Bài giảng sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

sinh trưởng phát triển vi sinh vật Sinh trưởng biểu thị tăng trưởng thành phần tế bào Đối với vi sinh vật có hình thức sinh sản nẩy chồi hay phân đôi sinh trưởng dẫn tới gia tăng số lượng tế bào Tế bào tăng trưởng đến mức độ định phân cắt thành hai tế bào hệ có kích thước Đối với vi sinh vật đa nhân phân cách nhân không đồng hành với phân cắt tế bào - sinh trưởng làm tăng kích thước tế bào mà không làm tăng số lượng tế bào Vì vi sinh vật nhỏ bé đối tượng không thuận tiện để nghiên cứu sinh trưởng phát triển Chính mà nghiên cứu sinh trưởng, người ta thường xét đến biến đổi số lượng quần thể vi sinh vật 14.1 ĐƯỜNG CONG SINH TRƯỞNG Sự sinh trưởng quần thể vi sinh vật nghiên cứu cách phân tích đường cong sinh trưởng môi trường nuôi cấy vi sinh vật theo phương pháp nuôi cấy theo mẻ (batch culture) hệ thống kín Có nghĩa vi sinh vật nuôi cấy thiết bị kín, trình nuôi cấy không thay đổi môi trường thời gian nuôi cấy kéo dài nồng độ chất dinh dưỡng giảm sút, chất phế thải trao đổi chất tăng lên Nếu lấy thời gian nuôi cấy trục hoành lấy số logarit số lượng tế bào sống làm trục tung vẽ đường cong sinh trưởng vi sinh vật sinh sản cách phân đôi Đường cong có giai đoạn (phases) khác Hình 14.1: Đường cong sinh trưởng hệ thống kín (Theo sách Prescott, Harley Klein) 14.1.1 Giai đoạn Tiềm phát (Lag phase) Khi cấy vi sinh vật vào môi trường số lượng thường không tăng lên ngay, giai đoạn Tiềm phát hay pha Lag Trong giai đoạn tế bào chưa phân cắt thể tích khối lượng tăng lên rõ rệt có tăng thành phần tế bào Nguyên nhân tế bào trạng thái già, thiếu hụt ATP, cofactor cần thiết ribosome Thành phần môi trường không giống môi trường cũ tế bào cần thời gian định để tổng hợp enzyme nhằm sử dụng chất dinh dưỡng Các tế bào bị thương tổn cần thời gian để hồi phục Bất kỳ nguyên nhân kết tế bào phải tự trang bị lại thành phần mình, tái tạo ADN bắt đầu tăng khối lượng Giai đoạn tiềm phát dài hay ngắn liên quan đến thân loại vi sinh vật tính chất môi trường Nếu tính chất hóa học môi trường sai khác nhiều với môi trường cũ giai đoạn tiềm phát kéo dài Ngược lại, cấy từ giai đoạn logarit vào môi trường có thành phần tương tự giai đoạn tiềm phát rút ngắn lại Nếu cấy vi sinh vật từ giai đoạn tiềm phát hay từ giai đoạn tử vong giai đoạn tiềm phát kéo dài 14.1.2 Giai đoạn logarit (Log Phase) hay Pha Chỉ số (Exponential Phase) Trong giai đoạn vi sinh vật sinh trưởng phân cắt với nhịp độ tối đa so với tính di truyền chúng gặp môi trường điều kiện nuôi cấy thích hợp Nhịp độ sinh trưởng chúng không thay đổi suốt giai đoạn này, tế bào phân đôi cách đặn Do tế bào sinh khác đường cong sinh trưởng đường trơn nhẵn không gấp khúc (hình 14.1) Quần thể tế bào giai đoạn có trạng thái hóa học sinh lý học việc nuôi cấy giai đoạn thường sử dụng để nghiên cứu sinh hóa học sinh lý học vi sinh vật Sinh trưởng logarit sinh trưởng đồng đều, tức thành phần tế bào tổng họp với tốc độ tương đối ổn định Nếu cân dinh dưỡng hay điều kiện môi trường thay đổi dẫn đến sinh trưởng không đồng Sự sinh trưởng nhịp độ tổng hợp thành phần tế bào tương đối biến hóa biến đổi theo đạt tới cân Phản ứng dễ quan sát thấy làm thực nghiệm chuyển tế bào từ môi trường nghèo dinh dưỡng sang môi trường giàu Tế bào trước hết phải tạo nên ribosome nâng cao lực tổng hợp protein, sau tăng cưởng tổng hợp protein ADN Cuối tất yếu dẫn đến tốc độ phát triển nhanh chóng Lúc chuyển quần thể tế bào từ môi trường giàu dinh dưỡng tới môi trường nghèo có kết sinh trưởng không đồng Vi sinh vật trước thu từ môi trường nhiều thành phần tế bào chuyển sang môi trường nghèo chúng cần có thời gian để tạo enzyme cần thiết để sinh tổng hợp thành phần sẵn môi trường Sau tế bào phân cắt, ADN tái tạo, việc tổng hợp protein ARN chậm tế bào nhỏ lại tổ chức lại trao đổi chất chúng chúng sinh trưởng tiếp Sau sinh trưởng cân hồi phục trở lại giai đoạn logarit Các thí nghiệm cho thấy sinh trưởng vi sinh vật kiểm soát cách xác, phối hợp phản ứng nhanh chóng với biến đổi môi trường Khi sinh trưởng vi sinh vật bị hạn chế nồng độ thấp chất dinh dưỡng cần thiết sản lượng tế bào cuối tăng lên với tăng lên chất dinh dưỡng bị hạn chế (hình 14.2a) Đây sở để sử dụng vi sinh vật việc định lượng vitamin nhân tố sinh trưởng khác Tốc độ sinh trưởng tăng lên với tăng nồng độ chất dinh dưỡng (hình 14.2b) Hình dáng đường cong phản ánh tốc độ hấp thu chất dinh dưỡng nhờ chuyển vận protein vi sinh vật Lúc nồng độ chất dinh dưỡng đủ cao hệ thống vận chuyển bão hòa tốc độ sinh trưởng không tăng lên với tăng lên nồng độ chất dinh dưỡng Hình 14.2: Nồng độ chất dinh dưỡng sinh trưởng (a )- Ảnh hưởng hạn chế chất dinh dưỡng sản lượng chung vi sinh vật Lúc nồng độ đủ cao sản lượng chung đạt tới ổn định (b)- Ảnh hưởng hạn chế chất dinh dưỡng tới tốc độ sinh trưởng 14.1.3 Giai đoạn Ổn định (Stationary Phase) hay Pha Cân Qua giai đoạn Logarit sinh trưởng quần thể cuối dừng lại, đường cong sinh trưởng ngang (hình 14.1) Nồng độ vi khuẩn giai đoạn ổn định thường vào khoảng 109/ml Với vi sinh vật khác thường không đạt đến nồng độ Với động vật nguyên sinh vi tảo thường đạt đến nồng độ 106/ml Đương nhiên, số lượng tế bào cuối định ảnh hưởng chung điều kiện dinh đưỡng, chủng loại vi sinh vật nhân tố khác Trong giai đoạn số lượng tế bào sống không thay đổi, số lượng tế bào sinh cân với số lượng tế bào chết đi, tế bào ngừng phân cắt mà giữ nguyên hoạt tính trao đổi chất Có nhiều nguyên nhân làm cho quần thể vi sinh vật chuyển sang giai đoạn ổn định Trong nguyên nhân chủ yếu hạn chế chất dinh dưỡng Nếu chất dinh dưỡng thiết yếu bị thiếu hụt nghiêm trọng sinh trưởng chậm lại Vi sinh vật hiếu khí thường bị hạn chế nồng độ oxygen Oxygen thường hòa tan nước, O2 nội môi trường nhanh chóng bị tiêu thụ hết, có vi sinh vật sinh trưởng bề mặt môi trường có đủ nồng độ O để sinh trưởng Vì nuôi cấy vi sinh vật phải sử dụng tới máy lắc hay biện pháp thông khí khác Quần thể vi sinh vật bị đình sinh trưởng gặp tích lũy sản phẩm trao đổi chất có hại Một số vi sinh vật kỵ khí (như Streptococcus) lên men đường làm sản sinh lượng lớn acid lactic hay acid hữu khác, làm acid hóa môi trường ức chế sinh trưởng vi sinh vật Đồng thời tiêu hao hết đường làm cho tế bào vào giai đoạn ổn định Sau là, số chứng cho thấy số lượng vi sinh vật đạt đến giới hạn định sinh trưởng bị đình Sự sinh trưởng vi sinh vật chuyển sang giai đoạn ổn định kết chung nhiều nhân tố khác Như chúng ta.đã thấy vi khuẩn nuôi cấy theo mẻ chuyển sang giai đoạn ổn định thiếu thức ăn Trong tự nhiên, nhiều môi trường có nồng độ chấ dinh dưỡng thấp nên vi sinh vật thường chuyển sang giai đoạn ổn định Đối với vi khuẩn việc chuyển sang giai đoạn ổn định loại thích ứng tốt Nhiều loại vi khuẩn biến hóa rõ rệt hình thái (như hình thành bào tử nội sinh-endospore) chúng thu nhỏ kích thước lại, thường chất nguyên sinh co lại nhân giả (nucleoid) đậm đặc lại Một biến đổi quan trọng là, thiếu thức ăn vi khuẩn sinh loại protein đói (starvation proteins) làm cho tế bào đề kháng nhiều với thương tổn nhiều đường khác Chúng làm tăng liên kết peptidoglycan bền vững thành tế bào Chẳng hạn Dps (DNA-binding protein fromstarved cells), loại protein kết hợp với ADN lấy từ tế bào đói, bảo vệ cho ADN Phân tử Chaperones cản trở biến tính protein hồi phục lại protein bị tổn thương Vì việc nhiều chế khác mà tế bào đói khó bị chết đề kháng với tình trạng bị đói, với biến hóa nhiệt độ, tổn thương ôxy hóa thẩm thấu, tăng sức đề kháng với hóa chất có hại (như chlorine chẳng hạn) Những cải biến có hiệu làm cho số vi khuẩn sống lại sau vài năm bị đói Rõ ràng việc hiểu rõ vấn đề có tầm quan trọng thực tiễn to lớn y học vi sinh vật học công nghiệp Chúng chứng minh vi khuẩn thương hàn (Salmonella typhimurium) nhiều vi khuẩn gây bệnh khác có khả gây bệnh mạnh bị đói 14.1.4 Giai đoạn tử vong (Death Phase) Việc tiêu hao chất dinh dưỡng việc tích lũy chất thải độc hại làm tổn thất đến môi trường sống vi sinh vật, làm cho số lượng tế bào sống giảm xuống Đó đặc điểm giai đoạn tử vong Giống giai đoạn logarit, tử vong quần thể vi sinh vật có tính logarit (tỷ lệ tế bào chết không đổi) Tổng số tế bào sống tế bào chết không thay đổi tế bào chết chưa bị phân hủy Muốn xác định số lượng tế bào sống phải pha loãng cấy lên thạch đĩa đưa vào điều kiện thích hợp để xác định số khuẩn lạc xuất Mặc dầu phần lớn vi sinh vật tử vong theo phương thức logarit sau số lượng tế bào giảm xuống tốc độ chết tế bào chậm lại Đó số cá thể sống lại nhờ có tính đề kháng đặc biệt mạnh Vì điều nguyên nhân khác làm cho đường cong giai đoạn tử vong phức tạp 14.1.5 Tính toán trình sinh trưởng Không nhà vi sinh vật học tính toán tốc độ sinh trưởng vi sinh vật giai đoạn logarit Tính toán nhịp độ sinh trưởng làm sở cho nghiên cứu sinh lý học, sinh thái học vi sinh vật, để giải số vấn đề ứng dụng sản xuất công nghiệp Trong giai đoạn logarit cá thể vi sinh vật tiến hành phân cắt thời gian định Số lượng tế bào tăng theo phương thức 2n Thời gian hai lần phân chia liên tiếp hay thời gian cần cho tăng đôi số tế bào gọi thời gian hệ (generation time hay doubling time) Ví dụ đưa tế bào vào môi trường nuôi cấy, 20 phút phân cắt lần sau 20 phút có tế bào, sau 40 phút có tế bào tiếp tục (bảng 14.1) Bảng 14.1: Một ví dụ sinh trưởng theo logarit Thời gian* Số lần phân 2n Số lượng (N0 x lg10 Nt 2n) cắt 20=1 0 0,000 0,301 0,602 0,903 16 1,204 32 1,505 64 1,806 21=2 20 22=4 40 23=8 60 24=16 80 25=32 100 26=64 120 *Thời gian hệ 20 phút, giả thiết nuôi cấy từ tế bào Số lượng logarit tế bào 2n, n số hệ Có thể biểu thị số liệu bảng 14.1 công thức sau đây: Trong đó: N0 số lượng tế bào ban đầu; Nt số lượng tế bào thời gian t; n số hệ Từ công thức biến đổi sau số hệ n tính logarit thập phân: Khi nuôi cấy phân mẻ (batch culture) tốc độ sinh trưởng giai đoạn logarit biểu thị số tốc độ sinh trưởng bình quân k (mean growth rate constant k) Đó số hệ sinh đơn vị thời gian, thường biểu thị số hệ giờ: Thời gian cần thiết để tăng gấp đôi tổng số tế bào thời gian hệ bình quân (mean generation time) hay thời gian tăn gấp đôi bình quân (mean doubling time) biểu thị g Nếu t=g N t= 2N0 Thay vào công thức ta có: Thời gian hệ bình quân đảo số số tốc độ sinh trưởng bình quân: Hình 14.17: Nuôi cấy vi sinh vật kỵ khí bình kỵ khí (Theo sách Prescott,Harley Klein) 14.4.5 Áp suất (Pressure) Phần lớn vi sinh vật sống lục địa hay bề mặt nước, nơi có áp suất không khí atm (atmosphere) không chịu ảnh hưởng rõ rệt áp suất này.Nhưng đáy biển (nơi có độ sâu 1000m trở lên) lại chiếm đến 75% thể tích đại dương Ở nơi đóp áp suất cao đến 600-1000m, nhiệt độ lạnh tới 23 0C Trong môi trường cực đoan (extreme) có số vi sinh vật thích ứng để tồn Phần lớn thuộc nhóm chịu áp (barotolerant) Tuy áp suất tăng lên cao có ảnh hưởng đến chúng, ảnh hưởng bất lợi nhỏ nhiều so với vi sinh vật không chịu áp (nontolerant) Một số vi khuẩn sống đường tiêu hóa động vật không xương sống biển sâu (như amphipods holothurians) vi khuẩn ưa áp (barophilic) Chúng sinh trưởng nhanh điều kiện áp suất cao Chúng có vai trò quan trọng vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng đáy biển Tại khe biển Mariana gần Philippine (sâu khoảng 10 500m) người ta phân lập vi khuẩn ưa áp sinh trưởng điều liện 20C với áp suất khoảng 400-500atm Những vi khuẩn biết thuộc chi Photobacterium, Shewanella, Colwellia Một số thuộc Cổ khuẩn vừa ưa áp vừa ưa nhiệt(thermobarophiles), chẳng hạn Pyrococcus spp., Methanococcus jannasschi 14.4.6 Bức xạ (Radiation) Thế giới mà sống đầy loại xạ điện từ trường (electromagnetic radiation) Các xạ hình thành sóng mặt nươc lan truyền không khí Cự ly hai đỉnh sóng hay cuối sóng gọi độ dài sóng (wavelength) Khi độ dài sóng giảm thì lượng xạ tăng lên Tia gamma hay tia X có lượng cao xạ ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng khả kiến) hay tia hồng ngoại Bức xạ điện từ trường giống dòng lượng hợp photon (quang tử) Mỗi photon có lượng định, lượng cao hay thấp định độ dài sóng xạ Ánh sáng mặt trời nguồn xạ chủ yếu trái đất, bao gồm ánh sáng khả kiến (visible light), tia tử ngoại (ultraviolet), tia hồng ngoại (infraded rays) sóng radio (vô tuyến điện) Ánh sáng khả kiến loại thường thấy quan trọng môi trường chung quanh chúng ta: sống phụ thuộc vào thể có khả quang hợp dựa vào lượng mặt trời Bức xạ mặt trời có 60% nằm vùng tia hồng ngoại vùng ánh sáng khả kiến Tia hồng ngoại nguồn nhiệt lượng chủ yếu trái đất Ở tầm mặt biển thấy có xạ tử ngoại 290-300nm (nanometre) Tia tử ngoại có bước sóng thấp 287nm hấp thụ oxygen không khí tạo tầng ozone (O3) độ cao cách mặt đất khoảng 25-50km Tầng ozone hấp thụ tia tử ngoại bước sóng tương đối dài giải phóng O2 Bởi tia tử ngoại có hại cho sinh vật nên việc tầng ozone tiêu trừ bớt tia tử ngoại có tác dụng quan trọng sống trái đất Vì loại bước sóng ánh sáng mặt trời phân bố đồng phạm vi ánh sáng khả kiến ta thấy ánh sáng mặt trời có màu “trắng” Nhiều xạ điện từ trường có hại vi sinh vật, xạ có bước sóng ngắn, cao lượng xạ ion hóa (ionizing radiation), chúng làm nguyên tử mấtđi điện tử (electron) ion hóa (ionize) Có hai loại xạ ion hóa Một là, tia X tạo người, hai là,tia gamma ( tia γ) sinh trình tan rã đồng vị phóng xạ (radioisotope) Bức xạ ion hóa mức thấp làm sản sinh đột biến (mutations) gián tiếp làm chết vi sinh vật Bức xạ ion hóa cao trực tiếp giết chết vi sinh vật Mặc dầu vi sinh vật có tính đề kháng cao xạ ion hóa so với sinh vạt khác, với liều lượng đủ cao chúng giết hết vi sinh vật Chính dùng xạ ion hóa để diệt khuẩn Tuy vậy, số sinh vật nhân nguyên nthủy (như vi khuẩn Deinococcus radiodurans vi khuẩn sinh vật sinh bào tử) tồn mức xạ ion hóa cao Bức xạ ion hóa gây cho tế bào nhiều biến hóa, phá vỡ liên kết hudrogen, oxy hóa liên kết đôi, phá hủy cấu trúc vòng, cao phân tử hóa số phân tử.Oxygen làm tăng hiệu ứng này, việc sản sinh gốc tự hydroxyl (OH-) Mặc dầu có nhiều thành phần tế bào chịu ảnh hưởng, nguyên nhân quan trọng gây chết phá hủy ADN Vì bước sóng ngắn (10-400nm) có lượng cao xạ tử ngoại (Ultraviolet radiation) tiêu diệt loại vi sinh vật Bức xạ tử ngoại (UV) mạnh bước sóng 260nm Chúng dễ bị ADN hấp thụ, làm cho sợi đơn ADN hình thành song phân tử (dimers) thymine, chúng làm ức chế trình tái tạo (replication) công ADN Thiệt hại sửa chữa qua số đường Theo đường quang hoạt hóa loại enzyme quang hoạt hóa sử dụng ánh sáng xanh lam để tách song phân tử thymine Trong hoạt hóa tối đoạn ngắn ADN có chứa song phân tử thymine bị cắt rời đổi chỗ để thành đoạn ADN bình thường Thiệt hại sửa chữa nhờ protein recA trình tái tổ hợp (recombination) trình SOS Thiệt hại không khắc phục liều lượng UV lớn, tạo nên tổn thất nặng Mặc dầu xạ UV nhỏ (thấp 290 300nm) khó lọt xuống bề mặt trái đất, xạ UV bước sóng 325-400nm gây hại cho vi sinh vật Chúng phân cắt tryptophan thành quang sản phẩm (photoproducts) độc hại Những sản phẩm tác dụng đồng thời với xạ gần tử ngoại làm phá vỡ sợi ADN Cơ chế cụ thể tác dụng không giống với chế tác dụng UV với bước sóng 260nm Ánh sáng khả kiến nguồn lượng chủ yếu trình quang hợp (photosynthesis) cần cho sinh vật Nhưng ánh sáng khả kiến mạnh gây hại hay làm chết vi sinh vật Tham gia vào trình có loại sắc tố gọi chất quang mẫn (photosensitizers) oxygen Các sắc tố vi sinh vật chlorophyll, bacteriochlorophyll, cytochromes,và flavin hấp thụ ánh sáng mặt trời bị kích hoạt tạo chất quang mẫn Các chất quang mẫn (P) bị kích hoạt chuyển lượng cho O2 để làm oxygene đơn - singlet oxygen ( ‫ ﺍ‬O 2) Ánh sáng P———————→ P (hoạt tính) P hoạt tính + O —→ P + O Oxygenđơn chất có hoạt tính mạnh, chất oxy hóa mạnh phá hủy nhanh chóng tế bào, chúng nhân tố chủ yếu đại thực bào (phagocytes) dùng để diệt khuẩn Hình 14.18: Phạm vi bước sóng xạ điện từ trường Phần ánh sáng khả kiến trình bầy phía (Theo sách Prescott,Harley Klein) Nhiều vi sinh vật không khí sống bề mặt vật tiếp súc với không khí sử dụng sắc tố carotenoid để bảo vệ chống lại với quang oxy hóa (photooxidation) Carotenoid làm phá hủy oxygen đơn, hấp thu lượng oxygen đơn biến thành trạng thái phi hoạt tính Cả vi sinh vật quang hợp lẫn vi sinh vật không quang hợp sử dụng sắc tố vào mục đích 14.5 SỰ SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN 14.5.1 Các nhân tố môi trường làm hạn chế sinh trưởng Môi trường sinh sống vi sinh vật phức tạp thường xuyên biến đổi.Vi sinh vật đặc trưng cho môi trường cụ thể bị bao bọc biến đổi chất dinh dưỡng nhân tố môi trường khác Đúng vi sinh vật sinh trưởng màng sinh học (biofilm) Vi sinh vật sinh trưởng “vi môi trường” (microenvironments) môi trường hay nhân tố dinh dưỡng đạt tới sinh trưởng giới hạn Nguyên tắc lượng tối thiểu Liebig xác định rằng: tổng sinh khối thể định có mặt chất dinh dưỡng với nồng độ thấp theo nhu cầu thể Nguyên tắc phù hợp cho điều kiện phòng thí nghiệm môi trường đất nước Sự tăng lên nhân tố dinh dưỡng cần thiết (chẳng hạn phosphate) làm tăng lên quần thể vi sinh vật số nhân tố dinh dưỡng khác trở thành nhân tố giới hạn Nếu chất dinh dưỡng giới hạn tăng nhân tố dinh dưỡng khác ích lợi Tình hình thực tế phức tạp Nhiều nhân tố giới hạn ảnh hưởng thường xuyên lên quần thể vi sinh vật, chẳng hạn nhiệt độ, pH, ánh sáng, nồng độ muối Định luật chống chịu Shelford (Shelford’s law of tolerance) xác định: vi sinh vật có yêu cầu định nhân tố môi trường, Thấp hay cao yêu cầu vi sinh vật tồn sinh trưởng có đầy đủ chất dinh dưỡng Chẳng hạn vi sinh vật có phạm vi nhiệt độ sinh trưởng định Cũng tương tự pH, nồng độ oxygen, nồng độ muối Sự sinh trưởng vi sinh vật phụ thuộc vào cung cấp chất dinh dưỡng lẫn khả chống chịu với điều kiện môi trường Khi vi sinh vật có đủ điều kiện dinh dưỡng để sinh trưởng mạnh mẽ đồng thời sinh chất thải có hại làm hạn chế sinh trưởng chúng Đáp ứng với mức dinh dưỡng thấp (môi trường nghèo oligotrophic environments) có cạnh tranh, nhiều vi sinh vật chiếm đoạt thức ăn khai thác chúng để làm nguồn cạnh tranh Vi sinh vật thường biến đổi hình thái để làm tăng bề mặt lực hấp thu chất dinh dưỡng Các vi sinh vật nhân nguyên thủy hình que biến thành dạng “mini” hay “ultramini” (siêu nhỏ) mọc cuống (prosthecate) để đáp ứng với tình trạng thiếu thức ăn Sự thiếu hụt chất dinh dưỡng dẫn đến nhiều biến đổi vi sinh vật, chẳng hạn chúng bước khép lại hoạt động gen liên quan đến trao đổi chất , trừ việc trì “gen quản gia” (housekeeping gene) Nhiều nhân tố làm cải biến mức dinh dưỡng môi trường nghèo Chẳng hạn vi sinh vật tách chất dinh dưỡng hạn chế (như sắt) khiến không sắt để cạnh tranh Không khí cung cấp chất dinh dưỡng giúp cho sinh trưởng vi sinh vật Điều thấy phòng thí nghiệm thiên nhiên Đã phát thấy chất hữu không khí xúc tiến sinh trưởng vi sinh vật môi trường pha loãng (dilute media) Môi trường sinh trưởng làm giàu chất hữu không khí làm tăng rõ rệt phát triển quần thể vi sinh vật Ngay nước cất- thường chứa dấu vết chất hữu cơ, hấp thu hợp chất carbon từ không khí để giúp cho sinh trưởng vủa vi sinh vật Sự tồn chất dinh dưỡng không khí tình trạng sinh trưởng vi sinh vật, không xem xét đến ảnh hưởng đến thực nghiệm sinh hóa học hay sinh học phân tử, nghiên cứu sinh trưởng vi sinh vật môi trường dinh dưỡng nghèo (oligotrophic) Các chất tự nhiên (natural substances) ức chế trực tiếp tới sinh trưởng phát triển vi sinh vật môi trường dinh dưỡng thấp Các chất bao gồm phenol, tannin, ammonia, ethylene, hợp chất lưu huỳnh bay Đây phương thức giúp vi sinh vật tránh tận dụng lượng giới hạn trước cung cấp chất dinh dưỡng cần thiết Các hóa chất quan trọng bệnh lý học thực vật giúp khống chế bệnh vi sinh vật đất 14.5.2 Kiểm tra số lượng vi sinh vật nhân nguyên thủy sống không nuôi cấy Khi nghiên cứu sinh trưởng quần thể vi sinh vật nhân nguyên thủy (procariotic) thiên nhiên bên phòng thí nghiệm cần phải xác định số lượng vi sinh vật sống Trong lịch sử vi sinh vật học thường người ta định nghĩa vi sinh vật sống sinh trưởng, hình thành khuẩn lạc (colony) tạo độ đục rõ rệt môi trường dịch thể John R.Postgate Đại học Sussex (nước Anh) học giả xác định vi sinh vật chịu ức chế (stressed) sống môi trường thiên nhiên, nhiều môi trường phòng thí nghiệm đặc biệt, đặc biệt mẫn cảm với ức chế thứ sinh (secondary stresses) Các ức chế làm cho vi sinh vật sống không tạo thành khuẩn lạc môi trường đặc bình thường dùng để nuôi cấy chúng Để xác định sinh trưởng vi sinh vật Postgate đưa phương pháp thực nghiệm gọi thí nghiệm vi hoạt tính Postgate (Postgate Microviability Assay) Trong thí nghiệm đem vi sinh vật nuôi cấy lớp mặt thạch mỏng kính (coverslip), làm cho chúng không qua giai đoạn sinh trưởng đơn bào mà biến đổi hình thái tế bào, coi biểu tín hiệu sống (life sign) Từ đó, nhiều nhà nghiên cứu phát triển phương pháp hiển vi mẫn cảm phương pháp chất đồng vị để xác định tồn ý nghĩa dạng vi khuẩn sống không nuôi cấy Chảng hạn dùng kháng thể huỳnh quang thuốc nhuộm acridine orange để dánh giá mức độ số lượng; dùng phương pháp số lượng khả tối đa (MPN-most probable number) Việc sử dụng số giải phóng hoạt tính phóng xạ vật chất tế bào dùng để xác định ảnh hưởng hiệu ứng ức chế vi sinh vật Các phương pháp Postgate đề quan trọng Nhiều nghiên cứu cho thấy có số vi khuẩn nhưEscherichia coli, Vibrio cholerae, Klebsiella pneumoniae, Enter obacter aerogenes, Enterococcus faecalismất lực sinh trưởng môi trường phòng thí nghiệm theo kỹ thuật nuôi cấy tiêu chuẩn, chúng giữ vai trò gây bệnh truyền nhiễm Tình trạng quần thể hỗn hợp môi trường thiên nhiên phức tạp Thông thường có khoảng 1-10% tế bào hình thành khuẩn lạc Trong tương lai phải tìm môi trường nuôi cấy thích hợp vi sinh vật chưa biết đến Hiện người ta sử dụng kỹ thuật PCR phân tích ARN tiểu thể ribosome để đánh giá tính đa dạng quần thể vi sinh vật chưa nuôi cấy 14.5.3 Cảm ứng mật độ quần thể vi sinh vật Từ nhiều thập kỷ nay, nhà vi sinh vật học nghĩ quần thể vi sinh vật tập hợp cá thể riêng biệt, sinh trưởng hoạt động độc lập với Tuy nhiên gần người ta phát thấy nhiều vi khuẩn có khả giao tiếp hoạt động hợp tác với Một cách để vi sinh vật hợp tác với cảm ứng mật độ hay lại tự cảm ứng Đó tượng vi sinh vật tự điều chỉnh mật độ thông qua trình cảm nhận hàm lượng phân tử tín hiệu, gọi chất tự cảm ứng (autoinducer) chúng kích thích tế bào tiết chúng Nồng độ phân tử tín hiệu tăng lên với tăng lên số lượng vi khuẩn quần thể đạt đến ngưỡng đặc trưng (đối với quần thể đó) tín hiệu cho vi khuẩn mật độ quần thể đến mức tới hạn hay gọi ”quorum” Vi khuẩn lúc bắt đầu biểu gen phụ thuộc mật độ tế bào tới hạn nhằm điều chỉnh mật độ tế bào Cảm ứng mật độ phát vi khuẩn Gram âm Gram dương Cảm ứng mật độ có ý nghĩa quan trọng với vi sinh vật Có thể lấy ví dụ sinh tổng hợp giải phóng enzyme ngoại bào Nếu enzyme giải phóng nhờ số vi khuẩn, chúng bị khuếch tán không phát huy tác dụng bị pha loãng Với cách điều khiển cảm ứng mật độ, vi khuẩn đạt đến mật độ quần thể lớn trước chúng giải phóng enzyme kết hàm lượng enzyme đủ lớn để phát huy tác dụng Đó lợi vi sinh vật thể vật chủ môi trường đất, nước Nếu vi sinh vật gây bệnh đạt đến nồng độ đủ lớn điểm thể vật chủ trước sản sinh nhân tố độc lực xâm nhập vào mô vật chủ, chúng có hội lớn việc làm tác dụng khả tự vệ vật chủ lan toàn thể vật chủ Điều giải thích kiểu khác cảm ứng mật độ Dường cảm ứng mật độ quan trọng nhiều vi sinh vật việc thiết lập mối quan hệ cộng sinh hay ký sinh vật chủ Cảm ứng mật độ phát tìm hiểu rõ vi khuẩn Gram âm Các tín hiệu thường gặp vi khuẩn Gram âm acyl homoserine lactones (HSLs) Đó phân tử nhỏ cấu tạo chuỗi acyl từ đến 14 C liên kết với homoserine lactone (hình 14.19) Chuỗi acyl có nhóm keto hay nhóm vị trí C thứ Các phân tử Acyl HSLs khuếch tán vào tế bào đích (target cell) (hình 14.19) Khi đạt đến hàm lượng đủ lớn, phân tử Acyl HSLs bám vào protein thụ thể đặc biệt (R) gây thay đổi cấu trúc protein Thông thường phức hệ HSLs-protein hoạt hóa, chúng có tác dụng chất cảm ứng, chúng bám vào điểm đích ADN kích thích phiên mã gen nhạy cảm với nồng độ tế bào tới hạn Các gen cần thiết để tổng hợp HSL tạo thường xuyên, nhiều chất tự cảm ứng tổng hợp giải phóng Hình 14.19: Cảm ứng mật độ vi khuẩn Gram âm (Theo sách Prescott,Harley Klein) (a) Cấu trúc chung acyl homoserine lactone, chất biết đến tín hiệu cảm ứng mật độ (điều chỉnh mật độ tế bào) hay gọi chất tự cảm ứng (b) Lược đồ minh họa cách hoạt động cảm ứng mật độ nhều vi khuẩn gram âm Các protein thụ thể hoạt động với vai trò chất cảm ứng (inducer) ký hiệu chữ R Đường kẻ gãy nét biểu thị acyl HSL synthase lúc tạo tương ứng với chất tự cảm ứng Ở vi khuẩn Gram âm, nhiều trình nhạy cảm với tín hiệu acyl HSL cảm ứng mật độ Một số ví dụ nghiên cứu kỹ (1) sản sinh chất phát quang sinh học (bioluminescence) Vibriofischeri, (2) Pseudomonas aeruginosa tổng hợp giải phóng yếu tố gây bệnh, (3) Sự chuyển yếu tố di truyền nhờ trình tiếp hợp Agrobacterium tumefaciens, (4) Sự sản xuất kháng sinh Erwiniacarotovora Pseudomonas aureofaciens Vi khuẩn Gram dương điều hòa hoạt động cảm ứng mật độ, thông thường tín hiệu oligopeptide Các ví dụ điển hình tiếp hợp Enterococcus faecalis, kích thích khả tải nạp ADN (competence induction) Streptococcus pneumoniae, kích thích tạo bào tử Bacillus subtilis, sản sinh nhiều độc tố yếu tố gây bệnh Staphylococcus aureus Cảm ứng mật độ chí kích thích phát triển khuẩn ty khí sinh tạo streptomycin Streptomyces griseus Đối với trường hợp củaStreptomyces griseus có lẽ tín hiệu g-butyrolaton oligopeptide Chức quan trọng đáng quan tâm cảm ứng mật độ đẩy mạnh việc tạo màng sinh học (biofilm) vi khuẩn gây bệnh Pseudomonas aeruginosa, đóng vai trò quan trọng bệnh xơ hóa u nang (crystic fibrosis) Sự tạo màng sinh học có ý nghĩa vi sinh vật gây bệnh bảo vệ vi khuẩn khỏi công kháng sinh chất tẩy rửa Sự điều chỉnh mật độ tế bào hiệu bên màng sinh học hàm lượng acyl HSL bị pha loãng tăng lên nhanh chóng Trong điều kiện này, hai loại vi khuẩn khác kích thích cách sản xuất tín hiệu tương tự nhau, trường hợp màng sinh học có chứa vi khuẩn gây bệnh P aeruginosa Burkhoderiacepacia Cảm ứng mật độ ví dụ hoạt động đa tế bào cá thể giao tiếp hợp tác hoạt động đơn vị thống Các ví dụ khác hoạt động phức hợp hình thành dạng khuẩn lạc hình thành thể Niêm vi khuẩn (Myxobacteria) [...]... sự sinh trưởng của vi sinh vật (bảng 14.3) Bảng 14.3: Phản ứng của vi sinh vật với các nhân tố môi trường Thuật ngữ Định nghĩa Vi sinh vật đại diện Hoạt tính của nước và dung chất Vi sinh vật ưa áp Có thể sinh Staphylococcus aureus, (Osmotolerant) trưởng trong Saccharomyces một phạm vi rộng về hoạt tính của nước và nồng độ thẩm thấu Vi sinh vật ưa măn Cần sinh Halobacterium,Dunaliella, (Halophile) trưởng. .. sự sinh trưởng của vi sinh vật giúp ích rất nhiều cho vi c khống chế vi sinh vật cũng như đối với vi c nghiên cứu sự phân bố sinh thái của vi sinh vật Đáng chú ý là một số vi sinh vật có thể sống được trong những điều kiện cực đoan (extreme) và khó sống (inhospitable) Các vi sinh vật nhân nguyên thủy (Procaryotes) có thể sinh tồn tại ở mọi nơi có thể sinh sống Nhiều nơi các vi sinh vật khác không thể... và thực phẩm 14.4 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NHÂN TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Như chúng ta đã biết vi sinh vật có khả năng đáp ứng với sự biến hóa của nồng độ chất dinh dưỡng, nhất là các chất dinh dưỡng hạn chế Sự sinh trưởng của vi sinh vật chịu ảnh hưởng rất lớn đối với các nhân tố vật lý, hóa học của môi trường sống Hiểu biết về ảnh hưởng của các nhân tố môi trường đối với sự sinh trưởng. .. Động vật nguyên sinh Tetrahymena geleii 24 2,2-4,2 Leishmania donovani 26 10-12 26 10,4 30 11-12 37 18 Paramecium caudatum Acanthamoeba castellanii Giardia lamblia Nấm Saccharomyces cerevisiae 30 2 25 30 Monilinia fructicola 14.2 XÁC ĐỊNH SỰ SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Có nhiều cách thông qua vi c xác định sự biến đổi số lượng và chất lượng vi sinh vật để hiểu được sự sinh trưởng của vi sinh vật, biết... tại được nhưng vi sinh vật nhân nguyên thủy vẫn có thể sinh trưởng rất tốt Chẳng hạn vi khuẩn Bacillus infernus có thể sống ở độ sâu 1,5 dặm dưới mặt đất, nơi không có ôxy và có nhiệt độ cao đến 600C Những vi sinh vật có thể sinh trưởng được trong những hoàn cảnh hà khắc như vậy được gọi là các vi sinh vật ưa cực đoan Trong phần này chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của một số nhân tô chủ yếu của môi trường... tương tự như vậy, vi c xác định tổng lượng chlorophyll có thể dùng đẻ đo sinh khối tảo; đo hàm lượng ATP có thể biết được sinh khối của các vi sinh vật sống Hình 14.9: Đo số lượng vi sinh vật bằng phương pháp đo độ đục Thông qua vi c đo độ hấp thụ ánh sáng có thể xác định được sinh khối vi sinh vật Khi số lượng tế bào tăng lên sẽ dẫn đến vi c tăng độ đục, mức độ tán xạ ánh sáng nhiều hơn và quang phổ kế... cong sinh trưởng của vi sinh vật Lấy thời gian là trục hoành và lấy số lượng tế bào làm trục tung Thời gian tăng gấp đôi số lượng của quần thể (thời gian thế hệ) có thể đọc trực tiếp trên đồ thị Thời gian thế hệ thay đổi tùy theo chủng loại vi sinh vật, điều kiện nuôi cấy Một số vi khuẩn thời gian thế hệ không quá 10 phút (0,17h) trong khi ở một số vi sinh vật nhân thực (eucaryotic) lại dài tới vài... hệ thống này sự sinh trưởng của vi sinh vật luôn giữ được ở trạng thái logarit, nồng độ sinh khối vi sinh vật luôn giữ được ổn định trong một thời gian tương đối dài Giả thử ta có một bình nuôi cấy trong đó vi khuẩn đang sinh trưởng, phát triển Ta cho chảy liên tục vào bình một môi trường mới có thành phần không thay đổi Thể tích bình nuôi cấy giữ ổn định Dòng môi trường đi vào bù đắp cho dòng môi trường... vi nhịp độ pha loãng tương đối rộng thì mật độ vi sinh vật trong hệ thống là không thay đổi Khi nhịp đọ pha loãng tăng lên, thời gian thế hệ hạ xuống (tốc độ sinh trưởng tăng lên), khi đó chất dinh dưỡng hạn chế bị tiêu hao hết Nếu nhịp độ pha loãng quá cao thì vi sinh vật bị loại ra khỏi bình nuôi cấy trước khi kịp sinh sôi nẩy nở bởi vì lúc đó nhịp độ pha loãng cao hơn tốc độ sinh trưởng của vi sinh. .. quang phổ kế để xác định sự sinh trưởng của vi sinh vật Nếu hàm lượng một số vật chất trong mỗi tế bào là giống nhau thì tổng lượng chất đó trong tế bào có tương quan trực tiếp với tổng sinh khối vi sinh vật Chẳng hạn, thu tế bào trong một thể tích nhất định của dịch nuôi cấy, rửa sạch đi rồi đo tổng lượng protein hay tổng lượng nitrogen, có thể thấy sự tăng quần thể vi sinh vật là phù hợp với sự tăng ... phát thấy có sinh trưởng vi sinh vật quang hợp môi trường nhiệt độ cao Căn vào phạm vi nhiệt độ sinh trưởng chia vi sinh vật thành nhóm Bảng 14.6: Phạm vi nhiệt độ (NĐ) sinh trưởng vi sinh vật. .. trú mà vi sinh vật sinh trưởng rộng, từ pH acid (pH 1-2) đến hồ hay đất kiềm với pH 10 pH có ảnh hưởng rõ rệt sinh trưởng vi sinh vật Mỗi vi sinh vật có phạm vi pH sinh trưởng định pH sinh trưởng. .. trình sinh trưởng Không nhà vi sinh vật học tính toán tốc độ sinh trưởng vi sinh vật giai đoạn logarit Tính toán nhịp độ sinh trưởng làm sở cho nghiên cứu sinh lý học, sinh thái học vi sinh vật,