Sinh lý của vi khuẩn

Như các sinh vật khác vi khuẩn cũng dinh dưỡng, chuyển hoa và phát triển.

Sự dinh dưỡng

Để phát triển vi khuẩn đòi hỏi môi trường nuôi cấy chứa đầy đủ những yếu tố dinh dưỡng bao gồm những hợp chất cần thiết để cung cấp năng lượng và những hợp chất được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp những vật liệu mới của tế bào. Về nguyên liệu tổng hợp, vi khuẩn đòi hỏi những nhu cầu về muối khoáng như PO43-, K+, Mg2+ với lượng đáng kể, một số ion ( nguyên tố vi lượng ) chỉ cần ở một nồng độ rất thấp như Fe2+, Zn2+, Mo2+, Ca2+, các ion này thường tìm thấy trong nước và trong các muối khoáng không tinh khiết. Nguồn C do thức ăn năng lượng cung cấp. Nguồn N thông thưòng là protein hoặc một muối amoni.

Phần lớn vi khuẩn nếu được cung cấp đầy đủ những yếu tố trên thì có khả năng tổng hợp các chất cấu tạo của tế bào. Nhưng một số vi khuẩn mất khả năng tổng hợp một vài hợp chất và đòi hỏi đưọc cung cấp ở trong môi trường nuôi cấy. Đó là những yếu tố phát triển; chúng được chia thành hai loại, một loại cần được cung cấp từng lượng nhỏ và đảm nhận chức vụ xúc tác như một thành phần của một enzyme ví dụ vitamin B, một loại cần được cung cấp từng lượng lớn và được dùng làm nguyên liệu cấu tạo tế bào như axit amin, purin, pyrimidin.

Ngoài ra những điều kiện vật lý như nhiệt độ pH, áp suất oxy cùng ảnh hưởng đến sự phát triển cân được điều chỉnh thích hợp.

Sự chuyển hóa

Bao gồm tất cả những phản ứng hóa học xảy ra ở những tế bào sống. Nhờ những phản ứng đó năng lượng được chiết từ môi trường và được sử dụng cho sinh tổng hợp và phát triển. Trong chuyển hóa quan trọng nhất là sự oxy hóa sinh học.

Sự oxy hóa sinh học

Sự oxy hóa được định nghĩa như là sự loại bỏ điện tử từ một cơ chất kèm theo sự loại bỏ ion hydrô tức là sự loại bỏ nguyên tử hydrô. Vì vậy sự oxy hóa được xem như là sự vận chuyển nguyên tử hydrô. Cơ chất bị oxy hóa được gọi là chất cho hydrô và phẩm vật bị khử được gọi là chất nhận hydro. Phần lớn hợp chất hữu cơ mất ion hydrô do loại bỏ điện tử. Điện tử không thể ở trạng thái tự do trong dung dịch và không thể loại bỏ khỏi một cơ chất nếu không có một chất thích hợp để nhận nó. Sự vận chuyển điện tử là cốt lõi của sự oxy hóa và sự khử.

Tùy theo bản chất của chất nhận hydro cuối cùng người ta chia sự oxy hóa  sinh học thành ba hình thức : Hô hấp hiếu khí, hô hấp kỵ khí và lên men. Chất nhận hydrô cuối cùng là oxy phân tử (O2) trong sự hô hấp hiếu khí, là một hợp chất vô cơ (nitrat, sulfat, cacbonat ) trong sự hô hấp kỵ khí, là một hợp chất hữu cơ trong sự lên men.

Về nhu cầu oxy người ta chia thành:

Vi khuẩn hiếu khí bắt buộc như vi khuẩn lao và một vài trực khuẩn tạo nha bào, những vi khuẩn này đói hỏi oxy vì thiếu khả năng lên men.

Vi khuẩn kỵ khí bắt buộc như Clostridia, Propionibactrium, chúng chỉ phát triển khi không có oxy.

Vi khuẩn tùy ý như nấm men, vi khuẩn đường ruột. Những vi khuẩn này có thể sống không có oxy nhưng đổi thành chuyển hóa hô hấp lúc có oxy.

Sự hô hấp hiếu khí

Chất nhận hydrô cuối cùng là oxy phân tử. Cơ chất thông thường là đường nhưng cũng có thể là axít béo, axít amin. Điện tử được chuyển từ chất cho hydrô đến chất nhận hydrô qua nhiều bước. Điện tử lấy từ chất cho hydro có thể đầu tiên chuyển đến một coenzyme thứ nhất A, A do đó bị khử thành AH2. Một enzyme khác lại xúc tác sự chuyển điện tử từ AH2 đến một  coenzyme thứ hai B. AH2 do đó được oxy hóa trở lại thành A và B trở nên trở thành BH. Quá trình này có thể tiếp diễn qua nhiều bước tạo nên dây chuyền hô hấp điện tử từ chât cho hydrô đến oxy

Hình: Minh hoạ về dây chuyền điện tử

Kết quả cuối cùng là sự hình thành một sản phẩm oxy hóa, một sản phẩm khử và năng lượng. Năng lượng phát sinh hoặc được dự trữ trong các dây nối sẵn năng lượng hoặc tỏa thành nhiệt.

Sự hô hấp kỵ khí

Cơ chất có thể là hợp chất hữu cơ nhưng cũng có thể là chất vô cơ. Chất nhận điện tử ở đây không phải oxy không khí mà là nitrat, sulfat, cacbonat....

Sự lên men

Cơ chất là hợp chất hữu cơ nhưng chât nhân điện tử cũng là hợp chất hữu cơ. Ở đây, trong dây chuyền điện tử thông thường chỉ có NAD là chất mang điện tử trung gian. 

Hình: Sự chuyển điện tử trong sự lên men

So với sự hô hấp, sự lên men kém hiệu quả hơn nhiều, nó cung cấp ATP 19 lần ít hơn đối với 1 mol glucoza chuyển hóa. Một vi khuẩn phát triển với một lượng giới hạn glucoza cho thấy hiệu suất phát triển (trọng lượng khô vi khuẩn / trọng lượng cơ chất chuyển hóa) lớn hơn trong điều kiện hiếu khí so với điều kiện kỵ khí.

Sự phát triển của vi khuẩn

Tế bào nhân lên trong sự phát triển. Ở vi khuẩn đơn bào, sự phát triển làm gia tăng số lượng vi khuẩn ở một sản phẩm cấy. Vi khuẩn nhân lên bằng phân liệt. Một thế hệ được định nghĩa như là sự tăng đôi tế bào. Thời gian thế hệ là khỏan thời gian cần thiết dể tăng đôi số tế bào. Thời gian thế hệ thay đổi tùy lọai vi khuẩn, 20 phút ở E.coli, 20 - 24 giờ ở vi khuẩn lao.

Sự phát triển lũy thừa

Vì hai tế bào con có thể phát triển cùng một tốc độ như tế bào mẹ nên số tế bào trong ruột sản phẩm cấy tăng lên với thời gian như một cấp số nhân 20, 21, 22, 23.....Nghĩa là sự phát triển lũy thừa.

Tốc độ phát triển của một sản phẩm cấy ở một thời gian xác định tỷ lệ với số tế bào hiện diện ở thời gian đó. Sự liên hệ này có thể biểu thị dưới dạng phương trình sau:

dN/dT  =  kN

Phân tích phương trình trên ta có:

N  =  N0  e kt

Trong đó N0 là số tế bào ở thời gian 0 và N là số tế bào ở bất kỳ thời gian t sau đó. Trong phương trình (2), k là hằng số phát triển :

Giải phương trình theo k ta có:

k = (Ln N  - Ln N0)/t

 Chuyển sang logarit thập phân

k = 2,302 (log N - log N0) / (t2  -    t1)

Như vậy k biểu thị tốc độ ở đó logarit tự nhiên của số tế bào tăng lên với thời gian và có thể xác định bằng đồ thị.

Hình. Tốc độ ở đó logarit tự nhiên của số tế bào tăng lên với thời gian.

Đường biểu diễn phát triển

Cấy vào một môi trường lỏng những vi khuẩn lấy từ một sản phẩm cấy trước đó đã phát triển đên bão hòa, lần lượt xác định số tế bào trong một 1ml và biểu diển logarit của nồng độ tế bào theo thời gian thì thu được đường biểu diễn phát triển.

Đường biểu diển gồm 4 pha:

Hình. Đường biểu diễn phát triển

A :Pha tiềm ẩn  B: pha lũy thừa  C: pha dừng  D: pha chết.

Pha tiềm ẩn: Biểu thị giai đọan ở đó tế bào bắt đầu thích nghi với môi trường mới. Enzyme và chất chuyển hóa trung gian đưọc tạo thành và tích lũy cho đến khi đạt đến một nồng độ mà sự phát triển có thể bắt đầu trở lại.

Pha lũy thừa: Trong pha này tốc độ phát triển không đổi. Tất cả các vi khuẩn điều nhân lên với một tốt độ không đổi và kích thước trung bình của tế bào cũng không đổi.

Hiện tượng này được tiếp tục duy trì cho đến khi một trong hai sự kiện sau này xảy ra. Một hay nhiều thức ăn trong môi trường bị thiếu hụt hoặc sản phẩm chuyển hóa độc tích tụ nhiều. Đối với vi khuẩn hiếu khí thức ăn đầu tiên trở nên giới hạn là oxy. Lúc nồng độ tế bào khoảng 107/ml trong trường hợp vi khuẩn hiếu khí, tốc độ vi khuẩn giảm xuống nếu oxy không được cho vào môi trường bằng cách khuấy hoặc bơm không khí. Lúc nồng độ tế bào đạt đến 4-5 x 10 9/ml tốc độ khuếch tán của oxy không thể thoả mãn nhu cầu ngay cả ở môi trường thoáng khí và sự phát triển dần dần giảm tốc độ.

Pha dừng: ở giai đoạn này sự thiếu hụt thức ăn và sự tích lũy vật phẩm độc làm cho số lượng tế bào dừng lại hoàn toàn. Các vi khuẩn sinh sản ít dần và sự phát triển về khối lượng cũng giảm dần, có một số tế bào chết nhưng được bù lại nhờ sự tạo thành một số tế bào mới.

Pha chết: Bắt đầu sau một thời gian ở pha đừng, thời gian này thay đổi theo từng loài vi khuẩn và điều kiện nuôi cấy. Vi khuẩn chết càng ngày càng nhiều. Thông thường sau khi tế bào chết, một số tế bào tiếp tục sống nhờ thức ăn phóng thích từ những tế bào bị ly giải.