QUÁ TR ÌN H SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN 1 Khái niệm

Quá trình sinh trưởng và phát triển là đặc tính của sình vật. Cũng như ở các sinh vật khác vi sinh vật cũng sinh trưởng và phát triển có nghĩa là vi sinh vật sẽ tăng kích thước tế bào và tăng nhanh khối lượng tế bào - gọi là sinh khối.

Tuy nhiên sinh trưởng và phát triển không phải bao giờ cũng diễn ra cùng một lúc, hay nói cách khác số lượng tế bào không phải lúc nào cũng tỉ lệ với sinh khối tạo thành. Qua thực tế thấy rằng ừong môi trường nghèo chất dinh dưỡng tế bào vi sinh vật vẫn có khả năng sinh sản để tăng trưởng số lượng tế bào nhưng kích thước tế bào này nhỏ hơn rất nhiều so với tế bào trong điểu kiện đầy đủ chất dinh dưỡng.

3.3.2. Sự sinh trưởng

Trong điều kiện môi truờng nuôi cấy đầy đủ chất dinh dưỡng và thích hợp, tế bào vi sinh vật tàng nhanh về kích thước đồng thời sinh khối được tích luỹ nhiều. Trong quá trình sinh trưởng, vi sinh vật còn thay đổi rất nhiểu vể hình thái, sinh lý và hoạt tính sinh hoá.

Tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào. Sự sinh trưởng của một tế bào độc lập có thể theo dõi được dưới kính hiển vi.

Có nhiều phương pháp kiểm tra sự sinh trưởng của vi sinh vật Ưong quá trình nuôi cấy. Những phương pháp đó là:

- Đo kích thước tế bào non và tế bào trưởng thành.

- Xác định sình khối tươi và sinh khối khô bằng phương pháp ly tâm và cân xác định trọng lượng.

- Xác định hàm lượng nitơ tổng hoặc xác định luợng cacbon tổng.

- Xác định các quá trình ưao đổi chất thông qua các cấu tử tham gia quá trình dó, lượng ôxi tiêu hao, lượng cacbonic sản sinh ra và các sản phẩm của quá trình lèn men.

3.3.3. Sự phát triển

Các vi sinh vật sinh sản bằng phương pháp phân đôi tế bào, trong một khoảng thời gian ngắn sẽ cho một lượng sinh khối lớn. Vi sinh vật sinh sản theo phưang pháp này, trong môi trường nuôi cấy sẽ không có tế bào già, bởi vì tế bào được phân chia thành hai, cứ như vậy tế bào lúc nào cũng ở trạng thái đang phát triển. Tế bào già chỉ được phát hiện trong môi trường thiếu chất dinh dưỡng và tế bào vi sinh vật không có khả năng sinh sản nữa.

Để xác định khả năng phát triển của vi sinh vật hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau:

- Xác định số lượng tế bào bằng phương pháp đếm trực tiếp trên kính hiển vi hay gián tiếp trên mặt thạch.

- Đo độ đục của tế bào trong dung dịch nuôi cấy trên cơ sở xây dựng một đồ thị chuẩn của mật độ tế bào.

- Tính thời gian một thế hệ (một lần sinh sản). Thời gian cho một Lần phân chia tế bào gọi là thời gian thế hệ (G) và được xác định:

n trong đó: G - thòi gian phân chia tế bào;

to - thời gian bắt đầu phân chia; tj - thời gian kết thúc phân chia; n - số lần phân chia.

Số lần phân chia n được xác định:

trong đó: Bj - số lượng tế bào sau nuôi cấy; Bo - số lượng tế bào bắt đầu nuôi cấy.

Số lần phân chia trong 1 giờ (C) hay còn gọi là hằng số tốc độ phân chia được tính: c _ n ỊgBt - I g B n

t j - t0 lg2( t ! - t 0)

Mối quan hệ giữạ thời gian thế hệ G và hằng số tốc độ

c

(3-1)

n _ lgB1~ lg B0

lg2 (3-2)

3.3.4. Sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn trong điều kiện nuôi cấy tĩnh

Phương pháp nuôi cấy tĩnh hay phuơng pháp nuôi cấy theo chu kỳ là phương pháp nuôi cấy ở đó môi trường dinh dưỡng được giữ nguyên khi bắt đầu nuôi cấy đến khi kết thúc quá trình nuôi cấy mà không cho thêm chất dinh dưỡng mới vào. Đồng thời sản phẩm của quá trình lên men đó chỉ lấy ra khi hết quá trình nuôi cấy.

Sự phát triển và sinh trưởng của vi sinh vật trong hệ khép kín đó tuân theo một quy luật nhất định. Biểu thị quy luật sinh trưởng và phát triển trong hệ khép kín này bằng một đồ thị và được gọi là đồ thị sinh trưởng đơn hay đường cong sinh trưởng đơn.

Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật ừong hệ khép kín này có thể phân chia thành 4 giai đoạn:

H ìn h 3~1: Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy tĩnh

- Giai đoạn 1: Giai đoạn này được gọi là pha lag. Pha ban đầu ở giai đoạn này được tính từ lúc bắt đầu nuôi cấy đến khi vi sinh vật bắt đầu sinh trường và phát triển nhanh, ở giai đoạn này vi sinh vật chưa tiến hành sinh sản mà chỉ xảy ra quá trình thích nghi vồi môi trường nuôi cấy. Kích thước các tế bào tăng dần do sự trao đổi chất với môi trưòng rất mạnh. Thời gian pha này ít hay nhiều phụ thuộc rất nhiều vào tuổi sinh lý của từng giống vi sinh vật nuôi cấy. Trong pha lag vi sinh vật chưa phân chia mà nó thích nghi dần với điều kiện mối trường.

Giai đoạn 2: giai đoạn này gọi là pha cấp số - pha log. Pha này ví sinh vật sinh trưởng và phát triển theo luỹ thừa (cấp số nhân), tốc độ sinh sản đạt cực đại được biểu thị bằng phương trình:

Bj = Bq.211 (3-5)

Trong thực tế để biểu thị tổng số tế bào người ta không sử đụng các con số tuyệt đối bởi vì đó là những giá tri rất lón. Thường thường người ta sử dạng logarit của nó:

Trong pha này các chất dính dưỡng giảm đi rất nhanh do sự đông hoá chât dinh dưỡng bởi vi sinh vật rất mạnh, còn các sản phẩm của quá trinh trao đổi chất thì được tích luỹ lại. Ở giai đoạn này vi sinh vật tiến hành tổng hợp enzim với số lượng và chất lượng rất cao. Vì vậy trong quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật thanh phần môi truờng luôn thay đôi.

- Giai đoạn 3: Là giai đoạn cân bằng hay pha ổn định. Trong pha này quần thể vi sinh vật ở trạng thái cân bằng động, tổng sô tế bào mới sinh ra bằng tổng số tế bào cũ chết đi. Các chất dinh dưỡng trong môi trường nuôi cấy giảm một cách rõ rệt, các sản phẩm tạo ra do quá trình trao đổi chất được tích luỹ trong môi trường rất lớn. Sinh khối trong pha này được gọi là cao nhất trong quá trình nuôi cấy.

- Giai đoạn 4: được gọi là pha tử vong, bởi vì sau khi đạt được trạng thái ổn định, khả năng sống của tế bào bị giảm. Trong pha này số lượng tế bào sinh ra và tế bào tử vong không cân bằng. Số lượng tế bào tử vong tăng rất nhanh. Nguyên nhân của hiện tượng tế bào tử vong là:

+ Chất dinh dưõng trong môi trường giảm và dần đến hết. Vi sình vật không đủ chất dinh dưỡng để duy trì quá trình trao đổi chất.

+ Các sản phẩm tạo ra từ sự trao đổi chất tích luỹ lại làm cho tính chất của môi trường thay đổi gây ức chế quá trình trao đổi chất của tế bào.

+ Các tế bào đến giai đoạn già: tốc độ tử vong của tế bào liên quan trực tiếp đến thực tế vi sinh vật học và kỹ thuật. Đó là vấn đề bảo quản các chủng vi sinh vật về mặt lý thuyết (các chủng và các biến chủng đặc biệt) và về kỹ thuật (các chủng sinh chất kháng sinh, axit amin, vitamin... vótì sản lượng cao)

3.3.5. Sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn trong điều kiện nuôi cấy liên tục Phương pháp nuôi cấy liên tục là phương pháp người ta đưa liên tục vào môi trường nuôi cấy vi sinh vật các chất dinh dưỡng mới đồng thời các sản phẩm thừa của trao đổi chất luôn luôn được lấy khỏi môi trường nuôi cấy đó. Do đó vi sinh vật luôn ở trong điều kiện ổn định về chất dinh dưỡng cũng như sản phẩm trao đổi chất. Ngưòi ta có thể điều khiên sự phát triển của quần thể vi sinh vật bằng cách điều chỉnh tốc độ cung cấp môi trường. Vi sinh vật sinh trưởng và phát triển trong môi trường nuôi cấy liên tục sẽ có một quy luật riêng, do đó quá trình tảng sinh khối cũng có quy luật riêng. Quá trình tăng sinh khối trong điều kiện nuôi cấy liên tục cũng trải qua giai đoạn thích ứng ban đầu (pha lag) giai đoạn tăng sinh khối (pha log) nhưng sau đó tổng lượng sinh khối sẽ không thay đổi.

Vì vậy nuôi cấy liên tục là hệ thống mỏr có khuynh hướng đẫn đến việc thiết lập một sự cân bằng động.

Hinh 3-2: Đ ường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy liên tục

3.4. CÁC YẾU TỐ BÊN NGOÀI ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA VI