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

1. Quá trình tổng hợp (đồng hoá)

Đây là quá trình mà tế bào vi sinh vật dùng năng lượng để ghép nối các phân tử nhỏ, đơn giản lại với nhau, tạo thành các phân tử hữu cơ có cấu trúc phức tạp hơn. Vi sinh vật có thể tự tạo ra đầy đủ các nhóm chất thiết yếu gồm: carbohydrate, protein, lipid và nucleic acid.

a) Tổng hợp carbohydrate

Nhiều loài vi sinh vật tạo được glucose – một loại đường đơn quan trọng – thông qua các con đường khác nhau:

• Quang hợp ở vi khuẩn lam và tảo (con đường phổ biến, quan trọng nhất).
• Quang khử ở vi khuẩn màu lục, màu tía.
• Hoá tổng hợp ở vi khuẩn sắt, vi khuẩn nitrate hoá.

Từ glucose, vi sinh vật tiếp tục tổng hợp nên nhiều loại đường đa phục vụ xây dựng cấu trúc tế bào hoặc dự trữ năng lượng. Cụ thể:

Các phản ứng tổng hợp đều tiêu tốn năng lượng ATP.

b) Tổng hợp protein

Protein được cấu thành từ các đơn phân là amino acid. Điểm đáng chú ý là phần lớn vi sinh vật tự tổng hợp được đủ 20 loại amino acid cần cho sự phát triển, trong khi cơ thể người chỉ tự tạo được 11 loại.

Nguồn nguyên liệu để tổng hợp amino acid:

• Các sản phẩm từ quá trình phân giải đường.
• Nitrogen hấp thụ từ môi trường.

Quá trình cố định nitrogen ($N_2$): Một số vi sinh vật đặc biệt như vi khuẩn lam, vi khuẩn Rhizobium có thể chuyển hoá $N_2$ trong khí quyển thành $NH_3$ (ammonia), cung cấp nguồn nitrogen cho việc tạo amino acid. Phản ứng tổng quát:

$$N_2 + 8H^+ + 8e^- + 16ATP \rightarrow 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16P_i$$

Quá trình này có ý nghĩa rất lớn đối với hệ sinh thái và nông nghiệp vì nó đóng góp phần lớn nguồn nitrogen cho sinh giới.

c) Tổng hợp lipid

Lipid đóng vai trò là thành phần chủ yếu của màng tế bào và màng ngoài ở vi khuẩn Gram âm, đồng thời là nguồn dự trữ năng lượng và carbon. Vi sinh vật tổng hợp lipid từ acid béo kết hợp với glycerol.

d) Tổng hợp nucleic acid

Các nucleotide – đơn phân cấu tạo nên nucleic acid – được hình thành từ: gốc đường 5 carbon, các amino acid (glutamine, glycine, aspartate) và phosphoric acid. Toàn bộ quá trình đều cần năng lượng ATP. Từ các nucleotide, nucleic acid (DNA, RNA) được tổng hợp qua một chuỗi phản ứng phức tạp.

2. Quá trình phân giải các chất

Các vi sinh vật dị dưỡng cần phân giải hợp chất hữu cơ từ môi trường để lấy nguyên liệu và năng lượng cho hoạt động sống. Quá trình diễn ra theo các bước:

Bước 1 – Phân giải ngoại bào: Vi sinh vật (đặc biệt nhóm dị dưỡng hoại sinh) tiết enzyme ra ngoài tế bào để cắt các chất hữu cơ phức tạp (protein, đường đa, lipid, nucleic acid) thành các chất đơn giản hơn (amino acid, đường đơn, acid béo + glycerol, nucleotide).

Bước 2 – Hấp thụ: Các chất đơn giản được vận chuyển vào bên trong tế bào.

Bước 3 – Phân giải nội bào: Trong tế bào, một phần chất hữu cơ đơn giản tiếp tục được phân giải qua hô hấp hiếu khí, hô hấp kị khí hoặc lên men để giải phóng năng lượng phục vụ các hoạt động sống.

II. Sinh trưởng của quần thể vi khuẩn

1. Khái niệm

Khác với động vật và thực vật (sinh trưởng = tăng kích thước cơ thể), sinh trưởng ở vi sinh vật được hiểu là sự gia tăng về số lượng tế bào trong quần thể.

• Thời gian thế hệ (g): khoảng thời gian để một tế bào phân chia, hay nói cách khác là thời gian cần để số lượng tế bào trong quần thể tăng gấp đôi. Ở điều kiện lí tưởng, giá trị $g$ là hằng số đặc trưng cho từng loài.

• Công thức tính số tế bào sau thời gian $t$:

$$N_t = N_0 \times 2^n = N_0 \times 2^{t/g}$$

Trong đó:

• $N_t$: số tế bào tại thời điểm $t$
• $N_0$: số tế bào ban đầu
• $n$: số lần phân chia ($n = t/g$)
• $g$: thời gian thế hệ

2. Nuôi cấy không liên tục

Đây là kiểu nuôi cấy trong môi trường kín – không bổ sung dinh dưỡng mới, không loại bỏ chất thải. Quần thể vi khuẩn trải qua 4 pha theo thứ tự:

3. Nuôi cấy liên tục

Trong kiểu nuôi cấy này, môi trường được liên tục bổ sung chất dinh dưỡng đồng thời rút bỏ các sản phẩm trao đổi chất và tế bào dư thừa. Nhờ đó, quần thể vi sinh vật được duy trì ở mật độ ổn định, tối ưu để cho năng suất sản phẩm cao nhất.

Ứng dụng: Nuôi vi sinh vật trong các bình/bể lên men quy mô công nghiệp nhằm sản xuất sinh khối, từ đó tách chiết các sản phẩm có giá trị như vitamin, enzyme, chất kháng sinh,…

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

1. Yếu tố vật lí

2. Yếu tố hoá học

a) Chất dinh dưỡng

Vi sinh vật cần các chất dinh dưỡng (protein, carbohydrate, lipid, ion khoáng,…) để tồn tại và phát triển. Ngoài ra, một số loài còn cần nhân tố sinh trưởng – những chất cần thiết với lượng rất nhỏ (một số amino acid, vitamin,…) mà bản thân chúng không tự tạo ra được.

• Vi sinh vật khuyết dưỡng: không tự tổng hợp được nhân tố sinh trưởng → phải lấy từ môi trường.
• Vi sinh vật nguyên dưỡng: tự tổng hợp đủ nhân tố sinh trưởng.

b) Chất ức chế

Nhiều hợp chất hoá học có khả năng ngăn cản hoặc tiêu diệt vi sinh vật, mỗi loại có cơ chế tác động riêng:

3. Kháng sinh – Ý nghĩa và tác hại khi lạm dụng

Kháng sinh là những chất có khả năng ức chế sự phát triển hoặc tiêu diệt vi khuẩn. Ban đầu, kháng sinh được chiết xuất từ vi sinh vật; ngày nay còn được tổng hợp nhân tạo. Cơ chế tác động: ức chế tổng hợp thành tế bào, protein hoặc nucleic acid,… của vi khuẩn.

Ý nghĩa: Thuốc kháng sinh đã cứu sống vô số người và góp phần thúc đẩy ngành chăn nuôi phát triển.

Tác hại của lạm dụng kháng sinh:

• Kháng kháng sinh: Vi khuẩn dần hình thành khả năng chống lại thuốc, thậm chí đa kháng thuốc. Nguyên nhân chính: dùng thuốc không đúng chỉ định, tự ý mua thuốc kháng sinh.
• Lây lan từ chăn nuôi: Việc sử dụng kháng sinh rộng rãi trong chăn nuôi (đặc biệt làm chất kích thích tăng trưởng) tạo ra vi khuẩn kháng thuốc trên vật nuôi, từ đó có thể truyền sang người qua tiếp xúc hoặc giết mổ.

Biện pháp:

• Tuân thủ triệt để phác đồ điều trị của bác sĩ.
• Hạn chế tối đa dùng kháng sinh trong chăn nuôi, đặc biệt không dùng làm chất kích thích tăng trưởng.

IV. Các hình thức sinh sản ở vi sinh vật

Cả vi sinh vật nhân sơ (vi khuẩn) và vi sinh vật nhân thực (nấm, động vật nguyên sinh) đều có ba hình thức sinh sản chính: phân đôi, hình thành bào tử và nảy chồi.

1. Phân đôi

Là hình thức sinh sản phổ biến nhất, trong đó một tế bào mẹ chia thành hai tế bào con có kích thước và hình dạng giống nhau.

• Vi sinh vật nhân sơ (vi khuẩn): chỉ phân đôi vô tính.
• Vi sinh vật nhân thực: ngoài phân đôi vô tính, một số loài (ví dụ: trùng giày Paramecium) còn có thể phân đôi hữu tính thông qua tiếp hợp – hai cá thể trao đổi vật chất di truyền trước khi phân chia (tương tự sự kết hợp giao tử trong sinh sản hữu tính).

2. Sinh sản bằng bào tử

• Nấm: tạo bào tử dạng vô tính hoặc hữu tính.
• Vi khuẩn: sinh sản nhờ ngoại bào tử.

Một số loại bào tử thường gặp: bào tử đính (vi nấm), bào tử tiếp hợp (nấm tiếp hợp), ngoại bào tử và bào tử đốt (xạ khuẩn). Đặc điểm chung: bào tử sinh sản ở vi khuẩn chỉ có các lớp màng, không có vỏ và không chứa calcium dipicolinate.

⚠️ Phân biệt quan trọng – Nội bào tử:

Khi gặp điều kiện khắc nghiệt, một số vi khuẩn (chi Bacillus, Clostridium) hình thành nội bào tử bên trong tế bào – có lớp vỏ dày chứa calcium dipicolinate, giúp vi khuẩn sống tiềm sinh qua giai đoạn bất lợi. Nội bào tử KHÔNG phải là hình thức sinh sản mà chỉ là cách thức chống chịu môi trường.

3. Nảy chồi

Là phương thức sinh sản vô tính đặc trưng của một số ít vi sinh vật như vi khuẩn quang dưỡng màu tía (Rhodomicrobium vannielii), nấm men (Saccharomyces cerevisiae).

Cơ chế: một cá thể con dần dần hình thành ở một phía của cá thể mẹ. Sau khi trưởng thành, cá thể con tách ra sống độc lập. Điểm khác biệt so với phân đôi: một cá thể mẹ có thể nảy chồi ra nhiều cá thể con.

V. Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Tính số lượng tế bào vi khuẩn sau một khoảng thời gian nuôi cấy

Phương pháp:

• Sử dụng công thức: $N_t = N_0 \times 2^n$ với $n = \dfrac{t}{g}$
• Xác định các đại lượng: $N_0$ (số tế bào ban đầu), $g$ (thời gian thế hệ), $t$ (tổng thời gian nuôi cấy).
• Tính số lần phân chia $n$, sau đó tính $N_t$.

Bài mẫu (Câu hỏi mở đầu SGK):

E. coli sinh sản bằng phân đôi, cứ 20 phút phân chia một lần. Quan sát qua kính hiển vi tại các thời điểm 00:00, 00:20, 00:40, 01:00, 01:20 thấy số vi khuẩn lần lượt là: 1, 2, 4, 8, 16. Hỏi bức ảnh tiếp theo (01:40) sẽ có bao nhiêu vi khuẩn?

Lời giải:

• $N_0 = 1$, $g = 20$ phút, $t = 100$ phút (từ 00:00 đến 01:40).
• Số lần phân chia: $n = \dfrac{100}{20} = 5$
• Số vi khuẩn: $N_t = 1 \times 2^5 = 32$ (vi khuẩn)

→ Nhận xét: Số lượng vi khuẩn tăng theo cấp số nhân (nhân đôi sau mỗi 20 phút), thể hiện tốc độ sinh sản rất nhanh của vi khuẩn.

Dạng 2: Nhận biết đặc điểm các pha sinh trưởng và phân biệt kiểu nuôi cấy

Phương pháp:

• Nắm vững 4 đặc điểm then chốt của mỗi pha: trạng thái phân chia, biến động mật độ tế bào, tình trạng dinh dưỡng và trao đổi chất.
• Phân biệt nuôi cấy không liên tục (có 4 pha, môi trường kín) với nuôi cấy liên tục (duy trì mật độ ổn định, bổ sung dinh dưỡng liên tục).
• Lưu ý: pha luỹ thừa là pha có tốc độ trao đổi chất và sinh trưởng mạnh nhất.

Bài mẫu 1:

Trong môi trường nuôi cấy, vi sinh vật có quá trình trao đổi chất mạnh mẽ nhất ở pha nào?

A. Pha tiềm phát   B. Pha luỹ thừa   C. Pha cân bằng   D. Pha suy vong

Đáp án: B

Giải thích: Ở pha luỹ thừa, vi khuẩn phân chia với tốc độ tối đa, quá trình trao đổi chất diễn ra mạnh mẽ nhất để đáp ứng nhu cầu sinh trưởng bùng nổ của quần thể.

Bài mẫu 2:

Trong công nghệ vi sinh, việc nuôi cấy vi sinh vật thu sinh khối để sản xuất chế phẩm sinh học có giá trị được thực hiện trên môi trường nuôi cấy nào? Vì sao?

Lời giải:

Sử dụng môi trường nuôi cấy liên tục. Vì trong hệ thống này, chất dinh dưỡng được bổ sung thường xuyên và sản phẩm trao đổi chất được loại bỏ liên tục, nhờ đó mật độ vi sinh vật được giữ ở mức tối ưu, đảm bảo năng suất sản phẩm (vitamin, enzyme, kháng sinh,…) đạt cao nhất và ổn định.

Dạng 3: Xác định yếu tố ảnh hưởng, chất ức chế và ứng dụng thực tiễn

Phương pháp:

• Đối chiếu với Bảng 21.1 (yếu tố vật lí) và Bảng 21.2 (chất ức chế hoá học).
• Chú ý phân biệt cơ chế tác động của từng nhóm chất: biến tính protein ≠ bất hoạt protein ≠ oxy hoá thành phần tế bào.
• Liên hệ ứng dụng thực tiễn: bảo quản thực phẩm, khử trùng, y tế,…

Bài mẫu 1:

Nhóm vi sinh vật nào dưới đây sinh trưởng và phát triển trong điều kiện từ 20°C đến 40°C?

A. Vi sinh vật ưa lạnh   B. Vi sinh vật siêu ưa nhiệt   C. Vi sinh vật ưa ấm   D. Vi sinh vật ưa nhiệt

Đáp án: C

Bài mẫu 2:

Các chất hoá học nào dưới đây có khả năng làm bất hoạt các protein?

A. Ag   B. Kháng sinh   C. Formaldehyde 2%   D. Cloramin   E. Iodine

Đáp án: A và C

Giải thích: Theo Bảng 21.2, hợp chất kim loại nặng (Ag, Hg,…) và các aldehyde (formaldehyde 2%) có cơ chế tác động là làm bất hoạt protein. Trong khi đó, cloramin và iodine tác động bằng cách oxy hoá các thành phần tế bào, còn kháng sinh thì diệt khuẩn có tính chọn lọc theo cơ chế riêng.

Bài mẫu 3:

Các nguyên tố vi lượng (Fe, Zn, Cu,…) có vai trò gì đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật?

A. Hoạt hoá enzyme   B. Phân giải protein   C. Tổng hợp lipid   D. Tổng hợp carbohydrate

Đáp án: A

Giải thích: Các nguyên tố vi lượng chủ yếu đóng vai trò là cofactor (chất đồng yếu tố), giúp hoạt hoá enzyme trong các phản ứng trao đổi chất của vi sinh vật.

Dạng 4: Câu hỏi vận dụng thực tiễn (kháng sinh, bảo quản thực phẩm)

Phương pháp:

• Vận dụng kiến thức về yếu tố ảnh hưởng (áp suất thẩm thấu, độ ẩm, pH, nhiệt độ,…) để giải thích các phương pháp bảo quản, chế biến thực phẩm.
• Liên hệ kiến thức kháng sinh – kháng kháng sinh để phân tích các tình huống y tế thực tế.

Bài mẫu 1:

Loét dạ dày từng được cho là do ăn cay hoặc căng thẳng thần kinh, nay được biết là do vi khuẩn Helicobacter pylori gây ra. Với phát hiện mới này, việc điều trị đã thay đổi như thế nào?

Lời giải:

Trước đây, điều trị loét dạ dày chủ yếu tập trung vào giảm triệu chứng (giảm acid, thay đổi chế độ ăn). Khi phát hiện nguyên nhân là vi khuẩn H. pylori, phác đồ điều trị đã thay đổi căn bản: sử dụng thuốc kháng sinh kết hợp thuốc giảm tiết acid để tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh, nhờ đó điều trị tận gốc thay vì chỉ xử lý triệu chứng.

Bài mẫu 2:

Giải thích cơ sở khoa học của các phương pháp bảo quản và chế biến thực phẩm: muối dưa cà, sấy khô hoa quả, ngâm đường.

Lời giải:

VI. Sơ đồ tư duy

1. Quá trình tổng hợp và phân giải các chất

• 1.1. Tổng hợp (đồng hoá)
  • 1.1.1. Carbohydrate: Glucose → Tinh bột, Cellulose, Chitin, Peptidoglycan (dùng ATP)
  • 1.1.2. Protein: Amino acid → Protein (nguồn nitrogen từ cố định $N_2$ hoặc môi trường)
  • 1.1.3. Lipid: Acid béo + Glycerol → Lipid
  • 1.1.4. Nucleic acid: Nucleotide → DNA, RNA (dùng ATP)
• 1.2. Phân giải (dị hoá)
  • 1.2.1. Tiết enzyme ngoại bào → phân cắt chất phức tạp thành chất đơn giản
  • 1.2.2. Hấp thụ vào tế bào
  • 1.2.3. Phân giải tiếp → Năng lượng (hô hấp hiếu khí / kị khí / lên men)

2. Sinh trưởng của quần thể vi khuẩn

• 2.1. Khái niệm: Tăng số lượng tế bào; Công thức: $N_t = N_0 \times 2^{t/g}$
• 2.2. Nuôi cấy không liên tục: 4 pha
  • 2.2.1. Pha tiềm phát (lag): Thích nghi, chưa phân chia
  • 2.2.2. Pha luỹ thừa (log): Phân chia mạnh, tăng theo cấp số nhân
  • 2.2.3. Pha cân bằng: Sinh ra = Chết đi
  • 2.2.4. Pha suy vong: Chết nhiều hơn sinh, mật độ giảm
• 2.3. Nuôi cấy liên tục: Bổ sung dinh dưỡng + loại bỏ chất thải → mật độ ổn định

3. Yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng

• 3.1. Yếu tố vật lí
  • 3.1.1. Nhiệt độ (4 nhóm: ưa lạnh, ưa ấm, ưa nhiệt, siêu ưa nhiệt)
  • 3.1.2. Độ ẩm
  • 3.1.3. Độ pH (3 nhóm: ưa acid, ưa kiềm, ưa trung tính)
  • 3.1.4. Ánh sáng
  • 3.1.5. Áp suất thẩm thấu
• 3.2. Yếu tố hoá học
  • 3.2.1. Chất dinh dưỡng (vi sinh vật khuyết dưỡng ↔ nguyên dưỡng)
  • 3.2.2. Chất ức chế (phenol, cồn, iodine, clo, kim loại nặng, aldehyde, ethylene oxide, kháng sinh)
• 3.3. Kháng sinh
  • 3.3.1. Ý nghĩa: Điều trị bệnh do vi khuẩn
  • 3.3.2. Tác hại lạm dụng: Kháng kháng sinh, đa kháng thuốc
  • 3.3.3. Biện pháp: Tuân thủ phác đồ, hạn chế dùng trong chăn nuôi

4. Hình thức sinh sản ở vi sinh vật

• 4.1. Phân đôi (phổ biến nhất)
  • Nhân sơ: chỉ vô tính
  • Nhân thực: vô tính hoặc hữu tính (tiếp hợp ở trùng giày)
• 4.2. Bào tử
  • Bào tử đính, bào tử tiếp hợp, ngoại bào tử, bào tử đốt
  • ⚠️ Nội bào tử ≠ sinh sản (chỉ là cách chống chịu)
• 4.3. Nảy chồi
  • Vi khuẩn quang dưỡng màu tía, nấm men
  • Một mẹ → nhiều con (khác phân đôi)

VII. Bảng sai lầm thường gặp

Cô Nguyễn Ngọc Châu

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú