ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NGOẠI CẢNH ĐẾN VI SINH VẬT VÀ SỰ PHÂN BỐ CỦA VI SINH VẬT TRONG TỰ NHIÊN

76
Ví dụ: nuôi cấy vi khuẩn nhiệt thán (Bacillus anthracis) trên môi trường dinh
dưỡng đặc biệt là thạch huyết thanh, trong không khí có 10 – 30% CO
2
và đã chọn
được khuẩn lạc không có vỏ nhầy. Vi khuẩn này có thể giết chết được chuột trắng
nhưng không thể khôi phục lại được vỏ nhầy - yếu tố độc lực của vi khuẩn, nòi này
hiện nay được dùng rộng rãi trên thế giới để phòng trừ bệnh nhiệt thán cho gia súc.
- Tạo giống vi sinh vật bằng tác nhân lý học: có thể dùng các tia phóng xạ
(tia X, tia tử ngoại, tia γ) để giảm độc vi sinh vật hoặc để tạo giống vi sinh vật có
năng suất cao. Ví dụ: ở Pháp để tạo ra nòi Bacillus anthracis ở nhiệt độ cao 42 –
43
o
C trong 12 – 24 ngày làm cho vi khuẩn mất khả năng gây bệnh cho gia súc khi
tiêm dưới da nhưng giữ được tính miễn dịch (vacxin chống bệnh nhiệt thán).
Hiện nay người ta đã sử dụng vi sinh vật trong kỹ thuật di truyền (genetic
technology), đây là lĩnh vực tạo ra các tế bào mới mang gen tái tổ hợp có thể nuôi
cấy ở quy mô lớn để tạo ra các sản phẩm có giá trị phục vụ nông nghiệp, y học và
công nghiệp.
Kỹ thuật di truyền bao gồm:
- Phân lọc, cắt, nối, ghép gen.
- Chuyển ghép gen tạo plasmid lai.
- Ứng dụng các quá trình vận chuyển vật chất di truyền (biến nạp, tải nạp,
tiếp hợp) để chuyển plasmid lai vào tế bào chủ (vi khuẩn hay nấm men).
- Tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật mang gen ghép sinh trưởng phát
triển, sinh tổng hợp các sản phẩm mong muốn.
Những thành tựu về kỹ thuật di truyền mà con người đã đạt được như:
chuyển ghép gen nitrogenaza vào plasmid rồi chuyển vào vi khuẩn Rhizobium cộng
sinh trên cây bộ Đậu tạo giống cây có khả năng cố định đạm cao.

BÀI 6. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NGOẠI CẢNH ĐẾN VI
SINH VẬT VÀ SỰ PHÂN BỐ CỦA VI SINH VẬT TRONG TỰ
NHIÊN

I. 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:
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, a
w
) trong môi trường.
P
a
w
=
P
0

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 a
w
= 1, nước biển có a
w
= 0,980, máu người có a
w
=
0,995, cá muối có a
w
=0,750, kẹo, mứt có a
w
= 0,700. Đa số vi sinh vật sinh trưởng

được trong phạm vi a
w
= 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 2
0
đến 100
0
C 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 60
o
C trong vòng 30 phút, 70
o
C trong 10 – 15 phút, 80 – 100
o
C trong 30 – 60
giây. Như vậy nhiệt độ cao trên 65
o
C sẽ gây tác hại cho vi sinh vật, ở nhiệt độ trên
100
o
C 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
- 20
o
C, và tốt nhất là 10
o
C. 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 –
25
o
C; 30 – 37
0
C; 40 – 45

o
C. 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
– 50
o
C; 50 – 60
o
C; 70 – 80
o
C. 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 110
o
C, Pyrococcus woesei ở 104,8
o
C, Thermococcus celer ở 103
o
C,
virut HIV chịu được nhiệt độ 100
0
C 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% O
2
.
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 A
o
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
A
o
) 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 A

o
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 A
o
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
A
o
), tia γ (0,006 – 1,4 A
o
) 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 H

2
O 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 bào 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.

2. Ảnh hưởng của nhân tố hoá học:

a. pH môi trường:
pH môi trường có ý nghĩa quyết định đối với sinh trưởng của nhiều vi
sinh vật. Các ion H
+
và OH
-
là 2 ion hoạt động lớn nhất trong tất cả các ion, cho
nên những biến đổi dù nhỏ trong nồng độ của chúng cũng có ảnh hưởng mạnh mẽ
đến hoạt động của vi sinh vật.
pH rất cần cho sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật do pH có ảnh hưởng
trực tiếp đến quá trình trao đổi chất của tế bào, cần cho hoạt động của nhiều enzim,
ngoài ra nồng độ ion H
+
còn ảnh hưởng trực tiếp đến điện tích bề mặt và mức độ