GIỐNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIỐNG PHỤC VỤ SẢN XUẤT
2.1.1.3. Tuyển chọn chủng dựa trên quá trình lên men
1. Đặc điểm sinh lý, sinh hóa của vi sinh vật
Ngồi yếu tố quan trọng là thành phần môi trường dinh dưỡng, một số yếu tố vật lý có thể tác động đến sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật.
Vi sinh vật được phân bố khắp nơi, cho nên khả năng thích ứng của vi sinh vật phụ thuộc và điều kiện sống khác nhau như nhiệt độ, độ ẩm, thơng khí, pH mơi trường và nguồn dinh dưỡng. Từ đó người ta phân chúng thành những nhóm vi sinh vật tương ứng nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho chúng phát triển.
a. Nhiệt độ
Nhiệt độ mơi trường với vi sinh vật có mối quan hệ mật thiết, vì nhiệt độ khơng chỉ đơn thuần ảnh hưởng đến cường độ phát tiển của từng loại vi sinh vật mà chính khả năng sinh trưởng của chúng ở nhiệt độ đó. Mỗi loại vi sinh vật đều có nhiệt độ phát triển tối thiểu, tối thích và tối đa mà chúng có thể chịu được khác nhau.
Dựa vào khả năng của vi sinh vật phát triển trong khoảng nhiệt độ tối ưu khác nhau, người ta phân chia vi sinh vật thành các nhóm sau: Vi sinh vật ưa lạnh (psychrophylic) sinh trưởng ở nhiệt độ tối ưu dưới 20oC; vi sinh vật ưa ấm (mesophylic) từ 25 đến 45oC; vi sinh vật ưa nhiệt (thermophylic) từ 45 đến 70oC và vi sinh vật cực ưa nhiệt (superthermophylic) tối ưu trên 70oC.
Sự phân định các nhóm vi sinh vật theo nhiệt độ trên không phải là tuyệt đối mà thường giới hạn giữa các nhóm có phần xen cài lên nhau. Tuy nhiên, phần lớn các vi sinh vật là vi sinh vật ưa ấm. Nấm sợi và nấm men là những vi sinh vật ưa mát, nghĩa là thường từ 20 đến 30oC, tối ưu ở 25 đến 26oC, nhưng cũng có một số lồi sống được ở 45oC, cũng có lồi sống được ở 1oC.
Ngày nay, người ta phát hiện được nhiều lồi có thể sinh trưởng phát triển ở nhiệt độ rất cao, như các chủng ở suối nước nóng, miệng núi lửa. Gấn đây, khoa học đã phát hiện thấy các vi khuẩn cổ sống ở đáy biển, ở nguồn nước nóng có thể chịu được nhiệt độ lên tới 250oC, với áp suất 256 atm, ví dụ như lồiPyroditium occultum.
Trong q trình phân lập và nuôi cấy vi sinh vật cũng cần chú ý đến nguồn vị trí lấy mẫu mà ni cấy thích hợp. Điều đó cũng có nghĩa là, tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng mà người ta phân lập các chủng vi sinh vật ở những nơi có điều kiện sống tương ứng. Ví dụ, trong xử lý rác thải yếu tố nhiệt độ rất quan trọng, vì với ngun lý “càng nóng, càng tốt” thì vi sinh vật ưa nhiệt sẽ phát triển và thúc đẩy nhanh quá trình phân giải các chất trong bể ủ, đồng thời khi nhiệt độ hạ xuống sau ủ, các vi sinh vật ưa nhiệt sẽ chết làm cho bể ủ sạch. Người ta phân lập các chủng chịu được nhiệt độ cao ở những đống rác ủ thích hợp.
b. Độ ẩm(đối với việc ni trên mơi trường xốp)
Thành phần nước chiếm từ 70-90% khối lượng cơ thể vi sinh vật, tất cả các quá trình phân huỷ thức ăn và các phản ứng chuyển hoá các chất trong tế bào đều diễn ra với sự có mặt của nước. Thiếu nước, vi sinh vật không phát triển được và lúc này vi sinh vật chỉ tồn tại ở dạng nghỉ hoặc bào tử.
Nuôi vi sinh vật trên môi trường xốp cần quan tâm đến lượng nước phù hợp (độ ẩm thường 60-70%). Đặc biệt trong quá trình lên men xử lý rác thải, nhiệt độ đống ủ tăng lên, lượng nước bốc hơi nhanh dẫn đến tình trạng thiếu nước cho nên phải bổ sung thêm nước sao cho vi sinh vật phát triển bình thường.
c. Oxy (khơng khí)
Phụ thuộc vào khả năng sử dụng oxy, người ta chia vi sinh vật thành 3 nhóm chính: (1) Vi sinh vật hiếu khí: Phát triển ở hiệu thế oxy hố cao (nhu cầu oxy cao); (2) Vi sinh vật yếm khí: Phát triển ở hiệu thế oxy hố thấp (khơng cần oxy) và (3) Vi sinh vật yếm khí tuỳ tiện: Phát triển ở cả hiệu thế oxy hoá cao và hiệu thế oxy hoá thấp.
Trong tế bào vi sinh vật hiếu khí có đầy đủ hệ thống men hơ hấp, trong q trình oxy hố dùng phân tử oxy làm chất nhận hydro (H+), cịn trong q trình oxy hố được thực hiện nhờ sự tham gia của các enzym dehydrolase, chúng dùng các chất hữu cơ có liên kết khơng bão hồ làm chất nhận H+.
Với đặc tính của từng nhóm vi sinh vật, nghiên cứu điều kiện ni cấy vi sinh vật là cần thiết. Ví dụ, trong q trình xử lý rác thải việc lựa chọn các loại vi sinh vật vừa có hoạt tính phân giải nhanh, vừa tạo điều kiện nuôi phù hợp với từng biện pháp xử lý là rất quan trọng và cần thiết như phương pháp ủ hiếu khí cần cung cấp lượng oxy thích hợp, phương pháp chơn lấp rác thải hoặc lên men sinh metan cần tạo điều kiện kị khí hồn tồn.
d. pH môi trường
pH môi trường nuôi cấy vi sinh vật rất quan trọng, vì mỗi loại vi sinh vật có khả năng sinh trưởng phát triển ở pH môi trường khác nhau. Người ta chia vi sinh vật thành các nhóm
theo khả năng phát triển ở các pH môi trường như sau: pH từ 2 - 4 là nhóm axit mạnh; 4 - 5: nhóm axit; 5 - 6: nhóm axit yếu; 6 - 7: nhóm trung tính; 7 - 8: nhóm kiềm nhẹ; 8 - 9: nhóm kiềm và pH trên 9: nhóm kiềm mạnh.
Đa số các vi sinh vật sinh trưởng phát triển bình thường trong phạm vi pH trung tính, có loại chịu được pH thấp nhưThiobacillus ferrooxydanscó thể sinh trưởng ở pH 1-2, nấm mốc chịu được pH 4-5. Ngược lại, nhiều lồi có thể sinh trưởng ở mơi trường kiềm, pH 10.
Sự thay đổi pH là do hàm lượng ion H+trong môi trường tạo nên. Hàm lượng H+trong môi trường ảnh hưởng đến sự hoạt động của các enzym trong tế bào ảnh hưởng đến quá tình trao đổi chất của chúng. Dựa vào khả năng chịu pH khác nhau của vi sinh vật, người ta thay đổi pH tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển hoặc ức chế khả năng phát triển cuả chúng.
e. Áp suất
Phần lớn vi khuẩn không chịu ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất, vì chúng được bảo vệ nhờ thành tế bào cứng. Nếu thành tế bào này bị phá huỷ, thì chất ngun sinh bị giải phóng ra bên ngồi do áp suất bên trong tế bào thường cao hơn bên ngoài. Nếu ta tạo tế bào trần bằng cách dùng lyzozyme bóc vỏ tế bào, thì cần giữ cân bằng áp suất bằng cách đưa vào dung dịch đường saccharose 20%, nếu không chất nguyên sinh bị nổ vỡ. Tuy nhiên, điều đó khơng đúng với nhiều loại vi khuẩn có thể thích nghi với mơi trường chứa đến 35g NaCl trong 1 lít. Tuỳ theo sự mẫn cảm của chúng đối với áp suất thẩm thấu mà người ta chia thành các nhóm:
- Vi khuẩn khơng ưa mặn (non-halophiles) phát triển trong mơi trường có nồng độ muối dưới 0,2 M NaCl (tương đương 1,2%) như vi khuẩnEnterobacteria, Pseudomonas..
- Vi khuẩn ưa mặn (halophiles) cần nồng độ muối trên 0,2 M đối với các lồi ưa mặn trung bình (P. mariana), ưa mặn cực đoan trên 1,5 M NaCl (khoảng 9%) NaCl và phát triển tối ưu ở nồng độ 2-4 M NaCl (12-23%) như Halococcus morrhueae, Halobacterium salinarium...
- Vi sinh vật chịu mặn (Halotolerants) như Staphylococcus, một số nấm men và nấm
mốc, một sốLactobacillus.
g. Ánh sáng và tia năng lượng
Ánh sáng chỉ có tác dụng gây những biến đổi trong tế bào một khi ánh sáng đó được tế bào hấp thụ, còn độ gây hại phụ thuộc vào mức năng lượng trong lưỡng tử của ánh sáng được hấp thụ. Mức năng lượng trong lưỡng tử lại phụ thuộc gián tiếp vào chiều dài bước sóng của tia chiếu.
Các lưỡng tử bức xạ gây nên mức biến đổi hoá học của các nguyên tử và phân tử có chiều dài bước sóng khoảng 10.000 Ǻ, trong đó có ánh sáng mặt trời, tia tử ngoại, tia X, tia Gamma, tia vũ trụ. Các tia trên được gọi là tia bức xạ ion hoá.
Tia vũ trụ, tia Gamma và tia Rơnghen có năng lượng rất lớn. Các tia này gọi là tia bức xạ ion hoá. Những bức xạ có chiều dài sóng lớn thì năng lượng lại nhỏ hơn, không đủ gây nên những biến đổi hoá học như tia hồng ngoại.
Ánh sáng mặt trời là nguồn tia chiếu tự nhiên, đó là phổ ánh sáng có độ dài bước sóng từ 400-8000 Ǻ. Nhiều vi sinh vật có sắc tố quang hợp (diệp lục, khuẩn lục và các loại carotinoit) lại sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để quang hợp. Ánh sáng mặt trời còn có tác dụng đến sự hình thành bào tử, tổng hợp sắc tố, sự chuyển động hướng sáng ở một số vi sinh vật.