Sáng kiến kinh nghiệm Hệ thống kiến thức phần dinh dưỡng, chuyển hóa vật chất và năng lượng ở vi sinh vật bồi dưỡng học sinh giỏi

 MẪU 5
 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
 Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
 THUYẾT MINH MÔ TẢ GIẢI PHÁP
 VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN SÁNG KIẾN
1.Tên sáng kiến : Hệ thống kiến thức phần dinh dưỡng, chuyển hóa vật chất và
năng lượng ở vi sinh vật bồi dưỡng học sinh giỏi.
2.Ngày sáng kiến được áp dụng lần đầu hoặc áp dụng thử: 09-12/2022.
3.Các thông tin cần bảo mật (nếu có): không.
4.Mô tả các giải pháp cũ thường làm (Nêu rõ tên giải pháp, tình trạng và nhược
điểm, hạn chế của giải pháp cũ):
Nhược điểm, hạn chế của giải pháp cũ:
+ Tài liệu phục vụ giảng dạy như sách giáo khoa và sách tham khảo còn hạn chế.
+ Chưa có hệ thống lý thuyết chi tiết, chuyên sâu về vấn đề nghiên cứu.
+ Nội dung kiến thức, câu hỏi chưa đầy đủ, chưa cập nhật.
5. Sự cần thiết phải áp dụng giải pháp sáng kiến:
Nội dung kiến thức trong sách giáo khoa và sách tham khảo còn sơ sài, không có hệ
thống, không đáp ứng cho việc bồi dưỡng học sinh giỏi của lớp chuyên và đội
tuyển HSGQG. Nhằm mục đích giúp các em học sinh có kiến thức chuyên sâu hơn
về phần này, qua đó để các em có nền tảng tốt theo học đội tuyển HSG. Chúng tôi
biên soạn chuyên đề theo cấu trúc mới một cách chi tiết, cơ bản, tổng hợp và
chuyên sâu, cùng một số dạng bài tập và câu hỏi mà các em sẽ gặp phải khi làm đề
thi HSG các cấp với hy vọng làm tài liệu đọc và ôn tập cho các em học sinh trong
đội tuyển học sinh giỏi.
6. Mục đích của giải pháp sáng kiến (Nêu rõ mục đích khắc phục các nhược điểm
của giải pháp cũ hoặc mục đích của giải pháp mới do mình tạo ra):
Là tư liệu giảng dạy lớp chuyên và bồi dưỡng học sinh giỏi tham gia các kỳ thi, đặc
biệt là kỳ thi HSGQG.
 2 Lượng các nguyên tố cần ở các vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Trong
các điều kiện nuôi cấy khác nhau, tương ứng với các giai đoạn phát triển khác nhau,
lượng các nguyên tố cần trong cùng một loài vi sinh vật cũng không giống nhau.
1.3. Nhu cầu về chất sinh trưởng của vi sinh vật
Một số vi sinh vật muốn phát triển cần phải được cung cấp những chất sinh trưởng
nhất định gọi là nhân tố sinh trưởng. Nhân tố sinh trưởng là những chất hữu cơ cần
thiết cho hoạt động sống của một loài vi sinh vật nào đó mà chúng không tự tổng
hợp được từ các chất khác. Như vậy những chất được coi là nhân tố sinh trưởng của
loại vi sinh vật này hoàn toàn có thể không phải là nhân tố sinh trưởng đối với một
loại vi sinh vật khác.
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
kị khí thì cần thiamin (B1) và biotin (H), nhưng trong điều kiện hiếu khí thì lại tự
tổng hợp được các vitamin này. Thông thường, bổ sung vào môi trường các chất
hữu cơ như cao nấm men, cao thịt, dịch đun động thực vật (nhộng, giá đỗ) là có
thể đáp ứng được nhu cầu về nhân tố sinh trưởng.
Nhân tố sinh trưởng đối với một loại vi sinh vật nào đó có thể là một trong các chất
sau đây: các gốc kiềm purin, pirimidin và các dẫn xuất của chúng, các axit amin,
các vitamin thông thường...
2. Các nguồn dinh dưỡng thường sử dụng trong nuôi cấy vi sinh vật.
2.1. Nguồn thức ăn cacbon của vi sinh vật
Căn cứ vào nguồn thức ăn cacbon người ta chia sinh vật thành các nhóm tự dưỡng
và dị dưỡng. Tuỳ nhóm vi sinh vật mà nguồn cacbon được cung cấp có thể là các
chất vô cơ (CO2...) hoặc chất hữu cơ (C6H12O6).
Thường sử dụng cacbohydrat làm nguồn cacbon khi nuôi cấy phần lớn các vi sinh
vật dị dưỡng.
Ví dụ: Xenlulo được đưa vào các môi trường nuôi cấy vi sinh vật phân giải xenlulo
dưới dạng giấy lọc, bông hoặc các dạng xenlulo; Trong công nghiệp lên men, rỉ
đường là nguồn cacbon rẻ tiền và rất thích hợp cho sự phát triển của nhiều loại vi
sinh vật khác nhau.
 4 - Cấy vi sinh vật vào môi trường đã chuẩn bị.
Thông thường môi trường nuôi cấy được chuẩn bị trong các bình nuôi phổ biến như
ống nghiệm, bình tam giác, đĩa petri, nồi lên men Môi trường dinh dưỡng thường
khác nhau về tỷ lệ thành phần các chất dinh dưỡng. Ngoài ra về trạng thái môi
trường nuôi cấy có hai dạng phổ biến là dạng rắn và dạng lỏng, dạng lỏng thường
được áp dụng cho hệ thống nuôi cấy liên tục trong công nghiệp.
* Căn cứ vào thành phần môi trường ta có 3 loại môi trường nuôi cấy: môi trường
tự nhiên, môi trường tổng hợp, môi trường bán tổng hợp. Các loại môi trường này
khác nhau rất nhiều về hình thức và thành phần tùy theo loài vi sinh vật cần nuôi
cấy cũng như tùy thuộc vào mục đích của công tác nuôi cấy.
1. Môi trường nuôi cấy tự nhiên
Môi trường thuộc nhóm này được phân lập ra dựa trên kinh nghiệm hơn là dựa vào
sự hiểu biết về thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật nuôi cấy. Các môi trường
tự nhiên được dùng phổ biến là: sữa, nước thịt bò, nước các loại rau củ hoặc ngũ
cốc  Các loại môi trường này thường chứa đựng nhiều chất hữu cơ và vô cơ tan
trong nước có thể đáp ứng yêu cầu về dưỡng chất của một số lớn vi sinh vật (không
phải là tất cả).
Ưu điểm: Dễ chuẩn bị và có thể sử dụng cho nhiều mục đích thông thường trong
nghiên cứu vi sinh vật.
Nhược điểm của loại môi trường tự nhiên là không biết chính xác thành phần dinh
dưỡng cũng như thành phần dinh dưỡng của những lần chuẩn bị khác nhau sẽ rất
khác nhau. Do đó kết quả nuôi cấy của các lần chuẩn bị môi trường khác nhau có
thể sẽ không giống nhau.
2. Môi trường nuôi cấy tổng hợp
Để khắc phục nhược điểm của môi trường nuôi cấy tự nhiên, người ta đã thiết lập
các môi trường nuôi cấy tổng hợp, trong đó các thành phần dinh dưỡng của môi
trường được xác định rõ về số lượng và chất lượng.
Ưu điểm của các loại môi trường nuôi cấy tổng hợp là ta có thể biết rõ cũng như
điều khiển thành phần dinh dưỡng của môi trường một cách dễ dàng. Với biện pháp
tăng thêm hoặc bỏ bớt chất dinh dưỡng trong môi trường, chúng ta có thể biết rõ
tác động của chất dinh dưỡng đối với vi sinh vật. Ngoài ra, đây là loại môi trường
rất chính xác nhờ đó tránh được sự thay đổi trong các lần chuẩn bị môi trường,
 6 cacbon người ta chia các hình thức dinh dưỡng thành 4 kiểu được tóm tắt ở sơ đồ
dưới đây:
 Hóa học Nguồn năng lượng Ánh sáng
 HÓA DƯỠNG QUANG DƯỠNG
 Nguồn Cacbon Nguồn Cacbon
 Chất hữu cơ CO2 Chất hữu cơ
CO2
 HÓA DỊ DƯỠNG HÓA TỰ DƯỠNG QUANG DỊ DƯỠNG QUANG
TỰ DƯỠNG
 Nấm, động vật Các vi khuẩn oxi Vi khuẩn Vi khuẩn lam, tảo
 nguyên sinh, hóa hidro, vi không chứa đơn bào, vi khuẩn
 phần lớn vi khuẩn nitrat hóa, lưu huỳnh lưu huỳnh màu
 khuẩn không vi khuẩn sắt, vi màu lục, màu lục, màu tía.
 quang hợp. khuẩn oxi hóa tía
 lưu huỳnh.
1. Các con đường trao đổi chất cơ bản ở vi sinh vật tự dưỡng
1.1. Quang tự dưỡng (quang hợp):
 Quang hợp là quá trình sử dụng năng lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu cơ
từ các nguyên liệu vô cơ.
 Quá trình quang hợp ở vi khuẩn tương tự như ở thực vật, cũng gồm hai pha:
pha sáng (pha quang photphoril hóa) và pha tối (pha cố định CO2).
 Ở pha sáng: năng lượng ánh sáng được truyền sang ATP; electron từ nguồn vô
cơ (chất cho e) truyền sang NADP+, khử NADP+ thành NADPH. Tuy nhiên vi khuẩn
quang hợp được chia thành hai loại: vi khuẩn quang hợp thải oxi và vi khuẩn quang
hợp không thải oxi. Sự khác nhau giữa hai loại quang hợp này được thể hiện trong
bảng sau:
 Tiêu chí phân biệt QUANG TỰ DƯỠNG
 Quang hợp thải oxi Quang hợp không thải oxi
Đại diện Vi khuẩn lam, tảo lục Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục,
 8 * Vi khuẩn nitrat hóa gồm 2 nhóm chủ yếu: Nitrosomonas và Nitrobacter
- Nhóm vi khuẩn Nitrosomonas oxi hóa NH3 thành nitrit
 NH3 + O2 -> HNO2 + 2H2O + 158 kcal
 ( 6% năng lượng được VK sử dụng để tổng hợp Glucozo từ CO2)
- Các vi khuẩn Nitrobacter oxi hoá nitrit thành nitrat
 HNO2 + O2 -> HNO3 + 38 kcal
( 7 % năng lượng được VK sử dụng để tổng hợp Glucozo từ CO2)
* VK nitrat hóa có vai trò quan trọng trong tự nhiên: Chuyển hóa N thành dạng dễ
tiêu cung cấp cho cây trồng.
* Vi sinh vật cổ dinh dưỡng mêtan
 CH4 + O2 -> CO2 + H2O + Q
* Vi khuẩn oxi hóa Fe: oxi hóa Fe2+ thành Fe3+
 FeCO3 + O2 + H2O -> Fe( OH)3 + 4CO2 + Q
Một phần NL được VK sử dụng để tổng hợp chất hữu cơ. Nhờ hoạt động của nhóm
vi khuẩn này mà Fe(OH)3 kết tủa dần dần tạo ra các mỏ sắt.
* Vi khuẩn oxi hóa hidro
 H2 + O2 ----> H2O + Q
* Vi khuẩn oxi hóa hợp chất chứa S
 H2S + O2-- -----> H2O + 2S +Q
 2S + H2O + O2 -----> H2SO4 +Q
 CO2 + H2S + Q --------> C6H12O6 + H2O +2S
* Hoạt động của nhóm vi khuẩn này đã phần làm sạch môi trường nước.
2. Các con đường trao đổi chất cơ bản ở vi sinh vật dị dưỡng
2.1. Hóa dị dưỡng
 Là kiểu dinh dưỡng mà cơ thể dị dưỡng thu nhận nguồn cacbon từ các phân
tử hữu cơ như đường, protein, chất béo. Chúng oxi hóa các chất hữu cơ để thu nhận
năng lượng và cacbon xây dựng tế bào.
 10 b. Hô hấp kỵ khí
- Các giai đoạn: Đường phân, chu trình Crep, chuỗi truyền điện tử
-Trong hô hấp kỵ khí chất nhận e cuối cùng không phải là O2 mà là các hợp chất của
oxi.
 -
- Nếu chất nhận e cuối cùng là NO3 : Hô hấp nitrat ( xảy ra ở VK phản nitrat hóa)
 - - - - + -
 + NO3 bị khử thành NO2 : NO3 +2e + 2H -> NO2 + H2O
 -
 + NO2 bị khử thành NO -> N2O -> N2
- Nếu chất nhận điện tử cuối cùng là SO42-: Hô hấp sunfat ( xảy ra ở VK khử sunfat)
 2- - +
 SO4 + 8e + 8H -> H2S + 4H2O
 2-
- Nếu chất nhận e cuối cùng là CO2 ( CO3 ): Hô hấp cacbonnat ( xảy ra ở VSV cổ
sinh mêtan)
 - +
 CO2 + e + H -> CH4 + H2O
Hiệu quả năng lượng: TB thu 25-30 ATP
c. Lên men
- Lên men rượu
- Lên men lactic
Hiệu quả năng lượng: TB thu 2ATP
* Định nghĩa lên men theo nghĩa rộng và nghĩa hẹp
- Theo nghĩa rộng:Là quá trình phân giải các chất để thu năng lượng nhờ hoạt động
sống của VSV.
- Theo nghĩa hẹp:Là quá trình phân giải kỵ khí các chất để thu năng lượng, trong đó
hidro được tách ra từ một cơ chất và được vận chuyển đến chất nhận điện tử cuối
cùng là chất hữu cơ.
*. Bản chất của quá trình lên men
+ Giai doạn 1: Đường phân axit pyruvic
+ Giai doạn 2: Axit pyruvic chất hữu cơ đơn giản +CO2 + Q
Tuỳ theo sản phẩm lên men phân chia thành các loại lên men khác nhau
* Lên men rượu
 12 Các loại lên men lactic :
+ Lên men lactic đồng hình: Sản phẩm là axit lactic(95% năng lượng/gluco)
-> Cơ chế của quá trình lên men lên men lactic đồng hình( Con đường đường phân)
 đường phân
 Gluco------------------------------- axit pyruvic
 NAD NADH2
 Axit lactic Lactacdehydrogena
+ Lên men lactic dị hình: Sản phẩm là axit lactic, rượu etylic, axit axetic,
CO2...( 60% năng lượng /gluco)
- > Cơ chế của quá trình lên men lên men lactic dị hình: gluco được phân giải theo
con đường glucozơ 6- photphat.
 Ứng dụng của quá trình lên men : Muối chua rau quả, ủ chua thức ăn , làm
sữa chua..)
* Lên men sinh metan (khí sinh học)
 Nguyên liệu: chất hữu cơ
 Tác nhân: VSV hoại sinh sinh CH4
 Cơ chế của quá trình lên men: hợp chất cao phân tử-> chất hữu cơ đơn giản ->
axit cacboxylic + rượu -> axit axetic -> CO2 + CH4 + H2O
 Ứng dụng của quá trình lên men: Xử lý chất thải thành khí đốt sinh học
 * Lên men thối
 Nguyên liệu: Cá
 Tác nhân: Enzym trong ruột cá, VK ưa mặn
 VK thối Nấu, lọc
 Cơ chế: Protein cá----------> peptit-----> aa --------> nước mắm
 Enzym cá
 14 VSV có enzym lipaza để thủy phân lipit thành a béo và glyxerin. Glyxerin được
chuyển hóa thành các chất trung gian là cơ sở của đường phân. Axit béo bị oxi hóa
theo con đường - oxi hóa chuyển thành axety- CoA đi vào chu trình Crep.
* Dị hóa protein
VSV có enzym proteaza phân giải protein thành các aa. Các aa bị khử amin để loại
bỏ nhóm amin nhờ các phản ứng chuyển vi amin. Các a hữu cơ được tạo ra từ khử
amin chuyển hóa thành a pyruvic, axetyl- CoA đi vào chu trình Crep.
2.2. Quang dị dưỡng
 Là kiểu dinh dưỡng mà cơ thể vi sinh vật có thể sử dụng năng lượng ánh
sáng nhưng bắt buộc phải thu cacbon từ dạng hữu cơ. Kiểu dinh dưỡng này chỉ có ở
một số sinh vật nhân sơ biển và ưa mặn.
 Tuy nhiên, một số vi sinh vật có thể thay đổi loại hình dinh dưỡng khi sinh
trưởng trong những điều kiện khác nhau. Ví dụ vi khuẩn không chứa lưu huỳnh
màu tía, khi không có chất hữu cơ có thể đồng hóa CO2 và thuộc loại vi sinh vật tự
dưỡng, nhưng khi có chất hữu cơ tồn tại thì chúng lại có thể sử dụng chất hữu cơ để
sinh trưởng và lúc đó chúng là các vi sinh vật dị dưỡng. Hơn nữa, vi khuẩn không
chứa lưu huỳnh màu tía trong điều kiện kỵ khí và có chiếu sáng có thể sinh trưởng
nhờ năng lượng của ánh sáng và thuộc loại dinh dưỡng quang năng; nhưng trong
điều kiện hiếu khí và không chiếu sáng thì chúng lại sinh trưởng nhờ năng lượng
sinh ra từ quá trình oxy hóa chất hữu cơ và thuộc loại dinh dưỡng hóa năng. Tính
biến đổi loại hình dinh dưỡng ở vi sinh vật rõ ràng là có lợi cho việc nâng cao năng
lực thích ứng của chúng đối với sự biến đổi của điều kiện môi trường.
 Khuẩn diệp lục
CO2 + C3H7OH (CH2O)n + H2O + CH3 – CO – CH3
 ( Chất hưu cơ khử) ( Chất hữu cơ oxi hoá)
 16