñoä cao vaø söï khoâ haïn. Moät soá nghieân cöùu cho bieát baøo töû cuûa loaïi vi khuaån naøy coù theå soáng ñöôïc ñeán 5

103

giôø ôû nhieät ñoä 750C vaø 1 giôø ôû 800C. baøo töû cuûa moät soá chuûng Clostridium coù theå chòu ñöïng nhieät ñoä 1000C trong voøng 30 phuùt.

2.6. Vi khuaån lam soáng töï do vaø vi khuaån lam coäng sinh trong beøo hoa daâu.

Ña soá caùc loaøi vi khuaån lam coù khaû naêng coá ñònh nitrogen soáng töï do trong ñaát vaø trong nöôùc, nhöng coù moät soá ít loaøi coù ñôøi soáng coäng sinh vôùi thöïc vaät. Chaúng haïn caùc daïng coäng sinh vôùi naám trong moät soá loaøi ñòa y, moät soá loaøi soáng coäng sinh vôùi Döông xæ, Tueá.

Ñaëc bieät ñaùng chuù yù laø loaøi Anabaena azollae soáng coäng sinh trong beøo hoa daâu, moät loaïi caây duøng laøm phaân xanh vaø laøm thöùc aên gia suùc coù yù nghóa kinh teá raát lôùn ôû nöôùc ta.

Ngoaøi daïng coäng sinh vôùi beøo hoa daâu moät soá loaøi vi khuaån lam (nhö Nostoc punctiforme) coøn coù theå coäng sinh trong noát saàn cuûa coû 3 laù Trifolium alexandrium.

Söï phaùt trieån cuûa vi khuaån lam cuõng laøm thuùc ñaåy söï phaùt trieån cuûa nhieàu loaøi vi khuaån khaùc soáng trong ñaát, bao goàm caùc vi khuaån coá ñònh nitrogen Azotobacter, Rhizobium, C. pasteurianum…

Ña soá caùc loaøi vi khuaån lam coù khaû naêng coá ñònh nitrogen thích hôïp phaùt trieån trong caùc moâi tröôøng trung tính hoaëc kieàm. pH thích hôïp laø pH=7.0-8.0.

Vi khuaån lam laø loaïi vi sinh vaät hieáu khí söû duïng naêng löôïng aùnh saùng maët trôøi laøm nguoàn naêng löôïng vaø duøng CO2 laøm nguoàn carbon cho toång hôïp caùc chaát dinh döôõng.

Nhôø söï phaùt trieån cuûa vi khuaån lam trong ruoäng luùa maø haøng naêm moãi hectare ñaát troàng luùa coù theå laáy ñöôïc theâm töø khoâng khí khoaûng 15-50kg nitrogen, trung bình laø 20-25kg, ñoâi khi thu ñöôïc ñeán 80kg hay hôn nöõa.

104

Beøo hoa daâu (Azolla)

Vi khuaån lam (Anabaena azollae)

105

2.7. Cô cheá cuûa quaù trình coá ñònh nitrogen phaân töû

Quaù trình coá ñònh nitrogen phaân töû ñöôïc tieán haønh bôûi moät phöùc heä enzyme goïi laø nitrogenase.

Phaûn öùng khöû N2 döôùi söï xuùc taùc cuûa nitrogenase coù theå bieåu thò vaén taéc nhö sau:

++ +++⎯⎯⎯ →⎯+++ HPADPNHOHATPeN ieNitrogenas 41212212126 422

Ngöôøi ta cho raèng quaù trình khöû naøy bao goàm nhieàu phaûn öùng khöû keá tieáp nhau:

32

2222

2 2][][ NHNHNHNHNHN HHH ⎯⎯→⎯−⎯⎯→⎯=⎯⎯→⎯ +++

Sô ñoà chung cuûa cô cheá khöû N2 thaønh NH3 döôùi taùc duïng cuûa nitrogenase coù theå ñöôïc bieåu thò nhö sau:

ÔÛ caùc loaøi vi khuaån lam (Cyanobacteria) coá ñònh nitrogen, coâng vieäc khöû N2 thaønh NH3 xaûy ra ôû caùc teá baøo dò hình. Chæ coù caùc teá baøo dò hình môùi coù chöùa nitrogenase.

106

Vi khuaån lam Anabaena sphaerica. Teábaøo dò hình (lôùn hôn) laø nôi thöïc hieän

quaù trình coá ñònh nitrogen

107

CHÖÔNG 8

SINH TRÖÔÛNG VAØ PHAÙT TRIEÅN ÔÛ VI SINH VAÄT Sinh tröôûng vaø phaùt trieån laø thuoäc tính cô sôû cuûa sinh vaät. Cuõng nhö ñoäng vaät vaø

thöïc vaät, vi sinh vaät cuõng sinh tröôûng vaø phaùt trieån. Sinh tröôûng laø söï taêng kích thöôùc vaø khoái löôïng cuûa teá baøo, coøn phaùt trieån (hoaëc sinh saûn) laø söï taêng soá löôïng teá baøo. Trong phaàn naøy chuùng ta chuû yeáu ñeà caäp ñeán sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa vi khuaån.

Khi noùi veà sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa vi khuaån töùc laø ñeà caäp ñeán sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa moät soá löôïng lôùn teá baøo cuûa cuøng moät loaïi. Roõ raøng, vieäc nghieân cöùu ôû moät caù theå teá baøo vi khuaån quaù nhoû laø raát khoù.

Tuy nhieân, söï taêng khoái löôïng teá baøo khoâng phaûi bao giôø cuõng dieãn ra song song vôùi söï taêng sinh khoái. Chaúng haïn, khi chaát dinh duôõng trong moâi tröôøng ñaõ caïn, vi khuaån tuy coøn phaân chia 1 - 2 laàn nhöng cho 2 -4 teá baøo nhoû hôn teá baøo bình thöôøng; trong pha môû ñaàu, sinh khoái vi khuaån taêng leân, nhöng soá teá baøo khoâng thay ñoåi, ngöôïc laïi, vaøo cuoái pha logarit kích thöôùc teá baøo giaûm ñi nhöng soá teá baøo vaãn coøn taêng. Vì vaäy caàn phaân bieät caùc thoâng soá vaø haèng soá khaùc nhau khi xaùc ñònh soá löôïng hoaëc khoái löôïng vi khuaån.

Khi xaùc ñònh soá löôïng hay khoái löôïng cuûa vi khuaån ta thöôøng duøng dòch treo ñoàng ñeàu cuûa caùc teá baøo trong moâi tröôøng dòch theå naøo ñoù maø xaùc ñònh noàng ñoä vi khuaån (soá teá baøo trong 1ml) hoaëc maät ñoä vi khuaån (mg/ml). Töø keát quaû ñoù caùc chæ soá naøy coù theå tính ñöôïc haèng soá toác ñoä phaân chia teá baøo (theå hieän baèng soá laàn taêng ñoâi noàng ñoä vi khuaån sau 1 giôø) vaø ñaïi löôïng ngöôïc laïi, töùc thôøi gian theá heä (thôøi gian caàn cho soá löôïng teá baøo trong moät quaàn theå vi khuaån taêng gaáp ñoâi).

Trong ñieàu kieän phoøng thí nghieäm thöôøng ta theo doõi aûnh höôûng cuûa caùc yeáu toá moâi tröôøng leân sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa vi khuaån nhôø caùc phöông phaùp nuoâi caáy thích hôïp. Tuyø tính chaát thay ñoåi trong heä thoáng vi khuaån - moâi tröôøng ta phaân bieät hai phöông phaùp cô baûn nuoâi caáy vi khuaån : nuoâi caáy tónh vaø nuoâi caáy lieân tuïc.

Moät vi sinh vaät trong ñieàu kieän moâi tröôøng thích hôïp seõ khoâng ngöøng haáp thuï chaát dinh döôõng vaø tieán haønh trao ñoåi chaát. Neáu quaù trình ñoàng hoaù lôùn hôn quaù trình dò hoaù thì toång soá nguyeân sinh chaát (khoái löôïng, theå tích, kích thuôùc) seõ khoâng ngöøng taêng leân. Ñoù laø hieän töôïng sinh tröôûng cuûa caù theå. Neáu quaù trình sinh tröôûng caân baèng thì caùc thaønh phaàn cuûa teá baøo cuõng taêng leân theo nhöõng tæ leä thích hôïp, khi ñaït ñeán moät möùc ñoä nhaát ñònh thì seõ hình thaønh söï sinh saûn. Khi ñoù soá löôïng caù theå taêng leân. Caù theå ban ñaàu seõ phaùt trieån daàn leân thaønh moät quaàn theå, söï tieáp tuïc sinh tröôûng cuûa caù theå trong quaàn theå taïo ra söï sinh tröôûng cuûa quaàn theå.

1. Maãu lyù thuyeát veà sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa vi khuaån Giaû söû trong moät bình kín chöùa moät löôïng lôùn moâi tröôøng dinh döôõng, ta caáy vaøo

ñoù moät teá baøo vi khuaån. Neáu thaønh phaàn moâi tröôøng hoaøn toaøn phuø hôïp vôùi nhu caàu cuûa teá baøo, vi khuaån seõ sinh tröôûng, taêng khoái löôïng vaø theå tích, toång hôïp caùc thaønh phaàn cuûa teá baøo (thaønh teá baøo, maøng teá baøo chaát, DNA, RNA, protein...) cho ñeán khi

108

kích thöôùc lôùn gaáp ñoâi. Roài vi khuaån phaân chia cho hai teá baøo. Hai teá baøo naøy laïi tieáp tuïc sinh tröôûng vaø phaân chia ñeå cho 4 roài 8, 16... teá baøo.

Neáu soá teá baøo ban ñaàu khoâng phaûi laø 1 maø laø No thì sau n laàn phaân chia ta seõ coù soá teá baøo toång coäng laø N :

N = No . 2n (1)

Caùc giaù trò N vaø No coù theå xaùc ñònh nhôø phoøng ñeám hoaëc tính soá khuaån laïc moïc treân moâi tröôøng ñaëc. Coøn giaù trò n (soá theá heä) coù theå tính nhôø logarit thaäp phaân :

logN = logNo + n.log2

Töø ñoù :

n = 2log

1 . (logN - logNo) (2)

Ví duï vi khuaån phaân chia n laàn sau thôøi gian t, khoaûng thôøi gian giöõa hai laàn phaân chia lieân tieáp (hoaëc thôøi gian caàn cho vieäc taêng ñoâi soá teá baøo) goïi laø thôøi gian theá heä vaø bieåu thò baèng g :

g = nt = log2

NoNtt

loglog12

−− (3)

ÔÛ ñaây t2 - t1 bieåu thò söï sai khaùc giöõa thôøi gian ñaàu (t1) vaø thôøi gian cuoái (t2) tính baèng giôø trong ñoù soá teá baøo ñöôïc xaùc ñònh. Giaù trò ñaûo ngöôïc cuûa thôøi gian theá heä hay laø soá laàn phaân chia sau moät ñôn vò thôøi gian (töùc sau 1 giôø) goïi laø haèng soá toác ñoä phaân chia C

Haèng soá toác ñoä phaân chia phuï thuoäc vaøo moät soá ñieàu kieän :

a. Loaøi vi khuaån :

Ví duï : ôû 370C, C = 3 ñoái vôùi E. coli vaø C = 0,07 ñoái vôùi Mycobacterium tuberculosis.

b. Nhieät ñoä nuoâi caáy :

Ví duï : E. coli nuoâi caáy trong nöôùc thòt :

Nhieät ñoä (0C) Thôøi gian theá heä (phuùt) Haèng soá toác ñoä phaân chia C

18 22 30 37 42 43

120 60 30 20 20 -

0,5 1 2 3 3 0

109

c. Moâi tröôøng nuoâi caáy

Khi nuoâi caáy B. subtitis ôû 370C, trong :

- nöôùc thòt C = 2

- moâi tröôøng khoaùng - glucose C = 0,8

- moâi tröôøng khoaùng - citrate C = 0,3

- moâi tröôøng khoaùng - glucose - citrate C = 1,2

Ñoái vôùi moät soá cô chaát ñaõ cho haèng soá toác ñoä phaân chia khoâng phuï thuoäc vaøo noàng ñoä trong moät giôùi haïn roäng. Chaúng haïn, ñoái vôùi B. subtitis, khi nuoâi caáy trong moâi tröôøng chöùa glucose, duø noàng ñoä glucose baèng 0,3 hay 50g/l ta vaãn coù C = 0,8 ; C chæ giaûm khi noàng ñoä ñöôøng vöôït ra ngoaøi caùc giôùi haïn noùi treân.

Tuy nhieân, khoâng phaûi bao giôø sinh tröôûng (taêng sinh khoái vi khuaån) cuõng dieãn ra song song vôùi sinh saûn (taêng soá löôïng vi khuaån), tröôøng hôïp naøy chæ gaëp trong pha logarit. Vì vaäy, khi nghieân cöùu ñoäng hoïc trong caùc quaù trình nuoâi caáy lieân tuïc ta thöôøng theo doõi sinh tröôûng vaø sinh saûn cuûa quaàn theå vi khuaån baèng moät tieâu chuaån khaùc. Cuõng coù theå bieåu thò baèng soá löôïng teá baøo nhöng phoå bieán hôn laø bieåu thò baèng sinh khoái vi khuaån, baèng chaát khoâ hay baèng maät ñoä quang hoïc ... (caàn chuù yù raèng maät ñoä quang hoïc tæ leä vôùi soá teá baøo).

2. Sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa vi khuaån trong ñieàu kieän nuoâi caáy tónh. Ñöôøng cong sinh tröôûng

Neáu theo doõi sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa vi khuaån trong ñieàu kieän phoøng thí nghieäm ta nhaän thaáy soá löôïng chuùng taêng leân raát nhanh. Ñieàu naøy deã hieåu, vì vôùi ñieàu kieän thích hôïp thôøi gian t theá heä (hay noùi ñuùng hôn, thôøi gian taêng ñoâi) cuûa nhieàu loaøi vi khuaån chæ vaøo khoaûng 30 phuùt. Roõ raøng caùc quaù trình sinh toång hôïp cuõng nhö caùc quaù trình dò hoaù (nhö hoâ haáp) nhaèm cung caáp nguyeân lieäu vaø naêng löôïng cho caùc phaûn öùng toång hôïp ñaõ dieãn ra trong teá baøo vôùi toác ñoä raát nhanh, hoaøn toaøn khoâng thaáy ôû caùc sinh vaät khaùc. Dó nhieân hieän töôïng noùi treân khoâng bao giôø xaûy ra vì sinh tröôûng vaø sinh saûn cuûa vi khuaån trong moät heä thoáng ñoùng kín chæ sau moät thôøi gian nhaát ñònh, vì nhieàu nguyeân nhaân khaùc nhau, seõ bò ngöøng laïi.

Phöông phaùp nuoâi caáy maø trong suoát thôøi gian ñoù ta khoâng theâm vaøo chaát dinh döôõng cuõng khoâng loaïi boû ñi caùc saûn phaåm cuoái cuøng cuûa trao ñoåi chaát goïi laø nuoâi caáy tónh. Söï sinh tröôûng trong moät heä thoáng nhö vaäy tuaân theo nhöõng quy luaät baét buoäc khoâng nhöõng ñoái vôùi caùc cô theå ñôn baøo maø caû ñoái vôùi caùc cô theå ña baøo.

2.1. Pha lag

Pha naøy tính töø luùc baét ñaàu caáy ñeán khi vi khuaån ñaït ñöôïc toác ñoä sinh tröôûng cöïc ñaïi. Trong pha lag vi khuaån chöa phaân chia (nghóa laø chöa coù khaû naêng sinh saûn) nhöng theå tích vaø khoái löôïng teá baøo taêng leân roõ reät do quaù trình toång hôïp caùc chaát, tröôùc heát laø caùc cao phaân töû (protein, enzyme, acid nucleic...) dieãn ra maïnh meõ. Moät soá enzyme caàn cho quaù trình toång hôïp thuoäc caùc endoenzyme loaïi proteinase, amylase vaø

110

caùc enzyme naèm trong quaù trình chuyeån hoaù glucide, ñeàu ñöôïc hình thaønh trong pha naøy.

Ñoä daøi cuûa pha lag phuï thuoäc tröôùc heát vaøo tuoåi cuûa oáng gioáng vaø thaønh phaåm moâi tröôøng. Chaúng haïn, pha lag seõ khoâng coù neáu ta duøng oáng gioáng goàm caùc teá baøo ñang ôû pha sinh tröôûng logarit vaø caáy chuùng vaøo cuøng moät moâi tröôøng döôùi nhöõng ñieàu kieän nuoâi caáy nhö nhau. Traùi laïi neáu ta caáy caùc teá baøo ôû pha oån ñònh hoaëc caùc baøo töû vaøo cuøng moät moâi tröôøng döôùi nhöõng ñieàu kieän nuoâi caáy nhö nhau, pha lag vaãn coù. Thöôøng thöôøng teá baøo caøng giaø thì pha lag caøng daøi. Roõ raøng nguyeân nhaân cuûa pha lag laø söï khaùc bieät giöõa caùc teá baøo ôû pha oån ñònh (hoaëc baøo töû) vôùi caùc teá baøo ñang sinh tröôûng logarit. Trong pha lag dieãn ra vieäc xaây döïng laïi caùc teá baøo nghæ thaønh caùc teá baøo sinh tröôûng logarit.

Nhöng ngay khi duøng caùc teá baøo ñang sinh tröôûng logarit maø caáy vaøo moâi tröôøng môùi khaùc vôùi moâi tröôøng tröôùc ñaây ta vaãn thaáy pha lag. Nguyeân nhaân cuûa pha lag trong tröôøng hôïp naøy chính laø söï thích öùng cuûa vi khuaån vôùi ñieàu kieän nuoâi caáy môùi. Söï thích öùng ñoù coù lieân quan vôùi söï toång hôïp caùc enzyme môùi maø tröôùc ñaây teá baøo chöa caàn.. Caùc enzyme môùi naøy ñöôïc toång hôïp nhôø söï caûm öùng vôùi cuûa caùc cô chaát môùi.

Vieäc tìm hieåu ñoä daøi thôøi gian cuûa pha lag laø caàn thieát trong vieäc phaùn ñoaùn ñaëc tính cuûa vi khuaån vaø tính chaát cuûa moâi tröôøng.

Nhö ta ñaõ bieát, pha lag bieåu thò söï thích nghi cuûa vi khuaån vôùi moät moâi tröôøng ñaõ cho. Traïng thaùi sinh lyù cuûa vi khuaån caøng xa vôùi sinh tröôûng logarit trong moâi tröôøng môùi thì pha lag caøng daøi. Nhöng yeáu toá thöù hai aûnh höôûng ñeán ñoä daøi thôøi gian cuûa pha lag laø toác ñoä cuûa caùc quaù trình dieãn ra trong teá baøo, tröôùc heát laø toác ñoä toång hôïp caùc enzyme thích öùng môùi.

Coù raát nhieàu yeáu toá aûnh höôûng ñeán pha lag. Ñaùng chuù yù nhaát laø 3 yeáu toá sau ñaây:

- Tuoåi gioáng caáy : Tuoåi cuûa quaàn theå gioáng caáy töùc laø chuùng ñang ôû giai ñoaïn sinh tröôûng naøo, coù aûnh höôûng raát roõ ñeán pha lag. Thöïc nghieäm chöùng minh neáu gioáng caáy ôû giai ñoaïn pha lag (hay pha chæ soá) thì pha lag seõ ngaén. Ngöôïc laïi neáu gioáng caáy ôû pha töû vong thì pha lag ôû vaät nuoâi seõ keùo daøi.

- Löôïng caáy gioáng : noùi chung löôïng caáy gioáng nhieàu thì pha lag ngaén vaø ngöôïc laïi. Trong coâng nghieäp leân men tyû leä caáy gioáng thöôøng ôû möùc 1/10.

- Thaønh phaàn moâi tröôøng : Moâi tröôøng coù thaønh phaàn dinh döôõng phong phuù (thöôøng laø moâi tröôøng coù cô chaát thieân nhieân) thì cho pha lag ngaén. Trong coâng nghieäp leân men thaønh phaàn cuûa moâi tröôøng leân men thöôøng traùnh sai khaùc nhieàu so vôùi thaønh phaàn cuûa moâi tröôøng nhaân gioáng.

111

2.2. Pha log

Trong pha naøy vi khuaån sinh tröôûng vaø phaùt trieån theo luyõ thöøa, nghóa laø sinh khoái vaø soá löôïng teá baøo taêng theo phöông trình N = No . 2ct hay X = Xo . cμt. kích thöôùc cuûa teá baøo, thaønh phaàn hoaù hoïc, hoaït tính sinh lyù ... noùi chung khoâng thay ñoåi theo thôøi gian. Teá baøo ôû traïng thaùi ñoäng hoïc vaø ñöôïc coi nhö laø “nhöõng teá baøo tieâu chuaån”.

Neáu ta laáy truïc tung laø soá teá baøo, truïc hoaønh laø thôøi gian ta seõ coù ñöôøng bieåu dieãn laø ñöôøng cong I.

Moät ñoà thò nhö vaäy roõ raøng khoâng coù lôïi cho vieäc tính toaùn. Cho neân ngöôøi ta

thöôøng laáy truïc tung laø logarit cuûa soá teá baøo vaø ñöôøng bieåu dieãn sinh tröôûng theo luyõ thöøa cuûa vi khuaån seõ laø ñöôøng thaúng. Vì pha sinh tröôûng theo luyõ thöøa cuûa vi khuaån

112

ñöôïc bieåu dieãn baèng söï phuï thuoäc theo ñöôøng thaúng giöõa thôøi gian vaø logarit cuûa soá teá baøo neân pha naøy ñöôïc goïi laø pha logarit. Hôn nöõa, ngöôøi ta thöôøng duøng logarit cô soá 2 laø thích hôïp hôn caû vì söï thay ñoåi moät ñôn vò cuûa log2 treân truïc tung chính laø söï taêng ñoâi soá löôïng vi khuaån vaø thôøi gian caàn ñeå taêng moät ñôn vò cuûa log2 laïi laø thôøi gian theá heä.

Ba thoâng soá quan troïng cuûa pha log laø thôøi gian theá heä (hoaëc thôøi gian taêng ñoâi) g, haèng soá toác ñoä phaân chia c vaø haèng soá toác ñoä sinh tröôûng μ. Neáu xaùc ñònh thôøi gian theá heä g theo soá teá baøo baèng phöông phaùp noùi treân ta seõ nhaän ñöôïc giaù trò trung bình. Treân thöïc teá, trong moät quaàn theå vi khuaån luoân luoân coù moät soá teá baøo khoâng coù khaû naêng phaân chia. Vì vaäy caùc teá baøo phaân chia maïnh thöôøng coù thôøi gian theá heä nhoû hôn giaù trò trung bình tìm thaáy. Caùc haèng soá c vaø μ coù theå tính ñöôïc töø phöông trình :

)(logloglog

122

1222

tteXX

−−

=μ

Caùc haèng soá naøy thay ñoåi tuyø theo haøng loaït yeáu toá moâi tröôøng vaø ñieàu kieän nuoâi caáy. Tuy nhieân trong ñieàu kieän thí nghieäm coù theå ñieàu chænh sao cho toác ñoä sinh tröôûng cuûa vi khuaån chæ maãn caûm, nghóa laø chæ phuï thuoäc vaøo moät yeáu toá, coøn caùc yeáu toác khaùc cuûa moâi tröôøng khoâng coù aûnh höôûng gì. Trong tröôøng hôïp nhö vaäy yeáu toá ñaõ cho laø yeáu toá haïn cheá toác ñoä sinh tröôûng. Monod (1942) laø ngöôøi ñaàu tieân ñaõ chöùng minh raèng neáu taát caû caùc chaát dinh döôõng ñeàu ôû noàng ñoä dö thöøa tröø moät chaát haïn cheá thì haèng soá toác ñoä phaân chia (hoaëc sinh tröôûng) seõ laø haøm soá cuûa noàng ñoä chaát dinh döôõng haïn cheá naøy. Chaát dinh döôõng haïn cheá coù theå laø ñöôøng (saccharose, glucose) acid amin (tryptophan, arginin), chaát voâ cô (phosphate, CO2).

Sinh tröôûng theo luyõ thöøa cuûa moät vi khuaån coù thôøi gian theá heä laø 20 phuùt

Soá teá baøo bieåu thò baèng Thôøi gian (phuùt )

Soá laàn phaân chia soá soá hoïc log2 log10

0 20 40 60 80

100

0 1 2 3 4 5

1 2 4 8

16 32

0 1 2 3 4 5

0,000 0,301 0,602 0,903 1,204 1,505

Vì vaäy Monod ñaõ neâu leân moät caùch töông töï moái quan heä giöõa caùc haèng soá c vaø μ vôùi noàng ñoä chaát dinh döôõng haïn cheá qua caùc phöông trình :

][

][max SK

Sccs +

=

vaø ][

][max SK

S

s −= μμ

113

ÔÛ ñaây cmax vaø μmax laàn löôït laø haèng soá toác ñoä phaân chia vaø haèng soá toác ñoä sinh tröôûng cöïc ñaïi, Ks laø haèng soá baõo hoaø vaø [S] laø noàng ñoä chaát dinh döôõng haïn cheá. Gioáng nhö haèng soá Michaelis km, haèng soá baõo hoaø Ks bieåu thò aùi löïc cuûa teá baøo ñoái vôùi chaát dinh döôõng : Giaù trò cuûa Ks caøng nhoû thì aùi löïc caøng lôùn. Ñoù laø noàng ñoä cuûa chaát

dinh döôõng haïn cheá maø ôû ñoù μ ñaït ñöôïc nöûa giaù trò cöïc ñaïi, töùc max

1μ

μ = . Giaù trò cuûa Ks

thöôøng raát thaáp.

Moät soá haèng soá baõo hoaø

Vi sinh vaät Chaát dinh döôõng haïn cheá

Ks

E. coli E. coli E. coli E. coli E. coli E. coli

M. tuberculosis A. aerogenes

B. megatherium E. coli

glucose mannitol lactose glucose

tryptophan tryptophan

glucose phosphate

O2 O2

O2

4mg/l 2mg/l

20mg/l 7,5mg/l

0,2 ñeán 1,0 μg/l 0,4 μg/l 3, 9μg/l

0,6mmol/l 3,1 . 10-8 mol/l 6,0 . 107 mol/l 2,2 . 10-8 mol/l

2.3. Pha oån ñònh

Trong pha naøy quaàn theå vi khuaån ôû traïng thaùi caân baèng ñoäng hoïc, soá teá baøo môùi sinh ra baèng soá teá baøo cuõ cheát ñi. Keát quaû : soá teá baøo vaø caû sinh khoái khoâng taêng cuõng khoâng giaûm. Toác ñoä sinh tröôûng baây giôø phuï thuoäc vaøo noàng ñoä cô chaát. Cho neân khi giaûm noàng ñoä cô chaát (tröôùc khi cô chaát bò caïn hoaøn toaøn) toác ñoä sinh tröôûng cuûa vi khuaån cuõng giaûm. Do ñoù vieäc chuyeån töø pha lag sang pha oån ñònh dieãn ra daàn daàn.

Nguyeân nhaân toàn taïi cuûa pha oån ñònh laø do söï tích luyõ caùc saûn phaåm ñoäc cuûa trao ñoåi chaát (caùc loaïi röôïu, acid höõu cô) vaø söï caïn chaát dinh döôõng (thöôøng laø chaát dinh döôõng coù noàng ñoä thaáp nhaát). Nguyeân nhaân thöù nhaát raát phöùc taïp vaø khoù phaân tích, nguyeân nhaân thöù hai ñaõ ñöôïc nghieân cöùu kyõ hôn. Söï taêng sinh khoái toång coäng tyû leä thuaän vôùi noàng ñoä ban ñaàu cuûa chaát dinh döôõng haïn cheá.

G = K . c

ÔÛ ñaây G laø ñoä taêng sinh khoái toång coäng, c laø noàng ñoä ban ñaàu cuûa chaát dinh döôõng haïn cheá. K laø haèng soá hieäu suaát :

K = G / c

114

Haèng soá hieäu suaát K thöôøng ñöôïc bieåu thò baèng soá mg chaát khoâ ñoái vôùi 1mg chaát dinh döôõng. Ñoái vôùi caùc ñöôøng, K thöôøng dao ñoäng khoaûng töø 0,20 ñeán 0,30 nghóa laø töø 100mg ñöôøng ñöôïc taïo thaønh 20 - 30mg khoái löôïng khoâ cuûa teá baøo.

Caàn chuù yù raèng ngay trong pha oån ñònh coù theå dieãn ra caùc quaù trình nhö söû duïng chaát dinh döôõng, phaân huyû moät phaàn ribosome. Nhöõng teá baøo maãn caûm seõ cheát tröôùc, nhöõng teá baøo khaùc coøn toàn taïi moät thôøi gian cho tôùi khi naøo vieäc oxy hoaù caùc chaát döï tröõ hoaëc caùc protein cuûa teá baøo ñaõ caïn. Löôïng sinh khoái ñaït ñöôïc trong pha oån ñònh goïi laø hieäu suaát hoaëc saûn löôïng. Saûn löôïng phuï thuoäc vaøo tính chaát vaø soá löôïng caùc chaát dinh döôõng söû duïng vaø vaøo ñieàu kieän nuoâi caáy. Ñoù laø söï sai khaùc giöõa soá löôïng vi khuaån cöïc ñaïi vaø khoái löôïng vi khuaån ban ñaàu.

X = Xmax - Xo

Ñaïi löôïng naøy ñöôïc bieåu thò baèng gam.

2.4. Pha töû vong

Trong pha naøy soá löôïng teá baøo soáng coù khaû naêng soáng giaûm theo luyõ thöøa (maëc duø soá löôïng teá baøo toång coäng coù theå khoâng giaûm). Ñoâi khi caùc teá baøo töï phaân nhôø caùc enzyme cuûa baûn thaân. ÔÛ caùc vi khuaån sinh baøo töû thì phöùc taïp hôn do quaù trình hình thaønh baøo töû.

Thöïc ra chöa coù moät quy luaät chung cho pha töû vong. Söï cheát cuûa teá baøo coù theå nhanh hay chaäm, coù lieân quan ñeán söï töï phaân hay khoâng töï phaân. Do söùc soáng lôùn, baøo töû bò cheát chaäm nhaát (trong nhöõng ñieàu kieän thích hôïp nhö khoâ vaø nhieät ñoä thaáp baøo töû coù theå duy trì ñöôïc khaû naêng soáng haøng traêm naêm). Nguyeân nhaân cuûa pha töû vong chöa thaät roõ raøng, nhöng coù lieân quan vôùi ñieàu kieän baát lôïi cuûa moâi tröôøng. Trong tröôøng hôïp moâi tröôøng tích luyõ caùc acid (Escherichia, Lactobacillus) nguyeân nhaân cuûa söï cheát teá baøo töông ñoái deã hieåu. Noàng ñoä chaát dinh döôõng thaáp döôùi möùc caàn thieát, seõ laøm giaûm hoaït tính trao ñoåi chaát, phaân huyû daàn daàn caùc chaát döï tröõ vaø cuoái cuøng daãn ñeán söï cheát cuûa haøng loaït teá baøo. Ngoaøi ñaëc tính cuûa baûn thaân chuûng vi khuaån, tính chaát cuûa caùc saûn phaåm trao ñoåi chaát tích luyõ cuõng aûnh höôûng ñeán tieán trình cuûa pha töû vong.

Moät soá enzyme theå hieän hoaït tính xuùc taùc cöïc ñaïi trong pha töû vong nhö deaminase, decarboxylase, caùc amilase vaø proteinase ngoaïi baøo. Ngoaøi chöùc naêng xuùc taùc moät soá quaù trình toång hôïp nhöõng enzyme noùi treân chuû yeáu xuùc taùc caùc quaù trình phaân giaûi.

Toác ñoä töû vong cuûa teá baøo coù lieân quan tröïc tieáp ñeán thöïc tieãn vi sinh vaät hoïc vaø kyõ thuaät, ñoù laø vaán ñeà baûo quaûn caùc chuûng vi sinh vaät quan troïng veà maët lyù thuyeát (caùc chuûng vaø caùc bieán chuûng ñaëc bieät) vaø kyõ thuaät (caùc chuûng sinh chaát khaùng sinh, acid amin, vitamine... vôùi saûn löôïng cao). Ngoaøi khaû naêng soáng ta coøn caàn baûo quaûn caû caùc ñaëc tính di truyeàn cuûa vi khuaån. Coù nhieàu phöông phaùp baûo quaûn khaùc nhau, nhöng taát caû ñeàu nhaèm laøm giaûm trao ñoåi chaát ñeán toái thieåu chuû yeáu baèng caùch giaûm nhieät ñoä vaø ñoä aåm. Sau ñaây laø moät soá phöông phaùp thöôøng duøng trong vieäc baûo quaûn vi sinh vaät :

115

a. Caáy chuyeån thöôøng xuyeân treân thaïch nghieâng hoaëc trích saâu vaøo thaïch. Sau khi ñaõ sinh tröôûng, vi khuaån ñöôïc giöõ trong tuû laïnh ôû + 40C. Phöông phaùp naøy ñôn giaûn nhaát vaø thöôøng ñöôïc duøng, nhöng keùm hieäu quaû nhaát.

b. Baûo quaûn döôùi daàu voâ truøng : daàu parafin vöøa ngaên caûn moâi tröôøng khoâ vöøa laøm giaûm trao ñoåi chaát do caûn trôû söï xaâm nhaäp cuûa oxy.

c. Baûo quaûn trong caùt hoaëc ñaát seùt voâ truøng : Do caáu truùc lyù - hoaù caùt vaø ñaát seùt ñeàu laø nhöõng vaät chaát toát mang caùc teá baøo vi sinh vaät, chuû yeáu laø caùc baøo töû. Sau khi laøm khoâ khoâng khí caùt (hoaëc ñaát seùt) cuøng vôùi vi khuaån coù theå baûo quaûn teá baøo raát laâu.

d. Ñoâng khoâ ; laø phöông phaùp hoaøn thieän vaø coù hieäu quaû nhaát. Vi khuaån ñöôïc troän vôùi moâi tröôøng thích hôïp (söõa, huyeát thanh,...) roài laøm laïnh vaø laøm khoâ nhôø baêng khoâ. Sau maáy naêm baûo quaûn teá baøo vaãn giöõ ñöôïc khaû naêng soáng maø khoâng bò bieán ñoåi veà di truyeàn.

e. Baûo quaûn trong glycerin (10%) vaø giöõ trong tuû laïnh saâu (-600C hay -800C) : Ñaây laø phöông phaùp raát thích hôïp nhöng caàn mua ñöôïc loaïi oáng nhöïa chòu nhieät (khi khöû truøng).

3. Sinh tröôûng cuûa vi khuaån trong quaù trình nuoâi caáy lieân tuïc Trong phöông phaùp nuoâi caáy tónh noùi treân, caùc ñieàu kieän moâi tröôøng luoân luoân

thay ñoåi theo thôøi gian, maät ñoä vi khuaån taêng leân coøn noàng ñoä cô chaát giaûm xuoáng. Vi khuaån phaûi sinh tröôûng vaø phaùt trieån theo moät soá pha nhaát ñònh, sinh khoái ñaït ñöôïc khoâng cao. Tuy nhieân trong nhieàu nghieân cöùu vaø thöïc tieån saûn xuaát ta caàn cung caáp cho vi sinh vaät nhöõng ñieàu kieän oån ñònh ñeå trong moät thôøi gian daøi chuùng coù theå vaãn sinh tröôûng trong pha log. Dó nhieân ôû moät möùc ñoä naøo ñoù coù theå caáy chuyeàn teá baøo nhieàu laàn (qua nhöõng khoaûng thôøi gian ngaén) vaøo moâi tröôøng dinh döôøng môùi . Nhöng ñôn giaûn hôn, ngöôøi ta ñöa lieân tuïc moâi tröôøng dinh döôõng môùi vaøo bình nuoâi caáy vi khuaån ñoàng thôøi loaïi khoûi bình moät löôïng töông öùng dòch vi khuaån. Ñaây chính laø cô sôû cuûa phöông phaùp nuoâi caáy lieân tuïc trong chemostat vaø turbidostat.

Giaû söû ta coù moät bình nuoâi caáy trong ñoù vi khuaån ñang sinh tröôûng phaùt trieån, cho chaûy lieân tuïc vaøo bình moâi tröôøng môùi coù thaønh phaàn khoâng ñoåi. Theå tích bình nuoâi caáy ñöôïc giöõ khoâng ñoåi, nghóa laø doøng moâi tröôøng ñi vaøo ñöôïc buø bôûi doøng moâi tröôøng ñi ra côùi cuøng toác ñoä.

Ta goïi theå tích bình laø v (lít) laø toác ñoâï vaøo cuûa moâi tröôøng dinh döôõng, toác ñoä doøng ñi vaøo laø f (lít/giôø). Do ñoù toác ñoä pha loaõng (coøn goïi laø heä soá pha loaõng) D laø f/v. Ñaïi löôïng D bieåu thò söï thay ñoåi theå tích sau 1 giôø.

Neáu vi khuaån khoâng sinh tröôûng vaø phaùt trieån, chuùng seõ bò ruùt khoûi bình nuoâi caáy vôùi toác ñoä :

XDdtdXv .=−=−

ÔÛ ñaây X laø sinh khoái teá baøo (g/l).

116

Toác ñoä sinh tröôûng cuûa quaàn theå vi khuaån trong bình cho bôûi phöông trình :

XdtdXv μ==+

toác ñoä thay ñoåi cuoái cuøng (taêng hoaëc giaûm) maät ñoä vi khuaån trong nuoâi caáy lieân tuïc laø söï sai khaùc giöõa toác ñoä taêng vaø toác ñoä giaûm v :

v = v+ - v- = dtdX = (μ - D)X

Neáu μ < D giaù trò v = dX/dt coù giaù trò döông, nghóa laø maät ñoä vi khuaån trong bình taêng, ngöôïc laïi neáu μ < D, v seõ coù giaù trò aâm vaø maät ñoä vi khuaån trong bình giaûm. Trong tröôøng hôïp ñaëc bieät μ = D ta coù v = 0, nghóa laø maät ñoä teá baøo khoâng taêng khoâng giaûm theo thôøi gian, quaàn theå vi khuaån ôû trong traïng thaùi caân baèng ñoäng hoïc.

Neáu bình thí nghieäm coù thieát bò duy trì sao cho μ luoân luoân baèng D ta seõ thu ñöôïc quaàn theå vi khuaån sinh tröôûng vaø phaùt trieån theo luyõ thöøa thöôøng xuyeân ôû moät maät ñoä teá baøo khoâng ñoåi vaø khoâng phuï thuoäc vaøo thôøi gian. Trong tröôøng hôïp nhö vaäy khoâng nhöõng kích thöôùc trung bình cuûa teá baøo, traïng thaùi sinh lyù cuûa chuùng maø caû moâi tröôøng nuoâi caáy ñeàu khoâng ñoåi vaø khoâng phuï thuoäc vaøo thôøi gian. Ñieàu naøy, moät maët taïo ñieàu kieän cho vieäc nghieân cöùu sinh tröôûng vaø sinh lyù cuûa teá baøo vi khuaån, maët khaùc caûi thieän quaù trình saûn xuaát vi sinh vaät ôû quy moâ coâng nghieäp.

Chemostat vaø turbidostat laø hai thieát bò nuoâi caáy trong ñoù ta coù theå duy trì ñöôïc ñieàu kieän μ = D

Chemostat goàm moät bình nuoâi caáy, dung dòch dinh döôõng töø moät bình döï tröõ chaûy vaøo ñaây vôùi moät toác ñoä khoâng ñoåi. Nhôø thoâng khí vaø khuaáy cô hoïc bình nuoâi caáy ñöôïc cung caáp ñaày ñuû oxy vaø baûo ñaûm vieäc phaân boá nhanh vaø ñoàng ñeàu caùc chaát dinh döôõng trong doøng moâi tröôøng ñi vaøo. Theo möùc ñoä vaøo cuûa moâi tröôøng maø dòch vi khuaån ñöôïc ruùt khoûi bình moät caùch thích hôïp.

Sinh tröôûng cuûa vi khuaån trong chemostat ñöôïc ñieàu chænh bôûi noàng ñoä cô chaát. Chaát dinh döôõng haïn cheá naøy coù theå laø moät thaønh phaàn chuû yeáu naøo ñoù cuûa moâi tröôøng. Phoå bieán hôn caû laø nguoàn carbon vaø naêng löôïng, nhöng thöôøng ngöôøi ta cuõng choïn nguoàn nitrogen, phosphore, löu huyønh hoaëc Mg2+. Nhö ñaõ noùi treân, μ laø haøm soá cuûa noàng ñoä chaát dinh döôõng haïn cheá.

μ = μmax

Nghóa laø coù voâ soá haèng soá μ töø μ = 0 ñeán μ = μmax (haèng soá toác ñoä sinh tröôûng cöïc ñaïi ñaït ñöôïc khi baõo hoaø cô chaát) tuyø theo noàng ñoä chaát dinh döôõng haïn cheá sao cho maät ñoä vi khuaån trong bình khoâng bò giaûm. Nhö theá seõ coù moät toác ñoä pha loaõng Dm, ôû ñoù sinh khoái vi khuaån ñaït ñöôïc cöïc ñaïi, nghóa laø Dm = μmax.

Traùi vôùi chemostat hoaït ñoäng cuûa turbidostat (töø chöõ turbidity = ñoä ñuïc) döïa vaøo vieäc duy trì maät ñoä (hoaëc ñoä ñuïc) vi khuaån khoâng ñoåi. Teá baøo quang ñieän ño ñoä ñuïc ñieàu chænh moâi tröôøng ñi vaøo bình qua moät heä thoáng rôle. Trong bình nuoâi caáy taát caû chaát dinh döôõng ñeàu ôû noàng ñoä dö thöøa vaø vi khuaån sinh tröôûng vôùi toác ñoä gaàn cöïc ñaïi.

117

Neáu maät ñoä teá baøo taêng quaù giaù trò caàn thieát thì heä soá pha loaõng seõ taêng vaø phaàn teá baøo thöøa bò loaïi ra ngoaøi (vì D > μmax). Ngöôïc laïi neáu maät ñoä teá baøo giaûm xuoáng döôùi möùc choïn löïa heä soá D laïi giaûm vaø maät ñoä teá baøo seõ taêng (vì μmax > D). keát quaû cuûa söï ñieàu chænh laø duy trì cho heä soá pha loaõng D = μmax.

Roõ raøng veà maët kyõ thuaät phöông phaùp turbidostat phöùc taïp hôn chemostat.

Toùm laïi, coù nhöõng sai khaùc chính giöõa nuoâi caáy tónh vaø nuoâi caáy lieân tuïc:

Nuoâi caáy tónh ñöôïc xem nhö laø heä thoáng ñoùng, quaàn theå teá baøo sinh tröôûng trong ñoù phaûi traûi qua caùc pha môû ñaàu logarit, oån ñònh vaø töû vong. Moãi pha sinh tröôûng ñöôïc ñaëc tröng bôûi nhöõng ñieàu kieän nhaát ñònh. Vieäc ñieàu khieån töï ñoäng khoù thöïc hieän.

Nuoâi caáy lieân tuïc, traùi laïi, laø heä thoáng môû coù khuynh höôùng daãn ñeán vieäc thieát laäp moät caân baèng ñoäng hoïc. Yeáu toá thôøi gian ôû ñaây, trong phaïm vi nhaát ñònh, bò loaïi tröø. Teá baøo ñöôïc cung caáp nhöõng ñieàu kieän moâi tröôøng khoâng ñoåi, nhôø vieäc ñieàu chænh töï ñoäng.

4. Laøm ñoàng boä söï phaân chia teá baøo Bình thöôøng quaàn theå vi khuaån ñang sinh tröôûng vaø phaân chia laø moät hoãn hôïp teá

baøo ôû caùc pha sinh tröôûng raát khaùc nhau cuûa söï phaân chia teá baøo, nghóa laø vaøo luùc baát kyø, trong moâi tröôøng nuoâi caáy ta coù theå ñoàng thôøi gaëp caùc teá baøo vöøa phaân chia xong, saép phaân chia hoaëc ôû nhöõng giai ñoaïn keá tieáp. Tuy nhieân, muoán nghieân cöùu caùc quaù trình trao ñoåi chaát trong suoát chu kyø phaân chia teá baøo ta caàn coù moät quaàn theå vi khuaån trong ñoù caùc teá baøo phaân chia ñoàng thôøi (ñoàng boä). Coù theå laøm ñoàng boä söï phaân chia teá baøo baèng moät phöông phaùp nhaân taïo nhö thay ñoåi sinh lyù teá baøo hoaëc döïa vaøo vieäc choïn loïc cô hoïc caùc teá baøo coù cuøng kích thöôùc.

Phöông phaùp sinh lyù laøm ñoàng boä söï phaân chia teá baøo phoå bieán laø phöông phaùp gaây choaùng nhieät. Nhö ta bieát, trong nhöõng ñieàu kieän nuoâi caáy bình thöôøng ôû nhieät ñoä thích hôïp (ôû vi khuaån laø 300C, 370C) caùc quaù trình toång hôïp phaàn lôùn caùc cao phaân töû (DNA, RNA, protein) dieãn ra song song vaø ôû traïng thaùi caân baèng. Baèng caùch giaûm nhieät ñoä ta seõ phaù huyû caân baèng naøy. Trong khi toång hôïp DNA coøn tieáp tuïc moät thôøi gian thì vieäc toång hôïp RNA vaø protein bò ngöøng. Keát quaû laø söï phaân chia teá baøo cuõng bò ngöøng. Neáu phuïc hoài laïi nhieät ñoä thích hôïp ban ñaàu thì chæ sau moät thôøi gian lag ngaén, teá baøo seõ baét ñaàu phaân chia nhöng baây giôø phaân chia ñoàng boä töùc laø phaàn lôùn teá baøo ñeàu phaân chia trong moät khoaûng thôøi gian töông ñoái ngaén. Sau khi naâng nhieät ñoä quaù trình toång hôïp RNA vaø protein ñöôïc phuïc hoài coøn haøm löôïng DNA vaãn ôû möùc ban ñaàu töông öùng vôùi chaëng keát thuùc nhaân ñoâi cuûa nhieãm saéc theå.

Tuy nhieân, söï phaân chia ñoàng boä, khoâng phaûi laø traïng thaùi beàn vöõng , chæ sau vaøi theá heä tính ñoàng boä laïi bò phaù huyû vaø quaàn theå vi khuaån laïi laø moät hoãn hôïp teá baøo ôû caùc pha phaân chia khaùc nhau.

Phöông phaùp naâng cao nhieät ñoä ñaõ ñöôïc öùng duïng ñaàu tieân vôùi ñoäng vaät nguyeân sinh (Tetrahymena).

118

Vieäc phaân tích sinh lyù caùc teá baøo phaân chia ñoàng boä chöùng minh raèng do söï phaù huyû thöù töï bình thöôøng cuûa söï phaân chia nhieãm saéc theå vaø söï phaân chia teá baøo maø gaây neân hieän töôïng sinh tröôûng maát caân baèng ñoù laø nguyeân nhaân cuûa söï phaân chia ñoàng boä. Nhö ta bieát ñieàu kieän ñeå môû ñaàu vieäc phaân chia teá baøo laø söï keát thuùc quaù trình nhaân ñoâi nhieãm saéc theå. Maët khaùc, moät khi ñaõ ôû trong traïng thaùi nhaân ñoâi nhieãm saéc theå seõ ñoäc laäp vôùi caùc ñieàu kieän sinh tröôûng vaø chu trình nhaân ñoâi seõ hoaøn thaønh ngay khi toång hôïp protein bò kìm haõm bôûi cloramphenicol hoaëc bôûi thieáu moät acid amin chuû yeáu.

Treân cô sôû cuûa nhöõng keát quaû naøy ta coù theå hieåu ñöôïc nguyeân taéc laøm ñoàng boä khoâng phaûi chæ baèng gaây choaùng nhieät maø noùi chung baèng moïi taùc ñoäng khaùc ñeán traïng thaùi sinh lyù bình thöôøng cuûa teá baøo. Nhieät ñoä thaáp laøm ngöøng toång hôïp RNA vaø protein nhöng vieäc nhaân ñoâi nhieãm saéc theå vaãn ñöôïc hoaøn thaønh maëc duø vôùi toác ñoä chaäm. Do toång hôïp RNA vaø protein bò kìm haõm maø söï phaân chia teá baøo vaø sinh tröôûng cuõng bò ngöøng. Bôûi vì deã hieåu raèng, toång hôïp protein laø caàn khoâng nhöõng cho vieäc môû ñaàu moät chu trình nhaân ñoâi môùi cuûa DNA maø caû cho vieäc toång hôïp caùc enzyme vaø caùc caáu truùc caàn thieát ñoái vôùi söï hình thaønh vaùch ngaên ngang. Coøn sinh tröôûng bò ngöøng thì coù theå hieåu raèng vì protein laø thaønh phaàn chuû yeáu cuûa teá baøo vaø sinh tröôûng ñoøi hoûi coù nhöõng enzyme thöôøng xuyeân hoaït ñoäng khoâng nhöõng tham gia vaøo caùc quaù trình sinh toång hôïp maø caû vaøo caùc quaù trình phaân giaû (quaù trình cung caáp naêng löôïng vaø caùc tieàn chaát cho vieäc toång hôïp). Nguyeân nhaân tröïc tieáp cuûa söï phaân chia ñoàng boä sau khi phuïc hoài nhieät ñoä thích hôïp laø traïng thaùi gioáng nhau cuûa söï nhaân ñoâi nhieãm saéc theå. Vaøo cuoái luùc gaây choaùng laïnh taát caû vi khuaån ñeàu chöùa moät nhieãm saéc theå ñaõ nhaân ñoâi, baát keå teá baøo ñaõ ôû giai ñoaïn naøo cuûa söï nhaân ñoâi khi haï nhieät ñoä. Vieäc phuïc hoài nhieät ñoä daãn ñeán vieäc hoaït ñoäng ñoàng thôøi cuûa caùc quaù trình keá tieáp söï nhaân ñoâi : phaân ly nhieãm saéc theå vaø hình thaønh caùc vaùch ngang.

Moät phöông phaùp sinh lyù khaùc laøm ñoàng boä söï phaân chia teá baøo laø thay ñoåi thaønh phaàn cuûa moâi tröôøng.

Neáu vaøo moät luùc naøo ñoù ta loaïi khoûi moâi tröôøng nuoâi caáy moät chaát dinh döôõng hoaëc moät chaát trao ñoåi chuû yeáu naøo ñoù vi khuaån seõ sinh tröôûng maát caân baèng : sau khi phuïc hoài noàng ñoä chaát naøy, teá baøo seõ phaân chia ñoàng boä. Chaúng haïn, coù theå gaây ñoùi timin trong thôøi gian ngaén ôû caùc bieán chöùng E. coli trôï döôõng ñoái vôùi timin hoaëc gaây ñoùi moät soá acid amin caàn thieát cho sinh toång hôïp caùc protein cuûa teá baøo.

Veà nguyeân taéc laøm ñoàng boä söï phaân chia teá baøo baèng gaây ñoùi acid amin ta coù theå giaûi thích nhö sau: Trong tröôøng hôïp naøy toång hôïp RNA vaø protein bò ngöøng ngay nhöng quaù trình nhaân ñoâi nhieãm saéc theå, neáu ñaõ môû ñaàu, vaãn coù theå dieãn ra cho ñeán khi hoaøn thaønh. Nguyeân nhaân ôû ñaây laïi laø söï sinh tröôûng maát caân baèng trong thôøi gian ñoùi acid amin. Vì böôùc môû ñaàu moät chu trình nhaân ñoâi môùi lieân quan chaët cheõ ñeán toång hôïp protein neân nhieãm saéc theå cuûa taát caû vi khuaån sau khi ñaõ nhaân ñoâi thì ngöøng laïi. Vieäc theâm acid amin seõ phuïc hoài toång hôïp RNA vaø protein, do ñoù cuõng kích thích phaûn öùng môû ñaàu chu trình nhaân ñoâi môùi sau khi caùc nhieãm saéc theå nhaân ñoâi ñaõ ñöôïc phaân ly. Nhö theá laøm ñoàng boä söï phaân chia teá baøo laø haäu quaû cuûa vieäc laøm ñoàng boä söï phaân chia nhieãm saéc theå.

119

Nguyeân taéc laøm ñoàng boä baèng gaây ñoùi timin, töø quan ñieåm toång hôïp DNA, vaãn chöa ñöôïc giaûi thích. Vieäc loaïi boû timin cuõng ñoàng thôøi laøm ngöøng toång hôïp DNA, nghóa laø caùc teá baøo trong quaàn theå chöùa nhieãm saéc theå ôû caùc giai ñoaïn khaùc nhau cuûa söï nhaân ñoâi. Khoaûng thôøi gian gaây ñoùi khoâng ñöôïc quaù giôùi haïn 30 - 45 phuùt, neáu khoâng sau ñoù teá baøo seõ cheát vì thieáu timin. Ñaây laø quaù trình khoâng thuaän nghòch, khoâng theå loaïi boû baèng caùch theâm ñaày ñuû timin.

Phöông phaùp choïn loïc cô hoïc xuaát phaùt töø thöïc teá caùc teá baøo caù theå vaøo thôøi kyø tröôùc khi phaân chia ñeàu taêng theå tích. Trong moät quaàn theå vi khuaån sinh tröôûng döôùi nhöõng ñieàu kieän bình thöôøng, nhöõng teá baøo nhoû nhaát chính laø nhöõng teá baøo vöøa phaân chia xong. Neáu choïn loïc rieâng nhöõng teá baøo naøy ta seõ thu ñöôïc caùc vi khuaån maø sau khi nuoâi caáy tieáp seõ phaân chia ñoàng boä. Ngöôøi ta ñaõ duøng caùc maøng loïc coù kích thöôùc loã töông öùng vôùi caùc vi khuaån nhoû nhaát, keát quaû cho khaù toát. Ngoaøi ra cuõng coù theå choïn loïc baèng caùch ly taâm caùc teá baøo.

YÙ nghóa cuûa vieäc laøm ñoàng boä söï phaân chia teá baøo laø ôû choã noù cho ta khaû naêng nghieân cöùu moät quaàn theå teá baøo ñoàng nhaát, nghóa laø trong ñoù caùc ñaëc tính hình thaùi vaø sinh lyù cuûa moät teá baøo töông öùng vôùi cuûa caû quaàn theå. Nhôø ñoù ta coù theå chöùng minh ñöôïc raèng caùc thaønh phaàn cuûa teá baøo vi khuaån khoâng ñöôïc toång hôïp vôùi toác ñoä nhö nhau vaøo thôøi gian giöõa hai laàn phaân chia. Chaúng haïn, trong quaù trình phaân chia teá baøo Azotobacter vinelandii ngöøng toång hôïp DNA nhöng taêng cöôøng toång hôïp caùc acid amin töï do. Traùi laïi, haøm löôïng RNA vaø protein taêng nhö nhau trong pha naøy.

5. Caùc phöông phaùp xaùc ñònh sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa vi khuaån Soá löôïng teá baøo vaø sinh khoái maëc duø coù moái lieân heä theo tyû leä thuaän y = kx

nhöng moái lieân heä naøy chæ ñuùng trong ñieàu kieän thí nghieäm raát haïn cheá, khoâng coù yù nghóa phoå bieán. Ñieàu naøy chính laø do kích thöôùc vaø khoái löôïng cuûa töøng vi khuaån thay ñoåi tuyø theo loaøi vaø chuûng, trong quaù trình sinh tröôûng thì phuï thuoäc vaøo thôøi gian (ôû caùc pha cuûa ñöôøng cong sinh tröôûng), vaøo toác ñoä sinh tröôûng, thaønh phaàn moâi tröôøng nuoâi caáy vaø vaøo ñieàu kieän nuoâi caáy. Vì vaäy trong vieäc theo doõi sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa vi khuaån caàn phaân bieät caùc phöông phaùp xaùc ñònh soá löôïng teá baøo vaø sinh khoái.

5.1. Caùc phöông phaùp xaùc ñònh soá löôïng teá baøo

Trong moät quaàn theå vi khuaån khoâng phaûi moïi teá baøo ñeàu coù khaû naêng soáng. Nhöõng vi khuaån goïi laø soáng phaûi taïo thaønh khuaån laïc treân (hoaëc trong) moâi tröôøng thaïch vaø phaùt trieån trong moâi tröôøng dòch theå. Do ñoù tuyø theo muïc ñích thí nghieäm ta coù theå xaùc ñònh soá löôïng teá baøo toång coäng (caû teá baøo soáng vaø cheát) hoaëc soá löôïng teá baøo soáng.

Ñeå xaùc ñònh soá löôïng teá baøo toång coäng ngöôøi ta thöôøng duøng phöông phaùp ñeám teá baøo tröïc tieáp döôùi kính hieån vi nhôø caùc “phoøng ñeám” (phoøng ñeám Neubauer, Thom hoaëc Petrof - Hauser). Neáu chieàu daøy cuûa lôùp dòch chöùa vi khuaån laø 0,02mm vaø caïnh hình vuoâng laø 0,05mm (theå tích 5.10-8cm3) thì muoán xaùc ñònh soá löôïng teá baøo trong 1ml phaûi nhaân soá tìm thaáy vôùi 2.107.

120

Caàn chuù yù laø sau khi teá baøo vaøo “phoøng ñeám” phaûi ñôïi moät thôøi gian ñeå vi khuaån laéng vaø naèm trong moät maët phaúng quang hoïc. Neáu teá baøo chuyeån ñoäng tích cöïc phaûi duøng formaldehyde gieát cheát tröôùc.

Coù theå duøng kyõ thuaät nhuoäm ñaëc bieät ñeå phaân bieät teá baøo soáng vaø teá baøo cheát. Do teá baøo soáng coù maøng sinh chaát hoaït ñoäng, khoâng thaám thuoác nhuoäm neân hai loaïi teá baøo baét maøu khoâng gioáng nhau. Chaúng haïn ñoû congo chæ nhuoäm maøu teá baøo cheát coøn teá baøo soáng khoâng maøu. Tuy nhieân, keát quaû nhuoäm maøu phuï thuoäc vaøo nhieàu yeáu toá : loaøi vi khuaån, ñoä pha loaõng cuûa thuoác nhuoäm, pH...Ví duï, caùc teá baøo soáng cuûa C. acetobutylicum baét maøu xanh vaø caùc teá baøo cheát baét maøu ñoû khi duøng Acridin orange vôùi noàng ñoä 1 : 10.000. Keát quaû seõ ngöôïc laïi neáu duøng Acridin orange 1 : 5.000.

Trong tröôøng hôïp xaùc ñònh soá löôïng teá baøo soáng ngöôøi ta thöôøng ñeám soá khuaån laïc taïo thaønh bôûi caùc vi khuaån soáng trong ñieàu kieän sinh tröôûng thuaän lôïi. Dòch treo vi khuaån ñöôïc pha loaõng vaø moät theå tích nhaát ñònh ñöôïc ñöa leân moâi tröôøng thaïch trong hoäp petri. Sau khi nuoâi caáy ngöôøi ta ñeám soá khuaån laïc moïc leân. Neáu giaû duï raèng moãi teá baøo taïo thaønh moät khuaån laïc thì ñeám soá khuaån laïc ta seõ ñeám ñöôïc soá teá baøo soáng. Taát nhieân ñieàu naøy khoâng ñuùng ñoái vôùi caùc vi khuaån moïc thaønh chuoãi, thaønh ñoâi hay thaønh ñaùm hoaëc ñoái vôùi caùc dòch treo vi khuaån khoâng ñoàng nhaát. Ngoaøi ra cuõng caàn choïn ñoä pha loaõng vi khuaån thích hôïp sao cho soá khuaån laïc khoâng ít (keùm chính xaùc), khoâng nhieàu (khuaån laïc coù theå bò sít vaøo nhau vaø 2 teá baøo coù theå cho 1 khuaån laïc). Thöôøng treân moät hoäp thaïch soá khuaån laïc töø 40 - 400 laø thích hôïp.

Soá khuaån laïc cuõng raát phuï thuoäc vaøo thaønh phaàn moâi tröôøng. Teá baøo moïc thaønh khuaån laïc treân moâi tröôøng naøy khoâng nhaát thieát cuõng cho xuaát hieän khuaån laïc treân moâi tröôøng khaùc.

Vôùi moät soá loaïi vi khuaån khoù phaùt trieån treân moâi tröôøng thaïch ngöôøi ta coù theå kieån tra soá löôïng baèng phöông phaùp pha loaõng lieân tieáp sau ñoù caáy töø moãi ñoä pha loaõng 1ml vaøo töøng oáng ñöïng moâi tröôøng chæ thò (neáu coù 1 vi khuaån ñöa vaøo cuõng ñuû cho phaûn öùng döông tính sau khi nuoâi caáy). Phöông phaùp naøy goïi laø phöông phaùp soá löôïng coù khaû naêng nhaát (MPN, Most Probable Number). Coù theå caáy vaøo 5 oáng vaø laáy soá lieäu ôû 3 ñoä pha loaõng cuoái (coù phaûn öùng döông tính) roài tra baûng ñeå tìm ra soá löôïng gaàn ñuùng maät ñoä vi khuaån.

Coøn coù theå loïc chaát dòch qua maøng loïc vi khuaån roài daët maøng loïc leân ñóa moâi tröôøng thaïch ñeå kieåm tra soá khuaån laïc seõ moïc vaø suy ra maät ñoä vi sinh vaät trong chaát dòch.

5.2. Caùc phöông phaùp xaùc ñònh sinh khoái teá baøo

Vieäc choïn phöông phaùp ñeå xaùc ñònh sinh khoái vi khuaån tuyø thuoäc vaøo muïc ñòch nghieân cöùu. Chaúng haïn, muoán ñaùnh giaù saûn löôïng teá baøo thì ta caàn sinh khoái töôi hoaëc khoâ sau khi ñaõ ly taâm teá baøo; muoán xaùc ñònh cöôøng ñoä trao ñoåi chaát hay hoaït tính men, ngöôøi ta laïi tính haøm löôïng protein hoaëc nitrogen. Nhö vaäy, trong thöïc teá coù theå söû duïng caùc phöông phaùp tröïc tieáp hoaëc giaùn tieáp.

Caùc phöông phaùp tröïc tieáp goàm coù :

121

1. Xaùc ñònh sinh khoái töôi hoaëc sinh khoái khoâ (phöông phaùp naøy keùm chính xaùc)

2. Xaùc ñònh haøm löôïng nitrogen toång soá (phöông phaùp micro - Kjehdal) vaø phöông phaùp vi khuaån taùn xaùc ñònh NH3 hay haøm löôïng carbon toång soá (theo Van Slike-Folch). Caùc phöông phaùp naøy cho ñoä chính xaùc cao.

3. Trong thöïc teá haøng ngaøy ngöôøi ta thöôøng xaùc ñònh haøm löôïng protein cuûa vi khuaån. Coù theå duøng phöông phaùp biure caûi tieán hoaëc phöông phaùp so maøu khaùc. Caùc phöông phaùp vi löôïng döïa vaøo vieäc ño soá löôïng caùc thaønh phaàn ñaëc tröng cuûa protein nhö tirosine, triptophan (theo Lowry hoaëc Folin-Ciocalteu) cuõng cho keát quaû toát.

Coù theå noùi xaùc ñònh haøm löôïng protein trong sinh khoái laø phöông phaùp thích hôïp nhaát vì moät maët protein laø thaønh phaàn chuû yeáu cuûa chaát khoâ, maët khaùc ñoù laø nhöõng thaønh phaàn hoaït ñoäng trong sinh khoái (haàu heát protein cuûa teá baøo laø enzyme)

Caùc phöông phaùp giaùn tieáp ñeå ño sinh khoái vi khuaån:

1. Ño ñoä ñuïc cuûa dòch treo teá baøo. Ñaây laø phöông phaùp raát thuaän lôïi. Trong thöïc teá ta thöôøng ño maät ñoä quang hoïc cuûa dòch treo (dòch huyeàn phuø). Trong moät soá tröôøng hôïp ngöôøi ta cuõng xaùc ñònh söï khueách taùn aùnh saùng.

Tuy nhieân söï phuï thuoäc theo ñöôøng thaúng giöõa hai chæ soá naøy vôùi sinh khoái vi khuaån chæ thaáy trong vuøng caùc giaù trò raát thaáp cuûa maät ñoä teá baøo. Vì söï khueách taùn aùnh saùng phuï thuoäc vaøo ñöôøng kính, hình daïng vaø chæ soá chieát quang cuûa caùc haït khueách taùn neân thænh thoaûng caàn kieåm tra laïi töông quan giöõa caùc ñaïi löôïng quang hoïc vaø caùc chæ soá ño nhö sinh khoái khoâ, haøm löôïng nitrogen hoaëc haøm löôïng carbon.

Cuõng caàn chuù yù raèng ñoái vôùi khí cuøng moät sinh khoái vi khuaån trong dòch treo nhöng coù theå coù maät ñoä quang hoïc khaùc nhau. Chaúng haïn maät ñoä quang hoïc ñoái vôùi 1mg/ml chaát khoâ cuûa E.coli trong pha log laø 1,54 coøn trong pha oån ñònh laø 2,38. giaù trò cuûa maät ñoä quang hoïc (O.D)/mg chaát khoâ cuõng thay ñoåi theo toác ñoä sinh tröôûng .

2. Ño caùc chæ soá cöôøng ñoä trao ñoåi chaát nhö haáp thuï O2, taïo thaønh CO2 hay acid, vì caùc chæ soá naøy lieân quan tröïc tieáp vôùi sinh tröôûng. Dó nhieân ta chæ duøng caùc phöông phaùp naøy trong tröôøng hôïp khoâng söû duïng caùc phöông phaùp khaùc, ví duï khi maät ñoä sinh khoái raát nhoû.

Ñeå ño caùc chæ soá noùi treân coù theå duøng caùc phöông phaùp chuaån ñoä, ñieän hoaù...

6. Taùc duïng cuûa caùc yeáu toá beân ngoaøi leân sinh tröôûng vaø phaùt trieån cuûa vi khuaån

Sinh tröôûng vaø trao ñoåi chaát cuûa vi khuaån lieân quan chaët cheõ vôùi caùc ñieàu kieän cuûa moâi tröôøng beân ngoaøi. Caùc ñieàu kieän naøy bao goàm haøng loaït caùc yeáu toá khaùc nhau taùc ñoäng qua laïi vôùi nhau. Ña soá caùc yeáu toá ñoù ñeàu coù moät ñaëc tính taùc duïng chung bieåu hieän ôû 3 ñieåm hoaït ñoäng : toái thieåu, toái thích vaø cöïc ñaïi.

Vôùi taùc duïng toái thieåu cuûa yeáu toá moâi tröôøng vi khuaån baét ñaàu sinh tröôûng vaø môû ñaàu caùc quaù trình trao ñoåi chaát, vôùi taùc duïng toái thích vi khuaån sinh tröôûng, vôùi taùc

122

duïng cöïc ñaïi vaø bieåu hieän hoaït tính trao ñoåi chaát, trao ñoåi naêng löôïng lôùn nhaát, vôùi taùc duïng cöïc ñaïi vi khuaån ngöøng sinh tröôûng vaø thöôøng cheát.

AÛnh höôûng cuûa caùc yeáu toá moâi tröôøng leân vi khuaån coù theå laø thuaän lôïi hoaëc baát lôïi. AÛnh höôûng baát lôïi seõ daãn ñeán taùc duïng öùc khuaån hoaëc dieät khuaån. Do taùc duïng öùc khuaån cuûa yeáu toá moâi tröôøng, teá baøo ngöøng phaân chia, neáu loaïi boû yeáu toá naøy khoûi moâi tröôøng vi khuaån laïi tieáp tuïc sinh tröôûng vaø phaùt trieån. Khi coù maët chaát dieät khuaån, traùi laïi vi khuaån ngöøng sinh tröôûng, phaùt trieån vaø cheát nhanh choùng. Söï cheát cuûa teá baøo thöôøng khoâng xaûy ra ngay moät luùc trong caû quaàn theå maø dieãn ra daàn daàn, coù theå bieåu dieãn baèng ñöôøng cong töû vong logarit.

Moät soá yeáu toá, chuû yeáu laø caùc hoaù chaát coù theå hieän taùc duïng öùc khuaån hoaëc dieät khuaån tuyø noàng ñoä.

Taùc duïng khaùng khuaån cuûa caùc yeáu toá beân ngoaøi chòu aûnh höôûng cuûa moät soá ñieàu kieän nhö tính chaát vaø cöôøng ñoä taùc duïng cuûa baûn thaân yeáu toá, ñaëc tính cuûa cô theå vaø tính chaát cuûa moâi tröôøng.

6.1. Cô cheá taùc duïng cuûa caùc yeáu toá beân ngoaøi leân vi khuaån

Caùc yeáu toá cuûa moâi tröôøng beân ngoaøi taùc duïng leân teá baøo vi khuaån thuoäc 3 loaïi : yeáu toá vaät lyù (ñoä aåm, nhieät ñoä...), yeáu toá hoaù hoïc (pH moâi tröôøng, theá oxy hoaù khöû...) vaø yeáu toá sinh hoïc (chaát khaùng sinh). Duø laø yeáu toá naøo nhöng khi ñaõ taùc duïng baát lôïi leân teá baøo thì thöôøng tröôùc heát gaây toån haïi ñeán caùc caáu truùc quan troïng cho söï soáng cuûa teá baøo.. Nhöõng toån haïi ñoù daãn ñeán phaù huyû chöùc phaân hoaït ñoäng cuûa caùc caáu truùc vaø laøm teá baøo cheát..

Taùc duïng coù haïi cuûa caùc yeáu toá beân ngoaøi teá baøo vi khuaån theå hieän chuû yeáu ôû nhöõng bieán ñoåi sau :

6.1.1. Phaù huyû thaønh teá baøo.

Moät soá chaát nhö lisozyme (chöùa trong laù laùch, baïch caàu, loøng traéng tröùng,...) coù khaû naêng phaân huyû thaønh teá baøo vi khuaån daãn ñeán taïo thaønh caùc nguyeân laïp chuû yeáu ôû vi khuaån G+ vaø caùc caàu laïp ôû vi khuaån G-

Trong söï coù maët cuûa penicillin, caùc caàu laïp ñöôïc hình thaønh vaø deã phaân huyû. ÔÛ vi khuaån G-, do taùc duïng cuûa chaát khaùng sinh naøy, teá baøo taïo thaønh caùc daïng hình caàu maãn caûm vôùi aùp suaát thaåm thaáu töông töï vôùi caùc daïng L cuûa vi khuaån.

6.1.2. Bieán ñoåi tính thaám cuûa maøng teá baøo chaát

Moät soá chaát khoâng nhaát thieát phaûi xaâm nhaäp teá baøo nhöng vaãn gaây taùc duïng khaùng khuaån. Do taùc duïng leân moät hoaëc moät soá chöùc naêng sinh lyù cuûa maøng teá baøo chaát naøy laøm vi khuaån maát khaû naêng sinh saûn.

Taùc duïng khaùng khuaån cuûa caùc chaát oxy hoaù vaø caùc chaát khöû (H2O2, caùc halogien...) laø do aûnh höôûng cuûa chuùng leân caùc thaønh phaàn cuûa maøng teá baøo chaát. Cuõng coù theå xeáp vaøo nhoùm caùc hôïp chaát naøy, caùc röôïu, phenol, caùc chaát taåy röûa toång hôïp vaø moät soá khaùng sinh.

123

6.1.3. Thay ñoåi ñaëc tính keo cuûa nguyeân sinh chaát

Caùc yeáu toá vaät lyù cuõng nhö hoaù hoïc ñeàu coù theå gaây neân taùc duïng naøy. Chaúng haïn, nhieät ñoä cao laøm bieán tính protein vaø laøm chuùng ñoâng tuï.

6.1.4. Kìm haõm hoaït tính

Moät soá chaát taùc ñoäng vaøo caùc heä thoáng sinh naêng löôïng cuûa teá baøo, cyanide kìm haõm enzyme cytochrome - oxydase, fluoride ngaên caûn quaù trình ñöôøng phaân. Caùc chaát oxy hoaù maïnh (H2O2, caùc halogien) phaù huyû caùc heä thoáng teá baøo laøm toån haïi ñeán chöùc naêng trao ñoåi chaát....

6.1.5. Huyû hoaïi caùc quaù trình toång hôïp

Trong söï coù maët cuûa moät soá chaát töông töï veà maët caáu truùc vôùi caùc chaát trao ñoåi töï nhieân, goïi laø chaát antimetabolite quaù trình sinh toång hôïp coù theå bò öùc cheá. Cô cheá taùc duïng cuûa caùc chaát antimetabolieâ khoâng gioáng nhau. Moät soá gaén vôùi trung taâm hoaït ñoäng cuûa enzyme nhöng khoâng tham gia vaøo phaûn öùng khieán enzyme maát hoaït tính phaân huyû cô chaát; moät soá khaùc coù theå tham gia vaøo phaûn öùng enzyme vaø ñöôïc laép vaøo saûn phaåm cuûa phaûn öùng nhöng sau ñoù khoâng ñöôïc söû duïng trong trao ñoåi chaát vôùi cuøng möùc ñoä nhö trong tröôøng hôïp cuûa cô chaát thöïc.

6.2. Caùc yeáu toá vaät lyù

6.2.1. Ñoä aåm

Haàu heát caùc quaù trình soáng cuûa vi khuaån coù lieân quan ñeán moâi tröôøng nöôùc do ñoù ñoä aåm laø moät yeáu toá quan troïng cuûa moâi tröôøng. Ña soá vi khuaån thuoäc caùc sinh vaät öa nöôùc nghóa laø chuùng caàn nöôùc ôû daïng töï do, deã haáp thuï. Chæ moät soá xaï khuaån coù theå xeáp vaøo boïn öa khoâ vì chuùng söû duïng ñöôïc caû nöôùc hydroscopic gaén treân beà maët caùc haït ñaát ôû daïng caùc phaân töû. Khi thieáu nöôùc seõ xaûy ra hieän töôïng loaïi nöôùc khoûi teá baøo vi khuaån, trao ñoåi chaát bò giaûm vaø teá baøo cheát. So vôùi teá baøo dinh döôõng, caùc baøo töû chòu ñöïng ñöôïc khoâ haïn hôn raát nhieàu. Neáu laøm laïnh teá baøo ñoàng thôøi laøm khoâ trong chaân khoâng ta coù theå baûo quaûn ñöôïc söùc soáng cuûa teá baøo trong moät thôøi gian daøi. Ñaây laø nguyeân taéc cuûa phöông phaùp laøm ñoâng khoâ vi khuaån.

6.2.2. Nhieät ñoä

Hoaït ñoäng trao ñoåi chaát cuûa vi khuaån coù theå coi laø keát quaû cuûa caùc phaûn öùng hoaù hoïc. Vì caùc phaûn öùng naøy phuï thuoäc chaët cheõ vaøo nhieät ñoä neân yeáu toá nhieät ñoä roõ raøng aûnh höôûng saâu saéc ñeán caùc quaù trình soáng cuûa teá baøo. Teá baøo thu ñöôïc nhieät chuû yeáu töø moâi tröôøng beân ngoaøi, moät phaàn cuõng do cô theå thaûi ra do keát quaû cuûa hoaït ñoäng trao ñoåi chaát.

Hoaït ñoäng cuûa vi sinh vaät giôùi haïn trong moâi tröôøng chöùa nöôùc coù theå haáp thuï. Vuøng naøy cuûa nöôùc naèm töø 20 ñeán khoaûng 1000 goïi laø vuøng sinh ñoäng hoïc. Haàu heát teá baøo sinh döôõng cuûa vi sinh vaät bò cheát ôû nhieät ñoä cao protein bò bieán tính, moät hoaëc haøng loaït enzyme bò baát hoaït. Caùc enzyme hoâ haáp ñaëc bieät laø caùc enzyme trong chu trình Krebs raát maãn caûm vôùi nhieät ñoä. Söï cheát cuûa vi khuaån ôû nhieät ñoä cao cuõng coù theå coøn laø haäu quaû cuûa söï baát hoaït hoaù RNA vaø söï phaù hoaïi maøng teá baøo chaát.

124

Nhieät ñoä thaáp (döôùi vuøng sinh ñoäng hoïc) coù theå laøm baát hoaït quaù trình vaän chuyeån caùc chaát hoaø tan qua maøng teá baøo chaát do thay ñoåi caáu hình khoâng gian cuûa moät soá permease chöùa trong maøng hoaëc aûnh höôûng ñeán vieäc hình thaønh vaø tieâu thuï ATP caàn cho quaù trình vaän chuyeån chuû ñoäng caùc chaát dinh döôõng.

Vi khuaån thöôøng chòu ñöïng ñöôïc nhieät ñoä thaáp. ÔÛ nhieät ñoä döôùi ñieåm baêng hoaëc thaáp hôn chuùng khoâng theå hieän hoaït ñoäng trao ñoåi chaát roõ reät. Nhieät ñoä thaáp coù theå coi laø yeáu toá öùc khuaån neáu laøm laïnh quaù nhanh. Neáu laøm laïnh trong chaân khoâng caùc tinh theå baêng seõ thaêng hoa. Ñoù laø phöông phaùp ñoâng khoâ ñeå baûo quaûn vi sinh vaät.

Giôùi haïn giöõa nhieät ñoä cöïc tieåu vaø nhieät ñoä cöïc ñaïi laø vuøng nhieät sinh tröôûng cuûa vi sinh vaät. Giôùi haïn naøy raát khaùc nhau giöõa caùc loaøi vi khuaån : töông ñoái roäng ôû caùc vi khuaån hoaïi sinh, nhöng raát heïp ôû caùc vi khuaån gaây beänh. Tuyø theo quan heä vôùi vuøng nhieät coù theå chia vi khuaån thaønh moät soá nhoùm :

a. Vi khuaån öa laïnh : sinh tröôûng toát nhaát ôû nhieät ñoä döôùi 200C, thöôøng gaëp trong nöôùc bieån, caùc hoá saâu vaø suoái nöôùc laïnh. Hoaït tính trao ñoåi chaát ôû caùc vi khuaån naøy thaáp. Trong ñieàu kieän phoøng thí nghieäm nhieàu vi khuaån öa laïnh deã daøng thích öùng vôùi nhieät ñoä cao hôn.

b. Vi khuaån öa aám: chieám ña soá, caàn nhieät ñoä trong khoaûng 200C - 400C. Ngoaøi caùc daïng hoaïi sinh ta coøn gaëp caùc loaøi kyù sinh gaây beänh cho ngöôøi vaø ñoäng vaät.

c. Vi khuaån öa noùng : sinh tröôûng toát nhaát ôû 550C. Nhieät ñoä sinh tröôûng cöïc ñaïi cuûa caùc vi khuaån öa noùng dao ñoäng giöõa 750C vaø 800C.

Caùc vi khuaån öa noùng goàm chuû yeáu laø caùc xaï khuaån, caùc vi khuaån sinh baøo töû, thanh taûo vaø naám moác. Thöôøng gaëp chuùng trong suoái nöôùc noùng, trong phaân uû.

Aùp löïc, aùp suaát thaåm thaáu vaø aùp suaát thuyû tónh coù theå aûnh höôûng ñeán caáu truùc cuûa teá baøo vi khuaån.

Maøng teá baøo chaát cuûa vi khuaån laø baùn thaám do caùc hieän töôïng thaåm thaáu vaø vieäc ñieàu chænh thaåm aùp qua caùc heä thoáng permease ñeàu coù lieân quan ñeán maøng. Trong moâi tröôøng öu tröông teá baøo maát khaû naêng ruùt nöôùc vaø caùc chaát dinh döôõng hoaø tan bao quanh : teá baøo chòu traïng thaùi khoâ sinh lyù, bò co sinh chaát vaø coù theå bò cheát neáu keùo daøi. Trong thöïc teá ngöôøi ta öùng duïng taùc duïng co sinh chaát cuûa caùc noàng ñoä muoái cao (10 - 15%) hoaëc ñöôøng cao (50 - 80%) ñeå baûo quaûn thöïc phaåm (muoái döa, caø, öôùp thòt caù) hoa quaû (laøm möùt) vì ña soá vi sinh vaät raát maãn caûm vôùi thaåm aùp cao cuûa moâi tröôøng. Ngöôïc laïi, khi vi khuaån vaøo dung dòch nhöôïc tröông nöôùc seõ xaâm nhaäp teá baøo, aùp löïc beân trong seõ taêng leân. Tuy nhieân do coù thaønh teá baøo cöùng ôû vi khuaån khoâng xaûy ra hieän töôïng vôõ sinh chaát nhö ôû teá baøo thöïc vaät.

Ña soá vi khuaån sinh tröôûng toát trong moâi tröôøng chöùa ít hôn 2% muoái, noàng ñoä cao hôn coù haïi cho teá baøo. Nhöng cuõng coù moät soá vi khuaån laïi sinh tröôûng toát nhaát trong moâi tröôøng chöùa tôùi 30% muoái. Ta goïi laø caùc vi khuaån öa muoái.

Trong hoaït ñoäng soáng cuûa mình vi khuaån thöôøng chòu aûnh höôûng cuûa nhöõng thay ñoåi aùp löïc thuyû tónh. ÔÛ nhieät ñoä bình thöôøng aùp löïc cao coù theå laøm chaäm hoaëc laøm maát

125

khaû naêng di ñoäng, laøm ngöøng sinh tröôûng, laøm yeáu ñoäng löïc vaø laøm thay ñoåi trao ñoåi chaát nhöng khoâng laøm cheát vi khuaån. Tuy nhieân, nhieàu vi khuaån ôû ñaùy bieån vaø caùc moû daàu coù theå chòu aùp suaát thuyû tónh tôùi 200 – 300 atm. Ta goïi ñoù laø caùc vi khuaån öa aùp.

Veà cô cheá taùc duïng cuûa aùp suaát thuyû tónh cao leân vi khuaån vaãn chöa coù yù kieán döùt khoaùt. Coù leõ do aùp suaát cao maø theå tích teá baøo bò giaûm, ñoä nhôùt cuûa noäi thaáy teá baøo taêng leân, töø ñoù daãn ñeán laøm baát hoaït moät soá enzyme, nhaát laø caùc enzyme naèm trong quaù trình phaân chia teá baøo vaø laøm giaûm toác ñoä hoaëc laøm ngöøng caùc phaûn öùng sinh hoaù. Cuõng coù theå, do aùp löïc thuyû tónh cao maø chöùc naêng cuûa maøng teá baøo chaát bò toån thöông.

AÂm thanh. Soùng aâm thanh, ñaëc bieät trong vuøng sieâu aâm (treân 20kHz), coù aûnh höôûng lôùn ñeán sinh tröôûng cuûa vi khuaån. Caùc teá baøo sinh döôõng bò cheát nhanh choùng, teá baøo non maãn caûm hôn nhieàu so vôùi teá baøo giaø. Maãn caûm nhaát ñoái vôùi taùc duïng cuûa sieâu aâm laø caùc vi khuaån hình sôïi, ít maãn caûm hôn laø caùc tröïc khuaån vaø coù söùc ñeà khaùng cao nhaát laø caùc caàu khuaån. Ñaëc bieät, sieâu aâm haàu nhö khoâng aûnh höôûng gì leân baøo töû vi khuaån vaø caùc vi khuaån khaùng acid.

Söùc caêng beà maët. Khi sinh tröôûng trong moâi tröôøng dòch theå vi khuaån chòu aûnh höôûng cuûa söùc caêng beà maët cuûa moâi tröôøng. Ña soá caùc moâi tröôøng dòch theå duøng trong phoøng thí nghieäm coù söùc caêng beà maët khoaûng 0,57 - 0,63mN/cm. Nhöõng thay ñoåi maïnh meõ söùc caêng beà maët coù theå laøm ngöøng sinh tröôûng vaø laøm teá baøo cheát. Khi söùc caêng beà maët thaáp, caùc thaønh phaàn cuûa teá baøo chaát bò taùch khoûi teá baøo. Ñieàu naøy chöùng toû maøng teá baøo chaát bò toån thöông. Caùc chaát naâng cao söùc caêng beà maët chuû yeáu laø caùc muoái voâ cô. Caùc chaát laøm giaûm söùc caêng beà maët chuû yeáu laø caùc acid beùo, alchohol vaø caùc chaát khaùc vôùi chuoãi carbon daøi, thaúng vaø thôm. Caùc chaát naøy ñöôïc goïi laø caùc chaát coù hoaït tính beà maët. Taùc duïng cuûa chuùng theå hieän trong vieäc laøm thay ñoåi caùc ñaëc tính beà maët cuûa vi khuaån., tröôùc heát laø naâng cao tính thaám cuûa teá baøo. Trong thöïc teá ngöôøi ta söû duïng hieän töôïng naøy trong vieäc nuoâi caáy caùc vi khuaån khaùng acid. Söùc caêng beà maët thaáp coøn ngaên caûn vi khuaån gaén vaøo beà maët cöùng, traùnh cho chuùng khoûi caïnh tranh sinh tröôûng.

Caùc tia böùc xaï. Aùnh saùng coù theå gaây ra nhöõng bieán ñoåi hoaù hoïc vaø do ñoù nhöõng toån thöông sinh hoïc neáu ñöôïc teá baøo haáp thuï. Möùc ñoä gaây haïi tuyø thuoäc vaøo möùc naêng löôïng trong löôïng töû aùnh saùng ñöôïc haáp thuï vaø möùc naêng löôïng trong löôïng töû laïi phuï thuoäc giaùn tieáp vaøo chieàu daøi soùng cuûa tia chieáu. Caùc löôïng töû böùc xaï gaây neân nhöõng bieán ñoåi hoaù hoïc cuûa caùc phaân töû vaø nguyeân töû coù chieàu daøi soùng khoaûng 10.000 Å. Bao goàm aùnh saùng maët trôøi, ti töû ngoaïi, tia X, tia gamma vaø tia vuõ truï. Caùc tia vuõ truï tia gamma vaø tia X coù naêng löôïng raát lôùn. Khi ñöôïc vaät chaát haáp thuï chuùng coù theå baén ra caùc electron töø caùc nguyeân töû cuûa vaät chaát ñoù. Vì vaäy caùc tia naøy ñöôïc goïi laø caùc böùc xaï ion hoaù.

AÙnh saùng maët trôøi. Laø nguoàn tia chieáu töï nhieân nhaát coù taùc duïng phaù huyû teá baøo vi khuaån (ngoaïi leä : caùc vi khuaån quang hôïp laïi söû duïng aùnh saùng maët trôøi laøm nguoàn naêng löôïng). Taùc duïng naøy bò yeáu ñi neáu teá baøo chöùa saéc toá hay caùc voû nhaày.

126

So vôùi caùc böùc xaï ion hoaù thì tia töû ngoaïi (10 - 300nm) coù naêng löôïng nhoû hôn. Khi bò vaät chaát haáp phuï, tia töû ngoaïi khoâng gaây neân hieän töôïng ion hoaù nhöng kích thích caùc phaân töû, nghóa laø chuyeån caùc ñieän töû ñeán moät naêng löôïng cao hôn. Döôùi aûnh höôûng cuûa tia töû ngoaïi vi khuaån bò cheát hoaëc bò ñoät bieán tuyø theo loaøi vi khuaån vaø lieàu löôïng chieáu, baøo töû cuûa moác coù söùc ñeà khaùng cao.

Ñieàu ñaùng chuù yù laø nhöõng hö haïi do tia töû ngoaïi gaây neân trong teá baøo phaàn naøo coù theå ñaûo ngöôïc. Neáu sau khi chieáu tia töû ngoaïi ta laïi cho vi khuaån chòu taùc duïng cuûa aùnh saùng ban ngaøy thì nhieàu vi khuaån coù khaû naêng soáng soùt vaø tieáp tuïc sinh tröôûng, phaân chia. Hieän töôïng naøy ñöôïc goïi laø quang taùi hoaït.

Tia saùng maët trôøi tuy coù chöùa moät phaàn tia töû ngoaïi nhöng phaàn lôùn nhöõng tia naøy bò khí quyeån (ozon, maây...) giöõa laïi. Vì vaäy aùnh naéng coù taùc duïng dieät khuaån nhoû hôn so vôùi tia töû ngoaïi duøng trong phoøng thí nghieäm.

Hieän nay caùc böùc xaï ion hoaù ñöôïc öùng duïng trong vieäc khöû truøng thöïc phaåm, döôïc phaåm... vaø ñeå gaây ñoät bieán ôû vi sinh vaät.

6.3. Caùc yeáu toá hoaù hoïc

Trong soá caùc yeáu toá hoaù hoïc aûnh höôûng ñeán teá baøo tröôùc heát phaûi keå noàng ñoä ion hydrro (pH), theá oxy hoaù khöû (Eh) cuûa moâi tröôøng, caùc chaát saùt truøng vaø caùc chaát hoaù trò lieäu.

6.3.1. AÛnh höôûng cuûa pH moâi tröôøng

pH cuûa moâi tröôøng coù yù nghóa quyeát ñònh ñoái vôùi sinh tröôûng cuûa nhieàu vi sinh vaät. Caùc ion H+ vaø OH- laø hai ion hoaït ñoäng lôùn nhaát trong taát caû caùc ion, nhöõng bieán ñoåi duø nhoû trong noàng ñoä cuûa chuùng cuõng coù aûnh höôûng maïnh meõ. Cho neân vieäc xaùc ñònh thích hôïp ban ñaàu vaø vieäc duy trì pH caàn thieát trong thôøi gian sinh tröôûng cuûa teá baøo laø raát quan troïng.

Caùc giaù trò pH (cöïc tieåu, toái thích, cöïc ñaïi) caàn cho sinh tröôûng vaø sinh saûn cuûa vi khuaån töông öùng vôùi caùc giaù trò pH caàn cho hoaït ñoäng cuûa nhieàu enzyme. Giôùi haïn pH hoaït ñoäng ñoái vôùi vi sinh vaät ôû trong khoaûng 4 - 10. ña soá vi khuaån sinh tröôûng toát nhaát ôû pH trung bình (7,0). Caùc vi khuaån nitrate hoaù, vi khuaån noát saàn, xaï khuaån, vi khuaån phaân giaûi urea laïi öa moâi tröôøng hôi kieàm. Moät soá vi khuaån chòu acid nhö vi khuaån lactic, Acetobacter... coù theå sinh tröôûng ôû pH<1. naám sôïi vaø naám men öa pH acid (pH : 4 - 6)

pH cuûa moâi tröôøng khoâng nhöõng aûnh höôûng maïnh meõ ñeán sinh tröôûng maø coøn taùc ñoäng saâu saéc ñeán caùc quaù trình trao ñoåi chaát.

Maøng teá baøo chaát cuûa vi sinh vaät töông ñoái ít thaám ñoái vôùi caùc ion H+ vaø OH-. Vì vaäy, maëc duø pH cuûa moâi tröôøng beân ngoaøi dao ñoäng trong giôùi haïn roäng, noàng ñoä cuûa 2 ion noùi treân trong teá baøo chaát noùi chung vaãn oån ñònh. AÛnh höôûng cuûa pH moâi tröôøng leân hoaït ñoäng cuûa vi sinh vaät coù theå laø do keát quaû taùc ñoäng qua laïi giöõa ion H+ vaø enzyme chöùa trong maøng teá baøo chaát vaø thaønh teá baøo.

127

Ñeå duy trì pH thích hôïp ñoái vôùi vi sinh vaät trong thôøi gian nuoâi caáy, nhaát laø ñoái vôùi caùc vi khuaån sinh acid nhöng laïi khoâng chòu ñöôïc acid (Lactobacillus, Enterobacteriacea, nhieàu Pseudomonas), ngöôøi ta thöôøng theâm vaøo moâi tröôøng chaát ñeäm hoaëc duøng caùc cô chaát oxy hoaù hoaøn toaøn. Dung dòch ñeäm thöôøng duøng laø muoái cuûa caùc acid yeáu (phosphate, acetate, carbonate).

6.3.2. Theá oxy hoaù khöû (Eh)

Ñeå bieåu thò möùc ñoä thoaùng khí cuûa moâi tröôøng ngöôøi ta duøng ñaïi löôïng rH. Theo ñònh nghóa : rH = -log (H2), ôû ñaây (H2) laø aùp löïc cuûa hydro trong khí quyeån.

Dung dòch nöôùc baõo hoaø hydrro coù rH = 0, baõo hoaø oxy coù rH = 41. Thang töø 0 ñeán 41 xaùc ñònh möùc ñoä thoaùng khí cuûa moâi tröôøng. pH coù aûnh höôûng ñeán giaù trò rH cuûa moâi tröôøng, söï phuï thuoäc naøy ñöôïc bieåu thò bôûi phöông trình :

rH = 03.0

Eh + 2pH (Eh = theá oxy hoaù khöû tính ra volt)

Caùc vi sinh vaät kî khí baét buoäc coù theå sinh saûn ôû nhöõng giaù trò rH raát thaáp (khoâng quaù 8 - 10), caùc vi sinh vaät hieáu khí hoaëc kî khí tuyø tieän ôû giôùi haïn khaù roäng rH töø 0 ñeán 30 coøn caùc vi sinh vaät hieáu khí baét buoäc rH töø 10 ñeán 30. Caùc giaù trò rH > 30 khoâng coù lôïi cho söï sinh saûn cuûa caùc vi sinh vaät hieáu khí baét buoäc.

Caùc vi khuaån kî khí coù theå sinh tröôûng ôû giaù trò Eh khaù thaáp. baèng caùch theâm moät soá chaát nhaát ñònh vaøo moâi tröôøng coù theå giaûm giaù trò Eh.

Oxy coù vai troø heát söùc quan troïng trong hoaït ñoäng soáng cuûa vi sinh vaät. Tuyø thuoäc vaøo nhu caàu ñoái vôùi oxy maø ngöôøi ta chia vi sinh vaät thaønh caùc nhoùm sau:

- Hieáu khí baét buoäc :

Thuoäc nhoùm naøy laø caùc vi sinh vaät chæ coù theå sinh tröôûng ñöôïc khi coù maët oxy phaân töû (O2). Chuùng coù chuoãi hoâ haáp hoaøn chænh, duøng O2 laøm theå nhaän hydro cuoái cuøng. Trong teá baøo coù chöùa enzyme SOD (superocide dismutase) vaø peroxidase. Tuyeät ñaïi ña soá vi naám vaø soá ñoâng vi khuaån thuoäc nhoùm naøy.

- Hieáu khí khoâng baét buoäc

Thuoäc nhoùm naøy laø caùc vi sinh vaät coù theå sinh tröôûng ñöôïc caû trong ñieàu kieän coù oxy laãn trong ñieàu kieän khoâng coù oxy. Trong teá baøo coù chöùa SOD vaø peroxidase. Coù oxy chuùng sinh tröôûng toát hôn. Phaàn lôùn naám men vaø nhieàu vi khuaån thuoäc nhoùm naøy. Coù theå keå ñeán cac loaøi nhö Saccharomyces cerevisiae, E. coli ...

- Vi hieáu khí :

Thuoäc nhoùm naøy laø caùc vi sinh vaät chæ coù theå sinh tröôûng ñöôïc ñieàu kieän aùp löïc oxy raát thaáp (khoaûng 0.01 – 0.03atm). Chuùng cuõng thoâng qua chuoãi hoâ haáp vaø duøng oxy laøm theå nhaän hydro cuoái cuøng. Coù theå keå ñeán caùc loaøi nhö Vibrio cholerae, Hydrogenomonas spp. ...

- Kî khí chòu döôõng :

128

Ñoù laø nhöõng vi khuaån kî khí nhöng laïi toàn taïi ñöôïc khi coù maët oxy. Chuùng khoâng söû duïng oxy, khoâng coù chuoãi hoâ haáp nhöng söï coù maët cuûa oxy khoâng coù haïi ñoái vôùi chuùng. Trong teá baøo coù SOD, peroxidase nhöng thieáu hydrogenperoxidase. Thuoäc nhoùm naøy coù theå keå ñeán Streptococcus lactis, Lactobacillus lactis...

- Kî khí :

Vôùi caùc vi sinh vaät thuoäc nhoùm naøy söï coù maët cuûa oxy phaân töû laø coù haïi. Chuùng khoâng sinh tröôûng ñöôïc treân moâi tröôøng ñaëc hoaëc baùn ñaëc khi ñeå trong khoâng khí hay trong khoâng khí coù chöùa 10% CO2. Chuùng chæ sinh tröôûng ñöôïc ôû lôùp dòch theå saâu, ôû nôi khoâng coù oxy, quaù trình leân men, quaù trình phosphoryl hoaù quang hôïp, quaù trình methane. Trong teá baøo cuûa caùc vi sinh vaät naøy khoâng coù SOD, cytochromoxydase, phaàn lôùn khoâng coù hydrogen peroxidase. Coù theå keå ñeán raát nhieàu loaøi trong caùc chi Clostridium, Fusobacterrium, Bifidobacterium ...

6.3.3. Caùc chaát dieät khuaån (saùt truøng)

Caùc chaát dieät khuaån thöôøng duøng nhaát laø phenol vaø caùc hôïp chaát cuûa phenol, caùc alcohol, halogen, kim loaïi naëng, H2O2, ...

Hieän nay ngoaøi vieäc duøng moät soá hoaù chaát ñeå saùt truøng da, caùc duïng cuï döôïc phaåm, thöïc phaåm, nöôùc uoáng... ngöôøi ta coøn duøng caùc dung dòch nhö nöôùc brom 1%, HgCl2 0,1%, coàn, AgNO3 0,05%, hypochloride calci (1% Cl2) ñeå saùt truøng beà maët haït. Haït ñöôïc ngaâm trong caùc dung dòch töông öùng khoaûng 5 - 30 phuùt, tröôùc ñoù caàn xöû lyù haït baèng xaø phoøng vaø caùc chaát coù hoaït tính beà maët khaùc ñeå ñaûm baûo cho beà maët haït thaám hoaøn toaøn, xöû lyù xong phaûi röûa haït nhieàu laàn baèng nöôùc voâ truøng. Ña soá caùc chaát duøng laøm thuoác nhuoäm vi khuaån ñeàu laø chaát kìm haõm chuùng.

6.3.4. Caùc chaát hoaù trò lieäu

Ñoù laø caùc chaát hoaù hoïc coù taùc duïng ñoäc leân vi khuaån nhöng khoâng gaây haïi cho cô theå baäc cao (khaùc vôùi caùc chaát saùt truøng). Noùi chung thaønh phaàn hoaù hoïc cuûa caùc chaát naøy ñaõ ñöôïc bieát, do ñoù ta coù theå ñieàu chænh baèng con ñöôøng nhaân taïo.

Cô cheá taùc duïng cuûa caùc chaát hoaù trò lieäu roõ raøng döïa vaøo söï töông töï veà caáu truùc cuûa caùc chaát naøy vôùi caùc hôïp chaát maø vi khuaån caàn ñeå taïo thaønh caùc coemzyme, protein vaø caùc acid nucleic. Caùc chaát hoaù trò lieäu caïnh tranh vò trí gaén vôùi caùc hôïp chaát ñoù treân phaân töû enzyme vaø kìm haõm nhieàu phaûn öùng sinh hoaù quan troïng. Ña soá caùc chaát hoaù trò lieäu ñöôïc söû duïng ñeå ñieàu trò caùc beänh khaùc nhau.

Caùc chaát hoaù trò lieäu quan troïng nhaát laø caùc sulfonamide daãn xuaát töø acid p-aminosulfonic. Ñoù laø nhöõng chaát ñoái khaùng cuûa acid p-aminobenzoic (APAB). Do caïnh tranh vò trí gaén treân phaân töû enzyme vôùi PAB caùc sulfonamide kìm haõm vieäc taïo thaønh acid folic laø tieàn chaát cuûa coenzyme tham gia vaøo quaù trình toång hôïp moät soá acid amin vaø purin.

6.4. Caùc yeáu toá sinh hoïc

Trong soá caùc yeáu toá sinh hoïc coù aûnh höôûng coù haïi leân caùc quaù trình soáng cuûa vi khuaån caàn keå ñeán caùc khaùng theå vaø caùc chaát khaùng sinh. Khaùng theå laø caùc globulin

129

trong maùu ñoäng vaät, coù khaû naêng lieân keát ñaëc hieäu vôùi khaùng nguyeân ñaõ kích thích sinh ra noù, khaùng theå naøy coøn ñöôïc goïi laø khaùng theå ñaëc hieäu. Khaùng theå ñöôïc tìm thaáy chuû yeáu trong huyeát thanh cuûa ñoäng vaät, vì vaäy huyeát thanh chöùa khaùng theå ñaëc hieäu khaùng nguyeân ñöôïc goïi laø khaùng huyeát thanh.

Khaùng theå cuõng coù theå ñöôïc tìm thaáy trong caùc dòch khaùc cuûa cô theå, nhö söõa. Nhöõng khaùng theå coù saün trong söõa hay huyeát töông cuûa ngöôøi hay ñoäng vaät töø tröôùc khi coù söï tieáp xuùc vôùi khaùng nguyeân ñöôïc goïi laø khaùng theå töï nhieân hay khaùng theå khoâng ñaëc hieäu.

CHÖÔNG 9.

DI TRUYEÀN HOÏC VI SINH VAÄT (Tham khaûo taøi lieäu)

130

TAØI LIEÄU THAM KHAÛO

1. Kieàu Höõu Aûnh, 1999. Giaùo Trình Vi Sinh Vaät Coâng Nghieäp. Nxb KH vaø KT.

2. Nguyeãn Laân Duõng, Nguyeãn Ñình Quyeán, Phaïm Vaên Ty, 2000. Vi Sinh Vaät Hoïc. Nxb Giaùo Duïc.

3. Nguyeãn Thaønh Ñaït, Mai Thò Haèng, 2001. Sinh Hoïc – Vi Sinh Vaät. Nxb Giaùo Duïc.

4. Nguyeãn Tieán Thaéng, Nguyeãn Ñình Huyeân, 1998. Giaùo Trình Sinh Hoùa Hieän Ñaïi. Nxb Giaùo Duïc.

5. Anthony F. Gaudy, J. Elizabeth T. Gaudy, 1980. Microbiology for Environmental Scientists and Engineers. Printed in United State of America.

6. Christion J. H, Ronald L. C., Guy R. Knudsen, Linda D. S, 2002. Manual of Environmental Microbiology. Printed in the United States of America.

7. Gabriel Bitton, 1999. Wastewater Microbiology. Printed in United State of America.

Documents

ÑAÏI HOÏC NOÂNG LAÂM TP. HOÀ CHÍ MINH giang vi sinh vat dai cuong.pdf · ÑAÏI HOÏC NOÂNG LAÂM TP. HOÀ CHÍ MINH KHOA COÂNG NGHEÄ MOÂI TRÖÔØNG W X Leâ Quoác Tuaán