Sinh học lớp 10 · KNTT · Chương 7

Lý thuyết Sinh học 10 Bài 21: Trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản ở vi sinh vật

Chương 7: Sinh học vi sinh vật · Kết nối tri thức với cuộc sống

Tóm tắt lý thuyết Sinh học 10 Bài 21: Trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản ở vi sinh vật theo chương trình SGK Kết nối tri thức với cuộc sống. Hệ thống hoá toàn bộ kiến thức trọng tâm, sơ đồ cấu trúc tế bào sinh học chuẩn xác, bảng biểu so sánh trực quan và câu hỏi củng cố có lời giải chi tiết.

Lớp

10 11 12

Môn

Toán học Vật lý Hóa học Ngữ văn Tiếng Anh Sinh học Lịch sử Địa lý Giáo dục kinh tế & pháp luật Tin học Công nghệ

I. Quá trình tổng hợp và phân giải các chất ở vi sinh vật

1. Quá trình tổng hợp

Quá trình tổng hợp ở vi sinh vật

- Trong sinh tổng hợp (còn gọi là quá trình đồng hóa), tế bào sử dụng năng lượng liên kết các phân tử đơn giản thành các phân tử hữu cơ phức tạp cần thiết.

- Vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp tất cả các chất thiết yếu cho tế bào như carbohydrate, protein, nucleic acid và lipid.

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

a) Tổng hợp carbohydrate

Sinh tổng hợp carbohydrate

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

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

+ Tổng hợp đường đơn bằng con đường hóa tổng hợp: xảy ra ở vi khuẩn sắt, vi khuẩn nitrate,…

- Tổng hợp đường đa từ đường đơn: Từ glucose, các vi sinh vật tổng hợp nên các đường đa làm nguyên liệu xây dựng tế bào và dự trữ năng lượng.

b) Tổng hợp protein

- Tổng hợp amino acid:

+ Phần lớn vi sinh vật có khả năng tự tổng hợp được toàn bộ 20 amino acid cần thiết cho sự phát triển.

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

Sự cố định N₂ thành ammonia ở một số vi khuẩn

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

c) Tổng hợp lipid

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

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

d) Tổng hợp nucleic acid

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

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

2. Phân giải các chất

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

Quá trình phân giải ở vi sinh vật

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

- Cơ chế:

Sơ đồ khái quát cơ chế phân giải các chất ở vi sinh vật

+ Khi tiếp xúc với các chất dinh dưỡng các phân tử lớn như nucleic acid, protein, đường đa, lipid, các vi sinh vật dị dưỡng hoại sinh thường tiết enzyme phân giải ngoại bào để phân giải các chất phức tạp thành các chất đơn giản rồi mới hấp thụ vào bên trong tế bào.

+ Trong tế bào vi sinh vật (cả vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng), một phần chất hữu cơ đơn giản được phân giải tiếp theo nhiều con đường khác nhau để tạo ra năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào.

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

+ Ứng dụng quá trình phân giải protein để sản xuất nước mắm, nước tương, acid hữu cơ.

+ Ứng dụng quá trình phân giải carbohydrate để sản xuất bánh kẹo, rượu, sữa chua, rau củ muối chua.

+ Ứng dụng vi sinh vật để xử lí chất thải ô nhiễm (rác thải hữu cơ, dầu loang, nước thải,…).

Ứng dụng quá trình phân giải ở vi sinh vật để sản xuất nước tương, nước mắm

II. Sinh trưởng của quần thể vi sinh vật

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

- Thời gian thế hệ (kí hiệu là g):

+ Là thời gian tính từ khi một tế bào sinh ra đến khi tế bào đó phân chia, hay cũng là thời gian cần có để số tế bào trong quần thể tăng gấp đôi.

+ Trong điều kiện lí tưởng, thời gian thế hệ của quần thể là một hằng số và khác nhau ở mỗi loài vi sinh vật.

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

Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn E.coli

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

+ Trong điều kiện lí tưởng, công thức tính số tế bào tạo thành (N_t) được tạo thành từ N_o tế bào ban đầu sau n lần phân chia trong thời gian t là:

N_t = N_o × 2^t/g = N_o × 2ⁿ

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

1. Nuôi cấy không liên tục

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

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

Đường cong sinh trưởng của quần thể vi khuẩn

trong môi trường nuôi cấy không liên tục

Đặc điểm

Pha tiềm phát (pha lag)

Pha lũy thừa (pha log)

Pha

cân bằng

Pha

suy vong

Quần thể vi khuẩn

- Vi khuẩn thích ứng dần với môi trường, tổng hợp vật chất chuẩn bị cho sự phân chia.

- Số lượng tế bào vi khuẩn trong quần thể gần như không thay đổi.

- Vi khuẩn phân chia mạnh mẽ theo tiềm năng.

- Số lượng tế bào vi khuẩn trong quần thể tăng theo lũy thừa và đạt đến cực đại ở cuối pha.

- Tốc độ sinh trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật giảm dần.

- Số lượng tế bào gần như không đổi do số tế bào sinh ra cân bằng với số tế bào chết đi.

- Số lượng tế bào trong quần thể ngày càng giảm dần.

Dinh dưỡng

- Dinh dưỡng đầy đủ cho sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn.

- Dinh dưỡng đầy đủ nhưng tiêu hao nhanh cho sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn.

- Dinh dưỡng trong môi trường giảm, chất độc hại tăng.

- Dinh dưỡng cạn kiệt, chất độc hại tích lũy ngày càng nhiều.

2. Nuôi cấy liên tục

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

Nuôi cấy liên tục

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

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

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

1. Các yếu tố vật lí

Yếu tố	Ảnh hưởng	Ứng dụng
Nhiệt độ	- Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa học trong tế bào. - Mỗi vi sinh vật có thể sinh trưởng được trong dải nhiệt độ thích hợp. Dựa vào khả năng chịu nhiệt, vi sinh vật được chia thành 4 nhóm: ưa lạnh (< 15 ^oC), ưa ấm (20^oC – 40 ^oC), ưa nhiệt (55 ^oC – 65 ^oC), ưa siêu nhiệt (75 ^oC – 100 ^oC).	- Dùng nhiệt độ cao để thanh trùng các chất lỏng, thực phẩm, dụng cụ,… - Dùng nhiệt độ thấp để kìm hãm sự sinh trưởng của vi sinh vật.
Độ ẩm	- Hàm lượng nước trong môi trường quyết định đến độ ẩm. Nước là dung môi hòa tan các chất dinh dưỡng, tham gia phân hủy các chất. - Mỗi loại vi sinh vật sinh trưởng trong một giới hạn độ ẩm nhất định: phần lớn vi sinh vật thích ứng sinh trưởng ở độ ẩm trên 90 %. Một số ít các vi sinh vật như xạ khuẩn, nấm sợi có khả năng sinh trưởng ở độ ẩm thấp dưới 90 %.	- Dùng nước để khống chế sinh trưởng của các nhóm vi sinh vật có hại và kích thích sinh trưởng của nhóm vi sinh vật có ích cho con người. - Điều chỉnh độ ẩm của lương thực, thực phẩm, đồ dùng để bảo quản được lâu hơn bằng cách phơi khô, sấy khô.
Độ pH	- Ảnh hưởng đến tính thấm qua màng, sự chuyển hóa các chất trong tế bào, hoạt hóa enzyme, sự hình thành ATP,… - Dựa vào độ pH, vi sinh vật được chia thành 3 nhóm: vi sinh vật ưa acid, vi sinh vật ưa kiềm, vi sinh vật ưa pH trung tính.	- Tạo điều kiện nuôi cấy thích hợp với từng nhóm vi sinh vật. - Điều chỉnh độ pH môi trường để ức chế các vi sinh vật gây hại và kích thích các vi sinh vật có lợi.
Ánh sáng	- Cần thiết cho quá trình quang hợp của các vi sinh vật quang tự dưỡng, tác động đến bào tử sinh sản, tổng hợp sắc tố, chuyển động hướng sáng.	- Dùng bức xạ điện từ để ức chế, tiêu diệt vi sinh vật.
Áp suất thẩm thấu	- Áp suất thẩm thấu cao gây co nguyên sinh ở các tế bào vi sinh vật khiến chúng không pân chia được. - Áp suất thẩm thấu thấp làm các tế bào vi sinh vật bị trương nước và có thể vỡ ra (đối với các vi khuẩn không có thành tế bào).	- Điều chỉnh áp suất thẩm thấu để bảo quản thực phẩm như ướp muối, ướp đường,…

Tốc độ sinh trưởng của các nhóm vi sinh vật ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau

Tốc độ sinh trưởng của các nhóm vi sinh vật ở điều kiện pH khác nhau

2. Các yếu tố hóa học

a) Chất dinh dưỡng

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

- Nhân tố sinh trưởng đối với vi sinh vật:

+ Nhân tố sinh trưởng là những chất cần cho sự sinh trưởng của chúng nhưng với hàm lượng rất ít, có thể là một số loại amino acid, vitamin,… hay một số nguyên tố vi lượng như Mn, Zn, Mo,…

+ Dựa vào nhân tố sinh trưởng, vi sinh vật được chia thành 2 nhóm là: vi sinh vật khuyết dưỡng (vi sinh vật không tự tổng hợp các nhân tố sinh trưởng) và vi sinh vật nguyên dưỡng (vi sinh vật tự tổng hợp các nhân tố sinh trưởng).

b) Chất ức chế

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

Một số chất hóa học gây ức chế quá trình sinh trưởng của vi sinh vật

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

a) Kháng sinh và ý nghĩa của kháng sinh

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

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

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

Cơ chế tác động của kháng sinh

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

Một số loại thuốc kháng sinh

b) Hiện tượng kháng kháng sinh

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

Hiện tượng kháng kháng sinh ở vi khuẩn

- Nguyên nhân:

+ Do sử dụng thuốc kháng sinh không đúng theo chỉ định của bác sĩ hoặc do bệnh nhân tự ý dùng thuốc.

+ Do việc sử dụng rộng rãi thuốc kháng sinh trong chăn nuôi cũng làm tăng nguy cơ xuất hiện vi khuẩn kháng thuốc, thậm chí đa kháng thuốc trên vật nuôi. Những vi khuẩn này có thể được truyền sang người qua tiếp xúc, giết mổ và gene kháng kháng sinh có thể truyền sang vi khuẩn gây bệnh ở người.

- Tác hại:

+ Vi sinh vật kháng thuốc kháng sinh làm cho việc điều trị bệnh nhiễm khuẩn trở nên khó khăn, thậm chí không thể điều trị được.

+ Nhiễm khuẩn do vi khuẩn đề kháng buộc bác sĩ phải sử dụng thuốc kháng sinh thay thế, thường có độc tính cao hơn dẫn đến thời gian nằm viện kéo dài và gây ra tốn kém chi phí y tế.

IV. CÁC HÌNH THỨC SINH SẢN Ở VI SINH VẬT

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

1. Phân đôi

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

- Đặc điểm:

+ Trong hình thức phân đôi, một tế bào mẹ phân chia thành hai tế bào con giống nhau.

+ Vi sinh vật nhân sơ chỉ phân đôi vô tính, vi sinh vật nhân thực có thể phân đôi hữu tính theo cách tiếp hợp (có sự kết hợp vật chất di truyền giữa hai nhân con đơn bội của hai vi sinh vật rồi mới tiến hành phân đôi).

Phân đôi vô tính ở trùng biến hình

Tiếp hợp ở trùng giày

2. Sinh sản bằng bào tử

- Nấm có khả năng sinh sản bằng bào tử dạng vô tính hoặc hữu tính, vi khuẩn cũng có thể sinh sản nhờ ngoại bào tử.

- Đặc điểm:

+ Có nhiều loại bào tử khác nhau như bào tử đính ở vi nấm, bào tử tiếp hợp ở nấm tiếp hợp, ngoại bào tử hay bào tử đốt ở xạ khuẩn.

+ Tất cả các bào tử sinh sản ở vi khuẩn đều chỉ có các lớp màng, không có vỏ và không tìm thấy hợp chất calcium dipicolinate.

Bào tử đốt ở xạ khuẩn (a), bào tử đính ở vi nấm (b)

- Nội bào tử ở vi khuẩn:

+ Thường được tạo thành ở hai chi vi khuẩn là Bacillus và Clostridium.

+ Không giữ chức năng sinh sản mà có tác dụng giúp vi khuẩn sống tiềm sinh khi gặp điều kiện môi trường bất lợi.

Một số dạng nội bào tử ở vi khuẩn

3. Nảy chồi

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

- Đặc điểm: Trong hình thức này, một cá thể con sẽ dần hình thành ở một phía của cá thể mẹ. Cá thể con sau khi trưởng thành sẽ tách ra thành một cá thể độc lập. Khác với phân đôi, một cá thể mẹ có thể nảy chồi ra nhiều cá thể con.

Nảy chồi ở loài vi khuẩn quang hợp tía Rhodomicrobium vannielii (a)

và ở nấm men Saccharomyces cerevisiae (b)

Câu hỏi ôn tập & củng cố bài học

Trình bày 4 pha của đường cong sinh trưởng quần thể vi khuẩn trong nuôi cấy không liên tục.

Nuôi cấy không liên tục (môi trường kín) gồm 4 pha: (1) Pha tiềm phát (lag phase): Vi khuẩn thích nghi với môi trường mới, tích cực tổng hợp enzyme và RNA, kích thước tế bào tăng nhưng số lượng tế bào chưa tăng (

V_t \approx 0

); (2) Pha lũy thừa (log phase): Tốc độ sinh trưởng đạt cực đại, vi khuẩn phân chia liên tục theo cấp số nhân, số lượng tế bào tăng vọt theo hàm mũ (

N_t = N_0 \times 2^n

); (3) Pha cân bằng (stationary phase): Dinh dưỡng cạn kiệt, chất độc chuyển hóa tích tụ, số tế bào sinh ra bằng số tế bào chết đi, mật độ tế bào đạt mức tối đa không đổi; (4) Pha suy vong (death phase): Dinh dưỡng cạn kiệt hoàn toàn, độc tố nội bào cao, số tế bào chết vượt trội số tế bào sinh ra, quần thể vi khuẩn bị phân hủy hàng loạt.

Tại sao trong công nghiệp sản xuất sinh khối vi sinh vật người ta phải sử dụng phương pháp nuôi cấy liên tục?

Nuôi cấy liên tục là hệ thống hở, liên tục bổ sung chất dinh dưỡng mới với tốc độ bằng tốc độ rút dịch nuôi cấy và chất thải ra ngoài. Phương pháp này giúp duy trì nồng độ cơ chất dinh dưỡng và các yếu tố môi trường luôn ở trạng thái ổn định tối ưu, giữ cho quần thể vi sinh vật luôn sinh trưởng ở pha lũy thừa (pha log) với tốc độ phân chia cực đại trong thời gian dài, ngăn không cho chuyển sang pha suy vong, từ đó thu được năng suất sinh khối và enzyme cao nhất.

Một quần thể vi khuẩn

E. coli

ban đầu có 500 tế bào, thời gian thế hệ là 20 phút. Hỏi sau 2 giờ, số lượng tế bào của quần thể là bao nhiêu (coi vi khuẩn sinh trưởng ở pha log)?

Thời gian nuôi cấy:

t = 2\text{ giờ} = 120\text{ phút}

. Số thế hệ phân chia của vi khuẩn:

n = \frac{t}{g} = \frac{120}{20} = 6\text{ thế hệ}

. Áp dụng công thức số lượng tế bào sau

n

thế hệ:

N_t = N_0 \times 2^n = 500 \times 2^6 = 500 \times 64 = 32.000\text{ tế bào}

Nêu cơ chế sinh hóa của quá trình lên men lactic và phân biệt lên men lactic đồng hình với dị hình.

Cơ chế: Phân tử glucose qua đường phân tạo 2 pyruvate và 2 NADH; sau đó 2 pyruvate đóng vai trò là chất nhận hydro, bị khử trực tiếp bởi 2 NADH dưới xúc tác của enzyme lactate dehydrogenase tạo ra 2 phân tử lactic acid (

C_3H_6O_3

) và tái tạo

2NAD^+

C_6H_{12}O_6 \to 2CH_3CH(OH)COOH + 2\text{ ATP}

. Phân biệt: Lên men đồng hình (vi khuẩn Lactobacillus bulgaricus) tạo sản phẩm duy nhất là lactic acid (chiếm

>90\%

); lên men dị hình ngoài lactic acid còn tạo thêm ethanol, acetic acid và khí

CO_2