Bài giảng môn Vi sinh đại cương

128 trang vanle 2430

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn Vi sinh đại cương", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_mon_vi_sinh_dai_cuong.pdf

Nội dung text: Bài giảng môn Vi sinh đại cương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA NUÔI TRỒNG THỦY SẢN BÀI GIẢNG VI SINH ĐẠI CƯƠNG Giáo viên: Phạm Thị Thúy Nga Bộ môn: Sinh học nghề cá - 2008 -
CHƯƠNG I ĐỐI TƯỢNG VÀ LƯỢC SỬ NGÀNH VI SINH HỌC I. ĐỐI TƯỢNG NGÀNH VI SINH HỌC : Vi sinh học là ngành khoa học nghiên cứu về cấu tạo và đời sống của vi sinh vật. Vi sinh vật là những sinh vật rất nhỏ, đơn bào hoặc đa bào nhưng rất kém phân hóa. Trong hệ thống phân loại tổng quát, vi sinh vật được xếp vào các nhóm vi sinh vật nhân nguyên (prokaryotic) gồm vi khuẩn, xạ khuẩn, mycoplasma, vi khuẩn lam (tảo lam), vi sinh vật nhân thực (eukaryotic) gồm nấm, tảo, và sau này thêm nhóm virút là các vi sinh vật có mức độ tiến hóa thấp nhất. Vi sinh học hiện đại nghiên cứu từng nhóm đối tượng riêng biệt như : virút học (virology), vi khuẩn học (bacteriology), khuẩn học hay nấm học (mycology), tảo học (algology) Về mặt ứng dụng ngành vi sinh học gồm có: vi sinh học công nghiệp, vi sinh học thực phẩm, vi sinh học y học, vi sinh học thú y, bệnh lý thực vật (plantpathology), vi sinh vật đất, vi sinh học nước, vi sinh học không khí, vi sinh học dầu hỏa. II. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT Các loài vi sinh vật có chung những đặc điểm sau đây: - Kích thước nhỏ bé - Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh - Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh - Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị - Phân bố rộng, chủng loại nhiều III. VỊ TRÍ CỦA VI SINH VẬT TRONG SINH GIỚI Việc phân loại các nhóm vi sinh vật được bắt đầu bởi Các Linê (Carl Linne), về sau vi sinh vật được phân trong các giới sinh vật như sau (theo Trần Thế Tương): 1.Nhóm giới sinh vật phi bào a. Giới Virus 2.Nhóm giới sinh vật nhân nguyên thủy b. Giới Vi khuẩn c. Giới Vi khuẩn lam (Tảo lam) 3. Nhóm giới sinh vật nhân thực d. Giới Nấm e .Giới Thực vật f. Giới Động vật IV.VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT Vi sinh vật tham gia tích cực vào quá trình phân giải các chất hữu cơ, biến chúng thành CO2 và các hợp chất vô cơ, cung cấp dinh dưỡng cho tảo, cây trồng. Các vi sinh vật cố định nitơ thực hiện quá trình biến khí nitơ trong không khí thành hợp chất nitơ cho thực vật.Vi sinh vật có khả năng phân giải các hợp chất khó tan chứa P, K, S, tạo ra các vòng tuần hoàn trong tự nhiên. Các vi sinh vật sống trong đất tham gia hình thành mùn cho cây. Một số loài vi sinh vât tham gia tích cực vào việc phân giải các phế thải nông nghiệp, công nghiệp và đô thị, góp phần bảo vệ môi trường. 1
Trong nuôi trồng thủy sản, vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước do tham gia phân giải chất hữu cơ, tham gia các vòng tuần hoàn vật chất, và còn tham gia vào chuỗi dinh dưỡng của thủy vực Ngoài ra vi sinh vật có vai trò quan trọng trong ngành năng lượng. Vi sinh vật còn là yếu tố quan trọng trong ngành công nghiệp lên men. V. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH VI SINH HỌC : Gồm có 3 giai đoạn chính 1. Giai đoạn phát hiện ra vi sinh vật : Lơ-ven-húc (Leeuvenhook, 1632-1723), người Hà Lan, là người đầu tiên chế tạo ra những chiếc kính hiển vi thô sơ với độ phóng đại từ 270-300 lần. Ông xuất bản quyển "Phát hiện của Lơvenhúc về những bí mật của giới tự nhiên" và năm 1695, mô tả toàn bộ các quan sát của Ông về vi sinh vật. Hình 1.1: Kính hiển vi đầu tiên của nhân loại Linê (Carl Linne, 1707-1778), nhà phân loại thực vật nổi tiếng trên thế giới đã xếp vi sinh vật vào một chi (genus) gọi là "Chaos" 2. Giai đoạn vi sinh học thực nghiệm với Pasteur : Pasteur(1822-1895), người Pháp là người đã khai sinh ra ngành vi sinh học thực nghiệm. Qua quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, Pasteur đã chứng minh vi sinh vật không thể "tự sinh" hay "ngẫu sinh" như nhiều nhà bác học cùng thời chủ trương. Ông làm thí nghiệm với bình cổ cong có uốn khúc hình chữ U, trong chứa nước canh thịt đã đun sôi (hình 1.2). Bình này để yên lâu ngày vẫn không hư thối, nhưng nếu đập vỡ cổ bình thì ít lâu sau nước canh thịt sẽ hư thối vì nhiễm vi khuẩn có sẵn trong không khí. Pasteur có công rất lớn vì đã giải quyết được phương pháp tẩy độc rượu vang (đun đến 60oC và giữ trong chai đậy kín), đưa đến phương pháp tẩy độc sữa, thực phẩm vẫn còn áp dụng đến nay Ngoài ra ông giải quyết được dịch bệnh tằm gai (bệnh Pébrine) Ông còn chứng minh dịch bệnh than ở cừu là do vi khuẩn gây ra và lan truyền từ con bệnh sang con mạnh. Ông tìm ra được vaccin ngừa bệnh cho cừu để chống lại bệnh than này. Ngoài ra, ông còn chế được các loại vaccin tụ huyết trùng gà, bệnh heo bị đóng dấu 2
Hình 1.2: Hình các loại bình cổ cong mà Pasteur đã dùng để bác bỏ thuyết tự sanh. Công lao lớn nhất của Pasteur đối với nhân loại là việc chế ra vaccin ngừa và trị bệnh chó dại là bệnh nan y lúc bấy giờ 3. Giai đoạn sau Pasteur và vi sinh học hiện đại : Robert Koch (1843-1910), là người có công lớn trong việc phát triển các phương pháp nghiên cứu vi sinh vật. Ông đề ra phương pháp chứng minh vi sinh vật là nguyên nhân gây ra bệnh truyền nhiễm. Juliyes Richard Petri (1852-1921) chế ra các dụng cụ để nghiên cứu vi sinh vật mà đến nay còn dùng tên của ông để đặt tên cho dụng cụ ấy: đĩa Pêtri. Ông cũng nêu ra các biện pháp nhuộm nàu vi sinh vật. Năm 1882, Koch công bố công trình khám phá ra vi trùng bệnh lao và gọi nó là Mycobacterium tuberculosis, nguyên nhân gây bệnh lao là một bệnh nan y của thời đó.Ông đưa ra 4 nguyên tắc về tác nhân gây bệnh. Khám phá này cho đến nay vẫn còn được áp dụng, là nguyên tắc chuẩn để chứng minh khả năng gây bệnh đặc trưng của một loài vi sinh vật nào. -.Tác nhân gây bệnh phải luôn được tìm thấy trên sinh vật bị nhiễm bệnh nhưng không có ở sinh vật khỏe -.Tác nhân gây bệnh phải được nuôi trong điều kiện thực nghiệm bên ngoài cơ thể sinh vật -.Tác nhân gây bệnh phải có khả năng gây bệnh khi gây nhiễm vào con vật mẫn cảm -.Tác nhân gây bệnh phải được xác định từ kết quả tái phân lập Vinogradxki S.I. (1856-1953), người Nga và M.W.Beijerinck (1851-1931), người Hà Lan là những nhà vi sinh học có công lớn trong việc phát triển ngành vi sinh học đất. Ivanopxki (1892) và Beijerrinck (1896) là những người phát hiện ra virút đầu tiên trên thế giới khi chứng minh vi sinh vật nhỏ hơn vi khuẩn, qua được lọc bằng sứ xốp, là nguyên nhân gây bệnh khảm cây thuốc lá. 3
CHƯƠNG II CÁC NHÓM VI SINH VẬT I. PHÂN LOẠI TỔNG QUÁT VI SINH VẬT Giới nguyên sinh vật được chia ra làm các nhóm chính như sau : 1 Vi sinh vật nhân thực (Giới Nhân Thực) (Eukaryota) (còn gọi là giới Chân Hạch) : Gồm những vi sinh vật có nhân thực sự, nhân có màng nhân bao bọc phân biệt rõ với tế baò chất của tế bào . Gồm có 3 nhóm : 1.1. Nhóm nguyên sinh động vật (Prôtôzoa) : Đơn bào, di động theo lối biến hình trùng (amib) gần với động vật . 1.2. Nhóm tảo hay rong (Algae) : Đơn bào, hoặc kết hợp thành khối đa bào, nhưng chưa chuyên hóa, có khả năng quang hợp . 1.3. Giới Nấm (Eumycetes) : Đơn bào hoặc kết hợp thành khối đa bào, nhưng các tế bào chưa chuyên hóa, không quang hợp 2. Vi sinh vật nhân nguyên (Giới Nhân Nguyên) (Prokaryota)(còn gọi là giới Tiền Hạch): Gồm các vi sinh vật không có nhân thực sự, các chuỗi DNA tập trung thành vùng nhân nhưng không có màng nhân bao bọc, nên không phân biệt với tế bào chất của tế bào. 2.1. Vi khuẩn (Schizomycetes) : Bao gồm vi khuẩn, vi khuẩn nguyên thủy (rickettsias, mycoplasma, clamydia), xạ khuẩn (actinomycetes), dạng L của vi khuẩn (L - form) và vi khuẩn lam (Tảo Lam) 2.2.Vi khuẩn cổ: gồm có vi khuẩn mê tan, vi khuẩn ưa mặn và vi khuẩn ưa nhiệt 3. Các nhóm khác : Gồm có : 3.1. Nhóm siêu vi khuẩn hay vi rút (virus) : cấu tạo đơn giản, không có dạng tế bào, là dạng sống thấp và đơn giản nhất của vi sinh vật . 3.2 Nhóm gồm các tế bào thưc vật hoặc động vật được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm (invitro) (cấy mô ) qua nhiều thế hệ đã trở nên đơn bào, có khả năng sống tự lập trong môi trường nuôi cấy Tóm lại, chúng ta có thể sắp xếp vi sinh vật theo các nhóm từ thấp đến cao, theo mức độ tiến hóa, như sau: - Virút chưa có cấu tạo tế bào - Giới Nhân Nguyên: vi khuẩn, dạng L của vi khuẩn, Mycoplasma, Ritkettsia, Chlamydia, Xạ khuẩn, Tảo Lam. - Giới Nhân Thực, prôtôzoa, tảo và nấm - Giới Thực Vật - Giới Động Vật II.VI SINH VẬT NHÂN NGUYÊN Vi sinh vật Nhân Nguyên (Tiền Hạch) (Prokaryotic microorganisms) bao gồm các vi sinh vật đơn bào, không có nhân thực sự. Tất cả vi sinh vật tiền hạch được xếp chung vào một nhóm, Vi Khuẩn Lam hay Tảo Lam hay Thanh Thực Vật (Cyanophyta) cũng là vi sinh vật nhân nguyên nhưng tự dưỡng. 1. VI KHUẨN 1.1. HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC : Vi khuẩn có ba hình dạng chính: cầu khuẩn (coccus), trực khuẩn (bacille, monas) và xoắn khuẩn (spira). Giữa ba loại này thường có những dạng trung gian. Thí dụ như dạng cầu trực khuẩn (coccobacille) hoặc dạng phẩy khuẩn (vibrie) . a/ Cầu khuẩn : Là loại vi khuẩn có hình cầu, hình ngọn nến, hình hạt cà phê . Kích 4
thước trong khoảng 0,5 - 1μ . Trong cầu khuẩn có một số chi như sau - Chi Micrococus : Hình cầu đứng riêng rẽ, sống hoại sinh trong đất, nước, không khí. - Chi Diplococcus : Hình cầu dính nhau từng đôi một (do phân cắt theo một mặt phẳng xác định), có một số loài có khả năng gây bệnh cho người . Thí dụ : Neisseria gonorrhocae Hình 2-1: Hình dạng một số chi vi khuẩn thuộc dạng cầu khuẩn - Chi Streptococcus : Hình cầu và dính với nhau thành chuỗi dài; Streptococcus lactis lên men lactic . - Chi Sarcina: Phân cắt theo ba mặt phẳng trực giao với nhau và tạo thành khối gồm 8 , 16 tế bào hoặc nhiều hơn. Hoại sinh trong không khí. Sarcina urea có khả năng phân giải urê khá mạnh. -Chi Staphilococcus : Phân cắt theo các mặt phẳng bất kỳ và dính với nhau thành từng đám như chùm nho, hoại sinh hoặc ký sinh gây bệnh cho người và gia súc Nói chung, cầu khuẩn không có roi (roi) nên không có khả năng di động. b/ Trực khuẩn: Có hình que, đường kính 0,5 -1, dài 1 - 4 , gồm các giống (Hình 2-2) - Chi Bacillus : Trưc khuẩn gram dương, có nha bào, không thay đổi hình dạng khi sinh nha bào (endospore). Hình 2-2: Hình dạng một số chi vi khuẩn có dạng trực khuẩn 5
- Các trực khuẩn gram âm không sinh nha bào, có roi gồm các chi Pseudomonas có 1 - 7roi, Xanthomonas có 1 roi, Erwinia có nhiều roi mọc chung quanh, - Chi Corynebacterium : Hình chùy, không có nha bào, hình dạng và kích thước có thay đổi nhiều khi nhuộm màu, tế bào thường tạo thành các đoạn nhỏ bắt màu khác nhau . - Chi Clostridium : Trực khuẩn gram dương, 0,4 - 1μ x 3 - 8μ , có sinh nha bào, nha bào to hơn chiều ngang tế bào nên khi có nha bào, tế bào thường phình ra ở giữa hay ở một đầu Có thể gây bệnh như Clostridium tetani gây bệnh uốn ván, hoặc có lợi như Clostridium pasteurianum là vi khuẩn cố định đạm trong đất . c/ Phẩy khuẩn: Có hình que hơi uốn cong giống như dấu phẩy. Chi thường gặp là Vibrio. Phần lớn hoại sinh, có một số gây bệnh cho người và động vật nuôi ( Vibrio harveyi gây bệnh trên tôm, Vibrio cholerae gây bệnh tiêu chảy cấp ở người.) (Hình 2-3) . d/ Xoắn khuẩn: ( Spira: xoắn ) Có từ hai vòng xoắn trở lên, gram dương, di động được nhờ một hay nhiều roi mọc ở đỉnh . Kích thước 0,5 - 3μ x 5 - 40μ. Chi Spirillum thuộc nhóm hình dạng nầy (Hình 2-3) Hình 2-3: Hình dạng một số chi vi khuẩn có dạng xoắn khuẩn và phẩy khuẩn A. Hình que - trực khuẩn (Bacillus) 6
B. Hình cầu (coccus) tạo thành chuỗi (strepto-) - liên cầu khuẩn (Streptococcus). C. Hình cầu tạo đám (staphylo-) - tụ cầu khuẩn (Staphylococcus). D. Hình tròn sóng đôi (diplo-) - song cầu khuẩn (Diplococcus). E. Hình xoắn - xoắn khuẩn (Spirillum, Spirochete) F. Phẩy khuẩn (Vibio) 1.2. CẤU TẠO TẾ BÀO VI KHUẨN Vi khuẩn có cấu tạo dạng tế bào, tức có bộ phận bao che và nguyên sinh chất bên trong. Bộ phận bao che gồm có vách (cell wall) cùng các phụ bộ của vách và màng nguyên sinh chất (plasmalemma). Nguyên sinh chất bao gồm tế bào chất (cytoplasm) và thành phần của nhân là DNA. Trong tế bào chất có chứa nhiều cơ quan con giữ các vai trò khác nhau trong tiến trình sống của vi khuẩn. Một cách tổng quát, vi khuẩn có hai lớp màng chính, từ ngoài vào trong lần lượt là vách tế bào và màng nguyên sinh. Ngoài ra ở một số chi, vi khuẩn còn được bọc bên ngoài một lớp vỏ nhày hoặc một lớp dịch nhày 1.2.1. Vỏ nhày và lớp dịch nhày ( capsule và slime ) Vỏ nhày (còn gọi màng nhày) có hai loại, vỏ nhày lớn (macrocapsule) và vỏ nhày nhỏ (microcapsule). Vỏ nhày lớn có chiều dày lớn hơn 0,2μ nên thấy được dưới kính hiển vi thường. Còn vỏ nhày nhỏ có chiều dày dưới 0,2μ, chỉ quan sát được qua kính hiển vi điện tử. Một số vi khuẩn khác không có vỏ nhày nhưng được bao phủ một lớp dịch nhày không giới hạn xác định và không cấu trúc rõ ràng. Thí dụ: Chi Xanthomonas. Công dụng của vỏ nhày là để bảo vệ tế bào vi khuẩn và là nơi tích lũy chất dinh dưỡng của vi khuẩn. Thí dụ: Phế cầu khuẩn Streptococcus pneumoniae khi có vỏ nhày sẽ không bị bạch huyết cầu thực bào, còn nếu mất vỏ nhày sẽ bị thực bào mau lẹ. Nhuộm vỏ nhày là phương pháp làm tiêu bản âm bằng cách trộn vi khuẩn với mực tàu. Ở một số vi khuẩn, khi môi trường nuôi cấy cạn dần chất dinh dưỡng vi khuẩn tiêu thụ đến chất dinh dưỡng trong vỏ nhày, làm cho vỏ nhày tiêu biến dần đi. Phần lớn thành phần hóa học của lớp vỏ nhày hoặc dịch nhày là nước (98%) và polysaccarit. Vi khuẩn có vỏ nhày hoặc dịch nhày sẽ cho khuẩn lạc ướt, láng, trơn; còn vi khuẩn không vỏ nhày hoặc dịch nhày sẽ tạo thành những khuẩn lạc khô, xù xì. Còn các vi khuẩn có lớp dịch nhày rất nhày nhớt sẽ tạo thành những khuẩn lạc nhày nhớt. 1.2.2. Vách tế bào hay thành tế bào: ( cell wall ) Vách tế bào vi khuẩn có kích thước khác nhau tùy loại. Nói chung, vi khuẩn gram dương có vách tế bào dày hơn, khoảng 14 - 18 nm, trọng lượng có thể chiếm10 - 20% trọng lượng khô của vi khuẩn. Vi khuẩn gram âm có vách tế bào mỏng hơn, thường khoảng 10nm. (1nm (nanômét) = 10-3μ = 10-6mm = 10-9m). Chức năng của vách là để bao bọc, che chở cho khối nguyên sinh chất bên trong và giúp cho vi khuẩn có hình dạng nhất định. Các vi khuẩn không có vách như dạng L của vi khuẩn và mycoplasma thì không có hình dạng nhứt định. Hỗ trợ sự chuyển động của tiên mao Giúp tế bào đề kháng với các lực tác động bên ngoài. Cần thiết cho quá trình phân cắt bình thường của tế bào Cản trở sự xâm nhập của một số chất có hại vào tế bào Có liên quan mật thiết đến tính kháng nguyên, tính gây bệnh (khả năng sinh nội 7
độc tố, tính mẫn cảm vớí thực khuẩn thể). Hinh 2-4: Sơ đồ cấu tạo của vi khuẩn. Phần A (bên trái vạch giữa hình) là vi khuẩn có vỏ nhầy lớn Phần B (bên phải) là vi khuẩn có vỏ nhầy nhỏ Hình 2-5: Sơ đồ cho thấy sự khác biệt trong cấu tạo vách của vi khuẩn gram dương (bên trái) và vi khuẩn gram âm (bên phải) 8
Như Vibrio harveyi gây bệnh trên tôm thuộc nhóm gram âm Cấu tạo hóa học của vách tế bào vi khuẩn gồm hai chất dị cao phân tử (heteropolymer) là glycôpeptit và nhóm pôlysaccarit. Hàm lượng của glycopeptit biến động trong khoảng 95% ở vách tế bào vi khuẩn gram dương và 5 - 20% ở vách vi khuẩn gram âm . Các vi khuẩn trong nhóm ưa mặn không chứa glycôpeptit. Glycôpeptit coin gọi là mucôpeptit, peptidôglycăn. Do có lớp pepticoglycan dày hơn, thành (vách) tế bào vi khuẩn gram dương khỏe hơn vi khuẩn gram âm Nhóm pôlysaccarit đặc biệt của vách tế bào gram dương là acid têchoic. Vi khuẩn gram âm không có acid têchoic. Vách tế bào gram âm phức tạp hơn, chứa ít glycôpeptit hơn đồng thời có sự hiện diện của lipid và prôtêin và được xếp thành nhiều lớp. Thí dụ: Ở vi khuẩn Escherichia coli Về mặt cấu trúc vật lý, vách của tế bào vi khuẩn được cấu tạo ở dạng sợi đan với nhau thành nhiểu lớp, rắn chắc nhưng có nhiều lỗ nhỏ cho phép các phân tử vật chất nhỏ chui qua được. Nhờ đó có sự trao đổi chất (nước, acid amin, glucôz, acid béo và cả các chất hữu cơ thích nghi khác) với bên ngoài. 1.2.3. Màng nguyên sinh chất: (Cytoplasmic membrane) Bên dưới lớp vách tế bào là lớp màng nguyên sinh chất (protoplasmic membrane, plasma membrane, plasmalemma, cytoplasmic membrane). Màng nguyên sinh chất dày 5 - 10nm và chiếm khoảng 10 - 15% trọng lượng tế bào 9
Hình 2-6: Sơ đồ cấu tạo vách tế bào vi khuẩn gram âm (Escherichia coli) Hình 2-7: Sơ đồ mô hình cấu tạo màng nguyên sinh chất của vi khuẩn theo 3 lớp . Màng này đảm nhiệm 4 chức năng: - Duy trì áp suất thẩm thấu bình thường bên trong tế bào . - Đảm bảo việc chủ động tích lũy các chất dinh dưỡng trong tế bào và thải các sản phẩm trao đổi chất ra ngoài tế bào. - Là nơi xảy ra quá trình sinh tổng hợp một số thành phần của tế bào và các polime của vỏ nhầy - Là nơi tổng hợp nhiều loại enzym, các protein của chuỗi hô hấp. - Cung cấp năng lượng cho sự vận động của tiên mao Màng nguyên sinh chất có cấu tạo 3 lớp. Ngoài cùng và trong cùng là hai lớp prôtêin, ở giữa là lớp phospholipid . Lớp phospholipid lại gồm hai lớp phân tử, một lớp có gốc quay vào trong và một lớp có gốc quay ra ngoài Hình 2.8. Mô hình màng nguyên sinh chất 10
Vùng không gian giữa màng sinh chất và màng ngoài ở vi khuẩn gram âm là khoang chu chất; và đôi khi một khoảng trống tương tự nhưng nhỏ hơn giữa màng sinh chất và thành ở vi khuẩn gram dương. Các chất chứa trong khoang chu chất (các protein tham gia vào sự thu nhận chất dinh dưỡng, các enzim ) gọi là chu chất 1.2.4.Tế bào chất (cytoplasm): Là vùng dịch thể dạng keo chứa các chất hòa tan trong suốt và các hạt như riboxom, gồm khoảng 80% là nước. Tế bào chất của vi khuẩn không di động bên trong tế bào cũng không chứa bộ khung tế bào (mạng lưới các sợi nhằm duy trì hình dạng tế bào). Điều này khác hẳn với tế bào chất của tế bào nhân thực Chức năng - Là nơi tạo ra các phần tử ban đầu hoặc các chất liệu kiến trúc cần thiết cho quá trình tổng hợp của tế bào . - Là nguồn năng lượng của tế bào (thí dụ: glucôz hoặc các chất ôxyd hóa khác) . - Chứa đựng các chất bài tiết của tế bào để thải ra bên ngoài . Trong tế bào chất của vi khuẩn trưởng thành, người ta quan sát thấy nhiều cơ quan con khác nhau như mêzôxôm (mesosomes), ribôxôm (ribosomes), không bào, các hạt chất dự trữ, các hạt sắc tố và các cấu trúc của nhân . a/ Mêzôxôm : Mêzôxôm (Mesosomes, Plasmalemmosomes, Chondriols, Peripheralbodies) là thể hình cầu trông giống cái bong bóng, nằm ở gần vách ngăn ngang và chỉ xuất hiện khi vi khuẩn phân cắt Mêzôxôm có đường kính khoảng 250nm, gồm nhiều lớp màng bện chặt lại với nhau, giữ vai trò quan trọng trong quá trình phân cắt tế bào vi khuẩn và hình thành vách ngăn ngang. Hình 2-9: Hạt mêxôxôm xuất hiện ở vùng hình thành vách ngăn phân căch hai tế bào trong quá trình phân cắt tế bào. b/ Ribôxôm: Ribôxôm của vi khuẩn chứa 40 - 60% RNA và 35 - 60% prôtêin và một ít lipid, một số men như ribônuclêaz và một ít khoáng chất (nhiều Mg và ít Ca). Phần prôtêin của ribôxôm làm thành một mạng lưới bao quanh phần RNA. Trong tế bào vi khuẩn, phần lớn ribôxôm nằm tự do trong tế bào chất, phần ít hơn bám trên màng nguyên sinh chất. Ribôxôm là trung tâm tổng hợp protein của tế bào. Các ribosom tự do gắn vào một đầu của mARN, được hoạt hóa và chuyển dịch dọc theo sợi mARN này. Chuỗi polypeptid liên kết với ribosom được dài dần ra, do tuần tự được lắp thêm các acid amin mới. Khi đọc xong một sợi mARN và giải phóng ra một chuỗi polypeptid mới thì ribosom lại tách khỏi đầu cuối của tập hợp, sau đó tham gia vào một mARN khác. 11
c/ Các hạt khác: - Các hạt hydrat carbon: Các hạt này chứa tinh bột hoặc glycôgen hoặc các chất tương tự nằm trong tế bào chất như những chất dự trữ. Khi thiếu thức ăn vi khuẩn sẽ lấy các hạt này làm nguồn năng lượng và nguồn thức ăn carbon . - Hạt volutin: Trong một số vi khuẩn đặc biệt hoặc trong một số điều kiện đặc biệt tế bào chất vi khuẩn có chứa các hạt volutin. Đó là những hạt hình cầu. Nó là một phức chất cấu tạo bởi pôlyphốtphat, lipôprôtêin, RNA và Mg++ . -Giọt mỡ: Xuất hiện khi nuôi cấy vi khuẩn trên các môi trường chứa nhiều đường, glycerin hoặc các hợp chất carbon dễ đồng hóa khác. -Giọt lưu huỳnh: Một số vi khuẩn lưu huỳnh có chứa thường xuyên các giọt lưu huỳnh trong tế bào, do kết quả oxyt hóa H2S sinh ra. Giọt lưu huỳnh được dùng làm nguồn năng lượng khi đã sử dụng hết H2S của môi trường chung quanh . H2S + 1/2 O2 → S + H2O + Q 2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + Q - Các tinh thể: Trong một vài vi khuẩn có thể chứa thêm một tinh thể đặc biệt có khả năng giết hại một số côn trùng. 1.2.5. Nhân của vi khuẩn: Vi sinh vật nhân nguyên khác với vi sinh vật nhân thực ở điểm là không có nhân rõ ràng. Nhìn qua kính hiển vi có thể nhìn thấy được vùng tập trung chất nhân vi khuẩn có DNA là thành phần chính yếu của nhân, tuy nhiên không có nhân rõ rệt vì DNA hoặc phân tán rải rác trong các tế bào chất, hoặc tập trung lại thành vùng, nhưng không có màng nhân và tiểu hạch như ở tế bào nhân thực. Vi khuẩn chỉ có thể nhân hoặc vùng nhân mà thôi. Thể nhân của vi khuẩn được xem như nhiễm sắc thể, cấu tạo bởi sợi DNA xoắn kép, rất dài. Thể nhân là cơ sở vật chất chứa đựng thông tin di truyền của vi khuẩn. Nhiễm sắc thể của vi khuẩn đảm nhiệm mọi chức năng như nhân của vi sinh vật nhân thực. Ngoài nhiễm sắc thể nhiều vi khuẩn còn chứa ADN ngoài nhiễm sắc thể. Đó là những sợi ADN kép dạng vòng kín, có khả năng sao chép độc lập, gọi là plasmit. 1.2.6. Tiên mao (hay roi) và khuẩn mao: (flagellum ) Vi khuẩn có thể có roi hoặc không có tùy từng chi. Nhiệm vụ chính của roi là giúp vi 12
khuẩn di động một cách chủ động Vị trí của roi trên vi khuẩn: +Không có roi: vi khuẩn vô mao (atrichate), không di động một cách chủ động được. + Một roi mọc ở một đỉnh (đơn mao: monotrichate), như vi khuẩn Xanthomonas campestris (Hình A) + Có thể là một chùm roi mọc ở đỉnh (lophotrichate), như khuẩn Pseudomonas solanacearum. (Hình B) + Mỗi đỉnh có một chùm roi (amphitrichate), như vi khuẩn Spirillum volutans . (Hình C) + Roi mọc chung quanh (chu mao = peritrichate) Thí dụ: chi Erwinia (Hình D) Tốc độ và kiểu di động của vi khuẩn không giống nhau tùy loài và tùy vị trí của roi. Các loài vi khuẩn có roi ở một đầu có tốc độ di chuyển mạnh mẽ nhất, các loài vi khuẩn khác di chuyển chậm hơn Vi khuẩn có roi ở một đầu di động theo một hướng rõ rệt, nhưng vi khuẩn roi chu mao thì lại di chuyển theo một kiểu quay lung tung. Tuy nhiên, điều kiện môi trường và thời gian nuôi cấy có thể ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng di động của các loài vi khuẩn có roi. Vi khuẩn di động trong môi trường lỏng theo kiểu nào phụ thuộc vào nhiều lý do khác nhau, do tìm đến hoặc tránh một yếu tố nào đó (tìm nguồn thức ăn, tới chỗ có ánh sáng, tránh chỗ có axit, tránh chỗ nóng, tránh hóa chất độc hại ) Đối với vi khuẩn không có roi, trong môi trường lỏng chúng vẫn có thể chuyển động hỗn loạn do hiện tượng va chạm không ngừng của các phân tử vật chất trong chất lỏng (chuyển động Brown) . Sự chuyển dời về phía các chất dẫn dụ và thoát khỏi các chất xua đuổi hóa học được gọi là hóa ứng động. Trong hóa ứng động dương, lông roi chỉ quay theo một chiều, ngược chiều kim đồng hồ lâu hơn khi tiến vào chất dẫn dụ Ngoài roi, một số loài vi khuẩn còn có sợi pili (nhung mao hay khuẩn mao). Pili không là cơ quan di động mà là phương tiện giúp vi khuẩn bám được tốt trên bề mặt cơ chất. Pili còn có thể tham gia vào quá trình dinh dưỡng của vi khuẩn, giúp cho tế bào tăng bề mặt hấp thu chất dinh dưỡng lên rất nhiều lần. Trong nhung mao có các sợi pili đặc biệt, gọi là Pili giới tính, làm kênh để chuyển AND giữa các tế bào, trao đổi tín hiệu di truyền giữa 2 tế bào( Hình 2-10) 13
. Hình 2-10 Trao đổi tín hiệu di truyền giữa 2 Pili giới tính 1.2.7. Nha bào (endospore) và sự hình thành nha bào: Nha bào là một bộ phận lưu tồn đặc biệt của một số loài vi khuẩn, được hình thành bên trong tế bào vi khuẩn trong những giai đoạn phát triển nhất định của vi khuẩn. Thường gặp nha bào ở hai chi trực khuẩn gram dương là Bacillus và Clostridium. Một số loài trong phẩy khuẩn, cầu khuẩn, xoắn khuẩn cũng có khả năng sinh nha bào. Nha bào không giữ nhiệm vụ sinh sản như bào tử ở các ngành vi sinh vật khác mà chỉ giữ chức năng lưu tồn mà thôi . Nha bào có khả năng lưu tồn tốt trong những điều kiện khó khăn của môi trường sống cũng như nha bào có khả năng sống rất lâu . Người ta phát hiện có nha bào vi khuẩn trong xác sinh vật cổ đại (1000 năm) hoặc dưới đáy băng hà (3000 năm) hoặc trong quặng mỏ (250 triệu năm) đến nay vẫn còn sống. Ở nhiệt độ 100 oC , nha bào của một số loài của chi Bacillus có thể chịu được từ 2,5 - 1200 phút (20 giờ) SO SÁNH TIÊN MAO, KHUẨN MAO (NHUNG MAO) VÀ PILI GIỚI TÍNH Điểm so sánh Tiên mao Khuẩn mao Pili giới tính 1. Đại diện Vibrio, Bacillus Neisseria gonorrhoeae 2.Thành phần Protein tiên mao Protein khuẩn mao Protein pili 3. Kich thước 10-20 micromet 7-9 nm 9-10 nm 4. Số lượng Một đến vài trăm Một đến vài trăm It hơn 5. Nơi sinh ra Thể gốc nằm trong Tế bào chất thành tế bào 6.Chuyển động Theo kiểu vặn nút chai 14
7. Chức năng Vận động Giúp vi khuẩn bám giữ Làm kênh để chuyển vào giá thể AND giữa các tế bào Tiếp hợp 2tế bàokhác giới Giúp vi khuẩn bám giữ tốt Nha bào vi khuẩn chịu nóng có thể chịu được 100oC trong 5 ngày liền. Muốn tiêu diệt hết nha bào của vi khuẩn phải thanh trùng ở 121 oC trong 15 – 30 phút với nhiệt ướt hoặc 165 - 170 oC trong 2 giờ với nhiệt khô . Ngoài việc chịu được nhiệt khô cao, nha bào còn có thể chịu được khô hạn cũng như tác động của nhiều loại hóa chất, cũng như các loại tia sáng . Quá trình hình thành nha bào: - Hình thành những búi chất nhiễm sắc - Tế bào bắt đầu phân cắt không đối xứng, tạo ra vùng nhỏ gọi là tiền bào tử - Tiền bào tử hình thành hai lớp màng, tăng cao tính kháng bức xạ. - Lớp vỏ sơ khai hình thành giữa hai lớp màng của bào tử.Tính chiết quang tăng cao. - Kết thúc việc hình thành áo bào tử. - Kết thúc việc hình thành vỏ bào tử. Bào tử bắt đầu thành thục, bắt đầu có tính kháng nhiệt. Bào nang vỡ ra, bào tử thoát ra ngoài. Hình 2-11: Cấu tạo của vi khuẩn 2. NHÓM XẠ KHUẨN (Actinomycetes) (Hình 2-12): Xạ khuẩn có nhiều nét khác với nấm nhưng giống với vi khuẩn: - Có giai đoạn đa bào và giai đoạn đơn bào. -Kích thước rất nhỏ, tương tự vi khuẩn, có cấu tạo sợi sợi phân nhánh (khuẩn ti). - Nhân giống với vi khuẩn, không có màng nhân và tiểu hạch. - Vách tế bào không chứa celluloz hoặc kitin, giống với vi khuẩn. - Phân chia tế bào, giống với vi khuẩn. Bào tử trần là cơ quan sinh sản chủ yếu, được hình thành theo 2 phương thức: +Vách ngăn hình thành từ bên trong của màng tế bào chất và tiến dần vào trong tạo ra những vách ngăn không hoàn chỉnh, sau đó sợi bào tử mới phân cắt thành các bào tử trần 15
+ Thành tế bào và tế bào chất đồng thời xuất hiện vách ngăn tiến dần vào phía trong, làm sợi bào tử phân cách đồng thời tạo thành một chuỗi bào tử trần. - Xạ khuẩn không có giới tính (không có tế bào đực, cái). - Hoại sinh và ký sinh. Xạ khuẩn sống trong đất, tham dự vào quá trình chuyển hóa tự nhiên của nhiều hợp chất trong đất. Đặc tính của xạ khuẩn là khả năng tiết ra kháng sinh (antibiotic), dùng làm thuốc trị bệnh cho người, động vật nuôi và cây trồng. Xạ khuẩn còn có khả năng sinh ra các vitamin thuộc nhóm B (B1, B2 ,B6 , B12 , ) một số acid amin và các acid hữu cơ (như acid glutamic tức bộ ngọt, do xạ khuẩn sản xuất) . Xạ khuẩn còn có khả năng tiết ra enzym (proteaz, amylaz, ) và trong tương lai có thể dùng xạ khuẩn để chế biến thực phẩm thay cho nấm vì nấm có thể sinh ra aflatoxin độc cho người và gia súc . Tuy nhiên cũng có một số xạ khuẩn có thể gây hại cho người, vât nuội và cây trồng Hinh 2-12: Các hình dạng khác nhau của xạ khuẩn: A: Actinomycetes; B: Nocardia; C: Microbispora; D: Dermatophilus; E: Micromonospora; F,G,H Streptomyces; I:Actinoplanes; J:Amorphosporangium. 3.VI KHUẨN LAM (Cyanobacteria ): Tảo Lam hay còn được gọi là vi khuẩn lam ,có khả năng hấp thu năng lượng qua quá trình quang hợp. Trong số các cơ thể tự dưỡng thì Tảo lam được xem là nhóm nguyên thủy nhất. Di tích hóa thạch của chúng phát hiện được cách nay khoảng 3,8 tỷ năm. Chúng được xếp liền sau các vi khuẩn, riêng với các nhóm khác vì ngoài những đặc điểm như chưa có nhân thật, chưa có lạp, chỉ chứa diệp lục tố a, sắc tố phụ trội bản tính protein thường làm cho chúng có màu lam (có khả năng tự dưỡng) ra thì chúng cũng chưa có sự sinh dục hữu phái, và tản có cấu tạo đơn giản, đơn tế bào hay hình sợi. Tảo lam không có tiên mao, di chuyển chủ yếu bằng cách trượt trên bề mặt. Hầu hết được tìm thấy trong nước ngọt và đất ẩm ướt, một 16
số ít loài được tìm thấy trong nước mặn. a. Sơ lược về cấu tạo tế bào của tảo lam: Vi khuẩn lam thường có dạng đơn bào, tập đoàn, dạng sợi chuỗi. Một vài tế bào trong chuỗi có hình dạng khác được gọi là dị bào nang (heterocysts) có khả năng cố định nitơ và một dạng khác được gọi là tế bào nghỉ (ankinetes). - Tế bào dinh dưỡng + Hình dạng: Tế bào dinh dưỡng của Tảo lam có thể có hình cầu, hình êlíp rộng, hình êlíp kéo dài, hình quả lê, hình trứng, hình kéo dài về một phía, hình thoi, hình ống. Có tế bào đường kính chỉ khoảng 1 micromet (như giống Synechococcus) nhưng cũng có tế bào chiều ngang của sợi vượt quá 30 micromet (như giống Oscillatoria). + Vách tế bào: Vách tế bào Tảo lam khá dầy, gồm 4 lớp, bên ngoài thường hóa nhầy, có khi tạo thành bao chuyên hóa, bao xung quanh tế bào hoặc nhóm tế bào hay toàn bộ sợi. Vách tế bào của Tảo lam chủ yếu do hợp chất murein - là một glucosaminoprotein (Salton, 1964). Ngoài ra có thể còn có cellulose, bắt màu gram-âm. + Chất nguyên sinh: Chất nguyên sinh ở Tảo lam được phân biệt thành 2 vùng: - Vùng ngoài có màu (vùng sắc bào chất, chromatoplasme), tập trung các phiến thylakoids, thể ri bô và các thể hạt khác. - Vùng trong (vùng trung bào chất, centroplasme) chứa ADN. Ở giữa ranh giới giữa 2 vùng không rõ ràng chỉ nhận ra khi dùng phẩm Feulgen nhuộm trung bào chất chứa ADN. Trong chất tế bào còn có các hạt nhỏ thường sắp thành hàng dài theo vách ngang, đó là những hạt cyanophycin. Những hạt glicogen (tinh bột) là chất dự trữ chính của Tảo lam do quang hợp tạo ra, nó rất nhỏ, nhuộm màu đỏ nâu với iod. + Các túi khí (không bào khí): Dưới kính hiển vi (KHV) ở độ phóng đại nhỏ (x10) túi có màu đen, ở độ phóng đại lớn hơn có màu tím đỏ. Có khi chiếm cả tế bào ở một vị trí nào đó như trên vách ngăn ngang. Ðôi khi chỉ xuất hiện ở điều kiện sinh lý nào đó ( khi chuyển vào môi trường có ánh sáng cao ). Cơ cấu của không bào khí dưới kính hiển vi điện tử là những ống hình trụ (đường kính 70 nm, dài gấp nhiều lần rộng). Khác với màng tế bào, màng của không bào khí chứa 95% protein (Jones & Jost, 1970) và theo Smith & CSV (1969) thì protein này giống với protein của siêu khuẩn, màng không có một sắc tố nào cả. Không bào nầy được thành lập từ những hạt rất nhỏ, lớn lên rồi khí khuếch tán qua màng. Không bào khí có ba vai trò: chứa khí, làm phao và che ánh sáng (light shielding). + Sắc tố: Trong bào chất ta gặp các sắc tố sau đây: - Chỉ có diệp lục tố a (có màu lục), nhóm carotenoids có màu vàng, cam hoặc đỏ. - Các sắc tố phụ trội gọi là phycobiliprotein (không nằm trên thylakoids như diệp lục tố mà trong các khoang giữa các lớp màng) gồm c-phycocianin và c-phycoerythrin hiện diện với nồng độ cao. Hai sắc tố ấy đi đôi theo thành phần thay đổi tùy loài và tùy môi trường nên màu của Tảo lam rất thay đổi: Tảo lam có thể biến màu để thích ứng vào môi trường. + Dị bào Dị bào là tế bào đặc biệt có ở tảo lam sợi chúng có khả năng cố định đạm, chúng cố định nitơ trong không khí bởi enzyme nitrogenase. Nitrogenase bị bất hoạt bởi oxy nên tảo lam chỉ cố định nitơ trong môi trường kị khí b. Môi trường sống của tảo lam Đại bộ phận sống trong nước ngọt, tạo thành thực vật phù du của các thủy vực. Một số phân bố trong những vùng nước mặn giàu chất hữu cơ hoặc trong nước lợ. Một số vi khuẩn 17
sống cộng sinh trong bèo hoa dâu, các rễ cây, với nấm trong địa y c. Sự dinh dưỡng của tảo lam Vài tảo lam có thể sống dị dưỡng (nhưng tương đối ít). Khi ta cấy tảo trong môi trường có chất hữu cơ đặt nơi tối, có những tảo chịu sống dị dưỡng như vậy, có nhiều tảo không sống được (tự dưỡng bắt buộc). 4. NHÓM VI KHUẨN NGUYÊN THỦY 4.1. NHÓM RICKETXIA (Ritkettsias) : Ricketxia được phát hiện đầu tiên năm 1909 do nhà khoa học người Mỹ H.T Ricketts. Ricketxia gồm các vi sinh vật nhỏ hơn vi khuẩn và lớn hơn virút, kích thước khoảng 0,3 - 0,6μ, có hình que ngắn, que dài, hình cầu hoặc hình sợi (dài đến 5μ), thường là ở dạng que ngắn. Ký sinh bắt buộc nên phải nuôi cấy trên mô còn sống, thường là cấy trên mô trứng gà lộn, trong chuột bạch. Khi ký sinh, một số loài lại nằm trong tế bào chất của tế bào ký chủ, còn một số loài lại ký sinh trong nhân của tế bào ký chủ. Ricketxia sinh sản bằng cách phân cắt làm hai phần bằng nhau, giống như vi khuẩn. Không sinh ra nha bào, có gram âm và không di động. Rất khó nhuộm màu so với vi khuẩn. Có thể nhuộm màu Giemsa hoặc màu Machiavelli . Cấu tạo gần giống với vi khuẩn tuy nhiên vách của ricketxia đươc cấu tạo bởi chất mucopolysaccarid. Màng nguyên sinh chất và nguyên sinh chất của ritketxia có ribôxôm và các thành phần của thể nhân như ở vi khuẩn . Ricketxia có một số điểm giống và khác với vi khuẩn như sau : Các đặc tính Vi khuẩn Ricketxia - Quan sát được dưới kính hiển vi quang học (X1500) + + - Sinh sản theo lối phân cắt. + + - Tổng hợp prôtêin do enzym của chính mình . + + - Chứa cả ADN và ARN. + + - Vách tế bào do mucopoly saccarid. - + - Nội ký sinh bắt buộc. - + - Cấy được trên môi trường nhân tạo. + - Ricketxia dễ bị nhiệt độ cao giết chết, thường ở 50oC chúng có thể chết trong vòng 15 phút, 80oC sau 1 phút, 100oC chết sau 30 giây. Trong khi đó ở nhiệt độ thấp, ricketxia giữ được sức sống khá lâu, nhất là đông khô. Rất mẫn cảm với pH, ở pH thấp từ 4,1 trở xuống Ricketxia bị bất động . 4.2. NHÓM MYCOPLASMA: Vi sinh vật thuộc nhóm này được phát hiện từ năm 1898. Đây là một nhóm vi sinh vật đặc biệt gây ra nhiều bệnh ở người, gia súc và cả cây trồng. Hình dạng của Mycoplasma rất biến đổi từ hình cầu, bầu dục đến hình sợi không đều nhau và có hình xoắn lò xo nữa .Kích thước từ rất nhỏ cho đến cùng cỡ với vi khuẩn, tuy nhiên biến đổi nhiều tùy theo hình dạng .Rất khó nhuộm màu, phải dùng phương pháp nhuộm Giemsa. Gram âm. Không có vách tế bào, chỉ có màng nguyên sinh chất . Trong 18
nguyên sinh chất có ribôxôm và sợi nhân. Mycoplasma sinh sản theo lối hình thành vách ngăn đôi tuy nhiên không có sự hiện diện của mêsôxôm trong lúc thành lập vách ngăn. Có hai hình thức sinh sản khác nhau: có trường hợp, từ một thể hình cầu có thể phát triển thành những thể hình sợi hay thành những sợi có hình dạng bất định .Ở trường hợp khác từ thể hình cầu chúng phát triển thành thể bất định . Thể sau này sẽ phình to ra, bên trong xuất hiện một hạt nhuộm màu rất sậm, tiếp đó hạt này phân cắt ra thành nhiều hạt nhỏ. Về sau mỗi hạt được bọc quanh với một ít tế bào chất và được phóng thích ra bên ngoài tạo thành những cá thể mới . Các cá thể hình cầu cũng có khả năng nảy chồi, các chồi về sau tách khỏi cơ thể mẹ nhưng vẫn nối với cơ thể mẹ bằng những sợi nhỏ do đó chúng có hình dạng là một thể có hình dạng phân nhánh. Trong các sợi này, nguyên sinh chất thường kết lại thành khối về sau các khối này tách ra thành những cơ thể mới. Mycoplasma rất nhạy cảm với nhiệt độ cao. Ở 45 - 55oC chúng bị tiêu diệt trong vòng 15 phút. Ở nhiệt độ thấp hơn 30oC chúng không phát triển được. Nhiệt độ tối hảo là 37oC , pH tối hảo 7 - 8 . Mycoplasma cũng rất nhạy cảm đối với khô hạn, tia tử ngoại, chất sát trùng và một số chất kháng sinh như Clotetracyclin, Oxytetracylin, Streptomycin và Chloromycetin. Đặc biệt là chúng không có vách nên rất nhạy cảm đối với áp suất thẩm thấu của môi trường 1.3 SINH SẢN CỦA VI KHUẨN. Vi khuẩn sinh sản chủ yếu bằng hình thức nhân đôi tế bào. Từ một tế bào mẹ phân cắt thành 2 tế bào con. Tế bào con được hình thành sau một thời gian sinh trưởng nhất định lại tiến hành phân cắt Về sinh sản hữu tính ở vi khuẩn, người ta chỉ mới phát hiện ra hình thức tiếp hợp giữa 2 tế bào Hình 2-13: Sơ đồ sinh sản ở vi khuẩn 19
5. NHÓM VI KHUẨN CỔ 5.1. Nhóm vi khuẩn ưa nhiệt (Thermophilic, Thermolerant), Sinh trưởng tốt ở nhiệt độ 55oC (80-105oC), một số không sinh trưởng được ở nhiệt độ 30o C. Trong nhóm này có nhóm siêu ưa nhiệt chúng có thể có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn. Các enzim và các mang chất ở nhóm này đều được cân bằng ở nhiệt độ cao; hầu hết còn đòi hỏi nguyên tố lưu huỳnh để phát triển Phân bố : ở suối nước nóng, sa mạc, miệng núi lửa, vùng xích đạo 5.2 Nhóm vi khuẩn mê tan Vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có khả năng sử dụng H2 làm nguồn năng lượng và CO2 làm nguồn cacbon để thực hiện quá trình trao đổi chất, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, điển hình nhất là trong các công nghệ xử lý chất thải giầu hữu cơ, chuyển hoá chất hữu cơ thành mêtan và CO2 Do khả năng sử dụng cơ chất hạn hẹp nên cổ khuẩn sinh mê tan ít được đưa vào các qui trình xử lý ở dạng chủng đơn mà thường ở dạng hỗn hợp với các loài dị dưỡng có khả năng chuyển hoá chất hữu cơ trong chất thải thành nguồn cơ chất thích hợp cho chúng. Các loài vi sinh vật được sử dụng đồng thời với cổ khuẩn sinh mêtan trong các qui trình xử lý chất thải hữu cơ thường là các loài có khả năng lên men đường, protein, như Lactobacillus, Eubacterium, Clostridium, Klebsiella hay Leuconostoc. Ngoài ra, cổ khuẩn sinh mê tan còn được sử dụng để phân huỷ các hợp bền vững làm ô nhiễm môi trường như các hợp chất thơm và cao phân tử mạch thẳng chứa halogen. Cùng với vi khuẩn khử sulfat, cổ khuẩn sinh mê tan còn là tác nhân gây ăn mòn kim loại ở điều kiện không có oxygen. 5.3 Vi khuẩn ưa mặn Trong thực tế vi khuẩn có thể chịu được nồng độ muối rất cao, đó là bọn vi khuẩn ưa muối (Halophilic) với nồng độ muối 0,2M thích hợp với loài ưa mặn trung bình; 5,2M thích hợp với loài ưa rất mặn.Thành tế bào, ribosom và các enzim của nhóm này đều được cân bằng bởi ion Na + Phân bố : ở các đại dương, biển, nơi có nồng độ muối cao. III.VI SINH VẬT NHÂN THỰC (Eukaryotic microorganism) 1.CẤU TẠO TẾ BÀO VI SINH VẬT NHÂN THƯC: Vi sinh vật Nhân Thực gồm các vi sinh vật có nhân rõ rệt. Cấu tạo của nhóm vi sinh vật này phức tạp hơn vi sinh vật Nhân Nguyên. 1.1. Kích thước và hình dạng: Kích thước của vi sinh vật Nhân Thực thay đổi nhiều hơn ở vi sinh vật Nhân Nguyên. Một số tế bào Nhân Thực nhỏ hơn tế bào Nhân Nguyên lớn nhất, số khác thì lớn hơn tế bào Nhân Nguyên nhiều. Hình dạng của vi sinh vật Nhân Thực rất khác nhau từ giống này sang giống khác và thường rất phức tạp . Chúng có thể có dạng đơn bào, cũng như có thể do nhiều tế bào kết hợp lại với nhau thành hình dạng nhất định . 1.2. Vách tế bào Tế bào của phần lớn vi sinh vật Nhân Thực có vách vững chắc như nấm, rong, Thường vách tế bào vi sinh vật Nhân Thực dày và chắc hơn vách tế bào vi sinh vật Nhân Nguyên. - Ở rong và một vài nấm hạ đẳng, vách tế bào được cấu tạo bởi vách celluloz đa phân tử. - Ở nấm, một số nấm hạ đẳng và hầu hết nấm thượng đẳng, vách tế bào được cấu tạo cơ bản bởi cellulôz đa phân tử 20
Sau đây là thành phần hóa học của vách tế bào của một số nấm: Lớp Thành phần hóa học của vách tế bào Chytridiomycetes Cellulôz + Chitin Hyphochytridiomycetes Cellulôz Oomycetes Cellulôz Zygomycetes Cellulôz + Chitin Ascomycetes Cellulôz + Chitin Basidiomycetes Cellulôz + Chitin - Ở nguyên sinh động vật (protozoa): Hầu như protozoa không có vách tế bào, tuy nhiên ở một số loài người ta tìm thấy có thể có chất pseudo-chitin, hoặc carbonat calcium hoặc hợp chất của silic. Các chất này ở dạng sợi đàn hồi được nhờ đó vừa có tính vững chắc để che chở tế bào chất bên trong vừa có thể đảm nhiệm vai trò đưa đẩy giúp cho sự di chuyển của tế bào. 1.3. Màng nguyên sinh chất Màng nguyên sinh chất của tề bào vi sinh vật Nhân Thực giống với màng nguyên sinh chất ở vi sinh vật Nhân Nguyên. Chỉ có khác biệt đôi chút ở loại prôtêin và phosphorit ở màng mà thôi, khác biệt này còn tuỳ thuộc chi vi sinh vật. Phần lớn vi sinh vật Nhân Thực có chất sterol trong màng nguyên sinh chất trong khi ở vi sinh vật Nhân Nguyên không có chất nầy. 1.4. Hệ thống nôi mạc (endoplasmic reticulum): Phần lớn vi sinh vật Nhân Thực đều có hệ thống nội mạc (màng ở bên trong tế bào chất: endoplasmic reticulum). 1.5. Bộ Golgi: Có nhiệm vụ tổng hợp ra các chất cấu tạo nên vách của tế bào. Các sợi celluloz và các chất khác được các thể của bộ Golgi tạo ra, được các thể tiểu không bào (Golgivacuole) chuyển dần ra ngoài, xuyên qua màng nguyên sinh chất và cung cấp cho vách của tế bào Hình 2-14 Sơ đồ mô tả nhiệm vụ của bộ Golgi trong tế bào vi sinh vật Nhân Thực 21
1.6. Không bào Là những thể gồm một lớp màng kín chứa dung dịch muối khoáng đậm đặc, các acid amin, đường và các chất khác. Ở tảo, không bào còn chứa màu nhờ đó tế bào có mang màu sắc rõ rệt. Thông thường không bào xuất hiện vào lúc tế bào đã trưởng thành. Tuy nhiên trong lúc tế bào đang phân cắt, không bào biến mất. Không bào giúp điều hòa áp suất trong thủy vực 1.7. Lyxôxôm và các vi thể (lysosome and microbodies): Lyxôxôm là thể gồm các enzym tiêu hóa và được một lớp màng bọc kín lại, có nhiệm vụ tiêu hóa thức ăn. 1.8. Ty thể: (mitochondria) Ty thể sản xuất ra adenosine triphosphate (ATP), chất cơ bản sinh ra năng lượng của tế bào Hình 2-15: Mô hình một ty thể của vi sinh vật Nhân Thực 1.9. Lục lạp: (Chloroplasts) Lục lạp là cơ quan đặc biệt của tế bào sinh vật quang tổng hợp. Ở vi sinh vật Nhân Thực, nhóm quang hợp như tảo, cũng có lục lạp trong tế bào chất. Nhiệm vụ của lục lạp là tổng hợp nhờ các sắc tố, nhất là diệp lục tố. Lục lạp là nơi duy nhất trong tế bào tích lũy tinh bột. 1.10. Các cách di động của vi sinh vật Nhân Thực: Hầu hết các prôtôzoa (nguyên sinh động vật), phần lớn tảo và nhiếu nấm có trang bị cho các chuyển động cơ học dưới nhiều hình thức khác nhau. Có 2 loại vận chuyển căn bản : vận chuyển dưới hình thức dòng tế bào chất (cytoplasmic streaming) trong đó tế bào chất chuyển động bên trong tế bào và sự di chuyển của tế bào, trong đó tế bào di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác nhờ bởi roi (flagellum) hoặc tế bào tạo ra dòng nước ở chung quanh nó, trong môi trường sống nhờ bởi nhiều tiêm mao 1.11. Nhân và sự phân cắt nhân của vi sinh vật Nhân Thực (sinh sản vô tính): a) Cấu tạo của nhân : Nhân của tế bào chân hạch gồm có, từ ngoài vào trong : - Màng nhân. - Tiểu hạch hay nhân con. - Các nhiễm sắc thể. - Các thể đặc biệt chỉ xuất hiện trong giai đoạn phân cắt tế bào 22
Màng nhân cấu tạo phức tạp hơn màng nguyên sinh chất. Màng nhân gồm 2 lớp : lớp ngoài có nhiều nơi nối liền với nội mạc, lớp trong là một bọc đơn giản, bao bọc chất nhân ở bên trong. Trên màng nhân có nhiều lỗ hổng, nơi đó có 2 lớp màng của nhân dính liền với nhau. Các lỗ hổng này là nơi thông thương giữa các chất bên trong nhân với tế bào chất bên ngoài. Tiểu hạch hay nhân con (nucleolus) : Tiểu hạch hay nhân con thường xuất hiện trong nhân vào những lúc tế bào không phân cắt. Nhiễm sắc thể(Chromosomes) : DNA của tế bào Nhân Thực hiện diện trong thể rất phức tạp, đó là nhiễm sắc thể. Gọi là nhiễm sắc thể vì thể này dễ nhuộm màu bởi chất histôn trong chuỗi DNA. Hình 2.16: Sơ đồ cấu tạo vi sinh vật Nhân Thực DNA của tế bào Nhân Nguyên tạo thành một chuỗi phân tử đơn giản, trong khi DNA của tế bào Nhân Thực nằm trong nhiễm sắc thể phức tạp. Đồng thời DNA của tế bào Nhân Nguyên không có histone trong khi tế bào Nhân Thực có. Nhiễm sắc thể còn chứa một ít RNA. b) Sự phân cắt của tế bào Nhân Thực: Vì là một tế bào có nhân nên sự phân cắt của tế bào (sinh sản vô tính) trải qua 4 giai đoạn : - Giai đoạn tổng hợp nên chất DNA, trong giai đoạn này sợi DNA của tế bào mẹ được tổng hợp và tăng cường thêm và tạo thành gấp đôi lúc bình thường. - Giai đoạn phân cắt nhân còn gọi là giai đoạn gián phân (mitosis). - Giai đoạn phân cắt tế bào, ở giai đoạn này màng và vách được thành lập để phân chia tế bào mẹ thành 2 tế bào con. - Giai đoạn sau cùng là lúc 2 tế bào con tách ra thành 2 cá thể độc lập. Trong 4 giai đoạn trên giai đoạn gián phân là phức tạp và đặc sắc. Giai đoạn gián phân : - Thành lập các cặp nhiễm sắc thể giống nhau do sự tổng hợp DNA. Các cặp nhiễm sắc thể này dính với nhau từng cặp ở điểm gốc gọi là động vị (centromere). 23
- Tiền kỳ (prophase): Các cặp nhiễm sắc thể thun ngắn lại và trở nên dày hơn và dễ quan sát. Đồng thời cặp nhiễm sắc thể có khuynh hướng tiến về màng của nhân. Bó sợi được thành lập bên ngoài tế bào chất. Màng nhân lần lần biến mất. -Biến kỳ (metaphase)màng nhân hoàn toàn biến mất.Bó sợi nối liền 2 điểm centriole ở 2 cực tế bào. Nhiễm sắc thể di chuyển về phần giữa của bó sợi và các centromere dính vào bó sợi. - Tiến kỳ (anaphase): centromere và nhiễm sắc thể tách 2, mỗi 1/2 tiến về một cực. - Chung kỳ (telophase): nhiễm sắc thể ở mỗi cực nới lỏng và kéo dài ra; màng nhân được tái tạo bao phủ nhóm nhiễm sắc thể ở mỗi cực tạo thành nhân mới. Mỗi tế bào bây giờ có chứa 2 nhân mới. Số nhiễm sắc thể trong mỗi nhân mới bằng với số nhiễm sắc thể của tế bào mẹ. Hình 2-17: Sơ đồ các giai đoạn trong quá trình phân cắt tế bào vi sinh vật Nhân Thực Hình 2-18: Sơ đồ các bước trong giai đoạn gián phân của tế bào Nhân Thực ( sinh sản vô tính) 2 SỰ SINH SẢN CỦA VI SINH VẬT NHÂN THỰC Sinh sản vô tính là hiện tượng phân cắt nhân xảy ra rất thường xuyên để vi sinh vật phát triển. Phân cắt nhân cho ra hai tế bào mang tín hiệu di truyền hoàn toàn giống nhau. Nói cách khác, các tế bào mới được thành lập giống hệt tế bào mẹ về các đặc tính sinh 24
lý và di truyền. Tế bào dinh dưỡng của vi sinh vật Nhân Thực có số lượng nhiễm sắc thể là một n. Các bào tử vô tính do sinh sản vô tính cũng chỉ có một n nhiễm sắc thể. Sinh sản hữu tính là sự trao đổi và san sẻ nguồn vật liệu di truyền của hai cá thể cha và mẹ, giúp cho các tế bào con thay đổi đặc tính nhờ có thêm những đặc tính mới do vật liệu di truyền mới nhận được. Sự sinh sản hữu tính xảy ra giữa 2 tế bào khác nhau. Hai tế bào tiến tới sinh sản hữu tính có thể từ 2 cá thể độc lập nhau, nhưng cũng có thể từ 2 tế bào trên cùng một cá thể. 3 . ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC NHÓM VI SINH VẬT NHÂN THỰC 1. NẤM 1.1 Vai trò của Nấm trong thiên nhiên: Nấm có trong tất cả mọi nơi: trong không khí, trong đất, trong nước, cả trong biển. Nấm sống hoại sinh và cả ký sinh lên các sinh vật khác gây nên nhiều bệnh quan trọng cho người, động vật nuôi, các động vật hoang dại và cả cho thực vật. Trong đất, nấm giữ vai trò rất quan trọng trong việc phân hủy các chất hữu cơ để chuyển hoá thành các chất dinh dưỡng cho thực vật, cấu trúc nên lớp mùn mầu mỡ của đất. Nấm còn góp phần trong sự chuyển hoá các chất vô cơ trong nước, đất Nấm còn sản sinh ra chất kháng sinh dùng làm thuốc như Penicillium sp. tiết ra penicilline. Tuy nhiên, nấm cũng đem lại không ít tai hại cho chúng ta. Các bệnh nấm hạt ở cá, ếch, hội chứng lở loét ở cá nấm thủy my, nấm mang cá, nấm ấu trùng giáp xác. Trong tồn trữ nông sản, nấm là tác nhân gây hư hỏng đáng kể (Aspergillus spp., Penicillium spp., Mucor spp. ). Trong tồn trữ thực phẩm, nấm làm hư hỏng thực phẩm (Aspergillus spp., Penicillium spp.). Nấm gây bệnh cho người (Candida albicans) và động vật Ngoài ra, không ít loại nấm còn tiết ra các chất độc làm chết người và động vật.như Aspergillus flavus Hình 2-19: Sợi nấm không có vách ngăn ngang và sợi nấm có vách ngăn ngang Nấm là sinh vật dị dưỡng nên cần lấy năng lượng từ môi trường chung quanh. Nguồn cung cấp năng lượng tốt nhứt cho nấm là các chất hữu cơ chứa cacbon (C). Ngoài ra, nấm còn cần N để tổng hợp thành prôtêin cần cho sự sinh trưởng và phát triển của chúng. Nấm phải lấy N từ các chất hữu cơ chứa N mà không thể cố định N của khí quyển được. Bên cạnh đó nấm cũng còn cần P, K, S, Mg và các vi lượng khác từ các chất hữu cơ hoặc vô cơ. Các yếu tố khác có ảnh hưởng đến sự phát triển và sinh sản của nấm là pH (pH : 6,5 - 6,8), nhiệt độ ( 20oC đến 30oC ), độ thoáng khí, ánh sáng, hàm lượng nước trong giá môi 25
(subtrate) và ẩm độ. Giá môi đủ ẩm và không khí có độ ẩm cao. 1.2.Cấu tạo của nấm: 1.2.1 Tế bào nấm: a. Vách tế bào: Hầu hết nấm đều có vách. Vách của nấm được cấu tạo từ cellulôz không ở dạng vi sợi. Chất dự trữ của nấm không phải là tinh bột (như thực vật) mà là glicogen như ở động vật b. Lục lạp: Nấm không có lục lạp c. Roi và lông tơ: Phần lớn nấm không có roi, chỉ có giai đoạn bào tử động của lớp Nấm Roi (Mastigomycetes) mới có roi. 1.2.2 Tản của nấm (fungal thallus): a. Nấm đơn bào: Phụ lớp Nấm Roi Sau (Chytridiomycetidae) bao gồm các nấm đơn bào, như nấm Synchytrium endobioticum gây bệnh sần sùi ở củ khoai tây. Ngoài ra, nấm men Saccharomyces cerevisiae (bộ Endomycetales thuộc lớp Nấm Nang Ascomycetes) cũng là nấm đơn bào. Tuy nhiên, trong một số điều kiện, chúng có thể kết dính thành chuỗi như dạng đa bào hoặc họp thành khối tế bào đa bào, nhưng các dạng nầy thường không bền như các sợi nấm của các nấm khác. b. Nấm đa bào: Các nấm còn lại ở dạng đa bào. Các tế bào nối tiếp nhau thành sợi nấm. Sợi nấm có thể có vách ngăn ngang (làm cho cho sợi nấm được cấu tạo bởi nhiều tế bào nối tiếp nhau) hoặc không có vách ngăn hình thành một ống dài trong chứa tế bào chất và nhiều nhân. Khác với thực vật và các vi khuẩn quang hợp, nấm không chứa trong tế bào các sắc tố quang hợp vì vậy không có khả năng quang hợp, không khả năng sống tự dưỡng. Nấm có đời sống hoại sinh (trên chất hữu cơ chết), ký sinh (trên cơ thể sống) hoặc cộng sinh (với tảo hoặc vi khuẩn lam trong địa y, với rễ cây). 1.3.Sinh sản của nấm: Nấm có hai cách sinh sản: sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính 1.3.1 Sinh sản vô tính: Sự sinh sản nầy được tiến hành từ một sợi nấm. Các tế bào của sợi nấm ấy phân cắt và hình thành một cơ quan sinh sản. Cơ quan sinh sản nầy mang trọn vẹn các tín hiệu di truyền của sợi nấm mẹ, không có bất kỳ sự thay đổi di truyền nào (ngoại trừ trường hợp bị đột biến). Đây là sự sinh sản vô tính của nấm. Cơ quan sinh sản vô tính của nấm thường có hình dạng nhất định của từng chi nấm. Hình dạng của cơ quan sinh sản vô tính của nấm là một trong các tiêu chuẩn dùng trong phân loại nấm đến chi. Cơ quan sinh sản của nấm thường là bào tử vô tính 1.3.2 Sinh sản hữu tính: Sinh sản hữu tính do sự phối hợp nhiễm sắc thể của hai nhân mang hai tính khác nhau ở trên cùng một sợi nấm hoặc trên hai sợi nấm khác nhau. Sinh sản hữu tính của nấm thường trải qua bốn giai đoạn. a- Giai đoạn bào phối: trong giai đoạn này có sự phối hợp tế bào chất của hai tế bào mang tính âm và dương. Sự bào phối có thể do đẳng giao hoặc dị giao. b- Giai đoạn hạch phối: hai nhân của hai cơ quan + và - (mỗi cơ quan chứa n nhiễm thể ) phối hợp lại thành một nhân chứa 2n nhiễm thể c- Giai đoạn gián phân: nhân lần lượt trải qua nhiều lần gián phân: Lần đầu: gián phân giảm nhiễm cho ra hai nhân, mỗi nhân chứa n nhễm thể. Các lần kế tiếp, gián phân đẳng nhiễm.bào tử. 26
. Hình 2-20: Sơ đồ cấu tạo một tế bào vi sinh vật Nhân Thực: phần trên: có roi và không vách (prôtôzôa); phần dưới: có vách và không roi (nấm, tảo) 27
Hình 2-22: Bào tử chồi Hinh 2-21: Bào tử đính của nấm Pyricularia oryzae Hình 2-23 Hình 2-24: Nang và bào tử nang Hình 2-25: Đảm và bào tử đảm 2. TẢO:Tảo là một ngành riêng biệt trong nhóm vi sinh vật Nhân Thực. Chúng là những vi sinh vật có khả năng quang hợp nhờ có lục lạp. Chúng có thể đơn bào hoặc đa bào. Tảo đa bào có thể ở dạng phiến như lá hoặc phân nhánh và có thể bám vào một nền rắn bằng chân bám (holdfast). Cơ thể của tảo không có các bộ phận đã phân hóa (như rễ, 28
thân. lá, hoa và hạt như cây xanh). Các tế bào của tảo là những tế bào hoàn toàn chưa phân hóa thành tế bào chuyên biệt, do đó từ bất cứ tế bào nào của tảo cũng có thể tái tạo thành cấu trúc tảo hoàn chỉnh qua quá trình nuôi cấy nhân tạo. Có hàng ngàn loài tảo. Có thể là những tảo đa bào to, to lớn hoặc đơn bào nhỏ bé phải quan sát với kính hiển vi. Các ngành của tảo gồm có: 1.1.Tảo Nâu (Phaeophyta) có hình lá cao hằng trăm mét và nặng hằng nhiều tấn cho mỗi cá thể (phiến tảo). Chúng có chứa sắc tố nâu fucoxanthin. Fucoxanthin che án màu lục của diệp lục tố có trong chúng 1.2.Tảo Hồng (Rhodophyta) là tảo đa bào, cơ thể phân nhánh, bên cạnh diệp lục tố, chúng còn chứa sắc tố đỏ phycoecythrin. Phycoecythrin có khả năng hấp thu tia tím. Do đó chúng có thể sống ở độ sâu hằng trăm mét dưới đáy biển, nơi có rất ít sinh vật sống được (Hình 6-34). Một số lớn tảo Hồng có thể ăn được và có thể dùng trong công nghệ chế biến như chi Gelidium, là tảo có chứa một loại polysaccharid ở dạng thạch đông (jelly), đó là thach hay rau câu (agar). Agar là chất có công dụng trong các phòng thí nghiệm vi sinh, y khoa và cho việc bếp núc cũng như trong công nghệ chế biến thực phẩm . 1.3.Tảo Lục (Chlorophyta) là tảo đa bào hoặc đơn bào có chứa diệp lục tố (chlorophyll) nên có màu lục. Tảo Lục cũng có rất nhiều loài và sống trong nước biển và trong nước ngọt. Trong ngành Tảo Lục có chi Chlorella, là một tảo rất được sử dụng trong nghiên cứu. Tảo Chlorella không di động, có chứa diệp lục tố, có nhiều trong nước gọt. Chúng quang hợp tốt và là tác nhân hấp thu CO2 và phóng thích O2 cao trong quá trình quang hợp của chúng. Đặc biệt chi Chlorella rất dễ nuôi cấy vì chúng có thể lấy dinh dưỡng từ nước thải nhiều hữu cơ (như nước cống rãnh), trong khi chúng cung cấp nhiều ôxy và prôtêin Hình 2.26: Một số tảo nâu dưới biển Hình 2.27: Vi sinh vật nhân thực 29
SO SÁNH VI SINH VẬT NHÂN NGUYÊN VÀ NHÂN THẬT Đặc điểm so sánh VSVnhân nguyên VSVnhân thực VSV điển hình Vi khuẩn Protista, nấm, Kích thước điển hình ∼1-10μm ∼10-100μm Mức độ tổ chức Đơn bào Đơn bào, tập đoàn& các cơ thể đa bào với các tb được biệt hóa rõ rệt Vận động tế bào Tiên mao được tạo Tiên mao và tiêm mao thành từ các hạt cấu tạo từ tubulin flagellin Cấu trúc nội bào Rất ít cấu trúc(đơn Được tổ chức phức tạp & giản) riêng biệt bởi hệ thống màng nội bào và bộ khung tế bào Hệ thống di truyền Vị trí Cấu trúc nhân Thể nhân Nhân,ti thể ,lục lạp -Màng nhân - + -Số lượng NST 1 >1 -NST chứa histon - + (poliamin) -Phân bào giảm nhiễm - + SS hữu tính - + Cơ chế hợp tử Tiếp hợp, biến nạp Tiếp hợp tải nạp -Bản chất hợp tử Lưỡng bội 1 phần Lưỡng bội Hệ thống tổng hợp protein Đặc điểm của Ribosome 70S 80S(TBC) 70S Cấu trúc trong tế bào chất: Ti thể - + Lục lạp - - hoặc +(cơ thể quang hợp) Lizoxom - Hầu hết Thể Golgi - + Mạng lưới nội chất - + Hệ thống ống nhỏ - + 30
Không bào thật có màng - + bao bọc Cấu trúc phức ngoài củaT Màng tế bào chứa Sterol - + (Trừ VK Lam & -Chứa một phần bộ máy Mycoplasma ) hô hấp và quang hợp - + Thành tế bào (không có ở vi khuẩn màu lục) -Mức độ gặp Hầu hết phổ biến Chỉ một số nhóm -Peptidoglican, murein + - Cơ quan vận chuyển: -Tiên mao chứa 9+2 ống - + nhỏ (trung tử) (một số nhóm) -Tiên mao không như - + trên(chân giả) (một số nhóm) 31
CHƯƠNG III SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT I.THÀNH PHẦN HÓÁ HỌC CỦA VI SINH VẬT Vi sinh vật cần 2 nhóm vật chất cho sự sống : nước và các nguyên tố 1.Nước: Là một yếu tố tối quan trọng đối với sự tăng trưởng và sinh sản của vi sinh vật. Nhu cầu về nước của vi sinh vật có khác nhau nhiều tùy theo đặc tính ngoại hấp của vi sinh vật và các yếu tố hòa tan của môi trường. Nước ngoại hấp ở mặt ngoài của vi sinh vật có hữu ích hay không tùy thuộc vào độ dính chặt và khả năng hấp thu nước ấy của vi sinh vật. Mặt khác, các vật chất khi hòa tan trong nước sẽ ảnh hưởng lên tính hữu dụng của nước đối với vi sinh vật. Một đặc tính của nước được dùng để tính đặc tính ngoại hấp và yếu tố hòa tan trên là hoạt tính của nước (water activity). Hoạt tính của nước được tính bởi công thức: aw= RH / 100 a w: Hoạt tính của nước. RH : ẩm độ tương đối của không khí. Hoạt tính của nước là mối tương quan giữa nước và ẩm độ tương đối của không khí, hay hơn nữa, theo nhiệt độ không khí vào lúc ấy. Ngoài ra hoạt tính của nước còn tùy thuộc vào chất hòa tan trong nước ấy. Hoạt tính của nước sông và nước biển tương đối cao (lớn hơn 0,9) còn ở các dung dịch càng đậm đặc hoạt tính của nước trong dung dịch ấy càng thấp. Trong một dung dịch có hoạt tính của nước thấp, vi sinh vật phải làm việc nhiều để hấp thu nước ấy từ dung dịch . Vì vậy thông thường dung dịch có hoạt tính nước thấp ảnh hưởng làm chậm sư tăng trưởng của vi sinh vật so với dung dịch có hoạt tính của nước cao hơn. aw của vi khuẩn: 0.91~ 0.88 aw của nấm men: 0.73 aw của nấm mốc: 0.63 2 Các chất hữu cơ trong tế bào vi sinh vật 2.1.Protein: Chiếm từ 50~80% trọng lương chất khô của tế bào; nằm ở các phần khác nhau cùa tế bào và đảm nhận nhiều chức năng như tham gia cấu trúc màng tế bào, màng nguyên sinh chất, tế bào chất, nhân và enzyme. Lượng protein khác nhau tùy nhóm vi sinh vật :Vi khuẩn: 50~80%, nấm men: 40~60%, nấm mốc: 15~40% Gồm protein đơn (Albumin, globulin, prolamin ) và protein phức (Lipoprtein, Glucoprotein, Photphoprotein) Nếu pH thay đổi sẽ làm phần protein trên màng nguyên sinh chất tích điện khác nhau sẽ ảnh hưởng đến quá trình dinh dưỡng của vi sinh vật. 2.2. Axit nucleic: Có 2 loại: ADN và ARN Là hợp phần nhiều đơn vị mononucleic, mỗi đơn vị gồm: Bazơ dị vòng, axit photphoric và pentoza. Có 2 chức năng: trực tiếp tham gia tổng hợp protein và mang mật mã di truyền 32
2.3.Gluxit: Chiếm từ 10%~30% Gồm hai loại chính: đường đơn (đường pentoza và đường hexoza) và đường đa (glucan, dextran, cellulose ) Tồn tại 2 dạng: gluxit cấu tạo và gluxit dự trữ. Gluxit cấu tạo tham gia tạo màng nguyên sinh, giáp mạc, ADN, ARN, kháng guyên. Gluxit dự trữ là nguồn dự trữ năng lượng. Thường tồn tại dưới dạng glucogen, tinh bột. Hàm lượng phụ thuộc vào các môi trường nuôi cấy và có thể chuyển thành gluxit cấu tạo khi môi trường nghèo gluxit. 2.4. Lipid và lipoid Tồn tại dưới dạng các hạt trong màng tế bào trong các vật thể ẩn nhập Gồm 2 dạng: lipit cấu tạo và lipit dự trữ Lipit cấu tạo tham gia cấu tạo màng tế bào, màng nguyên sinh chất, các protein phức tạp Lipit dự trữ: nguồn cung cấp năng lượng và sẽ trở thành lipit cấu tạo khi môi trường thiếu lipit Bảng 3.1. Thành phần hoá học của một tế bào vi khuẩn (F.C Neidhardt, 1987) % khối lượn Phân tử Số phân tử/ tế bào Số loại phân tử khô (1) Nước - 1 Tổng sốcác 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) 3,1 ADN 2,1 1 A RN 20, 5 255.500 khoảng 660 Tổng sốcác đơn phân tử 3,5 khoảng 350 Axit amin và tiền thể 0,5 khoảng 100 Đường và tiền thể 2 khoảng 50 Nucleotic và tiền thể 0,5 khoảng 200 Các ion vô cơ 1 18 Tổng cộng 100 Chú thích : (1) Khối lượng khô của 1 tế bào vi khuẩn E.Coli đang sinh trưởng mạnh là 2,8.10-13 g. (2) Peptidoglican và glicogen (3) Đó là 4 loại photpholipit, mỗi loại có nhiều nhóm khác nhau phụ thuộc vào thành phần axit béo. 33
2.5.Các chất hữu cơ khác - Enzym : Nhiều vi sinh vật tổng hợp đựoc nhiều loại enzyme. Để phục vụ quá trình sống của vi sinh vật, khi thừa enzyme có thể tiết ra ngoài môi trường hay tích luỹ lại trong tế bào -Vitamin : Cần để tế bào cấu tạo nên các coenzym -Độc tố: Trong đời sống nhiều vi sinh vật có khả năng tổng hợp độc tố, tiết ra ngoài môi trường hoặc nằm trong tế bào. Độc tố là vũ khí là vũ khí của vi sinh vật của vi sinh vật gây bệnh chống lại vật chủ. - Sắc tố: Được vi sinh vật tổng hợp trong tế bào sống Tồn đọng trong tế bào làm khuẩn lạc vi sinh vật có màu sắc Giúp vi sinh vật tự dưỡng, tránh tác động của tia tử ngoại, một vài sắc tố có khả năng kháng khuẩn. 2.6.Khoáng trong tế bào vi sinh vật chiếm 2~14% Tham gia cấu tạo tế bào Duy trì trạng thái keo nguyên sinh chất Điều tiết áp suất thẩm thấu Kích thích hoạt động của enzyme II. SỰ DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT : 1. Các chất dinh dưỡng cần thiết : Có hai nhóm vật chất cần thiết cho sự sống của vi sinh vậtlà nước và các nguyên tố C, H, O, N, P, S, K, Na, Ngòai ra vi sinh vật rất cần các nguyên tố vi lượng, các vitamin, các axit amin 2. Các cách dinh dưỡng : Các vi sinh vật thuộc nhóm nguyên sinh động vật có thể tiêu thụ được các vật rắn khác, thí dụ như ăn vi khuẩn hoặc nguyên sinh động vật nhỏ hơn. Lối dinh dưỡng này được gọi là dinh dưỡng theo lối động vật (holozoic nutrition) hay thực bào. Các vi sinh vật khác không thể ăn các vật rắn được, mà chỉ tiêu thụ được các phân tử tương đối nhỏ hòa trong nước, các chất này có thể chui qua màng tế bào bởi sự khuếch tán hoặc bởi các cơ nguyên khác; đây là cách dinh dưỡng theo lối thực vật (holophytic). 3. Cơ chế vận chuyển các chất dinh dưỡng: 3.1 Khuyếch tán đơn giản (khuyếch tán thụ động):Các phân tử đi qua màng nhờ sự chênh lệch nồng độ hay chênh lệch điện thế ờ 2 phía của màng. Ngòai nước ra rất ít hợp chất có thể qua nàng theo cơ chế trên 3.2: Khuyếch tán xúc tiến: Những phân tử vận chuyển sắp xếp trong màng liên kết với các phân tử chất hòa tan rồi chuyển chúng vào bề mặt bên trong của màng; từ đây các phân tử chất hòa tan được chuyển vào tế bào chất. Các chất mang liên kết màng được gọi là permeaza (protein vận chuyển) Tốc độ vận chuyển phân tử nhanh hơn khuếch tán thụ động. Vận chuyển này không cần năng lương của tế bào. 3.3 Vận chuyển nhóm: Là sự vận chuyển các phân tử chất theo nhóm có tính hệ thống, có những biến đổi về mặt hoá học của cơ chất trong khi vận chuyển qua màng Tiết kiệm năng lượng hơn so với vận chuyển chủ động 34
Hình 3.1: Sơ đồ vận chuyển các chất dinh dưỡng 3.4 Vận chuyển chủ động: Được tiến hành ngược với gradien nồng độ, theo kiểu " ngược dòng". P(protein vận chuyển) được di động thuận nghịch ở dạng đơn độc hoặc phức hợp với S(chất hòa tan ). Hướng di chuyển của S phụ thuộc vào nồng độ 2 phía màng tế bào. ATP cung cấp năng lượng P bị chuyển thành P bất hoạt ở phía bên trong màng có ái lực rất thấp đối với S. Sau khi S được tách khỏi phức hợp PS và được chuyển vào tế bào chất, P bất hoạt được chuyển thành P họat động ở phía ngòai của màng nhờ một phản ứng cung cấp năng lượng. Nồng độ của các phân tử được vận chuyển ở bên trong tế bào cao hơn rất nhiều so với bên ngoài tế bào. Phải cần năng lượng của tế bào cho việc vận chuyển 35
Một kiểu Khuếch tán xúc tiến (Theo Prescott, Harley và Klein) Vận chuyển chủ động (Theo Prescott, Harley và Klein) Vận chuyển nhóm (Theo Prescott, Harley và Klein) 36
Sự tiêu hóa : Phần lớn vi sinh vật tiêu hóa thức ăn bằng cách dùng enzym thủy phân thức ăn. Nhờ các enzym tương ứng, thức ăn như chất đường bột, chất béo và chất đạm(protein) được phân ra thành các phân tử nhỏ hơn có thể tan được trong nước. Đường bột được cắt ra thành các dạng đường đơn (monosaccharide); chất béo được thủy phân thành các alcol, glycerol hoặc các acid béo, còn protein được thủy phân thành các acid amin (amino acid). Các phân tử này thường có kích thước nhỏ tan được trong nước nên có thể chui qua màng tế bào để vào trong tế bào chất của vi sinh vật. Sau đó, bên trong tế bào còn có hệ thống enzym khác, phân giải các chất đơn giản này thành năng lượng hay các vật chất của tế bào Các nấm, vi khuẩn và một số rong tiêu hóa thức ăn do các enzym tiết ra bên ngoài môi trường sống của chúng, enzym tiếp xúc với thức ăn và phân giải chúng để có thể hấp thu được (hình 3.2). Ngoài ra vách tế bào của vi sinh vật này có vô số các lỗ khuyết rất nhỏ, có công dụng như những cái miệng li ti, qua đó chất lỏng và các phân tử thức ăn đơn giản và nhỏ đi xuyên qua vách tế bào để vào trong tế bào chất. Sau khi vào trong tế bào, các phân tử thức ăn được tế bào vi sinh vật sử dụng giống như ở tế bào động vật, thực vật và các nguyên sinh. Hình 3.2: Sơ đồ mô tả cách lấy chất dinh dưỡng từ bên ngoài môi trường của vi khuẩn. A. Vi khuẩn tiết ra bên ngoài các loại enzym để thủy phân các chất dinh dưỡng. B. Phân tử dinh dưởng được thủy phân thành các phân tử ngắn hơn. C. Các phân tử đơn giản như glucôz, acid amin nhờ có kích thước phân tử nhỏ nên chui 37
vào bên trong tế bào vi khuẩn qua các lỗ hổng ở vách tế bào. Các vi sinh vật thuộc nhóm nguyên sinh động vật có thể tiêu thụ được các vật rắn khác, thí dụ như ăn vi khuẩn hoặc nguyên sinh động vật nhỏ hơn. Lối dinh dưỡng này được gọi là dinh dưỡng theo lối động vật (holozoic nutrition) hay thực bào. 4- Nguồn thức ăn cacbon Dựa vào nguồn năng lượng và nguồn cung cấp C chủ yếu chúng ta có thể chia vi sinh vật ra các nhóm chính (Bảng 3.2) a/ Vi sinh vật tự dưỡng (autotrophs) : gồm các vi sinh vật có khả năng tiết ra các enzym làm xúc tác cho các phản ứng tổng hợp C từ CO2 thành ra một chất hữu cơ phức tạp đáp ứng được nhu cầu của tế bào. Gồm một số vi sinh vật quan trọng trong nông nghiệp và công nghiêp. Lối dinh dưỡng này giống như cây xanh. b/ Vi sinh vật dị dưỡng (heterotrophs): nhóm này không có khả năng tổng hợp được chất hữu cơ từ nguyên tử C. Nhóm này chiếm đại đa số trong vi sinh vật. Cách dinh dưỡng này giống như ở động vật. 38
c/ Vi sinh vật quang dưỡng (phototrophs): Là các vi sinh vật cần được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời (hoặc ánh sáng nhân tạo) mới sống được, chúng cần lấy năng lượng từ ánh nắng hoặc ánh sáng nhân tạo. Nhóm vi sinh vật quang dưỡng còn có thể chia ra làm hai: vi sinh vật quang khoáng dưỡng (photolithotrophs) khi lấy H từ nước trong quá trình quang hợp để khử O của CO2; và vi sinh vật quang hữu cơ dưỡng (photoorganotrophs) lấy H từ H2S thay vì từ nước . d/ Vi sinh vật hóa dưỡng (chemotrophs): Là các vi sinh vật không cần ánh sáng vẫn sống được. Chúng lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học xảy ra bên trong tế bào. Các vi sinh vật trong nhóm hóa dưỡng, nếu phản ứng lấy năng lượng căn cứ trên các chất vô cơ (thí dụ: oxyt hóa chất vô cơ để sinh ra năng lượng) được gọi là hóa khoáng dưỡng hóa năng vô cơ (chemolithotrophs) (litho = đá, chất vô cơ). NaNO2 + 1/2 O2 → NaNO3 + năng lượng H2S + 2 O2 → H2SO4 + năng lượng CO + 1/2 O2 → CO2 + năng lượng Các sinh vật khác, lại lấy năng lượng từ phản ứng ôxyt hóa chất hữu cơ được gọi là hóa khoáng dưỡng năng hữu cơ (hóa hữu cơ dưỡng = chemoorganotrophs) Sự khác biệt giữa quá trình quang tự dưỡng và hóa tự dưỡng là trao đổi chất ở sinh vật quang tự dưỡng xảy ra chuyển hóa năng lượng bức xạ thành năng lượng hóa học nhưng hóa tự dưỡng lại không e/ Vi sinh vật hoại sinh (saprophytes): Gồm các nấm dị dưỡng và các vi khuẩn, chúng lấy carbon từ chất hữu cơ còn nguyên vẹn ở chung quanh nó hoặc từ nước cống rãnh hoặc từ một vi sinh vật đã chết. 39
f/ Vi sinh vật ký sinh (parasites): Các vi sinh vật vừa có thể lấy C từ chất hữu cơ trong cơ thể sinh vật còn sống hoặc chỉ có thể lấy C từ sinh vật còn sống mà thôi.Trong bệnh học, các vi sinh vật ký sinh là nguyên nhân phần lớn bệnh của động vật và thực vật. Trong nhóm vi sinh vật ký sinh còn có thể chia ra làm hai tiểu nhóm, ký sinh bắt buộc và ký sinh tùy ý Bảng 3.2: Các nhóm vi sinh vật (dựa vào nguồn năng lượng và nguồn cung cấp C) Kiểu Nguồn năng lượng Nguồn cacbon Vi sinh vật dinh dưỡng Quang Ánh sáng CO2 Tảo,vi khuẩn lam tự dưỡng Quang Ánh sáng Chấ thữu cơ Vi khuẩn tía dị dưỡng Hoá Chấtvôcơ NH4, NO2. CO2 Vi khuẩn nitrat hoá tự dưỡng Hoá Chất hữu cơ Chấ thữu cơ VSV lên men dị dưỡng Hoại sinh Từ sự trao đổi chất Chất hữu cơ Nấm, vi khuẩn nguyên sinh Ký sinh Từ cơ thể sống khác Chất hữu cơ VSV gây bệnh Ký sinh bắt buộc là những vi sinh vật chỉ có thể sống ký sinh trên một mô còn sống của một sinh vật khác và nó không thể sống hoại sinh, tức sống trên mô đã chết hoặc trên vật chất không là sinh vật. Ký sinh tùy ý là những vi sinh vật vừa có thể ký sinh trên mô sống của một sinh vật khác, nhưng cũng có thể sống hoại sinh trên mô đã chết cuing như trên vật chất thích hợp. Thídụ: vi khuẩn gây bệnh cho người, gia súc và cây trồng vừa sống được trong mô của 40
ký chủ, vừa có thể nuôi cấy được (sống được) trên môi trường nuôi cấy nhân tạo (vật chất, không sống) 5. Nguồn thức ăn nitơ + Nguồn nitơ dễ háp thụ nhất đối với vi sinh vật là NH3 và NH4 . Đôi khi có những + loại vi sinh vật không phát triển được trên môi trường muối gốc NH4 là do sau khi đồng + 2- 2- - hóa muối gốc NH4 trong môi trường sẽ lũy các anion vô cơ (SO4 , HPO4 , Cl ) và vì thế mà làm hạ thấp rất nhiều trị số pH của môi trường. Có một vài loài khác lại đòi hỏi được cung cấp thêm một vài loại axit amin không thay thế nào đó. Ure là nguồn thức ăn nitơ trung tính về mặt sinh lý. Khi bị phân giải bởi muối ureaza, ure sẽ giải phóng thành NH3 và CO2 NH2 - CO - NH2 + H2O → 2NH3 + CO2 Muối nitrat là nguồn thức ăn thích hợp đối với nhiều loại tảo, nấm sợi và xạ khuẩn nhưng ít thích hợp với nhiều loại nấm men và vi khuẩn. Sau khi vi sinh vật sử dụng hết gốc - + + + NO3 các ion kim lọai còn lại ( K , Na , Mg ) sẽ làm kiềm hóa môi trường (Để tránh hiện tượng này người ta thường sử dụng muối NH4NO3 để làm nguồn nitơ cho nhiều loại vi sinh + - vật. Tuy nhiên gốc NH4 thường bị hấp thụ nhanh hơn, rồi đến gốc NO3 .) Đa số vi sinh vật không có khả năng đồng hóa N2 trong không khí.Tuy nhiên có những loài vi sinh vật có khả năng chuyển hóa N2 thành NH3 nhờ hoạt động xúc tác của một hệ thống enzym gọi là nytrogenaza.Vi sinh vật có khả năng đồng hóa rất tốt nitơ chứa trong các thức ăn hữu cơ. Các thức ăn này sẽ là vừa là nguồn cacbon vừa là nguồn nitơ cung cấp cho vi sinh vật. Về axit amin người ta nhận thấy có ba quan hệ khác nhau đối với từng loại sinh vật. Có vi sinh vật không cần cung cấp bất kỳ loại axit amin nào. Chúng có khả năng tổng + hợp ra toàn bộ các axit amin mà chúng cần từ NH4 và các chất hữu cơ không nitơ. Người ta gọi nhóm sinh vật này là nhóm tự dưỡng amin. có những sinh vật nguợc lại bắt buộc phải được cung cấp một hoặc nhiều axit amin cần thiết đuợc gọi là nhóm dị dưỡng amin; loại thứ ba là các vi sinh vật không có các axit amon trong môi trường vẫn phát triển đuợc, nhưng nếu có mặt một số axit amin nào đó thì sự pháy triển của chúng đuợc tăng cường hơn nhiều 6. Nguồn thức ăn khoáng Khi sử dụng các môi trường thiên nhiên để nuôi cấy vi sinh vật, thường không cần thiết bổ sung các nguyên tố khoáng. Khi làm các môi trường tổng hợp bắt buộc phải bổ sung đủ các nguyên tố khoáng cần thiết. Nồng độ cần thiết của từng nguyên tố vi lượng thường vào khoảng 10-6 đến 10-8 M Hàm luợng các chất khoáng chứa trong nguyên sinh chất vi sinh vật thường thay đổi tùy loài, giai đoạn phát triển, điều kiện nuôi cấy. P chiếm tỉ lệ cao nhất trong số các nguyên tố khoáng của tế bào vi sinh vật, có mặt trong cấu tạo của nhiều thành phần quan trọng của tế bào, nhiều coenzim, vitamin. S có mặt trong một số axit amin, vitamin. Ngoài ra còn một số nguyên tố khoáng quan trọng khác như Na, Mg, Ca, Zn, Mn 41
Nồng độ cần thiết (g/l) Nồng độ cần thiết (g/l) Muối khoáng Đối với vi khuẩn Đối với nấm và xạ khuẩn K2HP O4 0,2 - 0,5 1 - 2 KH2 P O4 0,2 - 0,5 1 - 2 MgSO4 .7H2O 0,1 - 0,2 0,2 - 0,5 MnSO4 . 4H2O 0,005 - 0,01 0,02 - 0,1 FeSO4. 7H2O 0,005 - 0,01 0,05 - 0,02 Na2MO4 0,001 - 0,05 0,01 - 0,02 ZnSO4. 7H2O - 0,02 - 0,1 CoCl2 tới 0,03 tới 0,06 CaCl2 0,01 - 0,03 0,02 - 0,1 CaSO4. 5H2O 0,001 - 0,005 0,01 - 0,05 7.Sự hấp thu sắt Hầu như tất cả vi sinh vật đều cần sử dụng sắt (Fe) để cấu tạo nên các Cytochrome và nhiều enzym. Sắt rất khó hấp thụ vì ion sắt (Fe3+) và các dẫn xuất của chúng rất khó hòa tan, trong môi trường thường có rất ít các hợp chất sắt dễ hòa tan để có thể vận chuyển vào tế bào. Việc hấp thu sắt của vi sinh vật là hết sức khó khăn. Nhiều vi khuẩn và nấm phải khắc phục khó khăn này bằng cách thông qua thể mang sắt (siderophore). Đó là những phân tử có phân tử lượng thấp lại liên kết với sắt và chuyển vận được vào tế bào 8. Nhu cầu về chất sinh trưởng của vi sinh vật Chất sinh trưởng là những chất hữu cơ cần thiết với hoạt động sống mà một loại vi sinh vật nào đó không tự tổng hợp được từ các chất khác. Đặc điểm của môi trường sống ảnh hưởng đến khả năng tổng hợp chất sinh trưởng, mặt khác ảnh hưởng đến sự trao đổi chất của vi sinh vật. Khi sống trong môi trường thiếu chất sinh trưởng, vi sinh vật sẽ dần dần tạo ra được khả năng tự tổng hợp các chất sinh trưởng mà chúng cần thiết Mặt khác do sống trong các điều kiện môi trường khác nhau, vi sinh vật có thể có những kiểu trao đổi trao đổi chất khác nhau, đòi hỏi các hệ thống enzim khác nhau (do đó đòi hỏi các chất sinh trưởng khác nhau). Thông thường các chất sinh trưởng có thể thuộc về một trong các loại sau đây: các gôc kiềm purin, pirimidin và các dẫn xuất của chúng, các axit béo, các vitamin. III. MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY VI SINH VẬT : Có 4 loại môi trường nuôi cấy: môi trường tự nhiên còn gọi là môi trường thực nghiệm (empirical media), môi trường tổng hợp, môi trường bán tổng hợp và môi trường sống. Các loại môi trường này khác nhau rất nhiều về hình thức và thành phần tùy theo loài vi sinh vật cần nuôi cấy cũng như tùy thuộc vào mục đích của công tác nuôi cấy. 1 Môi trường nuôi cấy tự nhiên : Các môi trường tự nhiên được dùng phổ biến là : sữa, nước trích thịt bò, nước trích các loại rau củ hoặc ngũ cốc, Các loại môi trường này thường chứa đựng nhiều chất 42
hữu cơ và vô cơ tan trong nước có thể đáp ứng yêu cầu về dưỡng chất của một số lớn vi sinh vật (không phải là tất cả ). Các loại môi trường trong nhóm này vừa dễ chuẩn bị vừa rẻ tiền lại có thể sử dụng cho nhiều mục đích thông thường trong nghiên cứu vi sinh vật. Khuyết điểm của loại môi trường tự nhiên là không thể biết chính xác thành phần dinh dưỡng cũng như thành phần dinh dưỡng của những lần chuẩn bị khác nhau, sẽ rất khác nhau. Do đó đôi khi kết quả nuôi cấy của các lần chuẩn bị môi trường khác nhau có thể sẽ không giống nhau. 2. Môi trường nuôi cấy tổng hợp: Để bổ sung khuyết điểm của môi trường nuôi cấy tự nhiên, người ta đã thiết lập các môi trường nuôi cấy tổng hợp, trong đó các thành phần dinh dưỡng của môi trường được kiểm soát chặt về số lượng và chất lượng. Tùy theo loại thành phần dinh dưỡng sử dụng, ta có: 2.1 .Môi trường nuôi cấy hữu cơ tổng hợp : Khi phần lớn thành phần dinh dưỡng là các chất hữu cơ đơn giản ( acid amin ) và tan được trong nước. 2.2. Môi trường nuôi cấy vô cơ tổng hợp : Khi hầu hết thành phần dinh dưỡng là các chất vô cơ tan được trong nước. Ưu điểm của các loại môi trường nuôi cấy tổng hợp là ta có thể biết rõ cũng như điều khiển thành phần dinh dưỡng của môi trường một cách dễ dàng. Với biện pháp tăng thêm hoặc bỏ bớt chất dinh dưỡng trong môi trường, chúng ta có thể biết rõ tác động của chầt dinh dưỡng đối với vi sinh vật Khuyết điểm của môi trường tổng hợp là: - Ít được sử dụng cho mục đích nuôi cấy thường ngày trong nghiên cứu - Tương đối mắc tiền, chuẩn bị khá phức tạp và mất thời giờ hơn đối với môi trường tự nhiên. - Chỉ sử dụng cho từng loài vi sinh vật thích hợp mà thôi. Trường hợp vi sinh vật chưa xác định, không thể nuôi cấy trên môi trường loại này một cách bảo đảm. 3. Môi trường nuôi cấy bán tổng hợp : Là môi trường nuôi cấy tự nhiên được bổ sung thêm với một số chất dinh dưỡng được xác định 4. Môi trường nuôi cấy sống: Dùng để nuôi cấy một số vi sinh vật đặc biệt có tính ký sinh bắt buộc. Thí dụ: Vi rút không nuôi cấy được trên môi trường nuôi cấy nhân tạo, do đó cần nuôi cấy chúng trên sinh vật đang sống. Thí dụ : Đối với vi rút gây bệnh đậu mùa, người ta nuôi cấy chúng trên con bò còn sống và sau đó thu thập vi rút trên con bò ấy để làm thuốc chủng bệnh đậu mùa. Phần lớn các vi rút ký sinh trên động vật chúng ta phải nuôi cấy trong phôi của trứng gà lộn hoặc trên chuột, thỏ Đối với vi rút ký sinh trên thực vật chúng ta phải nuôi cấy chúng trên ký chủ của chúng. IV CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG SỰ TĂNG TRƯỞNG : 1. Mật số của vi sinh vật : Là số vi sinh vật ấy trong một đơn vị không gian chứa chúng. Thông thường ta dùng số vsv/1ml trong trường hợp đếm vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy lỏng, trong nước hoặc trong sữa, Trong trường hợp vi sinh vật trong đất, chúng ta thường dùng số vsv/1g đất.Trong trường hợp sợi nấm, có thể dùng đơn vị là mg/100g dung dịch hoặc dùng tốc độ tăng trương là cm/ngày. 2. Các phương pháp đếm vi sinh vật: Có rất nhiều phương pháp để đếm vi sinh vật tùy theo mục đích, phương tiện và loài 43
vi sinh vật. Sau đây là một vài phương pháp thông thường: 2.1 Phương pháp đếm trực tiếp: - Đếm tế bào sống: Dùng một kính đựng vật đặc biệt có vạch ô vuông với diện tích ô được biết rõ (hemacytometer). Ta nhỏ lên khoảng dành để đếm một giọt huyền phù chứa vi sinh vật muốn đếm vào (thí dụ 1 giọt máu). Đậy kính đựng vật lại, có một thể tích nhất định chứa trong khoảng vuông để đếm. Chúng ta dùng kính hiển vi để đếm số vi sinh vật chứa trong khoảng vuông để đếm ấy. Từ đó, suy ra mật số, thường đếm hồng huyết cầu trong máu bằng phương pháp này. Phương pháp này cho phép đếm cả vi sinh vật còn sống lẫn đã chết và chỉ áp dụng cho các vi sinh vật không cần nhuộm màu (hình 3.3). Hình 3.3: Sơ đồ một lam đếm hồng cầu (hematocytometer): (A) nhìn từ trên; (B) nhìn ngang; (C) phóng to phần vạch chứa huyền phù vi khuẩn. - Đếm vi sinh vật đã nhuộm (smear count): Nhỏ một thể tích nhất định của huyền phù muốn đếm lên một diện tích nhất định trên kính đựng vật. Định hình và nhuộm màu, thường là với xanh metylen hoặc với loại màu phù hợp với vi sinh vật ấy. Sau đó, đếm số vi sinh vật trên một đơn vị diện tích, từ đó suy ra mật số của vi sinh vật ấy. Phương pháp này áp dụng cho trường hợp phải đếm các vi sinh vật khó quan sát phải nhuộm màu. Đếm tổng số vi sinh vật sống và đã chết trong huyền phù. - Đếm vi sinh vật trên màng lọc (membrane filter count): Có thể cho huyền phù chứa vi sinh vật muốn đếm đi qua một phim dinh dưỡng để vi sinh vật mọc thành khuẩn lạc và đếm số khuẩn lạc, suy ra mật số vi sinh vật trong huyền phù . Với cách này chúng ta chỉ đếm được vi sinh vật còn sống mà thôi. Chúng ta có thể đếm trực tiếp số vi sinh vật trên màng lọc bằng cách nhuộm màu vi sinh vật và làm cho màng lọc trong suốt với immersion oil và đếm số vi sinh vật dưới kính hiển vi. - Phương pháp pha loãng : Nguyên tắc của phương pháp này là pha loãng huyền phù ra nhiều lần. Xong, cho vi sinh vật hiện lên bằng khuẩn lạc để đếm số vi sinh vật trong huyền phù đã pha loãng, từ đó suy ra mật số của vi sinh vật ấy trong huyền phù gốc. Kết quả của phương pháp này cho chúng ta con số gần đúng nhất (most probable number) của mật số của huyền phù chứ không có được con số chính xác . Phương pháp này cho phép đếm vi sinh vật sống, không đếm được vi sinh vật đã chết. Sai số thường rất lớn, do đó phải thực hiện đếm 2 hoặc 3 lần và lấy trị số trung bình, để giảm bớt sai số (hình 3.4). 44
2.2. Phương pháp đếm gián tiếp : a. Phương pháp đo độ đục của huyền phù vi sinh vật (Turbidometric method): Phương pháp này thường được sử dụng để đếm vi khuẩn và bào tử nấm ở trong một huyền phù Nguyên tắc của phương pháp này là dùng chùm tia sáng đơn sắc chiếu xuyên qua huyền phù chứa vi sinh vật muốn đo, vi sinh vật làm phân tán bớt chùm tia sáng nhiều hoặc ít tùy theo mật số của chúng trong huyền phù. Số tia sáng còn lại sau khi xuyên qua huyền phù sẽ kích thích một tế bào quang điện (photoelectric cell). Tùy theo cường độ còn lại của chùm tia sáng mà tế bào quang điện nhận được, một cây kim di động và chỉ số phần trăm tia sáng bị phân tán trên bảng chỉ thị (hình 3.5). Nếu dịch đem đếm không chứa vi sinh vật nào cả (thí dụ như nước cất) thì tất cả tia sáng xuyên qua và kích thích bóng đèn quang điện tối đa. Ta điều chỉnh cho kim chỉ thị ở số 100. Đưa huyền phù để đo vào, vì có vi sinh vật trong huyền phù nên một số tia sáng bị phân tán đi. Chỉ còn lại một số ít xuyên qua và kích thích lên tế bào quang điện. Kim chỉ thị chỉ số lượng tia sáng xuyên qua được. So sánh với bảng chuẩn sẽ biết được mật số trong huyền phu. Chúng ta có thể áp dụng biện pháp này đối chiếu với phương pháp đếm trực tiếp để lập một bảng chuẩn cho từng loại vi sinh vật . Ưu điểm : Là phương pháp đếm vi sinh vật đơn giản và mau lẹ nhất. Khuyết điểm : - Kết quả là mật số của cả vi sinh vật chết lẫn sống. - Phải làm cho vi sinh vật phân phối đều trong huyền phù b. Máy đếm điện tử (electronic counter) : Với máy đếm loại này, chúng ta có thể đếm được hàng ngàn tế bào vi sinh vật trong vòng vài giây. Nguyên tắc là vi sinh vật được đưa qua tia sáng của “mắt điện tử“ (electronic eye), vi sinh vật cản tia sáng và ghi dấu hiệu trên bộ đếm của máy . c. Đo trọng lượng khô của vi sinh vật Đây là phương pháp đo các vi sinh vật đa bào ( thí dụ sợi nấm nuôi trong môi trường dinh dưỡng lỏng và trong trường hợp nầy chúng ta thường so sánh mức độ tăng trưởng hơn là đếm mật số). Thông thường chúng ta trích lấy nấm ấy bằng cách ly tâm hoặc lọc, kế đó rửa sạch, sấy khô và cân trọng lượng khô. Sự gia tăng trọng lượng so với lúc đầu chứng tỏ có sự tăng trưởng và cho biết tốc độ tăng trưởng của nấm ấy. Hình 3.4: Sơ đồ mô tả cách đếm vi khuẩn bằng cách pha loãng. 45
Hình 3.5 Nguyên tắc của phương pháp đo độ đục của huyền phù vi khuẩn để biết mật số vk 3.Lý thuyết về sự phát triển của vi khuẩn Tế bào vi khuẩn khi được nuôi cấy vào môi trường dinh dưỡng thích hợp, vi khuẩn sẽ sinh trưởng, tăng khối lượng và thể tích, tổng hợp các thành phần tế bào, rồi phân chia thành hai tế bào. Hai tế bào này tiếp tục sinh trưởng và phân chia thành 4, rồi 8, 16 tế bào Nếu số tế bào ban đầu là N0 thì sau n lần phân chia sẽ có số tế bào là N N = N0 x 2n Gía trị n (số lần phân chia hay số thế hệ) có thể tính nhờ logarit thập phân logN = logN0 + n. log2 Tốc độ phân chia C là số lần phân chia sau một đơn vị thời gian : n/t Thời gian thế hệ G ( thời gian cần thiết vi khuẩn tăng đôi tế bào) N = N0 x 2C.t V. SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Trong điều kiện nuôi cấy tĩnh (không thêm vào các chất dinh dưỡng, cũng không loại bỏ các sản phẩm trao đổi chất cuối cùng) vi sinh vật thường tăng trưởng theo 4 giai đoạn chính (hình 4.1) . 1- Giai đoạn chuẩn bị ( latent phase): Trong giai đoạn này, tức là ngay sau khi nuôi cấy, vi sinh vật chưa gia tăng mật số, có thể đây là giai đoạn vi sinh vật làm quen với môi trường nuôi cấy mới và chuẩn bị cho sự tăng trưởng vượt bậc sau đó 2- Giai đoạn tăng trưởng nhảy vọt (logarithmic phase, exponential phase): Vi sinh vật sau khi đã am hợp với môi trường mới và chuẩn bị cho sự tăng trưởng vượt bậc sau đó, bắt đầu nhân mật số lên với tốc độ rất nhanh theo cấp số nhân. Trong giai đoạn này mật số tổng 46
cộng và mật số vi sinh vật sống không chênh lệch nhau nhiều vì trong giai đoạn này còn nhiều chất dinh dưỡng cung ứng đủ nhu cầu, nên số vi sinh vật chết chưa tăng cao 3. Giai đoạn an định (stationary phase): Đây là giai đoạn mà mật số vi sinh vật không tăng thêm mà giữ an định ở một mức. Lúc này mật số vi sinh vật chết có tăng nên mật số tổng cộng đã chênh lệch so với mật số vi sinh vật sống. Giai đoạn này có thể do vi sinh vật thu hút và làm cạn dần một vài thành phần dinh dưỡng hoặc là do tác động của vài chất đối kháng do chính vi sinh vật ấy tiết ra trong quá trình tăng trưởng. 4- Giai đoạn chết (death phase): mật số vi sinh vật sống giảm dần trong khi đó mật số vi sinh vật tổng cộng có hơi tăng nhẹ. Đây là giai đoạn trùng hợp vào lúc mà dưỡng chất trong môi trường bị hao mòn dần hoặc là do sự tích lũy các chất đối kháng ngày càng nhiều Sơ đồ mô tả sự phát triển của vi khuẩn Escherichia coli được nuôi cấy theo phương pháp nuôi cấy liên tục: o - 1 giai đoạn chuẩn bị 2 - 4 giai đoạn tăng trưởng nhảy vọt 4 - 6 giai đoạn ổn định 6 - 8 giai đoạn chết. Trong điều kiện nuôi cấy liên tục, kéo dài pha ổn định; người ta bố trí hệ thống cho dung dịch nuôi cấy thường xuyên để thu sinh khối liên tục VI. ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ NGOẠI GIỚI LÊN SỰ TĂNG TRƯỞNG VÀ SINH SẢN CỦA VI SINH VẬT : Tác dụng có hại của các yếu tố bên ngoài lên tế bào vi khuẩn chủ yếu ở những biến đổi sau: -Phá hủy thành tế bào: Một số chất như Lizozim có khả năng phân hủy thành tế bào vi khuẩn -Biến đổi tính thấm của màng tế bào chất: Một số chất không nhất thiết phải xâm nhập tế bào, nhưng vẫn gây tác dụng kháng khuẩn; do tác dụng lên một hoặc một số chức phận sinh lý của màng tế bào chất làm vi khuẩn mất khả năng sinh sản -Thay đổi dặc tính keo của nguyên sinh chất: Các yếu tố vật lý, hóa học đều có thể gây nên tác dụng này (nhiệt độ cao làm biến tính protein và làm chúng đông tụ) -Kìm hãm hoạt tính: Một số chất tác động vào các hệ thống sinh năng lượng của tê bào (Xienit kìm hãm enzym xitocrom-oxidaza, fluorit ngăn cản quá trình đường phân ). -Hủy hoại các quá trình tổng hợp: Sự có mặt của một số chất có cấu trúc tương tự với các chất trao đổi tự nhiên- antimetabolit- làm quá trình sinh tổng hợp có thể bị ức chế. Cơ chế tác dụng của các antimetabolit không giống nhau: Một số gắn với trung tâm hoạt động 47
của enzym nhưng không tham gia phản ứng làm enzym mất hoạt tính phân hủy cơ chất. Một số khác tham gia phản ứng enzym và lắp vào sản phẩm của phản ứng nhưng sau đó không được sử dụng trong trao đổi chất với cùng mức độ như trong trường hợp của cơ chất thực 1. Nhiệt độ : Khi nhiệt độ gia tăng, các hóa chất và các phản ứng của enzyme trong tế bào tăng nhanh lên do đó sự sinh trưởng của vi sinh vật cũng tăng nhanh lên. Mặt khác protein, acid nhân và các chất khác trong tế bào sẽ nhạy cảm với nhiệt độ cao và có thể trở nên biến tính. Do đó thông thường nếu nhiệt độ tăng dần thì sự tăng trưởng và biến dưỡng của vi sinh vật cũng tăng theo đến một nhiệt độ nhất định thì tất cả đình lại. Nếu nhiệt độ tăng cao hơn nữa thì hoạt động của vi sinh vật sẽ xuống đến mức không. Do đó, đối với mỗi sinh vật chúng ta có thể có 3 mức độ về nhiệt độ (hình 3-7): - Nhiệt độ thấp nhất (minimum temperature): dưới nhiệt độ này, vi sinh vật không hoạt động được. - Nhiệt độ tối hảo (optimum temperature): Ở nhiệt độ này, hoạt đông của vi sinh vật đạt mức cao nhất. - Nhiệt độ tối đa (maximum temperature): Trên nhiệt độ này, vi sinh vật không hoạt động được. Ba mức nhiệt độ trên là đặc tính của từng loài vi sinh vật. Ngoài ra ba mức này cũng không cứng nhắc cho từng loài vì nó có thể thay đổi tùy theo một số tác nhân khác tác động vào, thí dụ như pH của môi trường nuôi cấy và dưỡng chất trong môi trường ấy. Do có ba mức nhiệt độ trên khác biệt nhau chúng ta có thể chia vi sinh vật ra làm ba nhóm: nhóm vi sinh vật chịu nóng (thermophiles), nhóm vi sinh vật chịu lạnh (psychrophile) và nhóm vi sinh vật chịu ấm (mesophiles) (hình 3-8). Ở những vùng lạnh thuộc hàn đới, chúng ta vẫn gặp được sự sống của vi sinh vật trong đất, trong nước và trong không khí. Ở vùng này, nhiệt độ thường xuyên dưới 0oC. 3.7. Sơ đồ mô tả mức am hợp với từng khoảng nhiệt độ của ba nhóm vi sinh vật - Vi sinh vật chịu lạnh có khả năng sống được ở 0oC và có thể chia làm hai nhóm nhỏ: vi sinh vật chịu lạnh bắt buộc (obligate psychrophiles) nhiệt độ tối hảo của chúng vào khoảng 15oC và nhiệt độ tối đa vào khoảng 20oC. và vi sinh vật chịu lạnh tùy ý (acultative psychrophiles) nhiệt độ tối hảo trong khoảng 25 - 30oC và nhiệt độ tối đa từ 35oC trở lên. Ở nhiệt độ lạnh các phản ứng của enzym bên trong vi sinh vật chịu lạnh vẫn còn hoạt động, tuy yếu và chậm dần đi theo độ lạnh. Mặc dù sự hoạt động của vi sinh vật chịu lạnh thường ngưng ở nhiệt độ - 30oC, nhưng hoạt động của enzym vẫn còn và mức giới hạn 48
mà phản ứng sinh hóa ngưng lại là -140oC. Do đó đông lạnh có thể làm ngưng hoạt động của vi sinh vật chứ không giết chết vi sinh vật được. Và sau khi vi sinh vật bị đông lạnh, thông thường vi sinh vật ấy còn có thể sống sót trong một thời gian lâu dài. - Vi sinh vật chịu ấm: là các vi sinh vật thích nhiệt độ trung bình (mesophiles) có nhiệt độ tối hảo trong khoảng từ 25 - 40oC Nhiệt độ này trùng vào nhiệt độ do ánh nắng mặt trời cung cấp cho thực vật, động vật máu lạnh và đất. - Vi sinh vật chịu nóng (thermophiles) có nhiệt độ tối hảo trong khoảng từ 45- 50oC. Trong thiên nhiên nhiệt độ trong khoảng này, có thể gặp trong đất bị ánh nắng chiếu trực tiếp, trong khu vực của suối nước nóng, trong các đống rác đang lên men, Mặt đất bị ánh nắng chiếu trực tiếp có thể có nhiệt độ trên 50oC, có khi lên đến 70oC, ở đất có màu sậm. Trong các lớp đất có nhiệt độ cao này vẫn có một số vi sinh vật sống được, vi sinh vật siêu ưa nhiệt có thể sống trong suối nước nóng mặc dù có nhiều suối có nhiệt độ rất cao. Phiêu sinh vật ( protozoa ) 45 - 50oC Rong chân hạch 56oC Nấm 60oC Rong tiền hạch 70 - 73oC Vi khuẩn 99oC 2. Nước: Mỗi vi sinh vật có khả năng chịu đưng được một mức độ hoạt tính của nước thấp nhất khác nhau, tùy loài. Vi sinh vật đặt trong một dung dịch phải lấy nước từ dung dịch ấy để phát triển. Hoạt tính của nước tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch nếu dung dịch quá đậm đặc, hoạt tính của nước quá thấp, vi sinh vật khó phát triển được. Muốn cho vi sinh vật có thể phát triển, nồng độ của dung dịch phải vừa phải để có hoạt tính của nước cao ở mức cần thiết cho vi sinh vật ấy phát triển. Trong môi trường khô ráo, phần lớn vi sinh vật không sống được vì không hấp thu chất dinh dưỡng. Một số vi sinh vật có khả năng lưu tồn được trong điều kiện khô ráo và thường chúng biến đổi thành những cơ quan đặc biệt, thí dụ như: nội bào tử (endospore) của vi khuẩn (chi Bacillus), bì bào tử (Clamydospore) của các loài nấm (Fusarium) hoặc hạch nấm (Sclerotium), Nhờ các cơ quan này có cấu tạo đặc biệt nên chúng không bị mất nước trong điều điện khô ráo. Các cơ quan sinh trưởng của vi sinh vật thường bị mất nước, co rút lại và tế bào có thể chết. Nếu vi sinh vật được đông lạnh trước khi đưa vào điều kiện làm khô ở chân không, nước trong tế bào bị bốc hơi mau lẹ nhưng tế bào vẫn giữ nguyên hình dạng như lúc đã được đông cứng lại, tất cả mọi phản ứng sinh hóa bên trong tế bào đều bị đình chỉ hoàn toàn (tế bào ở trong tình trạng chết tạm thời ). Tuy nhiên, khi đưa vi sinh vật ấy vào môi trường có đủ ẩm độ và nhiệt độ cần thiết, tế bào ấy sẽ hút nước trở lại và phục hồi các phản ứng sinh hóa bên trong nó, đồng thời nếu môi trường bên ngoài thuận hợp vi sinh vật ấy hoạt động trở lại. 3. Áp suất của môi trường (áp suất thẩm thấu, áp suất thủy tĩnh): Áp suất thẩm thấu và áp suất thủy tĩnh có thể ảnh hưởng đến cấu trúc của tế bào vi khuẩn. Màng tế bào chất của tế bào vi khuẩn là bán thấm do đó các hiện tượng thẩm thấu và việc điều chỉnh thẩm áp qua các hệ thống permease đều có liên quan đến màng này. 49
Trong môi trường ưu trương tế bào mất khả năng rút nước và các chất dinh dưỡng hòa tan bao quanh, tế bào chịu trạng thái khô sinh lí, bị co sinh chất và có thể bị chết nếu thời gian kéo dài. Trong thực tế người ta ứng dụng tác dụng co sinh chất của các nồng độ muối cao (10 - 15%) hoặc đường cao (50- 80%) để bảo quản thực phẩm vì đa số vi sinh vật rất mẫn cảm với thẩm áp cao của môi trường. Ngược lại, khi vi khuẩn vào dung dịch nhược trương nước sẽ xâm nhập tế bào, áp lực bên trong sẽ tăng lên. Tuy nhiên, do có thành tế bào cứng ở vi khuẩn không xảy ra ra hiện tượng vỡ sinh chất như ở tế bào thưc vật. Đa số vi khuẩn sinh trưởng tốt trong môi trường chứa ít hơn 2% muối, nồng độ muối cao hơn có hại cho tế bào. Nhưng cũng có một số vi khuẩn lại sinh trưởng tốt nhất trong môi trường chứa tới 30% muối, ta gọi là các vi khuẩn ưa muối (halophilic). Nhiều vi khuẩn ở biển thuộc nhóm này, chúng không có khả năng phát triển ở những nồng độ đường cao. Vi sinh vật có khả năng chịu được áp suất bên ngoài khác nhau tùy loài. Vi sinh vật sống trong không khí chịu được áp suất thông thường, khi bị đưa xuống đáy hồ sâu, chúng không hoạt động được vì áp suất môi trường đã tăng lên (xuống sâu 10m sẽ tăng 1atm). Trong khi đó, các vi sinh vật sống dưới đáy đại dương, tùy theo độ sâu, có thể chịu được những áp suất rất lớn, áp suất ở đây có thể lên đến hàng ngàn lần hơn áp suất nơi mặt biển. Nếu đưa chúng lên mặt biển, chúng không thể sống được. 4. Ảnh hưởng của pH môi trường Mỗi vi sinh vật chỉ có thể hoạt động được trong môi trường có pH giới hạn bởi pH thấp nhất và pH cao nhất. Đồng thời vi sinh vật ấy hoạt động mạnh nhất trong môi trường có pH tối hảo. Phần lớn môi trường ngoài thiên nhiên có pH từ 2,5 - 9 , và phần lớn vi sinh vật có pH tối hảo trong khoảng này. Có rất ít vi sinh vật có thể sống được trong môi trường có pH nhỏ hơn 2 hoặc lớn hơn 10. Phần lớn vi khuẩn hoạt động mạnh ở môi trường trung hòa hoặc hơi kiềm, ngoại trừ một số có thể sống ở môi trường rất chua. Vi sinh vật phạm vi pH Cực tiểu Tối thích Cực đại Thiobacillus thiooxid ans 0.5 2.0-3.5 6.0 Lactobacillus acidophilus 4.0 5.8-6.6 6.8 Rhizobium japonicum 4.2 6.8-7.0 11 Nitrosomonas.sp 7.0 7.6-7.8 9.4 Phần lớn xạ khuẩn 5.0 7.0-8.0 10 Phần lớn nấm men. 3.0 5.0-6.0 8.0 5. Ảnh hưởng của ánh sáng : Ánh sáng mặt trời đến được mặt đất chứa rất nhiều tia có độ dài sóng thay đổi, trong đó mắt của loài người chúng ta chỉ nhận ra được các tia có độ dài sóng từ 400- 800 nm, trên 800nm có tia hồng ngoại, còn tia cực tím (còn gọi là tia tử ngoại) có độ dài sóng từ 300 - 400nm, trong khi phổ của tia cực tím trải rộng từ 13,6 - 400nm Ngoài ra, trong quang phổ của tia cực tím có một khoảng giết được vi sinh vật,nằm trong phạm vi 200 - 300nm. Trong đó, các tia trong phạm vi 230 - 280nm có khả năng sát khuẩn mạnh hơn. Trong phạm vi sát khuẩn, tia có bước sóng 253,7 nm có tác dụng diệt vi 50
sinh vật mạnh nhất. Như vậy trong ánh sáng của mặt trời đến được bề mặt trái đất có chứa một số ít tia cực tím giết được vi sinh vật. Đối với một số vi sinh vật, ánh sáng thấy được cũng có thể làm hại vi sinh vật nếu cường độ chiếu sáng cao và thời gian chiếu sáng kéo dài. Tình trạng này là do một số màu trong tế bào hấp thu ánh sáng vào, làm đình trệ hoạt động của enzym khi có mặt oxy 6. Ảnh hưởng của oxy Oxy có vai trò hết sức quan trọng trong hoạt động sống của vi sinh vật, tùy thuộc vào nhu cầu đối với oxy mà người ta chia ra a/ Vi sinh vật hiếu khí bắt buộc Thuộc nhóm này là các vi sinh vật chỉ có thể sinh trưởng được khi có mặt của oxy phân tử (O2). Chúng có chuỗi hô hấp hoàn chỉnh dùng oxy làm thể nhận Hidro cuối cùng. b/ Vi sinh vật hiếu khí không bắt buộc (tùy nghi) Thuộc nhóm này là các vi sinh vật có thể sinh trưởng được cả trong điều kiện có oxy lẫn không có oxy, nếu có oxy chúng sinh trưởng tốt hơn; như E coli c/ Vi sinh vật Vi hiếu khí : Thuộc nhóm này là các vi sinh vật chỉ có thể sinh trưởng được ở điều kiện áp lực oxy thấp 2 -10 % oxy.Chúng cũng thông qua chuỗi hô hấp và dùng oxy làm thể nhận Hydro cuối cùng. Như các loài Vibrio cholerae. d/ Vi sinh vật kị khí chịu dưỡng. Đó là vi khuẩn kị khí nhưng lại tồn tại được khi có mặt oxy. Chúng không sử dụng oxy, không có chuỗi hô hấp nhưng sự có mặt của oxy không có hại đối với chúng, thuộc nhóm này có Streptococcus, Lactobacillus. e/ Vi sinh vật kị khí: Có 2 loại : loại kỵ khí bắt buộc và loại kỵ khí không bắt buộc -Loại kỵ khí bắt buộc như chi Clostridium, Fusobacterium Với các VSV thuộc nhóm này sự có mặt của oxy phân tử là có hại. Chúng không sinh trưởng được trên môi trường đặc hoặc bán đặc khi để trong không khí hay trong không khí có chứa 10% CO2, chúng chỉ có thể sinh trưởng được ở lớp dịch thể sâu ở nơi không có oxy -Loại kỵ khí không bắt buộc như: Bacillus, Pseudomonas Trong điều kiện hiếu khí, chúng oxy hóa các chất hữu cơ bằng oxy của không khí, còn trong điều kiện kỵ khí, chúng tiến hành oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong thủy vực bằng con đường khử hydro để chuyển hydro cho nitrate và nitrite. 7. Sức căng bề mặt -Vsv thường được nuôi ở môi trường có sức căng bề mặt là 0.57 - 0.63 mN/cm - Nếu sức căng bề mặt thay đổi lớn có thể làm tế bào ngừng sinh trưởng và chết 8.Ảnh hưởng của các yếu tố sinh học 8.1. Sự cạnh tranh thức ăn Cạnh tranh và hợp tác ở vi sinh vật Cạnh tranh vi sinh vật là hậu quả của một mối tương tác cạnh tranh phụ thuộc vào tốc độ hấp thu chất dinh dưỡng và tốc độ trao đổi chất sinh trưởng. Trong một số trường hợp một cơ thể có thể kìm hãm sinh trưởng hoặc trao đổi chất của cơ thể sinh vật khác Đó là do sự tiết một chất kìm hãm đặc biệt (như chất kháng sinh) hoặc do hoạt động sinh lý của một cơ thể tạo ra sản phẩm độc (axit từ lên men đường) Cộng dưỡng: trái ngược với cạnh tranh, với cùng một nguồn dưỡng, một số vi sinh vật cùng hoạt động với nhau để tự tổng hợp một sự chuyển hóa đặc thù mà đứng một mình, một cơ thể không tự tổng hợp được. 51
Cạnh tranh đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng quyết định đến thành phần khu hệ vi sinh vật . Những cơ thể nào hấp thu các chất dinh dưỡng một cách nhanh nhất sẽ áp đảo các cơ thể khác và số lượng cá thể đó tăng nhanh hơn các loài còn loại. Trong qúa trình sinh trưởng, các sản phẩm trao đổi chất được sinh ra nhiều, làm kìm hãm, loại trừ các cơ thể cạnh tranh (những cơ thể nào có sức chịu đựng tốt hơn sẽ tồn tại) Trong một số trường hợp cạnh tranh thức ăn không ảnh hưởng nhiều. Một số ít loài, thậm chí có một loài duy nhất có khả năng sử dụng thức ăn; như vậy một giống thuần khiết rất giàu cá thể của một loài có thể phát triển được Đây là phương thức sống còn để cạnh tranh thành công ở một số vi khuẩn kị khí. Các mối quan hệ cộng dưỡng thường đòi hỏi hai hoặc nhiều vi sinh vật tham gia vào quá trình sẽ có chung một môi trường vì trao đổi chất của một cơ thể này phải được thu nhận dễ dàng bởi loài thứ hai. Một hợp tác trao đổi chất của một số vi sinh vật được thể hiện qua quá trình trao đổi chất bù trừ nhau, như nhóm vi khuẩn nitrat hóa & nhóm nitrit hóa, cùng kết hợp để oxi hóa - NH3 thành NO3 (mặc dù một mình không nhóm nào có khả năng hoàn thành) 8.2. Sinh vật ăn vi khuẩn và nấm Tại các hồ giàu dinh dưỡng và sông biển mhiễm nước thải, hàm lượng vi sinh vật khá lớn, có thể đóng góp một phần chất dinh dưỡng Đông vật không xương sống ở phần lắng đọng được thỏa mãn 1% - 10% nhu cầu vi sinh vật Động vật nguyên sinh cũng cung cấp dinh dưỡng một phần từ vi sinh vật Động vật đa bào(hải miên)có thể hấp thụ 10 -20% hàm lượng các bon ở dạng vi sinh vật Động vật phù du cũng hấp thụ vi sinh vật làm thức ăn. Ngay thực vât cũng có thể ăn vi khuẩn và nấm (nấm lưới nhầy có thể ăn vi khuẩn sống và các tế bào nấm men) Như vậy động vật ăn vi khuẩn có ảnh hưởng đáng kể đến khu hệ vi sinh vật của thủy vực. Sự xuất hiện của chúng trước hết làm giảm vi sinh vật, sau nhiều lần dao động sẽ cân bằng; đến lúc số lượng vi sinh vật giảm dần, tới mức làm số lượng động vật ăn vi khuẩn giảm theo vì thiếu thức ăn. Sau đó số lượng vi sinh vật lại tăng. Trong thủy vực kín thì sự tăng giảm của hai quần thể có thể diễn ra nhiều lần liên tục 8.3.Kháng sinh Trong các yếu tố sinh học ảnh hưởng có hại lên các quá trình sống của vi sinh vật cần kể đến kháng thể và kháng sinh. Chất kháng sinh có thể có từ nhiều nguồn gốc khác nhau như tổng hợp hoá học, chiết xuất từ thực vật, động vật nhưng chủ yếu là được tổng hợp từ vi sinh vật. Đây là các chất đặc hiệu mà ở nồng độ thấp cũng có khả năng ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật một cách chọn lọc. 52
CHƯƠNG IV VI RÚT Vi rút (virus) còn được gọi là siêu vi khuẩn, siêu vi trùng hay cực vi trùng. I. SỰ PHÁT HIỆN RA VI RÚT: Năm 1892 nhà bác học Nga Ivanôpski trong khi nghiên cứu cây thuốc lá bị bệnh đốm ở lá đã phát hiện ra một loại vi sinh vật còn nhỏ hơn cả vi khuẩn, qua được nên lọc bằng sứ xốp, và không quan sát được qua kính hiển vi quang học. Khi đem chúng nuôi cấy trên môi trường nuôi cấy vi khuẩn thì chúng không mọc được nhưng nếu đem tiêm chủng vào lá cây thuốc lá khỏe thì cây khỏe bị mắc bệnh. Từ kết quả trên, Ivanôpski kết luận là có một loại vi sinh vật rất nhỏ đã gây bệnh cho cây thuốc lá và ông gọi là vi rút qua lọc. Vi rút có nghĩa là chất độc. Năm 1898, nhà vi sinh học Hà Lan, ông M.W. Beijerinck, không hề biết sự phát hiện ra vi rút của Ivanôpski, cũng đã nghiên cứu bệnh đốm thuốc lá ( Tobacco Mosaic Virus ) và thu được kết quả như Ivanôpski. Ông kết luận : 1. Bệnh đốm thuốc lá không phải do vi khuẩn gây ra mà do dịch độc sống (contagium vivum fluidum) gây ra. 2. Vi rút qua lọc chỉ sinh sản được trong mô sống của thực vật. 3. Có thể diệt vi rút bằng cách đun sôi. Tuy nhiên nếu chỉ sấy khô thì tính độc vẫn còn. Hai nhà bác học Đức F.Loefler và F.Frosch lần đầu tiên đã phát hiện ra vi rút gây bệnh lở mồm long móng ở gia súc lớn có sừng. Đến năm 1901, các bác sĩ quân y người Anh là V.Reed và D.Carrel đã phát hiện ra vi rút gây bệnh sốt vàng (yellow fever) ở người. Năm 1939, chiếc kính hiển vi điện tử đầu tiên ra đời và cũng từ loài người mới bắt đầu nhìn thấy hình dạng của vi rút. Ngành vi rút học (virology, virologie) đã phát triển hết sức nhanh chóng. Vi rút là nhóm tác nhân quan trọng gây bệnh cho người, gia súc, cây trồng và côn trùng. Gần 80% các bệnh nhiễm trùng ở người là do vi rút gây ra II. ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA VI RÚT Sukhôp (K.C.CyxoB), đã tóm tắt các đặc tính chung của vi rút như sau : 1. Vi rút có kích thước vô cùng nhỏ bé, từ hàng chục đến hàng trăm nm. 2. Không có cấu tạo tế bào như các vi sinh vật khác. 3. Thành phần hóa học rất đơn giản, chỉ bao gồm prôtêin và acid nuclêic. 4. Không có khả năng sinh sản trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp. 5. Ký sinh nội bào. 6. Một số vi rút động vật và thực vật có khả năng tạo thành tinh thể. III. KÍCH THƯỚC VÀ HÌNH DẠNG CỦA VI RÚT : Vi rút có 4 nhóm hình dạng chính: 1. Dạng hình cầu (khối đa diện) (như vi rút cúm, vi rút quai bị, vi rút bạch cầu, arbôvi rút) có kích thước trung bình từ 100 - 150nm. 2. Dạng hình que (Vi rút TMV, vi rút đốm khoai tây) có chiều dài khoảng 200 - 300nm 53