Đường cong sinh trưởng của nuôi cấy liên tục
|
Với giải Bài 1 phần 2 trang 130 SGK Sinh học 10 được biên soạn lời giải chi tiết sẽ giúp học sinh biết cách làm bài tập môn Sinh học 10. Mời các bạn đón xem:
Giải Sinh học 10 Bài 33: Ôn tập phần sinh học vi sinh vật Bài 1 phần 2 trang 130 SGK Sinh học 10: Giải thích các pha đường cong sinh trưởng của quần thể vi khuẩn trong nuôi cấy không liên tục? Ở pha sinh trưởng nào trong nuôi cấy không liên tục có thời gian của một thế hệ (g) là không đổi. Nêu nguyên tắc của nuôi cấy liên tục, ứng dụng. Lời giải:
- Trong nuôi cấy không liên tục, pha cân bằng là pha có thời gian của một thế hệ (g) không đổi. - Nguyên tắc trong nuôi cấy liên tục: môi trường luôn được đổi mới bằng cách bổ sung liên tục các chất dinh dưỡng vào và đồng thời lấy ra một lượng dịch nuôi cấy tương đương. - Nuôi cấy liên tục được ứng dụng trong sản xuất sinh khối để thu nhận protein đơn bào, các hợp chất có hoạt tính sinh học như các axit amin, enzim, các kháng sinh, hoocmon…  Xem thêm lời giải bài tập Sinh học lớp 10 hay, chi tiết khác: Bài 1 phần 1 trang 129 SGK Sinh học 10: Thay các số bằng tên các kiểu dinh dưỡng và cho ví dụ... Bài 2 phần 1 trang 129 SGK Sinh học 10: Hãy điền những ví dụ đại diện vào cột thứ bốn trong bảng sau... Bài 2 phần 2 trang 130 SGK Sinh học 10: Nói chung, độ pH phù hợp nhất cho sự sinh trưởng của vi sinh vật như sau... Bài 1 phần 3 trang 130 SGK Sinh học 10: Nêu sự khác biệt giữa bào tử sinh sản và nội bào tử ở vi khuẩn... Bài 2 phần 3 trang 130 SGK Sinh học 10: Nêu ví dụ ứng dụng sự sinh sản của vi sinh vật để phục vụ đời sống con người... Bài 1 phần 4 trang 130 SGK Sinh học 10: Vì sao lại có thể dùng đường với hai loại mục đích hoàn toàn khác nhau... Bài 2 phần 4 trang 130 SGK Sinh học 10: Hãy lấy những ví dụ về các yếu tố vật lí có ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi sinh vật... Bài 1 phần 5 trang 131 SGK Sinh học 10: Ý kiến của em như thế nào... Bài 2 phần 5 trang 131 SGK Sinh học 10: Điền nội dung phù hợp vào bảng sau... Bài 3 phần 5 trang 131 SGK Sinh học 10: Hãy cho ví dụ từng loại miễn dịch... Bài 4 phần 5 trang 131 SGK Sinh học 10: Điền vào chỗ trống thuật ngữ (tập hợp từ) phù hợp nhất trong các câu sau... Khi nói đến sự sinh trưởng của vi sinh vật, người ta thường nói đến: Thời gian thế hệ là khoảng thời gian được tính từ Môi trường nuôi cấy không liên tục là Biểu hiện sinh trưởng của vi sinh vật ở pha cân bằng là: Môi trường nuôi cấy liên tục là môi trường nuôi cấy Các hình thức sinh sản chủ yếu của VSV nhân sơ là
Home » Sinh học 10 , Vi sinh vật » Sinh trưởng của vi sinh vật
Câu 1. Vì sao quá trình sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy không liên tục có pha tiềm phát, còn trong nuôi cấy liên tục thì không có pha này?Câu 2. Vì sao trong nuôi cấy không liên tục, vi sinh vật tự phân hủy ở pha suy vong, còn trong nuôi cấy liên tục hiện tượng này không xảy ra?Câu 3. Vẽ đồ thị đường cong sinh trưởng của quần thể vi sinh vật trong nuôi cấy không liên tục và trình bày đặc điểm các pha sinh trưởng của quần thể vi khuẩn?Câu 4. Trình bày các khái niệm: sinh trưởng của vi sinh vật, thời gian thế hệ, nuôi cấy không liên tục, nuôi cấy liên tục? Câu 5. So sánh nuôi cấy liên tục và không liên tục? Hướng dẫn trả lời Câu 1. – Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy không liên tục cần có pha tiềm phát để giúp vi khuẩn có thời gian thích nghi với môi trường mới, enzim cảm ứng tương ứng được hình thành để phân giải cơ chất. – Trong nuôi cấy liên tục, chất dinh dưỡng được bổ sung liên tục, môi trường sống của vi khuẩn được ổn định, chúng đã có enzim cảm ứng nên không có pha tiềm phát. Câu 2. – Trong nuôi cấy không liên tục, các chất dinh dưỡng dần cạn kiệt, đồng thời các chất độc hại được tạo ra qua quá trình chuyển hóa vật chất được tích lũy ngày càng nhiều đã ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật, chúng tự phân hủy ở pha suy vong. – Trong nuôi cấy liên tục, các chất dinh dưỡng liên tục được bổ sung, các chất được tạo ra qua quá trình chuyển hóa cũng được lấy ra một lượng tương đương, do đó môi trường nuôi cấy luôn ở trong trạng thái tương đối ổn định nên không có hiện tượng vi sinh vật bị phân hủy. Câu 3. – Đường cong sinh trưởng của quần thể vi sinh vật trong nuôi cấy không liên tục: http://hocmai.vn/file.php/149/Anh/WiKi/HoiDapSinh10/10S2503.gif – Đặc điểm các pha sinh trưởng của quần thể vi khẩn: quần thể vi khuẩn trong nuôi cấy không liên tục sinh trưởng theo một đường cong gồm 4 pha:+ Pha tiềm phát (pha lag): đây là thời gian tính từ khi vi khuẩn được cấy vào bình cho đến khi chúng bắt đầu sinh trưởng. Trong pha này vi khuẩn phải thích ứng với môi trường mới, do đó chúng phải tổng hợp mạnh mẽ ADN và các enzim chuẩn bị cho sự phân bào.+ Pha luỹ thừa (pha log) : trong pha này, vi khuẩn bắt đầu phân chia mạnh mẽ, số lượng tế bào tăng theo luỹ thừa và đạt đến cực đại, thời gian thế hệ đạt tới hằng số, quá trình trao đổi chất diễn ra mạnh mẽ nhất.+ Pha cân bằng : trong pha này tốc độ sinh trưởng cũng như trao đổi chất của vi khuẩn giảm dần. Số lượng tế bào đạt cực đại và không đổi theo thời gian (số lượng tế bào chết cân bằng với số lượng tế bào được tạo thành). Hơn nữa, kích thước tế bào nhỏ hơn trong pha log. Có một số nguyên nhân khiến vi khuẩn chuyển sang pha cân bằng như: chất dinh dưỡng bắt đầu cạn kiệt, nồng độ ôxi giảm (đối với vi khuẩn hiếu khí), các chất độc (êtanol, một số axit) tích luỹ, pH thay đổi…+ Pha suy vong: pha này thể hiện ở số lượng tế bào chết cao hơn số lượng tế bào mới được tạo thành do chất dinh dưỡng cạn kiệt, chất độc hại tích luỹ. Một số vi khuẩn chứa các enzim tự phân giải tế bào, số khác có hình dạng tế bào thay đổi do thành tế bào bị hư hại. Câu 4.– Sự sinh trưởng của quần thể vi sinh vật được hiểu là sự tăng số lượng tế bào của quần thể.– Thời gian thế hệ (kí hiệu là g): là thời gian từ khi sinh ra của một tế bào cho đến khi tế bào đó phân chia hay số tế bào trong quần thể tăng gấp đôi.– Môi trường nuôi cấy không liên tục: môi trường nuôi cấy không được bổ sung chất dinh dưỡng mới và không được lấy đi các sản phẩm chuyển hoá vật chất được gọi là môi trường nuôi cấy không liên tục.– Môi trường nuôi liên tục: là môi trường duy trì ổn định nhờ việc bổ sung thường xuyên chất dinh dưỡng và loại bỏ không ngừng chất thải. Nuôi cấy liên tục được sử dụng để sản xuất sinh khối vi sinh vật, các enzim, vitamin, êtanol…Câu 5. Hướng dẫn trả lời: http://hocmai.vn/file.php/149/Anh/WiKi/HoiDapSinh10/10S2505.gif
Sự sinh trưởng quần thể vi sinh vật được nghiên cứu bằng cách phân tích đường cong sinh trưởng trong một môi trường nuôi cấy vi sinh vật theo phương pháp nuôi cấy theo mẻ (batch culture) hoặc trong một hệ thống kín. Có nghĩa là vi sinh vật được nuôi cấy trong một thiết bị kín, trong quá trình nuôi cấy không thay đổi môi trường và thời gian nuôi cấy càng kéo dài thì nồng độ chất dinh dưỡng càng giảm sút, các chất phế thải của trao đổi chất càng tăng lên. Nếu lấy thời gian nuôi cấy là trục hoành và lấy số logarit của số lượng tế bào sống làm trục tung sẽ có thể vẽ được đường cong sinh trưởng của các vi sinh vật sinh sản bằng cách phân đôi. Đường cong này có 4 giai đoạn (phases) khác nhau.
Hình 14.1: Đường cong sinh trưởng trong hệ thống kín (Theo sách của Prescott, Harley và Klein)
Khi cấy vi sinh vật vào một môi trường mới số lượng thường không tăng lên ngay, đó là giai đoạn Tiềm phát hay pha Lag. Trong giai đoạn này tế bào chưa phân cắt nhưng thể tích và khối lượng tăng lên rõ rệt do có sự tăng các thành phần mới của tế bào. Nguyên nhân là do tế bào ở trạng thái già, thiếu hụt ATP, các cofactor cần thiết và ribosome. Thành phần môi trường mới không giống môi trường cũ cho nên tế bào cần một thời gian nhất định để tổng hợp các enzyme mới nhằm sử dụng được các chất dinh dưỡng mới. Các tế bào cũng có thể bị thương tổn và cần một thời gian để hồi phục. Bất kỳ vì nguyên nhân gì thì kết quả vẫn là tế bào phải tự trang bị lại các thành phần của mình, tái tạo ADN và bắt đầu tăng khối lượng. Giai đoạn tiềm phát dài hay ngắn liên quan đến bản thân từng loại vi sinh vật và tính chất của môi trường. Nếu tính chất hóa học của môi trường mới sai khác nhiều với môi trường cũ thì giai đoạn tiềm phát sẽ kéo dài. Ngược lại, nếu cấy từ giai đoạn logarit vào một môi trường có thành phần tương tự thì giai đoạn tiềm phát sẽ rút ngắn lại. Nếu cấy vi sinh vật từ giai đoạn tiềm phát hay từ giai đoạn tử vong thì giai đoạn tiềm phát sẽ kéo dài.
Trong giai đoạn này vi sinh vật sinh trưởng và phân cắt với nhịp độ tối đa so với bản tính di truyền của chúng nếu gặp môi trường và điều kiện nuôi cấy thích hợp. Nhịp độ sinh trưởng của chúng là không thay đổi trong suốt giai đoạn này, các tế bào phân đôi một cách đều đặn. Do các tế bào sinh ra chỉ khác nhau rất ít cho nên đường cong sinh trưởng là một đường trơn nhẵn chứ không gấp khúc (hình 14.1). Quần thể tế bào trong giai đoạn này có trạng thái hóa học và sinh lý học cơ bản là như nhau cho nên việc nuôi cấy ở giai đoạn này thường được sử dụng để nghiên cứu sinh hóa học và sinh lý học vi sinh vật. Sinh trưởng logarit là sinh trưởng đồng đều, tức là các thành phần tế bào được tổng họp với tốc độ tương đối ổn định. Nếu cân bằng dinh dưỡng hay các điều kiện môi trường thay đổi sẽ dẫn đến sự sinh trưởng không đồng đều. Sự sinh trưởng khi nhịp độ tổng hợp các thành phần của tế bào tương đối biến hóa sẽ biến đổi theo cho đến khi đạt tới một sự cân bằng mới. Phản ứng này rất dễ quan sát thấy khi làm thực nghiệm chuyển tế bào từ một môi trường nghèo dinh dưỡng sang một môi trường giàu hơn. Tế bào trước hết phải tạo nên các ribosome mới có thể nâng cao năng lực tổng hợp protein, sau đó là sự tăng cưởng tổng hợp protein và ADN. Cuối cùng tất yếu dẫn đến tốc độ phát triển nhanh chóng. Lúc chuyển quần thể tế bào từ một môi trường giàu dinh dưỡng tới một môi trường nghèo thì cũng có kết quả về sự sinh trưởng không đồng đều như vậy. Vi sinh vật trước đó có thể thu được từ môi trường nhiều thành phần của tế bào nhưng khi chuyển sang môi trường nghèo chúng cần có thời gian để tạo ra các enzyme cần thiết để sinh tổng hợp các thành phần không có sẵn trong môi trường. Sau đó tế bào mới có thể phân cắt, ADN mới có thể tái tạo, nhưng việc tổng hợp protein và ARN là chậm cho nên tế bào nhỏ lại và tổ chức lại sự trao đổi chất của chúng cho đến khi chúng có thể sinh trưởng tiếp. Sau đó sự sinh trưởng cân bằng sẽ được hồi phục và trở về lại giai đoạn logarit. Các thí nghiệm trên đây cho thấy sự sinh trưởng của vi sinh vật được kiểm soát một cách chính xác, phối hợp và phản ứng nhanh chóng với những sự biến đổi của môi trường. Khi sự sinh trưởng của vi sinh vật bị hạn chế bởi nồng độ thấp của các chất dinh dưỡng cần thiết thì sản lượng tế bào cuối cùng sẽ tăng lên cùng với sự tăng lên của các chất dinh dưỡng bị hạn chế (hình 14.2a). Đây chính là cơ sở để sử dụng vi sinh vật trong việc định lượng vitamin và các nhân tố sinh trưởng khác. Tốc độ sinh trưởng cũng tăng lên cùng với sự tăng nồng độ các chất dinh dưỡng (hình 14.2b). Hình dáng của đường cong hầu như phản ánh tốc độ hấp thu chất dinh dưỡng nhờ sự chuyển vận protein của vi sinh vật. Lúc nồng độ chất dinh dưỡng đủ cao thì hệ thống vận chuyển sẽ bão hòa và tốc độ sinh trưởng không tăng lên cùng với sự tăng lên của nồng độ chất dinh dưỡng.
Hình 14.2: Nồng độ chất dinh dưỡng và sinh trưởng (a )- Ảnh hưởng của sự hạn chế chất dinh dưỡng đối với sản lượng chung của vi sinh vật. Lúc nồng độ đủ cao thì sản lượng chung sẽ đạt tới ổn định.(b)- Ảnh hưởng của sự hạn chế chất dinh dưỡng tới tốc độ sinh trưởng.
Qua giai đoạn Logarit sự sinh trưởng của quần thể cuối cùng sẽ dừng lại, đường cong sinh trưởng đi ngang (hình 14.1). Nồng độ vi khuẩn trong giai đoạn ổn định thường vào khoảng 109/ml. Với các vi sinh vật khác thường không đạt được đến nồng độ này. Với động vật nguyên sinh và vi tảo thường chỉ đạt đến nồng độ 10 6/ml. Đương nhiên, số lượng tế bào cuối cùng quyết định bởi ảnh hưởng chung của điều kiện dinh đưỡng, chủng loại vi sinh vật và các nhân tố khác. Trong giai đoạn này số lượng tế bào sống là không thay đổi, có thể do số lượng tế bào mới sinh ra cân bằng với số lượng tế bào chết đi, hoặc là tế bào ngừng phân cắt mà vẫn 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 đó nguyên nhân chủ yếu là sự hạn chế của chất dinh dưỡng. Nếu một chất dinh dưỡng thiết yếu bị thiếu hụt nghiêm trọng thì sự sinh trưởng sẽ chậm lại. Vi sinh vật hiếu khí thường bị hạn chế bởi nồng độ oxygen. Oxygen thường hòa tan ít trong nước, O2 trong nội bộ môi trường rất nhanh chóng bị tiêu thụ hết, chỉ có các vi sinh vật sinh trưởng ở bề mặt môi trường mới có đủ nồng độ O2 để sinh trưởng. Vì vậy khi nuôi cấy vi sinh vật phải sử dụng tới máy lắc hay các biện pháp thông khí khác. Quần thể vi sinh vật cũng có thể bị đình chỉ sinh trưởng khi gặp sự tích lũy của các sản phẩm trao đổi chất có hại. Một số vi sinh vật kỵ khí (như Streptococcus) có thể lên men đường làm sản sinh một lượng lớn acid lactic hay các acid hữu cơ khác, làm acid hóa môi trường và ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật. Đồng thời sự tiêu hao hết đường cũng làm cho tế bào đi vào giai đoạn ổn định. Sau nữa là, một số chứng cứ cho thấy khi số lượng vi sinh vật đạt đến một giới hạn nhất định thì sự sinh trưởng có thể bị đình chỉ. Sự sinh trưởng của vi sinh vật chuyển sang giai đoạn ổn định có thể do kết quả chung của rất nhiều nhân tố khác nhau Như chúng ta.đã thấy vi khuẩn khi nuôi cấy theo mẻ sẽ chuyển sang giai đoạn ổn định khi thiếu thức ăn. Trong tự nhiên, do nhiều môi trường có nồng độ chấ dinh dưỡng rất thấp nên vi sinh vật thường chuyển sang giai đoạn ổn định. Đối với vi khuẩn việc chuyển sang giai đoạn ổn định có thể là một loại thích ứng tốt. Nhiều loại vi khuẩn không có sự biến hóa rõ rệt về hình thái (như hình thành bào tử nội sinh-endospore) nhưng chúng có thể thu nhỏ kích thước lại, thường do chất nguyên sinh co lại và nhân giả (nucleoid) đậm đặc lại. Một biến đổi quan trọng hơn là, khi thiếu thức ăn vi khuẩn sẽ sinh ra một loại protein đói (starvation proteins) làm cho tế bào đề kháng nhiều hơn với các thương tổn bằng nhiều con đường khác nhau. Chúng làm tăng các liên kết peptidoglycan và sự bền vững của thành tế bào. Chẳng hạn Dps (DNA-binding protein from starved cells), một loại protein kết hợp với ADN lấy từ các tế bào đói, có thể bảo vệ cho ADN. Phân tử Chaperones cản trở sự biến tính của protein và hồi phục lại được các protein bị tổn thương. Vì những việc đó và nhiều cơ chế khác mà các tế bào đói có thể khó bị chết đi và đề kháng được với tình trạng bị đói, với sự biến hóa của nhiệt độ, sự tổn thương về ôxy hóa và sự thẩm thấu, cũng như tăng sức đề kháng với các hóa chất có hại (như chlorine chẳng hạn). Những cải biến này rất có hiệu quả và làm cho một số vi khuẩn có thể sống lại sau vài năm bị đói. Rõ ràng việc hiểu rõ những vấn đề này sẽ có tầm quan trọng thực tiễn to lớn đối với y học và vi sinh vật học công nghiệp. Chúng còn có thể chứng minh vi khuẩn thương hàn (Salmonella typhimurium) và nhiều vi khuẩn gây bệnh khác có thể có khả năng gây bệnh mạnh hơn khi bị đói.
Việc tiêu hao chất dinh dưỡng và việc tích lũy các chất thải độc hại sẽ làm tổn thất đến môi trường sống của vi sinh vật, làm cho số lượng tế bào sống giảm xuống. Đó là đặc điểm của giai đoạn tử vong. Giống như giai đoạn logarit, sự tử vong của quần thể vi sinh vật cũng có tính logarit (tỷ lệ tế bào chết trong mỗi giờ là không đổi). Tổng số tế bào sống và tế bào chết không thay đổi vì các tế bào chết chưa bị phân hủy. Muốn xác định số lượng tế bào sống phải pha loãng ra rồi cấy lên thạch đĩa và đưa vào điều kiện thích hợp để xác định số khuẩn lạc xuất hiện. Mặc dầu phần lớn vi sinh vật tử vong theo phương thức logarit nhưng sau khi số lượng tế bào đột nhiên giảm xuống thì tốc độ chết của tế bào chậm lại. Đó là do một số cá thể sống lại nhờ có tính đề kháng đặc biệt mạnh. Vì điều này và những nguyên nhân khác làm cho đường cong của giai đoạn tử vong có thể khá phức tạp.
Không ít các nhà vi sinh vật học đã tính toán về tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật trong giai đoạn logarit. Tính toán nhịp độ sinh trưởng sẽ làm cơ sở cho các nghiên cứu về sinh lý học, sinh thái học vi sinh vật, và còn để giải quyết một số vấn đề ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. Trong giai đoạn logarit mỗi cá thể vi sinh vật tiến hành phân cắt trong một thời gian hằng định. Số lượng tế bào tăng theo phương thức 2n. Thời gian giữa hai lần phân chia liên tiếp hay thời gian cần cho sự tăng đôi số tế bào được gọi là thời gian thế hệ (generation time hay doubling time). Ví dụ đưa một tế bào vào môi trường nuôi cấy, cứ 20 phút phân cắt một lần thì sau 20 phút có 2 tế bào, sau 40 phút có 4 tế bào và tiếp tục như vậy (bảng 14.1) Bảng 14.1: Một ví dụ về sinh trưởng theo logarit
*Thời gian thế hệ là 20 phút, giả thiết là nuôi cấy từ 1 tế bào Số lượng logarit tế bào là 2n, n là số thế hệ. Có thể biểu thị các số liệu trong bảng 14.1 bằng công thức sau đây:
Trong đó: N0 là số lượng tế bào ban đầu; Nt là số lượng tế bào ở thời gian t; n là số thế hệ. Từ công thức trên có thể biến đổi như sau và số thế hệ n được tính bằng logarit thập phân:
Khi nuôi cấy phân mẻ (batch culture) tốc độ sinh trưởng trong giai đoạn logarit có thể biểu thị bằng hằng số tốc độ sinh trưởng bình quân k (mean growth rate constant k). Đó là số thế hệ sinh ra trong đơn vị thời gian, thường biểu thị bằng số thế hệ trong 1 giờ:
Thời gian cần thiết để tăng gấp đôi tổng số tế bào là thời gian thế hệ bình quân (mean generation time) hay thời gian tăn gấp đôi bình quân (mean doubling time) và được biểu thị bằng g. Nếu t=g thì N t= 2N0. Thay vào công thức trên ta có: Thời gian thế hệ bình quân là đảo số của hằng số tốc độ sinh trưởng bình quân:
Thời gian thế hệ bình quân g có thể căn cứ trực tiếp vào đồ thị bán logarit (semilogarithmic plot) và hằng số tốc độ sinh trưởng để tính ra (hình 14.4). Ví dụ ,số lượng vi khuẩn tại giờ thứ 10 là từ 103 tăng lên đến 109 thì :
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 ngày (Bảng 14.2). Thời gian thế hệ trong tự nhiên thường là dài hơn so với khi nuôi cấy. Bảng 14.2: Thời gian thế hệ của một số loài vi sinh vật
|
