Chương 3 Sinh trưởng và phát triển ở vi sinh vật

SINH TRƯỞÛNG VÀØ PHÁÙT TRIỂÅN ỞÛ VI SINH VẬÄT TS. Lêâ Quốác Tuấán Khoa Môiâ trườøng vàø Tàøi nguyênâ Đạïi họïc Nôngâ Lâmâ TP. Hồà Chí Minh Chương 3 Kháùi niệäm ™ Sinh trưởûng làø sựï tăngê kích thướùc vàø khốái lượïng tếá bàøo ™ Pháùt triểån (sinh sảûn) làø sựï tăngê sốá lượïng tếá bàøo Sinh trưởûng vàø pháùt triểån củûa VSV Pha lag Pha log Pha ổn định Pha suy vong Thời gian S o á l ư ơ ï n g ( l o g ) ™ Nếáu sốá tếá bàøo ban đầàu làø N0, sau n lầàn phânâ chia, thì sốá tếá bàøo sẽõ làø: N = N0 x 2n n còøn đượïc gọïi làø sốá thếá hệä cóù thểå đượïc tính bằèng ™ Gọïi t làø thờøi gian sau n lầàn phânâ chia, thì thờøi gian giữã 2 thếá hệä (g) sẽõ đượïc tính bằèng ™ Giáù trị đãõ ngượïc củûa g còøn gọïi làø hằèng sốá phânâ chia (C), hằèng sốá phânâ chia phụï thuộäc vàøo: - Loàøi vi khuẩån - Nhiệät độä nuôiâ cấáy - Môiâ trườøng nuôiâ cấáy Mẫuã lýù thuyếát vềà sinh trưởûng vàø pháùt triểån củûa vi khuẩån logN = logNo + n.log2 n = 2log 1 . (logN - logNo) g = n t = log2 NoN tt loglog 12 − − Sinh trưởûng vàø pháùt triểån củûa Vi khuẩån trong môiâ trườøng nuôiâ cấáy tĩnh Đườøng cong sinh trưởûng Pha lag Pha log Pha ổn định Pha suy vong Thời gian S o á l ư ơ ï n g ( l o g ) S o á l ư ơ ï n g ( l o g ) Pha lag Pha lũy thừa Pha ổn định Pha suy vong S o á l ư ơ ï n g t e á b a ø o Thời gian Pha lag ¾Tính từø lúùc nuôiâ cấáy đếán lúùc đạït sinh trưởûng cựïc đạïi ¾ Trong pha lag vi khuẩn chưa phân chia nhưng thể tích và khối lượng tế bào tăng lên đáng kể ¾Enzyme dùøng cho quáù trình tổång hợïp đềàu đượïc hình thàønh trong pha nàøy ¾Độä dàøi pha lag phụï thuộäc vàøo giốáng vàø môiâ trườøng ¾ Pha lag làø mộät quáù trình thích nghi củûa vi khuẩån vớùi môiâ trườøng mớùi ¾ Tếá bàøo sinh trưởûng vàø pháùt triểån theo lũỹ thừøa ¾ Sinh khối và số lượng tế bào tính theo phương trình: N = N0 . 2ct hay X = X0 . 2μt c: hằèng sốá tốác độä phânâ chia; μ: hằèng sốá tốác độä sinh trưởûng ¾ Cáùc hằèng sốá c vàø μ đượïc tính theo côngâ thứùc ¾ Cáùc hằèng sốá nàøy tùøy thuộäc vàøo mộät loạït cáùc yếáu tốá môiâ trườøng, đặëc biệät làø chấát dinh dưỡngõ củûa môiâ trườøng nuôiâ cấáy ¾ Thựïc tếá, trong quầàn thểå vi khuẩån cóù mộät sốá tếá bàøo khôngâ phânâ chia Pha log )(log loglog 122 1222 tte XX − −=μ )(log loglog 122 1222 tte XX − −=μ ¾ Sựï sinh trưởûng củûa VSV thườøng đượïc xem xéùt dựïa trênâ mộät sốá yếáu tốá hạïn chếá như nhiệät độä, pH, chấát dinh dưỡngõ ¾ Vì vậy Monod đã nêu lên một cách tương tự mối quan hệ giữa các hằng số c và μ với nồng độ chất dinh dưỡng hạn chế qua các phương trình: ¾ ỞÛ đâyâ cmax vàø μmax lầàn lượït làø hằèng sốá tốác độä phânâ chia vàø hằèng sốá tốác độä sinh trưởûng cựïc đạïi, Ks làø hằèng sốá bãõ hoàø vàø [S] làø nồàng độä chấát dinh dưỡngõ hạïn chếá. ¾ Hằèng sốá bảûo hòøa Ks thườøng cóù giáù trị rấát thấáp Pha log )(log loglog 122 1222 tte XX − −=μ ][ ][ max SK Scc s + = ][ ][ max SK S s + = μμ Mộät sốá hằèng sốá bãõ hòøa Vi sinh vật Chất dinh dưỡng hạn chế Ks E. coli E. coli E. coli E. coli E. coli E. coli M. tuberculosis A. aerogenes B. megatherium E. coli glucose mannitol lactose glucose tryptophan tryptophan glucose phosphate O2 O2 O2 4mg/l 2mg/l 20mg/l 7,5mg/l 0,2 đến 1,0 μg/l 0,4 μg/l 3, 9μg/l 0,6mmol/l 3,1 . 10-8 mol/l 6,0 . 107 mol/l 2,2 . 10-8 mol/l Pha ổån định ¾VSV ởû trạïng tháùi cânâ bằèng độäng họïc, tứùc làø sốá VSV sinh ra bằèng sốá VSV chếát đi ¾Số lượng tế vào và sinh khối không tăng, không giảm ¾Tốác độä sinh trưởûng phụï thuộäc vàøo cơ chấát ¾Nguyênâ nhânâ tồàn tạïi pha ổån định làø do: ¾Sựï tích lũỹ cáùc sảûn phẩåm gâyâ độäc ¾Sựï cạïn kiệät nguồàn dinh dưỡngõ Pha tửû vong ¾ Sốá lượïng tếá bàøo giảûm theo lũỹ thừøa ¾Nguyên nhân của pha tử vong chưa rõ ràng, nhưng có liên quan đến điều kiện bất lợi của môi trường ¾Mộät sốá enzyme thểå hiệän hoạït tính cao trong pha nàøy như deaminase, decarboxylase, cáùc amilase vàø proteinase ngoạïi bàøo ¾Ngoàøi chứùc năngê xúùc táùc mộät sốá quáù trình tổång hợïp, cáùc enzyme trênâ chủû yếáu xúùc táùc cáùc quáù trình phânâ giảûi Đườøng cong sinh trưởûng củûa mộät sốá loàøi vi sinh vậät Mộät sốá phương pháùp bảûo quảûn VSV ¾Cấáy chuyểån thườøng xuyênâ , giữõ ởû 40C ¾Bảo quản dưới dầu vô trùng ¾Bảûo quảûn trong cáùt hoặëc séùt vôâ trùøng ¾Đôngâ khôâ: làø PP hoàøn thiệän vàø hiệäu quảû, bảûo quảûn đượïc vàøi nămê . ¾Bảûo quảûn trong glycerin (10%) vàø giữõ ởû nhiệät độä – 600C hay – 800C, PP nàøy bảûo quảûn lâuâ nhấát Sinh trưởûng củûa vi khuẩån trong quáù trình nuôiâ cấáy liênâ tụïc ¾Làø mộät quáù trình duy trì pha log trong nhữngõ điềàu kiệän ổån định ¾Trong phòng TN thì cấy chuyền liên tục qua môi trường mới ¾Trong sảûn xuấát thì đưa dinh dưỡngõ vàøo liênâ tụïc vàø lấáy sinh khốái vi khuẩån ra vớùi mộät lượïng tương đương Thiếát bị nuôiâ cấáy liênâ tụïc chemostat Thiếát bị chemostat Đườøng con sinh trưởûng trong nuôiâ cấáy liênâ tụïc Thiếát bị nuôiâ cấáy liênâ tụïc turbidostat 1, Dưỡng chất (200 L); 2, Bơm định lượng; 3, Bộ cảm biến (50 - 5 000 ohms); 4, Bộ bắt sáng (ORP 12); 5, Bộ lọc (0.45 μm); 6, Cột tăng sinh (80 L); 7, Đèn huỳnh quang; 8, Bể chứa tảo (125 L). Tăng sinh tảo trong thực tế Đườøng con sinh trưởûng củûa tảûo lụïc trong nuôiâ cấáy liênâ tụïc Sựï kháùc nhau giữã nuôiâ cấáy tĩnh vàø liênâ tụïc ¾Hệä thốáng đóùng ¾Tế bào trải qua các pha sinh trưởng và phát triển ¾Mỗiã pha đặëc trưng bởûi nhữngõ điềàu kiệän nhấát định ¾Khóù điềàu khiểån tựï độäng ¾Hệä thốáng mởû ¾Thiết lập được 1 cân bằng động học, yếáu tốá thờøi gian bị loạïi trừø ¾Tếá bàøo đượïc cung cấáp nhữngõ điềàu kiệän môiâ trườøng nhấát định ¾Điềàu khiểån tựï độäng Làøm đồàng bộä sựï phânâ chia tếá bàøo ¾Gâyâ sốác nhiệät: hạï hoặëc tăngê nhiệät độä độät ngộät ¾Thay đổi thành phần môi trường: gây đó acid amin ¾Chọïn lọïc cơ họïc: soi kính hiểån vi đểå chọïn nhữngõ tếá bàøo vừøa mớùi sinh ra (TB nhỏû) Cáùc phương pháùp xáùc định sinh trưởûng củûa vi khuẩån Cáùc phương pháùp xáùc định sốá lượïng ¾Đếám trựïc tiếáp bằèng buồàng đếán ¾Đếám tếá bàøo tổång (sốáng vàø chếát) ¾Nhuộäm tếá bàøo trướùc khi đếám: Sựï bắét /khôngâ bắét màøu củûa tếá bàøo sốáng/chếát; hoặëc bắét cáùc màøu kháùc nhau ¾Nuôi cấy và đếm khuẩn lạc tế bào sống ¾Nếu vi khuẩn khó tạo khuẩn lạc thì dùng phương pháp số lượng khả năng nhất ¾Lọc qua màng vi lọc, cho vào MT dinh dưỡng, kiểm tra khuẩn lạc Cáùc phương pháùp xáùc định sốá lượïng Phương pháùp xáùc định sốá lượïng E. coli Phương pháùp xáùc định sốá lượïng E. coli ¾Xáùc định sinh khốái tươi hoặëc khôâ (kéùm chính xáùc) ¾Xáùc định hàøm lượïng nitrogen tổång, NH3, hay carbon tổång (cóù độä chính xáùc cao) ¾Xáùc định hàøm lượïng protein củûa vi khuẩån Cáùc phương pháùp xáùc sinh khốái Phương pháùp trựïc tiếáp ¾Đo độä đụïc củûa dịch treo tếá bàøo ¾Lậäp đườøng chuẩån ¾Giáù trị OD phụï thuộäc vàøo giai đoạïn pháùt triểån củûa vi khuẩån ¾Đo chỉ sốá cườøng độä trao đổåi chấát như hấáp thu O2, tạïo thàønh CO2 hay acid. Cáùc phương pháùp xáùc sinh khốái Phương pháùp giáùn tiếáp Táùc dụïng củûa cáùc yếáu tốá bênâ ngoàøi lênâ sinh trưởûng vàø pháùt triểån củûa vi khuẩån ¾Tốái thiểåu: vi khuẩån bắét đầàu sinh trưởûng vàø mởû đầàu cáùc quáù trình trao đổåi chấát ¾Tối thích: vi khuẩn sinh trưởng, phát triển cực đại ¾Cực đại: ngừng sinh trưởng và thường chết Ngưỡngõ táùc dụïng ¾Yếáu tốá vậät lýù: nhiệät độä, độä ẩåm ¾Yếu tố hóa học: pH, thế oxy hóa khử ¾Yếu tố sinh học: kháng sinh Cáùc yếáu tốá táùc dụïng ¾Pháù hủûy tếá bàøo: mộät sốá chấát như lizozyme cóù khảû năngê phânâ hủûy thàønh tếá bàøo; penicillin pháù hủûy màøng tếá bàøo ¾Thay đổi tính thấm của màng tế bào: các chất có tính oxi hóa cao như H2O2, halogen, rượu, phenol, triton… ¾Thay đổi đặc tính keo của NSC: nhiệt độ cao làm biến tính protein Cơ chếá táùc dụïng ¾Kìm hãmõ hoạït tính: kìm hãmõ hoạït tính củûa enzyme, gâyâ tổån hạïi đếán quáù trình trao đổåi chấát ¾Hủy hoại các quá trình tổng hợp: làm bất hoạt enzyme trao đổi chất bằng cách gắn vào các trung tâm hoạt động Cơ chếá táùc dụïng ¾Độä ẩåm: thiếáu nướùc sẽõ làøm chậäm hoặëc mấát quáù trình trao đổåi chấát, gâyâ nênâ sựï chếát củûa tếá bàøo ¾Nhiệt độ: nhiệt độ thấp làm giảm quá trình trao đổi chất, nhiệt độ cao gây biến tính protein ¾Âm thanh: sóng siêu âm ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng của vi khuẩn Cáùc yếáu tốá vậät lýù ¾Sứùc căngê bềà mặët: sứùc căngê bềà mặët thấáp làøm cho NSC táùch ra khỏûi tếá bàøo ¾Các tia bức xạ: gây nên những biến đổi hóa học của các phân tử protein, DNA ¾Ánh sáng mặt trời: tia tử ngoại gây đột biến hoặc gây chết tế bào Cáùc yếáu tốá vậät lýù ¾pH môiâ trườøng: sứùc căngê bềà mặët thấáp làøm cho NSC táùch ra khỏûi tếá bàøo ¾Thế oxi hóa khử: thể hiện mức độ thoáng khí của môi trường, liên quan đến Oxy (có vai trò rất lớn đối với vi khuẩn) ¾Các chất diệt khuẩn ¾Các chất hóa trị liệu Cáùc yếáu tốá hóùa họïc Cáùc yếáu tốá sinh họïc „ Kháùng thểå: làø cáùc phânâ tửû immunoglobulin, giúùp hệä miễnã dịch nhậän biếát vàø vôâ hiệäu hóùa cáùc táùc nhânâ lạï „ Kháng sinh: là chất tiêu diệt hay kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn, như penicillin