Bài học

Các kiểu dinh dưỡng ở vi sinh vật

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân loại được một vi sinh vật cụ thể vào một trong bốn kiểu dinh dưỡng — quang tự dưỡng, hoá tự dưỡng, quang dị dưỡng, hoá dị dưỡng — dựa trên nguồn carbon và nguồn năng lượng nó sử dụng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã học đặc điểm chung của vi sinh vật và cách phân lập một chủng thuần khiết (same-grade bridge). Em cũng đã học ở phần chuyển hoá năng lượng trong tế bào lớp 10 rằng quang hợp dùng năng lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu cơ từ CO2, còn hô hấp tế bào oxi hoá chất hữu cơ có sẵn để giải phóng năng lượng (same-grade bridge). Bài này mở rộng đúng hai ý đó thành một hệ tiêu chí phân loại áp dụng cho toàn bộ thế giới vi sinh vật, không chỉ tế bào thực vật hay động vật.

Khởi động

Vi khuẩn lam sống trong ao tự tổng hợp chất hữu cơ nhờ ánh sáng, giống thực vật. Trong khi đó, vi khuẩn E. coli sống trong ruột người phải hấp thụ chất hữu cơ có sẵn từ thức ăn đã tiêu hoá. Cả hai đều là vi khuẩn nhân sơ, nhưng cách lấy 'thức ăn' hoàn toàn khác nhau — tiêu chí nào phân loại được sự khác nhau này?

Kiến thức trọng tâm

Kiểu dinh dưỡng của một vi sinh vật được xác định bằng hai tiêu chí độc lập với nhau. Tiêu chí thứ nhất là nguồn carbon: sinh vật tự dưỡng sử dụng CO2 — khí carbon dioxide vô cơ — làm nguồn carbon duy nhất, tự tổng hợp nên mọi chất hữu cơ của cơ thể mình; sinh vật dị dưỡng không tự tổng hợp được, phải lấy carbon từ chất hữu cơ có sẵn do sinh vật khác tạo ra. Tiêu chí thứ hai là nguồn năng lượng: sinh vật quang dưỡng sử dụng năng lượng ánh sáng; sinh vật hoá dưỡng sử dụng năng lượng hoá học giải phóng từ phản ứng oxi hoá các chất, có thể là chất vô cơ hoặc chất hữu cơ.

Vì hai tiêu chí độc lập nhau, ghép chúng lại cho đúng bốn tổ hợp. Quang tự dưỡng dùng ánh sáng làm năng lượng và CO2 làm nguồn carbon — vi khuẩn lam và tảo đơn bào thuộc nhóm này, giống cách thực vật quang hợp. Hoá tự dưỡng dùng năng lượng hoá học từ oxi hoá chất vô cơ (ví dụ NH3, H2S) và CO2 làm nguồn carbon — nhóm này chỉ có ở một số vi khuẩn, ví dụ vi khuẩn nitrat hoá trong đất. Hoá dị dưỡng dùng năng lượng hoá học từ oxi hoá chất hữu cơ và lấy carbon cũng từ chính chất hữu cơ đó — đây là kiểu dinh dưỡng của phần lớn vi khuẩn, nấm và nguyên sinh động vật, cùng nguyên tắc với hô hấp tế bào ở động vật. Quang dị dưỡng dùng ánh sáng làm năng lượng nhưng vẫn lấy carbon từ chất hữu cơ có sẵn — nhóm hiếm gặp nhất, chỉ có ở một số vi khuẩn tía không lưu huỳnh.

Hai tiêu chí — nguồn carbon và nguồn năng lượng — độc lập với nhau; phải xét cả hai mới xếp đúng kiểu dinh dưỡng.

Ví dụ

Xác định kiểu dinh dưỡng của bốn vi sinh vật

1
Xác định kiểu dinh dưỡng của bốn vi sinh vật sau, theo cả hai tiêu chí nguồn carbon và nguồn năng lượng: (1) vi khuẩn lam quang hợp trong ao; (2) nấm men lên men đường glucose; (3) vi khuẩn nitrat hoá oxi hoá NH3 trong đất; (4) vi khuẩn tía không lưu huỳnh dùng ánh sáng nhưng hấp thụ acid hữu cơ có sẵn.
2
Theo tiêu chí nguồn carbon, vi khuẩn lam dùng CO2 nên là tự dưỡng. Theo tiêu chí nguồn năng lượng, chúng dùng ánh sáng nên là quang dưỡng. Kết hợp: quang tự dưỡng.
3
Nấm men lấy carbon từ đường glucose — một chất hữu cơ có sẵn — nên là dị dưỡng theo tiêu chí nguồn carbon. Năng lượng cũng lấy từ chính phản ứng oxi hoá đường glucose đó, một chất hữu cơ, nên là hoá dưỡng theo tiêu chí nguồn năng lượng. Kết hợp: hoá dị dưỡng.
4
Vi khuẩn này dùng CO2 làm nguồn carbon nên là tự dưỡng. Năng lượng lấy từ phản ứng oxi hoá NH3 — một chất vô cơ — nên là hoá dưỡng. Kết hợp: hoá tự dưỡng.
5
Vi khuẩn này dùng ánh sáng làm năng lượng nên là quang dưỡng theo tiêu chí thứ hai. Nhưng nguồn carbon của nó không phải CO2 mà là acid hữu cơ có sẵn, nên vẫn là dị dưỡng theo tiêu chí thứ nhất. Kết hợp: quang dị dưỡng — trường hợp dễ nhầm nhất vì có ánh sáng mà lại không phải tự dưỡng.
6
Vậy bốn vi sinh vật lần lượt thuộc kiểu quang tự dưỡng, hoá dị dưỡng, hoá tự dưỡng và quang dị dưỡng — kết quả phụ thuộc vào việc xét đúng cả hai tiêu chí độc lập, không được suy luận chỉ từ một tiêu chí.

Ví dụ

Suy luận kiểu dinh dưỡng từ một mô tả cơ chế (dạng đề kiểm tra)

1
Một loài vi khuẩn sống trong suối nước nóng giàu lưu huỳnh có khả năng oxi hoá khí H2S để lấy năng lượng, đồng thời sử dụng CO2 trong môi trường làm nguồn carbon duy nhất để tổng hợp chất hữu cơ, hoàn toàn không cần ánh sáng. Xác định kiểu dinh dưỡng của loài vi khuẩn này.
2
Đề bài nêu rõ vi khuẩn dùng CO2 làm nguồn carbon duy nhất. Theo tiêu chí nguồn carbon, đây là sinh vật tự dưỡng.
3
Vi khuẩn lấy năng lượng từ phản ứng oxi hoá H2S — một hợp chất vô cơ — và hoàn toàn không dùng ánh sáng. Theo tiêu chí nguồn năng lượng, đây là sinh vật hoá dưỡng.
4
Nếu chỉ dựa vào việc vi khuẩn sống trong môi trường không có ánh sáng để kết luận nó là dị dưỡng thì sai — dị dưỡng/tự dưỡng xét theo nguồn CARBON, không phải có hay không có ánh sáng. Đề bài đã nêu rõ nguồn carbon là CO2, nên tự dưỡng là kết luận đúng bất kể có ánh sáng hay không.
5
Vậy vi khuẩn trong suối nước nóng này có kiểu dinh dưỡng hoá tự dưỡng — dùng năng lượng hoá học từ oxi hoá chất vô cơ để tự tổng hợp chất hữu cơ từ CO2, không cần ánh sáng.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn phổ biến nhất là gộp hai tiêu chí làm một, ví dụ nghĩ rằng cứ dùng ánh sáng thì đương nhiên là tự dưỡng. Thực ra ánh sáng chỉ trả lời cho tiêu chí nguồn NĂNG LƯỢNG; nguồn CARBON là một câu hỏi hoàn toàn tách biệt, và nhóm quang dị dưỡng — dùng ánh sáng nhưng vẫn lấy carbon từ chất hữu cơ có sẵn — chính là bằng chứng rằng hai tiêu chí không đi liền với nhau. Một nhầm lẫn khác là cho rằng mọi vi khuẩn đều dị dưỡng giống động vật — thực ra vi khuẩn trải đủ cả bốn kiểu dinh dưỡng, đa dạng hơn hẳn giới động vật hay thực vật.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Kiểu dinh dưỡng = nguồn carbon (CO2 → tự dưỡng; chất hữu cơ có sẵn → dị dưỡng) kết hợp nguồn năng lượng (ánh sáng → quang dưỡng; phản ứng hoá học → hoá dưỡng), cho ra bốn kiểu: quang tự dưỡng, hoá tự dưỡng, quang dị dưỡng, hoá dị dưỡng. Luôn xét cả hai tiêu chí độc lập, không suy luận chỉ từ một trong hai.

Bài tiếp theo chuyển từ việc MỘT tế bào lấy chất dinh dưỡng ra sao, sang việc CẢ MỘT quần thể vi sinh vật tăng số lượng theo thời gian như thế nào.