Vi sinh vật - SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT

SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT

1. Khái niệm

Ở SV có kích thước lớn, sự sinh trưởng  là sự  tăng có thứ tự thành phần cấu tạo tế bào.

• Trong vi sinh học, sự sinh trưởng được hiểu là sự tăng số lượng TB của quần thể.
• Thời gian thế hệ (kí hiệu là g) là thời gian từ khi sinh ra 1 tế bào cho đến khi tế bào đó  phân chia hay quần thể nhân đôi về mặt số lượng cá thể       

* Thời gian thế hệ thay đổi nhiều ở các quần thể khác nhau và các điều kiện khác nhau.     

Nếu cấy 1VK vào MT thì số lượng TB sẽ tăng

   1 à 2 à 4 à 8  à16 à32 à 64 à…

•  Sự phân chia TB theo cấp số nhân

    1 à 21 à 22 à 23 à 24 à 25 à 26......2n

    n: số lần phân chia TB

•  Nếu cấy số lượng VK ban đầu là  No thì sau một thời gian nuôi, tổng số TB đạt là:  N = N₀.2ⁿ

Tốc độ sinh trưởng riêng của VSV ( μ ) là số lần phân chia trong một đơn vị thời gian của một chủng trong đk nuôi cấy cụ thể 

                       VK lao g =12h, E. coli có g = 20 phút, Nấm men g = 1-2h, Nấm mốc g = 4 -12h

2. VK được chọn làm mô hình để nghiên cứu sinh trưởng của VSV

&. Tại sao VK được chọn làm mô hình để nghiên cứu sinh trưởng của VSV?

 - Kích thước nhỏ, nghiên cứu sinh trưởng trên cả quần thể.

 - Sinh sản vô tính bằng trực phân, vòng đời ngắn

 - Cấu tạo đơn giản, chưa phân hóa cao.

- Sự tăng khối lượng dẫn ngay đến sự phân chia

 - Sự sinh trưởng của VK đã được nghiên cứu rất sâu và khái quát hóa dưới dạng toán học.

 - Những kiến thức chung về sinh trưởng của VK cũng có thể áp dụng cho các sinh vật khác.

3. Sự sinh trưởng của quần thể vi khuẩn

a. Nuôi cấy tĩnh

* Khái niệm:  Là nuôi cấy trong dụng cụ chứa MT lỏng không được bổ sung chất dinh dưỡng  mới và không  lấy đi các sản phẩm chuyển hóa vật chất.

* Đặc điểm:

- Sinh trưởng của quần thể VK tuân  theo những quy luật nhất định và được biểu thị bằng đường cong sinh  trưởng.

- Đồ thị phản ánh sự phụ thuộc logarit số lượng TB trong quần thể với thời gian

- Đồ thị chia thành 4 pha:

* .Pha tiềm phát (pha lag)

- Từ khi  cấy VK vào MT cho đến khi đạt tốc độ sinh trưởng cực đại.

 - VK làm quen và thích nghi với MT mới.

 - Sự tổng hợp mạnh mẽ các thành phần TB (Protein, axit nucleic) các enzim TĐC (proteaza, amylaza) và  tích lũy các chất cần thiết hình thành TB mới.

  - TB ở trạng thái hoạt động mạnh nhất nhưng số lượng TB chưa tăng (X= Xo) .

v  Các yếu tố ảnh hưởng đến pha lag

1. Đặc điểm của giống cấy

   - Giống ở pha log được cấy vào cùng MT thì đồ thị không có pha lag.

    - Giống ở pha lag hay pha suy vong thì thời gian pha lag sẽ kéo dài.

    - Lượng giống cấy nhiều pha lag ngắn và ngược lại

Thành phần môi trường: MT dinh dưỡng phong phú thì pha lag ngắn và ngược lại

* Pha luỹ  thừa ( pha logarit)

•         Quần thể VK sinh trưởng và phân chia  theo lũy thừa thường xuyên, ở tốc độ không đổi.

•         Sinh khối TB tăng theo thời gian, tăng theo cấp số mũ và được tính theo công thức.

  C: hằng số tốc độ sinh trưởng

• Trong pha log: μ là cực đại và luôn là một hằng số đối với một chủng VK nhất định trong điều kiện nuôi cấy cụ thể.
• Kích thước, TP hoá học, trạng thái sinh lý TB không thay đổi theo thời gian -> TB ở trạng thái động học (TB tiêu chuẩn)
• Các enzim được tổng hợp rất nhiều và có hoạt tính cao.
•  Sự ST giảm dần vào cuối pha do sự đồng hóa mạnh mẽ các chất dinh dưỡng.
• Quần thể VK rất nhạy cảm với các chất kìm hãm TĐC như kháng sinh 

•         Nếu mục đích thu các chất có hoạt tính sinh học, thu TB ở trạng thái hoạt động mạnh nên dừng tại đây.

•         Trong phòng thí nghiệm, muốn nhuộm Gram  chính xác, cần chọn giống ở pha log do thành TB hầu hết VK còn nguyên vẹn.

•         Thông thường trong tự nhiên, sự sinh trưởng của VSV trong pha logarit chỉ xảy ra định kỳ, phụ thuộc vào thức ăn.

* Pha cân bằng

•         Quần thể VK ở trạng thái cân bằng động học (số TB mới sinh ra bằng số TB cũ chết đi).

•          Hiệu suất sinh trưởng giảm do chất dinh dưỡng cạn dần, chất độc hại tăng lên, pH môi trường thay đổi.

•          Sinh khối VK đạt cực đại, không đổi theo thời gian (số TB mới sinh ra bằng số TB cũ chết đi).

          μ = 0      μx = 0           dx/dt  = 0

 * Nếu mục đích nuôi cấy để thu sinh khối nên dừng ở đầu pha này. 

 * Trong tự nhiên, các VSV thường nằm trong pha cân bằng.

*. Pha suy vong

+ Số TB có khả năng sống giảm dần theo luỹ thừa dẫn đến sự chế hàng loạt các cá thể.

+ Chất độc hại tích lũy khá nhiều. Chất dinh dưỡng cạn kiệt dưới mức cần thiết.

+ Số TB bị tự phân bởi enzim, sự phân hủy các chất dự trữ cùng tăng lên.

 * Nếu mục đích để thu các sản phẩm TĐC thì nên dừng việc nuôi cấy ở pha này.

Tóm lại:

   - Trong nuôi cấy tĩnh, do MT luôn thay đổiànhịp điệu sinh trưởng, hình thái, sinh lý TB luôn thay đổi.

    - Sự sinh trưởng của quần thể VK tuân theo quy luật nhất định và phụ thuộc vào thời gian.

Ø Ý nghĩa của việc nghiên cứu sinh trưởng của VK trong nuôi cấy tĩnh

• Nghiên cứu quá trình sinh trưởng của quần thể VSV.
• Nghiên cứu sự tạo thành các sản phẩm TĐC,các chất có hoạt tính sinh học, sinh khối TB.

Ø  Hiện tượng sinh trưởng kép và sinh trưởng thêm

•         Nếu trong MT tổng hợp có hỗn hợp 2 loại hợp chất cacbon thì VK có xu hướng tổng hợp các enzim phân giải hợp chất các bon dễ đồng hoá trước.Sau mới tổng hợp tiếp enzim phân giải hợp chất thứ 2.

•         Khi đó đồ thị ST sẽ có 2 pha lag, 2 pha log (đồ thị sinh trưởng kép).

·   Đồ thị sinh trưởng kép

· Đồ thị sinh trưởng thêm

Sau pha suy vong, một số VK sống sót và tiếp tục sinh trưởng nhờ các chất dinh dưỡng được giải phóng ra từ quá trình tự phân. Đồ thị sinh trưởng kéo dài thêm 1 đoạn cong nhỏ gọi là hiện tượng sinh trưởng thêm.

    Trong nuôi cấy tĩnh:

•  MT không được đổi mới, ĐKMT luôn đổi
•  Thời gian pha log ngắn
•  Giống VSV mau bị già
•  Thay đổi tốc độ sinh trưởng riêng.
•   Bất lợi cho quá trình công nghệ VS

Ø  Để khắc phục tình trạng trên, trong công nghệ sinh học đã sử dụng thiết bị nuôi cấy liên tục là Chêmostat và Turbidostat.

 b. Nuôi cấy liên tục

Ø  Nuôi cấy liên tục là quá trình nuôi  người ta liên tục cho dòng MT mới đi vào đồng thời loại bỏ một lượng dịch nuôi cấy tương ứng ra.

Ø  Chêmostat và Turbidostat có khả năng:

      -  Duy trì MT nuôi cấy luôn ổn định.

      -  Giữ giống nuôi cấy trong cùng một trạng thái (pha log)

Nuôi cấy tĩnh	Nuôi cấy liên tục
- Thành phần MT không được đổi mới - Chất dinh dưỡng cạn dần theo thời gian - Thời gian pha log ngắn - Tốc độ sinh trưởng riêng, trạng thái sinh lý, sinh hóa của  tế bào luôn thay đổi - Sinh khối TB đạt mức không cao - Sự ST của quần thể theo các pha phụ thuộc vào thời gian - Việc điều khiển tự động khó thực hiện.	- MT luôn được đổi mới và ổn định - Chất dd ổn định và dư thừa - Thời gian pha log dài - Tốc độ sinh trưởng riêng, trạng thái sinh lý, sinh hóa của  tế bào luôn ổn định. - Sinh khối TB đạt mức cao nhất - Sự ST theo lũy thừa thường xuyên ở mật độ không đổi theo thời gian - Việc điều khiển tự động thực hiện dễ dàng.

4. Ý nghĩa của nuôi cấy liên tục

•         NCLT được xem như một hệ thống mở có khuynh hướng dẫn đến một cân bằng động học. Nhờ điều khiển tự động, quần thể VK được cung cấp MT ổn định nên ST và PT tối đa.

•         Trong CN để thu sinh khối VK, thu các sản phẩm TĐC và các chất có hoạt tính sinh học phục vụ đời sống.

5. Sự khai thác của con người

SX thuốc KS Penicillin bằng phương pháp lên men trực tiếp từ Penicillium chrysogenum

Sinh khối VK B. subtilis được sử dụng chế biến thức ăn cho thủy sản chrysogenum