Chu kỳ sinh trưởng của nuôi cấy mẻ

Chu kỳ sinh trưởng của nuôi cấy mẻ Nếu nuôi cấy các vi sinh vật đơn bào trong môi trường vô trùng sạch và đo mật độ số lượng tế bào theo thời gian thì trên đồ thị của nó ta có thể thấy có sáu pha sinh trưởng và chết của tế bào Nếu nuôi cấy các vi sinh vật đơn bào trong môi trường vô trùng sạch và đo mật độ số lượng tế bào theo thời gian thì trên đồ thị của nó ta có thể thấy có sáu pha sinh trưởng và chết của tế bào, đó là: - Pha lag. Là thời gian khi sự thay đổi số lượng tế bào bằng không. - Pha sinh trưởng nhanh. Số lượng tế bào bắt đầu tăng và tốc độ phân chia đạt đến cực đại. - Pha sinh trưởng theo hàm mũ. Số lượng tế bào tăng theo hàm mũ khi tế bào bắt đầu phân chia, tốc độ sinh trưởng tăng lên trong suốt pha này, nhưng tốc độ phân chia tỷ lệ với d ln CN / dt , là hằng số ở giá trị cực đại của nó. - Pha sinh trưởng chậm. Khi tốc độ sinh trưởng đạt đến cực đại, thì giai đoạn tiếp theo là pha sinh trưởng chậm trong đó cả hai tốc độ sinh trưởng và tốc độ phân chia đều giảm. - Pha tĩnh. Quần thể tế bào đạt đến giá trị cực đại và sẽ không tăng thêm nữa. - Pha chết. Sau khi các chất dinh dưỡng của tế bào cạn kiệt, tế bào sẽ bắt đầu chết và số lượng tế bào sống sót sẽ giảm. 1. Pha lag Pha lag (hoặc pha tĩnh khởi đầu hoặc tiềm tàng) là thời kỳ khởi đầu của quá trình nuôi cấy, trong suốt thời kỳ này sự thay đổi số lượng tế bào là bằng không hoặc không đáng kể. Mặc dù số lượng tế bào không tăng lên, nhưng tế bào có thể sinh trưởng bằng cách tăng kích thước trong suốt thời kỳ này. Đường cong sinh trưởng đặc trưng của các cơ thể đơn bào. (A) pha lag, (B) pha sinh trưởng nhanh, (C) pha sinh trưởng theo hàm mũ, (D) pha sinh trưởng chậm, (E) pha tĩnh, (F) pha chết. Độ dài của pha lag tùy thuộc vào nhiều nhân tố, chẳng hạn như loại và tuổi của cơ thể vi sinh vật (hoặc tế bào động-thực vật), và các điều kiện nuôi cấy. Pha lag thường xuất hiện do tế bào phải điều chỉnh với môi trường mới trước khi sự sinh trưởng có thể bắt đầu. Nếu vi sinh vật được cấy từ môi trường có nồng độ chất dinh dưỡng thấp vào môi trường có nồng độ chất dinh dưỡng cao, thì pha lag thường kéo dài. Nếu nó được chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp thì thường không xuất hiện pha lag. Một nhân tố quan trọng khác ảnh hưởng đến độ dài của pha lag là lượng mẫu được đưa vào nuôi cấy (inoculum size). Nếu một lượng nhỏ tế bào được đưa vào một thể tích lớn thì chúng sẽ có một pha lag dài. Ở trường hợp nuôi cấy tế bào trên quy mô lớn, thì thời gian của pha lag càng ngắn càng tốt. Vì thế, để đưa mẫu vào (còn gọi là tiếp mẫu) quy trình lên men công nghiệp, chúng ta cần phải có một dãy các nồi lên men có lượng mẫu lớn dần để giảm thiểu ảnh hưởng của pha lag. Vào giai đoạn kết thúc pha lag, khi sự sinh trưởng của tế bào bắt đầu, thì tốc độ phân chia tế bào tăng lên từ từ và đạt đến giá trị cực đại ở thời kỳ sinh trưởng theo hàm mũ, như trình bày bằng sự tăng lên ở góc uốn cong B trong hình 3.1. Thời kỳ chuyển tiếp này được gọi chung là pha sinh trưởng nhanh và thường được xem như là một phần của pha lag. 2. Pha sinh trưởng theo hàm mũ (pha logarithm) Ở các cơ thể đơn bào, sự nhân đôi tăng dần của số lượng tế bào cho kết quả tốc độ sinh trưởng tăng lên liên tục trong quần thể. Nuôi cấy vi khuẩn trải qua sự sinh trưởng cân bằng kiểu như phản ứng hóa học bậc một tự xúc tác. Vì thế, tốc độ tăng trưởng của quần thể tế bào ở mọi thời điểm tỷ lệ với mật độ số lượng (C N ) của tế bào hiện diện tại thời điểm đó. (1) Trong đó: hằng số µ được biết như là tốc độ sinh trưởng đặc trưng (giờ-1). Không nên nhầm lẫn tốc độ sinh trưởng đặc trưng với tốc độ sinh trưởng (có các đơn vị và ý nghĩa khác hẳn). Tốc độ sinh trưởng là sự thay đổi của mật độ số lượng tế bào theo thời gian, trong khi đó tốc độ sinh trưởng đặc trưng là: (2) Đó là sự thay đổi theo logarithm tự nhiên của mật độ số lượng tế bào theo thời gian. So sánh phương trình và (2) cho thấy: (3) Vì vậy, tốc độ sinh trưởng đặc trưng µ bằng ln2 lần tốc độ phân chia δ. Nếu µ là hằng số theo thời gian trong suốt thời kỳ sinh trưởng theo pha hàm mũ, thì phương trình (1) có thể được lấy tích phân từ t0 tới t khi đó: (4) hay (5) Trong đó: CN là mật độ số lượng tế bào ở t0 khi sự sinh trưởng hàm mũ bắt đầu. Phương trình (5) cho thấy sự tăng lên của số lượng tế bào theo hàm mũ đối với thời gian. Thời gian cần thiết để gấp đôi quần thể, được gọi là thời gian nhân đôi (td), có thể ước lượng từ phương trình (5), bằng cách đặtt0 = 0 , giải theo t ta có: (6) Thời gian nhân đôi tỷ lệ nghịch với tốc độ sinh trưởng đặc trưng và bằng số nghịch đảo của tốc độ phân chia.