Bài giảng vi sinh vật đại cương

Chính vìvậy nó còn được áp dụng trong các quy trình công nghệ để sản xuất thuốc kháng sinh, vitamin vàcác chất kích thích sinh trưởng… Một số loài VSV trong tế bào có chứa tinh thể diệt

KHOA MÔI TRƯỜNG HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

BÀI GIẢNG

VI SINH VẬT ĐẠI CƯƠNG

TS Nguyễn Thị Minh

Chương I Mở đầu Đối tượng, nội dung và lịch sử của môn học vi sinh vật

1 Khái niệm

Chung quanh ta ngoài các sinh vật lớn mà chúng ta có thể nhìn thấy, cầm nắm được còn

có vô vàn các sinh vật nhỏ bé mà ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường, muốn thấy chúng phải

sử dụng kính hiển vi Những sinh vật đó người ta gọi là VSV

1.1 Định nghĩa:

Vi: Là nhỏ

Sinh: Sự sống

Vật: Là khoa học hay là cái có thực không phải là ảo tưởng

Định nghĩa: Vi sinh vật (VSV) là tên gọi chung để chỉ tất cả các sinh vật có hình thể nhỏ bé, mà

mắt thường không thể nhìn thấy được, muốn quan sát được người ta phải sử dụng tới kính hiển

VSV phân bố ở khắp nơi trên Trái Đất

+ Trong đất, trong nước, trong không khí

+ Trong cơ thể người, động vật, thực vật và thậm chí trong cơ thể của sâu hại, côn trùng và vikhuẩn, trên mọi đồ dùng, vật liệu, lương thực, thực phẩm

+ Thậm chí VSV còn tồn tại ở những nơi, những chỗ mà những sinh vật khác không thể tồn tại

và sinh sống Ví dụ:

Trong điều kiện sống khắc nghiệt -1900C, -2000C, +1350C

Năm 1969, Meyer, nhà bác học người Mỹ, đã phát hiện thấy các tế bào VSV trên lớpbăng dầy 30m, -1950C, người ta ước tính xuất hiện cách đây khoảng 3.000 năm Dùng dụng cụlấy VSV này và cấy vào môi trường dinh dưỡng thì nó sẽ phát triển.

Năm 1972, ở Nga người ta tìm thấy sự sống của VSV ở một lớp quặng Kali nóng chảytrong lòng đất, nhiệt độ >1000C, người ta ước tính xuất hiện cách đây khoảng 250 triệu năm

Vi khuẩn Bacillus anthracis, có nha bào gây bệnh than (làm máu chuyển từ màu đỏ sang

màu đen) Những bệnh này xuất hiện ở Việt Nam vào những năm 1950-1966, thường nhiễm quatrâu bò Lúc đó trâu bò chết người ta nghĩ là do rét cước, một số người ăn trâu bò bị bệnh này đã

bị nhiễm bệnh mà chết 20 năm sau người ta nghĩ rằng bệnh này đã biến mất Nhưng đầu nhữngnăm 90 bệnh đã quay lại ở những vùng Trung Du Một số người đã lấy đuôi con trâu bị bệnh,ninh nhừ trong nồi áp suất rồi ăn thì vẫn bị nhiễm bệnh

ở độ cao trên 20km người ta vẫn còn phát hiện thấy có VSV Mặt khác khi khoan xuốngcác lớp đá trầm tích sâu tới 427m ở châu Nam Cực người ta vẫn phát hiện được các vi khuẩnsống

ở độ sâu 10.000m của Đông Thái Bình Dương, nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo và có ápsuất cao người ta vẫn phát hiện thấy có khoảng 1 triệu - 10 tỉ vi khuẩn/ml (chủ yếu là vi khuẩnlưu huỳnh)

1.3 Nội dung

+ Nghiên cứu những đặc tính sinh lý, sinh hoá, di truyền của các nhóm VSV trong tự nhiên vàđặc biệt các nhóm VSV trong nông nghiệp Cụ thể về: hình thái, cấu tạo, kích thước, đặc tínhsinh học của từng chủng VSV

+ Trên cơ sở đấy ta tìm kiếm các phương pháp, biện pháp để khai thác một cách đầy đủ và cóhiệu quả những VSV có lợi phục vụ đắc lực cho con người, đồng thời ngăn chặn những VSV cóhại, cân bằng hệ sinh thái học VSV

- Virus học (Virology).

Các chuyên khoa khác nhau như:

Y vi sinh vật học, vi sinh vật công nghiệp, VSV nông nghiệp, VSV không khí, VSVnước…Gần đây còn phát triển các lĩnh vực mới như vi sinh vật học phóng xạ, địa vi sinh vậthọc, vi sinh vật học vũ trụ

Mỗi 1 chuyên khoa lại chia thành các ngành khác nhau

Ví dụ như trong vi sinh vật nông nghiệp có: vi sinh vật đất, vi sinh vật trồng trọt, vi sinhvật trong bảo vệ thực vật, vi sinh vật xử lý ô nhiễm môi trường, vi sinh vật chăn nuôi, vi sinh vậtthú y, vi sinh vật thuỷ sản, vi sinh vật học lâm nghiệp, vi sinh vật trong lương thực, thực phẩm…

* Về lĩnh vực sinh thái học người ta cũng có thể chia ra làm 4 lĩnh vực:

- Từ thấp đến cao: Đây không phải là chia theo tiến hoá của VSV, mà là phân chia theo địa

hình tức là độ cao so với mực nước biển Người ta thấy ở các độ cao chênh lệch nhau 100m thì

hệ VSV đã khác nhau rất nhiều

- Hảo khí đến yếm khí: Có VSV sống được trong điều kiện có O2 nhưng trong điều kiện không

có O2 thì chết và ngược lại Ví dụ: Azotobacter và Methanococcus là VSV hảo khí.

- Chua đến kiềm: Thang chuẩn của Việt Nam và Thế giới quy định như sau:

pH < 4,5 4,5-5,5 5,6-6,5 6,6-7,5 7,6-8,5 8,6-9,5 9,6-10,5 10,6-11,5Môi

mạnh

Kiềm rấtmạnhNgười ta không tính đến pH = 14 vì tất cả các môi trường trong thực tế ở trên thế giới này không

có pH đến 14

Đất Việt Nam: từ chua đến ít chua Môi trường kiềm rất ít thấy, nếu thấy pH=9 thì thường là do

ô nhiễm môi trường Ví dụ nhà máy giấy Bãi Bằng dùng vôi để xử lí, hoặc xà phòng thải ra củasinh hoạt

- Lạnh đến nóng: Có chủng VSV ưa lạnh, ưa ấm và ưa nóng Ví dụ Celvibrio là vi khuẩn dạng

phẩy khuẩn phân huỷ và chuyển hoá các chất sợi, xenlulô trong các đống ủ có nhiệt độ thường từ70-800C Người ta gọi VSV này là VSV sinh nhiệt, nhiệt độ càng cao, độ ẩm thích hợp thì VSVnày hoạt động mạnh và phân huỷ mạnh

2 Lịch sử phát triển

Lịch sử phát triển của VSV có thể chia ra thành 4 giai đoạn như sau

2.1 Giai đoạn trước kính hiển vi (Trước khi có kính hiển vi - Tính từ trước thế kỷ 15)

Trước thế kỷ 15 tất cả các sự kiện xảy ra trong tự nhiên trong hoạt động sống của conngười và trong nông nghiệp loài người đều cho rằng đó là do chúa trời định mệnh hay do ma quỷtạo ra Tuy nhiên con người đã biết áp dụng một số quy luật của thiên nhiên vào trong cuộc sốngnhư: ủ men, nấu rượu , nhưng bản chất và cơ chế của quá trình thì không biết Biết trồng xencanh hoặc luân canh giữa cây hoà thảo với cây họ đậu có tác dụng cải tạo đất tăng năng suất câytrồng

Mãi đến giữa thế kỷ 15, bác sỹ nổi tiếng người ý Fraccastor (1483-1553) đã nghiên cứubệnh truyền nhiễm ở người, ông đã kết luận: "Nguồn gốc của bệnh truyền nhiễm là do sự bẩn

thỉu gây ra, nó được truyền từ người này sang người khác qua một “môi giới”, mà “môi giới”

này từ trước đến nay loài người còn chưa biết đến" Nhờ có phát minh này mà sau đó nhiều nhà

khoa học đã tập trung nghiên cứu tìm hiểu về "Môi giới".

2.2 Giai đoạn kính hiển vi (Tính từ thế kỷ 17)

Đầu thế kỷ 17 một nhà bác học người Nga, Uyllam đã chế tạo ra một dụng cụ gồmnhiều kính lúp ghép lại với nhau với độ phóng đại hàng chục lần

Giữa thế kỷ 17 Người có công phát hiện ra thế giới VSV và cũng là người đầu tiên mô tảhình thái nhiều loại vi sinh vật là người Hà Lan tên là Antonie Leeuwenhoek (Anton Van Lơven Húc) (1632-1723) vốn học nghề trong một hiệu buôn vải Ông đã tự chế tạo ra kính hiển vi

có độ phóng đại 160 lần dựa trên thiết kế của Uyllam Gọi là kính hiển vi nguyên thuỷ

Bằng dụng cụ này ông đã quan sát trong tự nhiên: trong đất, trong nước ao tù, các dungdịch nước ngâm các chất hữu cơ, bựa răng Leewenhoek thấy ở đâu cũng có những VSV nhỏ bé.Rất đỗi ngạc nhiên với hiện tượng quan sát được ông đã viết: “Tôi thấy trong bựa răng ở miệngtôi có rất nhiều sinh vật tí hon hoạt động Chúng nhiều hơn so với cả vương quốc Hà Lan hợpnhất” Chính nhờ dụng cụ này ông đã phát hiện ra một thế giới mới "Một thế giới huyền ảo củaVSV" Nhờ công lao lớn này loài người tôn sùng ông là "Cha" của ngành VSV

Với quan sát và phát hiện của mình, Leewenhoek đã trình bày trong nhiều tiểu phẩm.Những tiểu phẩm này được tập hợp lại trong tác phẩm: “Phát hiện của Leewenhoek về những bímật của giới tự nhiên” xuất bản năm 1695 Trong tác phẩm này ông đã ghi chép tỉ mỉ tất cảnhững điều quan sát được về VSV

Nhưng mãi đến 150 năm sau, VSV mới được chú ý Linne nhà phân loại học lớn nhất lúcbấy giờ đã đem tất cả các loài VSV xếp lại thành một nhóm chung gọi là chaos (nghĩa là hỗnloạn) Đến năm 20 của thế kỷ thứ XIX nhiều loại VSV bắt đầu được phát hiện, con người bắt đầu

nhận thức được tác động của VSV trong một số bệnh và chúng được một số nhà phân loại họcchú ý tới.

Nhìn chung trong thời kỳ này các nhà nghiên cứu mới chỉ chú ý đến việc quan sát và mô

tả các loại VSV Vì thế cho nên người ta thường gọi giai đoạn này là giai đoạn hình thái học

2.3 Giai đoạn hình thành khoa học VSV (Tính từ thế kỷ 19)

Do sự phát triển mạnh của chủ nghĩa tư bản, các ngành khoa học kỹ thuật nói chung,trong đó có ngành VSV học nói riêng đã phát triển mạnh

Đến đầu thế kỷ 19, những chiếc kính hiển vi quang học hoàn chỉnh mới ra đời với cáccống hiến to lớn của G.Battista Amici (1784-1860)

Từ thập kỷ 60 của thế kỷ 19 bắt đầu thời kỳ nghiên cứu về sinh lý học của các VSV.Người có công trong nghiên cứu VSV là Louis Pasteur (1822-1895) Một số công trình nghiêncứu của ông

- Năm 1857 Đưa ra cơ chế của quá trình lên men

Chứng minh nhiều quá trình lên men (etilic, lactic, axetic ) là do VSV gây nên Ông đã tìm cách phòng ngừa sự hoá chua của rượu và xác định sở dĩ rượu biến thành dấm là do kết quả hoạt động của một loại VSV khác Nghiên cứu của Pasteur chẳng những có tác dụng lớn đến kỹ thuật chế biến rượu mà còn giải quyết một cách cơ bản một quá trình sinh lý quan trọng Đấy là quá trình hô hấp.Ông đã chỉ rõ lên men chính là một quá trình hô hấp yếm khí Nghiên cứu của Pasteur đã bác bỏ quan điểm hoá học đơn thuần của Liebig thời bấy giờ Trong khi nghiên cứu qúa trình lên men Pasteur đã tìm ra một nguyên tắc đơn giản nhưng rất có giá trị: Khi rượu đã đủ ngon rồi thì chỉ cần đun nóng lên và giữ trong thùng kín là

có thể bảo quản được khá lâu “Phương pháp khử trùng của Pasteur” này không những có tác dụng to lớn đối với công nghiệp thực phẩm mà còn đặt cơ sở cho các phương pháp khử trùng trong y học.

- Năm1860 Đi nghiên cứu và đưa ra một thuyết "Thuyết tự sinh"

- Năm 1863 Chứng minh vi khuẩn là nguồn gốc của bệnh nhiệt thán

- Năm 1865 Đưa ra quy trình công nghệ sản xuất vang

- Năm 1868 Phát hiện ra nguyên nhân của bệnh bào tử trùng ở tằm và đề xuất được các biệnpháp phòng tránh bằng phương pháp cách ly

Phương pháp này rất có hiệu quả Nó giải quyết được vấn đề lớn trong nghề nuôi tằm thời bấy giờ Có thể nói là trong thời đại đó ông đã cứu được cả thế giới loài người Vì loài người thời đó chỉ trồng dâu, nuôi tằm, kéo tơ dệt sợi Từ nghiên cứu này Pasteur đã ứng dụng vào việc chữa bệnh cho người và gia súc Từ đó phương pháp cách ly để tránh sự lây lan của bệnh tật đã trở thành một phương pháp phòng bệnh rất quan trọng.

- Năm 1877 Đi nghiên cứu bệnh tụ huyết trùng ở động vật và đưa ra phương pháp phòng bệnh.

- Năm 1880 Phát hiện ra các tụ cầu khuẩn gây bệnh và Phát hiện ra liên cầu khuẩn gây bệnh.Tìm ra vacxin chống bệnh dịch tả gà nhờ sử dụng vi khuẩn đã chuyển sang dạng mất độc lực.Phát hiện não mô cầu khuẩn

- Năm 1881 Tìm ra vacxin chống bệnh than

- Năm 1883 Phát hiện tụ huyết khuẩn lợn

- Năm 1880-1885 Nghiên cứu vacxin chống bệnh dại Ngày 6-7-1885 một em bé 9 tuổi là ngườiđầu tiên được cứu sống nhờ vacxin chống dại của ông Và ngày này đã đi vào lịch sử loài người

- Năm 1888 Trở thành viện trưởng đầu tiên của viện Pasteur ở Pháp

Hiện nay có rất nhiều nước trên thế giới có viện Pasteur ở Việt Nam có hai viện: Bệnhviện Vệ sinh dịch tễ Trung Ương Hà Nội và Viện Pasteur ở Thành phố Hồ Chí Minh

Tiếp tục phát huy những thành tựu của L.Pasteur trong việc khám phá ra nguồn gốc củacác bệnh truyền nhiễm, trong các năm tiếp theo hầu hết các VSV gây bệnh đã được phân lập,nuôi cấy và định tên (như bệnh sốt hồi quy, bệnh phong, bệnh thương hàn )

- Năm 1886 Helrigell và UynFax đưa ra bản chất của quá trình cố định Nitơ phân tử

- Nhà bác học người Đức Robert Kock (1843-1910) đã khám phá ra vi khuẩn lao, vi khuẩn tả.Kock cũng đã nghiên cứu bệnh nhiệt thán Ông đã dùng môi trường đặc chứa thạch hoặc gelatin

để nuôi vi khuẩn Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với công tác phân lập và thuần khiết vi sinhvật

- Nhà thực vật học người Nga D.I Ivanovskii (1864-1920) đã chứng minh có sự tồn tại của loạiVSV siêu hiển vi gây ra bệnh khảm ở lá thuốc lá (mosaic) vào năm 1892 Đến năm 1897 nhàkhoa học Hà Lan M.W Beijerinck (1851-1931) gọi loại VSV này là virut theo gốc Latinh cónghĩa là “nọc độc” Đến năm 1917 F.H d’Hðrelle (1873-1949) phát hiện ra các virut của vikhuẩn và đặt tên là thể thực khuẩn (Bacteriophage)

- Nhà khoa học Hà Lan Beijerinck là người đầu tiên phân lập được vi khuẩn nốt sần Rhizobium vào năm 1888, vi khuẩn cố định đạm hiếu khí Azotobacter (1901), vi khuẩn lên men butilic, vi

khuẩn phân giải pectin và nhiều nhóm vi khuẩn khác

- Người đầu tiên phát hiện ra chất kháng sinh là bác sĩ người Anh Alexander Fleming 1955)

(1881 Năm 1897 Eduard Buchner (1860(1881 1917) lần đầu tiên chứng minh được vai trò của enzim trongquá trình lên men rượu

2.4 Giai đoạn hiện đại

Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành khoa học và sự ra đời của một loạt cácphương tiện nghiên cứu mới đã đưa đến những tiến bộ có tính chất nhẩy vọt trong sinh học nóichung và trong vi sinh vật học nói riêng (đặc biệt là các cơ chế di truyền)

Năm 1934 chiếc kính hiển vi điện tử đầu tiên ra đời Đó là loại kính hiển vi không dùngánh sáng khuyếch đại nhờ các thấu kính mà dùng một chùm điện tử khuyếch đại lên nhờ các điện

từ trường Máy siêu âm để phá vỡ tế bào và màng, tách từng cấu trúc của tế bào, nhờ đó mà loàingười có thể thấy được cấu trúc xây dựng nên cơ thể VSV

Nhờ các phương pháp phân tích nhanh chóng và hiện đại (như điện tử, sắc kí, quang phổ

tử ngoại, quang phổ phát xạ, quang phổ hồng ngoại, cộng hưởng từ hạt nhân…) Người ta có thểlàm thuần khiết và định lượng từng nhóm hợp chất hoá học chứa trong tế bào VSV hoặc trongcác sản phẩm trao đổi chất mà VSV đã tích luỹ lại trong môi trường xung quanh Nhờ kỹ thuậtnhiễu xạ tia Rơngen và việc sử dụng máy tính điện tử người ta có thể biết rõ được cấu trúc khônggian của các hợp chất cao phân tử có ý nghĩa quan trọng trong hoạt động sống (protein, axitnucleic)

Các nhà VSV còn tạo ra bước ngoặt của di truyền học D.T Avery, C.M MacLeod, M.Mc.Carty với thực nghiệm trên vi khuẩn đã chứng minh qúa trình biến nạp được thực hiện thông qua ADN.

Cùng với những nghiên cứu về cấu trúc ADN xoắn kép (Watson và Crick), phát hiện ra vai trò của operon trong việc đóng mở gen (F.Jacob), việc xác định ra mã di truyền của M.Nirenberg con người

đã đủ nhận thức để có được bức tranh toàn cảnh về cấu trúc chức năng, các quy luật vận động của vật liệu

di truyền, mở ra một kỷ nguyên tạo ra các cơ thể hoàn toàn mới lạ một cách chủ động nhờ mang gen TTH Các chủng VSV được tạo ra nhờ thao tác di truyền sẽ có mặt trong đời sống nhân loại ở mọi lĩnh vực khác nhau Đây là hi vọng để tháo gỡ những khó khăn về lương thực, thực phẩm, thuốc men, bảo vệ môi trường Nhưng đây cũng là mối đe doạ khủng khiếp đối với nhân loại nếu các VSC đã thay đổi gen được sử dụng trong chiến tranh như những loại vũ khí phân tử nguy hiểm.

Năm 1970 một số nhà bác học (H.O.Smith, K.W.Wilkox) lần đầu tiên tách được enzim có khả năng cắt ADN ở những vị trí xác định.

Ví dụ năm 1978 lần đầu tiên sản xuất ra Insulin (chữa bệnh tiểu đường) bằng công nghệ gen Và cũng trong năm này người ta đã chế tạo thành công kích tố sinh trưởng (HGH).

Những công trình nghiên cứu trên là cơ sở cho sự phát triển của ngành công nghệ vi sinh

Như vậy rõ ràng VSV là một đối tượng rất quan trọng trong công nghệ sinh học để phục vụ ngày càng đắc lực cho sản xuất và đời sống của loài người.

Thế kỷ 21là thế kỷ của Công nghệ Sinh học trong đó công nghệ vi sinh vật là hạt nhân lànòng cốt của Công nghệ Sinh học

3 Vai trò của VSV

Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất: trong không khí, trong đất, trong nước,trong hầm mỏ, trên cơ thể người, động thực vật, đồ dùng, lương thực thực phẩm…Ngay cả trongnhững nơi mà điều kiện sống tưởng chừng hết sức khắc nghiệt vẫn thấy sự phát triển của VSV

Như nhà bác học người Pháp đã nói “Mặc dù VSV gây nên các bệnh hiểm nghèo, nguyhiểm cho người và động vật, nhưng chúng ta không nên tức giận chúng vì nếu không có VSV thìkhông có cuộc sống trên trái đất này như ngày nay, cũng không có các nhà bác học về VSV”

VSV có vừa có lợi lại vừa có hại

3.1 Mặt lợi của vi sinh vật

Tham gia vào quá trình hình thành cuộc sống trên thế giới vì từ khi trái đất được hìnhthành người ta đã chứng minh được sinh vật sống đầu tiên trên trái đất là VSV

VSV tham gia tích cực vào quá trình hình thành đất trồng trọt, chúng phân huỷ chuyểnhóa các hợp chất bền vững, các xác hữu cơ thành các hợp chất đơn giản hơn và các chất dinhdưỡng dễ tiêu cung cấp cho cây trồng (P, K, S, Ca…) VSV sống trong đất và trong nước còntham gia vào quá trình hình thành chất mùn Trong đất, chất mùn là kho dự trữ thức ăn cho câytrồng và là yếu tố kết dính để tạo ra cấu tượng của đất Đất có cấu tượng là đất có đủ điều kiệnthích hợp về độ ẩm, về không khí, về chất hữu cơ đối với cây trồng

Vi sinh vật tham gia vào khép kín vòng tuần hoàn các vật chất và giữ cân bằng sinh tháitrong tự nhiên

VSV tham gia tích cực vào việc phân giải các chế phẩm nông nghiệp, phế thải đô thị,phế thải công nghiệp, các chất độc hại góp phần làm sạch môi trường

Một số loài VSV tiết ra chất kháng sinh, vitamin, chất kích thích sinh trưởng Chính vìvậy nó còn được áp dụng trong các quy trình công nghệ để sản xuất thuốc kháng sinh, vitamin vàcác chất kích thích sinh trưởng…

Một số loài VSV trong tế bào có chứa tinh thể diệt côn trùng Người ta dùng các chủngVSV này vào trong quy trình công nghệ để sản xuất chế phẩm VSV dùng trong bảo vệ thực vật

để diệt côn trùng có hại Đó là thuốc trừ sâu Bt (Bacillus thuringiensis).

Một số loài VSV có khả năng đồng hoá Nitơ không khí (N2) thành hợp chất Nitơ (NH3,

NH4+) cung cấp đạm cho cây cối, làm giàu dinh dưỡng Nitơ cho đất Lợi dụng để sản xuất chếphẩm sinh học

Trong công nghệ tuyển khoáng, người ta sử dụng nhiều chủng VSV hoà tan kim loại quý

từ quặng nghèo hoặc bã thải chứa quặng Đó là phương pháp chắt lọc kim loại Thường sử dụngchắt lọc kim loại đồng, bạc vàng

ứng dụng VSV trong xử lý tràn dầu

VSV có vai trò quan trọng trong ngành năng lượng Sử dụng VSV và các enzim do chúngtạo ra để chuyển hoá sinh khối thành cồn làm nhiên liệu VSV là động lực để vận hành các bểsinh khí sinh học (biogas) Từ 1 tấn phân chuồng được đưa vào lên men có thể làm sản sinh ra70-73m3 khí sinh học, cho năng lượng tương đương với 45l xăng)

VSV là lực lượng sản xuất trực tiếp của ngành công nghệ lên men Các sản phẩm lên men

ở quy mô công nghiệp: penixillin, vitaminC, thuốc trừ sâu sinh học, axit xitric…

Bắt đầu từ đầu thập kỷ 70 của thế kỷ 20 người ta bắt đầu thực hiện thành công thao tác ditruyền (genetic engineering) ở VSV Đó là việc chủ động chuyển một số gen hay một nhóm gen

từ một VSV hay từ một tế bào khác của sinh vật bậc cao sang tế bào một VSV khác VSV manggen tái tổ hợp có thể mang lại những lợi ích to lớn bởi vì có thể sản sinh ở quy mô công nghệnhững sản phẩm trước đây chưa hề được tạo thành bởi VSV Một số sản phẩm của các VSV đãđược tái tổ hợp gen trong phục vụ y tế và thú y (interferon, insulin, kích tố sinh trưởng người),trong sản phẩm phục vụ công nghiệp thực phẩm và thức ăn chăn nuôi (các axit amin, các enzim,sinh khối VSV), trong các sản phẩm phục vụ nông nghiệp (thuốc trừ sâu sinh học, phân bónVSV), trong bảo vệ môi trường (các chủng VSV mang gen TTH có thể phân giải mạnh các chấtphế thải hoặc phá huỷ các chất độc…)

3.2 Mặt hại của vi sinh vật

VSV gây nên các bệnh rất hiểm nghèo và hiểm nghèo cho người (HIV, ung thư ), độngvật (lở mồm, long móng ) cây trồng, cây rừng (bệnh đạo ôn, khô vằn, đốm lá ) Ví dụ chỉ riêng

sự tấn công của virut HIV cũng đủ gây ra ở cuối thế kỷ 20 khoảng 30-40 triệu người mang HIV

Chúng phá huỷ mùa màng (giảm từ 30-40% có khi mất trắng), làm hư hao hoặc biến chấtlương thực, thực phẩm, nguyên liệu, vật liệu, hàng hoá Chúng sản sinh độc tố trong đó có các

độc tố hết sức độc Ví dụ chỉ cần 1mg độc tố của vi khuẩn Clostridium botulinum cũng đủ giết

hại tới 1000 tấn cơ thể sinh vật

VSV còn phá huỷ các công trình xây dựng cầu cống, các di tích lịch sử, gây phiền nhiễutrong hoạt động sống của con người

Người ta tổng kết thấy, trong bất cứ một môi trường sống nào kể cả trong môi trườngthiên nhiên, hệ VSV hay cân bằng VSV luôn tồn tại ở 100% Trong đó 5% là VSV có ích, để đối

trọng với nó là 5% VSV có hại, và 90% là VSV trung gian Nếu bên nào mạnh hơn thì 90% này

sẽ nghiêng về bên đấy Vì vậy mục đích của môn học này là tìm kiếm giải pháp để 90% nàynghiêng về 5% có lợi

Chương II VI KHUẨN (BACTERIA)

Kích thước của vi khuẩn được tính bằng µm 1 µm = 10-3mm

Xét về thành phần và số lượng thì vi khuẩn là nhóm đông nhất và có vai trò kể cả thuận

và nghịch nhiều nhất so với các sinh vật khác

2 Các phương pháp nghiên cứu về vi khuẩn

Có nhiều phương pháp nghiên cứu về vi khuẩn, nhưng trong khuôn khổ của giáo trìnhnày đề cập đến 3 phương pháp cơ bản sau:

2.1 Phương pháp soi tươi

Người ta lấy mẫu còn tươi từ một canh khuẩn hay một bệnh khuẩn rồi đem chấm lên lamkính Sau đó dùng lamen đè lên Và đem quan sát dưới kính hiển vi

Đây là phương pháp rất đơn giản và dễ làm, cho chúng ta kết quả rất nhanh Nhờ phươngpháp này chúng ta sơ bộ biết được: hình thái, kích thước về bệnh khuẩn hay chủng giống VSVcần nghiên cứu

Hạn chế của phương pháp này là chúng ta không biết được chính xác về hình thái, kíchthước của chủng giống VSV mà chúng ta chỉ biết sơ bộ Phương pháp này cũng rất nguy hiểm, vìchúng ta quan sát vi khuẩn khi chúng còn sống nên dễ nhiễm sang người nghiên cứu Vì soi tươinên vi khuẩn còn di động nên khó xem

2.2 Phương pháp cố định tiêu bản và nhuộm tế bào sinh vật.

Đây là phương pháp không thể thiếu được trong nghiên cứu về vi khuẩn nói riêng vàVSV nói chung Nhờ phương pháp này chúng ta biết được chính xác hình thái, kích thước củachủng giống VSV mà chúng ta nghiên cứu Ngoài ra chúng ta còn sơ bộ bước đầu phân loạichủng giống VSV này nhằm khai thác những mặt lợi và hạn chế những mặt hại

Cố định tiêu bản: Nhỏ một giọt nước vô trùng lên một lam kính sạch Dùng que cấy lấy

giống VSV cần nghiên cứu rồi hoà vào giọt nước trên Đem hơ trên ngọn lửa đèn cồn với khoảngcách từ 15-20cm Mục đích giết chết VSV, và gắn chặt VSV vào lam kính

Khi nào khô thì người ta nhuộm Có hai loại thuốc nhuộm Một loại mang tính axit, cònmột loại mang tính bazơ (tím Gentian)

Tẩy và rửa để khô và đem soi dưới kính hiển vi

Khi tiến hành nhuộm Gram: tế bào vi sinh vật bắt màu hồng là vi khuẩn Gram âm, tế bào

vi sinh vật bắt màu tím là vi khuẩn Gram dương

2.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử

Đây là phương pháp rất hiện đại, nhờ phương pháp này không những biết được chính xáchình thái, kích thước chủng giống VSV này mà còn biết được các vị trí cấu trúc bên trong củaVSV

Dùng bạch kim phủ bóng tiêu bản, sau đó quan sát dưới kính hiển vi điện tử

3 Hình thái, kích thước của vi khuẩn

Vi khuẩn có nhiều hình thái, kích thước và cách sắp xếp khác nhau Tuỳ từng chủnggiống khác nhau mà khác nhau Đường kính của phần lớn vi khuẩn thay đổi trong khoảng từ 0,2

- 2,0µm, chiều dài cơ thể khoảng 2,0-8,0µm,

Dựa theo hình thái bên ngoài có thể chia vi khuẩn làm 5 loại hình thái khác nhau: cầukhuẩn, trực khuẩn, cầu trực khuẩn, xoắn khoẩn, và phẩy khuẩn

3.1 Cầu khuẩn (Coccus - Viên bi tròn vo)

3.1.1 Đơn cầu khuẩn (Micrococcus)

Các tế bào thường đứng thành riêng từng tế bào một, đa số sống hoại sinh trong đất, nước

và không khí như Micrococcus agilis, Micrococcus roseus, M luteus

3.1.2 Song cầu khuẩn (Diplococcus)

Các tế bào thường đứng với nhau thành cặp như Diplococcus pneumonia (gây bệnh viêm phổi) Azotobacter chrococcum, một số loại có khả năng gây bệnh như lậu cầu khuẩn (Neiseria

gonorrhoeae) não mô cầu khuẩn (Neiseria meningitidis)

3.1.3 Liên cầu khuẩn (Streptococccus)

Các tế bào thường đứng với nhau thành chuỗi dài như liên cầu khuẩn sinh mủ

(Streptococcus pyogenes, Streptoccus lactis)

3.1.4 Tứ cầu khuẩn (Tetracoccus)

Các tế bào đứng với nhau thành nhóm 4 tế bào một Tứ cầu khuẩn thường sống hoại sinh,

song cũng có loài có khả năng gây bệnh chó động vật như Tetracoccus homari, Tetracoccus

lactis,

3.1.5 Tụ cầu khuẩn (Staphylococcus)

Các tế bào đứng với nhau thành từng đám giống như chùm nho Đa số tụ cầu sống hoại

sinh, một số có thể gây bệnh cho người và động vật như Staphylococcus aureus, Staphylococcus

epidermisdis, S lactis.

3.2 Trực khuẩn (Bacillus - Batoong - hình que)

Là tên chung để chỉ các loài vi khuẩn có hình que, hình gậy, đầu tròn hay đầu vuông.Kích thước của trực khuẩn 0,5-1x 1-5µm Những trực khuẩn hay gặp thuộc các giống sau:

3.2.1 Trực khuẩn Gram không sinh nha bào

Chúng có dạng hình que, hai đầu tù, bắt màu khi nhuộm Gram

- Trực khuẩn Gram âm không sinh nha bào thì bắt màu hồng khi nhuộm Gram Ví dụ

như: Bacterium, Rhizobium, Flavobacterium, có nhiều loại gây bệnh cho người và gia súc như trực khuẩn đường ruột Như Salmonena, Escherichia, Shigella, Proteus

- Trực khuẩn Gram dương không sinh nha bào lại bắt màu tím khi nhuộm Gram Ví dụ

như: Corynebacterium.

3.2.2 Trực khuẩn Gram sinh nha bào.

Đa số là các loài Gram dương Có hai dạng hình chính,

- Một dạng do kích thước nha bào nhỏ hơn kích thước của vi khuẩn, nên vẫn có dạng

hình que Ví dụ Bacillus anthracis, B thurigensis, B subtilis.

- Một dạng do kích thước nha bào lớn hơn chiều ngang của vi khuẩn, do đó khi mang nhabào thì vi khuẩn bị biến đổi hình dạng và có dạng hình thoi, hình vợt, hay hình dùi trống Ví dụ

Clostridium pasteurianum trực khuẩn cố định Nitơ, Clostridium tetani trực khuẩn gây bệnh uốn

ván

3.3 Cầu trực khuẩn (Cocobacillus)

Là dạng trung gian giữa cầu khuẩn và trực khuẩn, có hình bầu dục, hình trứng, hình elip,

có kích thước khoảng 0,25-0,3 x 0,4-1,5µm

Ví dụ vi khuẩn tụ huyết trùng (Pasteurella)

3.4 Xoắn khuẩn (Spirillum)

Là những vi khuẩn có hình sợi lượn sóng, gồm các vi khuẩn có từ hai vòng xoắn trở lên,bắt màu Gram dương, di động được nhờ có một hay nhiều lông mọc ở đỉnh Kích thước thay đổitrong khoảng 0,5-3,0x5-40µm Ví dụ như Leptospira canicola, Treponema dentian (gây bệnh giang mai), Spirillum rubrum (uốn ván).

3.5 Phẩy khuẩn (Vibrio)

Là những vi khuẩn có hình que uốn cong, có hình giống như dấu phẩy, hình lưỡi liềm,đứng riêng lẻ hoặc nối với nhau thành hình chữ S, hình số 8

Phần lớn sống hoại sinh, một số ít có khả năng gây bệnh

phẩy trùng tả Vibrio cholerae,

Cellvibrio denitrificans có khả năng phân huỷ, chuyển hoá mạnh các chất sơ sợi.

4 Cấu tạo tế bào vi khuẩn

4.1 Tiên mao (roi - flagellum)

Tiên mao (hay lông roi) là những sợi lông dài, uốn khúc, mọc ở mặt ngoài một số vikhuẩn

Kích thước tiên mao dao động vào khoảng 0,01-0,04 x 1,0-100µm Có những tiên maorất dài gấp nhiều lần chiều dài cơ thể

Thành phần hoá học: Tiên mao chứa 90% là protein phần còn lại là lipit, hidrat cacbon và ion

vô cơ Protein của tiên mao gọi là flagellum có trọng lượng phân tử khoảng 30.000-40.000

Cấu trúc của tiên mao: Tiên mao của vi khuẩn gồm có ba phần: sợi, móc và thể cơ bản

- Sợi bao gồm một số chuỗi protein đặc biệt, nó xoắn lại với nhau phía trong vỏ rỗng

- Móc gắn vào phần đầu cuối của sợi

- Thể cơ bản gắn vào móc để giữ lông vào thành tế bào và màng tế bào chất

Vị trí và số lượng của tiên mao Vị trí sắp xếp và số lượng tiên mao trên thân vi khuẩn thay đổi

tuỳ loại vi khuẩn Có loại không có tiên mao (atricha), loại có tiên mao người ta chia thành cácloại như sau:

- Đơn mao: Chỉ có một sợi (monotrichous) ví dụ ở vi khuẩn Vbrio cholerae, Bdellovibrio spp

- Chùm mao: Có 2, 3, 4 roi mọc từ một đầu Ví dụ ở Pseudomonas fluorescens.

- Chu mao: Các roi mọc khắp xung quanh bề mặt tế bào Ví dụ ở các chi Salmonella, Proteus,

Escherichia, Shigella, Bacillus, Clostridium

Quan sát tiên mao dễ dàng nhất là sử dụng kính hiển vi điện tử Muốn thấy được dưới

kính hiển vi điện tử phải xử lí tiêu bản và nhuộm theo những phương pháp nhuộm tiên mao đặcbiệt hay bằng kỹ thuật nhuộm huỳnh quang, ngoài ra cũng có thể nhìn thấy lông vi khuẩn trênkính hiển vi có tụ quang nền đen và kính hiển vi phản pha

Đặc biệt bằng kính hiển vi điện tử có thể quan sát thấy tiên mao của vi khuẩn là những sợinguyên sinh chất rất mảnh xoắn lại với nhau, tiên mao xuất phát từ lớp ngoại nguyên sinh chấtrồi xuyên qua màng nguyên sinh chất và thành tế bào rồi ra ngoài Tiên mao cố định vào tế bào

vi khuẩn bằng một cái móc có đường kính lớn hơn đường kính của sợi tiên mao

Vai trò của tiên mao

- Giúp các vi khuẩn có thể chuyển động trong môi trường lỏng Nhờ sự chuyển động củatiên mao mà có thể giúp vi khuẩn di động trong dịch lỏng với tốc độ khoảng 100µm/s

- Flagellin của lông là cơ sở của kháng nguyên H (H antigene) ở vi khuẩn Khi tronghuyết thanh của động vật có tồn tại kháng thể H tương ứng thì sẽ xảy ra sự kết dính các tiên maocủa vi khuẩn lại với nhau tạo nên phản ứng ngưng kết

4.2 Tiêm mao

Ngoài tiên mao, ở nhiều vi khuẩn còn có một bộ phận phụ khác hình sợi rất ngắn và rấtmảnh gọi là pili, fimbriae, bám xung quanh cơ thể, nó có thể mất đi mà không ảnh hưởng tới sựtồn tại của vi khuẩn Kích thước 10-30nm x 0,1-0,3µm Pili thường thấy rất rõ ở các vi khuẩnGram âm, và trên mỗi tế bào có tới 250-400 pili Thành phần hoá học chủ yếu của nó là protein

Vai trò: - Bảo vệ thành tế bào vi khuẩn

- Các pili nói chung là giúp vi khuẩn bám giữ vào giá thể, bề mặt cơ chất như (màng nhầycủa đường hô hấp, đường tiêu hoá, đường tiết niệu, sinh dục…) Ngoài ra nó còn là chỗ bám đểcho 2 tế bào sinh vật tiếp hợp với nhau trong hiện tượng tiếp hợp.

- Các pili chung có cấu tạo của một protein mang tên pilin 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 bề mặt đểthu chất dinh dưỡng của tế bào

Pili giới tính hay pili F: Có một số loại vi khuẩn có một loại tiêm mao đặc biệt gọi là tiêm mao

giới tính (sex pilus, F-pilus) Nó giống tiêm mao nhưng dài hơn nhiều Mỗi vi khuẩn có thể có từ1-4 tiêm mao giới tính, chỉ có các vi khuẩn đực F+ hoặc Hfr mới có tiêm mao này Nhiệm vụ của các pili này là tham gia vào quá trình tiếp hợp, tiêm mao này hình thành cầu nối nguyên sinh chất giữa 2 tế bào khác giới tính do đó giúp quá trình truyền vật liệu di truyền từ vi khuẩn thể cho sang vi khuẩn thể nhận Ngoài ra pili giới tính này còn là thụ thể để cho các thể thực khuẩn ARN hấp phụ

4.3 Lớp vỏ nhầy hay lớp dịch nhầy (capsule)

ở một số loài vi khuẩn bên ngoài thành tế bào còn có một lớp bao nhầy hay còn gọi là lớp

vỏ nhầy Đây là một lớp vật chất dạng keo, có độ dầy bất định Tùy từng loại vi khuẩn khác nhau

mà có lớp vỏ nhầy có cấu trúc, thành phần hoá học, kích thước khác nhau Thậm chí còn tuỳthuộc vào từng giai đoạn sinh trưởng phát triển và điều kiện môi trường sống

Ví dụ Azotobacter sống trong môi trường thiếu đạm thì lớp dịch nhầy dầy hơn khi nó sống trong môi trường thừa Nitơ Hoặc Diplococcus vi khuẩn gây bệnh hô hấp chỉ hình thành

lớp vỏ nhầy khi xâm nhập vào TBVC để gây bệnh

Về độ dày của lớp vỏ nhầy chia làm hai loại:

- Vỏ nhầy lớn (macrocapsule) có kích thước lớn hơn 0,2µm có khi dày đến 10-20µm Lớp vỏnhầy này còn gọi là giáp mô (capsule) Để quan sát giáp mô có thể dùng phương pháp nhuộmbằng mực tàu để thấy rõ bao nhầy màu trắng nổi lên trên một nền đen

- Vỏ nhầy nhỏ: Kích thước nhỏ hơn 0,2µm

Thành phần chủ yếu của bao nhầy là polisaccarit, ngoài ra còn có homopolysaccarit hoặcheteropolysaccarit, polipeptit và protein Ngoài các hợp chất hữu cơ trên, thành phần hoá họccòn lại của giáp mô chủ yếu là nước chiếm tới 98% trong thành phần hoá học của giáp mô.Chung quy lại gồm hai cấu trúc:

- Polypeptit ví dụ như Bacillus anthracis

- Polysaccarit ví dụ như Diplococcus

Bao nhầy có thể có các chức năng sau:

- Bảo vệ vi khuẩn tránh bị thương tổn khi khô hạn, bảo vệ tránh khỏi hiện tượng thực bào củabạch cầu (phagocytosis) làm tăng cường sức gây bệnh của vi khuẩn

- Dự trữ thức ăn, đề phòng khi thiếu thức ăn có thể sử dụng vỏ nhầy như là nguồn chất dinhdưỡng Khi chất dinh dưỡng trong môi trường cạn dần, vi khuẩn sẽ tiêu thụ đến các chất dự trữchứa trong giáp mô và làm cho giáp mô tiêu biến đi

- Tích luỹ một số sản phẩm trao đổi chất Ví dụ ở vi khuẩn Acetobacter xylinum bao nhầy cấu tạo

bởi xenlulozơ Người ta dùng bao nhầy này để ăn khi nuôi cấy trên nước dừa Loại sản phẩm cóhương vị cùi vải, cùi nhãn này có tên gọi là “Nato de coco”

- Vỏ nhầy mang tính kháng nguyên rõ rệt, nó là yếu tố độc lực của vi khuẩn

- Nhờ bao nhầy và một số cấu tạo có liên quan mà giúp cho vi khuẩn bám được vào bề mặt của

một số giá thể Ví dụ vi khuẩn gây sâu răng Streptococcus salivarius và Streptococcus matans đã

sinh ra enzim hexozơ transpheraza làm tạo ra hợp chất polime của fructozơ, giúp cho vi khuẩnbám được trên bề mặt của răng, lên men đường sinh axit lactic và dần dần làm hỏng men răng,gây sâu răng Bao nhầy tạo thành bao ở một số loài vi khuẩn thuỷ sinh đóng vai trò bám giữ vàocác giá thể trong nước

- 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 nhiệt thán

4.4 Thành tế bào

Thành tế bào nằm ở phía trong lớp vỏ nhầy

Thành tế bào thường chiếm 25-30% khối lượng khô của vi khuẩn

Thành phần cấu tạo của thành tế bào rất phức tạp Cấu trúc của G+ và G- rất khác nhau.Bảng dưới nêu lên sự sai khác chủ yếu về tỉ lệ các thành phần của thành tế bào vi khuẩn

Thành phần Tỉ lệ phần trăm đối với khối lượng khô của thành tế bào vi khuẩn

Peptidoglican là loại polime xốp, không tan, khá cứng và bền vững Cấu trúc cơ bản baogồm 3 thành phần: N-axetyl glucozamin, axit N-axetyl murumic, và tetrapeptit chứa cả L và Daxit amin

Để tạo thành mạng lưới cứng, tetrapeptit trên mỗi chuỗi peptidoglican (PG) liên kết chéovới các tetrapeptit trên các chuỗi khác Đồng thời các thành phần của lưới phải được mở ra bởicác enzim autolizin để polime mới có thể lắp thêm vào và tế bào có thể sinh trưởng và phân cắt

Axit teicoic là một thành phần đặc trưng của tế bào vi khuẩn G+ Axit teicoic là polimecủa ribitol và glixerol photphat liên kết với PG hoặc màng tế bào chất Loại liên kết với màng tếbào chất được gọi là axit lipoteicoic Do tích điện âm nên axit teicoic giúp cho việc vận chuyểncác ion dương vào ra tế bào, và giúp tế bào dự trữ photphat Ngoài ra nó còn liên quan đến tínhkháng nguyên bề mặt và tính gây bệnh của một số vi khuẩn G+ Chúng còn gọi là thụ thể hấp phụđặc biệt đối với một số thể thực khuẩn

Vi khuẩn G- có thành tế bào với cấu trúc phức tạp Trong cùng là lớp PG mỏng Cáchmột lớp không gian chu chất là tới màng ngoài

- Màng ngoài có cấu trúc gần giống với màng tế bào chất nhưng chủ yếu là lipopolisaccarit(LPS) Lớp LPS dày khoảng 8-10nm và cấu tạo như sau: - Lipit A: 2 phân tử N-axytylglucozamin, 5 chuỗi dài axit béo Đây là nội độc tố của vi khuẩn gây sốt, tiêu chảy, phá huỷhồng cầu và dẫn đến gây sốc nguy hiểm - Polisaccarit lõi - và kháng nguyên O đây chính làphần polisaccarit vươn ra khỏi màng vào môi trường, gồm các phân tử hexozơ (galactozơ,mannozơ) Kháng nguyên O quyết định nhiều đặc tính huyết thanh của vi khuẩn có chứa LPS và

là vị trí gắn của thụ thể của thể thực khuẩn

- Lớp không gian chu chất: Lớp này không chỉ có ở giữa lớp màng ngoài và lớp PG mỏng ởthành tế bào vi khuẩn G- mà còn có ở giữa lớp thành tế bào và lớp màng tế bào chất của cả G+ và

G- Trong lớp này có nhiều loại, chẳng hạn proteinaza (đã được chứng minh là có khả năngchống lại sự tấn công của các vi khuẩn khác), nucleaza, protein vận chuyển qua màng, proteinthụ thể

Thành tế bào có các chức năng chủ yếu sau:

- Duy trì hình dạng của tế bào

- Vì thành tế bào có cấu trúc cứng nên nó giúp tế bào đề kháng với các lực tác động từ bên ngoàinhư áp suất, tác nhân vật lý, hoá học, các thuốc tẩy ví dụ như G+ chịu được áp suất thẩm thấu tới15-20atm, vi khuẩn G- chịu được tới 5-10atm

- Hỗ trợ sự chuyển động của tiên mao

- Cần thiết cho quá trình phân cắt bình thường của tế bào

- Cản trở sự xâm nhập vào tế bào một số chất có hại (thuốc nhuộm, một số chất kháng sinh, muốimật, muối kim loại, một số enzim phân giải)

- Có liên quan mật thiết đến tính kháng nguyên, tính gây bệnh, một số vi khuẩn thành tế bào cóchứa nội độc tố đó là lipopolisaccarit

- Thành tế bào cũng là nơi tiếp nhận các thụ thể đặc hiệu của phage, điều này có ý nghĩa trongphân loại vi khuẩn, và phage, cũng như các nghiên cứu cơ bản khác

- Vai trò của thành tế bào trong phương pháp nhuộm phân biệt hai loại vi khuẩn

4.5 Màng tế bào chất

Màng tế bào chất hay còn được gọi là màng tế bào hay màng nguyên sinh (cytoplasmicmembrane) nằm phía trong thành tế bào, viết tắt là CM CM dày khoảng 4-5nm

CM cấu tạo gồm 3 lớp:

- Ở giữa là 1 lớp kép photpholipit (PL), chiếm khoảng 30-40% khối lượng

- 2 lớp protein: một lớp nằm ở phía trong, một lớp nằm phía ngoài Một số protein có thể xuyênqua màng chiếm 60-70% khối lượng

Mỗi phân tử PL chứa một đầu tích điện phân cực (đầu photphat) và một đầu không tíchđiện, không phân cực (đầu hidratcacbon) Đầu không phân cực này chứa 2 mạch hidrocacbon no(CH2)n hoặc chưa no (CH2-CH=CH-CH2) trong đó thường có từ 14-24 nguyên tử C

- Ngoài ra trong màng nguyên sinh chất còn chứa nhiều loại enzym khác nhau ví dụ như:pecmeaza tham gia vào vận chuyển các chất qua màng tế bào, các enzym của chuỗi hô hấp vàenzym tổng hợp ATP (ATP synthetase), các enzym tham gia vào tổng hợp một số thành phầncủa tế bào…

Hầu hết màng tế bào chất của vi khuẩn thật không chứa các sterol, như colesterol, do đókhông cứng như CM của các tế bào có nhân thật Microplatma là nhóm vi khuẩn thật không cóthành tế bào CM của chúng có chứa sterol do đó khá vững chắc

CM là hàng rào đối với đa số các phân tử tan trong nước và có tính chọn lọc hơn nhiều sovới thành tế bào Tuy vậy do CM có chứa các protein đặc biệt gọi là pecmeaza, chúng có thể vậnchuyển các phân tử nhỏ vào tế bào theo cơ chế thụ động, không cần năng lượng hoặc chủ động,cần năng lượng

CM ở vi khuẩn là vị trí làm nhiệm vụ hô hấp (tương tự như màng trong có dạng gấp khúc

ở ti thể của các tế bào có nhân thật) CM có chứa các protein của chuỗi hô hấp và các enzim tổng

hợp ATP (ATP synthetase) ở các vi khuẩn lưu huỳnh màu tía CM còn chứa cả bộ máy quanghợp.

Trên CM còn gặp các enzim tham gia vào quá trình tổng hợp lipit màng, PG, axit teicoic,LPS, và các polisaccarit đơn giản

CM còn chứa các vị trí gắn với NST và plasmit, đóng vai trò quan trọng trong việc phânphối các yếu tố di truyền vào từng tế bào con

Nhiều vi khuẩn, nhất là vi khuẩn G+, CM xâm nhập vào tế bào chất và tạo thành hệ thốngống gọi là mezosom Mezoxom nằm gần CM hay đâm sâu vào trong tế bào chất Loại thứ hai có

lẽ gắn với NST và có chức năng nhất định trong quá trình sao chép ADN và qúa trình phân bào

Vai trò

- Ngăn cách tế bào với môi trường, tạo cho tế bào một hệ thống riêng biệt và duy trì áp suất thẩmthấu bình thường bên trong tế bào

- Thực hiện sự trao đổi chất giữa tế bào và môi trường Khống chế sự vận chuyển trao đổi ra, vào

tế bào của các chất dinh dưỡng, các sản phẩm trao đổi chất

- Là nơi chứa một số enzym, đặc biệt là các enzym chuyển hoá hô hấp, các pecmeaza

- Là nơi tổng hợp các thành phần của tế bào nhất là các thành phần của vách tế bào và vỏ nhầy(GP, LPS, axit teicoic, và các polime của vỏ nhầy)

- Nhiệm vụ trong phân chia tế bào: Người ta thấy các mezoxom và màng nguyên sinh chất hìnhnhư chỉ đạo việc phân chia tế bào vi khuẩn Trong quá trình phân chia tế bào, các mezoxom lớndần lên cùng với lúc NST nhân lên, khi NST tách đôi, các mezoxom đồng thời cũng tách đôi,chúng xa dần nhau và kéo theo nhân tách xa nhau và giữa tế bào xuất hiện một vách ngăn, qúatrình phân chia kết thúc

4.6 Tế bào chất (cytoplasm)

Tế bào chất là vùng dịch thể ở dạng keo chứa các chất hoà tan trong suốt và các hạt nhưriboxom Gồm khoảng 80-90% nước, phần còn lại là các thành phần hoà tan như protein, peptit,axit amin, vitamin, ARN, riboxom, các muối khoáng (Ca, Na, P ) và một số nguyên tố hiếm, sắc

tố Tế bào chất của vi khuẩn không di động bên trong tế bào cũng không chứa bộ khung tế bàotức là mạng lưới các sợi giúp duy trì hình dạng của tế bào Điều này khác hẳn với TBC của các tếbào nhân thật

Protein và polypeptit chiếm tới 50% trọng lượng khô của vi khuẩn và khoảng 90% nănglượng của vi khuẩn để tổng hợp protein

Khi còn 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) nênnguyên sinh chất có dạng lổn nhổn, bắt màu không đều và có tính chiết quang khác nhau.

Trong nguyên sinh chất của các vi khuẩn trưởng thành người ta quan sát thấy nhiều cơquan con khác nhau: mezoxom, riboxom, không bào, các hạt chất dự trữ, các hạt sắc tố và cáccấu trúc của nhân

4.7 Mezoxom

Là một thể hình cầu trông giống như một bong bóng nằm trong nguyên sinh chất, gầnvách ngăn và chỉ xuất hiện khi tế bào phân chia người ta thường tìm thấy khoảng 1-2 mezoxomtrong mỗi tế bào

Mezoxom có đường kính khoảng 2500A0 và gồm nhiều lớp bện chặt lại với nhau, chiềudày của mỗi lớp vào khoảng 75A0

Vai trò

- Mezoxom có vai trò quan trọng trong quá trình phân chia tế bào và hình thành vách ngăn

- Trong mezoxom còn có nhiều hệ thống enzym tham gia vào vận chuyển điện tử

Riboxom của vi khuẩn chứa khoảng 40-60% ARN, 35-60% protein, ngoài ra riboxomcòn chứa lipit, một số men như ribonucleaza, β-galactozidaza và một ít chất khoáng Mg và Ca.Trong tế bào vi khuẩn riboxom nằm chủ yếu trong nguyên sinh chất, một phần bám trên màngnguyên sinh chất,

Mỗi tế bào vi khuẩn có trên 10.000 riboxom, ở tế bào E.coli đang phát triển mạnh cókhoảng 15.000-20.000 riboxom

Vai trò

Riboxom là trung tâm tổng hợp của tế bào, nhưng không phải tất cả các riboxom đều cókhả năng tham gia vào quá trình này, số riboxom tham gia tổng hợp protein thường không quá 5-10% tổng số riboxom có trong tế bào

Sắc tố của vi sinh vật được gọi bằng tên chung: Bacteriochlorophyl Tuỳ từng loại vi sinh

vật khác nhau mà có chứa các sắc tố khác nhau Ví dụ như Thiobacillus có sắc tố carotenoit nên

có màu đỏ nâu, Pseudomonas có sắc tố piociamin nên có màu xanh

Có thể chia các chất dự trữ ra thành các nhóm sau:

A - Chất hữu cơ

a Nguồn C và năng lượng: Glicogen, PHB (poly-β-hydroxybutyrate)

b Nguồn N: Xianophixin, Phicoxianin

khuẩn (khoảng 10nm) Có thể thấy các hạt này ở tế bào các vi khuẩn Thiobacillus thioparus,

Thiobacillus neapolitanus, Beggiatoa spp Caboxixom có vai trò nhất định trong quá trình cố

định CO2 ở các vi khuẩn tự dưỡng Caboxixom chứa AND, cacboxylaza/oxigenaza

ribulozơ-bis-P-Tinh thể diệt côn trùng có hình quả trám, có bản chất là protein và có mặt trong tế bào một số vi

khuẩn như Bacillus thuringientis, B.sphaericus, B.lentimorbus

Vai trò

- Các chất dự trữ được hình thành khi tế bào tổng hợp quá nhiều, bằng cách này khôngnhững vi khuẩn dự trữ thức ăn mà còn làm giảm bớt áp xuất thẩm thấu dưới dạng polyme

- Các chất dự trữ được dùng khi môi trường dinh dưỡng hạn hẹp

- Sử dụng loài vi khuẩn có khả năng hình thành tinh thể diệt côn trùng làm chế phẩm visinh vật diệt sâu hại

4.11 Chất nhân

Nhân của vi khuẩn là nhân nguyên thuỷ chưa có màng nhân điển hình, nên gọi là sinh vậttiền nhân procaryota Mặc dù không có màng nhân nhưng giới hạn giữa thể nhân và nguyên sinhchất rất rõ rệt

Nếu coi trọng lượng khô của tế bào là 100% thì chất nhân chỉ chiếm 1-2%

Thể nhân còn gọi là vùng nhân, khi nhuộm bằng thuốc nhuộm Feulgen có thể quan sátthấy thể nhân có hình dạng bất định và bắt màu tím Thể nhân có thể có hình cầu, kéo dài nhưhình que, hình quả tạ, hay hình chữ V

Thể nhân của vi khuẩn là một NST duy nhất cấu tạo bởi một sợi ADN xoắn kép, gắn với

màng tế bào chất (tuy nhiên ở Streptomyces cũng gặp NST dạng thẳng) Như vậy là phần lớn các

tế bào của vi sinh vật nhân nguyên thuỷ là tế bào đơn bội NST của vi khuẩn có chiều dài thayđổi trong khoảng 0,25-3,0µm (chiều dài ADN của vi khuẩn E.coli là khoảng 1µm) NST của vikhuẩn chứa 6,6-13x106 cặp bazơ nitơ (NST của vi khuẩn E.coli gồm 4,6x106 cặp bazơ và có khốilượng phân tử là 3x109.)

Ngoài NST, nhiều vi khuẩn còn có chứa ADN ngoài NST Đấy cũng là những sợi ADNkép, dạng vòng kín, có khả năng sao chép độc lập và gọi là plasmit

Vai trò

- Là cơ sở vật chất chứa đựng thông tin di truyền của vi khuẩn

- Điều hành quá trình tổng hợp protein và duy trì các tính trạng của tế bào

3.7 Nha bào (Spore)

Một số loại vi khuẩn, thường là các vi khuẩn G+ như trực khuẩn Bacillus và Clostridium

có thể hình thành trong tế bào những thể hình tròn hay hình bầu dục, gọi là bào tử hay nha bào(spore)

Sự hình thành nha bào:

Nha bào là một hình thức tiềm sinh của vi khuẩn, các tế bào sinh bào tử khi gặp điều kiệnbất lợi như: thiếu thức ăn, nhiệt độ, độ pH không thích hợp, môi trường tích luỹ nhiều sản phẩmtrao đổi chất bất lợi Mỗi vi khuẩn chỉ tạo được một nha bào Khi điều kiện sống thuận lợi nhabào nảy mầm để đưa vi khuẩn trở lại dạng sinh sản

Có thể chia quá trình hình thành bào tử như sau: Lúc đầu nguyên sinh chất và chất nhântập trung lại ở một vị trí nhất định trong tế bào, tiếp theo là sự hình thành một lớp màng ngăncách khối nhân và phần nguyên sinh chất với phần còn lại của vi khuẩn, nguyên sinh chất tiếptục cô đặc lại Đó là giai đoạn tiền nha bào (prospore) Sau đó tiền nha bào được bao bọc dần bởicác lớp màng và chuyển thành nha bào Thời gian hình thành nha bào tuỳ theo từng loại vi khuẩn

có thể từ 18 - 20 giờ

Cấu trúc nha bào:

Khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử cho thấy nha bào được cấu trúc bởi nhiều lớpmàng bao bọc Tiếp xúc với nguyên sinh chất của nha bào là một lớp màng mỏng gọi là màngnha bào tương ứng với màng nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn ở thể sinh trưởng, sau đó đếnvách nha bào, vách này sẽ chuyển thành vách tế bào khi vi khuẩn nảy mầm Vách nha bào đượcbao bọc bởi một lớp vỏ dày gọi là vỏ Vỏ này không bắt màu thuốc nhuộm, xung quanh vỏ có hailớp bao: bao trong và bao ngoài đó là những lớp đề kháng mạnh, hai lớp này quyết định tínhkhông thấm các nhân tố hoá học và quyết định tính đề kháng đối với các nhân tố lý học

Màng ngoài nằm ở ngoài cùng, đó là các phần còn sót lại của tế bào mẹ, khi có khikhông, khi dày khi xốp, chiếm khoảng 2-10% khối lượng khô của bào tử Màng ngoài gồm 2lớp, lớp ngoài dầy 6nm, lớp trong dầy 19nm Thành phần chủ yếu là lipoprotein, cũng có chứamột lượng nhỏ axit amin, có tính thẩm thấu kém Đã có tài liệu phân tích thấy màng ngoài chiếm52% protein, 20% hidrat cacbon, 12,5% photphat và 3,8% chất khoáng Có thể thấy rõ màng

ngoài khi quan sát bào tử của vi khuẩn Bacillus cereus.

Lớp áo bào tử (spore coat) nằm dưới lớp màng ngoài dầy khoảng 3nm, cấu tạo bởi 3-15lớp, chủ yếu là protein sừng (chiếm 50-80% protein tổng số của bào tử) và một ítphotpholipoprotein áo bào tử có sức đề kháng rất cao với lizorim, proteinaza, các chất hoạt động

bề mặt, có tính thẩm thấu kém đối với cation

Dưới áo bào tử là lớp vỏ bào tử Vỏ bào tử chiếm thể tích rất lớn (36-60%) Vỏ bào tửchứa một lượng lớn peptidoglucan đặc biệt, ít liên kết chéo, ngoài ra còn có 7-10%(tính theokhối lượng khô của bào tử) chất dipicolinat canxi (DPA-Ca), không chứa axit teicoic áp suấtthẩm thấu của lớp vỏ bào tử cao tới 20atm, lượng chứa nước là 70% cao hơn nhiều so với lượng

chứa nước bình quân trong bào tử (khoảng 40%) - (lượng chứa nước của tế bào dinh dưỡng là80%).

Dưới lớp vỏ bào tử là lõi bào tử còn gọi là thể chất nguyên sinh của bảo tử Lõi cấu tạobởi 4 thành phần: thành bào tử, màng bào tử, bào tử chất và vùng nhân

Thành phần hoá học của nha bào: Các lớp bao và màng của nha bào có cấu tạo cơ bản là

protein có chứa nhiều glyxin, tirozin và đặc biệt là xystin, ngoài ra còn có sự tham gia củakeratin, ở đây có rất nhiều cầu disunfua, những cầu này đóng vai trò quyết định tính chất nha bàonhư sự đề kháng với các nhân tố lý hoá học

Nguyên sinh chất nha bào có chứa ít nhất một NST, một số riboxom và rất nhiều enzimchuyển hoá nhưng lại ở trạng thái không hoạt động Khi vi khuẩn nảy mầm thì những enzim nàylại bắt đầu hoạt động

Nha bào còn chứa một lượng lớn Canxi, magie và axit dipicolinic, axit này chiếm từ 12% trọng lượng khô của nha bào (axit này không bao giời có trong tế bào dinh dưỡng, nó đượchình thành trong quá trình nha bào hoá và mất đi khi nảy mầm)

5-Lượng nước trong nha bào rất thấp và tồn tại dưới dạng nước liên kết

Sức đề kháng của nha bào:

Nha bào có sức đề kháng cao với các nhân tố vật lý và hoá học như nhiệt độ, tia cực tím,

áp suất và các chất sát trùng

Ví dụ bào tử của vi khuẩn gây bệnh ngộ độc thịt Clostridium botulinum đun sôi 1000Ctrong 5-9,5 giờ mới chết, ở nhiệt độ 1800C nha bào chịu được 10 phút Nha bào vi khuẩn nhiệt

thán Bacillus anthracis có thể sống tới 18 năm hoặc lâu hơn nữa ở trạng thái tiềm sinh

Dưới tác động của các loại hóa chất cũng như các loại tia bức xạ, cùng một nồng độ,cùng một thời gian tác động thì có thể giết chết tế bào vi khuẩn, nhưng không giết được nha bào

Ví dụ trong dung dịch phenol 5% vi khuẩn chết rất nhanh, nhưng nha bào có thể sống tới 25ngày, hoặc trong dung dịch HgCl2 1% vi khuẩn chết ngay, còn nha bào thì sống được trên 2 giờ

Trong thời gian nghỉ không thấy bào tử vi khuẩn thể hiện bất kì một hoạt lực trao đổi chấtnào cả Người ta gọi đó là trạng thái sống ẩn (cryptobiosis) Bào tử có thể giữ sức sống từ vàinăm cho đến vài chục năm Đã có những chứng cứ về việc duy trì sức sống 200-300 năm của bào

tử vi khuẩn Bacillus subtilis Trong đất đá trầm tích dưới đáy hồ sâu có những bào tử vi khuẩn

duy trì được sức sống tới 500-1000 năm Đã có những thông báo tìm được những bào tử trongcác tiêu bản khảo cổ cách đây 3000 năm mà vẫn duy trì được sự sống

Sở dĩ nha bào có sự đề kháng cao và tồn tại thời gian dài là do các yếu tố sau:

- Nước trong nha bào phần lớn ở trạng thái liên kết, do đó không có khả năng làm biến tính protitkhi tăng nhiệt độ

- Do trong nha bào có một hàm lượng lớn ion Ca2+ và axit dipicolinic Protein trong nha bào kếthợp với dipicolinat calxi thành một phức chất có tính ổn định cao đối với nhiệt độ

- Các enzim và các hoạt chất sinh học khác trong nha bào đều tồn tại dưới dạng không hoạt độnglàm hạn chế sự trao đổi chất của nha bào đối với môi trường bên ngoài

- Sự có mặt của các axit amin có chứa lưu huỳnh đặc biệt là xystin giúp nha bào đề kháng tia cựctím

- Với cấu trúc có nhiều màng bao bọc và tính ít thẩm thấu của các lớp màng, làm cho các chấthoá học và các chất sát trùng khó có thể tác động tới nha bào

Sự nảy mầm của nha bào:

Khi gặp điều kiện thuận lợi như nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, chất dinh dưỡng, nha bào sẽ nảymầm và phát triển thành những vi khuẩn thể dinh dưỡng mới Quá trình này gồm 3 giai đoạn:hoạt hoá, nảy mầm và sinh trưởng

Hoạt hoá: Có thể hoạt hoá bằng cách nâng nhiệt trong thời gian ngắn, hạ thấp pH, xử lí bằng

hoá chất khử Chẳng hạn sau khi cho bào tử Bacillus subtilis tồn tại ở trạng thái nghỉ 7 ngày ta

xử lí ở 600C trong 5 phút có thể làm xúc tiến sự nảy mầm

Nảy mầm: Protein có chứa nhiều xixtein trong áo bào tử hoá xốp lên làm cho tăng tính thấm,

xúc tiến sự hoạt động của enzim proteinaza Khi đó lượng protein trong áo bào tử giảm xuống.Các cation bên ngoài có thể xâm nhập vào lớp vỏ bào tử và làm trương lớp vỏ lên, sau đó làm tan

ra và tiêu thoái đi Khi đó nước bên ngoài sẽ xâm nhập vào lớp lõi bào tử, làm cho lõi trương tolên, các loại enzim bắt đầu được hoạt hoá lên, bắt đầu quá trình tổng hợp thành tế bào Trong quátrình nảy mầm các đặc tính chịu nhiệt, chiết quang cao…bắt đầu giảm dần Lượng BPA-Ca, axitamin, polipeptit dần dần mất đi, bắt đầu xảy ra việc tổng hợp ADN, ARN và protein trong lõibào tử Bào tử chuyển sang tế bào dinh dưỡng Khi nảy mầm, bào tử mầm có thể đâm ra theophía cực hoặc đâm ngang ra Lúc đó thành tế bào còn rất mỏng và chưa hoàn chỉnh do đó nângcao khả năng tiếp nhận thêm ADN ngoại lai để thực hiện quá trình biến nạp

Vị trí của nha bào:

Nha bào thường gặp ở vi khuẩn Gram dương thuộc giống Bacillus, Clostridium

Giống Bacillus, nha bào có kích thước hẹp hơn bề ngang thân vi khuẩn nên khi hình

thành nha bào thì vi khuẩn không bị biến dạng

Giống Clostridium, kích thước của nha bào thường lớn hơn chiều ngang thân vi khuẩn,

nên khi hình thành nha bào thì vi khuẩn bị biến đổi hình thái, tuỳ theo vị trí của nha bào trên thân

vi khuẩn: nằm ở giữa thân, nằm ở gần đầu và nằm ở một đầu mà vi khuẩn có hình thoi, hình dùitrống, hình cái vợt, nha bào Vị trí nha bào trên thân vi khuẩn có giá trị trong định loại vi khuẩn,nha bào khó bắt màu thuốc nhuộm là do tính kém thẩm thấu của các lớp màng nha bào, vì vậymuốn quan sát nha bào dưới kính hiển vi quang học người ta phải dùng những phương phápnhuộm đặc biệt như phương pháp Muller, phương pháp Zin-nen-xon

5 Sinh sản của vi khuẩn

Vi khuẩn có duy nhất một hình thức sinh sản đó là sinh sản vô tính nên vi khuẩn sinh sảncực nhanh gồm hình thức:

- Phân cắt Từ tế bào mẹ, nhờ mezoxom hình thành vách ngăn ngang phân chia chất nhân và

nguyên sinh chất, sau đó hình thành vách ngăn phân chia thành 2 tế bào Có thể 2 tế bào dính lạivới nhau hoặc tách rời nhau

- Nảy chồi Từ một tế bào mẹ nảy ra một chồi nhỏ, một ít chất nhân và NSC chui vào trong chồi

nhỏ này Chồi nhỏ phát triển và lớn dần lên đến một kích thước xác định Chồi này có thể vẫnđính vào tế bào mẹ, hoặc tách ra và phát triển thành một tế bào độc lập

Thuyết sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn

5.1 Khái niệm

Sinh trưởng và phát triển là thuộc tính cơ bản của sinh vật Cũng như động vật và thựcvật VSV cũng sinh trưởng và phát triển

Sinh trưởng: Là sự tăng lên về kích thước và khối lượng của tế bào.

Phát triển (hoặc sinh sản): Là sự tăng số lượng tế bào.

Sinh trưởng và phát triển có thể phụ thuộc vào nhau mà cũng có thể không

Sinh trưởng và phát triển ở các VSV khác chủ yếu là VSV đơn bào, không khác lắm sovới vi khuẩn

Sinh trưởng và phát triển của VSV phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chất và lượng củamôi trường Các yếu tố ngoại cảnh (pH, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, sự tồn tại của chất ức chế)

Do đó trong thực tế sự tăng khối lượng tế bào (sinh trưởng) không phải bao giờ cũng diễn

ra song song với sự tăng về số lượng tế bào Chẳng hạn, khi chất dinh dưỡng trong môi trường

đã cạn, vi khuẩn tuy vẫn còn phân chia 1-2 lần nhưng cho 2-4 tế bào nhỏ hơn tế bào bình thường:

hoặc trong pha mở đầu sinh khối vi khuẩn tăng lên, nhưng số tế bào không thay đổi, ngược lại,vào cuối pha logarit kích thước tế bào giảm đi nhưng số tế bào vẫn còn tăng

5.2 Lý thuyết về sinh trưởng của vi khuẩn

Nếu ta tưởng tượng trong một bình kín chứa một lượng lớn môi trường dinh dưỡng, tacấy vào đó một tế bào vi khuẩn Nếu thành phần môi trường hoàn toàn phù hợp với nhu cầu của

tế bào, vi khuẩn sẽ sinh trưởng, tăng khối lượng và thể tích, tổng hợp các thành phần của tế bào(thành tế bào, màng tế bào chất, ADN, ARN, protein ) cho đến khi kích thước lớn gấp đôi Rồi

vi khuẩn phân chia cho hai tế bào Hai tế bào này lại tiếp tục sinh trưởng và phân chia để cho 4,rồi 8, 16 tế bào

LogN = LogN0 + nLog2

Từ đó n = 1/log2 x (logN - log N0)

Tính thời gian thế hệ:

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

g = t/n = log2 x [(t2 - t1)/(logN - logN0)]

Ở đây t2 - t1 là biểu thị sự sai khác giữa thời gian đầu t1 và thời gian cuối t2 tính bằng giờ trong đó

Nếu theo dõi sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn trong điều kiện phòng thí nghiệm tathấy số lượng của chúng tăng lên rất nhanh Vì với điều kiện thích hợp thời gian t thế hệ củanhiều loài vi khuẩn chỉ vào khoảng 30 phút Vậy nếu một tế bào vi khuẩn được cấy vào môitrường thích hợp sẽ có thời gian thế hệ là 30 phút, tế bào có khối lượng khô khoảng 2,5 x 10-13g

và thể tích khoảng 10-12 cm3 Sau 48 giờ ta đã có một quần thể vi khuẩn khoảng 1029 tế bào, vớikhối lượng khô chừng là 1010 tấn và thể tích 1011m3 Tình hình này không bao giờ xảy ra vì sinhtrưởng và sinh sản của vi khuẩn trong một hệ thống đóng chỉ sau một thời gian nhất định, vìnhiều nguyên nhân khác nhau sẽ bị ngừng lại

Dùng phương pháp nuôi cấy tĩnh và theo dõi quá trình sinh sản của vi khuẩn Với điềukiện là trong suốt thời gian đó ta không thêm vào chất dinh dưỡng cũng không loại bỏ đi các sảnphẩm cuối cùng của trao đổi chất Khi đó quần thể tế bào bị giới hạn trong một khoảng khônggian nhất định và người ta đã nghiên cứu phát hiện ra đường cong sinh trưởng biểu diễn sự phụthuộc logarit của số lượng tế bào vi khuẩn theo thời gian Chúng ta thấy đường cong sinh trưởng

có 4 pha:

Pha mở đầu - pha sinh sản - pha ổn định - pha tử vong

5.3.1 Pha mở đầu (Pha Lag – vỗ béo)

Pha này tính từ lúc bắt đầu cấy đến khi vi khuẩn đạt được tốc độ sinh trưởng cực đại.Trong pha này vi khuẩn chưa phân chia (nghĩa là chưa có khả năng sinh sản) nhưng thể tích vàtrọng lượng tế bào tăng lên rõ rệt do quá trình tổng hợp các chất, trước hết là các cao phân tử(protein, enzim, axit nucleic ) diễn ra mạnh mẽ Thời gian của pha lag phụ thuộc vào tuổi củaống giống và thành phần môi trường

5.3.2 Pha sinh sản (Pha Log)

Trong pha này vi khuẩn sinh trưởng và phát triển theo luỹ thừa, nghĩa là sinh khối và sốlượng tế bào tăng theo phương trình N=N0 x 2n, hay N = N0 x 2ct

5.3.3 Pha ổn định (Pha tĩnh)

Trong pha này quần thể vi khuẩn ở trạng thái cân bằng động học, số tế bào sinh ra bằng

số tế bào cũ chết đi Kết quả là số tế bào và cả sinh khối không tăng cũng không giảm Tốc độsinh trưởng bây giờ phụ thuộc vào nồng độ cơ chất Cho nên khi giảm nồng độ cơ chất (trước khi

cơ chất bị cạn hoàn toàn) tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn cũng giảm Do đó việc chuyển từ phalag sang pha ổn định diễn ra dần dần

Nguyên nhân tồn tại của pha ổn định rõ ràng là do sự tích lũy các sản phẩm độc của traođổi chất (các loại rượu, axit hữu cơ) và việc cạn chất dinh dưỡng (thường là chất dinh dưỡng cónồng độ thấp nhất)

Đường cong sinh trưởng phát triển của vi khuẩn

5.3.4 Pha tử vong (Pha tàn)

Trong pha này số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo luỹ thừa, mặc dù số lượng tếbào tổng cộng có thể không giảm Nguyên nhân của pha tử vong rất phức tạp Có thể nêu ra đâymột số nguyên nhân thường gặp như sau:

+ Do sự tự phân của tế bào vi khuẩn nhờ các enzim của bản thân Ví dụ như deaminaza,decacboxylaza, các amilaza, proteinaza các enzim này ngoài chức phận xúc tác một số quá trìnhtổng hợp những enzim này còn xúc tác quá trình tự phân giải

+ Do điều kiện ngoại cảnh không thích hợp bất lợi của môi trường Ví dụ như nồng độ chất dinhdưỡng thấp dưới mức cần thiết dẫn đến làm giảm hoạt tính trao đổi chất, phân huỷ dần dần cácchất dự trữ và cuối cùng dẫn đến sự chết hàng loạt tế bào

+ Do chính các sản phẩm của vi sinh vật Ví dụ trong trường hợp môi trường tích luỹ các axit cóthể làm tế bào chết

Tốc độ tử vong của tế bào có liên quan trực tiếp đến thực tiễn vi sinh vật học và kĩ thuật,

đó là vấn đề bảo quản các chủng vi sinh vật quan trọng về mặt lý thuyết (các chủng và các biếnchủng đặc biệt) về mặt kĩ thuật (các chủng sinh chất kháng sinh, axit amin, vitamin ) Ngoài khảnăng sống ta còn cần bảo quản cả các đặc tính di truyền của vi khuẩn

Pha Lag

Pha Log

Pha tĩnh

Pha tànN

t

6 Phân loại vi khuẩn

Vi khuẩn cũng như tất cả các loài sinh vật khác đều được sắp xếp vào trong những hệthống phân loại nhất định Việc sắp xếp này là hết sức cần thiết trong lĩnh vực nghiên cứu và ứngdụng

Để phân loại vi khuẩn người ta phải phân lập thuần khiết chúng và tiến hành xác địnhchúng dựa theo các tiêu chuẩn về hình thái, cấu trúc, sinh lý, sinh hoá như:

- Về hình thái, kích thước cấu tạo tế bào, phản ứng nhuộm Gram

- Từng vi cấu trúc bên trong tế bào: nha bào hình dạng và vị trí của nha bào, sắc tố, đặc tính ditruyền sinh lý, sinh hoá, của từng chủng VSV, cấu trúc kháng nguyên Như quan hệ với nguồnOxy, nguồn Cacbon, nguồn nitơ, quan hệ với nhiệt độ, độ pH, khả năng khử nitrat, làm đông vónsữa, lên men các loại đường, sinh indol, sinh H2S các phản ứng huyết thanh học, các phản ứng

Phân loại của vi khuẩn tương tự như phân loại sinh vật bậc cao, nhưng ở VSV chỉ dùngphân loại từ Bộ trở xuống như sau

cũng viết hoa: Từ thứ hai chỉ tên loài thì viết thường nó thường là những tính từ bổ nghĩa cho từtrước

Trong các tài liệu in, hai từ này được in nghiêng, còn trong các tài liệu viết tay hoặc đánhmáy hai từ này được gạch dưới

Ví dụ: Staphylococcus aureus,

Trong quá trình phát triển của khoa học, để tiện theo dõi, sau tên loài, người ta ghi thêm

tên tác giả, năm xác định, địa điểm lấy Ví dụ Azotobacter chrococcum, Beijerinch 1901.

Có loài vi khuẩn được gọi với nhiều tên khác nhau, những tên này được gọi là đồng danh

(Synonym) Ví dụ như tụ cầu vàng được gọi là Staphylococcus pyogenses hoặc Micrococcus

aureus

Các đơn vị dưới loài gồm có: thứ,dạng, chủng hay nòi

Thứ: Chỉ một nhóm nhất định trong một loài được phân lập tuyển chọn ở một vùng sinh thái

rộng Ví dụ vùng đồng bằng Bắc bộ, đồng bằng nam bộ

Dạng: Chỉ nhóm nhỏ hơn dưới thứ, dùng để chỉ các chủng giống VSV được phân lập tuyển chọn

ở vùng sinh thái hẹp Ví dụ như vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng

Nòi hay chủng: Là thuật ngữ riêng, chỉ một chủng, hay một nòi vi khuẩn của một loài được phânlập với cách thức xác định: địa điểm, môi trường… xác định, cụ thể

Ví dụ: Rhizobium japonicum.B.PSH.DT84 Vi khuẩn cố định Nitơ cộng sinh ở cây đậu tương,vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, trên đất phù sa sông Hồng ở giống đậu tương ĐT84

7 Ý nghĩa của vi khuẩn

* Về mặt lợi

- Tham gia vào việc hình thành sự sống trên trái đất, nó phân huỷ chuyển hoá các chất hữu cơphức tạp bền vững thành các chất hữu cơ đơn giản, chất vô cơ cung cấp cho đất và cây trồng

- Tham gia vào khép kín vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên

- Một số vi khuẩn có khả năng sinh ra chất kháng sinh (như Bacillus subtilis -> subtilin,

B.michenifonis -> Bacitracin, B.polymixa -> polymicin B), Vitamin Lợi dụng để áp dụng vào

quy trình công nghệ sản xuất ra các chất kháng sinh và Vitamin

- Một số loài vi khuẩn trong cơ thể của nó có tinh thể có khả năng diệt sâu như Bacillus

thuringiensis -> công nghệ sản xuất ra chế phẩm vi sinh vật diệt sâu bọ.

- Một số loài có khả năng cố định Nitơ phân tử ứng dụng để làm chế phẩm vi sinh vật cung cấpđạm cho đất và cây trồng.

* Về mặt hại:

- Gây bệnh cho người và động thực vật

- Phá huỷ mùa màng, nông sản phẩm, trang thiết bị, dụng cụ

- Phá huỷ các công trình xây dựng, cầu cống, các di tích

Chương 3 XẠ KHUẨN (ACTINOMYCES)

1.1 Những đặc điểm giống vi khuẩn

- Kích thước của xạ khuẩn nhỏ bé tương tự như kích thước của vi khuẩn 0,2-2,5µm

- Cấu tạo tế bào tương tự như vi khuẩn: không có giới tính, chưa có nhân hoàn chỉnh nên đềuthuộc nhóm procaryota

- Màng tế bào không chứa xenlulo hay kitin

- Sinh sản vô tính theo kiểu của vi khuẩn

1.2 Những đặc điểm giống nấm

- Có cấu tạo dạng sợi vì vậy có thể phát triển bằng cách phân nhánh thành những sợi nhỏ, dàigọi là khuẩn ty (hypha) Mỗi 1 khuẩn ty do một tế bào hình thành, tập hợp của các khuẩn tynày gọi là hệ khuẩn ty (mycelia)

- Trong môi trường cơ chất nó phát triển thành 3 loại sợi:

+ Sợi cơ chất (Sợi dinh dưỡng): Cắm sâu vào môi trường dinh dưỡng để hút chất dinhdưỡng nuôi cơ thể

+ Sợi trên cơ chất: Mọc trên bề mặt của môi trường cơ chất nhưng không lên khỏi môitrường và nó quyết định độ dài của xạ khuẩn, có những sợi dài đến 100µm

+ Sợi khí sinh: Là sợi phát triển trên cùng lơ lửng trên không khí Sau một thời gian pháttriển mạnh trên đỉnh khuẩn ty khí sinh sẽ xuất hiện các sợi bào tử

- Có khả năng hình thành bào tử

2 Hình thái, kích thước của xạ khuẩn

Xạ khuẩn có hệ khuẩn ti phát triển tốt, đa số khuẩn ti không có vách ngăn và không tựđứt đoạn, bắt màu Gram dương, hiếu khí, sống hoại sinh là chủ yếu, không hình thành nha bào.Đường kính của khuẩn ty thay đổi trong khoảng 0,2-2,5µm

Hình thái của xạ khuẩn rất muôn màu muôn vẻ, có thể chia ra thành 10 dạng như sau:

- Đốt dài - Đốt ngắn - Đốt chùm - Đốt cong - Đốt xoắn - Đốt xoắn chùm - Đốt sao - Đốtchân chim - Đốt xoắn ốc - Đốt ốc chùm

Ngoài ra có nhiều giáo trình chia hình thái của xạ khuẩn có 4 dạng sau:

- Hình cành cây khô - Hình răng lược xoắn - Hình chùm quả xoắn - Hình khối xoắn

3 Cấu tạo

Cấu tạo của xạ khuẩn tương tự như của vi khuẩn

3.1 Thành tế bào

Thành tế bào bắt màu Gram dương, thành phần gồm protein, lipit, polysaccharit,mucopolyphotphat, axit teichoic

Vai trò

Có thể cho nhiều chất như axit amin, chất kháng sinh, vitamin, kể cả những hợp chất hóahọc có kích thước lớn như dextran và protein chui qua một cách dễ dàng Vì vậy người ta có thểchiết xuất các chất đó từ xạ khuẩn

Cho phép các chất dinh dưỡng từ môi trường bên ngoài cũng được thẩm thấu có chọn lọcqua màng

Khuẩn lạc của xạ khuẩn có nhiều màu sắc khác nhau: như màu đỏ, màu da cam, vàng,lam, hồng, nâu, tím…và màu sắc của xạ khuẩn cũng là một tiêu chuẩn quan trọng cho phân loại,định tên

Dùng que cấy không di chuyển được xạ khuẩn vì khuẩn ti cơ chất bám sâu vào trongthạch

4 Sinh sản của xạ khuẩn

Vì xạ khuẩn thuộc nhóm Procaryota nên sinh sản vô tính bằng các hình thức sau:

4.1 Phân cắt Từ sợi xạ khuẩn phân cắt thành các sợi ngắn và mỗi sợi phát triển thành một hệ sợi

mới

4.2 Nảy chồi (giống như ở vi khuẩn)

4.3 Sinh sản bằng bào tử

Sau một thời gian phát triển trên đỉnh đỉnh khuẩn ty khí sinh sẽ xuất hiện các sợi bào tử.Sợi bào tử có thể có nhiều loại hình dạng khác nhau:thẳng, lượn sóng, xoắn, mọc đơn, mọcvòng Có loại mọc vòng đơn cấp, có loại mọc vòng hai cấp Những đặc điểm này đều rất quantrọng khi định tên xạ khuẩn Một số xạ khuẩn có sinh nang bào tử bên trong có chứa các bào tửnang.

Bào tử là cơ quan sinh sản chủ yếu của xạ khuẩn, bào tử được hình thành theo 2 cách:

+ Kết đoạn: Khi cành bào tử của xạ khuẩn chín chuẩn bị phân chia thì các hạt cromatin (chất

nhân - có được do phân chia nguyên phân nhân nhiều lần) được phân bố đồng đều trên cành bào

tử xạ khuẩn Sau đó nguyên sinh chất của cành bào tử đông đặc và co cụm lại bao bọc các hạtcromatin này hình thành nên tiền bào tử Sau đó tiền bào tử được bao bọc bởi một lớp vỏ đặc biệthình thành các bào tử Khi bào tử chín sẽ được giải phóng ra bên ngoài, nếu gặp điều kiện thuậnlợi sẽ phát triển thành sợi xạ khuẩn mới

+ Phân chia: Đột nhiên trên cành bào tử hình thành các vách ngăn ngang phân chia các phần

trong bào tử thành các phần bằng nhau Mỗi một phần chia có thể có 1 hoặc một vài hạtcromatin Sau đó nguyên sinh chất ở từng phần phân chia đông đặc và co cụm lấy 1 hạt cromatin

để hình thành các tiền bào tử, còn các hạt cromatin khác bị phân huỷ hoặc teo đi Tiền bào tửđược bao bọc bởi một lớp vỏ đặc biệt thành bào tử Khi bào tử chín sẽ được giải phóng ra bênngoài, nếu gặp điều kiện thuận lợi sẽ phát triển thành hệ sợi xạ khuẩn mới Một cành bào tử cókhoảng 30-100 bào tử

Micromonosporaceae Celluomonadaceae Pseudonocardiaceae

Actinomycetaceae và Streptomycetaceae có nhiều vai trò như: Phân huỷ, chuyển hóa các

chất trong tự nhiên để xử lý ô nhiễm môi trường và cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng

Nocardiaceae lại có vai trò trong nuôi trồng thuỷ sản

Frankiaceae có vai trò với đất nông nghiệp và cây trồng rừng.

6 Vai trò của xạ khuẩn

6.1 Mặt lợi

Xạ khuẩn có vai trò rất lớn trong việc phân huỷ chuyển hoá các hợp chất hữu cơ bềnvững trong môi trường góp phần vào làm sạch môi trường Xạ khuẩn tham gia vào xử lí phế thải,rác thải, nước thải thậm chí xạ khuẩn còn hấp thụ kim loại nặng

Khép kín vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên

Tham gia tích cực vào các quá trình chuyển hoá và phân giải nhiều hợp chất hữu cơ phứctạp và bền vững như xenlulo, chất mùn, kitin, keratin, lignin thành các chất dinh dưỡng dễ tiêucung cấp cho cây trồng, và có vai trò quan trọng trong qúa trình hình thành đất và tạo ra độ phìnhiêu của đất, chúng đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau trong việc làm mầu mỡ thêm chođất

Một số xạ khuẩn trong hoạt động sống có khả năng tiết ra các loại chất kháng sinh,enzym, các chất kích thích sinh trưởng, vitamin (chủ yếu là vitamin nhóm B như B1, B2, B6,B12) ứng dụng vào quá trình công nghiệp sản xuất ra thuốc kháng sinh, Vitamin, chất kích thíchsinh trưởng và enzym

6.2 Mặt hại

Tuy nhiên bên cạnh những xạ khuẩn có ích, một số xạ khuẩn lại sinh ra chất độc kìm hãm

sự sinh trưởng phát triển của cây trồng cũng như sự phát triển của khu hệ vi sinh vật có ích trongđất

Một số khác lại là nguyên nhân gây ra một số bệnh khó chữa ở người gia súc Các bệnh

này được gọi tên chung là Actinomycose.

Chương IV NẤM (FUNGI)

1 Định nghĩa

Nấm là 1 nhóm VSV đơn hoặc đa bào, đa số sống hoại sinh Tế bào không chứa diệp lục

tố nên không thể quang hợp Cơ thể chưa phân rõ thân, lá, rễ Thuộc nhóm nhân thật Eucaryota

Kích thước của nấm to hơn rất nhiều lần so với vi khuẩn: 0,5-3,0 x 4-100µm

2 Hình thái, kích thước

2.1 Nấm men

Nấm men có rất nhiều hình thái khác nhau phụ thuộc từng loại, tuỳ điều kiện nuôi cấy vàtuổi của ống giống Do đó nấm men có thể có hình cầu, hình trứng, hình bầu dục, hình ống dài,hình quả dưa chuột, hình thoi, hình bình hành, hình tam giác, hình chai, hình lưỡi liềm, và một sốhình đặc biệt khác

Một số loại nấm men có tế bào hình dài nối tiếp nhau thành sợi nấm gọi là khuẩn ty thể(mycelium) hoặc giả khuẩn ti (pseudomycelium) Có loài có thể tạo váng khi nuôi cấy trên môitrường dịch thể

Một số hình dạng của nấm menMỗi loài có vai trò khác nhau nên được áp dụng vào các quy trình sản xuất khác nhau Ví

dụ Saccharomyces cerevisiae (cồn, bia, rượu), S.uvarum (rượu vang), S.schiro (nước giải khát).

Aspergillus niger(gluco, galacto, manno, arabino).

Ví dụ thành phần thành tế bào nấm Aspergillus niger (%):

Bảo vệ và duy trì hình thái của nấm

Duy trì áp suất thẩm thấu trong và ngoài màng tế bào

Tích luỹ chất dinh dưỡng

Tích điện trên bề mặt tế bào nên khả năng đề kháng của nấm cao hơn nhiều