Cơ sở sinh học vi sinh vật - Tập 2

NGUYỄN THÀNH ĐẠT

! ® § ĩ ỉ g ( E n ) Ị 3 p

VI SINH VÂT

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC s ư PHẠM

GS. TS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT

Cơ sở SINH HỌC

VI SINH VẬT

Tập II

(Tái bản lần thứ nhớt)

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC SƯPHẠM

THAY CHO LỜI MỞ ĐẦU TẬP II

Tập I cu ốn Cơ sở sin h học vi sinh vật đã ra m ắt bạn đọc với các

chương:

I - Vi sinh vật - bạn và thù ở quanh ta

II- Tế bào học vi sinh vật

III- Đại cương về virut học

IV - Dinh dưỡng và sinh trưởng phát triển của vi sinh vật

V - Trao đổi chất ở vi sinh vật

N ội dung tập II gồm các chương:

VI - Cốc quá trình lên men

VII - Vi khuẩn quang hợp và cố định đạm

VIII - Di truyền và biến dị ở vi sinh vật

IX- Đại cương vê' quá trình nhiễm khuẩn và miễn dịch.

Cũng như cách viết trong tập I, ở tập II này trong mỗi chương cũng

có ba phần: phần từ khóa, phần nội dung và phần câu hỏi ôn tập.

Nội dung tập II đề cập nhiều kiến thức mối về công nghệ vi sinh và

công nghệ sinh học, các quá trình lên men, quang hợp, cố định đạm, các

quá trình thông tin di truyền ở vi sinh vật và những vấn đề chủ yếu của

miễn dịch học...

Nhiều thành tựu của Việt Nam và thế giới được giới thiệu trong tập II,

nhiều quy trình công nghệ đã được sơ đồ hóa, nhiều kiến thức so sánh đã

được đưa vào bảng biểu. Trong phần câu hỏi ôn tập đã giới thiệu các câu

hỏi truyền thống, câu hỏi suy luận và cả những bài tập nghiên cứu.

Tuy nhiên, vì thời lượng có hạn, lại phải ưu tiên cho các kiến thức

có giảng dạy ở phổ thông, nên một số phần rấ t hay nhưng không thể

3

trình bày kĩ hơn được. Phương pháp trìn h bày trong tập I cũng như

tập II cô gắng góp phần rèn luyện nghề làm thầy. K ênh chữ và kênh

hình thông nhất, các kiến thức cơ bản, kiến thức quy lu ậ t đã được

nhấn mạnh, khắc sâu trong cuôn sách này.

Chúng tôi hv vọng cuốn sách giúp ích được cho bạn đọc và xin chân

thành cảm ơn những góp ý xây dựng để lần tái bản sau được tốt hơn.

Tác giả

4

Chương VI

CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN

1. TỪ KHÓA

- Lên men (fermentation): Theo nguyên ngữ học (étymologie) từ gốc

là íềrvere có nghĩa làm sủi bọt, nghĩa của th u ậ t ngữ này đã được xác

định trong nhiều công trình khoa học nổi tiếng: Van Helmont (Hình

thành CO-)). Cavendish (CO, chiếm 57% của đưòng lên men), Lavoisier,

Gay-lussac (phương trình lên men rượu), Cagniard (nấm men là những

cơ thể sống), Parteur (sự sống không cần không khí), Biichner (một quá

trình lên men có thể thực hiện không cần có m ặt của cơ thế sông).

- Lên men là một quá trình biến đoi sinh học (biotransformatiorf) sử

dụng các vi sinh vật. T huật ngữ này nói đến con đường chuyên hóa các

chất phân giải các hợp chất hữu cơ nhờ tác động của các cđ thể và tế bào

để tạo thành năng lượng hóa học dưới dạng ATP không có ôxy phân tử

tham gia.

- Chất chuyến hóa sơ cấp (primary metabolite): Một chất chuyến hóa

đượr tiết ra trong pha sinh trưởng (đọc thêm ỏ từ khóa chương V).

- Chát chuyển hóa thứ cấp (secondary metabolite): Một chất chuyển

hóa được tiết ra ỏ cuôi giai đoạn sinh trưởng cấp sô" và trong giai đoạn

cân bàng động (xem thêm từ khóa chương V).

- Vang (wine): Một sản phẩm không chưng cất của quá trìn h lên men

níỢu từ dịch quá nhò nấm men.

- Enzyme: một chất protein xúc tác thúc đẩy các phản ứng hóa học.

Đó là những protein xúc tác sinh học đối với các phản ứng hóa học

trong tế bào. Theo ủy ban enzym của hội sinh hóa quốc tê thì các enzym

5

được xếp thành 7 lớp, mỗi lớp chia thành các lớp phụ, mỗi lớp phụ lại

chia thành các nhóm. Các lớp chủ yêu là: oxydoreductaza, tran sferaza.

hydrolaza, lyaza, isom eraza, ligaza và synthetaza. Mỗi danh từ chi

một enzym thấy có tên của cơ chất, của sản phẩm và tên enzym thuộc

về lớp nào.

Ví dụ: L.Malate - NAD - oxydoreductaza hay L .aspartate -

carbamyltransferaza.

Các enzym cũng có thể được viết dưới dạng số trong bảng phân loại

chúng.

- Chuyển hóa các chất (metabolism): toàn bộ các phản ứng sinh hóa

trong tế bào

- Tiệt trùng (sterile): không có bất kỳ cơ chê sông và virus.

- Cơ thể hiếu khí (aerobe) một loại vi sinh vật có khả năng sứ dụng

0;, trong hô hấp.

- Cơ thể kỵ khí (anaerobe): vi sinh vật không có khả năng sử dụng

0 , trong hô hấp, hơn nữa ôxy phân tử gây hại hoặc diệt chết chúng.

- Cơ thể hô hấp tùy nghi (Facultative): cơ thể có thể sông trong điểu

kiện có hay không có ôxy phân tử.

- Giông thuần (pure culture): một quần thê vi sinh vật chỉ chứa một

loại vi sinh vật. Quần th ể này được sinh ra nhò sự sinh sản vô tín h từ tế

bào ban đầu.

■ Công nghệ sinh học (Biotechnology): sử dụng những nguyên lí sinh

học và công nghệ đê xử lí cơ chất nhờ các tác nhân sinh học nhằm sản

xuất công nghiệp của cải vật chất nhu cầu của con người và cải tạo môi

sinh.

- Protein đơn bào (single - cell protein): loại protein tách ra từ tế bào

vi sinh vật dùng làm thực phẩm hay thức ăn bổ sung cho người và động

vật.

• Cơ thế hóa dưỡng vô cơ (chemolithotroph): vi sinh vật có khả năng

ôxy hóa các hợp chất vô cơ làm nguồn năng lượng.

6

- Hỗn dưõng (Mixotrophic): một trạng thái dinh dưỡng trong đó một

hợp chất vô cơ là nguồn năng lượng (chất cho điện tử) trong khi các hợp

chất hữu cơ là nguồn cacbon.

- Lên men lăctic đồng hình (Ferm entation homolactic or

ferm entation lactic sensu stricto) là loại lên men lăctic gây ra bởi các vi

khuẩn thuộc họ lactobacteriaceae và một số vi sinh vật khác. Những vi

khuẩn lên men lăctic đồng hình là vi khuẩn gram dương, chịu nhiệt, vi

hiếu khí (microaerophile).

Phương trình tổng quát: glucoza + 2ADP + 2Pi -» 21actat + 2ATP

Điều đáng lưu ý là lên men lăctic đồng hình không tạo bọt khí. Như

vậy về lí thuyết đôi với 686 Kcal của một phân tử đường, thì lactat chứa

628 Kcal, phần còn lại ở trong 2ATP và khoảng 20 Kcal bị tỏa nhiệt.

- Lên men lăctic dị hình (ferm entation heterolactic) là loại lên men

lăctic phức tạp gây ra bởi Leuconostoc (chủ yếu), nhiều loại

Lactobacillus, Escherichia, và một số vi sinh vật khác nữa. Phần lớn lên

men lăctic dị hình có thể viết tổng quát như sau: 2 glucoza + H.,0 +

ADP + Pi —> 2 lactat + axêtat + ethanol + 2COo + 2H.,. Lên men lăctic dị

hình sinh ra nhiều bọt khí, và chi hình thành được 1ATP đối với 1 phân

tử glucoza được sử dụng.

- Lên men rượu (Ferm entation alcoholic) là loại lên men gây ra bơi

các nấm men Saccharomyces (chủ yểu) và một số vi sinh vật khác.

Phương trình tổng quát do Gay - Lussac viết như sau: CcH^Oc ->

2C2H5OH + 2CO, + 33Kcal (trong đó 25 dưới dạng nhiệt và 8 dưới dạng

năng lượng hóa học).

- Axêtoine: Hợp chất axêtoine CH:j - CH (OH) - c (O) - CH. được

hình thành trong một số quá trình lên men. Ví dụ trong quá trình lên

men bia, rượu hợp chất trung gian axêtôlactat sẽ bị dicacboxyl do tác

dụng của ôxy-hòa tan đê tạo thành hợp chất độc đôi với hệ thần kinh là

diaxetyl (CH;j - c o - c o - CH3), hợp chất này bị khử trong quá trình lên

men phụ đẽ biến thành chất không độc là axêtoine.

- Abzyme là nhửng protein hoặc loại phân tử khác mà tính chất của

7

nó tương tự như tính chất của enzym (khoảng 10 năm gần đây người ta

phát hiện một sô kháng thể có thể xúc tác các phản ứng giông như các

enzvm) (N.Sarvetnick, 1994).

- Axêtal: sau khi cố định một phân tử nước, một aldehyte chức năng

có thế kết hợp vói một hoặc hai phân tủ rượu đê hình th àn h hoặc là

ọ - R' ọ - R'

II ¥

R - C - o - R’ axêtal hoặc hem iaxetal R - C - OM I ' I

II II

- Axetyl (nhóm acetyl; dẫn xuất của axit axetic CH.ịCO , nhóm này

thường dược viết Ac.

- Aldehyte (nhóm chức năng Aldehyte) nhóm chức năng hóa học bao

QII gồm nhóm cacbonyle mang một nguyên tử hydrô R - c - II .

- Angstrom (A ) đơn vị đo chiều dài bằng 10 '10m.

- Aspergillus: Nấm mốc, giai đoạn sinh sản vô tính được coi ở lớp

nấm bất toàn, giai đoạn hữu tính chúng thuộc vê lớp nấm túi

(Ascomycetes), loại nấm rấ t phổ biến ở đất, có vai trò quan trọng trong

công nghiệp sản xuất các axit hữu cơ, các enzym. Một sô’ loại có thể sinh

ra độc tô’ Aflatoxine.

- Hấp tiệt trùng (Autoclave): một cách thanh trùng phôi hợp áp lực

hơi nước và nhiệt độ đê thanh trừng các môi trường lỏng. rắn. thường

dùng dưới áp su ất 0,5 - 1 atm trong 30 phút (tức là khoảng 110 - 120r,c

trong 30 phút).

- Tự tan (Autolyse): sự tan của các tế bào do các enzym của chính tê

bào thủy phân.

- Tự dưỡng (Autotrophe) cơ the có thê tông được các hợp chất hữu cơ

cho mình từ các hợp chất vô cơ như anhvdride cacbonic, cacbonate hoặc

bicacbonate.

- Bactericide: chất (phân tử) diệt khuẩn.

- Bacteriocine: các protein độc tô ngoại bào (exotoxine) được vi

8

khuẩn sinh ra. Các độc tố này tiêu diệt các vi khuẩn khác, nhưng không

tiêu diệt các cơ thể nhân chuẩn (Eucaryote). Thông tin di truyền sinh

protein độc tố này nằm ở các plasmide, khoảng một nửa số chủng E.coli

mới phân lập có thể sinh Colicines. Staphylococcus sinh

Staphylococines, Pyocines do Pseudomonas sinh ra, Megacines chiết từ

Bacillus, Pesticine từ Pasteurella, Mycobacteriocine từ Mycobacterium.

Ngày nay Nisine và Microcine do Lactococcus sinh ra, được nghiên cứu

để ung dụng trong sản xuất fromages chống lại Clostridium butyricum.

- Bacterioide: Một trạng thái sống của vi khuẩn, thường thấy

bacterioide là những vi khuan đang sông cộng sinh với một sô’ thực vật

(ví dụ trong nô’t sần của cây họ Đậu).

- Caseine: Nhóm protein tách ra từ sữa có màu trắng. Các a và p

caseine là những polypeptid chứa một số axit am in kị nước. Chúng được

hình thành trên môi trường giầu ion calcium, còn caseineK là một

glucoprotein có cấu trúc khác với các a và p caseine.

- Chu trình xitrat hav chu trình Krebs, chu trình axit tricarboxylic

(ATC) là chu trình chuyển hóa các chất mà qua đó 2 nguyên tử cacbon

(nhóm axetat được vận chuyển bởi CoA) được ôxy hóa hoàn toàn thành

CO., và mỗi vòng của chu trình năng lương được giải phóng dưối dạng:

3NADH + H \ 1FADH, và 1ATP. Chu trình Krebs xảy ra ở màng

trong của ty thê (đối với Eukaryote) hoặc trên màng tế bào chất (đối với

Prokaryote).

- Dalton: đơn vị đo khối lượng phân tử hoặc tập hợp phân tử. Một

dalton bằng phần 12 của khối lượng nguyên tử cacbon 12 hay 1,66.10'

■7kg. Đơn vị này thường được kí hiệu là Da, người ta còn sử dụng bội số

của dalton: Kilo Dalton viết tắ t là Kda. Sô’ lượng 1 hợp chất cacbon có

khôi lượng m Da hòa tan trong 1 lít dung môi để thu được một phân tử

gram (mol), tức là m X 6,023.10“3 Dalton của nguyên tử cacbon, hoặc m

X 6,023.1023 xl,66.10'27 kg nguyên tử cacbon, hay mg.

- Dextrane: Polyside phân nhánh được hình thành bơi chuỗi cấu tạo

từ các đơn vị a glucoza liên kết bởi các môi 1-6, trên những chuỗi này

gắn các chuỗi ngắn hơn liên kết bởi các mạch 1-4. D extrane thường gặp

9

ỏ nhiều loại vi khuẩn. Dextrane thì được dùng làm châ”t trơ trong sãc kí

lọc trên gel.

- Dextrine: Polysaccharide thu được nhò thủy phân tinh bột.

- Ester: Hợp chất hóa học có được do loại bỏ một phân tử nưốc giữa

ọ

¥

nhóm chức năng axit và chức năng rượu R - c - o - CH 2 - R'. Nguyên tủ

ôxy của phân tử nưốc bị loại bỏ đi vào nhóm chức nàng axit.

- Ether: hợp chất hóa học có được do loại bỏ một phân tử nước giữa 2

nhóm rượu

R-CH,-0-CH2-R’. Môì liên kết ở đây gọi là liên kết ether.

- Đơn vị khối lượng nguyên tử (Unite de m asse atom ique: uma): là

phần 12 của khối lượng nguyên tử cacbon 12 hay l,661xl0'27kg.

- Uma cũng được định nghĩa tương tự như Dalton, nhưng U m a chỉ

được áp dụng đôi với các hợp chất đă được xác định hoàn toàn về hóa học.

- Ultraviolet: Một phần của phố ánh sáng có độ dài sóng khoảng 380

và vài phần chục của nm (nanometre). Tia X là tia điện từ trường có độ

dài sóng khoảng từ 10 đến 50nm.

2. LẺN MEN ETHYLIC

2.1. Khái niệm

Lên men rượu là một quá trình sinh hóa phức tạp cần có sự tham

gia của nâm men hoặc một sô vi sinh vật khác. Trong quá trìn h lên men

rượu, đường được biến dổi thành rượu êthylic và c o ,. Q uá trìn h lên

men rượu kèm theo sự hình thành các sản phẩm , đồng thời giải phóng

năng lượng (117,6 kJ). So với sự phân giải kị khí các axit hữu cơ khác

thì lên men rượu trải qua quá trình phức tạp hơn nhò sự xúc tác của

hàng loạt các hệ enzym khác nhau. Trong phản ứng lên men, đường

được chia cắt thành các hợp chất có mạch cacbon đơn giản hơn. Lên men

rượu là quá trình vi sinh học đã được con người sử dụng từ thòi xưa.

nhưng bản chất hóa học của nó đên nay mới được dần dần sáng tỏ.

10

2.2. Tác nhân của quá trình lên men ethylic

Tác nhân chính của quá trình lên men rượu là các loài nấm

Saccharomyces (viết tắ t là S). Đây là tên nấm men theo nghĩa hẹp. Còn

nấm men theo nghĩa rộng là nhóm nấm có cơ thể đơn bào hoặc tập hợp

đơn bào, nhân chuẩn, hiển vi, chúng có thể thuộc vê' 3 lớp nấm: Nấm túi

(Ascomycetes), Nấm đảm (Basidiomycetes) và Nấm bất toàn

(Deuteromycetes hay Fungi imperfecti). Các loài nấm men

Saccharomyces có tế bào hình ôvan, Kích thước khoảng 3-10 X 5-12(.im.

Trong công nghệ sinh học người ta có thể tuyển chọn các chủng nấm

men có kích thưóc lớn, đa bội và hoạt tính sinh học rấ t cao. Nấm men

Saccharomyces sinh sản vô tính theo cách nẩy chồi, có khả năng hình

thành bào tử trong điều kiện nhất định, thường 1-4 bào tử. sống kỵ khí

không bắt buộc. Chúng có khả năng phân giải kỵ khí các loại đưòng

khác nhau, có thể sử dụng nhiều nguồn nitơ vô cơ và hữu cơ, nhưng

không có khả năng đồng hóa n itra t (đối với S.cerevisiae).

Trong hình VI-1 nêu lên các hình thức sinh sản vô tính của nấm

men, hình VI-2 nêu lên một sô dạng hình thái tê bào nấm men và sự

hình thành hệ sợi giả, sự hình thành hệ sợi ở nấm men thường thấy sau

4-5 ngày nuôi cấy trên môi trường Thạch-dextro (PDA) khoai tây.

11

c ?

Ơ o»

Nâv ch'öi ờ l cực

< a

cO

Này chồi ờ nhicu cực

Bào tử Iren ciiốns

Hình VI-lế. Hinh thúc sinh sàn sinh đưõng ỏ một số nòm men (Kreger Van Rij. 1984)

Sự hình thành bào tử vô tính ỏ nấm men thường thấy như bào tử

dây (Chlamydospore) ỏ Candida albicans, M etschnikowia, Trichosporon

hay Cryptococcus, bào tử bắn (Ballistospore) ở các loài của

Sporobolomyces.

Các nấm men Saccharomyces thuộc lớp Ascomycetes hình thành

bào tử hữu tính trong các túi.

Nấm men có thể đơn tản (homothallic) hoặc dị tả n (heterothallic). ớ

trạng thái đơn bội (haplophase) hoặc (và) lưõng bội (diphophase).

Các túi có thê dược hình thành theo các cách khác nhau.trong

trường hợp nấm men đơn tản thì trạng th ái đơn bội ưu thế, quá trìn h

12

hợp tế bào chất (Plasmogamie), hợp nhân (Caryogamie) và giảm nhiễm

xẩy ra ở hợp tử, đây là tế bào do hợp nhất 2 tế bào dinh dưỡng, trạng

thái lưSng bội chỉ còn ở hợp tử. Hình thức lưỡng bội hóa (diploiđisation)

thô sơ n h ất diễn ra giữa tê bào mẹ và tế bào đầm chồi của nó: đây là

trưòng hợp thấy ỏ các nấm men Schwanniomyces, Torulaspora,

Debaryomyces, Wingea và một sô' loài của Pichia và H ansenula (Kreger

Van Rij,1984).

S . c e r e v i s i a e S . c e r e v i s i a

' • S i

c .t r o p i c a l i s

0 O s /2 'Ị

c . m o g i i

£ c o

c . p i n u s H 's p o r a (c e llu le s a p ic u lé e s )

4 ^

y % 'Ẩt % / D

T rig o n o p s is ( c e llu le s tr ia n g u la ir e s ) S c h i z o s a c c h a r o m y c e s

. S

f i # ' e ,

À ỒB.

C .tro p ic a lis c p in to lo p e s ii

Hình VI-2: Hỉnh dang một sỏ’ nấm men. tế bào và sọi

13

S .c e r e v is ia e Pichia farinosa Schizo. octosporus

Hansenula saturnus H a n s e n i a s p o r a M e t s c n n iK o w i a

(spores avec anneau de Saturne) ( s p o r e e n c h a p e a u ) ( s p o r e e n a i g u i l l e )

Hình VI-3: Túi và bào tủ túi ỏ một sỏ’ nấm men (Theo Kreger Van Rij. 1984)

Sự lưõng bội hóa có thể thực hiện giữa 2 tế bào độc lập bằng cách

hợp nhất trực tiếp như ỏ Schizosaccharomyces hoặc gián tiếp qua ông

tiếp hợp như ỏ Zygosaccharomyces, Debaryomyces, W ingea,

Torulaspora. Trong hình VI-3 nêu lên một sô dạng túi và bào tử tú i của

một số giống nấm men.

Từ trước đến nay đã có nhiều khóa phân loại nấm men, nhưng khóa

hay dùng nhất là của Lodder (1970) và của Kreger Van Rij (1984).

Theo Lodder (1970) nấm men được chia thành 39 giống và 349 loài,

bao gồm: các giống nấm men hình thành túi (22 giông), các giông nấm

men giả thuộc bộ U stilaginales, thuộc họ Sporobolomycetaceae và các

giống nấm men không sinh bào tử như Candida, Crypto coccus,

Rhodotorula, Torulopsis, Trichosporon.v.v...

Theo K reger Van Rij (1984) thì nấm men thuộc về 3 lớp (bảng V I-1)

gồm 7 họ (bảng VI-2) và 60 giống (bảng VI-3) gồm 500 loài.

<?«<> ữ>

14

Bàng VI-1 Phân loqi nấm men theo c á c lốp

Acomycetes

Hemiascomycetes

Endomycetales

Basidioraycetes

Ustilaginales

Tremellales

Deuteromycetes

Blastomycetes

Bỏng VI-2 Phân loại nấm men sinh bào tú túi

Spermophthoraceae

Saccharomycetaceae

Schizosaccharomycetoideae

Nadsonioideae

Upomycetoideae

Saccharomycetoideae

Sperniophthoraceae

Saccharomycetaceae

Filobasidiaceae

Nấm men hình thành teliospores

Sirobasidiaceae

Tremellaceae

Crytococcaceae

Sporobolomycetaceae

Coccidiascus

Metschnikovvia

Nematospora

Schizosaccharomyces

Hanseniaspora

Nadsonia

Saccharomycodes

Wickerhamia

Lipomyces

Ambrosiozyma Pachysolen

Arthroascus

Pachyticospora

Citeromyces Pichia

Clavispora

Saccharomyces

15