Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Sinh trưởng của quần thể vi sinh vật
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em mô tả được bốn pha sinh trưởng của quần thể vi sinh vật trong nuôi cấy không liên tục, giải thích được nguyên nhân mỗi lần chuyển pha, và tính được số lượng tế bào tại một thời điểm cho trước từ thời gian thế hệ bằng công thức $N = N_0 \times 2^n$.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài trước học các kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật (same-grade bridge) — kiểu dinh dưỡng quyết định môi trường nuôi cấy nào phù hợp để một quần thể sinh trưởng tốt. Bài này đi từ MỘT tế bào sang CẢ MỘT quần thể: khi cấy một số tế bào vào môi trường mới và theo dõi số lượng tế bào theo thời gian, số lượng đó không tăng đều mà trải qua bốn giai đoạn rất khác nhau.
Khởi động
Nếu cấy 100 tế bào vi khuẩn vào một bình môi trường mới rồi để yên hoàn toàn, không bổ sung gì thêm, số lượng tế bào sẽ tăng lên vô hạn hay dừng lại ở một mức nào đó? Và nếu để đủ lâu, chuyện gì xảy ra với quần thể đó?
Kiến thức trọng tâm
Trong nuôi cấy không liên tục — cấy một lượng tế bào vào một thể tích môi trường cố định rồi không bổ sung hay lấy bớt gì thêm — số lượng tế bào của quần thể trải qua bốn pha nối tiếp nhau. Pha tiềm phát là giai đoạn ngay sau khi cấy: tế bào đang thích nghi với môi trường mới, tổng hợp các enzyme cần thiết, số lượng tế bào hầu như không tăng vì phần lớn tế bào chưa bắt đầu phân chia. Pha luỹ thừa — hay pha log — là giai đoạn tế bào phân chia liên tục với tốc độ tối đa và ổn định nhất trong toàn bộ chu trình nuôi cấy; đây là pha duy nhất mà thời gian thế hệ (khoảng thời gian để số lượng tế bào tăng gấp đôi) giữ một giá trị cố định, nên công thức $N = N_0 \times 2^n$ chỉ áp dụng đúng cho khoảng thời gian nằm trong pha này.
Khi chất dinh dưỡng trong môi trường cạn dần và chất thải trao đổi chất tích luỹ, tốc độ sinh tế bào mới giảm xuống bằng đúng tốc độ tế bào chết đi — quần thể bước vào pha cân bằng, số lượng tế bào SỐNG giữ gần như không đổi. Cân bằng ở đây không có nghĩa là quần thể ngừng hoạt động, mà là hai tốc độ triệt tiêu lẫn nhau. Cuối cùng, khi dinh dưỡng cạn hẳn và chất độc tích luỹ quá nhiều, tốc độ chết vượt hẳn tốc độ sinh — quần thể bước vào pha suy vong, số lượng tế bào sống giảm dần theo thời gian.
Vì nuôi cấy không liên tục luôn đi tới suy vong, các quy trình công nghiệp cần sinh khối liên tục (sản xuất sinh khối, enzyme, kháng sinh) dùng nuôi cấy liên tục: liên tục bổ sung môi trường mới và lấy bớt dịch nuôi cấy cũ với tốc độ bằng nhau, giữ tế bào luôn ở pha log — pha có tốc độ sinh trưởng cao nhất và ổn định nhất.
Chỉ trong pha luỹ thừa (2-6 giờ), đường cong tăng thẳng và đều — đúng khoảng thời gian công thức $N = N_0 \times 2^n$ áp dụng được.
Ví dụ
Tính số tế bào sau một khoảng thời gian nuôi cấy ở pha log
1
Một chủng vi khuẩn E. coli có thời gian thế hệ 20 phút khi nuôi cấy ở pha log trong điều kiện tối ưu. Ban đầu cấy 100 tế bào vào môi trường mới và quần thể đã ở pha log ngay từ đầu. Tính số tế bào sau 2 giờ nuôi cấy liên tục ở pha log.
2
Đổi 2 giờ ra phút để cùng đơn vị với thời gian thế hệ: $t = 2 \times 60 = 120$ phút.
3
Số thế hệ đã trải qua là $n = t \div g = 120 \div 20 = 6$ thế hệ, vì mỗi thế hệ ứng với đúng một lần thời gian thế hệ trôi qua.
4
Áp dụng công thức $N = N_0 \times 2^n = 100 \times 2^6$. Vì $2^6 = 64$, ta có $N = 100 \times 64 = 6400$ tế bào.
5
Vậy sau 2 giờ nuôi cấy liên tục ở pha log, quần thể có 6400 tế bào — tăng 64 lần so với ban đầu.
Ví dụ
Tính số tế bào khi tổng thời gian bao gồm cả pha tiềm phát (dạng đề kiểm tra)
1
Một chủng vi khuẩn có thời gian thế hệ 30 phút. Cấy 1000 tế bào vào môi trường mới; quần thể trải qua pha tiềm phát kéo dài đúng 1 giờ trước khi bước vào pha log. Tính số tế bào sau tổng cộng 3 giờ nuôi cấy, kể từ lúc cấy.
2
Trong 1 giờ đầu (pha tiềm phát), tế bào hầu như không phân chia nên không được tính vào công thức $N = N_0 \times 2^n$. Chỉ khoảng thời gian quần thể thực sự ở pha log mới được tính.
3
Thời gian ở pha log là $t = 3 - 1 = 2$ giờ $= 120$ phút, vì tổng thời gian nuôi cấy trừ đi thời gian tiềm phát.
4
Số thế hệ là $n = 120 \div 30 = 4$. Áp dụng công thức: $N = 1000 \times 2^4$. Vì $2^4 = 16$, ta có $N = 1000 \times 16 = 16\,000$ tế bào.
5
Vậy sau 3 giờ nuôi cấy, quần thể có 16 000 tế bào — không phải kết quả của việc áp dụng công thức cho toàn bộ 3 giờ, vì 1 giờ đầu tiên gần như không đóng góp thế hệ nào.
Mỗi thế hệ, số tế bào nhân đôi — sau 5 thế hệ, 1 tế bào ban đầu trở thành 32 tế bào, đúng theo $2^5 = 32$.
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn phổ biến nhất là áp dụng công thức $N = N_0 \times 2^n$ cho TOÀN BỘ thời gian nuôi cấy, kể cả những khoảng quần thể đang ở pha tiềm phát hoặc pha cân bằng/suy vong — công thức này chỉ đúng cho khoảng thời gian quần thể thực sự ở pha log, nơi thời gian thế hệ giữ giá trị cố định. Một nhầm lẫn khác là nghĩ pha cân bằng nghĩa là quần thể 'ngừng hoạt động' — thực ra tế bào vẫn sinh ra và chết đi liên tục, chỉ là hai tốc độ đó bằng nhau nên số lượng tổng quan sát được không đổi.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Bốn pha sinh trưởng: tiềm phát (thích nghi, gần như không tăng) → luỹ thừa/log (tăng nhanh và đều, thời gian thế hệ cố định, dùng được $N = N_0 \times 2^n$) → cân bằng (tốc độ sinh = tốc độ chết) → suy vong (tốc độ chết vượt tốc độ sinh). Nuôi cấy liên tục giữ quần thể ở pha log bằng cách liên tục thay môi trường.
Bài tiếp theo trả lời câu hỏi: những yếu tố nào đẩy nhanh hoặc kìm hãm các pha sinh trưởng vừa học, và con người khai thác những yếu tố đó ra sao để bảo quản thực phẩm?
Sau bài này, em mô tả được bốn pha sinh trưởng của quần thể vi sinh vật trong nuôi cấy không liên tục, giải thích được nguyên nhân mỗi lần chuyển pha, và tính được số lượng tế bào tại một thời điểm cho trước từ thời gian thế hệ bằng công thức N=N0×2n.
Bài trước học các kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật (same-grade bridge) — kiểu dinh dưỡng quyết định môi trường nuôi cấy nào phù hợp để một quần thể sinh trưởng tốt. Bài này đi từ MỘT tế bào sang CẢ MỘT quần thể: khi cấy một số tế bào vào môi trường mới và theo dõi số lượng tế bào theo thời gian, số lượng đó không tăng đều mà trải qua bốn giai đoạn rất khác nhau.
Trong nuôi cấy không liên tục — cấy một lượng tế bào vào một thể tích môi trường cố định rồi không bổ sung hay lấy bớt gì thêm — số lượng tế bào của quần thể trải qua bốn pha nối tiếp nhau. Pha tiềm phát là giai đoạn ngay sau khi cấy: tế bào đang thích nghi với môi trường mới, tổng hợp các enzyme cần thiết, số lượng tế bào hầu như không tăng vì phần lớn tế bào chưa bắt đầu phân chia. Pha luỹ thừa — hay pha log — là giai đoạn tế bào phân chia liên tục với tốc độ tối đa và ổn định nhất trong toàn bộ chu trình nuôi cấy; đây là pha duy nhất mà thời gian thế hệ (khoảng thời gian để số lượng tế bào tăng gấp đôi) giữ một giá trị cố định, nên công thức N=N0×2n chỉ áp dụng đúng cho khoảng thời gian nằm trong pha này.
Khi chất dinh dưỡng trong môi trường cạn dần và chất thải trao đổi chất tích luỹ, tốc độ sinh tế bào mới giảm xuống bằng đúng tốc độ tế bào chết đi — quần thể bước vào pha cân bằng, số lượng tế bào SỐNG giữ gần như không đổi. Cân bằng ở đây không có nghĩa là quần thể ngừng hoạt động, mà là hai tốc độ triệt tiêu lẫn nhau. Cuối cùng, khi dinh dưỡng cạn hẳn và chất độc tích luỹ quá nhiều, tốc độ chết vượt hẳn tốc độ sinh — quần thể bước vào pha suy vong, số lượng tế bào sống giảm dần theo thời gian.
Chỉ trong pha luỹ thừa (2-6 giờ), đường cong tăng thẳng và đều — đúng khoảng thời gian công thức N=N0×2n áp dụng được.
Đổi 2 giờ ra phút để cùng đơn vị với thời gian thế hệ: t=2×60=120 phút.
Số thế hệ đã trải qua là n=t÷g=120÷20=6 thế hệ, vì mỗi thế hệ ứng với đúng một lần thời gian thế hệ trôi qua.
Áp dụng công thức N=N0×2n=100×26. Vì 26=64, ta có N=100×64=6400 tế bào.
Trong 1 giờ đầu (pha tiềm phát), tế bào hầu như không phân chia nên không được tính vào công thức N=N0×2n. Chỉ khoảng thời gian quần thể thực sự ở pha log mới được tính.
Thời gian ở pha log là t=3−1=2 giờ =120 phút, vì tổng thời gian nuôi cấy trừ đi thời gian tiềm phát.
Số thế hệ là n=120÷30=4. Áp dụng công thức: N=1000×24. Vì 24=16, ta có N=1000×16=16000 tế bào.
Mỗi thế hệ, số tế bào nhân đôi — sau 5 thế hệ, 1 tế bào ban đầu trở thành 32 tế bào, đúng theo 25=32.
Nhầm lẫn phổ biến nhất là áp dụng công thức N=N0×2n cho TOÀN BỘ thời gian nuôi cấy, kể cả những khoảng quần thể đang ở pha tiềm phát hoặc pha cân bằng/suy vong — công thức này chỉ đúng cho khoảng thời gian quần thể thực sự ở pha log, nơi thời gian thế hệ giữ giá trị cố định. Một nhầm lẫn khác là nghĩ pha cân bằng nghĩa là quần thể 'ngừng hoạt động' — thực ra tế bào vẫn sinh ra và chết đi liên tục, chỉ là hai tốc độ đó bằng nhau nên số lượng tổng quan sát được không đổi.
Bốn pha sinh trưởng: tiềm phát (thích nghi, gần như không tăng) → luỹ thừa/log (tăng nhanh và đều, thời gian thế hệ cố định, dùng được N=N0×2n) → cân bằng (tốc độ sinh = tốc độ chết) → suy vong (tốc độ chết vượt tốc độ sinh). Nuôi cấy liên tục giữ quần thể ở pha log bằng cách liên tục thay môi trường.