Giáo trình truyền nhiễm và quản lý dịch bệnh

Vi khuẩn có hình thái nhất định, hình thái này do màng vi khuẩn quyết định, trừmột số vi khuẩn không có màng nên không có hình thái cố định, cấu trúc từ ngoài vào trong của tế bào vi khu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÒNG LÂM THÁI NGUYÊN

TS NGUYỄN QUANG TUYÊN - TS PHẠM ĐỨC CHƯƠNG

Chủ biên: TS NGUYEN QUANG TUYÊN

TS NGUYỄN QUANG TUYÊN -JTS PHẠM ĐỨC CHƯƠNG

Chủ biên: TS NGUYEN QUANG TUYÊN

Giáo trình TRUYỀN NHIỄM

LỜI TỰA

Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi ỏ nước ta nói chung và các tỉnh

Miền núi phía Bắc nói riêng phát triển mạnh, tăng nhanh về sô lượng và được cải thiện nhiều về chất lượng Một quy luật tất yếu nẩy sinh trong quá trình phát triển

chăn nuôi là vấn đề dịch bệnh Nhiều bệnh truyền nhiễm mới đã xuất hiện làm giảm sô lượng và chất lượng đàn gia súc, gia cầm và ảnh hưởng đến hiệu quả của ngành chăn nuôi Do vậy, đẻ nâng cao chất lượng giảng dạy, học tập, đáp ứng vói

nhu cầu của công tác dào tạo sau đại học và phục vụ sản xuất, việc biên soạn giáo trình môn học thú y cho ngành chăn nuôi là một nhu cầu cần thiết.

Giáo trình "Truyền nhiễm và quản lý dịch bệnh " là một trong những giáo trình chuyên khoa thú y được biên soạn dể thực hiện nội dung trên Nó không

những giải thích cơ chế sinh bệnh của quá trình truyền nhiễm và nhiều hiện tượng bệnh lý lâm sàng, mà còn dược ứng dụng trong công tác chẩn đoán, phòng và điều trị bệnh.

Trong việc biên soạn giáo trình, chúng tôi cố gắng hệ thống hóa những hiểu

biêt về truyền nhiễm nhằm cập nhật và nâng cao kiên thức thú y cũng như cổng tác quản lý dịch bệnh của Nhà nước cho cán bộ ngành chăn nuôi.

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các bạn dồng nghiệp, đã ít nhiều đóng góp ý kiến vào việc biên soạn giáo trình dể chất lượng giáo trình được nâng cao Lần đầu biên soạn nên không tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận được những nhận xét của bạn đọc.

Xin trân trọng cảm ơn

TẬP THỂ TÁC GIẢ

Trong sự phát sinh và phát triển của bệnh truyền nhiễm động vật cảm thụ, vi sinhvật gây bệnh và điều kiện ngoại cảnh kết thành một khối thống nhất tham gia vàoquá trình này Vi sinh vật gây bệnh là một điều kiện không thể thiêu được trong sự phát sinh của tất cả các loại bệnh truyền nhiễm, nhưng tác dụng quyết định đối vổi xuhưóng và kết quả của quá trình truyền nhiễm lại thuộc về cơ thể động vật và trạngthái cơ năng bảo vệ của chúng.

Đồng thôi, điều kiện ngoại cảnh cũng rất quan trọng trong mối quan hệ giữa

vi sinh vật gây bệnh và cơ thể động vật Nhà sinh vật học Mitsurin đã nói: "Phải xem cơ thê và ngoại cảnh là một khôi thống nhất" tức là phải nghiên cứu cơ thểsinh vật trong điều kiện thống nhất vdi hoàn cảnh bên ngoài, nguyên lý này cũng thích ứng cho động vật và vi sinh vật trong quá trình truyền nhiễm Học thuyếtPaplop cho rằng "Hệ thông thần kinh là khâu chủ đạo trong sự tiến hành bất cứ

quá trình nào trong cơ thể và điều kiện sinh tồn của động vật là nhân tố ảnh hưỏng đên quá trình này" Quá trình sinh ra bệnh truyền nhiễm rất phức tạp, phương thức chủ yêu của truyền nhiễm là phản ứng của cơ thể đối vdi vi sinh vật, nó quyết định kết quả vả quá trình truyền nhiễm của bệnh

4

Chư&ng I

MẦM BỆNH

Bệnh truyền nhiễm có một đặc tính chung là có tính chất lây lan do các loại visinh vật hay mầm bệnh gây ra Mầm bệnh là nguyên nhân trực tiếp gây bệnh truyền nhiễm, chúng có nhiều loại và mỗi loại thưòng gây nên bệnh có đặc điểm riêng

Vi khuẩn' Phần lổn vi khuẩn đòi hỏi những điều kiện nhất định mói gây được bệnh Vi khuẩn tác động bằng nội, ngoại độc tố hoặc bằng những cơ chê lý hóa khác

Vi rút: Thưòng có hưống về một loại tổ chức nhất định, do đó thưồng gây nhữngbiểu hiện giống nhau ỏ những gia súc khác loài Bệnh do vi rút gây nên thưòng lây lan mạnh, có hiện tượng nhiễm trùng và làm trỗi dậy các bệnh ghép khác

Ngoài ra xoắn khuẩn, Rickettsia, Mycoplasma, cũng là những nguyên nhân gâybệnh truyền nhiễm ỏ các loài động vật vổi các đặc điểm riêng của bệnh

và một số có khả năng tiết chất kháng sinh như Bacillus subtilis.

Vi khuẩn có hình thái nhất định, hình thái này do màng vi khuẩn quyết định, trừmột số vi khuẩn không có màng nên không có hình thái cố định, cấu trúc từ ngoài vào trong của tế bào vi khuẩn có 3 phần: Màng - Nguyên sinh chất - Nhân Một số vikhuẩn có giáp mô, nha bào, lông

1 Cấu tạo tế bào vi khuẩn

1.1 Cấu tạo lý hoá học của màng

Màng tế bào chiếm từ 25-30% khối lượng khô của vi khuẩn, màng có nhiều lỏp, mỗi lóp có một chức phận về sinh lý và kháng nguyên khác nhau Màng của vi khuẩnGram âm có cấu tạo tương đối khác nhau

+ ở vi khuẩn Gram dương: Màng có cấu tạo cơ bản là glycopeptit (còn gọi là mucopeptit, peptidoglycan, murein), hàm lượng glycopeptit trong màng tế bào vikhuẩn Gram dương chiếm tới 95% Đó là một phân tử khổng lồ có khối lượng phân

tử hàng tỷ bao quanh vi khuẩn thành một cái túi Màng được cấu tạo bỏi các chuỗi dài polysaccarit, các chuỗi này nối vói nhau bằng cầu nối peptit, chiều dài của màng thay đổi từ 15-80 nm (nanometre- nanometer)

về mặt hóa học màng được cấu tạo bỏi glycopeptit, được tạo nên từ các chuỗi polysaccarit, các chuỗi này được cấu tạo từ nhiều loại đưồng khác nhau gắn vói các đưòng amin

Các mạch peptit đều tương đối ngắn, hầu hết gồm có: alamin, lyzin, axit D glutamic, glyxin và axit diaminopumelic, axit này là một yếu tố đặc hiệu của màng tê bào vi khuẩn

Ngoài ra côn có thể thấy ỏ màng tế bào vi khuẩn Gram dương có các axit teicoic(AT) là các đồng phân của ribitolphotphat và glyxerolphotphat

+ ỏ các vi khuẩn Gram âm: cấu trúc màng của vi khuẩn Gram âm rất phức tạp, ngoài glycopeptit còn có thêm các cấu trúc lipit và polypeptit nữa Quan sát dưổi kínhhiển vi điện tử có thể thấy màng gồm 3 lóp dày đặc đối vói các điện tử, giữa là mộtlớp sáng và lóp trong cùng thì đục hơn đối vói các điện tử, chiều dày của màng là 6-

15 nm

về mặt hóa học màng của các vi khuẩn Gram âm có từ 5-10% glycopeptit tương

tự như glycopeptit của vi khuẩn Gram dương, ngoài ra cỏn thấy lipit tự do 20%,lipoprotein 50%, polysaccarit 20% những chất này đã tạo nên nội độc tố của vi khuẩn Gram âm Ví dụ: như các vi khuẩn đường ruột

Màng tế bào vi khuẩn là một cấu trúc bảo vệ, có thể cỏn là một bức tưòng của tế bào vi khuẩn Màng tế bào vi khuẩn có các chức năng sau:

+ Là khung để giữ cho tế bào vi khuẩn có hình thái nhất định, vì màng có cấu trúc cứng chịu được áp suất nội tế bào (áp suất này khoảng 25 atmosphere), vì thế giúp cho vi khuẩn chống được các tác nhân vật lý v’à hóa học có hại ỏ bên ngoài như không bị phá hoặc vỡ khi bị xử lý bằng các thuốc tẩy mạnh

+ Là nòng cốt của kháng nguyên thân (kháng nguyên 0):

các vi khuan Gram dương: Chính câu -trúc polyozit của glycopeptit đã quyếtđịnh tính chất đặc hiệu về miễn dịch của kháng nguyên

6

- ở các vi khuẩn Gram âm: màng tạo thành kháng nguyên 0, kháng nguyên này

có tầm quan trọng trong công tác chẩn đoán

+ ở các vi khuẩn gây bệnh, màng tế bào có vai trò nhất định tíong khả năng gâybệnh của vi khuẩn vì một số thành phần của màng mang tính chất độc, do đó gây nênhội chứng lâm sàng của các bệnh nhiễm khuẩn như nội độc tố của các trực khuẩn Gram âm

Vai trồ của màng vi khuẩn trong phương pháp nhuộm Gram

Việc phân biệt ra hai loại vi khuẩn Gram dương (+) và vi khuẩn Gram âm (-) được

đề xuất năm 1889 bỏi nhà vi khuẩn học Đan mạch Christian Gram Muốn nhuộm Gram trưỏc hếtngưới ta nhuộm tiêu bản đãđược cố định bằng Cristalviolet sau đó xử

lý bắng dung dịch lugol, rồi tẩy màu bằng cồn hoặc bằng axeton, cuối cùng nhuộmbằng íìichsine hay safranin Vi khuẩn được coi là Gram dương (+) nếu không bị tẩymầu khi xử lý bằng cồn hoặc axetol tức là vẫn giữ màu tím của Cristalviolet, cỏn vikhuẩn được coi là Gram âm (-) thì khi được tẩy bằng cồn hơặc axeton bị mất màutím của thuốc nhuộm thứ nhất và sau đó sẽ bắt màu của thuốc nhuộm thúhai tức màuhồng của tùchsine hoặc safranin

Màng tế bào vi khuẩn cộ vai trỏ quyết định tính chất bắt màu Gram, bổi nguyênsinh chất của mọi vi khuẩn đều bắt màu Gram âm, mặc dầu ỏ các vỉ khuẩn có nguổngốc là vi khuẩn Gram dương Nêu nguyên sinh chất còn lại một số mảnh glycopeptít thì trình độ dương tính của Gram mạnh hay yêu liên quan đến sô lượng côn lại ít hay

nhiều của mảnh này

Cơ chê nhuộm Gram đã được nghiên cứu nhiều nhưng cho đến nay vẫn chưađượcgiải quyết triệt để Dù sao thì cơ chế nhuộm Gram cũng phụ thuộc vào nhiều yêu tố

lý hóa học của tế bào vi khuẩn

Có nhiều giả thiết về cơ chế nhuộm Gram nhưng có hai giả thiết được chú ý nhiều nhất:

Giả thiết hoá học ' '

Giả thiết này cho rằng ỏ vi khuẩn Gram dương có cấu tạo hóa học trong té bào cónhững chất đặc biệt mà ỏ vi khuẩn Gram âm không có hoặc có rất ít, đó là nhữngprotein kiềm, muối magiê và axít nucleic Khi nhỏ crystalviolet rồi xử lý bằng lugol,các chất trên thấm vào tíong tế bào và tạo vói các chất đặc biệt có trong tế bào thành một phức hợp protein ribonucleat magiê oid pararosarãlin Chất này'Cố định thuốc

nhuộm trong tế bào, thuốc nhuộm này bền vững và không bị hỏa tan trong cồn hoặc axeton, vì thế khi tẩy màu, vi khuẩn Gram dương vẫn giữ được màu tím của Cristalviolet, cuổi cùng khi nhỏ fuchsine, do té bào đã nhuộm màu tím nên không bătmàu hồng của fuchsine nữa.

Trái lại vói các vi khuẩn Gram âm, phức hợp trên không hình thành, không cố định được thuốc nhuộm vì thế bưổc tẩy màu đã lảm vi khuẩn mất màu, do đó khi nhỏ fuchsine vi khuẩn sẽ bắt màu hồng củafuchsine

Giả thiết về cấu trúc màng

Tính chất bắt màu Gram là do tính thấm của màng tế bào quyết định, tính thấmnày mạnh ỏ các vỉ khuẩn Gram âm, nó cho phép cồn và axeton lôi kéo được thuốc đãnhuộm trong tế bào rangoài Giả thiết này có vẻ có giá trị hơn, vì nó phù hợp vói cấutrúc hóa học của màng tế bào vi khuẩn Gram dương và Gram âm Tuy nhiên mức độ bền vững của thuốc nhuộm vói nguyên sinh chất tế bào cỏn phụ thuộc vào điều kiệnnuôi cấy, thành phần đinh dưỡng của môi trưởng và thòi gian nuôi cấy vi khuẩn

Trong điều kiên đó vi khuẩn Gram dương chuyển thành vi khuẩn Gram âm

Ví dụ: Vi khuẩn Clostridium Chauvoei bắt màu Gram dương Ưong canh trùngnon, Gram âm trong canh trùng già

* Màng nguyên sinh chất hay màng tế bào chất (Cytoplasmic membrane,

protoplasmic membrane).

Dưói lóp màng tế bào là lóp màng nguyên sinh chất (Cytoplasmic membrane), lóp màng này bao bọc toàn bộ khốinguyên sinh chất và nhân

* Phương pháp nghiên cứu màng nguyên sinh chất:

+ Dùng phương pháp tách nguyên sinh chất: Đặt vi khuẩn vào một dung dịch ưu trương, nước thoát khỏi tế bầo vi khuẩn, vi khuẩn co lại, nguyên sinh chất tách khỏimàng tế bào làm xuất hiện một màng chiết quang bao bọc, phương pháp này cỏnchứng minh được nhiệm vụ của màng nguyên sinh chất trong việc thẩm thấu của tế bào

+ Bằng phương pháp nhuộm màu nguyên sinh chất bắt màu tổt hơn

+ Phương pháp tạo thành các tế bào không có màng (protoplast): ở các vi khuẩnGram dương nếu làm tan màng tế bào bằng phương pháp men ly giải trong môitrưởng ưu trương sẽ hình thành các protoplast, vi khuẩn này trợ trụi, không có màng,

8

có hình trôn giổi hạn bỏi màngnguyên sinh chất Đặt các protoplast trong môi tníồng nhược trương, nó sệ trương lên,tế bào bị vổ ra và sau khi ly tâm sẽ thu được màng

nguyên sinh chất dưổi dạng các bóng rỗng

/

+ Phương pháp soi kính hiển vi điện tử: Màng nguyên sinh chất nhìn thấy mộtcách rõ ràng

* Cấu trúe của màng nguyên sinh chất:

Dưỏi kính hiển vi điện tử có thể quan sát thấy màng nguyên sinh chất có độ dày từ 50-100 A° Màng có cấu tạo bỏi ba lớp:

Lổp ngoài cùng và lóp trong cùng là hai lớp protein, ỏ giữa là lớp phốtpholỷpit,lóp phốtpholipit gồm hai lóp phân tử, một lóp có gốc quay vào trong, một lóp có gốcquay ra ngoài Sự phân bố protit và phốtpholipit ỏ màng nguyên sinh chất khác nhau

ỏ từng vùng, có những vùng nhiều protit, ít phốtpholipit và ngược lại Sự phân bố đótạo ra các lỗ hổng trên màng nguyên sinh chất vi khuẩn, những lỗ hổng này có chứamột loại protein đặc biệt có tác dụng vận chuyển chất dinh dưỡng vào tế bào gọi là các pecmeaza hay protein vận chuyển

Như vậy ỏ vi khuẩn màng nguyên sinh chất đơn giản hơn nhiều so với màng của

tế bào, nó chủ yếu gồm hai thành phần phốtpholipit và protein Phần phốtpholipit đãđược nghiên cứu khá tỷ mỉ, ổ nhiều vi khuẩn Gram dương, phần lipit chủ yếu của tế bào (có khi là hầu hết khối lượng lipit) tập trung ỏ màng nguyên sinh chất

Các phôtpholipit thưồng gặp ỏ màng nguyên siiìh chất của vi khuẩn là cardiolipit,photphatidilglyxerol, photphatidiletanolamin, axit photphatidic và một đôi khi là lexitin

Phần protein của màng nguyên sinh chất cho đến nay vẫn cỏn ít được nghiên cứu,nhưng nói chung nó chứa đủ các loại axit amin thưồng gặp Protein củamàngnguyênsinh chất tồn tại dưói hai dạng: dạng protein và dạng enzym

Ngoài hai thành phần chính là photpholipit và protein, trong màng nguyên sinh chất của vi khuẩn còn chứa một ít các thành phần khác, khoảng 2-5% hydratcacbon, một số ítchứa glycolipit, một lượng nhỏ ARN (axit ribonucleic) trong màng nguyên sinh chất có thể chứng minh cho sự có mặt của riboxôm trong màng nguyênsinhchất

* Màng nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn đảm bảo các chức năng sau đây:

+ Duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào

+ Đảm bảo việc chủ động tích lũy các chất dinh dưỡng trong tế bào và thải các sản phẩm trao đổi chất rangoài tế bào.

+ Là nơi xảy ra quá trình sinh tổng hợp một số thành phần của tể bào, nhất là các thànhphần của màng tế bào và giáp mô

+ Là nơi chứa một số enzym, đặc biệt là enzym chuyển hóa hô hấp, các xytocrom,các enzym của các chu trình tricacboxylic Mặt khác nó cũng là nơi chúa các cơ quancon của tế bào như ribôxôm, mêzôxôm

+ Nhiệm vụ trong phân chia tê bào: ngưôi ta thấy các mêzôxôm và màng nguyênsinh chất hình như chỉ đạo việc phân chia tế bào vi khuẩn Nó có một sự Hên kếtkhông đổi giữa nhân và màng nguyên sinh chất qua khâu trung gian là mêzôxôm.Trong quá trình phân chia tế bào, các mêzôxôm lổn dần lên cùng vói thể tích củanhân nhiễm sắc thể tách đôi, các mêzôxôm đồng thòi cũng tách đôi, chúng xa dầnnhau và kéo theo nhân tách xa nhau và giữa tế bào xuất hiện một vách ngăn, quátrình phân chia kết thúc

Tóm lại màng nguyên sinh chất và mêzôxôm đóng vai trỏ chính giống như ty lạpthể và tham gia một cách chủ động vào các hiện tượng phân chia

1.2 Nguyên sinh chất (Cytoplasm)

Nguyên sinh chất hay tế bào chất (Cytoplasm) là thành phần chính của té bào vikhuẩn Đây là một khói ỏ trạng thái keo chứa 80-90% nước, thành phần cỏn lại chủyếu là lipoprotein

Khi cỏn non nguyên sinh chất có cấu tạo đồng nhất, bắt màu giống nhau khi nhuộm màu Khi già do xuất hiện những không bào và các thể ẩn nhập (thể vùi, granula, inclusion) mà nguyên sinh chất trỏ nên có dạng lổn nhổn, bắt màu không đều và có tính chiết quang khác nhau

Nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn rất khác với nguyên sinh chất của tế bàothực vật Trong tế bào thực vật, nguyên sinh chất có một cấu trúc phức tạp vói trung thể^centrosome), ty lạp thể (mitochrondia), bộ máy golgi, không bào và lạp thể, cóchuyển động dông nội bào, chuyển động amíp cỏn ỏ vi khuẩn cấu trúc của nguyên

sinh chất đơn giản hơn, trong nguyên sinh chất của các vi khuẩn tníỏng thành ngưồi

•

ta quan sát thấy nhiều cơ quan con khác nhau: mêzôxôm, ribôxôm, không bào, các hạt dự trữ, qác hạt sắc tố (ỏ một số vi khuẩn) và các cấu trúc của nhân

10

* Mêíôxôm (mesosome)

Là một thể hình cầu giống như một bong bóng nằm trong nguyên sinh chất gầnvách ngăn ngang và chỉ xuất hiện khi tế bào phân chia, dưói kính hiển vi điện tửtrông giống như một phần lổm vào của màng nguyên sinh chất Mêzôxôm có đưòngkính khoảng 2500 A° và gồm nhiều lớp màng bện chặt lại vổi nhau, chiều dày mỗimàng vào khoảng 75 A° Mêzôxôm có vai trỏ quan trọng trong quá trình phân chia tế bào và hình thành vách ngăn ngang Có nghiên cứu cho rằng mêzôxôm là nơi đểtrùng hợp các phân tử nhỏ thành các phân tử lớn cần thiết cho sự xây dựng’màng tế bào Trong mêzôxôm có nhiều hệ thống men chuyển vận điện tử, mêzôxôm có liên quan mật thiết vói nucleoid của tế bào vi khuẩn, ngưòi ta-thưòng tìm thấy một đến haimêzôxôm trong mỗi tế bào

* Ribôxôm (Ribosome)

Gồm màng lưói nội chất và những hạt nhỏ có kích thưóc 250 A°, tên gọi ribôxôm

có nghĩa là thể ribonucleic vì trong ribôxôm có chứa một lượng lón ARN

Ribôxôm của vi khuẩn chứa khoảng 40-60% ARN, 35-60% protein, ngoài ra ribôxôm còn chứa một ít lipit, một số men như ribonucleaza, nexinaminopeptidaza,p-galactozidaza và một ít chất khoáng (nhiều Mg và ít Ca hơn so vói các phần khác của tế bào) Phần protein của ribôxôm có trọng lượng phân tử khoảng 25000làm thành một màng lưới bao quanh phần ARN Trong tế bào vi khuẩn ribôxôm nằmchủ yếu trong nguyên sinh chất, một phần nhỏ bám trên màng nguyên sinh chất

Ribôxôm tồn tại dưói dạng những hạt gồm hai tiểu thể lón có kích thưóc khác nhau Ớ vi khuẩn tiểu thể lón của ribôxôm có hằng số lắng là 50S (S là đơn vị củaSvedberg, 1S=1013 cm/giây), tiểu thể nhỏ có hằng só lắng là 30S Ribôxôm gồm cả hai tiểu thể có hằng số lắng là 70S Hai ribôxôm dính liền vdi nhau (gồm bốn tiểuthể) có hằng số lăng là 100 s Có thể tách hoặc liên kết vói các tiểu thể của ribôxômbằng cách thay đổi nồng độ ion Mg*' trong môi trường

Mỗi tế bào vi khuẩn có trên 10.000 ribôxôm, ỏ tế bào E.côli đang phát triển mạnh

mẽ có khoảng 15.000 ribôxôm

Ribôxôm là trung tâm tổng hợp của tế bào, nhưng không phải tất cả các ribôxômđều có khả năng tham gia vào quá trình này, số ribôxôm tham gia tổng hợp protein thưồng không quá 5-10% tổng số ribôxôm có trong tê bào Những ribôxôm ỏ dạnghoạt động này thưòng tập hợp lại gồm vài ribôxôm gọi là polyribôxôm hay polyxôm (polyribosome, polysome)

Trong polyribôxôm các ribôxôm được liên kết vói nhau nhò sợi ARN thông tín.Các ribôxôm tự do gắn vào một đầu của tập hợp được hoạt hóa nhò kết hợp vổi ARN thông tin rồi bắt đầu di chuyển dần dọc sợi ARN thông tin Chuỗi polyribôxôm liên kết vói ribôxôm dài dần ra do tuần tự được lắp thêm các axit arriin mói Khi đã đọcxong một sợi ARN thông tin và giải phóng ra một chuỗi polypeptit mổi thì ribôxôm lại tách khỏi đầu cuối của tập hợp, sau đó chuẩn bị tham gia đọc một sợi ARN thôngtin khác.

* Các hạt khác

- Các hạt dự trử hay thể vùi:

Trong nguyên sinh chất của tê bào vi khuẩn ngoài các cơ quan nói trên còn gặpcác dạng có hình dạng và kích thước khác nhau đó là hạt đự trữ được hình thành khi

tế bào tổng hợp thừa các hợp chất đó và được sử dụng khi tế bào thiếu thức ăn Hạt

dự trữ gồm có lypoit, gluxit và các chất vô cơ, ngoài ra ỏ một số loài vi sinh vật còn

có các tinh thể có khả năng giết chết các côn trùng

- Không bào:

Không bào là một tổ chức có hình cầu hoặc bầu dục bao bọc bỏi một lớp màng,không bào (tonoplast) có cấu trúc hóa học là lypoprotein, trong không bào chứa đầydịch tế bào.Sự hình thành không bào và kích thưóc của nó chịu ảnh hưỏng rất nhiều bỏi thành phần môi trưồng và giai đoạn phát triển của tê bào vi khuẩn

Không bào đóng vai trò nhất định ứong việc điều chỉnh áp suất thẩm thấu của tế bào, mặt khác nó cũng là nơi chứa những sản phẩm bất lợi của quá trình trao đổi chất

Tóm lại nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn không có chuyển động dông nội bào, bộ phận biệt hóa, trung thể (Centosome), lưót golgi, ty lạp thể (mitochrondia) nhưng có nhiều ribôxôm, điều đó giúp vi khuẩn có khả năng tổng hợp rất lổn

tê bào vi khuẩn nguyên sinh chất cũng chứa nhiều ARN vì thê khi nhuộm tê bàovổi các thuốc nhuộm kiềm không thể phân biệt được nhân và nguyên sinh chất, chỉ

có dùng phương pháp nhuộm riêng biệt ARN và ADN mới có thể phát hiện ra nhân của vi khuẩn

Hiện nay bằng nhiều phương pháp khác nhau ngưòi ta có thể dễ dàng phát hiện sự tồn tại của ADN, điều đó giúp ta phát hiện ra nhân của vi khuẩn

- Phản ứng Fơnghen (Feulgen): Đầu tiên dùng HC1 1/10 để thủy phân tinh bộtnhằm tách đường dezoxi-riboza (desoxyribose) ra khỏi các gốc kiềm pirimidin vàgiải phóng ra các nhóm aldehit (aldehyde) tự do Dùng thuốc nhuộm Sip (Schiff) để nhuộm các gốc aldehit tự do này thành màu đỏ tím

Khó khăn chủ yếu khi nhuộm ADN là sự có mặt của ARN vdi một số lượng lổn trong tế bào vi khuẩn Để giải quyết vấn đề này có thể dùng enzym ribonucleazahoặc axit để thủy phân ARN sản phẩm thủy phân của ARN không cho phản ứng màu vổi các thuốc nhuộm Sip, theo phương pháp này nhân có màu đỏ, nguyên sinhchất có màu hồng nhạt

Ngoài ra cỏn có thể phát hiện ADN nhân vi khuẩn bằng nhiều phương pháp khác nhau như nhuộm và không thủy phân

+ Nhuộm trực tiếp nhân bằng azuametylen eosinat (phương pháp của Piéchaud)

+ Nhuộm chất huỳnh quang acridin da cam, nhân có màu đỏ da cam, cỏn nguyên sinh chất có màu vàng

Có thể sử dụng phương pháp phân tích quang phổ hoặc phương pháp sử dụng chất đồng vị phóng xạ để phát hiện vị trí tồn tại của ADN trong tế bào vi khuẩn hoặc cóthể quan sát nhân bằng kính hiển vi điện tử

Cần chú ý rằng dù bằng phương pháp nào cũng chỉ thấy rõ nhân ỏ tế bào vi khuẩn đang ỏ giai đoạn tăng sinh mạnh

* Cấu trúc của nhân vi khuẩn

Nhân tê bào vi khuân không phân hóa thành khôi rõ rệt như của tế bào nhiều visinh vật khác (nấm men, nấm mốc, tảo ) mặc dù việc tranh luận về nhân vi khuẩn đã kéo dài trong nhiều năm nay, nhưng cho đến giò vẫn chưa thống nhất ý kiến

Trước đây có tác giả cho rằng vi khuẩn không có nhân hoặc chỉ là các hình thức tương tự như nhân, có ý kiến cho rằng nhân chưa phải là nhân thật sự mà là các hạt nhiễm sắc (chromatin bodies) phân tán trong nguyên sinh chất, có ngưòi cho rằngnhân vi khuẩn chưa phải là nhân thật sự mà là các nhiễm sắc thể (chromosome) riêng

biệt Vổi những nghiên cứu mói đây về di truyền học và kỹ thuật kính hiển vi điện tử,ngưồi ta thấy cấu trúc của ADN vi khuẩn chưa phải là nhân thực sự (nucleus) mà là thể nhân (nucleoid nuclear body), thể nhân được coi như nhiễm sắc thể cấu tạo bỏiADN xoắn kép rất dài.

Quan sát vi cấu trúc của thể nhân nhận thấy:

+ về bình dạng thể nhân có hình cầu, kéo dài như hình que hay hình quả tạ hayhình chữ V

+ Không có màng nhân giói hạn giữa thể nhân và nguyên sinh chất rất rổ rệt

+ Có cấu trúc sợi nhỏ có đưồng kính từ 3 - 8 nm, đó là nhiễm sắc thể độc nhất của

tế bào, cấu tạo bỏi một sợi ADN xoắn, nếu mỏ vòng xoắn ra thì sợi dài Imm, đó chính là sợi ADN có dạng vỏng tròn và chỉ có một phân tử ADN đóng kín

* Sự phân chia của vi khuẩn

Trong quá trình phân bào, nhân vi khuẩn phân chia đơn giản bằng cách tách đôi, không có sự gián phân bỏi vi khuẩn chỉ có một nhiễm sắc thể duy nhất

Sự cắt đôi của nhân liên quan vói sự tăng lên của mảng nguyên sinh chất và mêzôxôm Theo Jacob và Ryter, nhiễm sắc thể phải nối vói màng tế bào Ớ điểm tiếp xúc, sự chỉnh lý giữa sự sao chép của ADN và sự phát triển của tế bào đã được thực hiện, đó là hai hiện tượng đã được xác định sự phân chia của tế bào

về số lượng tế bào vi khuẩn có thể khác nhau tùy theo từng giai đoạn sinh trưỏng, phát ưển của vi khuẩn, thưởng thì sự phân chia của nhân đi trưóc sự phân chia của nguyên sinh chất, do đó ổ một giai đoạn nhất định của sự phát triển, một số vi khuẩn hình như có bốn nhân, bỏi vì vi khuẩn này đã là hai tế bảo con và sắp sửa phân chia thành bốn tế bào

Chức năng nhân của tê bào vi khuẩn cũng như chức năng nhân của tế bào vi sinhvật cao câp chủ yếu gồm hai mặt là: điêu khiến việc tống hợp protit và di truyền mọitính chất của tế bào cho thế hệ sau

1.4 Giáp mô

<

ở một số vi khuẩn, bên ngoài màng tế bào cỏn được bao bọc bồi một lớp vỏ nhầy hay dịch nhầy, vỏ nhầy có hai loại: vỏ nhầy lón (Macrocapsule) có kích thưổc lổn hơn O,2|1 có khi dày đến 10-20 (1 Ngưdi ta cỏn gọi lổp vỏ nhầy này là giáp mô (Capsule)

14

Để quan sát giáp mô ngươi ta có thểdùng phương pháp nhuộm đặc biệt hoặc dùng phương pháp làm tiêu bản âm bằng cách trộn vikhuẩn vói mực tàu.

Một số vi khuẩn tuy không có giáp mô nhưng tế bào vẫn được bao bọc bơi một lóp dịchnhầy, không có giói hạn nhất địnhvà không oó cấu trúc rõ rệt

Kích thưóc giáp mô cũng như thành phần hóa học của giáp mô thay đổi tùy loại vi khuẩn Phần lón giáp mô cấu tạo bổi các hợp chất hydratcacbon phúc tạp

đó là polysacứarit, hemopolysaccarit hoặc herotopolysaccarit, đây là nhũng, hợp chất cao phân tử chứa cùng một gốc đương Loại hemopolysaccarit được biếtnhiều nhất là dextran Ngoài các hợp chất hữu cơ trên, thành phần hóa học cònlại của giáp mô chủ yếu là nưóc, có tói 98% trong thảnh phần hóa học cúa giápmô

Giáp mô còn là nơi tích lũy các chất dinh dưỡng Khi chất dinh dương trong môitrương cạn dần, vi khuẩn sẽ tiêu thụ đến các chất dự trữ trong giáp mô và làm chogiáp mô tiêu biến đi

Vi khuẩn có giáp mô khi sinh trương và phát triển trên môi trương đặc sẽ tạo ra những khuân lạc (Colonies) khô, nhám, xù xì gọi là khuân lạc dạng R (Rough: xù xì)-

Vi khuẩn không có giáp mô sẽ tạo thành khuẩn lạc trơn, ưổt, bóng, gọi là khuẩn lạcdạng s (Smooth: trơnbóng), cỏn những vi khuẩn có lớp dịch nhầy, rất nhầy thi sẽ tạo

rã những khuẩn lạc nhầy nhổt gọi là khuẩn lạc dạng M (Mucoid: nhầy nhớt) Trongđiều kiện nào đó vi khuẩn có thể chuyển từ khả năng tạo khuẩn lạc dạng R sangkhuẩn lạc dạng s

Giáp mô giúp cho vi khuẩn đề kháng mạnh hơnvơi những điều kiện bất lợi, ỏ các

vi khuẩn gây bệnh giáp mô có vai trò làm tăng cương sức gây bệnh giúp cho tế bàochống lại hiện tượng thực bào của bạch cầu, đồng thòi mang tính chất kháng nguyên,

nó là yêu tố độc lực của vi khuẩn

Sự tạo thành giáp mô chịu ảnh hương bơi nhiều yếu tố môi trường sống như vikhuẩn Azotobacter chroococcum khi phát triển trên môi trương chứa nhiều hydratcacbon và ít nitơ sẽ tạo ra lóp giáp mô dầy hơn so vói khi phát triển trên môi trương chứa nhiều nitơ

Một số vi khuẩn chỉ tạo thành giáp mô trong điều kiện bất lợi, một số khác chỉ hình thành giáp mô khi đã xâm nhập vào cơ thể ký chủ Ví dụ như vi khuẩn nhiệtthán Bacillus anthracis.

1.5 Lông và khả năng di động của vi khuẩn

Một số loại vi khuẩn có khả năng di động một cách chủ động là nhô những cơquan đặc biệt gọi là lông (flagellar: cái roi hay cỏn gọi là lông) do Erenberg phát hiện

ta năm 1938

Lông của vi khuẩn cỏ kích thưỏc rất mảnh, chiều rộng khoảng 0,01-0,05 |x; còn chiềudài thì thay đổi tùy từng loạivi khuẩn, trungbình6-9 Ị1, có khi dài đến 80-90 p

♦ Cấu tạo của lông

Bằng các phương pháp nhuộm đặc biệt làm tăng cưởng đường kính của lông rồiquan sát trên kính hiển vi quang học; bằng kỹ thuật nhuộm huỳnh quang cũng chophép quan sát được lông vi khuẩn, ngoài ra cũng có thể nhìn thấy lông vi khuẩn trênkínhhiểnvi có tụ quang nền đen và kính hiển viphản pha

Đặc biệt bằng kính hiển vi điên tử có thể quan sát thấy: lông của vi khuẩn là những sợi nguyên sinh chất rất mảnh xoắn lại vói nhau, lông xuất phát từ lópngoại nguyên sinh chất (excytoplasm) rồi xuyên qua màng nguyên sinh chất và màng tế bào rồi ra ngoài, ở gốc lông có một hạt nhỏ gọi là hạt gốc(blefaroplaste) Hạt gốc có đưỏng kính khoảng 40 A° và nằm ồ mặt trong của màng nguyên sinh chất

Lộng cố định vào tế bào vi khuẩn nhô một cái móc (crochet) có đưồng kính lổnhơn đưồng kính của sợi lông một ít và có cấu tạo là protêin Trên móc này có mang bốn vỏng nhẫn khác nhau (nhẫn L, nhẫn p, nhẫn s và nhẫn M), xuyên qua bốn vỏngnhẫn là thanh lõi, đoạn dài mang bốn vồng nhẫn này gọi là thể gốc Thể gốc của các

vi khuẩn Gram dương chỉ có một đôi vỏngnhẫn

Lông củavi khuẩn có cấu tạo hóa học chủ yếu là protein Protein của vi khuẩn gọi

là flagellin có trọng lượng phân tử khoảng 30.000-40.000 Flagellin của lông là cơ sỏ của kháng nguyên H (H-antigene) ỏ vi khuẩn

Khi trong huỳết-thanh của động vật có tồn tại kháng thể H tương ứng thì sẽ xẩy ra

sự kết dính cáclông củavi-khuẩnùại vổi nhau tạo nên phản ứng ngưng kết

16

* Vị trí và số lượng lông

Vị trí sắp xếp và số lượng lông trên thân vi khuẩn thay đổi tùy từng lọai vi khuẩn

Có nhiều loại vi khuẩn không có lông (atricha) có loại chỉ có một lông ồ đầu gọi là đơn mao (monotricha), có loại mỗi đầu có một lông gọi là song mao hay lưỡng mao (amphotricha) hoặc lưỡng chùm mao (dilophotricha), có nhiều loại vi khuẩn lông mọc ỏ khắp cơ thể gọi là chu mao (peritricha)

Khả năng hình thành lông và năng lực di động của vi khuẩn thưòng liên quan mậtthiết với thành phần dinh dưổng của môi trưòng, điều kiện nuôi cấy, nhiệt độ quá caohay thấp quá, các chất độc, các thuốc mê, các sản phẩm trao đổi chất của vị khuẩn,không những ảnh hưỏng tói mức độ di động mà cỏn có thể đình chi hoàn toàn sự didộng

Để xác nhận sự có mặt của lông cũng như khả năng di động của vi khuẩn ngoài phương pháp quan sát trực tiếp dưói kính hiển vi điện tử và kính hiển vi quang học, cỏn có thể sử dụng các phương pháp gián tiếp như quan sát đưồng cấy chích sâu trênmôi tntòng thạch mềm chứa 5% thạch

Vị trí phân bố của lông ửên vi khuẩn, quyết định đặc tính của vi khuẩn Tốc độ diđộng của những vi khuẩn có lông mọc ỏ một đầu có khả năng di động nhanh, mạnh

và theo một đưỏng rõ rệt, tốc độ này có thể đạt tói 60 |1 giây, có loại đạt 200 |1 /giây Còn vi khuẩn có chùm mao thì di động chậm hơn và không theo một quy luậtnhấtđịnh nào, di động lung tung tứ phía

Năng lượng cung cấp cho quá trình di động hiện chưa rõ, song có lẽ nguồn nănglượng được tạo ra từ ATP giốngnhư lông của các nguyên sinh động vật

Sự có mặt và vị trí sắp xếp của lông trên tế bào vi khuẩn là một tiêu chuẩn quan trọng trong việc chẩn đoán, phân biệt và định tên của một số loài vi khuẩn, đặc biệt

là các vi khuẩn họ đưòng ruột

1.6 Các pilỉ của vi khuẩn

Ngoài lông ra, ồ nhiều vi khuẩn cỏn có một bộ phận phụ khác hình sợi rất ngắn và rất mảnh gọi là tiêm mao (pili, fimbriae) Đưòng kính của tiêm mao khoảng 20-80

nm, dài khoảng 0,3-0,4 p, tiêm mao thưởng thấy rất rõ ỏ các vi khuẩn Gram âm, vàtrên mỗi tế bẠ0 có tới 250 -400 tiêm mao Ngưdi ra chia rahai loại pili

* Pili chung

Pili này chỉ được phát hiện trên kính hiển vi điện tử, pili có thể mất đi do biến dị,

sự có mặt của pili này quyết định tính chất ngưng kết hồng cầu củavi khuẩn Các pili

chung có cấu tạo của một protein mang tên pili và nó là một kháng nguyên Pili chung không phải là cơ quan di động của vi khuẩn; nó có tác dụng làm tăng thêm bềmặt hấp thu chất dinhdưỡng của tế bào và giúp cho vi khuẩn bám được chắc hơntrên

bề mặt cơ chất

* Pili giới tính

Mỗi vi khuẩn có từ 1-4 pili giỏi tính, chỉ có các vi khuẩn F^mdi có pili này Nhiệm

vụ của các pili này là tham gia vào các hiện tượng giói tính, sự tiếp hợp thể hiện bằng

sự cố định một đầu của pili vào tế bào cái, sau đó là sự vận chuyển ADN của vikhuẩn đực sang vỉ khuẩn cái qua đươhg piỉi này, nếu piỉỉ này bị đứt thì vi khuẩn không tiếp hợp được nữa Một số phage bám trên pili này sẽ bơm axỉt nucleic của*phage vào vi khuẩn qua đưdng pỉli này

1.7 Nha bào (Spore)

Một số loại vi khuẩn, thưàng là các vi khuẩn Gram dương như giống trực khuẩn ' Bacillus và Clostridium trong những giai đoạn phát triển nhất định có thể hình thànhtrong tế bào những thểhình tròn hay hình bầu dục nằm trong tế bào gọi là bào tử haynha bào (spore)

Nha bào là một hỉnh thức tiềm sinh của vi khuẩn, nó giúp cho vi khuẩn vượt đượcnhững điều kiện bất lợi của ngoại cảnh, nha bào thưòng được sinh ra trong những điều kiện khó khăn như môi tntóng nghèo nàn, chất dinh dưổng thiêu, nhiệt độ, độ

pH không thích hợp, môi trưòng tích lũy nhiều sản phẩm trao đổi chất bất lợi

Khi hình thành nha bào, vi khuẩn sử dụng phần lón nguyên sinh chất trong tế bào Lúc đầu nguyên sinh chất và chất nhân được tập trung lại ỏ một vị trí nhất định trong

tế bào, tiếp theo là sự hình thành một màng bắt đầu từ màng nguyên sinh chất, màng này ngăn cách khói nhân và phần nguyên sinh chất vổi phần côn lại của vi khuẩn;nguyên sinh chất tiếp tục cô đặc lại, đó là giai đoạn tiền nha bào (prospore), sau đótiền nha bào được bao bọc dần bỏi các lóp màng và chuyển thành nha bào Trong quátrình hình thành nha bào có sự đổi mới protein và ADN không có sự thay đổi Thòi gian hình thành nha bào tùy theo tửng loại vi khuẩn có thể từ 18-20 giô

18

Khi quan sát dưói kính hiển vi điện tử cho thấy nha bào được cấu trúc bỏi nhiều lóp màng khác nhau bao bọc, các lóp màng này kết thành những lóp đồng tâm và rất riêng lẻ Tiếp xúc vói nguyên sinh chất của nha bào là một lóp mỏng gọi là màng nhabào tương ứng vổi màng nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn ỏ thể sinh trưỏng; sau

đó đến vách nha bào, vách này sẽ trỏ thành màng tế bào khi vi khuẩn nẩy mầm Váchnha bào được bao bọc bỏi một lớp dày gọi là vỏ vỏ này không bắt màu thuốc nhuộm, xung quanh vỏ có 2 lóp bao: bao trong và bao ngoài, đó là những lớp đề kháng mạnh, hai lỏp này quyết định tính không thấm các nhân tố hóa học và quyết định tính đề kháng đối vói các nhân tố lý học

Các lỏp bao và màng của nha bào có cấu tạo cơ bản là protein có chứa nhiềuglyxin, tirozin và đặc biệt là xystin, ngoài ra cỏn có sự tham gia của keratin, ỏ đây córất nhiều cầu disunfua, những cầu này đóng vai trò quyết định tính chất của nha bàonhư sự đề kháng đối vổi các nhân tố lý hóa học

Nguyên sinh chất nha bào có chứa ít nhất một nhiễm sắc thể, một số ribôxôm vàrất nhiều enzym chuyển hóa nhưng ỏ trạng thái không hoạt động, khi vi khuẩn nẩymầm thì những enzym này lại bắt đầu hoạt động

Nha bào còn chứa một lượng lổn canxi, magiê và axit dipicolinic, axit này chiếm

từ 5-12% trọng lượng khô của nha bào (axit này không bao giò có trong tế bào dinhdưỡng, nó được hình thành trong quá trình nha bào hóa và mất đi khi nẩy mầm)

Lượng nưổc trong nha bào rất thấp và tồn tại dưối dạng nưóc liên kết

Nha bào có sức đề kháng cao đối vối các nhân tố vật lý và hóa học như nhiệt độ,tia cực tím, áp suất và các chất sát trùng

một sô vi khuẩn ưa nhiệt sau khi đun sôi 5 ngày liền mói diệt đượcnha bào, ồ nhiệt độ 180°C nha bào của Clostridium botulinum chịu được trong 10 phút Trong điều kiện nhiệt độ thấp và sự khô cạn, nha bào có thể sống được một thòigian rất dài Nha bào ồ vi khuẩn nhiệt thán (Bacillus anthracis) có thể sống tói 18 năm hoặc lâu hơn nữa ỏ trạng thái tiềm sinh

Dưói tác động của các loại hóa chất cũng như các loại bức xạ, cùng một nồng độ cùng một thòi gian tác động có thể giết tế bào dinh dưỡng của vi khuẩn, nhưng không giết được nha bào

Ví dụ: Trong dung dịch phenol 5% tế bào dinh dưỡng của vi khuẩn chết rất nhanh,nhưng nha bào có thể sống tói 25 ngày, hoặc trong dung dịch HgCl2 1% tế bào dinhdưỡng của vi khuẩn chết ngay, cỏn nha bào thì sống được trên 2 giò

Một vài dẫn liệu sau đây cho thấy nha bào có thể giữ sự sống rất lâu.

Nhà sinh vật học Liên xô Omelianki năm 1911 đã tìm thấy nha bào của vi khuẩntrên xác một con voi ma mút vùi sâu ừong băng tuyết cách đây hàng nghìn năm

Gần đây nhà khoa học Mỹ Meyer tìm thấy nha bào vi khuẩn dưổi đáy một lớpbăng dày 3 Om đã có ít ra là 3000 năm lịch sử

Năm 1972 nhà địa hóa học Liên xô Tsudinôp đã tìm thấy nha bào của một loại vikhuẩn trên một lóp quặng kali đã sống tiềm tàng cách đây trên 250 triệu nám

Khi đưa các nha bào này vào môi tntóng dinh dưỡng và nuôi ỏ điều kiện thíchhợp, các nha bào này mọc mầm vànhanh chóng phát triển

Như vậy cho thấy thòi gian tồn tại của nha bào là rất lâu, thực tế coi là vĩnh cửu

Sự tồn tại của nha bào trong tự nhiên của những vi khuẩn gây bệnh là nguồn lây lan bệnh nguy hiểm, sỏ dĩ nha bào có sự đề kháng cao và sống lâu là do các yếu tósau:

+ Nưóc frong nha bào phần lón ỏ trạng thái liên kết, do đó không có khả năng làmbiến tính protit khi tăng nhiệt độ

+ Do trong nha bào có một lượng lón ion Ca** và axit dipicolinic Protein trongnha bào kết hợp với dipicolinat canxi thành một phức chất có tính ổn định cao đối vổi nhiệt độ

+ Các enzym và các hoạt chất sinh học khác trong nha bào đều tồn tại dưỏi dạng không hoạt động làm hạn chế sự trao đổi chất của nha bào đối vổi môi trưòng bênngoài

+ Sự có mặt của các axit amin có chứa lưu huỳnh đặc biệt là xystin giúp nha bào

Khi gặp điều kiện thuận lợi như: nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, chất dinh dưỡng, nha bào

sẽ nẩy mầm và pháttriển thành vi khuẩn thể dinh dưỡng mổi

20

Thồi gian để chuyển từ nha bào sang thể dinh dưỡng kéo dài từ 10 phút đến vàigiờ, khi đó nha bào hút nưổc, trương lên, màng nứt ra dưói tác dụng của các enzym chứa trong nha bào khi nẩy mầm và tạo thành vi khuẩn.

Sự nẩy mầm của nha bào là hình thức đổi mói và nâng cao sự sống của tế bào vikhuẩn

Nha bào thưòng gặp ỏ các giông vi khuẩn Gram dương thuộc giống bacillus vàClostridium

+ ỏ giống bacillus, nha bào có kích thưóc hẹp hơn bề ngang thân vi khuân nên khi hình thành nha bào thì vi khuẩn không bị biên dạng

+ ở giống Clostridium, kích thưổc của nha bào thưòng lón hơn chiều ngang thân vikhuẩn, nên khi hình thành nha bào thì vi khuẩn bị biên đối hình thái, tùy theo vị trícủa nha bào trên thân vi khuẩn: nằm ồ giữa thân, nằm ỏ gần đầu và nằm ỏ một đầu

mà vi khuẩn có hình thoi, hình dùi ưống, hình cái vợt, nha bào có thể tồn tại ngaytrong tế bào vi khuẩn hoặc tồn tại độc lập VỊ trí nha bào có giá trị trong định loại, nha bào khó bắt màu thuốc nhuộm là do tính kém thẩm thấu của các lớp màng nhabào, vì vậy muôn quan sát nha bào dưói kính hiển vi quang học ngưồi ta phải dùngnhững phương pháp nhuộm đặc biệt như phương pháp Muller, phương pháp Zin-nen-xơn (Ziehl Neelsen)

2 Sinh lý học vi khuẩn

2.1 Dinh dưỡng vi khuẩn

Thành phần hoá học của tế bào vi khuẩn

Nước:

Nước là thành phần chủ yếu của tế bào vi khuẩn Nưóc thưồng chiếm 70-80%trọng lượng cơ thể Nưổc tham gia vào tất cả các quá trình sống xẩy ra trong tế bào Nưóc trong tế bào thưồng tồn tại ỏ hai trạng thái khác nhau: nưổc tự do và rntóc liênkết Nưóc tự do vì không tham gia vào các hợp chất hóa học của tế bào nên dễ dàngbay hơi khi sấy khô Nưóc liên kết tham gia và cấu tạo các hợp chất hữu cơ trong têbào Nưóc liên kết rất khó tách ra

Yêu cầu của vi sinh vật đối vổi nưổc được biểu thị một cách định lượng bằng độhoạt động của nưổc trong môi trưòng (ký hiệu là aw):

aw “ p

r0

Trong đó: aw: Độ hoạt động của nưóc hay nưóc hữu hiệu

p : Áp lực hơi nưóc dung dịch

po: Áp lực hơi của nưóc nguyênchất

Dung dịch có nồng độ ngày càng cao thì p càng nhỏ Nưổc nguyên chấtcó a* =1

Vi khuẩn thưòng sinh trưỏngđược trongphạm viaw = 0,63-0,99 Vi khuẩn thuồng đỏi hỏi khá cao (0,88-0,91) Một số mấm men (ví dụ Saccharomyces rouxii) có thểphát triển được ngay cả trong những môi truồng áp suất thẩm thâu khá lổn (aw=0,73) Nguôi ta gọi chúng là các vi sinh vật chịu áp lực cao (osmophyl) về khả năng chịu khô hạn thì nói chung nấm mốc có khả năng lổn hơn các vi sinh vật khác

Các chất khoáng

Ngoài nưổc ra ứong tế bào còn chứa nhiều chất khoáng

(Xem phần dinh dưổng khoáng - Tr 29)

Như đã trình bầy ỏ trên, thành phần cơ bản của protein là axit amin Hiện naynguôi ta đã biết chủ yếu có trên 20 loại axit amin phổ biên, mặc dù số lượng protein thì lại rất lổn Trong phân tử protein các axit amin liên kết vói nhau nhồ dây nối giữa gốc cacboxyl và amin -NH-CO- gọi là mạch peptit Ngoài cấu trúc cấu tạo thành bỏi các dây nối peptit cỏn có cấu trúc bậc 2, bậc 3, bậc 4 làm cho phân tử protein có cấu

22

trúc không gian Chính nhờ những cấu trúc không gian kỳ diệu này mà protein đảm nhiệm được những chức năng hết sức phức tạp trong mọi hoạt động sống của sinhvật.

* Axit nucleic:

Axit nucleic có hai loại: Axit ribonucleic (ARN) và axít dezoxiribonucleic (ADN).Axit nucleic có trọng lượng phân tử rất lổn Axit nucleic được cấu tạo bổi rất nhiềuđơnvị mononucleotit Mỗi mononucleotit gồm 3 thành phần như sau:

Nucleotit là este photphorit của nucleozit Nucleozit là những glucozit của bazơpurin hơặc bazơ pirimidin Trong ADN pentoza là dezosiboza cỏn trong ARN pentoza là riboza Tên gọi các nucleotit và mononucleotitphụ thuộc vào tên của bazơ

dị vỏng chứa trong đó Tỷ lệ guanin + xitozin ứong tổng số các gốc kiềm của ADN

là khá đặc trưng đối vói từng loại vi khuẩn về chức năng sinh học, axit nucleic có haichức năng khá quan trọng là: trực tiếp tham gia quá trình tổng hợp protein và mangmật mã di truyền - một đặc điểm cực kỳ quan trọng đối vói cơ thể sống

* Lipit và lipoit:

Chất béo trong tế bào vi khuẩn có thể ỏ dạng lipit-este của glyxerin và các axit béo bậc cao, hoặc ỏ dậng lipoit giống vổi lipit của một số đặc tính vật lý Loại lipit điển hình và đơn giản nhất là dầu và mỡ

Lipit nói chung không hòa tan trong nưổc, trong rượu, nhưng hòa tan trong cácdung môi hữu cơ Lipit thưồng làm nhiệm vụ các chất dự trữ trong tế bào vi khuẩn

Lipoit gồm nhiều loại có hoạt tính sinh học cao và giữ vai ừỏ rất quan họng tronghoạt động sống của vi khuẩn Các lipit thưồng gặp là photpholipit, glucolipit.Photpholipit là những este của rượu và axit béo bậc cao Trong photpholipit cỏn có gốc axit photphoric và những bazơ nitơ Glucolipit là những lipit phức tạp không có photpho Cấu tử trong photpholipit thưông là đưồng galactoza hoặc các dẫn xuất củagalactoza

* Gluxit:

Tê bào vi khuẩn thưòng có chứa một số lượng lổn gluxit, khoảng 12-18% trọnglượng chất khô Các dạng gluxit thưông gặp gồm các dạng đưông đơn, đưồng kép, đađưỏng Các loại đa đưồng thưồng gặp ỏ vi khuẩn là: glucan, dextran, manan, amilo,kitin, xenlulr

Gluxit tham gia vào cấu tạo axit nucleic, vào cấu trúc của thành tế bào, vào vỏnhầy của vi khuẩn, vỏ nhầy và việc hình thảnh vỏ nhầy có liên quan đến độc lực

và quá trình bảo vệ của vi khuẩn Một số polysaccarit có thể phối hợp với protein đểhình thành gluco-protein Gluco-protein là kháng nguyên của cơ thể, trong đópolysaccarit đóng vai trỏ là bán kháng nguyên Một số polysaccarit vi khuẩn cũng có khả năng kích thích cơ thể để tạo thành kháng thể

Gluxit cỏn là nguồn dự trữ năng lượng và là sản phẩm trung gian của các quá trình trao đổi năng lượng ừong tê bào vi khuẩn

số vi khuẩn muốn phát triển bìnhthưông phải cần được cung cấp một hoặc nhiều loại vitamin khác nhau Có một số loài có mức độ phát triển tỷ lệ thuận vói nồng độ của những vitamin nhất định trong môi trưòng Ngưồi ta sử dụng chúng để kiểm ứa và định hưóng các vitamin này

* Men:

Cũng như những vi sinh vật khác ỏ vi khuẩn luôn luôn có quá trình trao đổi vậtchất Nói cách khác quá trình sống, quá trình sinh trưỏng phát triển của vi khuẩn baogồm rất nhiều loại phản ứng của các quá trinh phân giải và tổng hợp Các quá trìnhnày được tiên hành trong điều kiện bình thưòng là do trong tế bào vi khuẩn có nhiều loại men Men có nguồn gốc protit hay nói cách khác men có bản chất protit Dựavào bản chất hóa học có thể chia men thành hai loại

- Men đơn giản, tương ứng vổi protein đơn giản gồm những loại có thành phần thuần túy là axit amin và tính xúc tác sinh học của chúng được quy định bỏi cấu trúcphân tử của phân tử protit

- Men phức tạp: ngoài phần protein (gọi là apoenzim hay apofecmen) cỏn có phầnhữu cơ không protein (gọi là nhóm thêm hay coenzim hay cofecmen)

24

Mỗi men đều có trung tâm hoạt động.

Dựa vào vị trí tác dụng của men đối với tế bào vi khuẩn ngưòi ta chia thành hailoại men: men nội và men ngoại Men nội (endoenzim) ỏ ữong tế bào vi khuẩn và phát huy tác dụng xúc tác chuyển hóa trong tế bào Men ngoại (exoenzim) phát huy tác dụng xúc tác ổ ngoài cơ thể vi khuẩn

Trong tê bào vi khuẩn có hàng trăm loại men và chúng hoạt động rất nhịp nhàng Kết quả hoạt động của chúng giúp cho vi khuẩn hoạt động sống bình thuồng Ngược lại nếu vì một lý do nào đó men không hoạt động xúc tác bình thưòng thì cơ thể sẽ bịảnh hưổng, quá trình sống của vi khuẩn bị đình ưệ hoặc bị đảo lộn, vi khuẩn có thể bị

tê liệt hoặc có thể bị chết

* sắc tố:

Khuẩn lạc của nhiều vi khuẩn có nhiều màu sắc rõ rệt Màu sắc có khi chỉ xuấthiện trong khuẩn lạc (tức trong tế bào vi khuẩn), có khi hòa tan vào nưổc hoặc khuếch tán vào môi truồng xung quanh Việc tạo thành các màu sắc này là một trongnhững đặc điểm thưòng được sử dụng khi phân loại vi khuẩn (nhất là khi phân loạinấm mốc, xạ khuẩn) Ngoài sắc tố quang hợp (được sinh ra ỏ các vi dinh dưỡng quang năng) cỏn có nhiều sắc tố khác, sắc tố của vi khuẩn thuộc các nhóm hợp chấtkhác nhau: carotenoit, phenazin, piaron, araquinon, antoxiamin

Khi có mặt sắc tố carotenoit khuẩn lạc có màu đỏ da cam (Sarcina, Micrococcus, Mycobacterium, Corynebacterium, Nocardia, Rhodotorula) Các sắc tố carotenoit phân bô trong màng nguyên sinh chất của tế bào sắc tố carotenoit giúp vi khuẩn tránh được ảnh hưỏng có hại của ánh sáng thưòng và ánh sáng tử ngoại Các sắc tốnày cùng vói bacteriochlorophin có hoạt tính quang hợp

Sắc tố puncherimin được tạo thành ỏ nấm men Candida puncherima sắc tố nàynếu trên môi trưồng có chứa Fe nó sẽ tạo nên màu đỏ tối

Sắc tố prodigiozin lảm cho khuẩn lạc Serratia marcescens (Bacterium prodigiozin)

có màu đỏ sáng

Sắc tó indigoidin ỏ Pseudomonas indigofera vả nhiều vi khuẩn khác có màu lam

vả không tan trong nưóc Vi khuẩn Chromobacterium violaceum sinh sắc tố violaceinlam tím

Vi khuẩn mủ xanh Pseudomonas aeruginosa (Pseudomonas pyocyanea) tạo thành sắc tố piocianin và một số sắc tố khác

Một số sắc tố có tính chất kháng sinh Chính vì vậy cho nên nhiều vi sinh vật cómàu sắc có khả năng sinh chất kháng sinh.

2.2 Các kiểu dinh dưỡng của vi khuẩn

Thuồng muốn nuôi cấy vi khuẩn nguôi ta phải pha chế môi truòng Môi truòng cóthể ổ dạng lỏng hoặc đặc Trong môi truồng có thể có loại là chất hữu cơ, có loại làchất vô cơ Không phải tất cả mọi thành phần của môi truòng đều có thể gọi là chất

dinh duỡng Một số thành phần môi truông chỉ có nhiệm vụ đảm bảo các điêu kiệnthích hợp về oxy hóa, về pH, về áp suất thẩm thấu, về cân bằng ion Chất dinh duỡng phải là những chất có tham gia vào quá trình trao đổi chất của tế bào Quátrình hấp thu các chất dinh duỡng từ môi truòng xung quanh vào cơ thể vi sinh vậtđuợc gọi là quá trình dinh duỡng.í

Các chất dinh duỡng sau khi đã vào tế bào sẽ đuợc chế biên lại để tạo thành cácchất riêng của cơ thể Quá trình này gọi là quá trình đồng hóa (anobolism), và cần năng luợng NgUỢc lại quá trình đồng hóa là quá trình dị hóa (catobolism) Các sảnphẩm của quá trình dị hóa sẽ đuợc thải ra môi truòng xung quanh hoặc đuợc sử dụng lại một phần trong quá trình đồng hóa

Nhu cầu thức ăn:

* Căn cứ vào nhu cầu của vi khuẩn nguôi ta có thể chia thức ăn của vi khuẩn làm

3 loại:

- Thức ăn năng luợng: Thức ăn sau khi hấp thu sẽ cung cấp cho vi sinh vật một số năng luợng cần thiết cho hoạt động sống Các loại protit, gluxit, lipit, là các loạithức ăn năng luợng thuòng gặp

- Thức ăn kiến tạo: Thức ăn sẽ tham gia xây dựng các cấu trúc của vi khuẩn.Trong thực tế có khi một loại thức ăn vừa có thể là nguồn năng luợng, vừa có thểnguồn nguyên liệu để xây dựng các cấu trúc

- Yếu tố sinh truỏng (thức ăn đặc biệt): là những chất hữu cơ cần thiết đối với hoạtđộng sống mà một loại vi khuẩn nào đó không tự tổng hợp đuợc

* Căn cứ vào nguồn cacbon: tự duỡng cacbon (autotrophic) và dị duỡng cacbon (heterotrophic)

* Căn cứ vào nguồn năng luợng: vi sinh vật quang năng (phototroph) và vi sinhvật hóa năng (chemotroph)

26

* Cán cứ vào nguồn năng lượng và nguồn cacbon: vi sinh vật tự dưổngquang năng (photolitotroph), vi sinh vật dị dưổng quang năng (photoorganoứoph),

vi sinh vật tự dưỡng hóa năng (chemalitotroph) và vi sinh vật dị dưỡng hóa năng (chemoorganotroph)

2.2.1 Dinh dưỡng cacbon

Cacbon chiêm tỷ lệ > 50% vật chất khô của vi khuẩn Cacbon linh động về hóa trị

Cacbon là yếu tố đặc biệt quan họng trong cấu trúc tất cả các hợp chất có mặt trong té bào vi khuẩn Hợp chất cacbon là nguồn năng lượng quan trọng trong hoạtđộng sống Trong tự nhiên có hai dạng hợp chất cacbon cơ bản: cacbon vô cơ vàcacbon hữu cơ

Loại hình vi khuẩn khác nhau sè sử dụng các nguồn cacbon sẽ không giống nhau

* DỊ dưdng cacbon:

Vi khuẩn dị dưỡng cacbon là loại vi khuẩn sử dụng nguồn dinh dưỡng cacbontrong tự nhiên từ các hợp chất hữu cơ Từhợp chất hữu cơ này ngoài nguồn cacbon ra

vi sinh vật cỏn thu được nguồn năng, lượng cần thiết cho hoạt động sống của mình

Số năng lượng trong quá trình chuyển hóa và hấp thu sẽ khác nhau tùy loại vi khuẩn.Đối vổi vi khuẩn dị dưỡng háo khí quá trình oxy hóa năng lượng (hô hấp) xẩy ra kèmtheo việc liên kết hydro vỏi oxy của không khí

Đối vổi vi khuẩn dị dưỡng yếm khí thì quá trình oxy hóa sinh năng lượng không kèm theo việc liên kết vối oxy của không khí Có thể chia lảm hai loại: lên men và hôhấp nitrat hay hô hấp sunfat

Vi khuẩn dị dưỡng có thể chia thành 2 nhóm nhỏ:

- Nhóm Prototroph: vi khuẩn thuộc nhóm này có thể phát triển được ứong nhữngmôi trưồng có chứa một nguồn cacbon duy nhất (thưồng là đưông đơn) và các muốikhoáng cần thiết (NH4+, PO4O4 2, K+, Cab+, Mg++, Mn++, Fe^, Cof+, Zn^ )

- Nhóm Autotroph: phần lổn các vi khuẩn dị dưỡng thuộc nhóm này Các vi khuẩn này phát triển được trong môi trưồng tổng hợp đơn giản Muốn phát triển tót chúngcòn đỏi hỏi phải cung cấp những chất sinh trưỏng nhất định

* Tự dưỡng cacbon:

Vi khuẩn tự dưỡng cacbon là loại vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon tự nhiên từhợp chất cacbon vô cơ như co2 hoặc muối cacbonat

Quá trình sinh tổng hợp từ hợp chất cacbon này cần phải có năng lượng Hợp chât

vô cơ này không có năng lượng dự trữ cho nên năng lượng phải được cung cấp từ nguồn khác Vi khuẩn có thể sử dụng hai nguồn năng lượng khác nhau:

- Sử dụng trực tiếp năng lượng của ánh sáng mặt trôi

- Sử dụng năng lượng hóa học nhô sự oxy hóa hợp chất vô cơ

2.2.2 Dinh dưỡng quang năng

Vi khuẩn dinh dưỡng quang năng nhồ có sắc tố quang hợp mà có khả năng hấpthụ ánh nắng mặt trồi và chuyển hóa thành năng lượng hóa học (tích lũy trong ATP) Quá trình tạo thành trong ATP gắn liền vói vận chuyển NAD từ dạng oxy hóa khử sang dạng khử bao gồm:

* Nhóm dinh dưõng quang năng vô cơ (photolitotroph): sử dụng chất vô cơ ngoại bào làm nguồn cung cấp điện tử : ví dụ vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (họ chorobiaceaehay chlorobacteriaceae):

* Nhóm dinh dưdng quang năng hữu cơ (photoorganotroph): dùng chất hữu cơngoại bào để làm nguồn cung cấp điện tử Nhóm này bao gồm một số vi khuẩn trong

họ Rhodosperillaceae hay Arthiorhodaceae) ví dụ Rhodospirilhim rubrun (xoắn khuẩn màu hồng hay màu đỏ tía) có thể sử dụng chất hữu cơ làm chất cung cấphydro Loại này khi phát triển cần yếu tố sinh trưỏng

2.2.3 Dinh dưỡng hoá năng

Vi khuẩn dinh dưỡng hóa năng sử dụng năng lượng chứa trong các hợp chất hóahọc Tùy chất hóa học ngưồi ta có thể chia vi khuẩn ra làm hai nhóm:

* Dinh dưỡng hóa năng vô cơ: ứong trường hợp này chất cho điện tử là chất vô cơcỏn chất nhận là oxy hoặc một chất vô cơ khác

* Dinh dưỡng hóa năng hữu cơ:

Trong trưồng hợp này chất cho điện tử là một chất hữu cơ Phần lỏn các loại vikhuẩn có kiểu dinh dưỡng này Tùy theo chất nhận điện tử mà chia thành ba kiểu trao đổi chất khác khau: Lên men, hô hấp háo khí, hô hấp kỵ khí

2.3 Nguồn thức ăn nitơ

Các nguồn nitơ có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự phát triển Nguồn nitơ dễ hấpthụ nhất là ion NH4+ và NH3 Chúng thâm nhập vào tế bào dễ dàng và ỏ đó chúng tạonên các nhóm imin và amin

28

Các muối amôn của axít hữu cơ thích hợp đối vói dinh dưổng của vi khuẩn hơn làmuối amôn vô cơ.

Các muối NOj không có độ chua sinh lý sau khi sử dụng NOJ sẽ còn các ion kimloại (K+, Na+, Mg+ ) vì vậy làm kiềm hóa môi trưông

Nguồn nitơ khó hấp thụ hơn cả là nitơ trong không khí Để sử dụng được nguồnnitơ này vi khuẩn phải có khả năng cố định nitơ tức sử dụng N phân tử và khử thành NH3 Trưổc đây và hiện nay ngưởi ta đã xác định được khả năng cố định nitơ củanhiều loại vi khuẩn Cùng vói nguồn N vô cơ, đa số vi khuẩn có khả năng sử dụng nitơ trong các hợp chất hữu cơ Các chất này vừa là nguồn nitơ, vừa là nguồn cácbon Sự sử dụng các nguồn nitơ hữu cơ thưồng gắn liền vổi sự tách nhóm NH3 ra và

2.4 Dinh dưỡng khoáng

Ngoài nưổc, các chất hữu cơ trong tế bào vi khuẩn còn chứa nhiều chất khoáng.Lượng chẩt khoáng trong tế bào vi khuẩn thưỏng thay đổi tùy loài, tùy giai đoạn và điều kiện sinh trưỏng phát triển của vi khuẩn Mỗi nguyên tố đều có tác dụng nhấtđịnh đối vói sự sinh trưỏng phát triển của tế bào vi khuẩn mà các nguyên tố khác không thể thay thế được

Nguvên tố p bao giò cũng chiếm tỷ lệ cao nhất ừong các nguyên tố khoáng của tếbào (thưồng chiêm 50% so vói tổng các nguyên tố khoáng) Nguyên tố p có mặt trong cấu tạo của nhiều thành phần quan frọng của tế bào (axít nucleic,photphoprôtêin, photpholipít, một số vitamin và nhiều coenzim) Sự có mặt của muối

photphat (nhất là photphat Kali) cỏn có tác dụng tạo ra tính đệm của môi trường, vói

tỷ lệ thích hợp, hỗn hợp của muối KH2PO4 và K2HPO4 có thể tạo ra những mức pH

ổn định trong khoảng pH= 4,5-8,0

Nguyên tố s cũng là một chất khoáng quan trọng trong tê bào vi khuẩn Nó tham gia vào thành phần của một số axit amin (xistin, xistein, methionin), một số vitamin (Bb B7) và một số coenzim có vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa khử

Nguyên tố K là nguyên tố chiếm một tỷ lệ khá lón trong số các nguyên tố khoáng của tế bào nhưng cho đến nay người ta vẫn chưa thấy K tham gia vào bất cứ thành phần nào của nguyên sinh chất tế bào Ngưòi ta thấy K thưòng tồn tại ỏ dạng ion K+

ỏ mặt ngoài của cấu trúc tế bào Nhiều nghiên cứu sử dụng K cho biết một phần đáng

kể K tồn tại ỏ trạng thái liên kết hóa lý không bền với protein và các thành phần khác của nguyên sinh chất Kali có thể tác dụng như các ion kim loại khác thông qua vikhuẩn ảnh hưỏng đến tính chất hóa keo và hoạt động xúc tác của các men

Nguyên tố Mg là nguyên tố được vi khuẩn đỏi hỏi vói lượng khá cao Mg mang tính chất một cofacto Nó tham gia nhiều phản ứng men có liên quan đếnquá trình phốtphorin hóa và tham gia vào quá trình hoạt hóa men khác nhau Mg cỏn có vai trỏ quan trọng trong việc làm liên kết hoặc tách ròi các tiểu phầnribôxôm vói nhau

Nguyên tô Ca có vai trò đáng kể trong việc xây dựng các cấu trúc tinh vi của tếbào Ca đóng vai trò cầu nói trung gian giữa nhiều thành phần quan trọng của tế bàosống (như giữa ADN và protein trong nhân, giữa protein và ARN trong ribôxôm, giữa các nucleotit với nhau)

Nguyên tô Fe là nguyên tố rất cần thiết để giúp vi khuẩn có thể tông hợp một sốloại men pocphirin chứa sắt (như xitocrôm, xitocrôm oxydaza, peroxidaza,catalaza ) Ngoài ra nó còn tham gia vào thành phần của các sắc tố quang hợp ỏ các

•vi sinh vật tự dưỡng quang năng

Nguyên tố Na và Cl cũng là các nguyên tố mà các vi khuẩn đỏi hỏi vói lượng không nhỏ nhưng cho đến nay ngưòi ta vẫn còn hiểu biết rất ít về vai trò sinh lý củachúng

Nguyên tô Mn có chứa trong một số men hô hấp và có vai ưỏ quan trọng trong việc hoạt hóa một số men khác

30

Nguyên tố Zn cũng là một cofacto tham gia vào nhiều quá trình hoạt hóa của men.

Các nguyên tố Cu, Co cũng là những nguyên tố tham gia vào cấu trúc'hoặc tham gia vào quá trình hoạt hóa nhiều loại men khác nhau trong tê bào vi khuẩn

2.5 Cơ chế vận chuyển thức ăn vào tế bào vi khuẩn

Trong quá trình sống và phát triển tế bào vi khuẩn thưồng xuyên hấp thụ thức ăn

từ môi trưồng xung quanh và thưòng xuyên thải ra ngoài các sản phẩm trao đổi chấtcủa tế bào Màng tế bào chất có khả năng điều chỉnh sự ra vào của các chất khác nhau Vi khuẩn có khả năng nhận và thải các chất một cách chọn lọc

Sự vận chuyển các chất qua vỏ tê bào tương đói dễ dàng nhưng qua màng tế bảo chất thì lại là một quá trình động học khá phức tạp Nói chung các chất qualại màng tế bào chất theo một trong hai cơ chế khuyếch tán thụ động và vậnchuyển tích cực

Theo cơ chế khuyếch tán thụ động thì các chất được đi qua màng tê bào chất nhô

sự chênh lệch nồng độ (đối với các chất không điện phân) hoặc sự chênh lệch điệnthế (đối vổi các ion) giữa hai phía của màng Sự vận chuyển này không đòi hỏi bất kỳ một sự chi phí năng lượng nào của tế bào vi khuẩn

Theo cơ chế vận chuyển tích cực, các chất muốn qua lại được màng tế bào chất cần phải trưóc hết liên kết vổi những phân tử vận chuyển đặc biệt nằm trong màng.Những phân tử này có tên gọi là permeaza (protein thấm) Ngưòi ta đã chứng minhđược rằng tế bào vi khuẩn có khả năng tổng hợp một số lượng lón các permeaza ứng vói nhiều loại hydrat cacbon hay axit amin

Việc vận chuyển nhồ penneaza có thể là thụ động (không tiêu tốn năng lượng của

tế bào) hoặc có thể là chủ động (cần tiêu tốn năng lượng của tế bào)

Cùng một permeaza có thể đảm nhận cả chức năng vận chuyển thụ động lẫn chứcnăng chủ động các chất qua màng tế bào

Trong quá trình sống vi khuẩn cũng như những vi sinh vật khác cần có năng lượng Các quá trình oxy hóa- phân hủy kèm theo với quá trình giải phóng năng lượng gọi là quá trình trao đối năng lượng, ơ sinh vật bậc cao hai khái niệm trao đối năng lượng và dị hóa gắn liền vổi nhau nhưng ỏ vi sinh vật thì hai khái niệm nàyphân biệt vói nhau Có thể do lượng vật chất trong cơ thể vi sinh vật qúa ít nên trongquá trình sống chúng phải sử dụng cả các hợp chất thu được từ môi trưòng

Trong tự nhiên các loại vi sinh vật khác nhau oxy hóa-phân hủy các chất để lấynăng lượng không giống nhau Vi khuẩn hiếu khí hấp thu oxy của không khí, oxy hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ là phát sinh ra năng lượng Sự oxy hóa ứong hôhấp hiếu khí thực chất là sự chuyển vận hydro từ cơ chất (vật cung cấp) đến vật tiếp nhận, ở đây oxy là vật tiếp nhận, hydro từ cơ chất không trực tiếp kết hợp ngay vói oxy mà được'Chuyển vận qua nhiều chặng đường nhô hệ thống vận chuyển xytocrom H+ được vận chuyển đến o tạo thành nưổc và tỏa từ từ năng lượng chohoạt động của vi khuẩn Quá trình phân giải một phân tử đưông glucoza đến co2 và H2O ỏ vi khuẩn hiếu khí sản sinh ra 38 phân tử ATP.

Đối với vi khuẩn yếm khí thì quá trình oxy hóa sinh năng lượng không kèm theo việc liên kết vổi oxy của không khí Trong điều kiện yếm khí chất hữu cơ vừa làmnhiệm vụ chất cho điện tử vừa làm nhiệm vụ chất nhận điện tử Kết quả là một phần

cơ chất bị khử, còn một phần khác bị oxy hóa Ví dụ các quá trình lên men Chấtdinh dưỡng hừu cơ ỏ đây thưòng là các loại đưồng Các loại đưông trong điều kiện yếm khí được phân giải theo 3 con đưòng khác nhau là:

- Chu trình EMP (Embden - Meyerhof - Pamas)

- Chu trình Warburg - Pickens (Pentozophotphat)

- Chu trình Entner Poudoroff

Trong các quá trình lên men, oxy phân tử không tham gia vào quá trình, sỏ dĩ có quá trình oxy hóa là do sự tách hydro khỏi cơ chất Hydro tách ra có thể được thải ra dưới dạng khí hoặc được liên kết ngay vói các sản phẩm phân giải của chính chất hữu

cơ đó Sản phẩm cuối củng của quá trình lên men ngoài CO2 cỏn có các chất khác như rượu, axit hữu cơ, aldehyt, xeton về năng lượng: lên men rượu: 28,2 Kcal, lênmen lactic: 18Kcal, lên men butyric: 15 Kcal

2.6 Sinh trưởng và phát triển

Sinh trưỏng và phát triển là đặc điểm của sinh vật nói chung và vi khuẩn nói riêng

Sinh trưỏng: Chỉ sự tăng về kích thưóc và thể tích tế bào,là biểu hiện của sự tăng

có quy tắc của tât cả các thành phần tổhợp vật chất tế bào

Phát triển (hoặc sinh sản): Chỉ sự tăng về số lượng của tế bào

Sinh trưổng và phát triển của vi khuẩn phụ thuộc vào: ■

- Chất và lượng chất dinh dưỡng cung cấp

32

- Các yếu tố ngoại cảnh có quan hệ đến quá trình đồng hóa và dị hóa của ví sinhvật như: độ pH, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, sự tồn tại của chất ức chế.

Do đó trong thực tế sinh tníỏng (tăng về khối lượng) tế bào không phải bao giò *• cũng diễn ra song song với sự tăng về số lượng tế bào Ví dụ: ở pha log lượng sinhkhối tế bào tăng nhanhnhưng số lượng tế bào không thay đổi ở pha cuối số lượng tê bào không giảm nhưng kích thước tế bào nhỏ đi

2.6.Ỉ Lý thuyết về sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn

Sinh trưỏng, phát triển của vi khuẩn có tính quy luật và đã được nghiên cứu sâurộng đến mức có thể khái quát bằng toán học

Tính số lượng tế bào vi khuẩn sau số lần phân chia thế hệ n:

Ví dụ: Trong một môi trường dinh dưỡng ta cấy vào đấy một té bào vi khuẩn Nêuthành phần môi tníòng hoàn toàn phù hợp vói nhu cầu của tế bào, vi khuẩn sẽ sinhtrưổng, tăng trọng lượng và khối lượng, tổng hợp các thành phần té bào cho đến khikích thưdc tăng gấp đôi Rồi vi khuẩn phân chia cho 2 tế bào Hai tế bào này lại tiếp tục sinh trưỏng và phân chia để cho 4, 8 và 16 tế bào

Ví dụ: vi khuẩn phân chia n lần sau thôi gian t, khoảng thòi gian giữa hai lần phânchia liên tiếp (hoặc thôi gian cho việc tăng đôi số tế bào) gọi là thòi gian thế hệ và biểu thị bằng g

g = l = log2n

2.6.2 Biểu đồ sinh trưởng của vi khuẩn

Thòi gian thế hệ (hay nói đúng hơn là thôi gian tăng đôi) của nhiều loại vi khuẩnchỉ vào khoảng 30 phút Một tê bào vi khuẩn nêu được cấy vào môi trưồng thích hợp

sẽ có thôi gian thế hệ là 30 phút Tê bào có trọng lượng khô khoảng 2,5.1013g và thểtích khoảng 1012 cm3 nếu có thòi gian thế hệ là 30 phút thì sau 48 giô đã có một quầnthể vi khuẩn chừng 1029 tế bào vổi trọng lượng khô chừng 1O10 tấn và thể tích 10Hm3 Tình hình này không bao giò xảy ra vì sinh trưỏng và sinh sản của vi khuẩn trong hệthống đúng chỉ sau một thòi gian nhất định vì nhiều nguyên nhân khác nhau sè bịngừng lại

Dùng phương pháp nuôi cấy tĩnh và theo dõi quá trình sinh sản của vi khuẩn Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc logarit của số lượng tê bào theo thòi gian gọi là đưồngcong sinh trưỏng Chúng ta thấy đưòng cong sinh tníỏng có 4 pha chủ yếu

Pha lag (pha mỏ đầu, pha tiềm tàng)

Pha log (pha lũy thừa, logarit)

Pha ổn định (phase stationnaừe),

Pha tử vong (phase de déclin)

34

Pha lag:

Pha này tính từ lúc bắt đầu cấy đến khi vi khuẩn đạt được tốc độ sinh trưỏng cựcđại Trong pha lag vi khuẩn chưa phân chia nhưng thể tích và khối lượng tế bào tănglên rõ rệt Thôi gian của pha lag phụ thuộc vào tuổi của ống giống và thành phần môitrưông Nói chung pha lag dài hay ngắn tùy thuộc sự thích ứng của vi khuẩn vói điềukiện nuôi cấy mới

Trong pha này số lượng tể bào mói sinh ra bằng số tế bào cũ chết đi số tế bàọ và

cả sinh khối không tăng cũng không giảm

Pha tử vong:

Trong pha này số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo lũy thừa, mặc dù số lượng tế bào tổng cộng có thể không giảm Nguyên nhân của pha tử vong rất phức tạp Tuy nhiên có thể nêu ra đây một một số nguyên nhân thưồng gặp:

- Điêu kiện ngoại cảnh bấtlợi cuả môi trưòng

- Sự tự phân của tế bào vi khuẩn

- Phương pháp nghiên cứu sự sinh trưỏng của vi khuẩn

- Phương pháp nuôi cấy trên môi trưồng đặc.

Từng thôi kỳ, lấy vi khuẩn trong môi trưồng dịch thể, pha loãng và cấy trên môitrưông đặc trên mặt thạch đĩa Đêm số lượng khuẩn lạc

Phương pháp này chỉ đếm được số tế bào có khả năng sinh sản

- Phương pháp dùng buồng đêm

Lấy dịch vi khuẩn, cho vào buồng đếm và đếm qua kính hiển vi Phương pháp nàycho biết tổng số vi khuẩn (cả sống lẫn chết), không phân biệt được loại có khả năng sinh sản và không sinh sản

- Phương pháp nồng độ:

Lấy dung dịch vi khuẩn nuôi cấy so sánh vói độ đục chuẩn trên máy

2.6.3 ứng dụng sinh trưởng, phát triển của vi khuẩn

Nghiên cứu quá trình sinh trưỏng phát triển của vi khuẩn giúp chúng ta có cơ sỏ lýluận để vận dụng vào thực tiễn

Để thích úng vói môi trưòng mói vi khuẩn thưồng sản sinh ra một số men mói ỏ

pha lag Đặc tính này giúp chúng ta có thể tạo ra một số đặc tính mói cho một loại vikhuẩn Thôi gian thích ứng này nhanh hay chậm vả vi khuẩn có phát triển được haykhông tùy thuộc một phần ỏ bản thân vi khuẩn và một phần khác phụ thuộc vào điều kiện môi trưông nuôi cấy và các yếu tó ngoại cảnh khác Dựa vào quá trình này để chữa bệnh cho ngưòi, gia súc, cây trồng Ngưôi ta thưồng khống chế sự phát triển của

vi khuẩn gây hại ngay từ khi vi khuẩn mỏi xâm nhập vào cơ thể Ngược lại nếu là vikhuẩn có lợi, chúng ta có thể có phương pháp tác động rút ngắn pha lag, tạo điều kiện cho vi khuẩn sinh trưổng phát triển nhanh

ở pha logarit vi khuẩn sinh trưỏng phát triển rất nhánh, ỏ pha này hình thái và cácđặc tính sinh lý của vi khuẩn thể hiện điển hình nhất Do đó ngưòi ta thưồng nghiêncứu hình thái và đặc tính sinh lý vi khuẩn trong giai đoạn này Vì đặc tính hình thái

và sinh lý thể hiện điển hình nhất nên ngưồi ta thưồng chú ý đến công tác cấy truyềngiống và bảo quản giống ỏ giai đoạn này Trong pha này quá trình trao đổi chấtmạnh, sinh khối vi khuẩn và các sản phẩm của hoạt động vi khuẩn tích lũy nhiều, số lượng sản phẩm đạt đỉnh cao vào cuối pha logarit và không thay đổi mấy trong pha

ổn định tiếp theo Trong sản xuất đối vói vi khuẩn có lợi ngưồi ta thưòng tạo điều36

kiện cho pha này tiến hành thuận lợi Ngược lại,đối vói vi khuẩn tạp có hại thì chẳng những phải ức chế ngay từ pha tiềm tàng mà phải tuyệt đối không cho chúng có điềukiện đi vào pha logarit Các cách xử lý này càng được chú ý thực hiện nghiêm ngặtđối với vi khuẩn gây bệnh.

Sau pha ổn định là pha tử vong, ở pha này vì môi trưòng dinh dưỡng thưòng đã cạn, vi khuẩn không sinh trưỏng phát triển bình thưòng Nếu tình trạng này kéo dài sẽ

có hại cho vi khuẩn Do đó để sinh trưỏng phát triển bình thưông trỏ lại, phải cấytruyền vào môi trưòng dinh dưổng mói Trong pha tử vong số tế bảo sống giảmnhanh, số lượng bào tử (đối vói vi khuẩn có sinh bào tử) hình thành ngày càng nhiều,

ở giai đoạn bào tử vi khuẩn không hoạt động hay nếu có cũng ỏ mức độ không đáng

kể Lợi dụng đặc tính này ngưồi ta đã sản xuất những chế phẩm sinh học quý (ví dụ: chế phẩm diệt sâu hại) có thể dễ dàng bảo quản và bảo quản trong thòi gian dài

3 Di truyền học vi khuẩn

3.1 Những đặc điểm và nhân tố di truyền của vỉ khuẩn

Đặc điểm di truyền vi khuẩn

- Vi khuẩn có cấu tạo đơn giản cho nên di truyền của nó ít nhiều có khác vói sinhvật bậc cao

- Từ di truyền vi khuẩn (cơ thể bậc thấp) đến di truyền các sinh vật bậc cao cho ta thấy sự tiên hóa về di truyềncủa sinh vật

- Tế bào vi khuẩn đơn bội một hệ gen sinh sản rất nhanh, do đó nghiên cứu ditruyền vi khuẩn tẩ biết được kết quả một cách nhanh chóng

- Vi khuẩn cũng như sinh vật bậc cao, các phân tử mang thông tin di truyền chứatrong một vùng xác định của tế bào, không phân bố một cách ngẫu nhiên mà phảitheo một trình tự mạch thẳng và ỏ dạng đó chúng được truyền từ tế bào nọ sang tế bào kia ưong khi tiếp hợp Điều đó khiến ta phải nghĩ đến những phân tử cấu trúc giống nnư thể nhiễm sắc tồn tại ỏ vi khuẩn

Nghiên cứu di truyền vi khuẩn chúng ta cũng gặp phải những khó khăn, chủ yếu là

do kích thưóc nhỏ bé của chúng, nhiều cấu trúc tế bào gần như ra ngoài phạm vi của khả năng phân biệt của máy móc và có lẽ côn có thể do cấu tạo giản đơn của nhữngphân tử cấu trúc chứa đựng các phân tử mang thông tin

Nhân tô' di truyền của vi khuẩn

Sự quan sát bằng kính hiển vi, vi khuẩn đã được cố định, nhuộm màu và vi khuẩn sống dẫn đến kết luận về sự có mặt trong tế bào vi khuẩn một nhiễm sắc thể này là một nhân hoàn toàn vì không có màng nhân, hạt nhân và không làm xuất hiện hiện tượng gián phân Có thể thấy nhiều phần tử nhân trong một vi khuẩn vì những phần

tử nhân này phân chia liên tục, nhanh hơn tế bào nhiều Trong điều kiện nuôi cấythuận lợi một trực khuẩn E coli sinh ra hai tế bào con trong 20 đến 30 phút Nhữngphần tử nhân được gọi bằng nhiều tên: thể nhân; nhiễm sắc thể Nghiên cứu ditruyền học cho phép ta coi chúng là một nhiễm sắc thể tương tự như nhiễm sắc thể của những cơ thể bậc cao

Trong những năm gần đây, có những tiến bộ quan họng trong sự hiểu biết về nhiễm sắc thể Sự phát minh ra thành phần vi khuẩn gây ra hiện tượng biến nạp do ' ADN của nhân, những nghiên cứu của Ladenberg, Bidon và Tatun (1958) về sự tái tổhợp của chất đột biến và những nghiên cứu của LwoffMonod, Jacob, Wollman về sựsắp xếp của vật chất di truyền đã cung cấp những kiến thức sinh học quan họng vềvai trỏ chủ yếu của ADN (Watson - Crick và Witlkin 1962) frong sinh học phân tửnói chung đồng thòi làm sáng tỏ cấu trúc củaADN và sự tổng hợp sinh học của nó từ

vi khuẩn Tất cả những nghiên cứu về vi khuẩn đều chứng minh thể nhiễm sắc (thểnhân) là nhân tố di truyền của vi khuẩn.Tế bào vi khuẩn chứa một yếu tố nhân câutrúc duy nhất bằng ADN bao gồm độ 2% đến 4% trọng lượng khô của vi khuẩn, số lượng tương đương vói một phân tử duy nhất ADN

Vai trỏ chủ yếu của nhân vi khuẩn là chuyển thông tin di truyền mà nó chứa và tham gia vào sự phân chia của tế bào bằng cách khỏi phát quá trình này Nó cũng là■ cái khung của những đột biến hoặc biến dị di truyền học

Hơn nữa trưổc những điều kiện không thuận lợi cho vi khuẩn, nhân là khỏi điểmcủa sự xuất hiện những dạng không bình thưồng của vi khuẩn

Vậy nhân tố di truyền ỏ vi khuẩn cũng như ỏ các sinh vật khác là axít nucleic(ADN vả ARN) Nguyên liệu di truyền sơ cấp mà từ đó trực tiếp tạo nên các nhiễmsắc thể và các gen cũng như các plasmit vikhuẩn và nhiều vi rút của vi khuẩn (phage)

là ADN

ARN là nguyên liệu di truyền thứ cấp và tham gia vào quá trình phiên mã thôngtin di truyền Sự tham gia của ARN trong các giai đoạn khác nhau của quá trình truyền thông tin di truyền được xác định nhồ sự tồn tại của axít nucleic này dưởi

38

dạng: ARN thông tin hay ARN khuôn (ARN-m); ARN vận chuyển (ARN"t) và ARNriboxom (ARN-r).

Cấu trúc hiện đại bậc 2 của ADN được phản ánh trong mô hình của Watson và Crick (1953) Bằng những phương pháp đánh dấu chất nhân có thể kết luận rằngADN có ba kiểu sao chép lại:

- Sao chép theo kiểu bảo toàn (conservative)

- Sao chép theo kiểu nửa bảo toàn (halfconservative)

- Sao chép theo kiểu phân tán (disperse)

3.2 Sơ lược về sự trao đổi di truyền của vi khuẩn

Phát kiến cho rằng thông tin di truyền có thể được truyền từ tế bào vi khuẩn nàysang tế bào vi khuẩn khác làm cho lĩnh vực nghiên cứu di truyền vi sinh trỏ nên đặcbiệt hấp dẫn và ngày càng được khai thác triệt để

Hầu như tất cả các vi khuẩn đều là đơn bội chúng chỉ có một bộ gen Đặc điểmcủa quá trình truyền vật liệu di truyền ỏ vi khuẩn là nguyên liệu di truyền của tế bảocho (donor) không được truyền toàn bộ cho tế bào nhận (recipient) mà chỉ đượctruyền một phần Do đó tạo nên hợp tử không toàn vẹn hay gọi là hợp tử từng phần (mezozygote) Các gen của tế bào đó gọi là các gen ngoại sinh (exogenote) Còn cácgen của tế bào nhận gọi là các gen nội sinh (endogenote) Đoạn nhiễm sắc thể của tế bào cho ghép đôi vói nhiễm sắc thể của tế bào nhận và các đoạn riêng lẻ sẽ tiến hành ưao đổi lẫn nhau, ớ lần phân chia của tế bào tiếp theo, các tế bào tạo thành sẽ chỉchứa nhiễm sắc thể đã được tái tổ hợp

Cần chú ý rằng lượng thông tin trong tế bào nhận không tăng lên Nó vẫn như cũ,nhưng chất lượng thông tin thì bị thay đổi, bỏi vì đoạn ADN của tế bào cho đã trao đổi vói ADN của tế bào nhận Hiện nay có ba con đưòng cơ bản truyền nguyên liệu

di truyền đã được biết ỏ vi khuẩn đó là các quá trình biến nạp, tiếp hợp và tải nạp

3.2 Ỉ Biến nạp (transformation)

Biến nạp là sự biến đổi genotip của vi khuẩn dưdi ảnh hưỏng của ADN nhận được

từ vi khuẩn cho ADN dưổi thể dung dịch do một vi khuẩn thay thế cho giải phóng ra,được truyền đi không có sự can thiệp của một nhân tố cấu trúc nhiễm sắc thể hoặc epixom, hoặc của phagiơ vi khuẩn véctơ Như thế một nôi vi khuẩn bị biến đổi về mặt di truyền do tiếp thu axít của vi khuẩn thuộc nôi khác