Giáo trình Vi sinh đại cương - Chương 1: Mở đầu

Nội dung text: Giáo trình Vi sinh đại cương - Chương 1: Mở đầu

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA THỦY SẢN Giáo trình VI SINH ĐẠI CƯƠNG Ts. Đặng Thị Hoàng Oanh 2008
2. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CỦA GIÁO TRÌNH 1. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ Họ và tên tác giả: Ts. Đặng Thị Hoàng Oanh Sinh năm 1969 Cơ quan công tác: Bộ môn sinh học và bệnh thuỷ sản, Khoa Thuỷ sản Đại học Cần Thơ E-mail: 2. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG Sinh viên ngành: Nuôi trồng thuỷ sản và bệnh học thuỷ sản Dùng cho các trường Cao đẳng và đại học Từ khoá: vi sinh vật, vi khuẩn, vi-rút, vi nấm, nguyên sinh động vật, Vi khuẩn lam, vi sinh vật nước Yêu cầu kiến thức trước khi học: sinh học cơ bản, sinh hoá 1
3. MỤC LỤC THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ 1 1. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ 1 2. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG 1 MỤC LỤC 2 GIỚI THIỆU 5 Chương 1 MỞ ĐẦU 6 1.1 VI SINH VẬT VÀ VI SINH VẬT HỌC 6 1.2 VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG TỰ NHIÊN VÀ ĐỐI VỚI ĐỜI SỐNG CON NGƯỜI 7 1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT HỌC 8 Chương 2 VI SINH VẬT NHÂN NGUYÊN 14 2.1 VI KHUẨN THẬT 14 2.1.1 Vi khuẩn 14 2.1.1.1 Kích thước và hình dạng 14 2.1.1.2 Cấu tạo tế bào 16 2.1.2 Xạ khuẩn 23 2.1.3 Vi khuẩn lam 24 2.1.4 Vi khuẩn nguyên thủy 26 2.1.4.1 Mycoplasma 26 2.1.4.2 Ricketxi 27 2.1.4.3 Clamydia 28 2.2 VI KHUẨN CỔ 28 2.2.1 Vi khuẩn sinh khí mêtan 28 2.2.2 Vi khuẩn ưa mặn 28 2.2.3 Vi khuẩn ưa nhiệt 29 Chương 3 VI SINH VẬT NHÂN THẬT 30 3.1 VI NẤM 30 3.1.1 Đặc điểm chung của vi nấm 30 3.1.2 Nấm men 31 3.1.2.1 Hình thái của nấm men 31 3.1.2.2 Sinh sản của nấm men 32 3.1.3 Nấm sợi 33 3.1.3.1 Hình thái và cấu trúc của nấm sợi 33 3.1.3.2 Sinh sản của nấm sợi 35 3.2 MỘT SỐ NGUYÊN SINH ĐỘNG VẬT 36 3.3 TẢO 38 Chương 4 VIRUT 41 4.1 LỊCH SỬ PHÁT HIỆN VIRUT 41 4.2 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA VIRUT 41 4.3 HÌNH THÁI VÀ CẤU TẠO CỦA VIRUT 42 4.3.1 Kích thước và hình dạng của virut 42 4.3.2 Cấu tạo của virut 42 4.3.2.1 Axit nucleic (lõi) 42 4.3.2.2 Vỏ protein (capsit) 43 4.3.2.3 Màng bao 44 2
4. 4.3.3 Cấu tạo của thể thực khuẩn 44 4.3.4 Các dạng cấu trúc đối xứng của virut 44 4.3.4.1 Virut đối xứng xoắn 44 4.3.4.2 Virut đối xứng khối 46 4.3.4.3 Virut đối xứng phức hợp 47 4.4 CÁC HÌNH THỨC SAO CHÉP CỦA VIRUT 48 4.4.1 Sao chép ở virut động và virut thực vật 48 4.4.1.1 Giai đoạn hấp thụ trên bề mặt của tế bào ký chủ 48 4.4.1.2 Giai đoạn xâm nhập vào bên trong tế bào chủ 48 4.4.1.3 Giai đoạn tổng hợp các thành phần của virut 49 4.4.1.4 Giai đoạn lắp ráp 50 4.4.1.5 Giai đoạn phóng thích 50 4.4.2 Sự sao chép của thể thực khuẩn (phage) 51 4.4.2.1 Các giai đoạn của chu trình tan 51 4.4.2.2 Các giai đoạn của chu trình tiềm tan 52 Chương 5 DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT 55 5.1 DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT 55 5.2 NGUỒN THỨC ĂN CABON CỦA VI SINH VẬT 56 5.3 NGUỒN THỨC ĂN NITƠ CỦA VI SINH VẬT 57 5.4 NGUỒN THỨC ĂN KHOÁNG CỦA VI SINH VẬT 58 5.5 NHU CẦU VỀ CHẤT SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT 58 5.6 CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO VI SINH VẬT.60 5.7 MÔI TRƯỜNG NUÔI CẤY VI SINH VẬT 60 Chương 6 SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT 61 6.1 ĐƯƠNG CONG SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT 61 6.1.1 Giai đoạn chuẩn bị (pha lag): 62 6.1.2 Giai đoạn tăng trưởng nhảy vọt (pha log): 62 6.1.3 Giai đoạn ổn định (pha ổn định): 62 6.1.4 Giai đoạn chết (pha tử vong): 62 6.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỰ TĂNG TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT 62 6.2.1 Các phương pháp xác định số lượng tế bào 62 6.2.2 Các phương pháp xác định sinh khối tế bào 63 6.2.2.1 Các phương pháp trực tiếp 63 6.2.2.2 Các phương pháp gián tiếp 64 6.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ BÊN NGÀI LÊN SỰ PHÁT TRIẺN CỦA VI SINH VẬT 64 6.3.1 Cơ chế tác dụng của các yếu tố bên ngoài lên vi khuẩn 64 6.3.1.1 Phá hủy thành tế bào: 64 6.3.1.2 Biến đổi tính thấm của màng tế bào chất: 65 6.3.1.3 Thay đổi đặc tính keo của nguyên sinh chất: 65 6.3.1.4 Kìm hãm hoạt tính: 65 6.3.1.5 Hủy hoại các quá trình tổng hợp: 65 6.3.2 Các yếu tố vật lí 65 6.3.2.1 Độ ẩm 65 6.3.2.2 Nhiệt độ 65 6.3.2.3 Áp lực và áp suất thẩm thấu 67 6.3.2.4 Âm thanh 67 3
5. 6.3.2.5 Sức căng bề mặt 67 6.3.2.6 Các tia bức xạ 67 6.3.3 Các yếu tố hoá học 68 6.3.3.1 Ảnh hưởng của pH môi trường: 68 6.3.3.2 Oxi 69 6.3.3.3 các chất diệt khuẩn (sát trùng) 69 6.3.4 Các yếu tố sinh học 70 Chương 7 DI TRUYỀN CỦA VI SINH VẬT 71 7.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ DI TRUYỀN CỦA VI SINH VẬT 71 7.2 DI TRUYỀN Ở VIRUT 72 7.3 DI TRUYỀN Ở VI KHUẨN 73 7.3.1 Hiện tượng biến nạp 73 7.3.2 Hiện tượng tải nạp 75 7.3.2.1 Tải nạp không đặc hiệu 75 7.3.2.2 Tải nạp đặc hiệu 75 7.3.3 Hiện tượng tiếp hợp 76 7.4 DI TRUYỀN Ở VI SINH VẬT NHÂN THẬT 78 7.5 ĐỘT BIẾN VÀ SỰ PHÁT SINH ĐỘT BIẾN 79 Chương 8 SINH CẢNH VÀ VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT NƯỚC 81 8.1 SINH CẢNH VÀ SỰ PHÂN BỐ CỦA VI SINH VẬT NƯỚC 81 8.1.1 Sinh cảnh của vi sinh vật nước 81 8.1.2 Sự phân bố của vi sinh vật trong thuỷ vực 82 8.2 VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG CÁC VÙNG NƯỚC 83 8.2.1 Tham gia phân giải chất hữu cơ trong thủy vực 83 8.2.2 Tham gia các vòng tuần hoàn vật chất trong thuỷ vực 84 8.2.2.1 Vòng tuần hoàn cac bon 84 8.2.2.2 Vòng tuần hoàn oxy 86 8.2.2.3 Vòng tuần hoàn nitơ 86 8.2.2.4 Vòng tuần hoàn lưu huỳnh 87 8.2.3 Vai trò của vi sinh vật trong chuỗi dinh dưỡng của thuỷ vực 88 8.2.4 Tham gia vào sự lắng cặn 89 8.2.5 Vi sinh vật và sự làm bẩn nước 90 8.2.6 Vi sinh vật là các tác nhân gây bệnh trong nước 91 8.2.7 Vi sinh vật và sự tự làm sạch các nguồn nước 91 Chương 9 MẦM BỆNH VI SINH VẬT VÀ CƠ CHẾ BẢO VỆ CỦA VẬT CHỦ 93 9.1 MẦM BỆNH VI SINH VẬT 93 9.1.1 Mầm bệnh vi khuẩn 93 9.1.2 Mầm bệnh nấm 94 9.1.3 Mầm bệnh virut 95 9.2 MIỄN DỊCH HỌC 96 9.2.1 Các loại miễn dịch 96 9.2.1.1 Miễn dịch tự nhiên (bẩm sinh) 96 9.2.1.2 Miễn dịch thu được 96 9.2.2 Các cơ chế miễn dịch trong cơ thể sinh vật 97 9.2.2.1 Miễn dịch do các tế bào đặc biệt 97 9.2.2.2 Kháng nguyên, kháng thể và các phản ứng huyết thanh 98 4
6. GIỚI THIỆU Vi sinh đại cương là môn học cơ sở cung cấp những kiến thức cơ bản cho sinh viên chuyên ngành nuôi trồng thủy sản và môi trường. Là cơ sở để sinh viên tiếp thu kiến thức các môn học chuyên ngành như bệnh học thủy sản, dinh dưỡng, quản lý môi trường và động thái ao nuôi thủy sản. Để học tốt môn vi sinh đại cương, sinh viên cần phải có kiến thức cơ bản về di truyền, sinh học và sinh hóa học đại cương. Phần lý thuyết của giáo trình được biên soạn tập trung vào hai phần chính là phần vi sinh vật học đại cương và vi sinh vật nước. Nội dung môn học bao gồm những kiến thức về lịch sử quá trình phát sinh và phát triển của ngành vi sinh vật, những thành tựu đã đạt được và những triển vọng của ngành vi sinh vật đối với đời sống và sản xuất. Trọng tâm của môn học đi sâu vào những kiến thức về cấu trúc, chức năng và các hoạt động sống của vi sinh vật. Môn học cũng đề cập đến mối quan hệ giữa vi sinh vật với các yếu tố môi trường và vai trò của vi sinh vật trong môi trường nước. Phần tài liệu tham khão sử dụng để xây dựng giáo trình được trình bày sau mỗi chương. Sinh viên có thể tìm thấy các tài liệu này từ thư viện trung tâm hay thư viện Khoa Thuỷ sản. Phần thực hành vi sinh vật học cung cấp những kiến thức hỗ trợ cho phần lý thuyết và cũng là cơ sở để sinh viên tiếp cận các phương pháp cơ bản trong phân tích và nghiên cứu vi sinh vật dùng trong các chuyên ngành môi trường và nuôi trồng thủy sản. 5
7. Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 VI SINH VẬT VÀ VI SINH VẬT HỌC Vi sinh vật học là ngành khoa học chuyên nghiên cứu về vi sinh vật bao gồm: (1) cấu tạo và đời sống của vi sinh vật; (2) đa dạng sinh học và sự tiến hoá của vi sinh vật và (3) vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên nhất là trong đời sống của động, thực vật và con người. Vi sinh vật là các sinh vật có kích thước rất nhỏ muốn thấy rõ được chúng người ta phải sử dụng tới kính hiển vi. Vi sinh vật thường đo bằng micromet (µm) hoặc bằng nanomet (nm). Các vi sinh vật thường là đơn bào hoặc đa bào nhưng có cấu trúc đơn giản và rất kém phân hoá. Khác với các tế bào động vật và thực vật, các tế bào vi sinh vật có khả năng sống, phát triển và sinh sản một cách độc lập trong tự nhiên (hình 1). Hình 1. Cơ thể sinh vật như cây (a) và súc vật (b) có cấu tạo từ nhiều tế bào. Vi sinh vật là những sinh vật đơn bào (c & d). Trong hệ thống phân loại tổng quát, vi sinh vật được chia thành các nhóm là vi sinh vật nhân nguyên thủy (gồm có vi khuẩn, xạ khuẩn, vi khuẩn lam và vi khuẩn nguyên thủy); vi sinh vật nhân thật (gồm có vi nấm, tảo và một số nguyên sinh động vật); và virút (virút là nhóm vi sinh vật đặc biệt chưa có cấu tạo tế bào và là các vi sinh vật có mức độ tiến hoá thấp nhất). 6
8. Các môn học chuyên sâu thuộc ngành vi sinh vật học được phân chia theo từng nhóm vi sinh vật riêng biệt bao gồm virút học, vi khuẩn học, nấm học, tảo học và ký sinh trùng học. Các chuyên ngành nghiên cứu những tính chất riêng biệt của vi sinh vật bao gồm tế bào học, phân loại học, sinh lý học, sinh hóa học, di truyền học vi sinh vật, v.v. Vi sinh vật học có chuyên ngành ứng dụng ở rất nhiều lảnh vực như vi sinh học y học, vi sinh học công nghiệp, vi sinh học thực phẩm, vi sinh học thú y, bệnh lý thực vật, vi sinh học đất, vi sinh học nước, vi sinh học không khí, v.v. 1.2 VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG TỰ NHIÊN VÀ ĐỐI VỚI ĐỜI SỐNG CON NGƯỜI Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất và rất đa dạng về chủng loài. Tuy nhỏ bé nhất trong sinh giới nhưng năng lực hấp thu và chuyển hóa của vi sinh vật vượt xa các sinh vật bậc cao và chúng có tốc độ tăng trưởng và sinh sôi nảy nở cực kì lớn. Trong quá trình tiến hóa lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hòa trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất bất lợi. Năng lực thích ứng của vi sinh vật vượt rất xa so với động vật và thực vật. Vi sinh vật rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống. Do vậy mà vi sinh vật có vai trò quan trọng trong thiên nhiên cũng như trong hoạt động sống của con người. Trong nông nghiệp, vi sinh vật sống trong đất và trong nước tham gia tích cực vào quá trình phân giải các xác hữu cơ thành CO2 và các hợp chất vô cơ dùng làm thức ăn cho cây trồng và các sinh vật khác. Các vi sinh vật cố định nitơ thực hiện việc biến khí nitơ trong không khí thành hợp chất nitơ cung cấp cho cây cối. Vi sinh vật còn có khả năng phân giải các hợp chất khó tan chứa P, chứa K, chứa S và tạo ra các vòng tuần hoàn trong tự nhiên. Vi sinh vật tham gia tích cực trong quá trình hình thành chất mùn. Vi sinh vật là nguồn thức ăn tự nhiên quan trọng trong các thủy vực, là thành phần chủ yếu của các chế phẩm sinh học dùng cho việc quản lý môi trường nuôi thuỷ sản. Một số nhóm vi khuẩn có tác dụng rất lớn trong các hệ thống lọc sinh học. Trong công nghệ thực phẩm, vi sinh vật là lực lượng sản xuất trực tiếp của công nghiệp lên men. Vi sinh vật sinh ra rất nhiều sản phẩm trao đổi chất khác nhau trong số đó có nhiều sản phẩm đa được sản xuất lớn ở qui mô công nghiệp như men bánh mì, rượu etilic, riboflavin, vitamin B2, penixilin, streptomixin, oxitetraxilin Trong các nguồn năng lượng mà con người có thể khai thác mạnh mẽ trong tương lai có năng lượng thu từ khối lượng chất sống của vi sinh vật. Vi sinh vật là động lực để vận hành các bể sinh khí sinh học. Vi sinh vật có vai trò quan trọng trong việc phân giải các phế thải nông nghiệp, phế thải đô thị, phế thải công nghiệp chúng đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, có không ít các vi sinh vật gây bệnh cho người, gia súc, gia cầm, tôm cá và cây trồng. Một số vi sinh vật gây ô nhiễm môi trường. Một số khác hư hao hoặc biến chất lương thực, thực phẩm, nguyên liệu, vật liệu, hàng hóa hay sản sinh các độc tố. 7
9. 1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT HỌC Từ cổ xưa, mặc dù chưa nhận thức được sự tồn tại của vi sinh vật, con người đã có kinh nghiệm trong việc lợi dụng các vi sinh vật có ích và phòng tránh các vi sinh vật có hại trong đời sống và sản xuất như nấu rựu, muối dưa, ủ phân. Ngay từ trước Công nguyên đã có những tài liệu đề cập đến bản chất sống của các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm. Dần dần con người nhận ra sự có mặt của những sinh vật rất nhỏ không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng cho đến năm 1664 điều này mới được xác định khi Robert Hooke (1635- 1703) lần đầu tiên mô tả các tế bào nấm mốc được quan sát dưới kính hiển vi (hình 2). (a) (b) Hình 2. (a) Kính hiển vi do R. Hook sử dụng mô tả các tế bào nấm mốc; (b) Tế bào nấm mốc mọc trên bề mặt da thuộc. Người đầu tiên nhìn thấy và mô tả chi tiết hình thái nhiều loại vi sinh vật là Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) người Hà Lan. Ông là người đầu tiên chế tạo ra những kính hiển vi thô sơ trong đó có những cái có thể phóng đại từ 270-300 lần và Ông đã lần lượt quan sát mọi thứ chung quanh mình và đã nhìn thấy vi khuẩn và ký sing trùng. Tất cả các quan sát và miêu tả của ông đã được xuất bản vào năm 1684 (hình 3). b c Hình 3. (a) Kính hiển vi của Leeuwenhoek; (b) Hình vẽ vi khuẩn xuất bản năm a 1864; (c) Tiêu bản máu của người chụp dưới kính hiển vi của Leeuwenhoek. Những quan sát của Leeuwenhoek được nhiều người khác tiếp tục khẳng định. Tuy nhiên vào thời kỳ này quá trình tìm hiểu về vi sinh vật và tầm quan trọng của chúng trong tự nhiên tiến triển rất chậm. Chỉ tới đầu thế kỹ thứ 19 cùng với sự ra đời của những chiếc kính hiển vi quang học hoàn chỉnh, nghiên cứu về vi sinh vật mới có những bước phát triển rỏ rệt. 8
10. Người khai sinh ra ngành vi sinh vật học thực nghiệm là nhà khoa học người pháp Louis Pasteur (1822-1895). Ông đã chứng minh vi sinh vật không phải tự sinh ra (ngẫu sinh) bằng các thí nghiệm nổi tiếng với các bình cầu cổ cong (hình 4). Hình 4. Thí nghiệm của Louis Partuer chứng minh vi sinh vật không phải tự sinh ra. Ông nhận giải thưởng đặc biệt của Viện Hàn Lâm Khoa học Pháp (1862) về việc phủ nhận học thuyết tự sinh và chứng minh sự có mặt của vi sinh vật trong không khí. Các biện pháp vô trùng trong vi sinh vật học đặc biệt là trong y học và công nghệ thực phẩm đã được phát triển trên cơ sở các thí nghiệm của Ông. Pastuer đã có rất nhiều cống hiến cho vi sinh vật học, nông nghiệp và y học. Nổi bậc nhất là việc việc phát triển vacxin phòng bệnh than, vacxin ngừa bệnh chó dại. Ông là người đầu tiên chứng minh cơ sở khoa học của việc chế tạo vacxin. Tiếp theo Pastuer, nhà bác học Đức Robert Koch (1843-1910) là người có công lớn trong việc phát triển các phương pháp nghiên cứu vi sinh vật. Ông là người đầu tiên nuôi vi khuẩn bệnh than bên ngoài cơ thể sinh vật và chứng minh vi sinh vật là tác nhân gây bệnh. 9