Báo cáo Nghiên cứu và thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn

Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 1 Mở đầu 1. Đặt vấn đề Đã từ xa x−a, mặc dù ch−a nhận thức đ−ợc sự tồn tại của vi khuẩn, nh−ng loài ng−ời cũng đã biết đ−ợc khá nhiều về tác dụng do vi khuẩn gây nên. Đến nay trong quá trình sản xuất và trong cuộc sống, loài ng−ời đã tích lũy đ−ợc rất nhiều kinh nghiệm quý báu về các biện pháp ứng dụng những vi khuẩn có ích và phòng tránh những vi khuẩn có hại. Vi khuẩn có kích th−ớc nhỏ bé và có cấu trúc cơ thể t−ơng đối đơn giản nh−ng chúng có tốc độ sinh sôi nảy nở rất nhanh chóng và hoạt động trao đổi chất vô cùng mạnh mẽ. Vi khuẩn có khả năng góp phần phân giải hầu hết các loại chất trên Trái Đất, kể cả các chất rất khó phân giải, hoặc các chất th−ờng gây độc hại đến các nhóm sinh vật khác. Bên cạnh khả năng phân giải vi khuẩn còn có khả năng tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ phức tạp trong điều kiện nhiệt độ, áp suất bình th−ờng. Ngoài những tác dụng to lớn của vi khuẩn thì chúng ta cũng không thể không kể đến không ít những vi khuẩn có hại, chúng gây bệnh cho ng−ời, cho gia súc, gia cầm, tôm cá, cho cây trồng, cây rừng, chúng làm h− hại hoặc biến chất l−ơng thực, thực phẩm, nguyên vật liệu, hàng hóa. Chúng sản sinh ra các độc tố trong đó có những độc tố hết sức độc hại. Trong Y học cũng nh− trong chăn nuôi, trồng trọt một trong những vấn đề lớn đó là có thể phòng chống đ−ợc các bệnh truyền nhiễm và các ph−ơng pháp đề phòng dịch bệnh có thể lây nhiễm từ súc vật sang ng−ời, từ ng−ời sang ng−ời... Trong xu thế áp dụng rộng rãi Điện tử, Tin học vào cuộc sống, hầu hết các thiết bị hiện nay có sử dụng Điện tử đã và đang đ−ợc hoàn thiện nhằm nâng cao chất l−ợng cuộc sống. Đặc biệt là trong Y học và trong chăn nuôi, để có thể nuôi cấy và duy trì sự sống của những vi khuẩn nhằm nghiên cứu phục vụ cho cuộc sống và sản xuất, đặc biệt là phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học nhằm phát hiện ra những vi khuẩn có ích khác và những vi khuẩn có hại Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 2 mới để có thể khống chế đ−ợc chúng, sử dụng chúng vào những việc có lợi cho con ng−ời. Khi đó, tủ nuôi cấy vi khuẩn có sử dụng mạch điện tử vào điều khiển đã ra đời nhằm duy trì sự sống cho vi khuẩn và nuôi cấy chúng ở nhiệt độ và thời gian nhất định nào đó. Mặc dù trên thế giới hiện nay có khá nhiều chủng loại thiết bị nuôi cấy hiện đại, công suất lớn. Song một phần nào đó không hoàn toàn phù hợp với điều kiện ở Việt Nam. Do đó, để đáp ứng phần nào đó những nhu cầu trên cùng với sự nắm bắt đ−ợc những tiến bộ của khoa học kỹ thuật đặc biệt là điện tử đã và đang đ−ợc ứng dụng mạnh mẽ vào cuộc sống và sản xuất chúng tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn”. Trong quá trình thực hiện đề tài chúng tôi tiến hành nghiên cứu và khảo sát các loại tủ nuôi cấy trong bệnh viện Bạch Mai, khảo sát sự biến đổi của nhiệt độ và thời gian trong quá trình nuôi cấy. Từ kết quả đó chúng tôi tiến hành xây dựng mô hình và lắp ráp trên thực tế. Với những kết quả đã đạt đ−ợc, khẳng định hệ thống điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy do chúng tôi thiết kế là hoàn toàn có tính khả thi trong điều kiện n−ớc ta hiện nay. 2. Mục đích của đề tài Trên cơ sở những kiến thức đã học đ−ợc trong nhà tr−ờng và những kiến thức thực tế tiếp thu đ−ợc trong quá trình thực tập chúng tôi mạnh dạn đề xuất, thiết kế mạch tự động điều chỉnh nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn và lắp ráp mạnh tự động điều chỉnh nhiệt độ. Mạch này có thể dùng để thay thế các mạch điều chỉnh nhiệt độ trong các tủ gặp sự cố cần sửa chữa để không làm gián đoạn thời gian nghiên cứu của các nhà vi sinh vật. Đặc biệt, mạch này cũng có thể dùng để lắp mới. 3. Nội dung của đề tài Tìm hiểu khái quát về đặc điểm và các điều kiện sống của vi khuẩn, các tác động của môi tr−ờng đối với điều kiện phát triển của vi khuẩn. Trình bày nguyên tắc chung của mạch điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 3 Giới thiệu một số sơ đồ điều khiển thực tế đang đ−ợc sử dụng và những phụ kiện quan trọng đối với mạch điều khiển nhiệt độ. Tính toán và thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn. 4. Ph−ơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu theo ph−ơng pháp lý thuyết - Nghiên cứu theo ph−ơng pháp ứng dụng - Nghiên cứu theo ph−ơng pháp chuyên gia Ch−ơng 1 Tìm hiểu đặc điểm, điều kiện sinh sống của vi khuẩn và tác động của môi tr−ờng đối với sự phát triển của vi khuẩn Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 4 1.1. Khái niệm chung Xung quanh ta ngoài các sinh vật lớn mà chúng ta có thể nhìn thấy đ−ợc còn có vô vàn các sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải dùng kính hiển vi. Ng−ời ta gọi chúng là vi khuẩn. Vi khuẩn sống ở khắp mọi nơi trên Trái Đất: từ đỉnh núi cao cho đến tận đáy biển sâu, trong không khí, trong đất, trong hầm mỏ, trong sông ngòi, ao hồ, trên da, trong từng bộ phận của cơ thể ng−ời, động vật, thực vật, trong các sản phẩm l−ơng thực, thực phẩm, vật liệu, hàng hóa... ngay cả ở trong những nơi mà điều kiện sống t−ởng chừng nh− hết sức phức tạp và khắc nhiệt nhất mà vẫn thấy có sự phát triển của vi khuẩn. Chẳng hạn nh− vi khuẩn Pseudomonas bathycetes chúng có thể sống đ−ợc d−ới đáy đại d−ơng, nơi mà có áp suất lên tới 1000 atm và nhiệt độ th−ờng xuyên chỉ vào khoảng 30C. Vi khuẩn Sulfolobus acidorcaldrius phát triển một cách bình th−ờng trong nhiệt độ khoảng từ 85 – 900C. Vi khuẩn Thiobacillus ferroxidans phát triển trong các dung dịch ở mỏ sắt có độ pH = 1 - 2. Vi khuẩn Streptococcus faecalis lại có thể phát triển tốt ở môi tr−ờng có độ PH = 10 - 11. Vi khuẩn −a mặn thuộc các chi Halobacterium, Halococcus phát triển đ−ợc trong các dung dịch bão hòa muối (32% NaCl). Có cả những vi khuẩn có khả năng đồng hóa dầu mỏ, phenol, khí thiên nhiên... Ng−ời ta đã làm thí nghiệm và tính toán đ−ợc rằng trong 1gam đất lấy ở tầng canh tác th−ờng có khoảng từ 1 - 22 tỉ con vi khuẩn, 0.5 - 14 triệu xạ khuẩn, 3 - 50 triệu vi nấm, 10 - 30 nghìn vi tảo... và trong 1m3 không khí ở phía trên chuồng gia súc th−ờng có từ 1 - 2 triệu vi sinh vật, trên đ−ờng phố có khoảng 5000 vi sinh vật sinh sống, nh−ng đặc biệt trên mặt biển chỉ có khoảng từ 1 - 2 vi sinh vật sinh sống mà thôi. Đặc biệt là kể từ đầu thập kỷ 70 của thế kỷ XX ng−ời ta đã bắt đầu thực hiện thành công thao tác di truyền ở vi khuẩn. Đó là việc chuyển một gen hay một nhóm gen từ một vi khuẩn hay một tế bào các vi khuẩn bậc cao (nh− Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 5 ng−ời, động vật, thực vật) sang tế bào của vi khuẩn khác. Vi khuẩn mang gen tái tổ hợp nhiều khi đã mang lại những lợi ích rất to lớn bởi vì có thể sản sinh ở quy mô công nghiệp những sản phẩm tr−ớc đây ch−a đ−ợc tạo thành bởi vi khuẩn. 1.2. Đặc điểm chung của vi khuẩn 1.2.1. Kích th−ớc nhỏ bé Mắt con ng−ời khó thấy đ−ợc rõ những vật có kích th−ớc nhỏ khoảng 1mm. Vậy mà vi khuẩn th−ờng đ−ợc đo bằng micromet. Chính vì vi khuẩn có kích th−ớc nhỏ bé cho nên diện tích bề mặt của vi khuẩn hết sức lớn. Chẳng hạn nh− số l−ợng cầu khuẩn chiếm thể tích 1cm3 có diện tích bề mặt là 6m2. 1.2.2. Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh Vi khuẩn tuy có kích th−ớc nhỏ bé nhất trong sinh giới nh−ng năng l−ợng hấp thu và chuyển hóa của chúng có thể v−ợt xa các sinh vật bậc cao. Chẳng hạn nh− vi khuẩn Lactic trong 1 giờ có thể phân giải một l−ợng đ−ờng Lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối l−ợng của chúng. Nếu tính số lμ O2 mà mỗi mg chất khô của cơ thể vi khuẩn tiêu hao trong một giờ thì ở mô lá hoặc mô rễ thực vật là 0.5 - 4, ở tổ chức gan và thận động vật là 10 - 20, ở vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas là 1200, ở vi khuẩn thuộc chi Azotobacter là 2000. Năng lực chuyển hóa sinh hóa mạnh mẽ của vi sinh vật dẫn đến những tác dụng lớn lao của chúng trong thiên nhiên cũng nh− trong các hoạt động sống của con ng−ời. 1.2.3. Sinh tr−ởng nhanh, phát triển mạnh So với các sinh vật khác thì vi sinh vật nói chung và vi khuẩn nói riêng có tốc độ sinh tr−ởng và sinh sôi nảy nở cực lớn. Chẳng hạn nh− vi khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp thì cứ khoảng 12 - 20 phút lại phân chia một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân chia 3 lần, 24 giờ phân chia 72 lần, từ một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 5ì1021 tế bào t−ơng đ−ơng với khoảng 4722 tấn. Tuy nhiên trong thực tế không thể tạo ra đ−ợc các điều kiện sinh tr−ởng lý t−ởng nh− vậy đ−ợc cho nên số l−ợng vi Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 6 khuẩn thu đ−ợc trong 1ml dịch nuôi cấy th−ờng chỉ đạt tới mức độ 108 - 109 tế bào. 1.2.4. Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị Năng lực thích ứng của vi khuẩn v−ợt rất xa so với động vật và thực vật. Trong quá trình tiến hóa lâu dài vi khuẩn đã tạo cho mình những cơ chế điều hòa trao đổi chất để thích ứng đ−ợc những điều kiện sống rất bất lợi. Sự thích ứng của vi khuẩn nhiều khi v−ợt xa trí t−ởng t−ợng của con ng−ời. Phần lớn vi khuẩn có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-1960C), thậm chí ở nhiệt độ của hidrô lỏng (-2530C), một số vi khuẩn có thể sinh tr−ởng ở nhiệt độ 2500C, thậm chí 3000C. Một số vi khuẩn có thể thích nghi với nồng độ 32% NaCl. Vi khuẩn Thiobaccillus thioxidans có thể sinh tr−ởng ở pH = 0.5 trong khi vi khuẩn Thiobacillus denitrificans lại thích hợp với điều kiện phát triển ở pH = 10,7. Vi khuẩn Micrococus radidurans có thể chịu đ−ợc c−ờng độ bức xạ tới 750.000 rad. Vi khuẩn rất dễ phát sinh biến dị bởi vì th−ờng là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số l−ợng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi tr−ờng sống. Tần số biến dị th−ờng là 10- 5- 10-10. 1.2.5. Phân bố rộng, chủng loại nhiều Vi khuẩn phân bố ở khắp mọi nơi trên Trái Đất. Chúng có mặt trên cơ thể ng−ời, động vật, thực vật, trong đất, trong n−ớc, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi cho đến núi cao, từ n−ớc ngầm cho đến n−ớc biển... Trong đ−ờng ruột của ng−ời số l−ợng vi khuẩn Bacteroides fragilis cao nhất chúng đạt tới số l−ợng 1010 - 1011/g phân, gấp 100 - 1000 lần số l−ợng vi khuẩn Escherichia coli. ở độ sâu 10000m của Đông Thái Bình D−ơng nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo và có áp suất rất cao ng−ời ta phát hiện thấy có khoảng 1 triệu đến 10 tỉ vi khuẩn/ml chủ yếu là vi khuẩn l−u huỳnh. 1.3. Điều kiện sinh sống của vi khuẩn Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 7 Điều kiện sinh sống của vi khuẩn ở đây là các chất dinh d−ỡng và nguồn thức ăn của chúng. 1.3.1. Thành phần tế bào và các chất dinh d−ỡng của vi khuẩn Các chất dinh d−ỡng đối với vi khuẩn là bất kỳ chất nào đ−ợc vi khuẩn hấp thụ từ môi tr−ờng xung quanh và đ−ợc chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho các quá trình tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho quá trình trao đổi năng l−ợng. Quá trình hấp thụ các chất dinh d−ỡng để thỏa mãn mọi nhu cầu sinh tr−ởng và phát triển của vi khuẩn. Không phải mọi thành phần của môi tr−ờng nuôi cấy vi khuẩn đều đ−ợc coi là chất dinh d−ỡng. Một số chất rắn cần thiết cho vi khuẩn nh−ng chỉ làm nhiệm vụ bảo đảm các điều kiện thích hợp về thế oxy hóa - khử, về pH, về áp suất thẩm thấu, về cân bằng ion... Chất dinh d−ỡng phải là những hợp chất có tham gia vào các quá trình trao đổi chất nội bào. Thành phần hóa học của tế bào vi khuẩn quyết định nhu cầu dinh d−ỡng của chúng. Thành phần hóa học cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên tố khoáng đa l−ợng và các nguyên tố khoáng vi l−ợng. Chỉ riêng các nguyên tố C, H, O, N, P, S, K, Na đã chiếm đến 98% khối l−ợng khô của tế bào vi khuẩn E.coli. L−ợng chứa các nguyên tố ở các vi khuẩn khác nhau là không giống nhau. ở các điều kiện nuôi cấy khác nhau, các giai đoạn khác nhau, l−ợng chứa các nguyên tố cùng loài vi khuẩn cũng không giống nhau. Trong tế bào vi khuẩn các hợp chất đ−ợc chia thành: n−ớc và các muối khoáng, các chất hữu cơ. + N−ớc và muối khoáng N−ớc chiếm đến 70 - 90% khối l−ợng cơ thể của vi khuẩn. Tất cả các phản ứng xảy ra trong tế bào của vi khuẩn đều đòi hỏi có sự tồn tại của n−ớc. Yêu cầu của vi khuẩn đối với n−ớc đ−ợc biểu thị một cách định l−ợng bằng độ hoạt động của n−ớc (ký hiệu là aw) trong môi tr−ờng. Độ hoạt động của n−ớc còn đ−ợc gọi là thế năng của n−ớc (ký hiệu là pw): Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 8 0p paw = Trong đó p là áp lực hơi của dung dịch, p0 là áp lực hơi n−ớc. Chẳng hạn nh− n−ớc nguyên chất có aw = 1, n−ớc biển có aw = 0.980, máu ng−ời có aw= 0.995. Phần n−ớc có thể tham gia vào các quá trình trao đổi chất của vi khuẩn đ−ợc gọi là n−ớc tự do. Đa phần n−ớc trong tế bào vi khuẩn tồn tại ở dạng n−ớc tự do. N−ớc kết hợp là phần n−ớc liên kết với các hợp chất hữu cơ cao phân tử trong tế bào (protein, lipit, hidrat cacbon...). N−ớc liên kết mất khả năng hòa tan và l−u động. Muối khoáng chiếm khoảng 2 - 5% khối l−ợng khô của tế bào. Chúng th−ờng tồn tại d−ới dạng các muối sunphat, photphat, cacbonat, clorua... Trong tế bào chúng th−ờng ở dạng các ion. Dạng cation chẳng hạn nh− Mg2+, Ca2+, K+, Na+... Dạng anion chẳng hạn nh− HPO4 2-, SO4 2-, HCO3 -, Cl-... Các ion trong tế bào vi khuẩn luôn tồn tại ở những tỉ lệ nhất định nhằm duy trì độ pH và lực thẩm thấu thích hợp cho từng loại vi khuẩn. + Chất hữu cơ Chất hữu cơ trong tế bào vi khuẩn chủ yếu cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, P, S... Riêng 4 nguyên tố C, H, O, N đã chiếm tới 90 - 97% toàn bộ chất khô của tế bào. Đó là các nguyên tố chủ chốt để cấu tạo nên protein, axit nucleic, lipit, hidrat cacbon. Trong tế bào vi khuẩn các hợp chất đại phân tử th−ờng chiếm tới 96% khối l−ợng khô, các chất đơn phân tử chỉ chiếm có 3.5% còn các ion vô cơ chỉ chiếm có 1%. D−ới đây là bảng tổng kết thành phần hóa học của một tế bào vi khuẩn do nhà khoa học F.C.Neidhardt tổng kết năm 1987. Bảng 1.1 Phân tử % Khối l−ợng Số phân tử/ tế bào Số loại phân tử Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 9 khô (1) N−ớc - 1 Tổng số các đại phân tử 96 24.609.802 khoảng 2500 Protein 55 2.350.000 khoảng 1850 Polisaccarit 5 4.300 2 (2) Lipit 9.1 22.000.000 4 (3) AND 3.1 2.1 1 ARN 20.5 255.500 khoảng 660 Tổng số các đơn phân tử 3.5 khoảng 350 Axit amin và tiền thể 0.5 khoảng 100 Đ−ờng và tiền thể 2 khoảng 50 Nucleotit và tiền thể 0.5 khoảng 200 Các ion vô vơ 1 18 Tổng cộng 100 Trong đó: (1) là khối l−ợng khô của 1 tế bào vi khuẩn E.coli đang sinh tr−ởng mạnh là 13108.2 −ì g; (2) là Pepidoglican và glicogen; (3) là 4 loại photpholipit, mỗi loại có nhiều nhóm khác nhau phụ thuộc vào thành phần axit béo. 1.3.2. Nguồn thức ăn cacbon của vi khuẩn Đối với vi khuẩn nguồn cacbon đ−ợc cung cấp có thể là chất vô cơ (CO2, NaHCO3, CaCO3...) hoặc chất hữu cơ. Giá trị dinh d−ỡng và khả năng hấp thụ các nguồn thức ăn cacbon khác nhau phụ thuộc vào 2 yếu tố: một là thành phần hóa học và tính chất sinh lí của nguồn thức ăn này, hai là đặc điểm sinh lí của từng loại vi khuẩn. Ng−ời ta th−ờng sử dụng đ−ờng để làm thức ăn cacbon khi nuôi cấy phần lớn các vi khuẩn dị d−ỡng. Cần chú ý đ−ờng đơn ở nhiệt độ cao có thể bị chuyển hóa thành loại hợp chất có màu tối gọi là đ−ờng cháy rất khó hấp thụ. Trong môi tr−ờng kiềm sau khi khử trùng đ−ờng còn dễ bị axit hóa và làm biến đổi pH môi tr−ờng. Để tránh các hiện t−ợng này khi khử trùng môi tr−ờng chứa đ−ờng ng−ời ta th−ờng chỉ hấp ở áp lực 0.5 atm (112.50C) và duy trì trong 30 phút. Với các loại đ−ờng đơn tốt nhất là nên sử dụng ph−ơng pháp hấp gián Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 10 đoạn hoặc lọc riêng dung dịch đ−ờng (th−ờng dùng nồng độ 20%) bằng nến lọc hoặc màng lọc vi khuẩn sau đó mới dùng thao tác vô trùng để bổ sung vào các môi tr−ờng đã khử trùng. Khi chế tạo các môi tr−ờng chứa tinh bột tr−ớc hết phải hồ hóa tinh bột ở nhiệt độ 60 - 700C sau đó đun sôi rồi mới đ−a đi khử trùng ở nồi hấp áp lực Xenlulozơ đ−ợc đ−a vào các môi tr−ờng nuôi cấy, vi khuẩn phân giải Xenlulozơ d−ới dạng giấy lọc, bông hoặc các loại bột Xenlulozơ. Khi sử dụng lipit, parafin, dầu mỏ... Để làm nguồn cacbon nuôi cấy một số loại vi khuẩn phải thông khí mạnh để cho từng giọt nhỏ có thể tiếp xúc đ−ợc với thành tế bào từng vi khuẩn. Để nuôi cấy các loại vi khuẩn ng−ời ta th−ờng dùng nồng độ đ−ờng là 0.5 - 0.2%. Hầu hết các vi khuẩn chỉ đồng hóa đ−ợc các loại đ−ờng ở dạng đồng phân D. Các chất hữu cơ chứa cả C và N (pepton, n−ớc thịt, n−ớc chiết ngô, n−ớc chiết đại mạch, n−ớc chiết giá đậu... ) có thể sử dụng vừa làm nguồn C vừa làm nguồn N đối với vi khuẩn. Phạm vi đồng hóa các nguồn thức ăn cacbon của từng loài vi khuẩn cụ thể rất khác nhau: có thực nghiệm cho thấy loài vi khuẩn Pseudomonas cepacia có thể đồng hóa trên 90 loại nguồn thức ăn cacbon khác nhau, trong khi đó các vi khuẩn sinh metan chỉ có thể đồng hóa đ−ợc CO2 và vài loại hợp chất chứa 1C hoặc 2C. Với vi khuẩn dị d−ỡng nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng: nguồn dinh d−ỡng và nguồn năng l−ợng. Nhất là các vi khuẩn gây bệnh sống trong máu, trong các tổ chức hoặc trong ruột của ng−ời và động vật muốn sinh tr−ởng đ−ợc ngoài nguồn cacbon hữu cơ còn cần phải đ−ợc cung cấp một l−ợng nhỏ CO2 thì mới phát triển đ−ợc. 1.3.3. Nguồn thức ăn nitơ của vi khuẩn Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 11 Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi khuẩn là NH3 và NH + 4. Nhiều khi để nuôi cấy vi khuẩn bằng nguồn nitơ là Urê ng−ời ta phải bổ sung thêm muối amon (nh− amon sunphat chẳng hạn). Sở dĩ nh− vậy là bởi vì có thức ăn nitơ dễ hấp thụ cho vi khuẩn phát triển đã thì mới có thể sản sinh ra đ−ợc Ureaza để thủy phân Urê. Cũng có loại vi khuẩn sở dĩ không phát triển đ−ợc trên môi tr−ờng chỉ có nguồn thức ăn nitơ là muối amon không phải là không đồng hóa đ−ợc muối này mà là do chúng đòi hỏi phải đ−ợc cung cấp thêm một vài loại axit amin không thay thế nào đó. Vi khuẩn có khả năng đồng hóa rất tốt nitơ chứa trong các thức ăn hữu cơ. Các thức ăn này sẽ vừa là nguồn cacbon vừa là nguồn nitơ cung cấp cho vi khuẩn. Nguồn nitơ hữu cơ th−ờng đ−ợc sử dụng để nuôi cấy vi khuẩn là Pepton loại chế phẩm thủy phân không triệt để của một nguồn protein nào đấy. Đối với đa số vi khuẩn ng−ời ta th−ờng nuôi cấy có những thành phần sau: pepton (5g), cao thịt (3g), NaCl (8g), n−ớc cất (1000ml). Nếu làm môi tr−ờng đặc thì bổ sung thêm 15 - 20g thạch. 1.3.4. Nguồn thức ăn khoáng của vi khuẩn Khi sử dụng các môi tr−ờng thiên nhiên để nuôi cấy vi khuẩn ng−ời ta th−ờng không cần thiết bổ sung các nguyên tố khoáng. Trong nguyên liệu dùng làm các môi tr−ờng này (khoai tây, n−ớc thịt, sữa, huyết thanh, pepton, giá đậu...) th−ờng có chứa đủ các nguyên tố khoáng cần thiết đối với vi khuẩn. Ng−ợc lại khi làm các môi tr−ờng tổng hợp (dùng nguyên liệu hóa chất) bắt buộc phải bổ sung đủ các nguyên tố khoáng cần thiết. Những nguyên tố mà vi khuẩn đòi hỏi phải đ−ợc cung cấp với liều l−ợng lớn gọi là các nguyên tố đa l−ợng. Còn các nguyên tố khoáng mà vi khuẩn chỉ đòi hỏi với những liều l−ợng rất nhỏ gọi là các nguyên tố vi l−ợng. Nồng độ cần thiết của từng nguyên tố vi l−ợng trong môi tr−ờng th−ờng chỉ vào khoảng 10-6 - 10-8 M. Hàm l−ợng các chất khoáng chứa trong nguyên Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 12 sinh chất vi khuẩn th−ờng thay đổi tùy loại, tùy giai đoạn phát triển và tùy điều kiện nuôi cấy. Thành phần khoáng của tế bào vi khuẩn khác nhau th−ờng là chênh lệch nhau rất nhiều. Chẳng hạn nh− theo nghiên cứu của Mesrobiana và Peunesko năm 1963 cho biết thành phần khoáng ở một số vi khuẩn gây bệnh là (% chất khoáng): P2O5 4.93-74. 8 Na2O 0.2-28.08 K2O 2.4-39.8 Cl 0.03-43.69 SO3 0.5-28.8 MgO 0.12-12.0 CaO 0.3-14.0 1.4. Tác động của môi tr−ờng đối với điều kiện phát triển của vi khuẩn Sinh tr−ởng, phát triển và trao đổi chất của vi khuẩn liên quan chặt chẽ với các điều kiện của môi tr−ờng. Các điều kiện này bao gồm hàng loạt các yếu tố khác nhau, tác động qua lại với nhau. Đa số các yếu tố đó đều có một đặc tính tác dụng chung biểu hiện ở ba điểm hoạt động: cực tiểu, tối thích và cực đại. Hình 1.4a. Đồ thị biểu diễn tác dụng của môi tr−ờng lên vi khuẩn Với tác dụng tối thiểu của yếu tố môi tr−ờng vi khuẩn bắt đầu sinh tr−ởng và mở đầu các quá trình trao đổi chất, với tác dụng tối thích vi khuẩn sinh tr−ởng, với tốc độ cực đại và biểu hiện hoạt tính trao đổi chất, trao đổi năng l−ợng lớn nhất, với tác dụng cực đại vi khuẩn ngừng sinh tr−ởng và th−ờng bị chết. Tác động của môi tr−ờng lên vi khuẩn có thể là thuận lợi hoặc bất lợi. Tác động bất lợi sẽ dẫn đến tác dụng ức khuẩn hoặc diệt khuẩn. Do tác dụng Tối thích Cực đại Cực tiểu C−ờng độ tác dụng của môi tr−ờng C −ờ ng đ ộ ho ạt đ ộn g số ng Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 13 ức khuẩn của yếu tố môi tr−ờng, tế bào ngừng phân chia, nếu loại bỏ yếu tố này khỏi môi tr−ờng vi khuẩn lại tiếp tục sinh tr−ởng và phát triển. Khi có mặt chất diệt khuẩn, vi khuẩn ngừng sinh tr−ởng, phát triển và chết nhanh chóng. Sự chết của tế bào th−ờng không xảy ra ngay một lúc trong quần thể mà diễn ra dần dần, có thể biểu diễn bằng đ−ờng cong tử vong logarit d−ới đây (Hình 1.4b, 1.4c). Hình 1.4b Hình 1.4c Tác dụng ức khuẩn và diệt Tốc độ chết của vi khuẩn tùy theo khuẩn của yếu tố môi tr−ờng thời gian tác dụng của diệt khuẩn Một số yếu tố, chủ yếu là các hóa chất, có thể tác dụng ức khuẩn hoặc diệt khuẩn tùy theo nồng độ. Tác dụng kháng khuẩn của các yếu tố môi tr−ờng chịu ảnh h−ởng của một số điều kiện nh− tính chất và c−ờng độ tác dụng của bản thân yếu tố, đặc tính của vi khuẩn và tính chất của môi tr−ờng. 1.4.1. Cơ chế tác dụng của các yếu tố môi tr−ờng lên vi khuẩn Các yếu tố môi tr−ờng bên ngoài tác dụng lên tế bào thuộc ba loại: Yếu tố vật lý (độ ẩm, nhiệt độ, tia bức xạ...), yếu tố hóa học (pH môi tr−ờng, thể oxi hóa khử, các chất diệt khuẩn) và các yếu tố sinh học (chất kháng sinh). Dù là yếu tố nào nh−ng khi tác dụng bất lợi lên tế bào thì th−ờng gây tổn hại đến các cấu trúc quan Sinh tr−ởng bình th−ờng ức khuẩn Diệt khuẩn Thời gian tác dụng của yếu tố LogN 0 5 10 15 20 50 100 80% 80% 80% V i k hu ẩn s ốn g só t ( % ) Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 14 trọng cho sự sống của tế bào. Những tổn hại đó dẫn đến phá hủy chức phận hoạt động của các cấu trúc và làm tế bào chết. Chừng nào tế bào có thể sống sót chính là do chúng đã thích ứng với yếu tố đã cho bằng những thay đổi về sinh lý hoặc di truyền. Những tác dụng có hại của các yếu tố bên ngoài tế bào vi khuẩn thể hiện ở những biến đổi sau: + Phá hủy thành tế bào. + Biến đổi tính thấm của màng tế bào chất: một số chất không nhất thiết phải xâm nhập tế bào. Nh−ng vẫn gây tác dụng kháng khuẩn. + Thay đổi đặc tính keo của nguyên sinh chất: các yếu tố vật lý hay hóa học đều có thể gây nên tác dụng này. + Kìm hãm hoạt tính. + Hủy hoại các quá trình tổng hợp. 1.4.2. Tác động của các yếu tố vật lý + Độ ẩm: hầu hết các quá trình sống của vi khuẩn có liên quan đến n−ớc do đó độ ẩm là yếu tố quan trọng của môi tr−ờng. Đa số vi khuẩn thuộc các sinh vật −a n−ớc nghĩa là chúng cần n−ớc ở dạng tự do, dễ hấp thụ. + Nhiệt độ: hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn có thể coi là kết quả của các phản ứng hóa học. Vì các phản ứng này phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ nên yếu tố nhiệt độ rõ ràng ảnh h−ởng sâu sắc đến các quá trình sống của tế bào. Tế bào thu đ−ợc nhiệt chủ yếu từ môi tr−ờng bên ngoài, một phần cũng do cơ thể thải ra do kết quả của hoạt động trao đổi chất. Hoạt động của vi khuẩn bị giới hạn trong môi tr−ờng chứa n−ớc ở dạng có thể hấp thụ. Vùng này của n−ớc nằm ở 20 đến khoảng 1000 gọi là vùng sinh động học. Hầu hết tế bào sinh d−ỡng của vi khuẩn chết ở nhiệt độ cao do protein bị biến tính. Vi khuẩn chết ở nhiệt độ cao cũng có thể còn là hậu quả của không hoạt hóa ARN và sự phá hoại màng tế bào chất. ở nhiệt độ thấp có thể làm ngừng quá trình vận chuyển các chất hòa tan qua màng tế bào chất do thay đổi hình không gian của một số permeaza chứa Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 15 trong màng hoặc ảnh h−ởng đến việc hình thành và tiêu thụ ATP cần cho quá trình vận chuyển chủ động các chất dinh d−ỡng. Vi khuẩn th−ờng chịu đựng đ−ợc nhiệt độ thấp. ở nhiệt độ d−ới điểm băng hoặc thấp hơn chúng không thể thực hiện hoạt động trao đ