Trong quá trình phát triển, sinh trưởng và sinh sản của tế bào vi sinh vật, sự biến đổi phức tạp của các chất dinh dưỡng xảy ra đòi hỏi một lượng năng lượng nhất định. Tế bào vi sinh vật nhận năng lượng thông qua quá trình hô hấp. Bản chất của quá trình này là các chất hữu cơ phức tạp bị oxy hóa thành những chất đơn giản hơn và giải phóng năng lượng.
Để oxy hóa các chất hữu cơ, một số vi sinh vật sử dụng oxy, một số khác có thể hoạt động mà không cần oxy, đối với những vi sinh vật khác, oxy thậm chí còn có hại. Tùy thuộc vào điều này, vi sinh vật được chia thành vi sinh vật hiếu khí, chúng nhận năng lượng do quá trình oxy hóa các chất hữu cơ bằng oxy phân tử. Ở các vi sinh vật khác, quá trình oxy hóa xảy ra mà không có sự tham gia của oxy; chúng được gọi là vi khuẩn kỵ khí. Các vi sinh vật kỵ khí được chia thành bắt buộc hoặc vô điều kiện, trong đó oxy không những không cần thiết mà còn có hại, và tùy ý hoặc có điều kiện, có thể sống cả khi có và không có không khí. Mức độ kỵ khí của vi khuẩn kỵ khí tùy ý khác nhau. Một số trong số chúng phát triển tốt hơn trong điều kiện kỵ khí hoặc với hàm lượng oxy không đáng kể trong môi trường (vi khuẩn hiếu khí), một số khác - có khả năng tiếp cận không khí. Các vi khuẩn kỵ khí tùy ý đã được biết đến (ví dụ, một số loại nấm men), có khả năng chuyển từ hô hấp kỵ khí sang hô hấp hiếu khí, tùy thuộc vào điều kiện phát triển. Sự phát triển của vi sinh vật với các kiểu hô hấp khác nhau trong ống nghiệm với môi trường dinh dưỡng rắn có thể ở trên bề mặt, ở giữa và ở độ sâu.
Tỷ lệ vi sinh vật với không khí được xác định bằng phương pháp chuyển hóa năng lượng của chúng.
Các vi sinh vật hiếu khí trong quá trình hô hấp oxy hóa gần như hoàn toàn các chất hữu cơ tạo thành sản phẩm cuối cùng là carbon dioxide và nước. Quá trình oxy hóa hoàn toàn đi kèm với việc giải phóng toàn bộ năng lượng của sản phẩm bị oxy hóa. Quá trình oxy hóa như vậy, ví dụ như đường, có thể được biểu thị bằng phương trình sau:
C 6 H 12 0 6 + 60 2 = 6C0 2 + 6H 2 0 2822 kJ.
Với quá trình oxy hóa không hoàn toàn các chất hữu cơ, năng lượng được giải phóng ít hơn so với quá trình oxy hóa hoàn toàn. Trong những trường hợp này, phần năng lượng không được giải phóng vẫn ở dạng sản phẩm của quá trình oxy hóa không hoàn toàn. Do đó, quá trình oxy hóa rượu etylic của vi khuẩn axit axetic có thể tiến tới giai đoạn hình thành axit axetic và nước với sự giải phóng năng lượng không hoàn toàn:
C 2 H 5 OH + 0 2 = CH 3 COOH + H 2 0 485,7 kJ.
Quá trình oxy hóa hoàn toàn rượu diễn ra theo sơ đồ
C 2 H 5 OH + 30 2 = 2CO 2 + ZN 2 0 1365 kJ.
Trong trường hợp này, toàn bộ năng lượng chứa trong rượu etylic được giải phóng.
Các vi sinh vật kỵ khí thu được năng lượng nhờ quá trình hô hấp không có oxy, được gọi là quá trình lên men. Với hơi thở không có oxy, quá trình oxy hóa luôn diễn ra không hoàn toàn. Một ví dụ về hô hấp thiếu khí là quá trình lên men rượu do nấm men gây ra trong điều kiện yếm khí. Quá trình lên men này diễn ra theo sơ đồ
C 6 H 12 O 6 = 2C 2 H 5 OH + 2C0 2 113 kJ.
Kết quả của quá trình lên men rượu, đường được chuyển hóa thành rượu etylic và carbon dioxide và giải phóng năng lượng. Như có thể thấy từ hai phương trình cuối, đường không bị oxy hóa hoàn toàn trong trường hợp này, vì một trong những sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men rượu - rượu etylic - có nguồn cung cấp năng lượng đáng kể, năng lượng này không được giải phóng trong điều kiện kỵ khí.
Lên men axit lactic, đóng vai trò hàng đầu trong sản xuất các sản phẩm sữa, cũng là một quá trình hô hấp kỵ khí. Kiểu lên men này được thực hiện chủ yếu bởi vi khuẩn axit lactic, là vi khuẩn kỵ khí có điều kiện, nhiều vi khuẩn phát triển tốt khi có oxy trong khí quyển. Lên men axit lactic liên quan đến sự phân hủy một phân tử đường thành hai phân tử axit lactic kèm theo sự giải phóng nhiệt:
C 6 H 12 0 6 = 2CH 2 CHONCOOH 75,4 kJ.
Trong quá trình lên men axit lactic, chỉ một phần nhỏ năng lượng tiềm năng của đường cũng được giải phóng, vì một lượng năng lượng đáng kể vẫn còn ở axit lactic.
Một ví dụ về vi sinh vật kỵ khí nghiêm ngặt là vi khuẩn axit butyric, quá trình hô hấp đi kèm với sự phân hủy đường với sự hình thành axit butyric, carbon dioxide và hydro. Quá trình này được gọi là lên men axit butyric và về cơ bản tuân theo sơ đồ sau:
C 6 H 12 O 6 = C 3 H 7 COOH + 2C0 2 + 2H 2 62,8 kJ.
Các phương trình đã cho chỉ thể hiện kết quả cuối cùng của quá trình. Trên thực tế, các quá trình này diễn ra theo nhiều giai đoạn, kèm theo sự hình thành một số sản phẩm trung gian và sản phẩm phụ.
Liên quan đến không khí, các vi sinh vật trong sữa và các sản phẩm từ sữa có thể được sắp xếp theo trình tự sau: nấm mốc và vi khuẩn khử hoạt tính (hầu hết) - hiếu khí;
vi khuẩn axetic, nấm men, micrococci, vi khuẩn coliform, vi khuẩn huỳnh quang, một số loại vi khuẩn bào tử - kỵ khí có điều kiện (phát triển tốt hơn khi có không khí);
liên cầu axit lactic là vi khuẩn kỵ khí có điều kiện;
vi khuẩn axit lactic, vi khuẩn axit propionic - vi khuẩn kỵ khí có điều kiện (phát triển tốt hơn khi thiếu không khí);
vi khuẩn axit butyric, một số loại vi khuẩn bào tử là vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt.
Sinh lý học của vi sinh vật nghiên cứu các đặc điểm phát triển, dinh dưỡng, chuyển hóa năng lượng và các quá trình sống khác của vi khuẩn trong các điều kiện môi trường khác nhau.
Dinh dưỡng của vi sinh vật
Vi khuẩn ăn bằng cách khuếch tán các chất dinh dưỡng hòa tan trong nước qua vỏ và màng. Các hợp chất hữu cơ phức tạp không hòa tan được phân hủy sơ bộ bên ngoài tế bào với sự trợ giúp của các enzyme do vi khuẩn tiết ra vào chất nền.
Theo phương pháp dinh dưỡng, chúng được chia thành tự dưỡng và dị dưỡng.
Sinh vật tự dưỡng có khả năng tổng hợp các hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ (chủ yếu là carbon dioxide, nitơ vô cơ và nước). Là nguồn năng lượng cho quá trình tổng hợp, các vi khuẩn này sử dụng năng lượng ánh sáng (quang hợp) hoặc năng lượng của các phản ứng oxy hóa (hóa tổng hợp).
Tất cả các phản ứng trao đổi chất trong tế bào vi sinh vật đều xảy ra với sự trợ giúp của các chất xúc tác sinh học - enzym. Hầu hết các enzyme bao gồm một phần protein và một nhóm phi protein giả. Nhóm chân tay giả có thể bao gồm các kim loại như sắt, đồng, coban, kẽm, cũng như vitamin hoặc các dẫn xuất của chúng. Một số enzyme chỉ bao gồm các protein đơn giản. Enzym có tính đặc hiệu và chỉ tác dụng lên một chất cụ thể. Do đó, mỗi vi sinh vật chứa toàn bộ phức hợp enzyme và một số enzyme có thể được giải phóng ra bên ngoài, nơi chúng tham gia chuẩn bị cho quá trình đồng hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp. Enzyme từ vi sinh vật được sử dụng trong thực phẩm và các ngành công nghiệp khác.
Nước. Một tế bào vi sinh vật bao gồm 75-85% nước. Hầu hết nước được tìm thấy trong tế bào chất của tế bào ở trạng thái tự do. Tất cả các quá trình trao đổi chất sinh hóa diễn ra trong nước; nước cũng là dung môi cho các chất này, vì các chất dinh dưỡng chỉ xâm nhập vào tế bào dưới dạng dung dịch và các sản phẩm trao đổi chất cũng được loại bỏ khỏi tế bào bằng nước. Một phần nước trong tế bào ở trạng thái liên kết và là một phần của một số cấu trúc tế bào. Trong bào tử vi khuẩn và nấm, lượng nước tự do giảm xuống còn 50% hoặc ít hơn. Khi lượng nước liên kết bị mất đi đáng kể, tế bào vi sinh vật sẽ chết.
Chất hữu cơ tế bào vi sinh vật được đại diện bởi protein (6-14%), chất béo (1-4%), carbohydrate, axit nucleic.
- vật liệu nhựa chính của bất kỳ tế bào sống nào, kể cả tế bào vi sinh vật. Protein tạo thành nền tảng của tế bào chất và là một phần của màng tế bào và một số cấu trúc tế bào. Chúng thực hiện chức năng xúc tác rất quan trọng vì chúng là một phần của enzyme xúc tác các phản ứng trao đổi chất trong tế bào vi sinh vật.
Tế bào vi sinh vật chứa axit deoxyribonucleic (DNA) và axit ribonucleic (RNA). DNA được tìm thấy chủ yếu trong nhân tế bào hoặc nucleotide, RNA được tìm thấy trong tế bào chất và ribosome, nơi nó tham gia vào quá trình tổng hợp protein.
Hàm lượng chất béo của các vi sinh vật khác nhau khác nhau; ở một số nấm men và nấm mốc, hàm lượng chất béo này cao hơn ở vi khuẩn từ 6-10 lần. Chất béo (lipid) là nguyên liệu năng lượng của tế bào. Chất béo ở dạng lipoprotein là một phần của màng tế bào chất, thực hiện chức năng quan trọng trong việc trao đổi tế bào với môi trường. Chất béo có thể hiện diện trong tế bào chất ở dạng hạt hoặc giọt.
Carbohydrate là một phần của màng, viên nang và tế bào chất. Chúng được đại diện chủ yếu bởi carbohydrate phức tạp - polysacarit (tinh bột, dextrin, glycogen, chất xơ), có thể kết hợp với protein hoặc lipid. Carbohydrate có thể được tích tụ trong tế bào chất dưới dạng hạt glycogen làm vật liệu năng lượng dự trữ.
(phốt pho, natri, magiê, clo, lưu huỳnh, v.v.) là một phần của protein và enzyme của tế bào vi sinh vật; chúng cần thiết cho quá trình trao đổi chất và duy trì áp suất thẩm thấu nội bào bình thường.
Cần thiết cho hoạt động bình thường của vi sinh vật. Chúng tham gia vào các quá trình trao đổi chất vì chúng là một phần của nhiều enzym. Theo quy định, vitamin phải được lấy từ thực phẩm, nhưng một số vi khuẩn có khả năng tổng hợp vitamin, ví dụ B 2 hoặc B 12.
Hô hấp của vi sinh vật
Các quá trình sinh tổng hợp các chất của tế bào vi sinh vật xảy ra với sự tiêu hao năng lượng. Hầu hết các vi khuẩn sử dụng năng lượng của các phản ứng hóa học liên quan đến oxy trong không khí. Quá trình oxy hóa chất dinh dưỡng để giải phóng năng lượng được gọi là hô hấp. Năng lượng được giải phóng bằng quá trình oxy hóa các chất vô cơ (tự dưỡng) hoặc hữu cơ (dị dưỡng).
Vi sinh vật hiếu khí (aerobic) Chúng sử dụng năng lượng giải phóng trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ với oxy trong khí quyển để tạo thành các chất vô cơ, carbon dioxide và nước. Vi khuẩn hiếu khí bao gồm nhiều vi khuẩn, nấm và một số loại nấm men. Họ thường sử dụng carbohydrate làm nguồn năng lượng.
Vi sinh vật kỵ khí (anaerobes) Chúng không sử dụng oxy để thở; chúng sống và sinh sản trong điều kiện không có oxy, lấy năng lượng từ quá trình lên men. Vi khuẩn kỵ khí là vi khuẩn thuộc chi Clostridia (trực khuẩn botulinum và trực khuẩn perfringens), vi khuẩn axit butyric, v.v..
Trong điều kiện kỵ khí, quá trình lên men rượu, axit lactic và axit butyric diễn ra, đồng thời quá trình chuyển hóa glucose thành rượu, axit lactic hoặc axit butyric xảy ra đồng thời giải phóng năng lượng. Khoảng 50% năng lượng giải phóng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt và phần còn lại được tích lũy dưới dạng ATP (axit adenosine triphosphoric).
Một số vi sinh vật có thể sống cả khi có và không có oxy. Tùy theo điều kiện môi trường, chúng có thể chuyển từ quá trình thu năng lượng yếm khí sang quá trình hiếu khí và ngược lại. Những vi sinh vật như vậy được gọi là vi khuẩn kỵ khí tùy ý.
Hô hấp là một quá trình trao đổi chất xảy ra trong tế bào với sự giải phóng năng lượng và tạo ra ATP, trong đó các hợp chất vô cơ đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng (hydro). Tùy thuộc vào chất nhận điện tử cuối cùng, hô hấp hiếu khí và kỵ khí được phân biệt. Trong hô hấp hiếu khí, chất nhận hydro là oxy, trong hô hấp kỵ khí là các hợp chất oxy hóa vô cơ như nitrat và sunfat.
Hô hấp hiếu khí. Các vi sinh vật sử dụng nhiều loại hợp chất tự nhiên làm chất nền năng lượng cho quá trình chuyển hóa hô hấp. Bất kể sự phức tạp của cấu trúc của chất nền bị oxy hóa, việc tiêu thụ nó như một nguồn năng lượng đều dựa trên cùng một nguyên tắc: phân hủy dần dần để hình thành các hợp chất đơn giản có khả năng tham gia vào các phản ứng của chu trình axit tricarboxylic. Sự kết nối của con đường trao đổi chất chính này là pyruvate.
Quá trình oxy hóa pyruvate trong quá trình hô hấp hiếu khí xảy ra trong chu trình Krebs, trong đó nó đi vào qua acetyl-CoA. Quá trình oxy hóa hoàn toàn của nó dẫn đến giải phóng hai phân tử carbon dioxide và tám nguyên tử hydro. Chất nhận hydro, như đã nêu ở trên, ở vi khuẩn hiếu khí là oxy. Phát tin
hydro (electron) thành oxy được thực hiện thông qua một chuỗi liên tiếp các phân tử mang, được gọi là chuỗi hô hấp hoặc chuỗi vận chuyển điện tử:
Chất nền gt; NAD* H2 gt; Flavoprotein gt; Coenzym O
gt; Cytochrome c gt; Cytochrome aa3 gt; 02
Chuỗi hô hấp là một hệ thống các phân tử mang được tổ chức theo không gian để chuyển các electron từ chất nền bị oxy hóa sang chất nhận. Nó được phát triển trong vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí tùy ý, chỉ ở vi khuẩn kỵ khí tùy ý, chất nhận điện tử cuối cùng, ngoài oxy, là nitrat và sunfat.
Các thành phần của chuỗi hô hấp, tập trung ở màng, là các chất mang bản chất protein như flavoprotein, protein FeS, cytochrome và bản chất phi protein - quinone (ubiquinones, menaquinones). Các dehydrogenase phụ thuộc NAD(P) tách hydro khỏi chất nền bị oxy hóa là các enzyme hòa tan; flavoprotein dehydrogenase có thể được tìm thấy ở màng hoặc ở dạng hòa tan trong tế bào chất.
quinon thực hiện việc chuyển giao nguyên tử và cytochrome - electron. Do các chất mang điện tử chứa được ngâm trong tế bào chất, nên một mặt có sự tương tác trực tiếp giữa chuỗi hô hấp và chất nền bị oxy hóa, ADP và photphat vô cơ của tế bào chất. Sự tương tác tự do này của chuỗi hô hấp với tế bào chất quyết định các đặc điểm đặc biệt trong hoạt động của bộ máy hô hấp của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn. Do đó, chuỗi hô hấp của sinh vật nhân sơ kém ổn định hơn về thành phần chất mang điện tử và kém hiệu quả hơn về mặt năng lượng. Trong chuỗi hô hấp của sinh vật nhân chuẩn có ba phần giải phóng proton và
A/l +, ở hầu hết sinh vật nhân sơ - chỉ một - n
hai phần, tức là tổng năng lượng đầu ra ở sinh vật nhân sơ thấp hơn.
Chuỗi hô hấp được thực hiện
như sau. Hydro của chất nền có thể bị oxy hóa,
được giải phóng trong các phản ứng của chu trình Krebs hoặc được huy động trực tiếp bởi các dehydrogenase phụ thuộc NAD (H2) được chuyển vào chuỗi hô hấp thành flavin dehydrogenase, sau đó đến ubiquinone. Ở đây nguyên tử hydro được tách thành một proton và một electron. Một proton được giải phóng vào môi trường, electron được chuyển sang hệ thống cytochrome để tạo thành cytochrome oxidase. Nó chuyển một electron đến chất nhận oxy ở đầu cuối, chất này được kích hoạt và kết hợp với hydro để tạo thành nước và peroxit. Sau này bị phân hủy bởi catalase thành nước và oxy. Sự chuyển điện tử dẫn đến sự thay đổi đáng kể về năng lượng tự do trong tế bào.
Tính toán cân bằng năng lượng cho thấy trong quá trình phân hủy glucose bằng con đường glycolytic và chu trình axit tradsarboxylic, sau đó là quá trình oxy hóa trong chuỗi hô hấp thành CO2 và H20, 38 mol ATP được hình thành cho mỗi mol glucose. Hơn nữa, lượng ATP tối đa được hình thành trong chuỗi hô hấp - 34 mol; 2 nốt ruồi - trong đường dẫn EPM và 2 - trong TTC.
Do có nhiều hệ thống enzyme khác nhau trong chuỗi hô hấp, các chất oxy hóa và chất nhận cuối cùng, vi khuẩn có số lượng lớn các chuỗi hô hấp khác nhau. Như vậy, trong chuỗi hô hấp của vi khuẩn axit axetic không có cytochrome a + az: dehydrogenase -*C -gt;Cj -gt;Aj -gt;02. Chuỗi hô hấp của Agrobacteria tumefaciens thậm chí còn có một bộ thành phần nhỏ hơn: NADH dehydrogenase -»Q -»C-102. Chuỗi hô hấp của vi khuẩn nốt sần và Azotobacter được đặc trưng bởi sự hiện diện của nhiều loại cytochrome: dehydrogenase -gt; b-gt; c->a-gt; az -gt;02. Chuỗi hô hấp bị rút ngắn là đặc điểm của nhiều vi khuẩn. Trong quá trình chuyển hóa năng lượng, chúng ít hữu ích hơn đối với vi khuẩn do sản lượng ATP thấp.
Phát quang sinh học. Một số vi khuẩn có một nhánh từ chuỗi hô hấp chính. Các electron từ NAD không được chuyển sang FAD mà sang FMN (flavomononucleotide). Loại thứ hai phản ứng với enzyme luciferase, oxy và aldehyd axit palmitic. Luciferase (L) xúc tác
phản ứng của aldehyd khử (AH2) với ATP (sản phẩm của phản ứng này phát ra ánh sáng khả kiến trong quá trình oxy hóa tiếp theo):
Phản ứng này được gọi là phản ứng "đom đóm" do sự hiện diện của nó trong loài đom đóm Photinus piralis. Nó được sử dụng để xác định định lượng ATP, vì cường độ phát sáng phụ thuộc trực tiếp vào lượng ATP.
Cơ chế phát quang sinh học là do sự tương tác của FMN với luciferase, oxy và aldehyd, các electron trong một số phân tử chuyển sang trạng thái kích thích và việc chúng quay trở lại mặt đất kèm theo sự phát xạ ánh sáng. ATP không được hình thành trong quá trình phát quang. Do đó, hiệu quả hoạt động của chuỗi hô hấp giảm, tức là tế bào không nhận được toàn bộ năng lượng có trong chất nền bị oxy hóa, vì một phần của nó được chuyển thành ánh sáng.
Ánh sáng càng mãnh liệt thì điều kiện thông khí của cây trồng càng tốt. Vi khuẩn phát sáng là chỉ số rất nhạy cảm của oxy phân tử. M. Beijerinck đã sử dụng vi khuẩn phát sáng làm chất chỉ thị để phát hiện oxy trong quá trình quang hợp của vi khuẩn (vào thời điểm đó người ta chưa biết rằng quá trình quang hợp của vi khuẩn xảy ra mà không giải phóng oxy).
Vi khuẩn biển kỵ khí tùy ý, thuộc chi Photobacter (vi khuẩn phát sáng), có khả năng phát quang sinh học. Trong điều kiện hiếu khí, chúng oxy hóa các chất hữu cơ bằng cách phát ra ánh sáng xanh như mặt trăng. Phát quang sinh học được coi là sự thích nghi của một số vi sinh vật để tự bảo vệ mình khỏi tác hại của oxy.
Quá trình oxy hóa không hoàn toàn Hầu hết các vi sinh vật hiếu khí, trong quá trình hô hấp, thực hiện quá trình oxy hóa hoàn toàn carbohydrate thành carbon dioxide và nước*. Đồng thời
tất cả năng lượng chứa trong chất nền được giải phóng. Một ví dụ là quá trình oxy hóa glucose bằng men làm bánh:
Tuy nhiên, quá trình oxy hóa có thể không đầy đủ. Điều này phụ thuộc vào loài vi khuẩn và điều kiện phát triển. Thông thường, quá trình oxy hóa không hoàn toàn xảy ra khi có quá nhiều carbohydrate trong môi trường và thiếu oxy. Sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa không hoàn toàn là các axit hữu cơ, chẳng hạn như acetic, citric, fumaric, gluconic, v.v. Một ví dụ điển hình của quá trình oxy hóa không hoàn toàn là sự hình thành axit axetic từ rượu bởi vi khuẩn thuộc chi Acetobacter:
Quá trình oxy hóa này được vi sinh vật sử dụng để thu được năng lượng. Với quá trình oxy hóa không hoàn toàn, sự hình thành các liên kết photphat năng lượng cao xảy ra trong quá trình chuyển điện tử. Tuy nhiên, tổng năng lượng thu được ít hơn đáng kể so với quá trình oxy hóa hoàn toàn. Một phần năng lượng của chất nền bị oxy hóa ban đầu được lưu trữ trong các axit hữu cơ thu được. Do các axit tương tự (succinic, lactic) được hình thành trong quá trình lên men carbohydrate nên quá trình oxy hóa không hoàn toàn được gọi là "lên men oxy hóa". Một đặc điểm khác biệt của quá trình oxy hóa không hoàn toàn là sự tham gia của oxy trong các phản ứng. Vì vậy, sục khí là điều kiện cần thiết cho sự hình thành axit hữu cơ của vi sinh vật. Người ta đã xác định rằng sự hình thành axit aglutamic của vi khuẩn (Corynebacteria glutamicum) chỉ xảy ra trong điều kiện hiếu khí nghiêm ngặt. Hơn nữa, sản lượng axit amin này có thể rất cao - 0,6 mol glutamine trên 1 mol glucose được sử dụng.
Các vi sinh vật phát triển nhờ năng lượng của quá trình oxy hóa không hoàn toàn được sử dụng trong công nghiệp vi sinh để sản xuất axit hữu cơ, bao gồm cả axit amin.
Hô hấp kỵ khí. Trong điều kiện kỵ khí, tức là không có oxy phân tử, một số vi sinh vật
chẳng hạn như Micrococcus denitrificans và vi khuẩn thuộc chi Desulfovibrio và Desulfotomaculum sử dụng các hợp chất khoáng bị oxy hóa làm chất nhận hydro - nitrat, sunfat, dễ dàng nhường oxy, chuyển thành dạng khử. Sản phẩm của quá trình khử nitrat là nitrit và nitơ phân tử; sunfat bị khử thành hydro sunfua và các hợp chất khác. Các sản phẩm giảm tạo thành được giải phóng khỏi tế bào. Quá trình oxy hóa chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí xảy ra bằng quá trình khử hydro. Hydro được tách ra sẽ đi vào chuỗi hô hấp và được chuyển đến chất nhận tương ứng. Phản ứng cuối cùng được xúc tác bởi nitrat reductase. Loại thứ hai hoạt động như cytochrom oxydase trong điều kiện kỵ khí.
Nitrate reductase là một enzyme cảm ứng. Sự tổng hợp của nó chỉ xảy ra trong điều kiện yếm khí với sự có mặt của nitrat. Oxy ức chế sự tổng hợp nitrat reductase. Với sự hiện diện của nitrat reductase trong tế bào (nếu vi khuẩn được chuyển từ điều kiện kỵ khí sang hiếu khí), oxy sẽ cạnh tranh với nitrat để giành electron trong chuỗi hô hấp, từ đó ức chế chức năng của enzyme này. Đây là lý do tại sao quá trình hô hấp nitrat và sunfat chỉ xảy ra trong điều kiện kỵ khí.
Khả năng của vi sinh vật sử dụng nitrat và sunfat làm chất nhận điện tử cho phép chúng oxy hóa hoàn toàn chất nền và do đó thu được lượng năng lượng cần thiết. Như vậy, vi khuẩn khử nitrat trong quá trình hô hấp nitrat tạo ra quá trình oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ, trong khi năng lượng tỏa ra chỉ thấp hơn 10% so với quá trình hô hấp hiếu khí. ATP được hình thành do quá trình phosphoryl hóa trong chuỗi hô hấp.
Hô hấp của vi sinh vật.
| Tên tham số | Nghĩa |
| Chủ đề bài viết: | Hô hấp của vi sinh vật. |
| Phiếu tự đánh giá (thể loại chuyên đề) | Giáo dục |
Hô hấp của vi sinh vật là quá trình oxy hóa sinh học của các hợp chất hữu cơ khác nhau và một số chất khoáng. Kết quả của quá trình oxy hóa khử và lên men, năng lượng nhiệt được tạo ra, một phần được sử dụng bởi tế bào vi sinh vật và phần còn lại được thải ra môi trường. Hôm nay quá trình oxy hóa được định nghĩa là quá trình loại bỏ hydro (khử hydro) và sự hồi phục - sự gia nhập của nó. Những thuật ngữ này áp dụng cho các phản ứng liên quan đến việc chuyển proton và electron hoặc chỉ electron. Khi một chất bị oxy hóa, các electron bị mất và khi một chất bị khử, chúng sẽ được thêm vào. Người ta tin rằng sự chuyển hydro và chuyển điện tử là những quá trình tương đương.
Năng lượng giải phóng trong các phản ứng oxi hóa khử tích tụ thành các hợp chất năng lượng cao ADP và ATP (adenosine diphosphate và adenosine triphosphate). Các hợp chất này có liên kết năng lượng cao có nguồn cung cấp năng lượng sinh học lớn. Οʜᴎ được định vị trong các cấu trúc phức tạp của tế bào vi sinh vật - mesosome hoặc ty thể.
Dựa vào hình thức hô hấp, vi sinh vật được chia thành hiếu khí, kỵ khí và kỵ khí tùy ý.
Hô hấp hiếu khí vi sinh vật là một quá trình trong đó chất nhận hydro cuối cùng (proton và electron) là oxy phân tử. Kết quả của quá trình oxy hóa chủ yếu là các hợp chất hữu cơ phức tạp, năng lượng được tạo ra, được giải phóng ra môi trường hoặc tích lũy trong các liên kết photphat năng lượng cao của ATP. Một sự khác biệt được thực hiện giữa quá trình oxy hóa hoàn toàn và không đầy đủ.
Quá trình oxy hóa hoàn toàn Nguồn năng lượng chính của vi sinh vật là carbohydrate. Do sự phân hủy glucose trong điều kiện hiếu khí, quá trình oxy hóa tiến tới sự hình thành carbon dioxide và nước với sự giải phóng một lượng lớn năng lượng tự do:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + 674 kcal.
Quá trình oxy hóa không hoàn toàn Không phải tất cả các vi sinh vật hiếu khí đều hoàn thành các phản ứng oxy hóa. Khi lượng carbohydrate dư thừa trong môi trường sẽ hình thành các sản phẩm của quá trình oxy hóa không hoàn toàn, chứa năng lượng. Sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa hiếu khí không hoàn toàn của đường là các axit hữu cơ: citric, malic, oxalic, succinic và các loại khác, được hình thành bởi nấm mốc. Hô hấp hiếu khí cũng được thực hiện bởi vi khuẩn axit axetic, trong đó quá trình oxy hóa rượu etylic không tạo ra carbon dioxide và nước mà là axit axetic và nước:
C 2 H 5 OH + O 2 → CH 3 COOH + H 2 O + 116 kcal.
giấm rượu etylic. đến đó
Quá trình oxy hóa rượu etylic của vi khuẩn axit axetic có thể tiến xa hơn - cho đến khi xuất hiện carbon dioxide và nước, đồng thời giải phóng một lượng lớn năng lượng:
C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O + 326 kcal.
etanol
Hô hấp kỵ khíđược thực hiện mà không có sự tham gia của oxy phân tử. Phân biệt hô hấp kỵ khí thực tế (nitrat, sunfat) và quá trình lên men . Trong quá trình hô hấp kỵ khí, chất nhận hydro là các hợp chất vô cơ bị oxy hóa, dễ dàng nhường oxy và chuyển thành dạng khử nhiều hơn. Hơi thở nitrat- khử nitrat thành nitơ phân tử . Hô hấp sunfat - khử sunfat thành hydro sunfua.
Lên men- Phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa cacbon trong điều kiện kỵ khí. Nó được đặc trưng bởi thực tế là chất nhận hydro cuối cùng là một phân tử của chất hữu cơ có liên kết không bão hòa. Chất này chỉ phân hủy thành sản phẩm trung gian là các hợp chất hữu cơ phức tạp (rượu, axit hữu cơ). Năng lượng chứa trong chúng không được vi khuẩn sử dụng và năng lượng được tạo ra với số lượng nhỏ sẽ được thải ra môi trường.
Ví dụ điển hình của hô hấp kỵ khí là:
Lên men rượu (hô hấp của nấm men trong điều kiện kỵ khí):
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 27 kcal;
etyl rượu bia
Lên men axit lactic (hô hấp của vi khuẩn axit lactic):
C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 6 O 3 + 18 kcal;
sữa đến đó
Lên men axit butyric (hô hấp của vi khuẩn axit butyric):
C 6 H 12 O 6 → C 3 H 7 COOH + 2CO 2 + 2H 2 + 15 kcal;
dầu đến đó
Như có thể thấy từ các phương trình trên, hô hấp kỵ khí giải phóng năng lượng ít hơn đáng kể so với hô hấp hiếu khí. Vì lý do này, trong quá trình hô hấp kỵ khí, để đáp ứng nhu cầu về một lượng năng lượng cực kỳ quan trọng, điều cực kỳ quan trọng là vi sinh vật phải tiêu thụ nhiều đường hơn so với quá trình hô hấp hiếu khí.
Phần lớn năng lượng sinh ra trong quá trình hô hấp được thải ra môi trường. Điều này làm cho thức ăn nóng lên và vi sinh vật phát triển. Đây là cách đun nóng rượu trong quá trình lên men rượu; hạt ướt, than bùn, cỏ khô được đun nóng.
Hô hấp của vi sinh vật. - Khái niệm và các loại Phân loại và đặc điểm của thể loại "Hô hấp của vi sinh vật". 2017, 2018.
Trang 16 trên 91
Cuộc sống của vi khuẩn, giống như tất cả các sinh vật sống, gắn liền với việc tiêu hao năng lượng liên tục, và do đó, để duy trì sự cân bằng sinh lý, cần phải liên tục đổi mới nguồn dự trữ của nó. Sau này được thực hiện bởi các vi sinh vật thông qua quá trình hô hấp.
Không giống như động vật và thực vật bậc cao, quá trình hô hấp ở vi khuẩn, mặc dù có kích thước cực nhỏ nhưng lại khác biệt bởi sự phức tạp và đa dạng, dựa trên hoạt động của các loại enzyme khác nhau. Dựa vào hình thức hô hấp, vi sinh vật được chia thành 3 nhóm:
- hiếu khí bắt buộc chỉ phát triển khi có khả năng tiếp cận oxy miễn phí. Quá trình hô hấp của chúng được thực hiện với sự tham gia của oxy phân tử từ không khí (ví dụ Vibrio cholerae).
- vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, chỉ có khả năng sống trong điều kiện không có oxy trong khí quyển (ví dụ, trực khuẩn uốn ván).
- vi khuẩn kỵ khí tùy ý, bao gồm phần lớn các vi sinh vật gây bệnh; chúng có thể tồn tại cả trong điều kiện không có oxy trong khí quyển và khả năng tiếp cận nó không đáng kể.
Công trình của Pasteur là công trình đầu tiên chứng minh rằng một số vi sinh vật có thể phát triển trong môi trường không có oxy, thu được năng lượng cần thiết từ sự phân hủy các chất hữu cơ phức tạp của chất nền dinh dưỡng. Các quá trình phân hủy sâu các hợp chất hữu cơ không chứa nitơ, thường dựa trên quá trình hô hấp yếm khí, được gọi là quá trình lên men. Quá trình hô hấp hiếu khí và kỵ khí được thực hiện bởi các chất xúc tác sinh học (enzym), có khả năng kích hoạt quá trình phản ứng oxy hóa trong quá trình hô hấp. Trong quá trình hô hấp hiếu khí và kỵ khí, trong giai đoạn đầu của quá trình, hydro được kích hoạt bởi các enzyme thuộc nhóm dehydrogenase, chúng lấy hydro từ chất nền (môi trường dinh dưỡng) và chuyển nó từ phân tử hữu cơ này sang phân tử hữu cơ khác - từ chất nhận này sang chất nhận khác. (từ tiếng Latin chấp nhận - nhận thức). Và vì trong cấu trúc của nguyên tử hydro có một electron trên quỹ đạo nên quá trình loại bỏ hydro khỏi chất nền là quá trình oxy hóa. Ở giai đoạn cuối, trong quá trình hô hấp hiếu khí, các dehydrogenase hiếu khí chuyển trực tiếp hydro được loại bỏ khỏi chất nền sang oxy trong khí quyển, là chất nhận cuối cùng. Trong trường hợp này, hydro peroxide có thể được hình thành, đóng vai trò là chất oxy hóa cho các hợp chất hữu cơ. Enzym catalase, được tìm thấy trong tất cả các sinh vật hiếu khí, phân hủy hydro peroxide thành nước và oxy, và enzyme peroxidase sẽ kích hoạt oxy của peroxide.
Các chất khử nước kỵ khí không thể cung cấp hydro cho oxy trong không khí mà chuyển nó sang các chất nhận khác (enzim, các chất khác xuất hiện trong quá trình lên men).
Cả trong quá trình hô hấp hiếu khí và kỵ khí, quá trình oxy hóa một số chất và khử các chất khác đều được quan sát thấy.
Bản chất của quá trình oxy hóa là sự mất electron của chất bị oxy hóa và trong quá trình khử, chất bị khử thu được electron.
Do đó, hoạt động hô hấp ở vi sinh vật thể hiện một chuỗi các quá trình oxy hóa khử tuần tự dẫn đến giải phóng năng lượng cần thiết cho sự sống của chúng.
Các sản phẩm dễ tiếp cận nhất cho quá trình oxy hóa của vi khuẩn hiếu khí là đường, rượu và axit hữu cơ. Các hợp chất nitơ phức tạp được sử dụng cuối cùng cho quá trình hô hấp. Vi khuẩn kỵ khí sử dụng các hợp chất hữu cơ và khoáng chất làm chất nền có thể oxy hóa.
Hô hấp kỵ khí kém kinh tế hơn hô hấp hiếu khí, như có thể thấy từ ví dụ sau. Sự phân hủy hiếu khí của một phân tử đường nho sẽ giải phóng 674 calo nhiệt. (CbH120b + 602 = 6C02 + 6H20 + 674 calo) và với sự phân hủy kỵ khí của cùng một phân tử - chỉ 27 calo (C6Hi206 = 2C2H50H + 2C02 + 27 calo).
Ghi chú. Kiểu hô hấp của vi sinh vật được phản ánh qua bản chất phát triển của chúng trên môi trường dinh dưỡng nhân tạo. Vì vậy, ví dụ, trực khuẩn lao, là một loại vi khuẩn hiếu khí bắt buộc, trong ống nghiệm hoặc bình chứa nước dùng dinh dưỡng chỉ phát triển bề ngoài, dưới dạng màng, để lại môi trường trong suốt, trực khuẩn kỵ khí - chỉ ở đáy và vi khuẩn nhóm thương hàn ruột (vi khuẩn kỵ khí tùy ý) phát triển đồng đều ở tất cả các lớp môi trường, phát triển lan tỏa.
Các phương pháp nuôi cấy vi khuẩn kỵ khí. Để nuôi cấy vi khuẩn kỵ khí, ngoài môi trường dinh dưỡng thích hợp cần tạo điều kiện môi trường không có oxy. Có nhiều phương pháp nuôi cấy vi khuẩn kỵ khí. Theo nguyên tắc cơ bản của các phương pháp này, chúng có thể được chia thành hóa học, vật lý và sinh học.
Các phương pháp hóa học. Có hai phương pháp để phát triển vi khuẩn kỵ khí. Phương pháp đầu tiên là đặt các ống nghiệm hoặc đĩa đã cấy vi khuẩn kỵ khí trong một không gian kín (ví dụ: bình hút ẩm) và đặt một số chất hấp thụ oxy - natri hyposulfite và dung dịch kiềm pyrogallol. Cứ 1 g pyrogallol lấy 10 ml dung dịch NaOH 10%; lượng chất này có khả năng liên kết oxy trong thể tích khoảng 200 ml không khí.
Những cách đơn giản nhất để đạt được tình trạng kỵ khí khi sử dụng hỗn hợp này như sau:
- Nút bông của ống nghiệm đã được cấy chất cấy này được cắt bớt, hạ xuống sâu hơn một chút và làm ẩm bằng dung dịch (0,5-1 ml). Việc tiếp cận không khí được ngăn chặn bằng cách bịt bằng nút cao su hoặc nắp cao su.
- Loại bỏ không khí khỏi môi trường dinh dưỡng trước khi gieo bằng cách đun sôi trong nồi cách thủy trong 15 phút rồi làm nguội nhanh xuống 45-50°. Để ngăn không khí quay trở lại môi trường, các ống được bịt kín hoặc bề mặt môi trường được đổ đầy dầu parafin vô trùng.
- Thu được các khuẩn lạc riêng biệt trong các lớp sâu của môi trường bằng phương pháp Vignal. Kỹ thuật cấy bằng phương pháp Vignal như sau: 3-4 ống nghiệm chứa môi trường thạch nóng chảy được cấy vật liệu thử và pha loãng dần. Thạch chưa đông đặc sau khi cấy được lấy từ mỗi ống nghiệm vào pipet Pasteur, sau đó chỉ bịt kín từ đầu rút ra (khi bịt kín, để tránh vật liệu bắn tung tóe, đầu đối diện không được kẹp chặt) . Các ống được làm lạnh nhanh chóng và chuyển đến bộ điều nhiệt. Sau 2-3 ngày, với việc pha loãng thành công nguyên liệu ban đầu, có thể quan sát thấy từng khuẩn lạc riêng lẻ.
Để cô lập khuẩn lạc, người ta dùng dũa rạch một đường tại vị trí được chỉ định trên ống, sau đó ống sẽ dễ bị gãy. Tại thời điểm này, nội dung được đổ vào đĩa Heidenreich-Petri vô trùng, khuẩn lạc được lấy bằng vòng hoặc kéo vào một pipet rút mỏng và chuyển vào nước dùng hoặc bằng cách tiêm vào cột thạch đường.
- Loại bỏ không khí (và do đó là oxy) khỏi môi trường một cách cơ học. Để làm điều này, họ sử dụng các thiết bị đặc biệt - máy điều hòa khí dung (Hình 41). Thiết bị điều hòa kỵ khí ở dạng đơn giản nhất là một hộp kim loại hình chữ nhật hoặc hình trụ được đóng bằng nắp trên một miếng đệm cao su. Xi lanh được trang bị một van kim loại được kết nối với máy bơm. Các ống nghiệm và cốc chứa môi trường nuôi cấy được đặt bên trong, không khí được bơm ra ngoài. Để nuôi cấy vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt, chỉ cần giảm áp suất xuống 1 mm là đủ.
Các phương pháp sinh học. Trong số các phương pháp sinh học, lây nhiễm động vật và phương pháp Fortner thường được sử dụng nhất.
Khi động vật bị nhiễm bệnh, vật liệu được sử dụng sẽ được dùng cho động vật ở dạng hỗn hợp với một loại huyết thanh cụ thể. Phương pháp này có thể được sử dụng theo hai cách:
- Để tách vi khuẩn ra khỏi hỗn hợp. Nếu vi khuẩn trùng khớp với huyết thanh thì nó sẽ chết. Các vi khuẩn khác không tương ứng với huyết thanh này sẽ được phân lập từ động vật.
- Để xác định độc tố. Nếu có chất độc trong vật liệu thử nghiệm, con vật nhận chất độc đó trong hỗn hợp với huyết thanh chống độc sẽ sống sót. Con vật đối chứng chết. Chẩn đoán này được sử dụng rộng rãi với xét nghiệm sinh học để tìm độc tố.
Phương pháp Fortner. Phương pháp này đưa công nghệ phòng thí nghiệm đến gần hơn với điều kiện tự nhiên cho sự phát triển của vi sinh vật kỵ khí. Fortner đã sử dụng phương pháp cộng sinh các vi khuẩn hiếu khí có khả năng hấp thụ mạnh oxy không khí (Bact. prodigiosum) với vi khuẩn kỵ khí được gieo trên môi trường thạch máu trong đĩa Heidenreich-Petri. Đĩa được chia thành hai phần bằng một dải thạch đã cắt sẵn để tránh trộn lẫn các chủng cấy trong quá trình nuôi cấy liên tục. Vật liệu cần kiểm tra vi khuẩn kỵ khí được cấy vào một nửa đĩa, và trên nửa đĩa kia, một loại vi khuẩn hiếu khí bắt buộc đã biết (Bact. prodigiosum Сас. subtilis, v.v.) được cấy.
Để cách ly không gian bên trong cốc với không khí bên ngoài, các cạnh của nó được lấp đầy bằng sáp hoặc bịt kín bằng nhựa dẻo. Sự phát triển tốt trên bề mặt của vi khuẩn kỵ khí có thể thu được bằng phương pháp Fortner.
Môi trường dinh dưỡng cho vi khuẩn kỵ khí phát triển. Nước dùng Kitta - Khoai môn. Trong ống nghiệm chứa nước luộc thịt-pepton, cho các miếng gan đã luộc chín và rửa sạch bằng nước sôi trên rây (3-5 g mỗi ống nghiệm) hoặc thịt băm, đổ đầy dầu hỏa và khử trùng ở 115° trong 30 phút.
Thạch máu chứa glucose (Zeissler). Môi trường thạch kiềm yếu chứa 2-3% agar-agar và 2% glucose được đổ vào các ống nghiệm lớn (dài 25 cm và đường kính 2,5 cm), mỗi ống khoảng 60 ml, khử trùng trong 30 phút ở 110 ° và ở dạng này tiết kiệm được. Trước khi sử dụng, đun chảy thạch trong nồi cách thủy, làm nguội đến 45°, cho 12-15 ml máu đã khử fibrin vô trùng vào mỗi ống nghiệm, trộn đều và đổ vào 3-4 đĩa Heidenreich-Petri. Các cốc đã chuẩn bị sẵn được giữ trong 2 ngày ở nhiệt độ phòng trước khi gieo.
Thạch ống Vayon. 2% agar và 0,5% glucose được thêm vào nước dùng trong lò sưởi. Chỉnh pH về 7,4 và đổ vào các ống nghiệm hẹp (đường kính 0,3-0,5 cm, dài 20 cm). Cột thạch không được cao hơn 2/3 chiều dài của ống nghiệm và được khử trùng từng đợt trong 3 ngày trong 40 phút trong thiết bị hơi nước chảy.