Title CHƯƠNG 2. SINH TRƯỞNG Ở VI SINH VẬT.doc ✅

Trang 1 CHƯƠNG 2. SINH TRƯỞNG Ở VI SINH VẬT A. KIẾN THỨC TRỌNG TÂM VÀ CHUYÊN SÂU  Sinh trưởng ở vi sinh vật là sự tăng số lượng tế bào của quần thể vi sinh vật. Sự tăng số lượng tế bào của quần thể vi sinh vật phụ thuộc vào giống vi khuẩn và điều kiện của môi trường nuôi cấy. 1. Sinh trưởng của quần thể vi sinh vật trong nuôi cấy không liên tục  Nuôi cấy không liên tục là kiểu nuôi cấy mà trong suốt quá trình nuôi, người ta không bổ sung chất dinh dưỡng cũng như không lấy đi các sản phẩm chuyển hóa của vi sinh vật.  Trong nuôi cấy không liên tục, đường cong sinh trưởng của quần thể vi sinh vật trải qua 4 pha:  - Pha tiềm phát (pha lag): pha này tính từ lúc bắt đầu nuôi cấy đến khi vi khuẩn đạt được tốc độ sinh trưởng cực đại. Trong pha lag vi khuẩn chưa phân chia (nghĩa là chưa có khả năng sinh sản) nhưng thể tích và khối lượng tế bào tăng lên rõ rệt do quá trình tổng hợp các chất, trước hết là các đại phân tử (protein, enzym, acid nucleic...) diễn ra mạnh mẽ. Sự tổng hợp mạnh mẽ các chất là sự chuẩn bị cần thiết để bước vào pha phân chia liên tục. Độ dài của pha lag phụ thuộc vào tuổi của ống giống và thành phần môi trường. Các tế bào mới sinh ra có tốc độ sinh trưởng nhanh hơn các tế bào già; môi trường càng lạ với vi sinh vật thì thời gian pha lag càng lâu, do vi khuẩn cần có thời gian để thích ứng với các điều kiện của môi trường mới. - Pha lũy thừa (pha log): trong pha này, số lượng tế bào vi khuẩn tăng theo cấp số nhân. Tốc độ phân chia tế bào đạt cực đại và ổn định. Số lượng tế bào của quần thể tăng theo phương trình:  0.2n tNN (1) Trong đó: N t là số lượng tế bào tại thời điểm t  N 0 là số lượng tế bào ở thời điểm ban đầu  n là số lần phân chia của mỗi tế bào. Khi quần thể vi sinh vật bước vào pha log, tốc độ phân chia của tế bào là không đổi và đạt cực đại, do đó, nếu gọi khoảng thời gian giữa hai lần phân chia liên tiếp là thời gian thế hệ thì thời gian thế hệ trong pha này là ngắn nhất, không đổi và được tính theo công thức: t g n (2)  Trong đó: g là thời gian thế hệ.  t là khoảng thời gian tế bào phân chia.  n là số lần phân chia của tế bào trong thời gian t. 
Trang 2 Người ta còn sử dụng hằng số tốc độ phân chia μ để chỉ số lần phân chia của tế bào vi khuẩn trong một giờ. Nó được tính theo công thức: 1 g (1)  Khi thay các công thức (2) hoặc (3) vào phương trình (1), ta được các công thức:  00.2.2 t tg tNNN Ny Từ công thức này, ta có thể tính được các giá trị n, g, μ khi biết N 0 và N t   00 0 lglglglg.lg2 ;; lg2lglg.lg2 tt t NNNNt ng NNt   - Pha cân bằng (pha ổn định): trong pha này quần thể vi khuẩn ở trạng thái cân bằng động học, số tế bào mới sinh ra bằng số tế bào cũ chết đi. Kết quả là số tế bào sống không tăng cũng không giảm. Nguyên nhân tồn tại của pha ổn định là do sự tích lũy sản phẩm độc của trao đổi cơ chất (các loại rượu, acid hữu cơ) và việc cạn chất dinh dưỡng (thường là chất dinh dưỡng có nồng độ thấp nhất). Nguyên nhân thứ nhất rất phức tạp và khó phân tích, nguyên nhân thứ hai đã được nghiên cứu kĩ hơn.  - Pha suy vong: trong pha này số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo lũy thừa (mặc dù số lượng tế bào tổng cộng có thể không giảm). Đôi khi các tế bào bị tự phân hủy nhờ các enzym của bản thân. Ở các vi khuẩn sinh bào tử quá trình phức tạp hơn do sự hình thành bào tử.  Nguyên nhân của pha tử vong chưa thật rõ ràng, nhưng có liên quan đến điều kiện bất lợi của môi trường. Khi nồng độ các chất độc hại trong môi trường tăng cao, chất dinh dưỡng cạn kiệt, các tế bào buộc phải phân giải các chất dự trữ, dần dần dẫn đến tử vong.  Sinh trưởng của quần thể vi khuẩn trong điều kiện nuôi cấy không liên tục.
Trang 3 * Sinh trưởng kép: Khi nuôi cấy vi khuẩn trong môi trường có hai nguồn dinh dưỡng khác nhau, đường cong sinh trưởng của quần thể có hai pha lag, hai pha log. Người ta gọi hiện tượng này là sinh trưởng kép.  Nguyên nhân của sinh trưởng kép là do khi sinh trưởng trong môi trường có hai nguồn cacbon khác nhau, tế bào sẽ đồng hóa trước tiên nguồn cacbon nào mà chúng “ưa thích” nhất. Đồng thời cơ chất thứ nhất này đã kìm hãm các enzym cần cho việc đồng hóa cơ chất thứ hai. Chỉ sau khi nguồn cacbon thứ nhất đã cạn thì nguồn cacbon thứ hai mới có thể cảm ứng tổng hợp nên các enzym cần trong việc chuyển hóa nó.  E.coli trong môi trường hỗn hợp glucozơ - sorbitol. Sinh trưởng kép là hiện tượng phổ biến và có thể giải thích bằng cơ chế kiềm chế nói chung và đặc biệt bằng hiệu ứng glucozơ. .  * Sinh trưởng thêm: Trong pha suy vong, nhiều tế bào bị chết và tự phân hủy nhờ các enzym trong tế bào. Sự phân hủy này làm giải phóng chất dinh dưỡng cung cấp cho một số ít tế bào sống sót tiếp tục sinh trưởng thêm vài lần nữa. Hiện tượng này gọi là sinh trưởng thêm.  2. Sinh trưởng của quần thể vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy liên tục Nuôi cấy liên tục là kiểu nuôi cấy mà trong suốt quá trình nuôi, người ta thường xuyên bổ sung chất dinh dưỡng vào dịch nuôi cấy cũng như lấy ra khỏi dịch nuôi cấy các chất độc, và thu lấy sinh khối vi sinh vật. Trong điều kiện nuôi cấy liên tục, quần thể luôn sinh trưởng ở pha log, làm cho quá trình sinh trưởng diễn ra liên tục. Kiểu nuôi cấy này có ưu điểm là làm cho tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật ở cao nhất trong điều kiện cụ thể và có thể kiểm soát được, do đó thu được lượng sinh khối cao nhất. 3. Các nhân tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi sinh vật  Sinh trưởng nói chung và sinh trưởng của vi sinh vật nói riêng đều chịu ảnh hưởng của các nhân tố môi trường. Tác động của môi trường đến sinh trưởng của vi sinh vật có thể
Trang 4 theo hai hướng: ức chế hoặc kích thích. Có hai nhóm các nhân tố môi trường tác động đến sinh trưởng của vi sinh vật đó là: Các nhân tố hóa học và các nhân tố vật lí.  a. Ảnh hưởng của các nhân tố hóa học đến sinh trưởng của vi sinh vật  Các chất hóa học ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi sinh vật có thể chia thành mấy nhóm sau đây:  - - Các chất dinh dưỡng: các chất dinh dưỡng có vai trò cung cấp đầy đủ các nguyên tố cần thiết cho sự sinh trưởng của tế bào vi sinh vật. Các chất dinh dưỡng cung cấp cho vi sinh vật có thể chia làm các nhóm chính sau:  + Nguồn cacbon: Vi sinh vật sử dụng cacbon để làm bộ khung cấu trúc, cấu tạo nên các hợp chất hữu cơ. Do vậy, cacbon là nguyên tố không thể thiếu đối với chúng. Các nhóm vi sinh vật khác nhau lấy cacbon từ nhiều nguồn khác nhau. Vi sinh vật dị dưỡng thu nhận cacbon từ các chất hữu cơ, vi sinh vật tự dưỡng thu nhận cacbon từ CO 2 . Khác với động vật và thực vật, vi sinh vật có khả năng đồng hóa nhiều nguồn cacbon khác nhau. Một số loài sống tự dưỡng nhưng nếu có nguồn cacbon hữu cơ, chúng có thể chuyển sang dị dưỡng. Ngay cả các loài vi sinh vật dị dưỡng, chúng cũng có thể sử dụng những nguồn cacbon rất đặc biệt như dầu mỏ, ngoài nguồn cacbon phổ biến là cacbonhydrat. Tính đa dạng về dinh dưỡng là một mặt của khả năng thích nghi cao với điều kiện môi trường, vốn được coi là lợi thế tuyệt đối của vi sinh vật.  + Nguồn nitơ, photpho và lưu huỳnh: các nguyên tố này đều tham gia cấu tạo nên axít nucleic, protein và các chất khác trong tế bào. Vì thế, đây là những nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu đối với vi sinh vật. Một số loài thu nhận các nguyên tố này từ các chất vô cơ ( 23 33244,, , , NHNONSOPO ) rồi từ đó chuyển hóa sang dạng hữu cơ. Số khác thì lấy các nguyên tố này trực tiếp từ các chất hữu cơ trong môi trường (axit amin, bazơ nitơ,....).  + Oxi: Oxi phân tử không phải là chất dinh dưỡng đối với vi sinh vật. Tuy nhiên chất này lại đóng vai trò rất quan trọng đối với chúng. Dựa vào nhu cầu oxi, người ta chia vi sinh vật thành các nhóm:  * Vi sinh vật hiếu khí bắt buộc: đây là các vi sinh vật chỉ sống được trong môi trường có oxi. Các loài thuộc nhóm này thu nhận năng lượng theo con đường hô hấp hiếu khí, lấy oxi làm chất nhận electron cuối cùng. Hầu hết các loài vi sinh vật đều thuộc nhóm này (nấm, vi khuẩn, tảo, động vật nguyên sinh).  * Vi sinh vật kị khí bắt buộc: Nhóm này chỉ sống được trong môi trường không có oxi. Oxi là chất ức chế sinh trưởng đối với chúng. Nguyên nhân là do oxi khi xâm nhập vào tế bào, đã tiến hành oxi hóa các chất, tạo ra hợp chất peroxit (H 2 O 2 , 2O ). Các chất này gây