Giáo án Bài 21. Trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản ở vi sinh vật

Gợi mở nhu cầu tìm hiểu cách vi sinh vật tăng số lượng và xác định nhiệm vụ học tập của bài.

HS quan sát đoạn mô phỏng số lượng vi khuẩn E. coli tăng lên sau từng khoảng thời gian (trình chiếu từ học liệu số hoặc hình vẽ) và trả lời câu hỏi: Sau 1 giờ, 2 giờ, 3 giờ, số tế bào tăng như thế nào? Vì sao có sự tăng nhanh như vậy? Tăng số lượng tế bào có phải là tăng kích thước một tế bào không?

HS nêu được số tế bào tăng theo cấp số nhân khi mỗi tế bào phân đôi đều đặn; sinh trưởng quần thể là tăng số lượng tế bào, không phải tăng kích thước của một tế bào. Từ đó HS xác định được ba câu hỏi chính của bài: vi sinh vật trao đổi chất thế nào, số lượng tăng theo quy luật nào, và điều gì làm đường cong sinh trưởng thay đổi.

Giải thích được cơ sở trao đổi chất khác nhau giữa các loài và vận dụng được công thức $N = N_0 \times 2^{t/g}$ trong pha tăng trưởng lũy thừa.

Nhiệm vụ 1: Đọc mục Bản chất và cơ chế, hoàn thành Phiếu học tập số 1 phần A: nêu vai trò của enzyme, so sánh khả năng lên men, hô hấp và sử dụng cơ chất giữa hai loài vi sinh vật giả định (loài A dùng đường để lên men, loài B hô hấp hiếu khí).
Nhiệm vụ 2: Đọc công thức sinh trưởng, xác định ý nghĩa từng kí hiệu $N_0$, $N$, $t$, $g$ và các điều kiện áp dụng công thức.
Nhiệm vụ 3: Tính số tế bào khi $N_0 = 100$, $g = 20$ phút, $t = 60$ phút, giả sử không chết và còn pha lũy thừa.

• Enzyme xúc tác cho các phản ứng tổng hợp và phân giải chất; loài khác nhau có bộ enzyme khác nhau nên khả năng lên men, hô hấp và sử dụng cơ chất khác nhau.
• Ý nghĩa kí hiệu: $N_0$ là số tế bào ban đầu, $N$ là số tế bào sau thời gian $t$, $g$ là thời gian thế hệ.
• Điều kiện áp dụng: không có tế bào chết, thời gian thế hệ $g$ không đổi, quần thể đang ở pha lũy thừa.
• Kết quả: số thế hệ $t/g = 60/20 = 3$; $N = 100 \times 2^3 = 800$ tế bào.
• Kiến thức HS rút ra: sinh trưởng quần thể theo cấp số nhân trong pha lũy thừa khi điều kiện thuận lợi và không có chết.

Xác định được bốn pha của quần thể trong nuôi cấy không liên tục, giải thích nguyên nhân chuyển pha và phân tích tác động của yếu tố môi trường.

Nhiệm vụ 1: Quan sát đường cong sinh trưởng (hình vẽ hoặc học liệu số), điền tên và đặc điểm từng pha vào Phiếu học tập số 1 phần B.
Nhiệm vụ 2: Giải thích vì sao pha cân bằng không có nghĩa mọi tế bào đã dừng trao đổi chất.
Nhiệm vụ 3: Đọc mục Vận dụng và giới hạn kết luận, nêu tác động của nhiệt độ, pH, độ ẩm, áp suất thẩm thấu và chất kháng khuẩn lên sinh trưởng; nêu rõ kháng sinh không dùng để diệt virus.

• Pha tiềm phát: tế bào thích nghi với môi trường mới, số lượng gần như không tăng.
• Pha lũy thừa: tế bào phân chia mạnh, số lượng tăng theo hàm mũ.
• Pha cân bằng: số tế bào sinh ra gần bằng số tế bào chết, số sống ổn định; vì dinh dưỡng giảm và chất thải tích lũy nên tốc độ sinh giảm dần.
• Pha suy vong: số tế bào chết nhiều hơn số tế bào sinh ra, số lượng giảm.
• Thứ tự các pha: tiềm phát, lũy thừa, cân bằng, suy vong.
• Yếu tố môi trường: nhiệt độ, pH, độ ẩm và áp suất thẩm thấu ảnh hưởng khác nhau đến từng loài; kháng sinh không diệt được mọi vi sinh vật và không có tác dụng với virus.

Vận dụng được kiến thức về sinh trưởng quần thể, các pha và tác động môi trường để giải các bài tập cơ bản.

Bài 1: Sinh trưởng quần thể vi khuẩn thường được hiểu là gì? A. Chỉ tăng kích thước bình; B. Tăng số lượng tế bào; C. Chỉ tăng chiều dài một tế bào.
Bài 2: Pha nào tăng số lượng nhanh theo hàm mũ? A. Suy vong; B. Tiềm phát; C. Lũy thừa.
Bài 3: $N_0 = 100$, $g = 20$ phút, $t = 60$ phút; giả sử không chết và còn pha lũy thừa. Tính $N$.
Bài 4: Đúng hay sai: pha cân bằng nghĩa là không có tế bào nào sinh hoặc chết.
Bài 5: Sắp xếp các pha trong nuôi không liên tục.
Bài 6: Ghép tác động với nguyên lí: làm lạnh; ướp muối; đun nóng thích hợp.
HS làm bài cá nhân, sau đó đối chiếu theo cặp và sửa lỗi nếu có.

• Bài 1: B. Tăng số lượng tế bào (cần phân biệt sinh trưởng cá thể và sinh trưởng quần thể).
• Bài 2: C. Lũy thừa (điều kiện là các tế bào phân chia tương đối đều).
• Bài 3: $N = 100 \times 2^3 = 800$ tế bào, vì $t/g = 60/20 = 3$ thế hệ.
• Bài 4: Sai. Số tế bào sống ổn định có thể do số tế bào mới sinh gần bằng số tế bào chết.
• Bài 5: Tiềm phát → Lũy thừa → Cân bằng → Suy vong (dinh dưỡng cạn và chất thải tích lũy làm thay đổi tốc độ tăng ròng).
• Bài 6: Làm lạnh – làm chậm chuyển hóa của nhiều loài; ướp muối – tăng áp suất thẩm thấu ngoài tế bào; đun nóng thích hợp – có thể bất hoạt tế bào và enzyme. Không biện pháp nào được hiểu là diệt mọi dạng sống trong mọi điều kiện.

Phân tích được vì sao không thể ngoại suy công thức sinh trưởng vô hạn và đề xuất phép kiểm tra để kết luận đúng về tốc độ phân chia; liên hệ với cách bảo quản thực phẩm an toàn.

Nhiệm vụ 1: Thảo luận nhóm Phiếu học tập số 2, câu 1: Vì sao không thể ngoại suy $N = N_0 \times 2^{t/g}$ mãi trong bình kín?
Nhiệm vụ 2: Câu 2: Hai môi trường có cùng số tế bào cuối nhưng một môi trường có nhiều tế bào chết hơn. Có kết luận tốc độ phân chia giống nhau được không? Nêu phép đo bổ sung cần làm.
Nhiệm vụ 3: Câu 3: Dựa vào tác động làm lạnh, ướp muối và đun nóng, nhóm đề xuất một nguyên tắc chung để bảo quản thực phẩm và nêu giới hạn của nguyên tắc đó.

• Câu 1: Trong bình kín, cơ chất và oxygen có thể cạn, chất thải tích lũy làm đổi pH, thời gian thế hệ không giữ cố định và có tế bào chết; khi đó giả định của pha lũy thừa không còn đúng.
• Câu 2: Không. Số tế bào cuối là kết quả của sinh trừ chết; môi trường có nhiều tế bào chết vẫn có thể có nhiều tế bào mới sinh. Cần đo động học theo thời gian và phân biệt tổng số tế bào với số tế bào sống (ví dụ đếm khuẩn lạc hoặc nhuộm phân biệt tế bào sống, chết).
• Câu 3: Nguyên tắc chung là làm chậm hoặc ngừng hoạt động sống của vi sinh vật bằng nhiệt độ, áp suất thẩm thấu hoặc đun nóng thích hợp; giới hạn là không biện pháp nào diệt mọi vi sinh vật trong mọi điều kiện, và kết quả phụ thuộc loài và điều kiện thực tế.