• Dinh dưỡng là một quá trình thu được các vật chất hóa học từ môi trường

• Các chất dinh dưỡng đã hấp thụ được sử dụng cho các quá trình sản xuất năng lượng và phát triển

• Các nguyên tố hóa học cần thiết là các chất dinh dưỡng thiết yếu

– Dinh dưỡng đa lượng: C, H, O…

– Dinh dưỡng vi lượng: Mn, Zn, Ni…

Các nguồn dinh dưỡng cần thiết

Carbon

• Xương sống cấu trúc của vật chất sống

– 50% trọng lượng khô của vi khuẩn là Carbon

– Vi khuẩn tự dưỡng (Autotrophs) lấy Carbon từ CO2

– Vi khuẩn dị dưỡng (Heterotrophs) lấy Carbon từ chất hữu cơ

Nitơ

• 14% trọng lượng khô của vi sinh vật là Nitơ cần thiết để tổng hợp protein, DNA, RNA, ATP

• Vi sinh vật lấy được Nitơ bằng cách:

– Phân hủy protein thành các axit amin (tái sử dụng các axit amin)

– NH4, – ion amoni

– NO3 – nitrat

– N2 – cố định đạm

• Sống tự do

• Sống cộng sinh với thực vật

Các nguyên tố khác

• Lưu huỳnh – tổng hợp các axit amin chứa lưu huỳnh

• Phốt pho – tổng hợp DNA, RNA, ATP và phospholipid của màng tế bào

• Các nguyên tố vết (nguyên tố vi lượng) là các khoáng chất cần thiết như các cofactor enzyme. (Cofactor là một hợp chất hóa học không phải là protein hoặc ion kim loại cần cho một hoạt động sinh học của protein xảy ra.)

• Các yếu tố tăng trưởng – các hóa chất hữu cơ không thể được tổng hợp bởi các sinh vật nhất định (vitamin, một số axit amin…)

Các loại dinh dưỡng

Dị dưỡng

• Hóa dị dưỡng

– Nguồn năng lượng và carbon từ các phân tử hữu cơ

• Sinh vật hoại sinh lấy các chất dinh dưỡng từ vật chất hữu cơ chết

– Mầm bệnh cơ hội – sinh vật hoại sinh lây nhiễm cho vật chủ bị xâm nhập

• Ký sinh trùng lấy các chất dinh dưỡng từ các sinh vật sống

– Tác nhân gây bệnh/mầm bệnh – gây hại cho vật chủ (Streptococcus)

– Ký sinh trùng nội bào bắt buộc (Rickettsias, Chlamydias, Virus)

Vi khuẩn ăn như thế nào?

• Hấp thụ các chất dinh dưỡng đã được hòa tan

• Các phân tử cần phải nhỏ

• Các phân tử lớn bị phân rã bởi các enzyme ngoại bào

• Sự khuếch tán của các phân tử nước qua màng có thể thấm được một cách chọn lọc

• Các phân tử nước sẽ di chuyển từ bên có nhiều nước hơn sang một bên có ít nước hơn

• Cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng

Các thay đổi về thẩm thấu

• Tùy thuộc vào nồng độ của nước và các chất hòa tan ở một trong hai bên của màng tế bào, tế bào có thể phụ thuộc vào: điều kiện thẩm thấu đẳng trương, nhược trương và ưu trương.

• Đẳng trương – nồng độ nước bằng nhau ở bên trong và bên ngoài

• Các dung dịch nhược trương có nồng độ chất tan thấp hơn; các tế bào để ở trong các dung dịch này sẽ phồng lên và vỡ ra

• Trong dung dịch ưu trương, nước trong tế bào đi ra khỏi tế bào – Tế bào mất nước trong dung dịch ưu trương – thu nhỏ hàm lượng tế bào bên trong màng sinh chất.

• Được sử dụng trong bảo quản thực phẩm. (Thực phẩm được bảo quản bằng cách trộn thêm muối và đường. Những hóa chất này loại bỏ nước ra khỏi tế bào vi sinh vật khiến chúng co lại. Do đó ngăn chặn sự trao đổi chất của chúng.)

• Nồng độ muối hoặc đường cao sẽ hút nước ra khỏi tế bào vi sinh vật.

Sự chuyển động của các phân tử qua màng tế bào

• Sự khuếch tán – sự chuyển động của các phân tử từ khu vực có nồng độ cao hơn đến khu vực có nồng độ thấp hơn

• Được sử dụng để vận chuyển các phân tử nhỏ (O2)

Khuếch tán xúc tiến

• Chất được vận chuyển – kết hợp với protein màng sinh chất – chất vận chuyển (protein tải)

• Việc này thay đổi hình dạng của chất vận chuyển – chất được di chuyển qua màng và được giải phóng

• Không cần năng lượng

Vận chuyển chủ động

• Mang các phân tử ngược chiều gradient

• Liên quan

– Protein màng – protein vận chuyển (protein thấm)

– Bơm (vận chuyển H+, K+, Na+)

• Tiêu thụ năng lượng (ATP)

• Chuyển vị nhóm (một dạng vận chuyển chủ động)

– Chất bị biến đổi hóa học trong khi được vận chuyển vào trong tế bào

Sự ăn và uống bởi các tế bào nhân chuẩn

Nhập bào

• Nhận chìm các hạt và các phân tử từ bên ngoài bằng màng tế bào

Ẩm bào

• Hấp thụ các chất lỏng (dầu)

Thực bào

• Các tế bào bạch cầu có thể ăn vào toàn bộ tế bào – vi khuẩn

Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến vi khuẩn

• Vật lý

– Nhiệt độ

– pH

– Áp suất thẩm thấu

• Hóa học

– Các nguyên tố (Cacbon, Nitơ, Lưuhuỳnh, Phốtpho)

– Các nguyên tố vết (vi lượng)

– Ôxy

– Các yếu tố tăng trưởng

Nhiệt độ

• Vi sinh vật có các phạm vi nhiệt độ tăng trưởng tối thiểu, tối ưu và tối đa

Các chủng vi sinh vật phân loại dựa trên phạm vi nhiệt độ

Có thể kiếm được tiền trên các vi sinh vật bất thường không?

• Thomas Brock (1965) đã phân lập vi khuẩn Thermus Aquus từ suối nước nóng trong Công viên Yellowstone. Đó là một vi sinh vật bất thường sinh trưởng ở nhiệt độ cao. Sau đó, người ta phát hiện ra rằng vi sinh vật này có một loại enzyme (DNA polymerase) tham gia vào quá trình tổng hợp DNA hoạt động ở nhiệt độ 72oC. Với sự phát triển của công nghệ PCR, việc sản xuất enzyme này đã trở thành thương vụ trị giá hàng triệu đô la.

Về các suối nước nóng

• Suối nước nóng – một mạch nước ngầm chảy tự nhiên với nhiệt độ tăng cao. Đây là năng lượng địa nhiệt – một nguồn năng lượng thay thế được sử dụng cho các mục đích khác nhau: Tắm, sưởi ấm, tạo ra năng lượng điện. Các suối nước nóng được tìm thấy trên khắp thế giới ở các khu vực núi lửa.

Nhu cầu oxy

• Vi sinh vật hiếu khí – cần O2 để sống

• Vi sinh vật yếm khí tùy nghi – có thể sinh trưởng mà không có O2

• Vi sinh vật yếm khí bắt buộc – bị giết bởi O2

• Vi sinh vật hiếu khí chuộng ít – cần O2 ở nồng độ thấp hơn nồng độ trong không khí

Oxy làm chết vi sinh vật yếm khí bắt buộc. Làm thế nào điều này có thể đúng?

• Gốc tự do Superoxide – O2– và H2O2 được hình thành trong quá trình trao đổi chất bình thường

• Vi khuẩn hiếu khí sản sinh superoxide dismutase để giải độc O2– bằng cách khử nó thành H2O2

Superoxide dismutase là một enzyme thay thế xúc tác sự phân tách của gốc superoxide (O2−) thành oxy phân tử thông thường (O2) hoặc hydro peroxide (H2O2).

2H2O2 → 2H2O + O2

• Vi khuẩn yếm khí thiếu superoxide disutase

Ảnh hưởng của pH

• Hầu hết các vi khuẩn phát triển trong phạm vi pH 6,5 – 7,5

• pH thấp và cao ức chế sự phát triển của vi khuẩn

• Các axit nhẹ có thể giúp bảo quản thực phẩm bằng cách ngăn chặn sự sinh trưởng của vi khuẩn thêm nữa (dưa cải bắp, dưa chua)

• Vi sinh vật ưa axit chịu được tính axit (vi khuẩn và nấm)

• Vi sinh vật ưa kiềm sống trong đất kiềm và nước có độ pH đến 11,5

Ảnh hưởng của áp suất thẩm thấu

• Các vi sinh vật sống ở nồng độ muối cao được gọi là vi sinh vật ưa mặn

• Vi sinh vật ưa mặn bắt buộc – cần nồng độ muối cao để tồn tại, phát triển ở nồng độ muối lên đến 30%

• Vi sinh vật ưa mặn tùy nghi – chịu được nồng độ muối cao (lên đến 2%)

Sự sinh trưởng của vi sinh vật

• Có hai khía cạnh về sự phát triển của vi sinh vật là:

• Tăng kích thước tế bào
• Tăng số lượng tế bào. Sự tăng trưởng của nuôi cấy vi khuẩn

Sự tăng trưởng của nuôi cấy vi khuẩn

• Nuôi cấy vi khuẩn mọc lên bằng cách nhân đôi các tế bào riêng lẻ (nhị phân)

• Sự tăng trưởng của nuôi cấy vi khuẩn được xác định theo thời gian thế hệ

• Thời gian thế hệ (G.T.) là thời gian cần thiết để một tế bào được phân chia.

• Đối với hầu hết các vi khuẩn thì G.T. là 30 – 60 phút

• G.T. của E. coli là 20 phút (1 tế bào sau 20 thế hệ sẽ nhân ra 1 triệu tế bào)

• Đồ thị logarit được sử dụng để mô tả sự tăng trưởng của nuôi cấy vi khuẩn

Các giai đoạn trong đường cong tăng trưởng bình thường

• Lag phase: pha thích nghi (pha tiềm phát) – ít hoặc không thay đổi về số lượng tế bào. Các tế bào đang hoạt động trao đổi chất (enzyme, tổng hợp DNA)

• Log phase: pha tăng trưởng (pha lũy thừa) – giai đoạn tăng trưởng theo cấp số nhân – sinh sản tích cực, hoạt động trao đổi chất cao

• Stationary phase: pha cân bằng – Số lượng vi sinh vật chết = số lượng tế bào mới. Hoạt động trao đổi chất chậm.

• Death phase: pha suy vong – Số lượng vi sinh vật chết lớn hơn số lượng tế bào mới

Đo lường sự tăng trưởng của vi sinh vật

• Phương pháp trực tiếp

– Đếm khuẩn lạc

– Đếm trực tiếp bằng kính hiển vi

• Phương pháp gián tiếp

– Độ đục (không được đề cập trong bài này)

– Hoạt động trao đổi chất (không được đề cập trong bài này)

Đếm khuẩn lạc

• Huyền phù tế bào (nước, sữa, nước tiểu) được cấy vào môi trường agar

• Thường cần các chuỗi pha loãng

• Một tế bào đơn được biến thành một khuẩn lạc sống

• Chỉ các tế bào sống được phát hiện

• Các đĩa có từ 30 – 300 khuẩn lạc được đếm

Đếm trực tiếp bằng kính hiển vi

• Lam kính được thiết kế đặc biệt là dụng cụ đo các đặc tính của tế bào

• Slide có buồng đếm với các ô hình vuông được ghi rõ diện tích và thể tích

• Các tế bào được đếm dưới kính hiển vi, sau đó nhân với hệ số để cho số lượng trên mỗi ml

• Nhược điểm của phương pháp:

• Tất cả các tế bào đều được đếm – bao gồm cả các tế bào chết
• Các tế bào di động rất khó đếm
• Cần có nồng độ tế bào cao

• Ưu điểm của phương pháp: Nhanh chóng – không cần ủ

“Sự thay đổi của một nhóm vi khuẩn cần có thời gian. Đó là một quá trình liên tục cần phải bổ sung các chủng vi khuẩn có lợi trong suốt vụ nuôi tôm”.

Các loài vi khuẩn đưa vào sử dụng phải được lựa chọn theo các chức năng cụ thể, ở một mật độ quần thể đủ cao và trong các điều kiện môi trường thích hợp để có hiệu quả.