Sinh trưởng của quần thể vi sinh vật trong nuôi cấy không liên tục

Nuôi cấy tĩnh (nuôi cấy không liên tục) là phương pháp nuôi cấy mà trong suốt thời gian đó ta không thêm vào chất dinh dưỡng cũng không loại bỏ đi các sản phẩm cuối cùng của trao  đổi chất (quần thể tế bào bị giới hạn trong một khoảng không gian nhất định). Sự sinh trưởng trong một “hệ thống đóng” hay “hệ kín” như vậy tuân theo những quy luật bắt buộc không những đối với các cơ thể đơn bào mà cả đối với các cơ thể đa bào.

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của logarid số lượng tế bào theo thời gian gọi là đường cong sinh trưởng (hình 4.1).

Quá trình sinh trưởng của tế bào vi sinh vật trong hệ kín trải qua các giai đoạn :

1. Pha lag (pha mở đầu = pha tiềm tàng)

Pha này tính từ lúc bắt đầu nuôi cấy đến khi vi khuẩn đạt được tốc độ sinh trưởng cực đại. Trong pha lag vi khuẩn chưa phân chia (nghĩa là chưa có khả năng sinh sản) nhưng thể tích và khối lượng tế bào tăng lên rõ rệt do quá trình tổng hợp các chất, trước hết là các cao phân tử (protein, enzyme, acid nucleic...) diễn ra mạnh mẽ.

Độ dài của pha lag phụ thuộc trước hết vào tuổi của ống giống và thành phần môi trường. Thông thường tế bào càng già thì pha lag càng dài. Rõ ràng nguyên nhân của pha lag là sự khác biệt giữa các tế bào ở pha ổn định (hoặc bào tử) với các tế bào đang sinh trưởng logarid. Trong pha lag diễn ra việc xây dựng lại các tế bào nghỉ thành các tế bào sinh trưởng logarid (hoặc sinh trưởng theo lũy thừa).  

Khi chuyển các tế bào đang sinh trưởng logarid vào môi trường mới khác với môi trường trước đó ta vẫn thấy có sự xuất hiện pha lag. Nguyên nhân của pha lag trong trường hợp này chính là sự thích ứng của vi khuẩn với điều kiện nuôi cấy mới; sự thích ứng đó có liên quan đến việc tổng hợp các enzyme mới mà trước đây tế bào chưa cần. Các enzyme mới này được tổng hợp nhờ sự cảm ứng của các cơ chất mới.

Ví dụ: Nếu chuyển các tế bào  đang sinh trưởng logarid từ môi trường khoáng - glucose sang môi trường khoáng - maltose ta sẽ thấy xuất hiện pha lag, đây là thời gian cần cho việc hình thành enzyme maltase (α- glucozidase). 

2. Pha logarid (pha log)

Trong pha này vi khuẩn sinh trưởng và phát triển theo lũy thừa, nghĩa là sinh khối và số lượng tế bào tăng theo phương trình:

       N = No.2^ct

      hay       X= Xo.e^ut

 

Kích thước của tế bào, thành phần hóa 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”.

3. Pha ổn định (pha cân bằng)

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. Kết quả là số tế bào sống không tăng cũng không giảm. Tốc độ sinh trưởng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất. Cho nên khi giảm nồng độ cơ chất (trước khi cơ chất bị cạn hoàn toàn) tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn cũng giảm. Do đó việc chuyển từ pha log sang pha ổn định diễn ra dần dần.

Nguyên nhân tồn tại của pha ổn định rõ ràng là do sự tích lũy sản phẩm độc của trao đổi cơ chất (các loại rượu, acid hữu cơ) và việc cạn chất dinh dưỡng (thường là chất dinh dưỡng có nồng  độ thấp nhất).

Nguyên nhân thứ nhất rất phức tạp và khó phân tích, nguyên nhân thứ hai đã được nghiên cứu kĩ hơn.

4. Pha suy vong   

Trong pha này số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo lũy thừa (mặc dù số lượng tế bào tổng cộng có thể không giảm). Đôi khi các tế bào bị tự phân nhờ các enzyme của bản thân. Ở các vi khuẩn sinh bào tử quá trình phức tạp hơn do sự hình thành bào tử.

Thực ra chưa có một qui luật chung cho pha tử vong. Sự chết của tế bào có thể nhanh hay chậm, có liên quan  đến sự tự phân hay không tự phân. Do sức sống lớn bào tử bị chết chậm nhất (trong những điều kiện thích hợp như khô và nhiệt độ thấp bào tử có thể có khả năng sống vài trăm năm). Nguyên nhân của pha tử vong chưa thật rõ ràng, nhưng có liên quan đến điều kiện bất lợi của môi trường. Trong trường hợp môi trường tích lũy các acid nguyên nhân của sự chết tế bào tương đối dễ hiểu. Nồng độ chất dinh dưỡng thấp dưới mức cần thiết cho hậu quả làm giảm hoạt tính trao đổi chất, phân hủy dần dần các chất dự trữ và cuối cùng dẫn đến sự chết của hàng loạt tế bào. Ngoài đặc tính của bản thân chủng vi khuẩn, tính chất của các sản phẩm trao đổi chất tích lũy lại cũng ảnh hưởng đến tiến trình của pha tử vong.

Một số enzyme thể hiện hoạt tính xúc tác cực đại trong pha tử vong như deaminase, decarboxylase, các amylase và protease ngoại bào. Ngoài chức phận xúc tác một số quá trình tổng hợp những enzyme nói trên chủ yếu xúc tác cho quá trình phân giải.

Tốc độ tử vong của tế bào có liên quan trực tiếp đến thực tiễn vi sinh vật học và kĩ thuật, đó là vấn đề bảo quản các chủng vi sinh vật quan trọng về mặt lí thuyết (các chủng và các biến chủng đặc biệt) và kĩ thuật (các chủng sinh chất kháng sinh, amino acid, vitamin... với sản lượng cao). Ngoài khả năng sống ta còn cần bảo quản cả các đặc tính di truyền của vi khuẩn với nhiều phương pháp bảo quản khác nhau, nhưng tất cả đều nhằm làm giảm trao đổi chất đến tối thiểu chủ yếu bằng cách giảm nhiệt độ và độ ẩm