Giáo trình vi sinh vật 10.2

vi sinh vật (microorganisms) là những sinh vật nhỏ bé đến mức chỉ có thể thấy được chúng dưới kính hiển vi quang học hay kính hiển vi điện tử.

14.4 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NHÂN TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Như biết vi sinh vật có khả đáp ứng với biến hóa nồng độ chất dinh dưỡng, chất dinh dưỡng hạn chế Sự sinh trưởng vi sinh vật chịu ảnh hưởng lớn nhân tố vật lý, hóa học môi trường sống Hiểu biết ảnh hưởng nhân tố môi trường sinh trưởng vi sinh vật giúp ích nhiều cho việc khống chế vi sinh vật việc nghiên cứu phân bố sinh thái vi sinh vật Đáng ý số vi sinh vật sống điều kiện cực đoan (extreme) khó sống (inhospitable) Các vi sinh vật nhân nguyên thủy (Procaryotes) sinh tồn nơi sinh sống Nhiều nơi vi sinh vật khác tồn vi sinh vật nhân nguyên thủy sinh trưởng tốt Chẳng hạn vi khuẩn Bacillus infernus sống độ sâu 1,5 dặm mặt đất, nơi khơng có ôxy có nhiệt độ cao đến 60 0C Những vi sinh vật sinh trưởng hoàn cảnh hà khắc gọi vi sinh vật ưa cực đoan Trong phần xem xét ảnh hưởng số nhân tô chủ yếu môi trường sinh trưởng vi sinh vật (bảng 14.3) Bảng 14.3: Phản ứng vi sinh vật với nhân tố môi trường Thuật ngữ Định nghĩa Vi sinh vật đại diện Hoạt tính nước dung chất Vi sinh vật ưa áp (Osmotolerant) Có thể sinh trưởng Staphylococcus aureus, phạm vi rộng hoạt Saccharomyces tính nước nồng độ thẩm thấu Vi sinh vật ưa măn (Halophile) Cần sinh trưởng nồng độ Halobacterium,Dunaliella, NaCl cao, thường từ 0,2 Ectothiorhodospira mol/L trở lên pH Ưa acid (Acidophile) Sinh trướng tốt Sulfolobus,Picrofilus, Ferroplasma, phạm vi pH 0-5,5 Acontium, Cyanidum caldarium Ưa trung tính (Neutrophile) Sinh trướng tốt Escherichia, Euglena, Paramecium phạm vi pH 5,5- 8,0 Ưa kiềm(Alkalophile) Sinh trướng tốt Bacillus alcalophilus, phạm vi pH 8,5-11,5 Natronobacterium Nhiệt độ Ưa lạnh(Psychrophyle) Sinh trưởng tốt 150C Bacillus psychrophilus, hay thấp Chlamydomonas nivalis Chịu lạnh(Psychrotroph) Có thể sinh trưởng 0-7 C Listeria monocytogenes, sinh trưởng tốt Pseudomonas fluorescens 20-300C, cịn sinh trưởng khoảng 350C Ưa ấm(Mesophile) Sinh trưởng tốt 25- Escherichia coli, Neisseria, 450C Gonorrhoeae, Trichomona vaginalis Ưa nhiệt(Thermophile) Có thể sinh trưởng nhiệt Bacillus stearothermophilus, độ 55 0C cao hơn, Thermus aquaticus, Cyanidium nhiệt độ thích hợp caldarium, Chaetomium thermophile thường 55 65 C Ưa nhiệt cao (Hyperthermophile) Thích hợp phát triển nhiệt Sulfolobus, Pyrodictium, độ 80 khoảng Pyrococcus 113 C Nồng độ Ơxy Hiếu khí bắt buộc (Obligate Hoàn toàn dựa vào O2 Micrococcus luteus, Pseudomonas, aerobe) khơng khí để sinh trưởng Mycobacteriun, phần lớn Tảo, Nấm ĐV ngun sinh Kỵ khí khơng bắt buộc Không cần O2 để sinh Escherrichia, Enterococcus, (Facultative anaerobe) trướng sinh trưởng Saccharomyces cerevisiae tốt có mặt O2 Kỵ khí chịu Oxy (Aetolerant Sinh trưởng Streptococcus pyogenes anaerobe) có mặt hay khơng có ơxy Kỵ khí bắt buộc (Obligate Bị chết có mặt O2 Clostridium, Bacteroides, anaerobe) Methanobacterium, Trepomonas agilis Vi hiếu khí (Microaerophile) Cần O2 mức độ thấp Campylobacter, Spirillum volutans, hơn2-10% để sinh trưởng Treponema pallidum bị tổn hại khơng khí (20%) Áp suất Ưa áp (Barophile) Sinh trưởng nhanh Photobacterium profindum, áp suất thủy tĩnh cao Shewanella benthica, Methanococcus jannaschii 14.4.1 Hoạt tính nước dung chất Vì tế bào vi sinh vật tách với môi trường chúng loại màng sinh chất có tính thẩm thấu chọn lọc vi sinh vật chịu ảnh hưởng biến đổi nồng độ thẩm thấu môi trường Nếu vi sinh vật đưa vào dung dịch có nồng độ thẩm thấu thấp nước xâm nhập vào tế bào, khơng có khống chế hữu hiệu tế bào bị trương lên vỡ Nhờ nội hàm mà giảm thấp nồng độ thẩm thấu tế bào chất Lúc tính thẩm thấu mơi trường thấp tính thẩm thấu tế bào chất, vi sinh vật nhân nguyên thủy phá vỡ kênh mẫn cảm với áp suất làm cho dung chất thấm Phần lớn vi khuẩn, tảo nấm thường có thành tế bào vững chắc, trì hình thái tính hồn chỉnh tế bào Lúc đưa tế bào vi sinh vật có thành tế bào vững vào mơi trường áp suất thẩm thấu cao nước thoát ra, màng sinh chất tách khỏi thành tế bào tạo tình trạng co nguyên sinh Sự nước tế bào tổn hại tới màng tế bào chất, tế bào khả trao đổi chất ngừng sinh trưởng Điều liên quan đến việc bảo quản thực phẩm nhờ muối mặn tẩm đường (làm mứt, ngâm mật ong ) Nhiều vi sinh vật sử dụng dung chất hỗn hợp (compatible solute) để làm cho nồng độ thẩm thấu nguyên sinh chất cao môi trường chung quanh, làm cho màng sinh chất gắn với thành tế bào Sở dĩ gọi dung chất hỗn hợp dung chất thích hợp để tế bào sinh trưởng phát triển có nồng độ cao tế bào Phần lớn vi sinh vật nhân nguyên thủy nâng cao nồng độ thẩm thấu tế bào môi trường áp suất thẩm thấu cao nhờ tổng hợp hấp thu choline, betaine, proline, acid glutamic acid amin khác Việc nâng cao nồng độ K+ mức độ giúp nâng cao nồng độ thẩm thấu tế bào Tảo nấm sử dụng saccharose polyol, ví dụ arabitol, glycerol, mannitol, để đạt mục đích Polyol acid amin dung chất lý tưởng để nâng cao nồng độ thẩm thấu tế bào chúng khơng phá hủy cấu trúc chức enzym Nhiều vi sinh vật nhân nguyên thủy Halobacterium salianarium sử dụng K+ để nâng cao nồng độ thẩm thấu tế bào, Na+ có tác dụng không sử dụng cao K+ Các enzyme Halobacterium cần nồng độ muối cao để trì hoạt tính Động vật ngun sinh khơng có thành tế bào nên phải sử dụng không bào (vacuoles) để xuất phần nước dư thừa sống mơi trường có nồng độ thẩm thấu thấp Tác dụng tương hỗ phân tử nước phân tử dung chất gọi hiệu ứng thẩm thấu (osmotic effect) hiệu ứng chất (matric effect) biểu thị phần tử nước bi hấp phụ (adsorption) bề mặt chất rắn Hai hiệu ứng dẫn đến việc giảm sút phần nước dược vi sinh vật sử dụng Vì nồng độ thẩm thấu mơi trường có ảnh hưởng sâu sắc vi sinh vật để định lượng khả sử dụng nước nhà vi sinh vật học thường dùng khái niệm hoạt độ nước aw (water activity aw) để biểu thị tính hữu hiệu nước Cũng dùng nước (water potential) tương quan với aw để biểu thị tính hữu hiệu nước Hoạt độ nước dung dịch 1/100 độ ẩm tương đối dung dịch (tính theo %), tương đương với tỷ lệ áp suất bay dung dịch (Psoln) áp suất bay nước tinh khiết (Pwater): Hoạt độ nước dung dịch hay chất răn xác định cách đưa vào vật chứa kín đo độ ẩm tương đối sau hệ thống đạt tới trạng thái cân (equilibrium) Ví dụ, mẫu vật sau đạt tới trạng thái cân hệ thống mà khơng khí đạt tới 95% bão hịa, tức khơng khí chứa 95% độ ẩm đạt tới cân nhiệt độ với mẫu nước khiết, hoạt độ nước mẫu vật 0,95% Hoạt độ nước tỷ lệ nghịch với áp suất thẩm thấu, áp suất thẩm thấu cao trị số aw thấp Các vi sinh vật khác có lực thích ứng khác lớn mơi trường có hoạt độ nước thấp (bảng 14.4) Bảng 14.4: Trị số tương đối hoạt độ nước (aw) thấp sinh trưởng vi sinh vật (theo A.D Brown, 1976) Hoạt độ nước 1,00 0,95 Môi trường Nước khiết Bánh mỳ 0,90 0,85 0,80 Đùi gia súc Salami Ý Thực phẩm muối 0,75 Hồ muối Cá muối Vi khuẩn, Nấm, Tảo Phần lớn VK Gram (-) không ưa mặn Phần lớn trực khuẩn Gram (-) Basidiomycetes Fusarium Phần lớn Mucor,Rhizopus, Bacillus Phần lớn cầu khuẩn, Nấm men có bào tử túi Staphylococcus Saccharomyces rouxii (trong muối), Penicillium Halobacterium, Aspergillus, Dunaliella , Actinospora 0,70 0,60 Ngũ cốc, kẹo, khô Sôcôla, mật ong, sữa bột 0,55 ADN bị phá hủy Aspergillus Saccharomyces rouxii (trong đường), Xeromyces bisporus Có thể kể thêm vài ví dụ khác trị số aw: máu người- 0,995; tươi- 0,97-0,98; nước biển- 0,98; thịt gia súc tươi- 0,97; sirô- 0,90; giăm bông- 0,90; lạp xường- 0,85; mứt quả- 0,80; nước đường bão hòa- 0,76; bột mỳ- 0,65 Vi sinh vật muốn giữ lượng nước cách trì dung chất nội bào nồng độ cao sinh trưởng mơi trường có hoạt độ nước thấp gặp khó khăn lớn Những vi sinh vật tồn điều kiện gọi vi sinh vật chịu áp (osmotolerant) Chúng sinh trưởng phạm vi nồng độ thẩm thấu hoạt độ nước rộng Ví dụ , vi khuẩn Staphylococcus aureus ni cấy mơi trường có nồng độ NaCl cao tới mol/L Chúng thích ứng sinh trưởng da người Nấm men Saccharomyces rouxii sinh trưởng dung dịch đường có hoạt độ nước thấp đến 0,6 Tảo lục Dunaliella viridis chịu nồng độ NaCl cao đến 1,7mol/L nồng độ bão hịa Mặc dầu số vi sinh vật thực chịu áp phần lớn vi sinh vật sinh trưởng tốt hoạt độ nước khoảng 0,98 (tương đương với aw nước biển) cao Lợi dụng điều người ta sử dụng phương pháp sấy khô hay dùng muối, dùng đường để bảo quản thực phẩm, phòng tạp nhiễm vi sinh vật Tuy nhiên nhiều nấm chịu áp làm hư hỏng thực phẩm sấy khô ướp muối, tẩm đường Vi sinh vật ưa mặn (Halophile) hồn tồn thích ứng với môi trường cao áp (hypertonic), cần nồng độ NaCl cao để sinh trưởng Phạm vi nồng độ muối cần thiết để sinh trưởng nhóm vi khuẩn ưa mạn cực đoan (extreme halophilic bacteria) 2,8-6,2 mol/L (nồng độ muối bão hòa) Tại Biển Chết (Dead Sea)- hồ thấp giới nằm Israel Jordan, hồ Đại Diêm (Great Salt Lake) bang Utah (Hoa Kỳ) mơi trường khác có nồng độ muối gần với bão hịa, phân lập Cổ khuẩn (archeon) thuộc chi Halobacterium Chúng vi khuẩn ưa mặn cực đoan khác không giống với phần lớn vi sinh vật chịu áp (osmotolerant) chỗ đơn giản thông qua việc nâng cao nồng độ dung chất nội bào, mà chủ yếu sửa đổi cấu trúc protein màng để thích ứng với nồng độ muối cao Những vi khuẩn ưa mặn cực đoan trì nồng độ kali nội bào cho áp suất thẩm thấu cao môi trường sống; nồng độ K+ nội bào tới 4-7 mol/L Các enzym, ribosom protein vận chuyên vi khuẩn cần nồng độ K+ cao để trì tính ổn định hoạt tính Ngồi nồng độ Na+ cao giúp cho ổn định tế bào màng sinh chất vi khuẩn Halobacterium Nếu nồng độ Na + thấp thành tế bào màng sinh chất hoàn toàn bị phá hủy Vi khuẩn ưa mặn cực đoan thích ứng thành cơng với điều kiện mơi trường muối cao, nơi tiêu diệt hầu hết sinh vật khác Tuy nhiên chúng biệt hóa (specialized), tính linh hoạt (flexibility) sinh thái sinh trưởng mơi trường cực đoan 14.4.2 pH pH số đo hoạt tính ion hydrogen dung dịch số logarit âm nồng độ ion hydrogen (biểu thị nồng độ phân tử): pH= -log[H+]= log (1/[H+ ]) Thang pH từ pH 0,0 (1,0 mol H+) đến pH 14,0 (1,0 x 10 -14mol H+) Mỗi đơn vị pH đại biểu cho biến đổi 10 lần nồng độ ion hydrogen Hình 14.13 cho thấy nơi cư 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 tốt Vi sinh vật ưa acid (acidophile) có pH sinh trưởng tốt pH 0-5,5 ; vi sinh vật ưa trung tính pH 5,5-8,0 ; vi sinh vật ưa kiềm (alkalophile) pH 8,5-11,5 Vi sinh vật ưa kiềm cực đoan có mức sinh trưởng tối ưu pH 10 hay cao Nói chung, nhóm vi sinh vật khác có phạm vi sinh trưởng riêng Phần lớn vi khuẩn động vật nguyên sinh ưa trung tính Phần lớn nấm ưa acid (pH 4-6) Cũng có nhiều trường hợp ngoại lệ Ví dụ, tảo Cyanidium caldarium cổ khuẩn Sulfolobus acidocaldarius thường sống suối nước nóng acid, chúng sinh trưởng tốt nhiệt độ cao pH từ đến Cổ khuẩn Ferroplasma acidarmanus Picrophilus oshimae sinh trưởng pH=0 hay gần với Bảng14.5: Thang pH Mặc dầu vi sinh vật thường sinh trưởng phạm vi pH rộng, xa với pH tốt chúng, tính chịu đựng (tolerance) chúng có giới hạn định Khi pH tế bào chất có biến hóa đột ngột làm phá vỡ màng sinh chất làm ức chế hoạt tính enzyme hay proteine chuyển màng, làm tổn thương đến vi sinh vật Vi sinh vật nhân nguyên thủy bị chết pH nội bào giảm xuống thấp 5,0-5,5 Sự biến đổi pH môi trường làm thay đổi trạng thái điện ly phân tử chất dinh dưỡng, làm hạ thấp khả sử dụng chúng vi sinh vật Khi pH mơi trường có biến hóa tương đói lớn pH nội bào phần lớn vi sinh vật gần trung tính Nguyên nhân tính thấm H+ qua màng sinh chất tương đói thấp Vi sinh vật ưa trung tính thơng qua hệ thống vận chuyển sử dụng K+ thay cho H+ Vi sinh vật ưa kiềm cực đoan Bacillus alcalophilus dùng Na+ nội bào thay cho H+ mơi trường bên ngồi, giữ cho pH nội bào gần với trung tính Ngồi hệ thống chất đệm nội bào (intering buffering) có vai trị quan trọng việc trì pH ổn định Vi sinh vật phải có lực thích ứng với biến đổi pH mơi trường sinh tồn Đối với vi khuẩn, hệ thống vận chuyển ngược K+/H+ Na+/H +có thể dùng để khắc phục biến đổi nhỏ pH Nếu pH acid chế phát huy tác dụng Lúc pH giảm xuống tới pH 5,5-6,0 vi khuẩn thương hàn (Salmonella typimurium) Escherichia coli tổng hợp loạt protein gọi phần đáp ứng chống chịu acid ATPase chuyển vị proton dùng để sản sinh nhiều ATP bơm proton Ra tế bào Nếu pH bên giảm xuống 4,5 hay thấp vi khuẩn tổng hợp phân tử kèm, chẳng hạn protein gây sốc acid (acid shock proteins) hay protein gây sốc nhiệt (heat shock proteins) Chúng dùng để phịng ngừa biến tính acid proteín khác giúp sửa chữa lại protedins bị biến tính Vi sinh vật thường sinh chất thải trao đổi chất có tính acid hay kiềm để làm thay đổi pH môi trường sống Vi sinh vật lên men sử dụng nguồn carbonhydrat để tạo acid hữu Các vi sinh vật dinh dưỡng hóa vơ (chemolithotrophs) Thiobacillus ôxy hóa hợp chất lưu huỳnh dạng khử để sinh acid sulfuric Một số vi khuẩn khác thông qua việc phân giải acid amin làm sinh NH3 làm kiềm hóa mơi trường Người ta thường bổ sung chất đệm (buffers) vào môi trường nuôi cấy để phịng ngừa ức chế q trình sinh trưởng vi sinh vật pH biến hóa lớn Phosphat chất đệm thường sử dụng, điển hình muối H2PO4- acid yếu muối HPO42- kiềm yếu : H+ + HPO42- → H 2PO4OH- + H2PO4 - → HPO42- + HOH Nếu bổ sung H+ vào hệ thống đệm kết hợp với HPO42- để tạo acid yếu Nếu bổ sung OHvào hệ thống đệm kết hợp với H2PO 4- để tạo thành nước Như pH môi trường không bị biến hóa q lớn Trong mơi trường phức tạp peptid acid amin có lực đệm (buffering effect) mạnh 14.4.3 Nhiệt độ Cũng giống sinh vật khác, nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn vi sinh vật Trên thực tế, vi sinh vật thường sinh vật đơn bào chúng mẫn cảm với biến hóa nhiệt độ, thường bị biến hóa với biến hóa nhiệt độ mơi trường xung quanh Chính vậy, nhiệt độ tế bào vi sinh vật phản ánh trực tiếp nhiệt độ môi trường xung quanh Một nhân tố định ảnh hưởng nhiệt độ sinh trưởng vi sinh vật tính mẫn cảm với nhiệt độ phản ứng xúc tác nhờ enzym Trong phạm vi nhiệt độ thấp, nhiệt độ tăng lên làm tăng tốc độ sinh trưởng vi sinh vật, phản ứng xúc tác nhờ enzyme giống phản ứng hóa học nói chung, nhiệt độ tăng lên 100C tốc độ phản ứng tăng gấp đơi Vì phản ứng tế bào tăng toàn hoạt động trao đổi chất tăng lên nhiệt độ cao hơn, vi sinh vật sinh trưởng nhanh Lúc nhiệt độ tăng lên đến mức độ định nhiệt độ tăng tốc độ sinh trưởng giảm Khi nhiệt độ tăng cao vi sinh vật chết Khi nhiệt độ cao gây biến tính enzym, thể vận chuyển (transport carriers) protein khác Màng sinh chất bị tổn thương hai lớp lipid bị hịa tan Do nhiệt độ cao phản ứng xúc tác tiến hành nhanh nguyên nhân nói mà tế bào bị tổn thương đến mức khó hồi phục dẫn đến việc ức chế sinh trưởng Tại điều kiện nhiệt độ thấp màng sinh chất bị kết đơng lại, enzyme ngừng hoạt động Nói chung, néu vượt nhiệt độ tốt vi sinh vật, chức kết cấu tế bào bị ảnh hưởng Nếu nhiệt độ thấp, chức chịu ảnh hưởng thành phần hóa học kết cấu không thiết chịu ảnh hưởng Do ảnh hưởng hai mặt, vừa có lợi vừa có hại nhiệt độ vi sinh vật mà xác định loại nhiệt độ (cardinal temperaturre) sinh trưởng vi sinh vật Đó nhiệt độ thấp (minimum), nhiệt độ tốt (optimum) nhiệt độ cao (maximum) sinh trưởng Hình 14.13: Ảnh hưởng nhiệt độ tốc độ sinh trưởng vi sinh vật (Theo sách Prescott, Harley Klein) Mặc dầu đường biểu diễn ảnh hưởng nhiệt độ sinh trưởng vi sinh vật phụ thuộc vào vi sinh vật, điều kiện khác nhiệt độ tốt thường gần với nhiệt độ cao so với nhiệt độ thấp Ba nhiệt độ lồi vi sinh vật khơng phải cố định mà thường phụ thuộc vào pH, thức ăn nhân tố khác Chẳng hạn, loại động vật nguyên sinh có tiên mao Crithidia fasciculate sống đường tiêu hóa muỗi sinh trưởng môi trường đơn giản nhiệt độ 22-270C nhiệt độ 33-340C lại khơng sinh trưởng không bổ sung vào môi trường ion kim loại, acid amin, vitamin lipid Nhiệt độ vi sinh vật khác khác nhiều Nhiệt độ tốt thấp từ 00C đến cao tới 750C Nhiệt độ thấp để sinh trưởng đến -20 0C Nhiệt độ cao vượt 100 0C Nhân tố chủ yếu định phạm vi sinh trưởng nước Ngay điều kiện tối cực đoan vi sinh vật cần có nước trạng thái dịch thể sinh trưởng Đối với số đơng vi sinh vật phạm vi nhiệt độ sinh trưởng thường khoảng 30 0C Một số vi sinh vật (như Cầu khuẩn lậu - Nesseria gonorrhoeae) có phạm vi nhiệt độ sinh trưởng hẹp Trong có vi sinh vật (như Enterococcus facalis) lại có phạm vi nhiệt độ sinh trưởng rộng Nhiệt độ sinh trưởng cao khác nhóm lớn vi sinh vật Nhiệt độ sinh trưởng cao động vật nguyên sinh (protozoa) 50 0C Một số tảo nấm sinh trưởng nhiệt độ cao tới 55-60 0C Một số vi sinh vật nhân nguyên thủy sinh trưởng 1000C (nhiệt độ nước sôi) hay gần Gần người ta cịn phát thấy có vi sinh vật sinh trưởng điều kiện nhiệt độ cao 100 0C Đã có thơng báo cho biết phát thấy vi sinh vật nhân nguyên thủy dịch phun giàu sulphid (black smoker) vết nứt đáy biển - nơi nhiệt độ nước cao tới 3500C Những vi sinh vật sinh trưởng, phát triển tốt nhiệt độ 113 0C cịn sinh trưởng, phát triển nhiệt độ cao Áp suất cao miệng núi lửa đáy biển làm cho nước nhiệu độ siêu cao tồn trạng thái dịch thể (ở áp suất 265 atm nước biển sôi 4600C) Phát cho thấy protein, màng, acid nucleic vi sinh vật có tính kháng nhiệt cao Đây vật liệu tốt giúp cho việc nghiên cứu chế ổn định màng cao phân tử sinh học Tương lai nghĩ đến khả thiết kế enzyme phát huy tác dụng điều kiện cao Những enzyme bền nhiệt từ vi sinh vật có ứng dụng quan trọng công nghiệp nghiên cứu khoa học Chẳng hạn men Taq polymerase nhận từ cổ khuẩn Thermus aquaticus ứng dụng rộng rãi phản ứng chuỗi polymerase Rõ ràng vi sinh vật nhân nguyên thủy sinh trưởng nhiệt độ cao vi sinh vật nhân thật Đó vi sinh vật nhân thật khơng tạo màng quan tử có chức tương ứng điều kiện nhiệt độ cao 60 0C Ngoài quan quang hợp khơng ổn định khơng 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 Vi sinh vật NĐ thấp NĐ tốt VSV không quang hợp Bacillus psychrophilus -10 23-34 Micrococcus cryophilus -4 10 Psedomonas fluorescens 25-30 Staphylococcus aureus 6,5 30-37 Enterococcus faecalis 37 Escherichia coli 10 37 Neisseria gonorrhoeae 30 35-36 Thermoplasna acidophilum 45 59 Bacillus stearothermophilus 30 60-65 Thermus aquaticus 40 70-72 Sulfolobus acidocaldarius 60 80 Pyrococcus abyssi 67 96 Pyrodictium occultum 82 105 Pyrolobus fumarii 90 106 Vi khuẩn quang hợp vi khuẩn lam Rhodospirillum rubrum 30-35 Anabaena variabilis 35 Osillatoria tenuis Synechococcus eximius 70 79 Tảo nhân thật Chlamydomonas nivalis -36 Fragilaria sublinearis -2 5-6 Chlorella pyrenoidosa 25-26 Euglena gracilis 23 Skeletonema costatum 16-26 Cyanidium caldarium 30-34 45-50 Nấm NĐ cao 28-30 24 40 46 44 45 38 62 75 79 85 102 110 113 45-47 84 8-9 29 >28 56 Candida scottii Saccharomyces cerevisiae Mucor pusillus Amoeba proteus Naegleria fowleri Trichomonas vaginalis Paramecium caudatum Tetrahymena pyriformis Cyclidium citrullus 4-15 1-3 28 21-23 45-50 Động vật nguyên sinh 4-6 22 20-25 35 25 32-39 25 6-7 20-25 18 43 15 40 50-58 35 40 42 28-30 33 47 Vi sinh vật ưa lạnh (Psychrophile): Đó vi sinh vật sinh trưởng 00C, sinh trưởng tốt 15 C hay thấp hơn, nhiệt độ cao khoảng 20 0C Tại Nam cực Bắc cực dễ dàng phân lập vi sinh vật thuộc nhóm Vì có tới 90% nước biển thấp hay 50C nên có lượng lớn vi sinh vật ưa lạnh Chlamydomonas nivalis loài tảo ưa lạnh, chúng sinh bào tử màu đỏ tươi làm cho khối băng tuyết có màu phấn hồng (pink) Phần lớn vi khuẩn ưa lạnh thuộc chi Pseudomonas, Vibrio, Alcaligenes, Bacillus, Arthrobacter, Moritella, Photobacterium, Shewanella Cổ khuẩn Methanogenum ưa lạnh gần phân lập hồ Ace Châu Nam cực.Vi sinh vật ưa lạnh thông qua nhiều loại phương thức để thích ứng với mơi trường lạnh Chúng phát huy chế tốt để tổng hợp protein, enzym, hệ thống vận chuyển Màng tế bào vi sinh vật ưa lạnh có chứa nhiều acid béo khơng bão hịa, giữ trạng thái chất bán lưu (semifluid) gặp lạnh Tuy nhiên nhiều vi sinh vật ưa lạnh nhiệt độ cao 200C màng tế bào bị phá hại Nhiều vi sinh vật sinh trưởng tốt nhiệt độ 20-300 C, nhiệt độ cao cao 35 0C, chúng sinh trưởng điều kiện 0-70C.Chúng thuộc nhóm ưa lạnh khơng bắt buộc (Psychrotrophs hay facultative psychrophiles) Những vi khuẩn nấm thuộc nhóm nguyên nhân làm hư hỏng thực phẩm giữ lạnh Vi sinh vật ưa ấm (Mesophile): Đó vi sinh vật sinh trưởng tốt 20-450C, nhiệt độ sinh trưởng thấp 15-200C Nhiệt độ sinh trưởng cao khoảng 45 0C thấp Phần lớn vi sinh vật thuộc nhóm Hầu vi khuẩn gây bệnh cho người vi sinh vật ưa ấm, thân nhiệt người 37 0C Hình 14.14 :Phạm vi nhiệt độ sinh trưởng vi sinh vật (Theo sách Prescott, Harley Klein) Vi sinh vật ưa nhiệt (Thermophile): Đó vi sinh vật sinh trưởng nhiệt độ 550C hay cao Nhiệt độ sinh trưởng tốt chúng 33-650C Thành phần chủ yếu nhóm vi khuẩn (chủ yếu xạ khuẩn), tảo nấm (bảng 14.6) Chúng phát triển đống phân chuổng ủ, đáy cột rơm rạ hay cỏ khô, đường dẫn nước nóng, suối nước nóng Vi sinh vật ưa nóng khác với vi sinh vật ưa ấm chỗ chúng có hệ thống tổng hợp enzyme protein bền nhiệt (heat-stable) hoạt động nhiệt độ cao Màng sinh học chúng có lipid bão hịa mức cao, có điểm sơi cao giữ nguyên vẹn nhiệt độ cao Có số vi sinh vật ưa nhiệtcó thể sinh trưởng nhiệt độ 900C hay cao Nhiệt độ sinh trưởng cao 100 0C Người ta xếp vi sinh vật có nhiệt độ sinh trưởng tốt 80-1130C vào nhóm Vi sinh vật ưa siêu nóng (Hyperthermophiles) Chúng thường khơng thể sinh trưởng bình thường nhiệt độ thấp 550C Vi khuẩn Pyrococcus abyssi Pyrodictium occultum ví dụ vi sinh vật ưa siêu nhiệt tìm thấy đáy biển nóng 14.4.4 Nồng độ oxygen Các vi sinh vật sinh trưởng điều kiện có oxygen gọi vi sinh vật hiếu khí (aerobe), vi sinh vật sinh trưởng điều kiện khơng có oxygen họi vi sinh vật kỵ khí (anaerobe) Hầu hết thể đa bào phải cần sinh trưởng điều kiện có oxygen, chúng sinh vật hiếu khí bắt buộc (obligate aerobes) Oxygen làchất nhận điện tử cuối chuỗi vận chuyển điện tử hơ hấp hiếu khí Ngồi ra, vi sinh vật nhân thật (eucaryotes) hiếu khí dùng oxygen để tổng hợp sterol acid béo khơng bão hịa Các vi sinh vật kỵ khí không bắt buộc (facultative anaerobes) không cần oxygen để sinh trưởng có oxygen sinh trưởng tốt Khi có oxygen chúng sử dụng phương thức hơ hấp hiếu khí Các vi sinh vật kỵ khí chịu oxygen (aerotolerant anaerobes) vi khuẩn Enterococcus faecalis sinh trưởng trtong điều kiện có oxygen khơng có oxygen Ngược khuẩn Bacteroides, Fusobacterium, Clostridiun pasteurianum, Methanococcus bị chết có oxygen Hình 14.15: Oxygen sinh trưởng vi khuẩn Chú thích: Các nhóm vi sinh vật xem Mỗi chấm biểu khuẩn lạc vi khuẩn hay bề mặt môi trường SOD catalase biểu thị vi khuẩn có tồn enzyme superoxide dismutase catalase hay khơng?(Theo sách Prescott,Harley Klein) Vi sinh vật kỵ khí chịu oxygen vi sinh vật kỵ khí bắt buộc khơng sinh lượng thơng qua q trình hơ hấp, chúng thu lượng thơng qua q trình lên men hay hơ hấp kỵ khí (anaerobic respiration) Sau cùng, phải kể đến nhóm vi sinh vật vi hiếu khí (microaerophiles), chúng không sinh trưởng điều kiện không khí bình thường (20% O2) cần sinh trưởng điều kiện nồng độ O2 khoảng 2-10% Quan hệ vi sinh vật oxygen xác định thí nghiệm đơn giản nha sau: ni cấy vi sinh vật ống nghiệm chứa môi trường đặc môi trường đặc biệt môi trường chứa thioglycollate (là chất khử làm giảm nồng độ oxygen môi trường) Cùng nhóm vi sinh vật có nhiều loại quan hệ khác với O2 Cả loại hình thấy vi sinh vật nhân nguyên thủy (prpcaryotes) động vật nguyên sinh Nấm thường hiếu khí, trừ số lồi đặc biệt, nấm men, thuộc loại kỵ khí khơng bắt buộc Tảo thuộc loại hiếu khí bắt buộc Đáng ý lực sinh trưởng mơi trườnghiếu khí lẫn mơi trường kỵ khí làm cho vi sinh vật có tính linh hoạt cao loại ưu sinh thái học Mặc dầu O2 làm chết vi sinh vật kỵ khí bắt buộc, mơi trường hiếu khí phân lập chúng Đó chúng thường sống chung với loại kỵ khí khơng bắt buộc bọ tiêu thụ hết O2 , tạo nên mơi trường kỵ khí cục giúp cho vi sinh vật kỵ khí bắt buộc sinh trưởng Ví dụ khoang miệng vi khuẩn kỵ khí bắt buộc Bacteroides gingivalis sinh trưởng khe kỵ khí quanh Sự khác biệt quan hệ vi sinh vật với O2 nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm việc bất hoạt protein tác dụng độc hại O2 điều kiện hiếu khí Các enzyme bị bất hoạt nhóm mẫn cảm sulfhydryls bị oxy hóa Chẳng hạn enzyme cố định đạm nitrogenase loại mẫn cảm với O Vì hai điện tử bên ngồi oxygen khơng thành cặp dễ tiếp nhận điện tử bị khử Flavoprotein, số thành phần tế bào khác xạ thúc đẩy việc khử oxy, tạo thành sản phẩm khử gốc tự superoxide, hydrogen peroxide, gốc hydroxyl O2 + e- → O2- (gốc tự superoxide) O2 + e- + 2H+ → H 2O2 (hydrogen peroxide) O2 + e- + H+ → H 2O + OH-(gốc hydroxyl) Các sản phẩm khử oxy có hại chúng chất oxy hóa mạnh phá hủy nhanh chóng thành phần tế bào Vi sinh vật phải có lực tự chống lại sản phẩm khử tránh khỏi bị tiêu diệt Bạch cầu trung tính (neutrophils) đại thực bào (macrophage) lợi dụng sản phẩm độc hại để tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh xâm nhập thể Nhiều vi sinh vật sinh enzyme để chống lại sản phẩm khử độc hại Vi khuẩn hiếu khí bắt buộc vi khuẩn kỵ khí không bắt buộc thường chứa enzyme superoxide dismutase (SOD) catalase, chúng phân biệt xúc tác việc phá hủy gốc superoxide hydrogen peroxide Peroxidase dùng để phá hủy hydrogen peroxide: 2O2∙- + 2H+ →→superoxide dismutase→→ O2 + H 2O 2H2O2→→catalase→→ 2H 2O + O H2O2 + NADH + H+→→peroxidase→→ 2H2O + NAD + Vi sinh vật kỵ khí chịu oxygen thiếu catalase hầu hết ln có superoxide dismutase Vi khuẩn kỵ khí chịu oxygen Lactobacillus plantarum dùng ion Mn2+ thay SOD đểđể phân giải gốc tự superoxide Tất vi sinh vật kỵ khí bắt buộc khơng có hai loại enzyme nói có với nồng độ thấp khơng có lực chống chịu với oxygen Vì vi sinh vật hiếu khí cần O2, vi sinh vật kỵ khí lại bị chết O2, việc ni cấy hai nhóm phaỉ phương pháp hồn tồn khác Lúc ni cấy khối lượng lớn vi sinh vật hiếu khí phải nuối cấy máy lắc hay phải thổi khơng khí vơ khuẩn vào bình (hay nồi) ni cấy Cịn ni cấy vi khuẩn kỵ khí phải loại bỏ hết O2 Có thể dùng phương pháp sau đây: - Sử dụng mơi trường kỵ khí đặc biệt, có chứa chất khử thioglycolate hay cysteine Khi chế tạo môi trường cần đun lên để làm tan thành phần đồng thời loại trừ hết O hòa tan mơi trường Khi vi sinh vật kỵ khí mọc lên bề mặt mơi trường - Ni cấy tủ ni cấy kỵ khí (anaerobic work chamber) hút chân không bổ sung khí nitrogen Thường cịn cần bổ sung khí CO2 nhiều vi khuẩn kỵ khí sinh trưởng tốt có tồn lượng nhỏ khí CO2 - Một phương pháp phổ biến nuôi cấy lượng nhỏ vi sinh vật kỵ khí dùng bình kỵ khí (Gas Pak jar) Trong hệ thống lợi dụng H2 chất xúc tác palladium để làm cho O2 kết hợp với H2 tạo thành nước để khơng cị O mơi trường Các chất khử đưa vào mơi trường thạch giúp loại bỏ O2 - Có thể dùng túi nhựa để tạo mơi trường kỵ khí ni cấy lượng nhỏ vi sinh vật kỵ khí Trong túi nhựa chứa CaCO3 chất xúc tác để tạo điệu kiện kỵ khí giàu CO Một dung dịch đặc biệt đưa vào túi nhựa sau đưa hộp lồng (hộp Petri) hay dụng cụ nuôi cấy khác vào hàn kín túi nhựa lại Tùy trường hợp cụ thể mà sử dụng phương pháp ni cấy kỵ khí khác Hình 14.17: Ni 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 khơng khí atm (atmosphere) khơng 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 2-3 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 khơng xương sống biển sâu (như amphipods holothurians) vi khuẩn ưa áp (barophilic) Chúng sinh trưởng nhanh điều kiện áp suất cao Chúng có vai trị quan trọng vịng tuần hồn 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 khơng 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 (vơ 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 khơng 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 q 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 đơi, phá hủy cấu trúc vịng, 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 q trình tái tạo (replication) cơng 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 khơng 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 ( ‫ ﺍ‬O2) Ánh sáng P———————→ P (hoạt tính) P hoạt tính + O2 —→ 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 khơng 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 phịng 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 khơng có ích lợi Tình hình thực tế cịn 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 u cầu vi sinh vật khơng thể 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 mơi trường nghèo Chẳng hạn vi sinh vật tách chất dinh dưỡng hạn chế (như sắt) khiến khơng cịn sắt để cạnh tranh Khơng khí cung cấp chất dinh dưỡng giúp cho sinh trưởng vi sinh vật Điều thấy phịng thí nghiệm ngồi thiên nhiên Đã phát thấy chất hữu khơng khí xúc tiến sinh trưởng vi sinh vật mơi trường pha lỗng (dilute media) Môi trường sinh trưởng làm giàu chất hữu khơng 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 khơng khí để giúp cho sinh trưởng vủa vi sinh vật Sự tồn chất dinh dưỡng khơng khí tình trạng sinh trưởng vi sinh vật, khơng 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 ngồi phịng 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 phịng thí nghiệm đặc biệt, đặc biệt mẫn cảm với ức chế thứ sinh (secondary stresses) Các ức chế làm cho vi sinh vật sống khơng tạo thành khuẩn lạc mơi trường đặc bình thường dùng để ni 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 khơng 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 Escherichia coli, Vibrio cholerae, Klebsiella pneumoniae, Enterobacter aerogenes, Enterococcus faecalis lực sinh trưởng môi trường phịng thí nghiệm theo kỹ thuật ni 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 mơi trường ni 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 cịn lại tự cảm ứng Đó tượng vi sinh vật tự điều chỉnh mật độ thơng qua q trình cảm nhận hàm lượng phân tử tín hiệu, đơi 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 cịn 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 tồn 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 Thơng 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 q 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) Vibrio fischeri, (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 Erwinia carotovora Pseudomonas aureofaciens Vi khuẩn Gram dương điều hòa hoạt động cảm ứng mật độ, thơng 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 Streptomyces griseus có lẽ tín hiệu gbutyrolaton 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 trị 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 cơng kháng sinh chất tẩy rửa Sự điều chỉnh mật độ tế bào hiệu bên màng sinh học hàm lượng acyl HSL bị pha lỗng 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 Burkhoderia cepacia 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)  ... 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 Vi sinh vật. .. tốt Vi sinh vật ưa acid (acidophile) có pH sinh trưởng tốt pH 0-5,5 ; vi sinh vật ưa trung tính pH 5,5-8,0 ; vi sinh vật ưa kiềm (alkalophile) pH 8,5-11,5 Vi sinh vật ưa kiềm cực đoan có mức sinh. .. 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