0.4 Sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Nội dung:

Khi nói về sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn tức là đề cập tới sinh trưởng và phát triển của một số lượng lớn tế bào của cùng một loài. Do tế bào vi khuẩn quá nhỏ nên việc nghiên cứu chúng gặp nhiều khó khăn. Sự tăng số lượng không phải bao giờ cũng diễn ra cùng với sự tăng sinh khối.

Vì vậy cần phải phân biệt các thông số và hằng số khác nhau khi xác định số lượng và khối lượng vi khuẩn.

Bảng các thông số và hằng số sử dụng khi xác địnhsố lượng và khối lượng vi khuẩn

Tuỳ theo tính chất thay đổi của hệ vi khuẩn có hai phương pháp nuôi cấy vi khuẩn cơ bản: nuôi cấy tĩnh và nuôi cấy liên tục.Trong vi sinh vật học khi nói đến sinh trưởng là nói đến sự sinh trưởng của cả quần thể. Dưới đây chúng ta khảo sát mẫu thí nghiệm lí tưởng để theo dõi sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn.

Nếu số tế bào ban đầu là No thì sau n lần phân chia số tế bào tổng cộng là N:

$N=N_o\cdot 2^n$ (1.1)

Giá trị n (số thế hệ) có thể tính nhờ logarit thập phân:

$\text{log}N=\text{log}{N}_o+n\text{log}2$

$n=\frac{1}{\text{log}2}\text{log}N-\text{log}{N}_o$ (1.2)

Thời gian thế hệ (g) được xác định theo công thức :

$g=\frac{t}{n}=\text{log}2\frac{t_2-t_1}{\text{log}N-\text{log}{N}_o}$ (1.3)

trong đó: t là thời gian vi khuẩn phân chia n lần; t2  t1 biểu thị sự sai khác giữa thời gian đầu (t1) và thời gian cuối (t2), h.

Hằng số tốc độ phân chia:

$C=\frac{1}{g}=\frac{n}{t}=\frac{1}{\text{log}2}\cdot \frac{\text{log}N-\text{log}{N}_o}{t_2-t_1}$ (1.4)

Rõ ràng, thời gian thế hệ càng ngắn, vi khuẩn sinh trưởng và sinh sản càng nhanh.

Vì $C=\frac{n}{t}$ nên n = Ct (1.5)

Thay giá trị của n vào phương trình (1.1), ta có:

$N=N_o\cdot 2^{\text{Ct}}$ (1.6)

Hằng số tốc độ phân chia C phụ thuộc vào một số điều kiện: loài vi khuẩn, nhiệt độ nuôi cấy, môi trường nuôi cấy.

Nhưng không phải bao giờ sinh trưởng cũng diễn ra song song với sinh sản, vì vậy khi nghiên cứu động học trong quá trình nuôi cấy liên tục thường theo dõi sinh trưởng và sinh sản của quần thể vi khuẩn bằng một tiêu chuẩn khác.

Thay cho hằng số tốc độ phân chia (C) ở đây chúng ta dùng hằng số tốc độ sinh trưởng (). Như vậy trong một khoảng thời gian dt đã có một sự tăng dX của sinh khối vi khuẩn tỷ lệ với X và . Nghĩa là:

$\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dt}}=\mu \cdot X$ (1.7)

$\mathrm{dt}=\frac{1}{\mu \cdot X}\cdot \mathrm{dX}$

Tích phân phương trình trong giới hạn (Xo, X) và (0, t), ta có:

$X=X_o\cdot e^{\mathrm{\mu t}}$ (1.8)

Ở đây Xo là lượng sinh khối ban đầu.

Vì $\mu =\frac{\text{ln}X-\text{ln}{X}_o}{t}$

Và chuyển sang logarit thập phân

$\mu =\mathrm{2,}\text{302}\frac{\text{lg}X-\text{lg}{X}_o}{t_2-t_1}$ (1.9)

Nếu lượng sinh khối (Xo, X) biểu thị bằng số tế bào (No, N) ta sẽ xác định được mối quan hệ qua lại giữa hằng số tốc độ sinh trưởng () , hằng số tốc độ phân chia (C) và thời gian thế hệ (g).

Kết hợp các phương trình (1.4) và (1.9), ta có :

$\mu =\mathrm{0,}\text{69}C=\frac{\mathrm{0,}\text{69}}{g}$ (1.10)

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

Phương pháp nuôi cấy mà trong suốt thời gian đó người ta không bổ sung thêm chất dinh dưỡng và cũng không loại bỏ sản phẩm cuối cùng của sự trao đổi chất gọi là nuôi cấy tĩnh (quần thể tế bào bị giới hạn trong một khoảng thời gian nhất định). Sự sinh trưởng trong một “hệ thống động” như vậy tuân theo những quy luật bắt buộc [theo các pha lag (pha mở đầu), pha log, pha ổn định và pha tử vong].