Đang tải... (xem toàn văn)
Cơ sở vật chất cấu tạo nên tế bào vi sinh vật là các nguyên tố hoá học. Căn cứ vào mức độ yêu cầu của vi sinh vật đối với các nguyên tố này mà người ta chia ra thành các nguyên tố đa lượng và các nguyên tố vi lượng. Các nguyên tố chủ yếu bao gồm: C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca và Fe. Trong số này có 6 loại chủ yếu (chiếm đến 97% trọng lượng khô của tế bào vi sinh vật), đó là C, H, O, N, P và S. Các nguyên tố vi lượng thường là Zn, Mn, Na, Cl, Mo, Se, Co, Cu, W, Br và B. Tỷ lệ các nguyên tố hoá học tham gia cấu tạo tế bào vi sinh vật là không giống nhau ở các nhóm vi sinh vật khác nhau. Ví dụ nấm men, nấm sợi và vi khuẩn có lượng chứa trung bình của 6 nguyên tố chủ yếu là không giống nhau (Bảng 1):
Vi sinh vật học Biên tập bởi: Nguyễn Lân Dũng Vi sinh vật học Biên tập bởi: Nguyễn Lân Dũng Các tác giả: lethihoa chungchithanh PGS. TS. Phạm Thành Hổ levanhiep buivietha nguyendinhquyen GS. Nguyễn Lân Dũng phamvanty Phiên bản trực tuyến: http://voer.edu.vn/c/7da56961 MỤC LỤC 1. Dinh dưỡng của vi sinh vật 1.1. Yêu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật 1.2. Các loại hình dinh dưỡng của vi sinh vật 1.3. Môi trường nuôi cấy (culture medium) 1.4. Sự hấp thu các chất dinh dưỡng ở vi sinh vật 2. Sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật 2.1. Mở đầu 2.2. Đường cong sinh trưởng 2.3. Xác định sự sinh trưởng của vi sinh vật 2.4. Nuôi cấy liên tục vi sinh vật 2.5. Ảnh hưởng của các nhân tố môi trường đến sự sinh trưởng của vi sinh vật 2.6. Sự sinh trưởng của vi sinh vật trong môi trường tự nhiên 3. Ức chế vi sinh vật bằng các tác nhân vật lý và hóa học 4. Khái niệm chung về trao đổi chất ở vi sinh vật 5. Giải phóng và bảo toàn năng lượng ở vi sinh vật 5.1. Đại cương về trao đổi chất 5.2. Sự phân giải glucose thành pyruvate 5.3. Lên men 5.4. Chu trình acid tricarboxylic 5.5. Sự vận chuyển electron và phosphoryl hóa oxy hóa 5.6. Hô hấp kỵ khí 5.7. Sự phân giải các hidrat carbon và các polime dự trữ nội bào 5.8. Phân giải lipid 5.9. Phân giải protein và acid amine 5.10. Oxi hóa các phân tử hữu cơ 5.11. Quang hợp 6. Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật 7. Mối quan hệ giữa virus và tế bào 7.1. Những khái niệm cơ bản 7.2. Giới thiệu tóm tắt quá trình nhân lên của một số virus điển hình 7.3. Nuôi cấy virus động vật 7.4. Virus và ung thư 8. Di truyền học vi sinh vật 1/702 8.1. Mở đầu 8.2. Ưu thế của các đối tượng vi sinh vật 8.3. Các đặc điểm của di truyền học sinh vật 8.4. Các ứng dụng thực tế 8.5. Biến dị ở sinh vật 8.6. Di truyền học vi khuẩn 8.6.1. Di truyền học vi khuẩn 8.6.2. Vi khuẩn E.coli là đối tượng mô hình tốt nhất 8.6.3. Một vài đặc điểm của vi khuẩn 8.6.4. Biến nạp (Transformation) 8.6.5. Tải nạp (Transduction ) 8.6.6. Giao nạp (Conjugation) 8.6.7. Lập bản đồ di truyền nhiễm sắc thể của vi khuẩn 8.6.8. Plasmid 8.6.9. Sự chuyển vị 9. Vi sinh vật và miễn dịch học 9.1. Hai loại miễn dịch 9.2. Chất sinh miễn dịch và kháng nguyên 9.3. Các cơ quan của hệ miễn dịch 9.4. Kháng thể 9.5. Các tế bào tham gia vào đáp ứng miễn dịch 9.6. Tế bào mast (dưỡng bào) 9.7. Kháng nguyên phù hợp mô 9.8. Thụ thể tế bào T 9.9. Bổ thể 9.10. Miễn dịch bệnh lý 9.11. Các phản ứng huyết thanh 10. Vacxin 10.1. Lịch sử Vacxin 10.2. Vacxin 10.3. Tiêu chuẩn của Vacxin 10.4. Phân loại Vacxin 10.5. Phối hợp vacxin 10.6. Phát triển vacxin 10.7. Tiêm chủng và những sự cố sau tiêm chủng 10.8. Triển vọng của công nghệ sản xuất vacxin 2/702 11. Sinh thái học vi sinh vật 11.1. Khái niệm chung về Sinh thái học vi sinh vật 11.2. Phương pháp nghiên cứu sinh thái học vi sinh vật 11.3. Quan hệ sinh thái học của vi sinh vật với các nhóm vi sinh vật 11.4. Tuần hoàn sinh địa hoá học các nguyên tố 11.5. Tác dụng tương hỗ của vi sinh vật với các chất gây ô nhiễm môi trường 12. Vi sinh vật trong môi trường nước 13. Vi sinh vật học thực phẩm 13.1. Mở đầu 13.2. Sinh trưởng của vi sinh vật trong thực phẩm 13.3. Sinh trưởng của vi sinh vật và quá trình làm hỏng thực phẩm 13.4. Phòng chống hư hỏng thực phẩm (Controlling Food Spoilage) 13.5. Các bệnh dẫn đến từ thực phẩm (Food-borne Diseases) 13.6. Phát hiện các tác nhân gây bệnh sinh ra từ thực phẩm 13.7. Vi sinh vật học các thực phẩm lên men (Microbiology of Fermented Foods) 13.8. Vi sinh vật là nguồn thực phẩm và thực phẩm bổ sung (Microorganism as Foods and Food Amendments) Tham gia đóng góp 3/702 Dinh dưỡng của vi sinh vật Yêu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật Cơ sở vật chất cấu tạo nên tế bào vi sinh vật là các nguyên tố hoá học. Căn cứ vào mức độ yêu cầu của vi sinh vật đối với các nguyên tố này mà người ta chia ra thành các nguyên tố đa lượng và các nguyên tố vi lượng. Các nguyên tố chủ yếu bao gồm: C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca và Fe. Trong số này có 6 loại chủ yếu (chiếm đến 97% trọng lượng khô của tế bào vi sinh vật), đó là C, H, O, N, P và S. Các nguyên tố vi lượng thường là Zn, Mn, Na, Cl, Mo, Se, Co, Cu, W, Br và B. Tỷ lệ các nguyên tố hoá học tham gia cấu tạo tế bào vi sinh vật là không giống nhau ở các nhóm vi sinh vật khác nhau. Ví dụ nấm men, nấm sợi và vi khuẩn có lượng chứa trung bình của 6 nguyên tố chủ yếu là không giống nhau (Bảng 1): Lượng chứa trung bình các loại nguyên tố chủ yếu trong tế bào một số nhóm vi sinh vật (% trọng lượng khô) Nguyên tố Vi khuẩn Nấm men Nấm sợi C ~50 ~50 ~48 H ~8 ~7 ~7 O ~20 ~31 ~40 N ~15 ~12 ~5 P ~3 - - S ~1 - - Theo các tài liệu của Tempest (1969), Pirt (1975) và Herbert (1976) thì thành phần trung bình của các nguyên tố tạo nên tế bào vi sinh vật nói chung là như sau: Thành phần các nguyên tố cấu tạo nên sinh khối tế bào Nguyên tố % trọng lượng khô * Trung bình Biên độ 4/702 Các nguồn dinh dưỡng điển hình được sử dụng cho sinh trưởng VSV trong môi trường C 50 45-58 CO 2 , hợp chất hữu cơ O 21 18-31 H 2 0, 0 2 , các hợp chất hữu cơ N 12 5-17 NH 3 , NO 3 -, các hợp chất hữu cơ chứa N H 8 6-8 Nước, các hợp chất hữu cơ. P 3 1.2-10 Phosphate và các hợp chất chứa P. S 1 0.3-1.3 SO4 -2 , H 2 S, và các hợp chất chứa S. K 1 0.2-5 K + (có thể thay thế bằng Rb + ) Mg 0.5 0.1-1.1 Mg 2+ Ca 1 0.02-2.0 Ca 2+ Cl 0.5 Cl- Fe 0.5 0.01-5.0 Fe 3+ , Fe 2+ và phức chất của Fe Na 1 Na + Những nguyên tố khác,Mo, Ni, Co, Mn, Zn, 0.5 Lấy từ các ion vô cơ khác *Các tế bào bao gồm 70% trọng lượng là nước và 30% là các nguyên liệu khô khác. Mức trung bình này được tính theo sinh trưởng của vi khuẩn Gr(-) trong điều kiện dư thừa chất dinh dưỡng ở nuôi cấy theo mẻ. Vi khuẩn sulfur (sulfur bacteria), vi khuẩn sắt (iron bacteria) và vi khuẩn đại dương (marine bacteria) có lượng chứa các nguyên tố S, Fe, Na, Cl nhiều hơn so với các nhóm vi khuẩn khác. Tảo Silic (diatom) có chứa lượng SiO 2 khá cao trong thành tế bào. Thành phần các nguyên tố hoá học còn thay đổi trong một phạm vi nhất định tuỳ thuộc vào tuổi nuôi cấy và điều kiện nuôi cấy. Khi nuôi cấy trên các môi trường có nguồn N phong phú 5/702 thì lượng chứa N trong tế bào sẽ cao hơn so với khi nuôi cấy trên các môi trường nghèo nguồn N. Các nguyên tố hoá học chủ yếu tồn tại trong tế bào vi sinh vật dưới dạng chất hữu cơ, chất vô cơ và nước. Chất hữu cơ thường bao gồm protein, carbon hydrat, lipid, acid nucleic, vitamin và các sản phẩm phân giải của chúng cũng như các chất trao đổi chất. Để phân tích các thành phần hữu cơ trong tế bào thường sử dụng hai phương pháp: một là, dùng phương pháp hoá học để trực tiếp chiết rút từng thành phần hữu cơ trong tế bào, sau đó tiến hành phân tích định tính và định lượng. Hai là, phá thành tế bào, thu nhận các thành phần kết cấu hiển vi rồi phân tích thành phần hoá học của từng kết cấu đó. Chất vô cơ thường đứng riêng rẽ dưới dạng muối vô cơ hoặc kết hợp với chất hữu cơ. Khi phân tích thành phần vô cơ trong tế bào người ta thường phân tích tro sau khi đã nung tế bào ở nhiệt độ 550 0 C, chất vô cơ thu được dưới dạng các oxit vô cơ được gọi là thành phần tro. Dùng phương pháp phân tích vô cơ có thể định tính hay định lượng từng nguyên tố vô cơ. Thành phần hóa học của tế bào vi khuẩn (theo F.C.Neidhardt et al.,1996) Phân tử khô (1) / tế bào % khối lượng Số phân tử Số loại phân tử - Nước - 1 - Các đại phân tử 96 24 609 802 khoảng 2500 +Protein 55 2 350 000 khoảng 1850 +Polysaccharide 5 4 300 2 (2) +Lipid 9,1 22 000 000 4 (3) +DNA 3,1 2,1 1 +RNA 20,5 255 500 khoảng 660 - Các đơn phân tử 3,0 khoảng 350 +Aminoacid và tiền thể 0,5 khoảng 100 +Đường và tiền thể 2 khoảng 50 +Nucleotid và tiền thể 0,5 khoảng 200 - Các ion vô cơ 1 khoảng 18 Tổng cộng 100 Chú thích: 6/702 1. Khối lượng khô của tế bào vi khuần Escherichia coli đang sinh trưởng là khoảng 2.8 x 10 -13 g. 2. Giả thiết Peptydoglycan và Glycogene là 2 thành phần chủ yếu. 3. Tế bào chứa vài loại phospholipid, do tính đa dạng của thành phần acid béo giữa các chi vi khuẩn khác nhau và do ảnh hưởng của điều kiện sinh trưởng mà có nhiều hình thức tồn tại của mỗi loại phospholipid. Nước là thành phần không thể thiếu để duy trì hoạt động sống bình thường của tế bào. Nước thường chiếm đến 70-90% trọng lượng tế bào. Độ chênh lệch giữa trọng lượng tươi và trọng lượng khô chính là lượng nước trong tế bào, thường biểu thị bằng tỷ lệ % tính theo công thức sau đây: (Trọng lượng tươi - Trọng lượng khô) / Trọng lượng tươi x 100%. Đơn vị trọng lượng tế bào trong dịch nuôi cấy thường được biểu thị bằng đơn vị g/l hay mg/ml. Phương pháp nung khô tế bào ở nhiệt độ 550 0 C thường làm phân giải một số hợp chất của tế bào vì vậy khi tính trọng lượng khô của tế bào nên dùng phương pháp sấy khô ở 105 0 C hay làm khô ở nhiệt độ không cao trong chân không, hoặc làm khô nhanh nhờ tia hồng ngoại Các chất dinh dưỡng và chức năng sinh lý Vi sinh vật chủ yếu thu nhận được chất dinh dưỡng từ môi trường bên ngoài. Căn cứ vào chức năng sinh lý khác nhau trong tế bào mà người ta thường chia các chất dinh dưỡng thành 5 nhóm lớn: Nguồn carbon (source of carbon) Là nguồn vật chất cung cấp C trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật. Trong tế bào nguồn C trải qua một loạt quá trình biến hoá hoá học phức tạp sẽ biến thành vật chất của bản thân tế bào và các sản phẩm trao đổi chất. C có thể chiếm đến khoảng một nửa trọng lượng khô của tế bào. Đồng thời hầu hết các nguồn C trong các quá trình phản ứng sinh hoá còn sinh ra trong tế bào nguồn năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của vi sinh vật. Một số vi sinh vật dùng CO 2 làm nguồn C duy nhất hay chủ yếu để sinh trưởng, khi đó nguồn C không phải là nguồn sinh năng lượng. Vi sinh vật sử dụng một cách chọn lọc các nguồn C. Đường nói chung là nguồn C và nguồn năng lượng tốt cho vi sinh vật. Nhưng tuỳ từng loại đường mà vi sinh vật có những khả năng sử dụng khác nhau. Ví dụ trong môi trường chứa glucose và galactose thì vi khuẩn Escherichia coli sử dụng trước glucose (gọi là nguồn C tốc hiệu) còn galactose được sử dụng sau (gọi là nguồn C trì hiệu). Hiện nay trong các cơ sở lên men công nghiệp người ta sử dụng nguồn C chủ yếu là glucose, saccharose, rỉ đường 7/702 (phụ phẩm của nhà máy đường) tinh bột (bột ngô, bột khoai sắn ), cám gạo, các nguồn cellulose tự nhiên hay dịch thuỷ phân cellulose. Năng lực đồng hoá các nguồn C ở các vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Có loài có khả năng sử dụng rộng rãi nhiều nguồn C khác nhau, nhưng có loài khả năng này rất chọn lọc. Chẳng hạn vi khuẩn Pseudomonas có thể đồng hoá được tới trên 90 loại hợp chất C, nhưng các vi khuẩn thuộc nhóm dinh dưỡng methyl (methylotrophs) thì chỉ đồng hoá được các hợp chất 1C như methanol, methane Nguồn C chủ yếu được vi sinh vật sử dụng gồm có đường, acid hữu cơ, rượu, lipid, hydrocarbon, CO 2 , carbonate (Bảng 4) Nguồn C được vi sinh vật sử dụng Nguồn C Các dạng hợp chất Đường glucose, fructose, maltose, saccharose, tinh bột, galactose, lactose, mannite, cellobiose, cellulose, hemicellulose, chitin Acid hữu cơ acid lactic, acid citric, acid fumaric, acid béo bậc cao, acid béo bậc thấp, aminoacid Rượu ethanol Lipid lipid, phospholipid Hydrocarbon khí thiên nhiên, dầu thô, dầu paraffin Carbonate NaHCO 3 , CaCO 3 , đá phấn Các nguồn C khác Hợp chất nhóm thơm, cyanide, protein, pepton, acid nucleic 8/702 [...]... càng nhỏ Vi sinh vật thường sinh trưởng trong điều kiện có aw trong khoảng 0,6-0,99 Đối với một số loài vi sinh vật khi aw quá thấp thì tốc độ sinh trưởng và tổng sinh khối giảm Các vi sinh vật khác nhau có aw thích hợp không giống nhau (Bảng 12) aw thích hợp nhất cho sinh trưởng ở một số nhóm vi sinh vật Vi sinh vật aw Vi khuẩn nói chung 0,91 Nấm men 0,88 Nấm sợi 0,80 Vi khuẩn ưa mặn 0,76 Vi nấm ưa... Br Có mặt trong urease, cần cho sự sinh trưởng của vi khuẩn hydrogene Nếu thiếu nguyên tố vi lượng trong quá trình sinh trưởng thì hoạt tính sinh lý của vi sinh vật bị giảm sút, thậm chí ngừng sinh trưởng Do nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật là không giống nhau cho nên khái niệm về nguyên tố vi lượng chi có ý nghĩa tương đối Vi sinh vật thường tiếp nhận nguyên tố vi lượng từ các chất dinh dưỡng hữu... dưỡng được pha chế nhân tạo nhằm đáp ứng cho yêu cầu sinh trưởng, phát triển và sản sinh các sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật Môi trường dinh dưỡng dùng trong nghiên cứu vi sinh vật và trong quá trình sản xuất các sản phẩm của vi sinh vật Môi trường dinh dưỡng là yếu tố quan trọng trong công nghiệp lên men, công nghiệp sinh tổng hợp nhờ vi sinh vật Nguyên tắc pha chế môi trường nuôi cấy 1) Chọn... mới cần bổ sung nguyên tố vi lượng vào môi trường nuôi cáy vi sinh vật Vì nhiều nguyên tố vi lượng là kim loại nặng cho nên nếu dư thừa sẽ gây hại cho vi sinh vật Khi cần bổ sung thêm nguyên tô vi lượng vào môi trường cần lưu ý khống chế chính xác liều lượng Nhân tố sinh trưởng Nhân tố sinh trưởng (growth factor) là những hợp chất hữu cơ mà có những vi sinh vật cần thiết để sinh trưởng tuy với số lượng... muối ammoniae và nitratee ở vi sinh vật là khá mạnh Ion NH4+ sau khi được tế bào hấp thu có thể được trực tiếp sử dụng, do đó các nguồn muối ammoniae được coi là nguồn N tốc hiệu Còn nitratee sau khi được hấp thụ cần khử thành NH4+ rồi mới được vi sinh vật sử dụng Đa số các vi khuẩn hoại sinh (saprophyte), vi khuẩn đường ruột, vi sinh vật gây bệnh ở người, động vật, thực vật đều có thể dùng muối ammoniae,... dinh dưỡng của vi sinh vật Vi sinh vật dị dưỡng không phải tuyệt đối không sử dụng được CO2 mà chỉ là không thể dùng CO2 làm nguồn carbon duy nhất hay chủ yếu để sinh trưởng Trong điều kiện tồn tại chất hữu cơ, chúng vẫn có thể đồng hóa CO2 để tạo ra tế bào chất Tương tự như vậy, vi sinh vật tự dưỡng không phải là không có thể sử dụng chất hữu cơ để sinh trưởng Ngoài ra, một số vi sinh vật có thể thay... nhân tố sinh trưởng thành các nhóm vitamin, aminoacid, purine và pyrimidine Vitamin là nhân tố sinh trưởng được tìm thấy bản chất hoá học sớm nhất Hiện nay người ta đã phát hiện được nhiều loại vitamin có tác dụng là nhân tố sinh trưởng Một số vi sinh vật có thể tự tổng hợp được vitamin, nhưng nhiều loại khác lại cần được cung cấp vitamin trong môi trường dinh dưỡng thì mới sinh trưởng được Vitamin... men ưa áp suất thẩm thấu cao 0,60 Nhìn chung aw thích hợp nhất cho sự sinh trưởng của vi khuẩn cao hơn của nấm men và nấm sợi Vi sinh vật ưa mặn có aw thích hợp nhất cho sự sinh trưởng là khá thấp Phần nước có thể tham gia vào các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật được gọi là nước tự do Phần lớn nước tồn tại trong tế bào vi sinh vật là nước tự do Phần nước liên kết với các hợp chất hữu cơ cao phân... đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật Chúng có các chức năng sinh lý chủ yếu là: tham gia vào thành phần của các trung tâm hoạt tính ở các enzyme của vi sinh vật, duy trì tính ổn định của kết cấu cá đại phân tử và tế bào, điều tiết và duy trì cân bằng áp suất thẩm thấu của tế bào, khống chế điện thế oxy hoá khử của tế bào và là nguồn vật chất sinh năng lượng đối với một số loài vi sinh vật (Bảng 8)... thymonucleoside 0-2 μg biotin 1 ng Lactobacillus casei ephedrin Vi sinh vật tự dưỡng và một số vi sinh vật dị dưỡng (như Escherichia coli) thậm chí có thể sinh trưởng mà không cần bất kỳ nhân tố sinh trưởng nào Mặt khác, cùng một loài vi sinh vật nhưng nhu cầu đối với nhân tố sinh trưởng cũng thay đổi tuỳ theo điều kiện môi trường Ví dụ Mucor rouxii khi sinh trưởng trong điều kiện kỵ khí thì cần thiamin (B1) . vacxin 2/702 11. Sinh thái học vi sinh vật 11.1. Khái niệm chung về Sinh thái học vi sinh vật 11.2. Phương pháp nghiên cứu sinh thái học vi sinh vật 11.3. Quan hệ sinh thái học của vi sinh vật với các nhóm vi. sự sinh trưởng của vi sinh vật 2.6. Sự sinh trưởng của vi sinh vật trong môi trường tự nhiên 3. Ức chế vi sinh vật bằng các tác nhân vật lý và hóa học 4. Khái niệm chung về trao đổi chất ở vi sinh. góp 3/702 Dinh dưỡng của vi sinh vật Yêu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật Cơ sở vật chất cấu tạo nên tế bào vi sinh vật là các nguyên tố hoá học. Căn cứ vào mức độ