Ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến vi sinh vật

Ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến vi sinh vật: 77 Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật có quan hệ rất mật thiết với các yếu tố ngoại cảnh. Yếu tố ngoại cảnh có thể đẩy mạnh, hay ức chế hoặc đình chỉ quá trình sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật. Đa số các yếu tố đó đều có một đặc tính tác dụng chung biểu hiện ở 3 điểm hoạt động: tối thiểu, tối thích và cực đại. Với tác dụng tối thiểu của yếu tố môi trường vi khuẩn bắt đầu sinh trưởng và mở đầu các quá trình trao đổi chất, với tác dụng tối thích vi sinh vật sinh trưởng với tốc độ cực đại và biểu hiện hoạt tính trao đổi chất và trao đổi năng lượng lớn nhất, với tác dụng cực đại vi khuẩn ngừng sinh trưởng và thường chết. Thích hợp Thấp nhất Cao nhất Cường độ tác dụng của yếu tố bên ngoài Đồ thị biểu diễn tác dụng của yếu tố bên ngoài lên vi sinh vật Mức độ tác động của yếu tố ngoại cảnh đến vi sinh vật được quyết định bởi các yếu tố sau: - Tính chất và cường độ tác tác dụng. - Đặc tính của cơ thể vi sinh vật. - Trạng thái môi trường mà vi sinh vật tồn tại. - Quan hệ giữa các yếu tố ngoại cảnh với nhau. - Thời gian tác động. Tác dụng có hại của các yếu tố bên ngoài đối với vi sinh vật thể hiện chủ yếu ở những biến đổi sau: - Phá huỷ thành tế bào. - Làm biến đổi tính thấm của màng nguyên sinh chất. - Làm thay đổi đặc tính keo của nguyên sinh chất. - Kìm hãm hoạt tính của các enzim. - Phá huỷ quá trình sinh tổng hợp của tế bào. Các yếu tố ngoại cảnh tác dụng lên tế bào vi sinh vật thuộc 3 nhóm: yếu tố vật lý, yếu tố hoá học và yếu tố sinh vật học. 1. Ảnh hưởng của nhân tố vật lý đến vi sinh vật: a. Độ ẩm: Hầu hết các quá trình sống của vi sinh vật có liên quan đến nước do đó độ ẩm là một yếu tố quan trọng của môi trường. Hàm lượng nước trong tế bào vi sinh vật khá cao: vi khuẩn là 75 – 85%, nấm men 73 – 82%, nấm mốc 84 – 90%. Nước 78 là môi trường hoà tan các chất dinh dưỡng trước khi hấp thụ vào tế bào, đảm bảo sự cân bằng áp suất thẩm thấu, ngoài ra nước rất cần thiết cho việc thực hiện các phản ứng hoá học xảy ra trong tế bào. Đa số vi khuẩn thuộc nhóm ưa nước (hydrophil) nghĩa là chúng cần nước ở dạng tự do dễ hấp thụ, chỉ có một số xạ khuẩn thuộc nhóm ưa khô (xerophilic) vì chúng sử dụng được cả nước hydroscopic gắn trền bề mặt các hạt đất ở dạng các phân tử. Nhu cầu của vi sinh vật đối với nước có thể được biểu thị một cách định lượng bằng độ hoạt động của nước (water activity, aw) trong môi trường. P aw = P0 Trong đó: P là áp suất hơi nước của dung dịch. Po là áp suất hơi nước của nước nguyên chất. Nước nguyên chất có aw = 1, nước biển có aw = 0,980, máu người có aw = 0,995, cá muối có aw =0,750, kẹo, mứt có aw = 0,700. Đa số vi sinh vật sinh trưởng được trong phạm vi aw = 0,63 – 0,99. Khi thiếu nước sẽ xảy ra hiện tượng loại nước ra khỏi tế bào, trao đổi chất bị giảm và tế bào có thể bị chết. Sức đề kháng của vi sinh vật với trạng thái khô là khác nhau và phụ thuộc vào: - Nguồn gốc vi sinh vật: vi sinh vật trong không khí chịu khô tốt hơn vi sinh vật trong đất, vi sinh vật trong đất chịu khô tốt hơn vi sinh vật trong nước. - Loại hình vi sinh vật: sức đề kháng của xạ khuẩn tốt hơn nấm men, nấm men tốt hơn vi khuẩn và vi khuẩn tốt hơn nấm mốc. Ngay trong một nhóm vi sinh vật thì sức đề kháng của các loài vi sinh vật khác nhau là không giống nhau, ví dụ: một số đơn cầu khuẩn G- nếu thiếu nước một vài giờ sẽ bị chết , trong khi đó các loài Streptococcus có thể chịu được hàng tuần, đặc biệt trực khuẩn lao (Micobacterim tuberculosis) có sức đề kháng cao với sự khô trong không khí. - Trạng thái tế bào: tế bào già chịu khô tốt hơn tế bào non, bào tử chịu khô tốt hơn tế bào tế bào dinh dưỡng. Đa số vi sinh vật đất phát triển mạnh mẽ nhất ở độ ẩm đồng ruộng 60 – 80% (vi khuẩn cố định đạm hiếu khí sinh trưởng được ở độ ẩm 40 – 80%, vi khuẩn nitrat hoá sinh trưởng được ở độ ẩm 60 – 70%). Do đó việc đảm bảo độ ẩm trong đất có ý nghĩa quyết định hoạt tính sinh học của đất. Hoạt đông của vi sinh vật sẽ bị ức chế nếu đất thiếu ẩm, trong điều kiện đất khô hạn quá (độ ẩm dưới 40% độ ẩm bão hoà) thì mọi quá trình sinh học trong đất sẽ bị ngừng trệ. Ứng dụng: do vi sinh vật cần độ ẩm nhất định để sinh trưởng và phát triển cho nên bằng cách phơi khô, sấy khô hoặc đông khô có thể bảo quản được lâu dài nông sản, thực phẩm và các nguyên liệu khác b. Nhiệt độ: Hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật có thể coi là kết quả của hàng loạt các phản ứng hoá học trong tế bào. Vì các phản ứng này phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt 79 độ nên yếu tố nhiệt độ rõ ràng là ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình sống của tế bào. Hoạt động của vi sinh vật bị giới hạn trong môi trường chứa nước ở dạng có thể hấp thụ. Vùng này của nước nằm từ 20 đến 1000C gọi là vùng sinh động học. Nhiệt độ cao làm biến tính protein, các enzim bị mất hoạt tính, ngoài ra nhiệt độ cao còn phá hoại màng nguyên sinh chất và làm bất hoạt ARN. Do đó ở nhiệt độ cao vi sinh vật có thể bị tiêu diệt. Các vi khuẩn không sinh bào tử thường chỉ chịu được 60oC trong vòng 30 phút, 70oC trong 10 – 15 phút, 80 – 100oC trong 30 – 60 giây. Như vậy nhiệt độ cao trên 65oC sẽ gây tác hại cho vi sinh vật, ở nhiệt độ trên 100oC hầu hết tế bào sinh dưỡng bị tiêu diệt trong một thời gian nhất định. Sức đề kháng của vi sinh vật đối với nhiệt độ cao phụ thuộc vào từng loài vi sinh vật, tuổi tế bào, có hay không có bào tử, ngoài ra còn phụ thuộc vào điều kiện môi trường (pH, áp suất thẩm thấu, thành phần chất hữu cơ trong môi trường). Đây chính là cơ sở cho việc xác định biện pháp khử trùng ở nhiệt độ cao có hiệu quả. Nhiệt độ thấp (dưới vùng sinh động học) có thể làm bất hoạt quá trình vận chuyển các chất hoà tan qua màng nguyên sinh chất do thay đổi cấu hình không gian của một số permeaza chứa trong màng hoặc ảnh hưởng đến việc hình thành và tiêu thụ ATP cần thiết cho quá trình vận chuyển chủ động các chất dinh dưỡng. Vi sinh vật thường chịu được nhiệt độ thấp. Ở nhiệt độ dưới điểm băng hoặc thấp hơn chúng không thể hiện hoạt động trao đổi chất rõ rệt. Sức đề kháng của vi sinh vật đối với nhiệt độ thấp phụ thuộc vào loại hình vi sinh vật, trạng thái sinh lý của tế bào vi sinh vật cũng như thành phần môi trường. Để bảo quản giống vi sinh vật, thực phẩm và các vật liệu cần thiết người ta dùng phương pháp làm lạnh. Tuy nhiên cần chú ý sử dụng phương pháp làm lạnh thích hợp để đáp ứng yêu cầu. Vùng nhiệt sinh trưởng của vi sinh vật là giới hạn giữa nhiệt độ cực tiểu và nhiệt độ cực đại. Giới hạn này giữa các vi sinh vật khác nhau là khác nhau, ở các vi khuẩn sống hoại sinh giới hạn này tương đối rộng nhưng các vi khuẩn gây bệnh thì giới hạn này lại rất hẹp. Căn cứ vào giới hạn nhiệt độ sinh trưởng của vi sinh vật mà người ta chia vi sinh vật thành 3 nhóm: - Nhóm vi sinh vật ưa lạnh (psychrophilic): sinh trưởng được ở nhiệt độ từ 0 - 20oC, và tốt nhất là 10oC. Nhóm vi sinh vật này thường phân bố trong nước biển, các ao hồ và suối nước lạnh, trong các kho lạnh bảo quản thực phẩm ví dụ : vi khuẩn phát quang Photobacterium ficheri, vi khuẩn Flavobacterium, Pseudomonas, Alcaligenes... gây hư hỏng thực phẩm. Hoạt tính trao đổi chất của nhóm vi sinh vật này thường thấp. - Nhóm vi sinh vật ưa ấm (mesophilic): sinh trưởng được ở nhiệt độ 20 – 25oC; 30 – 370C; 40 – 45oC. Đa số vi sinh vật thuộc nhóm này, bao gồm nấm men, nấm mốc, vi khuẩn hoại sinh, vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật. - Nhóm vi sinh vật ưa nóng (thermophilic): sinh trưởng được ở nhiệt độ từ 45 – 50oC; 50 – 60oC; 70 – 80 oC. Các vi sinh vật ưa nóng gồm chủ yếu là xạ khuẩn, vi khuẩn sinh bào tử, nấm mốc thường gặp ở các bãi rác, đống phân ủ, suối nước nóng, vùng núi lửa. 80 Đặc biệt còn có một số vi sinh vật có khả năng chịu nhiệt, đó là nhóm vi sinh vật có khả năng sinh trưởng trên nhiệt độ sôi của nước như vi khuẩn Pyrodium occultum ở 110oC, Pyrococcus woesei ở 104,8oC, Thermococcus celer ở 103oC, virut HIV chịu được nhiệt độ 1000C trong 30 phút. c. Không khí: Oxy là chất có vai trò quan trọng trong sinh trưởng của vi sinh vật, tuy vậy oxy có thể rất cần cho nhóm vi sinh vật này nhưng lại gây độc đối với nhóm vi sinh vật khác. Căn cứ vào sự thích ứng với oxy của vi sinh vật, người ta chia vi sinh vật thành 3 nhóm: - Vi sinh vật hiếu khí: có thể sinh trưởng trong khí quyển chứa 21% O2. Chúng cần nhiều năng lượng hơn từ sự oxy hoá chất dinh dưỡng so với các nhóm vi sinh vật khác, do đó khi oxy bị hạn chế thì sinh trưởng của nhóm này bị chậm lại. Vi sinh vật hiếu khí sinh trưởng tốt ở nồng độ oxy 1 – 15%. - Vi sinh vật kỵ khí: không thể sinh trưởng trong môi trường có oxy, thậm chí một số vi sinh vật bị chết khi tiếp xúc với oxy. - Vi sinh vật tuỳ tiện: có thể sinh trưởng trong môi trường có đủ hoặc thiếu oxy, có hoặc không có oxy. Trong điều kiện không có oxy chúng thu năng lượng bằng sự lên men. d. Các tia bức xạ: Ánh sáng có thể gây ra những biến đổi hoá học và dẫn đến những tổn thương sinh học nếu được tế bào hấp thụ. Mức độ gây hại của ánh sáng tuỳ thuộc vào mức năng lượng trong lượng tử ánh sáng được hấp thụ và mức năng lượng trong lượng tử lại phụ thuộc gián tiếp vào chiều dài sóng của tia chiếu. Thường các tia sóng có chiều dài khoảng 10.000 Ao mới gây tác hại cho vi sinh vật, đó là ánh sáng mặt trời, tia tử ngoại, tia X, tia gamma và tia vũ trụ. Ánh sáng mặt trời: là nguồn tia chiếu tự nhiên nhất có tác dụng phá huỷ tế bào vi sinh vật (trừ nhóm vi khuẩn dinh dưỡng quang năng) do tia UV (2900 – 4000 Ao) trực tiếp tác động lên tế bào hoặc có thể gián tiếp do tạo ra các chất độc loại peroxit trong môi trường có chứa vi sinh vật. Tác dụng này sẽ bị yếu đi nếu tế bào có vỏ nhầy, có chứa sắc tố, có bào tử và tăng cường hơn khi vi sinh vật được xử lý bằng thuốc nhuộm như metilen, eritrozin, xanh toluidin... Tia tử ngoại (tia cực tím – UV) có bước sóng từ 100 – 3.000 Ao có thể kìm hãm sự sinh trưởng, gây đột biến gen, cải biến tính chất di truyền, giết chết vi sinh vật. Tác dụng của tia tử ngoại phụ thuộc vào: - Loại hình vi sinh vật. - Liều lượng và thời gian chiếu. - Chiều dài bước sóng: Tia tử ngoại có bước sóng 2537 – 2650 Ao có tác dụng mạnh nhất - Trạng thái môi trường: môi trường có mặt xistin (hợp chất có chứa SH) sẽ hạn chế tác dụng do các hợp chất này hấp thụ tia tử ngoại, bảo vệ vi sinh vật, tuy nhiên nếu có mặt thuốc nhuộm (eosin, eritrosin) nồng độ 0,01% sẽ tăng cường tác dụng. 81 Do lực xuyên sâu của tia tử ngoại kém, chỉ xuyên qua lớp nước trong và thuỷ tinh mỏng nên chúng thường được sử dụng để khử trùng không khí như phòng mổ, buồng cấy... Tia bức xạ ion hoá: các tia bức xạ có bước sóng ngắn như tia X (0,06 – 136 Ao), tia γ (0,006 – 1,4 Ao) sẽ có năng lượng lớn đủ để gây ion hoá các phân tử, tách các electrron và phân huỷ các phân tử thành các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử được gọi là tia bức xạ ion hoá. Tia bức xạ ion hoá gây tác dụng trực tiếp làm phá huỷ các thành phần quan trọng và đặc biệt nhạy cảm của tế bào như ADN, protein và tác dụng gián tiếp do sự hình thành các gốc oxy hoá hoạt động làm hư hại ADN và protein tế bào. Ví dụ: phân tử H2O bị tách thành OH- và H+, gốc OH- rất hoạt động sẽ gây hư hại ADN và protein. Người ta sử dụng các tia bức xạ ion hoá trong công tác khử trùng, tiêu độc, trong bảo quản chế biến và trong tác y, vi sinh vật học (gây đột biến, phá huỷ các độc tố vi khuẩn). e. Nồng độ các chất hoà tan (áp suất thẩm thấu): Màng nguyên sinh chất là một màng bán thấm. Áp suất thẩm thấu của tế bào vi sinh vật thường ở 5 – 20 atm, do vậy chúng cần môi trường có áp suất thẩm thấu tương ứng. Áp suất thẩm thấu của môi trường được quyết định bởi nồng độ các chất hoà tan trong môi trường mà vi sinh vật tồn tại. Trong môi trường ưu trương (hypertonic) tức là môi trường có áp suất thẩm thấu cao, tế '62ào vi sinh vật bị co nguyên sinh chất do bị mất nước, tế bào bị khô sinh lý và sẽ bị chết nếu kéo dài. Do đó trong thực tế người ta thường bảo quản và chế biến thực phẩm (muối dưa, cà, ướp thịt, cá, làm mứt...) bằng cách dùng môi trường có nồng độ chất tan cao (nồng độ muối 15 – 20%, nồng độ đường 50 – 80%). Với nồng độ chất tan như vậy để tạo áp suất thẩm thấu khoảng 100 atm, cao hơn rất nhiều so với giới hạn áp suất thẩm thấu mà vi sinh vật tồn tại được (5 – 20 atm ứng với nồng độ muối dưới 2% và đường 20 – 30%). Trong môi trường nhược trương (hypotonic), tế bào vi sinh vật bị trương nguyên sinh chất do hút nước nhiều, tuy nhiên do thành tế bào vi sinh vật khá vững chắc nên không xảy ra hiện tượng vỡ sinh chất.