a. Quá trình tổng hợp

Sinh tổng hợp, còn gọi là quá trình đồng hoá, trong đó tế bào sử dụng năng lượng để 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.

Tổng hợp carbohydrate

– Nhiều loài vi sinh vật có khả năng tổng hợp nên một loại đường đơn quan trọng là glucose theo nhiều con đường khác nhau như quang hợp ở vi khuẩn lam và các loài tảo, quang khử ở vi khuẩn màu lục và màu tía hay hoá tổng hợp ở vi khuẩn sắt, vi khuẩn nitrate, trong đó con đường quang hợp là phổ biến và quan trọng nhất.

– Từ glucose, các vi sinh vật tổng hợp nên các đường đa làm nguyên liệu xây dựng tế bào và dự trữ năng lượng (H 21.1).

Hình 21.1. Sinh tổng hợp carbohydrate

Tổng hợp protein

– Protein được tổng hợp từ các đơn phân là các 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, trong khi con người chỉ có thể tổng hợp được 11 amino acid. Tất cả các amino acid đều được tổng hợp từ những sản phẩm của quá trình phân giải đường và nguồn nitrogen lấy từ môi trường.

– Một số vi sinh vật (vi khuẩn lam, vi khuẩn Rhizobium) có khả năng chuyển hoá N, trong khí quyển thành ammonia (NH,) cung cấp nguồn nitrogen cho quá trình tổng hợp các amino acid của chúng. Quá trình này được gọi là quá trình cố định nitrogen (H 21.2)

Hình 21.2. Sự cố định N₂ thành ammonia ở một số vi khuẩn

Tổng hợp lipid

Lipid là thành phần chính của màng tế bào và màng ngoài của vi khuẩn Gram âm; lipid cũng có thể là nguồn dự trữ năng lượng và carbon. Ở vi sinh vật, lipid được tổng hợp từ các acid béo và glycerol.

Tổng hợp nucleic acid

Nucleotide được tổng hợp từ một gốc đường 5 carbon và các amino acid glutamine, glycine, aspartate và phosphoric acid. Các phản ứng đều sử dụng năng lượng từ ATP. Nucleic acid được tổng hợp từ các đơn phân là nucleotide qua một quá trình phức tạp.

Vi sinh vật có khả năng tự tổng hợp các đại phân tử hữu cơ cần thiết cho cơ thể như các đường đa, protein, nucleic acid và lipid từ các chất đơn giản hấp thụ từ môi trường.

 

b. Phân giải các chất

Các vi sinh vật dị dưỡng phân giải các hợp chất hữu cơ do sinh vật khác cung cấp để lấy nguồn nguyên liệu cung cấp cho các hoạt động sống. Những vi sinh vật dị dưỡng hoại sinh thường tiết các enzyme ra bên ngoài tế bào để phân giải chất hữu cơ thành các chất đơn giản rồi hấp thụ chúng vào trong tế bào. Trong tế bào vi sinh vật, các chất hữu cơ đơn giản có thể tiếp tục được phân giải (ví dụ: Các đường đơn tiếp tục được phân giải theo con đường hô hấp hiếu khí, hô hấp kị khí hoặc lên men) để tạo ra năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào (H 21.3).

Hình 21.3. Sơ đồ khái quát quá trình phân giải các chất ở vi sinh vật

Các vi sinh vật tiết enzyme phân giải các chất hữu cơ phức tạp trong môi trường thành các chất đơn giản rồi hấp thụ vào tế bào, một phần các chất này tiếp tục được phân giải theo kiểu hộ hấp hay lên men.

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 (mọi yếu tố trong môi trường đều là tối ưu đối với sự phát triển của vi sinh vật), thời gian thế hệ của quần thể là một hàng số. Thời gian thế hệ khác nhau ở mỗi loài vi sinh vật.

Ví dụ: Vi khuẩn E. coli ở điều kiện tối ưu, cứ 20 phút phân chia một lần (g = 20), ở vi khuẩn lao là 12 giờ.

Trong điều kiện lí tưởng, sau n lần phân chia từ Ng tế bào ban đầu, trong thời gian t, số tế bào tạo thành Nụ là:

\({N_t} = {N_o}x{2^{t/g}} = {N_o}x{2^n}\)

Số lượng tế bào trong quần thể thay đổi theo thời gian và còn tuỳ thuộc vào hình thức nuôi cấy vi sinh vật.

Sinh trưởng của quần thể vi khuẩn chỉ sự tăng lên về mặt số lượng tế bào trong quần thể.

 

a. Nuôi cấy không liên tục

Trong môi trường nuôi cấy không liên tục – môi trường không được bổ sung chất dinh dưỡng mới và không được lấy đi các sản phẩm trao đổi chất, sự sinh trưởng của vi khuẩn bao gồm bốn pha cơ bản: pha tiềm phát, pha luỹ thừa, pha cân bằng và pha suy vong (H 21.4).

Hình 21.4. Đường cong sinh trưởng của quần thể vi khuẩn trong môi trường nuôi cấy không liên tục

– Pha tiềm phát (pha lag): tính từ khi vi khuẩn được nuôi cấy cho đến khi chúng bắt đầu sinh trưởng (phân chia). Ở pha này, vi khuẩn dẫn thích nghi với môi trường, tổng hợp vật chất chuẩn bị cho sự phân chia.

– Pha luỹ thừa (phalog): Vi sinh vật phân chia mạnh mẽ theo tiềm năng, số lượng tế bào tăng theo luỹ thừa và đạt đến cực đại ở cuối pha.

– Pha cân bằng: Dinh dưỡng trong môi trường giảm, chất độc hại tăng. Tốc độ sinh trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật giảm dần. Lượng tế bào sinh ra bằng lượng tế bào chết đi.

– Pha suy vong: Số lượng tế bào trong quần thể ngày càng giảm do chất dinh dưỡng cạn kiệt, chất độc hại tích huy ngày càng nhiều thế ngày càng giảm

Trong môi trường nuôi cấy không liên tục, quần thể vi khuẩn sinh trưởng theo bốn pha cơ bản: pha tiềm phát, pha luỹ thừa, pha cân bằng và pha suy vong.

 

b. Nuôi cấy liên tục

Trong mô hình nuôi cấy lớn, thường xuyên được bổ sung chất dinh dưỡng và loại bỏ các sản phẩm trao đổi chất, môi trường nuôi cấy như vậy được gọi là môi trường nuôi cấy liên tục. Vi sinh vật nuôi trong các bình/bể lên men để sản xuất sinh khối nhằm tách chiết các sản phẩm sinh học có giá trị như các vitamin, enzyme, chất kháng sinh… là một ví dụ của nuôi cấy liên tục. Số lượng vi sinh vật sẽ được duy trì ở một mức độ cân bằng sao cho năng suất sản phẩm đạt cao nhất.

Trong môi trường nuôi cấy liên tục, mật độ vi khuẩn trong quần thể được giữ ở mức tối ưu để cho năng suất sản phẩm cao nhất.

Trong tự nhiên, có nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của quần thể vi sinh vật. Có những yếu tố làm tăng tốc độ sinh trưởng nhưng cũng có những yếu tố làm hạn chế, thậm chí tiêu diệt các loài vi sinh vật.

a. Các yếu tố vật lí

Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố vật lí như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm,… (Bảng 21.1).

Bảng 21.1. Ảnh hưởng của một số yếu tố vật lí đến sinh trưởng của vi sinh vật

Yếu tố	Ảnh hưởng	Ứng dụng
Nhiệt độ	Căn cứ vào nhiệt độ, vị sinh vật được chia thành các nhóm: – Vi sinh vật ưa lạnh (dưới 15 độ C) – Vi sinh vật ưa ấm (từ 20 – 40 độ C) – Vi sinh vật ưa nhiệt (từ 55 – 65 độ C) – Vi sinh vật siêu ưa  nhiệt (từ 75-100 độ C)	Con người dùng nhiệt độ cao để thanh trùng các chất lỏng, thực phẩm, dụng cụ…, nhiệt độ thấp để kìm hãm sinh trưởng của vi sinh vật.
Độ ẩm	Hàm lượng nước trong môi trường quyết định độ ẩm. Nước là dung môi hòa tan các chất. Mỗi loại vi sinh vật sinh trưởng trong một giới hạn độ ẩm nhất định.	– 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 của môi trường, 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 trưởng 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 tử 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 phân 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…

b. Sinh sản bằng bào tử

Nấm có khả năng sinh sản bằng bào tử dạng vô tính hoặc hữu tỉnh, vi khuẩn cũng có thể sinh sản nhờ các ngoại bào tử. Có nhiều loại bào tử khác nhau như bào tử đính ở nấm, bào tử tiếp hợp ở nấm tiếp hợp, ngoại bào tử hay bào tử đốt ở xạ khuẩn (H 21.6). 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.

Hình 21.6. Bào tử đốt ở xạ khuẩn (a), bảo từ đính ở vi nấm (b)

Ngoài các ngoại bào tử giữ chức năng sinh sản, khi gặp điều kiện khắc nghiệt, vi khuẩn còn có thể hình thành nội bào tử với lớp vỏ dày chứa calcium dipicolinate bên trong tế bào, giúp vi khuẩn sống tiềm sinh khi gặp điều kiện môi trường bất lợi (H. 21,7). Nội bào tử thường được tạo thành ở hai chỉ vi khuẩn là Bacillus và Clostridium. Nội bào tử không phải là hình thức sinh sản của vi khuẩn mà chỉ là cách thức giúp vi khuẩn chống chịu trước những điều kiện bất lợi của môi trường.

Hình 27.7. Một số dạng nội bao tử ở vi khuẩn

c. Nảy chồi

Nảy chối là phương thức sinh sản vô tính đặc trưng của một số ít vi sinh vật như vi khuẩn quang dưỡng màu tía, nấm men (H 21.8). 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 phản đối, một cá thể mẹ có thể nảy chồi ra nhiều cá thể con. có thể này chơi rên nhiều cá thể

Hình 21.8. Nảy chối ở loài vi khuẩn quang hợp tín Rhodomicrobium vannielii (a) và ở nam men Saccharomyces cerevisiae (b)

Vi sinh vật có ba hình thức sinh sản chính là phân đội, sinh sản bang bào tử (vô tính hoặc hữu tính) và hình thức nảy chồi.