Lý thuyết Sinh 10 Kết nối tri thức Bài 21: Trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản ở vi sinh vật

Với tóm tắt lý thuyết Sinh 10 Bài 21: Trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản ở vi sinh vật hay nhất, ngắn gọn sẽ giúp học sinh nắm vững kiến thức trọng tâm, ôn luyện để học tốt môn Sinh học 10.

Lý thuyết Sinh 10 Kết nối tri thức Bài 21: Trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản ở vi sinh vật

I. Quá trình tổng hợp và phân giải các chất ở vi sinh vật

1. Quá trình tổng hợp

Quá trình tổng hợp ở vi sinh vật

- Trong sinh tổng hợp (còn gọi là quá trình đồng hóa), tế bào sử dụng năng lượng 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.

- Vai trò: hình thành các hợp chất (vật liệu) để xây dựng và duy trì các hoạt động của vi sinh vật, đồng thời, giúp vi sinh vật tích lũy năng lượng.

a) Tổng hợp carbohydrate

Sinh tổng hợp carbohydrate

- Tổng hợp đường đơn: Nhiều loài vi sinh vật có khả năng tổng hợp glucose theo nhiều con đường khác nhau.

+ Tổng hợp đường đơn bằng con đường quang hợp (đây là con đường phổ biến và quan trọng nhất): xảy ra ở vi khuẩn lam và các loài tảo,…

+ Tổng hợp đường đơn bằng con đường hóa tổng hợp: xảy ra ở vi khuẩn sắt, vi khuẩn nitrate,…

- Tổng hợp đường đa từ đường đơn: Từ glucose, các vi sinh vật tổng hợp nên các đường đa làm nguyên liệu xây dựng tế bào và dự trữ năng lượng.

b) Tổng hợp protein

- Tổng hợp 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.

+ Tất cả các amino acid đều được vi sinh vật tổng hợp từ những sản phẩm của quá trình phân giải đường và nguồn nitrogen lấy từ môi trường, trong đó, một số vi sinh vật có khả năng cố định đạm để tự cung cấp nguồn nitrogen cho quá trình tổng hợp amino acid.

Sự cố định N₂ thành ammonia ở một số vi khuẩn

- Tổng hợp protein: Protein được tổng hợp từ các đơn phân là amino acid.

c) Tổng hợp lipid

- Cơ chế: Các vi sinh vật tổng hợp lipid từ nguyên liệu glycerol và acid béo.

- Vai trò: Lipid được tổng hợp sẽ tham gia cấu tạo nên tế bào, đặc biệt là màng tế bào; đồng thời, lipid cũng có thể là nguồn dự trữ năng lượng và carbon.

d) Tổng hợp nucleic acid

- Tổng hợp nucleotide: Nucleotide được tổng hợp từ 1 gốc đường 5 carbon và các amino acid glutamine, glycine, aspartate và phosphoric acid. Các phản ứng đều sử dụng năng lượng từ ATP.

- Tổng hợp nucleic acid: Nucleic acid được tổng hợp từ các đơn phân là nucleotide qua một quá trình phức tạp.

2. Phân giải các chất

- Phân giải là quá trình biến đổi chất hữu cơ phức tạp thành những chất đơn giản.

Quá trình phân giải ở vi sinh vật

- Vai trò: Quá trình phân giải giúp hình thành nguyên liệu và năng lượng cung cấp cho quá trình tổng hợp và các hoạt động của tế bào.

- Cơ chế:

Sơ đồ khái quát cơ chế phân giải các chất ở vi sinh vật

+ Khi tiếp xúc với các chất dinh dưỡng các phân tử lớn như nucleic acid, protein, đường đa, lipid, các vi sinh vật dị dưỡng hoại sinh thường tiết enzyme phân giải ngoại bào để phân giải các chất phức tạp thành các chất đơn giản rồi mới hấp thụ vào bên trong tế bào.

+ Trong tế bào vi sinh vật (cả vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng), một phần chất hữu cơ đơn giản được phân giải tiếp theo nhiều con đường khác nhau để tạo ra năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào.

- Ứng dụng quá trình phân giải ở vi sinh vật:

+ Ứng dụng quá trình phân giải protein để sản xuất nước mắm, nước tương, acid hữu cơ.

+ Ứng dụng quá trình phân giải carbohydrate để sản xuất bánh kẹo, rượu, sữa chua, rau củ muối chua.

+ Ứng dụng vi sinh vật để xử lí chất thải ô nhiễm (rác thải hữu cơ, dầu loang, nước thải,…).

Ứng dụng quá trình phân giải ở vi sinh vật để sản xuất nước tương, nước mắm

II. Sinh trưởng của quần thể vi sinh vật

- Khái niệm sinh trưởng của quần thể vi sinh vật: Sinh trưởng của quần thể vi sinh vật được hiểu là sự tăng lên về mặt số lượng tế bào trong quần thể.

- 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, thời gian thế hệ của quần thể là một hằng số và khác nhau ở mỗi loài vi sinh vật.

+ Ví dụ: Ở vi khuẩn E.coli cứ sau 20 phút phân chia một lần (g = 20).

Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn E.coli

- Sự gia tăng số lượng tế bào của quần thể vi sinh vật:

+ Trong điều kiện lí tưởng, công thức tính số tế bào tạo thành (N_t) được tạo thành từ N_o tế bào ban đầu sau n lần phân chia trong thời gian t là:

N_t = N_o × 2^t/g = N_o × 2ⁿ

+ Số lượng tế bào trong quần thể thay đổi theo thời gian và còn phụ thuộc vào hình thức nuôi cấy vi sinh vật: nuôi cấy không liên tục hoặc nuôi cấy liên tục.

1. Nuôi cấy không liên tục

- Điều kiện môi trường nuôi cấy: Trong môi trường nuôi cấy không liên tục, không được bổ sung chất dinh dưỡng mới và không được lấy đi các sản phẩm trao đổi chất.

- Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn: Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn diễn ra theo 4 pha là tiềm phát, lũy thừa, cân bằng, suy vong.

Đường cong sinh trưởng của quần thể vi khuẩn

trong môi trường nuôi cấy không liên tục

2. Nuôi cấy liên tục

- Điều kiện môi trường nuôi cấy: Trong môi trường nuôi cấy liên tục, thường xuyên được bổ sung chất dinh dưỡng và loại bỏ các sản phẩm trao đổi chất.

Nuôi cấy liên tục

- Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn: Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn trong môi trường nuôi cấy liên tục không diễn ra pha suy vong mà được duy trì ở một mức độ cân bằng sao cho năng suất sản phẩm đạt cao nhất.

- Ứng dụng: Nuôi cấy liên tục được ứng dụng để sản xuất sinh khối nhằm tách chiết các sản phẩm sinh học có giá trị như các vitamin, enzyme, chất kháng sinh,…

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của quần thể vi sinh vật

1. Các yếu tố vật lí

Yếu tố	Ảnh hưởng	Ứng dụng
Nhiệt độ	- Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa học trong tế bào. - Mỗi vi sinh vật có thể sinh trưởng được trong dải nhiệt độ thích hợp. Dựa vào khả năng chịu nhiệt, vi sinh vật được chia thành 4 nhóm: ưa lạnh (< 15 oC), ưa ấm (20 oC – 40 oC), ưa nhiệt (55 oC – 65 oC), ưa siêu nhiệt (75 oC – 100 oC).	- Dùng nhiệt độ cao để thanh trùng các chất lỏng, thực phẩm, dụng cụ,… - Dùng nhiệt độ thấp để kìm hãm sự sinh trưởng của vi sinh vật.
Độ ẩm	- Hàm lượng nước trong môi trường quyết định đến độ ẩm. Nước là dung môi hòa tan các chất dinh dưỡng, tham gia phân hủy các chất. - Mỗi loại vi sinh vật sinh trưởng trong một giới hạn độ ẩm nhất định: phần lớn vi sinh vật thích ứng sinh trưởng ở độ ẩm trên 90 %. Một số ít các vi sinh vật như xạ khuẩn, nấm sợi có khả năng sinh trưởng ở độ ẩm thấp dưới 90 %.	- 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, 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 trường 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 từ 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 pân 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,…

Tốc độ sinh trưởng của các nhóm vi sinh vật ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau

Tốc độ sinh trưởng của các nhóm vi sinh vật ở điều kiện pH khác nhau

2. Các yếu tố hóa học

a) Chất dinh dưỡng

- Các chất dinh dưỡng trong môi trường như protein, carbohydrate, lipid, ion khoáng,… có ảnh hưởng trực tiếp đến sự tồn tại và sinh trưởng của vi sinh vật.

- Nhân tố sinh trưởng đối với vi sinh vật:

+ Nhân tố sinh trưởng là những chất cần cho sự sinh trưởng của chúng nhưng với hàm lượng rất ít, có thể là một số loại amino acid, vitamin,… hay một số nguyên tố vi lượng như Mn, Zn, Mo,…

+ Dựa vào nhân tố sinh trưởng, vi sinh vật được chia thành 2 nhóm là: vi sinh vật khuyết dưỡng (vi sinh vật không tự tổng hợp các nhân tố sinh trưởng) và vi sinh vật nguyên dưỡng (vi sinh vật tự tổng hợp các nhân tố sinh trưởng).

b) Chất ức chế

Một số chất hóa học có khả năng ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật theo các cơ chế khác nhau:

Một số chất hóa học gây ức chế quá trình sinh trưởng của vi sinh vật

3. Kháng sinh, ý nghĩa của kháng sinh và tác hại của việc lạm dụng kháng sinh

a) Kháng sinh và ý nghĩa của kháng sinh

- Khái niệm: Kháng sinh là chất có tác dụng ức chế sự phát triển hoặc tiêu diệt vi khuẩn có tính chọn lọc.

- Nguồn gốc: Kháng sinh có thể được chiết xuất từ các vi sinh vật hoặc được tổng hợp nhân tạo.

- Cơ chế tác động: Kháng sinh ức chế và tiêu diệt vi khuẩn theo nhiều cơ chế khác nhau như ức chế tổng hợp thành tế bào, protein hay nucleic acid,… của vi khuẩn.

Cơ chế tác động của kháng sinh

- Ứng dụng: Con người đã phát triển và sử dụng rộng rãi các loại thuốc kháng sinh để điều trị các bệnh gây ra bởi vi khuẩn, giúp cứu sống nhiều người và thúc đẩy ngành chăn nuôi phát triển.

Một số loại thuốc kháng sinh

b) Hiện tượng kháng kháng sinh

- Khái niệm: Hiện tượng kháng kháng sinh xảy ra khi mầm bệnh hay vi khuẩn có khả năng tạo ra cách chống lại thuốc kháng sinh làm cho kháng sinh không thể tiêu diệt hoặc ngăn chặn được sự phát triển của chúng.

Hiện tượng kháng kháng sinh ở vi khuẩn

- Nguyên nhân:

+ Do sử dụng thuốc kháng sinh không đúng theo chỉ định của bác sĩ hoặc do bệnh nhân tự ý dùng thuốc.

+ Do việc sử dụng rộng rãi thuốc kháng sinh trong chăn nuôi cũng làm tăng nguy cơ xuất hiện vi khuẩn kháng thuốc, thậm chí đa kháng thuốc trên vật nuôi. Những vi khuẩn này có thể được truyền sang người qua tiếp xúc, giết mổ và gene kháng kháng sinh có thể truyền sang vi khuẩn gây bệnh ở người.

- Tác hại:

+ Vi sinh vật kháng thuốc kháng sinh làm cho việc điều trị bệnh nhiễm khuẩn trở nên khó khăn, thậm chí không thể điều trị được.

+ Nhiễm khuẩn do vi khuẩn đề kháng buộc bác sĩ phải sử dụng thuốc kháng sinh thay thế, thường có độc tính cao hơn dẫn đến thời gian nằm viện kéo dài và gây ra tốn kém chi phí y tế.

IV. CÁC HÌNH THỨC SINH SẢN Ở VI SINH VẬT

Vi sinh vật có 3 hình thức sinh sản chính gồm: phân đôi, bào tử (vô tính hoặc hữu tính), nảy chồi.

1. Phân đôi

- Là hình thức sinh sản phổ biến nhất ở vi sinh vật.

- Đặc điểm:

+ Trong hình thức phân đôi, một tế bào mẹ phân chia thành hai tế bào con giống nhau.

+ Vi sinh vật nhân sơ chỉ phân đôi vô tính, vi sinh vật nhân thực có thể phân đôi hữu tính theo cách tiếp hợp (có sự kết hợp vật chất di truyền giữa hai nhân con đơn bội của hai vi sinh vật rồi mới tiến hành phân đôi).

Phân đôi vô tính ở trùng biến hình

Tiếp hợp ở trùng giày

2. Sinh sản bằng bào tử

- Nấm có khả năng sinh sản bằng bào tử dạng vô tính hoặc hữu tính, vi khuẩn cũng có thể sinh sản nhờ ngoại bào tử.

- Đặc điểm:

+ Có nhiều loại bào tử khác nhau như bào tử đính ở vi nấm, bào tử tiếp hợp ở nấm tiếp hợp, ngoại bào tử hay bào tử đốt ở xạ khuẩn.

+ 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.

Bào tử đốt ở xạ khuẩn (a), bào tử đính ở vi nấm (b)

- Nội bào tử ở vi khuẩn:

+ Thường được tạo thành ở hai chi vi khuẩn là Bacillus và Clostridium.

+ Không giữ chức năng sinh sản mà có tác dụng giúp vi khuẩn sống tiềm sinh khi gặp điều kiện môi trường bất lợi.

Một số dạng nội bào tử ở vi khuẩn

3. Nảy chồi

- Là phương thức sinh sản vô tính đặc trưng của một số ít vi sinh vật.

- Đặc điểm: Trong hình thức này, 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 phân đôi, một cá thể mẹ có thể nảy chồi ra nhiều cá thể con.

Nảy chồi ở loài vi khuẩn quang hợp tía Rhodomicrobium vannielii (a)

và ở nấm men Saccharomyces cerevisiae (b)

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Sinh học lớp 10 Kết nối tri thức hay khác:

• Lý thuyết Sinh 10 Bài 22: Vai trò và ứng dụng của vi sinh vật

• Lý thuyết Sinh 10 Bài 23: Thực hành một số phương pháp nghiên cứu vi sinh vật thông dụng, tìm hiểu về các sản phẩm công nghệ vi sinh vật và làm một số sản phẩm lên men từ vi sinh vật

• Lý thuyết Sinh 10 Bài 24: Khái quát về virus

• Lý thuyết Sinh 10 Bài 25: Một số bệnh do virus và các thành tựu nghiên cứu ứng dụng virus

• Lý thuyết Sinh 10 Bài 26: Thực hành điều tra một số bệnh do virus và tuyên truyền phòng chống bệnh

Xem thêm các tài liệu học tốt lớp 10 hay khác:

• Giải sgk Sinh học 10 Kết nối tri thức
• Giải Chuyên đề học tập Sinh học 10 Kết nối tri thức
• Giải SBT Sinh học 10 Kết nối tri thức
• Giải lớp 10 Kết nối tri thức (các môn học)
• Giải lớp 10 Chân trời sáng tạo (các môn học)
• Giải lớp 10 Cánh diều (các môn học)

---