Sv sinh trưởng và phát triển vsv p2

• Màng tế bào vi sinh vật chịu lạnh có hàm lượng lipid cao hơn, giúp chúng hấp thụ chấtdinh dưỡng trong môi trường ở điều kiện nhiệt độ thấp.. • Vi khuẩn chịu lạnh chứa một lượng lớn axi

HANOI UNIVERSITY OF SIENCE AND TECHNOLOGY

Sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

-phần 2

NHÂN TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẾN

SỰ SINH TRƯỞNG CỦA

VI SINH VẬT

Tác dụng của các yếu tố bên ngoài lên sinh

trưởng và phát triển của vi khuẩn

của môi trường bên ngoài.

nhau Đa số các yếu tố đó đều có một đặc tính tác dụng chung biểu hiện ở ba

điểm hoạt động: tối thiểu, tối thích và cực đại.

Tác dụng của các yếu tố bên ngoài lên sinh

trưởng và phát triển của vi khuẩn

Các yêu cầu đối với sự phát triển của vi

Các yêu cầu đối với sự phát triển của vi

• Các nguồn cacbon, nitơ, lưu huỳnh, phốt pho, oxy

• Các nguyên tố vi lượng

• Các yếu tố tăng trưởng hữu cơ.

Vi sinh vật ưa lạnh (Psychrophile)

Nguồn: Andreas Holzinger, Michael C Allen, Dimitri D Deheyn, Hyperspectral imaging of snow algae and green algae from aeroterrestrial habitats, Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology,Volume 162,2016,

Vi sinh vật ưa lạnh (Psychrophile) Ả

Fig 2 Cultured cells of (a) Zygnema sp., (b) Zygnema sp plasmolysed with 800 mM sorbitol Bars 20 μm.

Nguồn: Andreas Holzinger, Michael C Allen, Dimitri D Deheyn, Hyperspectral imaging of snow algae and green algae from aeroterrestrial habitats, Journal of Photochemistry and

Vi khuẩn ưa lạnh được chia thành hai loại:

• Vi khuẩn gram dương bao gồm Bacillus, Corynebaterium,

Streptococcus, Clostridium, Lactobacillus, Listeria, Paenibacillus

và Microbacterium

Flarobacterium, Achromaobact, Yersini và Chromobacterium.

⚬ Pseudomonas fluorescens làm hỏng sữa tươi hoặc sữa tiệt

trùng.

⚬ Vi khuẩn Listeria monocytogens thường gặp trong thịt và các

sản phẩm sữa.

⚬ Salmonella spp dẫn đến chất lượng hải sản bị giảm sút.

Cần lưu ý rằng hư hỏng thực phẩm là một quá trình phức tạp, không phải do một vi sinh vật nào gây

ra mà là kết quả của sự tương tác của nhiều loại vi khuẩn gây hư hỏng.

• Màng tế bào vi sinh vật chịu lạnh có hàm lượng lipid cao hơn, giúp chúng hấp thụ chất

dinh dưỡng trong môi trường ở điều kiện nhiệt độ thấp

• Vi khuẩn chịu lạnh chứa một lượng lớn axit béo không no mạch thẳng và phân nhánh,

nhiệt độ nóng chảy của lipid giảm xuống, làm cho màng tế bào trở nên lưu động tốt ở

nhiệt độ thấp và do đó góp phần vào sự nhân lên của vi sinh vật

• Giảm kích thước lỗ của kênh bằng cách thay đổi cấu trúc của protein màng ngoài trong

điều kiện nhiệt độ thấp, tránh sự xâm nhập của một số phân tử độc tố vào tế bào ở môi

trường bên ngoài

• Bài tiết một lượng lớn lipase và protease ngoại bào để phân hủy các đại phân tử sinh

học thành các phân tử nhỏ trong điều kiện nhiệt độ thấp để đảm bảo nhu cầu dinh

dưỡng

• Tạo nhiều enzyme hoạt động — thường là tối ưu — trong nhiệt độ lạnh

• Một số enzym hoạt động tại nhiệt độ lạnh có hàm lượng chuỗi xoắn α lớn hơn

và hàm lượng cấu trúc bậc hai β ít hơn Cấu trúc thứ cấp tấm β có xu hướng

cứng hơn so với xoắn α, hàm lượng chuỗi xoắn α lớn hơn của các enzym hoạt

động lạnh cho phép các protein này linh hoạt hơn để xúc tác các phản ứng của

chúng ở nhiệt độ lạnh

• Các enzym hoạt động lạnh cũng có xu hướng có lượng axit amin phân cực lớn

hơn và ít kỵ nước hơn

• Chiến lược thích ứng chung của các enzym chịu lạnh là ổn định phức hợp

enzym/cơ chất để giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết

Cơ chế chịu lạnh

• Protein sốc lạnh là một loại protein nhạy cảm với lạnh ở dạng hoạt động

hoặc liên kết các mRNA cụ thể và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình

dịch mã của chúng trong điều kiện lạnh

• Chất bảo vệ lạnh bao gồm các protein chống đông đặc biệt (VD: glycerol

hoặc một số loại đường) giúp ngăn chặn sự hình thành các tinh thể nước

đá có thể làm thủng màng tế bào chất

• Các vi khuẩn ưa lạnh cao thường tạo ra lượng chất nhờn bề mặt tế bào

exopolysaccharide dồi dào, và các lớp chất nhờn này cũng có chức năng

bảo vệ lạnh

Mối nguy hiểm của vi sinh vật chịu lạnh Ả

• Các enzym ngoại bào như lipase và protease do vi khuẩn chịu lạnh tiết ra

được biết là nguyên nhân gây ra sự suy giảm chất lượng của thịt, hải sản,

rau, sữa và các sản phẩm từ sữa.

• Tạo ra hương vị bất thường như vị đắng, vị trái cây và vị men.

• Quá trình chuyển hóa thứ cấp của vi sinh vật hư hỏng có thể tạo ra mùi

hăng và nhiều chất nhầy hơn.

• Trong số các vi khuẩn chịu lạnh, Escherichia coli có khả năng gây bệnh

đường ruột và làm giảm độ tươi của đồ ăn tươi sống , Listeria có nguy cơ

gây viêm màng não, các chủng vi khuẩn thuộc nhóm Pseudomonas

fluorescens có thể dẫn đến nhiễm trùng huyết, và Salmonella khiến người

bệnh bị sốt, nôn mửa và tiêu chảy.

Vi sinh vật ưa ấm (Mesophile)

thấp hơn.

bởi vì thân nhiệt của người là 37 0C.

Vi sinh vật ưa nhiệt (Thermophile)

• Là các vi sinh vật sinh trưởng được ở nhiệt độ 55 0 C hay cao hơn nữa Nhiệt độ sinh trưởng tốt nhất đối với

chúng là 33-65 0 C.

• Thành phần chủ yếu của nhóm này là vi khuẩn (chủ yếu là xạ khuẩn), một ít tảo và nấm.

• Phát triển trong đống phân chuổng ủ, dưới đáy các cột rơm rạ hay cỏ khô, trong đường dẫn nước nóng,

trong các suối nước nóng

• Có hệ thống tổng hợp enzyme và protein bền nhiệt (heat-stable) và có thể hoạt động ở nhiệt độ cao Màng

sinh học của chúng có lipid bão hòa ở mức cao, có điểm sôi cao hơn và vì vậy vẫn giữ được nguyên vẹn ở

nhiệt độ cao.

• Vi sinh vật ưa siêu nóng (Hyperthermophiles) có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 90 0 C hay cao hơn Nhiệt độ

sinh trưởng cao nhất là 100 0 C.

• Làm lạnh là phương pháp phổ

biến nhất để bảo quản thực phẩm

gia dụng Nó dựa trên nguyên tắc

là tốc độ sinh sản của vi sinh vật

giảm ở nhiệt độ thấp Mặc dù vi

sinh vật thường sống sót ngay cả

khi ở nhiệt độ đông lạnh (chúng

có thể trở nên hoàn toàn không

hoạt động), chúng sẽ giảm dần về

số lượng

• Một số loài suy giảm nhanh hơn

những loài khác, tuy nhiên có

Áp suất

Phần lớn vi sinh vật có thể sống trên lục địa hay trên bề mặt nước, là những nơi có áp suất không khí

là 1 atm (atmosphere) và không chịu ảnh hưởng rõ rệt gì của áp suất này.

Nhưng đáy biển (nơi có độ sâu 1000m trở lên) lại chiếm đến 75% thể tích đại dương Ở những nơi

một số vi sinh vật thích ứng để tồn tại.

• Phần lớn thuộc về nhóm chịu áp (barotolerant) Tuy áp suất tăng lên cao sẽ có ảnh hưởng đến

chúng, nhưng ảnh hưởng bất lợi này nhỏ hơn nhiều khi so với các vi sinh vật không chịu áp

(nontolerant).

• Một số vi khuẩn sống trong đường tiêu hóa của những động vật không xương sống ở dưới biển sâu

(như amphipods và holothurians) là những vi khuẩn ưa áp (barophilic) Chúng sinh trưởng càng

nhanh trong điều kiện áp suất cao Chúng có vai trò quan trọng trong vòng tuần hoàn các chất dinh

dưỡng dưới đáy biển Tại khe biển Mariana gần Philippine (sâu khoảng 10 500m) người ta đã phân

400-500atm Những vi khuẩn này thuộc về các chi Photobacterium, Shewanella, Colwellia

• Một số thuộc về Cổ khuẩn vừa ưa áp vừa ưa nhiệt (thermobarophiles), chẳng hạn như Pyrococcus

Áp suất cao ảnh hưởng đến sinh lý và sinh hóa tế bào theo nhiều cách

• Nói chung, áp suất làm giảm khả năng tương tác của các protein.

• Các phức hợp protein lớn ở nhóm ưa áp phải tương tác theo cách để

giảm thiểu các tác động liên quan đến áp suất.

• Quá trình tổng hợp protein, tổng hợp DNA và vận chuyển chất dinh

dưỡng rất nhạy cảm với áp suất cao.

• Vi khuẩn ưa áp được nuôi cấy dưới áp suất cao có tỷ lệ axit béo không

no trong tế bào chất cao hơn so với khi được nuôi cấy ở 1 atm Các axit

béo không bão hòa cho phép các màng duy trì chức năng và không

tạo bọt ở áp suất cao hoặc ở nhiệt độ thấp.

• Tốc độ phát triển khá chậm của các loài ưa áp cực cao như Moritella so với các vi

khuẩn biển khác có thể là do tác động tổng hợp của áp suất và nhiệt độ thấp; nhiệt

độ thấp Nhiệt độ thấp làm chậm tốc độ phản ứng của các enzym, ảnh hưởng trực tiếp

đến sự phát triển của tế bào

• Khi một piezophile gram âm được phát triển dưới áp suất cao, một protein màng

ngoài cụ thể được gọi là OmpH (protein màng ngoài H) sẽ không có trong các tế bào

phát triển ở 1 atm

• OmpH là một loại porin Porins là các protein tạo thành các kênh mà qua đó các

phân tử khuếch tán vào vùng ngoại vi Có lẽ, porin được tạo ra bởi các tế bào phát

triển ở 1 atm không thể hoạt động bình thường ở áp suất cao và do đó phải tổng

hợp một porin khác

• Áp suất thúc đẩy phiên mã gen mã hóa OmpH Ở các piezophile gram âm được đặc

trưng, một phức hợp protein màng nhạy cảm với áp suất có mặt để giám sát áp suất

và kích hoạt phiên mã ompH chỉ khi điều kiện áp suất cao đảm bảo.

• Ánh sáng mặt trời là nguồn bức xạ chủ yếu trên trái đất, bao gồm ánh sáng khả kiến (visible light), tia

tử ngoại (ultraviolet), tia hồng ngoại (infraded rays) và sóng radio (vô tuyến điện).

• Bức xạ mặt trời có 60% nằm ở vùng tia hồng ngoại chứ không phải ở vùng ánh sáng khả kiến Tia hồng

ngoại là nguồn nhiệt lượng chủ yếu của trái đất Ở tầm mặt biển chỉ thấy có rất ít bức xạ tử ngoại

290-300nm (nanometre).

• Tia tử ngoại có bước sóng thấp hơn 287nm hấp thụ bởi oxygen trong không khí và tạo ra tầng ozone

• Bởi vì tia tử ngoại rất có hại cho sinh vật nên việc tầng ozone tiêu trừ bớt tia tử ngoại là có tác dụng

rất quan trọng đối với sự sống trên trái đất.

pH

pH là số đo hoạt tính ion hydrogen của một dung dịch và đó là số logarit âm

của nồng độ ion hydrogen (biểu thị bằng 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 sự biến đổi 10 lần về nồng độ ion hydrogen.

Nơi cư trú mà vi sinh vật có thể sinh trưởng là rất rộng, từ pH rất acid

(pH 1-2) đến những hồ hay đất rất kiềm với pH giữa 2 và 10.

Mặc dù một số vi sinh vật có thể phát triển trong điều kiện pH khắc nghiệt (pH <2 hoặc> 10), hầu

hết các vi sinh vật có pH tối ưu từ 5 đến 9 Mỗi loài có một phạm vi phát triển pH được xác định rõ

ràng và tăng trưởng pH tối ưu Trên cơ sở yêu cầu về pH, vi sinh vật có thể được phân loại thành:

• Các vi sinh vật thu nhận hầu như tất cả các chất dinh dưỡng của chúng ở dạng hòa tan từ nước xung

quanh Do đó, chúng cần nước để phát triển, và thành phần của chúng có đến 80–90% là nước.

• Áp suất thẩm thấu cao có tác dụng loại bỏ nước cần thiết từ tế bào.

• Khi tế bào vi sinh vật ở trong dung dịch có nồng độ chất tan cao hơn trong tế bào (môi trường

ưu trương đối với tế bào), nước tế bào đi ra ngoài qua màng sinh chất có nồng độ chất tan cao Sự

mất nước do thẩm thấu này gây ra hiện tượng phân ly hoặc co lại tế bào chất của tế bào Sự mất

nước này của tế bào sẽ tổn hại tới màng tế bào chất, tế bào sẽ mất khả năng trao đổi chất và ngừng

sinh trưởng Điều này liên quan đến việc bảo quản thực phẩm nhờ muối mặn hoặc tẩm đường (làm

mứt, ngâm mật ong ).

• Nếu một vi sinh vật được đưa vào dung dịch có nồng độ thẩm thấu thấp thì nước sẽ xâm nhập vào tế

bào, nếu không có sự khống chế hữu hiệu thì tế bào sẽ bị trương lên và vỡ ra.

• Vi sinh vật ưa mặn (Halophile) hoàn toàn 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 đối với nhóm vi khuẩn ưa mạn cực đoan (extreme

halophilic bacteria) là 2,8-6,2 mol/L (nồng độ muối bão hòa).

• Aerobe: Các vi sinh vật sinh trưởng trong điều kiện có oxygen được gọi là vi sinh vật hiếu khí (aerobe)

• Anaerobe: các vi sinh vật sinh trưởng trong điều kiện không có oxygen được họi là các vi sinh vật kỵ khí

(anaerobe).

• Hầu hết các cơ thể đa bào đều phải cần sinh trưởng trong điều kiện có oxygen, chúng là các sinh vật hiếu khí

bắt buộc (obligate aerobes).

• Các vi sinh vật kỵ khí không bắt buộc (facultative anaerobes) không cần oxygen để sinh trưởng nhưng khi có

oxygen thì sinh trưởng tốt hơn Khi có oxygen chúng sử dụng phương thức hô hấp hiếu khí.

• Các vi sinh vật kỵ khí chịu oxygen (aerotolerant anaerobes) như vi khuẩn Enterococcus faecalis có thể sinh

trưởng như nhau trtong điều kiện có oxygen cũng như không có oxygen Ngược lại khuẩn Bacteroides,

Fusobacterium, Clostridiun pasteurianum, Methanococcus sẽ bị chết khi có oxygen.

Bên cạnh nước, một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với sự phát triển của vi sinh vật là cacbon.

• Carbon là xương sống cấu trúc của vật chất sống; nó cần thiết cho tất cả các hợp chất hữu cơ tạo nên một tế

bào sống.

• Một nửa trọng lượng khô của tế bào vi khuẩn điển hình là carbon.

• Sinh vật dị dưỡng nhận phần lớn carbon từ nguồn năng lượng của chúng — các vật liệu hữu cơ như protein,

• Nitơ: Quá trình tổng hợp DNA và RNA cũng cần nitơ và một số phốt pho, cũng như quá

trình tổng hợp ATP, phân tử rất quan trọng đối với việc lưu trữ và truyền năng lượng

hóa học trong tế bào

• Nitơ chiếm khoảng 14% trọng lượng khô của tế bào vi khuẩn, và lưu huỳnh và phốt

pho cùng chiếm khoảng 4% nữa

• Một số vi khuẩn quan trọng, bao gồm nhiều vi khuẩn lam, sử dụng nitơ thể khí (N2)

trực tiếp từ khí quyển Quá trình này được gọi là quá trình cố định nitơ

• Lưu huỳnh được sử dụng để tổng hợp các axit amin và vitamin có chứa lưu huỳnh như

thiamine và biotin Các nguồn tự nhiên quan trọng của lưu huỳnh bao gồm ion sunfat

(SO42-), hydro sunfua và các axit amin chứa lưu huỳnh

• Phốt pho cần thiết cho quá trình tổng hợp axit nucleic và photpholipit của màng tế bào

Trong số những nơi khác, nó cũng được tìm thấy trong các liên kết năng lượng của

• Vi sinh vật cần một lượng rất nhỏ các thành phần khoáng chất khác, chẳng hạn

như sắt, đồng, molypden và kẽm.

• Hầu hết đều cần thiết cho chức năng của một số enzym.

• Mặc dù các nguyên tố này đôi khi được thêm vào môi trường phòng thí nghiệm,

chúng thường được giả định là có mặt tự nhiên trong nước máy và các thành

phần khác của môi trường.

• Một nhóm các yếu tố tăng trưởng hữu cơ cho VSV là vitamin.

• Hầu hết các vitamin có chức năng như coenzyme, các đồng yếu

tố hữu cơ được một số enzym nhất định yêu cầu để hoạt động.

• Nhiều vi khuẩn có thể tự tổng hợp tất cả các vitamin và không

phụ thuộc vào các nguồn bên ngoài.

• Một số vi khuẩn thiếu các enzym cần thiết để tổng hợp các

vitamin nhất định, và đối với chúng các vitamin đó là các yếu

tố tăng trưởng hữu cơ Một số vi khuẩn lại cần có các yếu tố

tăng trưởng hữu cơ khác như axit amin, purin và pyrimidine.

Kiểm soát sự phát triển của vi

• Diệt khuẩn hay Khử trùng (sterilization): tiêu diệt tất cả vi sinh vật, bào tử,

virus, viroid Để diệt khuẩn có thể dùng các chất diệt khuẩn (sterilant) hoặc

dùng các nhân tố vật lý khác.

• Tiêu độc hay Khử độc (disinfection) là tiêu diệt, ức chế hoặc loại trừ các vi

sinh vật gây bệnh Để tiêu độc cần dùng các chất tiêu độc (disinfectant) Đó

thường là các hóa chất và thường dùng để tiêu độc các vật liệu không phải là

cơ thể người và động thực vật Các chất tiêu độc không diệt được bào tử và

một số vi sinh vật, vì vậy không thể dùng để diệt khuẩn

• Tiêu độc vệ sinh (sanitization): số lượng vi sinh vật giảm xuống tới từ mức an toàn trở

xuống đối với sức khỏe công cộng Các chất tiêu độc vệ sinh (sanitizer) thường được

dùng để làm sạch môi trường và các vật dụng không phải cơ thể người và động thực vật

• Phòng thối (antisepsis) là dùng hóa chất để khống chế vi sinh vật sự sinh trưởng của vi

sinh vật trên các tổ chức sinh vật (các mô) Chất phòng thối (antiseptic) nhiều người gọi

là chất sát trùng là chưa chính xác, dễ nhầm với chất diệt khuẩn (sterilant)

Chất kháng vi sinh vật (antimicrobial agent) được chia thành nhiều loại.

• Chất diệt khuẩn (germicide): gốc La Tinh cide là giết chết, là chất có thể tiêu diệt các

vi sinh vật gây bệnh (pathogens) Như vậy tiếng Việt có hai chữ Chất diệt khuẩn để chỉ

cả germicide lẫn sterilant

• Các chất diệt nấm (fungicide), chất diệt tảo (algicide), chất diệt virus (viricide) để chỉ

các chất tiêu diệt từng đối tượng riêng biệt