Sinh trưởng và phát triển là một thuộc tính cơ sở của sinh vật nói chung và vi sinh vật nói riêng..
- Sinh trưởng là sự tăng kích thước và khối lượng. tế bào, là biểu hiện của sự tăng trưởng có quy tắc của tất cả các thành phần tổ hợp vật chất tế bào.
- Phát triển (hoặc sinh sản) là sự tăng số lượng tế bào.
Sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Chất và lượng chất dinh dưỡng.
- Các yếu tố ngoại cảnh có quan hệ đến quá trình đồng hoá và dị hoá như pH, nhiệt độ, ẩm độ, áp suất...
Trong thực tế, sự tăng khối lượng của tế bào không phải bao giờ cũng diễn ra song song với sự tăng số lượng tế bào.
1. Mẫu lý thuyết về sinh trưởng, phát triển của vi khuẩn:
* Số lượng tế bào sau n lần phân chia:
Giả sử trong một bình nuôi cấy vi khuẩn có đầy đủ các thành phần phù hợp với nhu cầu của tế bào. Nếu ta cấy vào đó 1 tế bào thì tế bào này sẽ sinh trưởng, tăng khối lượng và thể tích, tổng hợp các thành phần của tế bào (thành tế bào, màng nguyên sinh chất, ADN, ARN, protein ...) cho đến khi kích thước lớn gấp đôi. Khi đó vi khuẩn sẽ phân chia tạo ra 2 tế bào con. Hai tế bào này lại tiếp tục sinh trưởng và lại phân chia để tạo ra 4, rồi 8, 16... tế bào.
Nếu số tế bào ban đầu không phải là 1 mà là N0 thì sau n lần phân chia, số tế bào tạo thành là:
N = N0 . 2 n
Trong đó: - N là số tế bào tạo thành sau khi phân chia n lần. - N0 là số tế bào ban đầu.
- n là số lần phân chia (số thế hệ).
Các giá trị N, N0 có thể được xác định nhờ phòng đếm hoặc tính số khuẩn lạc tạo thành trên môi trường đặc. Còn số thế hệ (n) có thể tính nhờ logarit thập phân:
lg N = lg N0 + n lg2 1
n = (lgN – lgN0) 2
Gọi g là thời gian thế hệ (khoảng thời gian giữa 2 lần phân chia liên tiếp/ thời gian cần thiết cho việc tăng đôi số tế bào). Nếu vi khuẩn phân chia n lần sau thời gian t thì :
t t2 – t1 g = = lg 2
n lgN – lgN0
Gọi C là hằng số tốc độ phân chia (số lần phân chia trong một đơn vị thời gian (tức sau 1 giờ)), C chính là giá trị nghịch đảo của g.
1 n 1 lgN – lg No C = = = =
g t lg2 t2 – t1 suy ra:
N = N0 . 2 Ct
Hằng số tốc độ phân chia phụ thuộc vào một số điều kiện:
- Loài vi khuẩn: ví dụ ở 370C thì E.coli có C = 3, Mycobacterium tuberculosis có C = 0,07.
- Nhiệt độ nuôi cấy:
Ở E. coli khi nuôi cấy trong môi trường nước thịt:
Nhiệt độ nuôi cấy (0C) C
18 0,5 22 1 30 2 37 3 42 3 43 0
- Môi trường nuôi cấy: khi nuôi cấy Bacillus subtilis ở 370C trong môi trường nước thịt thì C = 2, trong môi trường khoáng – glucoza thì C = 0,8, trong môi trường khoáng – xitrat thì C = 0,3, trong môi trường khoáng – glucoza – xitrat thì C = 1,2.
Tuy nhiên không phải bao giờ sinh trưởng cũng diễn ra song song với sinh sản, trường hợp này chỉ gặp ở pha logarit. Vì vậy khi nghiên cứu động học trong quá trình nuôi cấy liên tục ta thường theo dõi sinh trưởng và sinh sản của quần thể vi khuẩn bằng một tiêu chuẩn khác. Cũng có thể biểu thị bằng số lượng tế bào nhưng phổ biến hơn là biểu thị bằng sinh khối vi khuẩn, bằng chất khô hay bằng mật độ quang học...
2. Sinh trưởng, phát triển của vi khuẩn trong điều kiện nuối cấy tĩnh. Đường cong sinh trưởng: Đường cong sinh trưởng:
Nuôi cấy tĩnh là phương pháp nuôi cấy mà trong suốt thời gian đó không thêm vào chất dinh dưỡng và cũng không loại đi các sản phẩm cuối cùng của trao đổi chất.
Đường cong sinh trưởng là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc logarit của số lượng tế bào theo thời gian. Đường cong sing trưởng có 4 pha chủ yếu:
LogN
t
- Pha lag (pha mở đầu/ pha tiềm tàng): pha này tính từ lúc bắt đầu cấy đến khi vi khuẩn đạt tốc độ sinh trưởng cực đại. Độ dài của pha này phụ thuộc vào tuổi của ống giống và thành phần môi trường.
- Pha log (pha luỹ thừa); Trong pha này vi khuẩn sinh trưởng và phát triển theo luỹ thừa, nghĩa là sinh khối và số lượng tế bào tăng theo phương trình: X = X0 . e µt hay N = N0 . 2 Ct. Trong pha này, kích thước của tế bào, thành phần hoá học, hoạt tính sinh lý...nói chung không thay đổi theo thời gian. Tế bào ở trạng thái động học và được coi như là “những tế bào tiêu chuẩn”.
- Pha ổn định: trong pha này quần thể vi khuẩn ở trạng thái cân bằng động học, số tế bào mới sinh ra bằng số tế bào cũ chết đi. Nguyên nhân hình thành pha này là do sự tích luỹ các sản phẩm độc của trao đổi chất (các loại rượu, axit hữu cơ) và việc cạn chất dinh dưỡng.
- Pha tử vong: trong pha này số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo luỹ thừa mặc dù số lượng tế bào tổng cộng có thể không giảm. Nguyên nhân của pha này rất phức tạp, một số nguyên nhân thường gặp là: điều kiện ngoại cảnh bất lợi, do sự tự phân của tế bào.
Nghiên cứu sinh trưởng phát triển của vi khuẩn giúp chúng ta có cơ sở lý luận để vận dụngvào thực tiễn.
3. Các phương pháp xác định sinh trưởng, phát triển của vi khuẩn:a. P hương pháp xác định số lượng tế bào: a. P hương pháp xác định số lượng tế bào:
- Để xác định số lượng tế bào tổng cộng (tế bào sống và tế bào chết) người ta thường dùng phương pháp đếm tế bào trực tiếp dưới kính hiển vi nhờ các “phòng đếm”.
- Để xác định số lượng tế bào sống, người ta thường đếm số khuẩn lạc tạo thành khi nuôi cấy trên môi trường đặc.