Giáo trình vi sinh đại cương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA NÔNG NGHIỆP VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN GIÁO TRÌNH Tài liệu lưu hành nội VI SINH ĐẠI CƯƠNG AN GIANG, 8-2017 Chương ĐỐI TƯỢNG VÀ LƯỢC SỬ NGÀNH VI SINH HỌC 1.1 ĐỐI TƯỢNG NGÀNH VI SINH HỌC Vi sinh học (Microbiology, Microbiologie) ngành khoa học nghiên cứu cấu tạo hoạt động sống vi sinh vật Vi sinh vật học đại ngày sâu vào việc sử dụng vsv nhằm phục vụ lợi ích người giữ vững hệ sinh thái trái đất Vi sinh vật (microorganism) sinh vật nhỏ, có cấu tạo đơn bào đa bào phân hóa nhìn thấy với kính hiển vi Dựa vào tiến hóa nhóm mà xếp loại chúng vào nhóm, lớp, họ khác nhằm phục vụ cho nghiên cứu Trong hệ thống phân loại tổng quát, vi sinh vật gồm nhóm: - Vi sinh vật nhân nguyên (Prokaryotic) gồm vi khuẩn (Bacteria), xạ khuẩn (Actinomycetes), Mycoplasma, Ricketxia (Rickettsias), Chlamydia, dạng L vi khuẩn (L-form) tảo lam hay thực vật (Cyanophyta) - Vi sinh vật nhân thực (Eukaryotic) gồm nấm (Eumycetes), Rong tảo (Algae) nguyên sinh động vật (Protozoa) - Nhóm virus vi sinh vật có mức độ tiến hóa thấp Giữa nhóm vi sinh vật có khác biệt hình thái, phân loại chúng có đặc điểm chung giống như: - Kích thước nhỏ bé thường đo đơn vị µm (micromet), riêng virus đo đơn vị nm (nanomet) nm = 10-3 µm = 10-6 mm = 10-9 m Hình 1.1 Kích thước số nhóm sinh vật tự nhiên - Sinh trưởng phát triển nhanh - Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh - Khả thích ứng phát sinh biến dị cao - Phân bố rộng, chủng loài nhiều - Là đối tượng xuất sớm trái đất Hình 1.2 Vết tích vi sinh vật hóa thạch Về mặt ứng dụng: ngành vi sinh học gồm có chun ngành vi sinh học cơng nghiệp, vi sinh học thực phẩm, vi sinh học y học, vi sinh học thú y, bệnh lý thực vật, vi sinh vật đất, vi sinh học nước, vi sinh học khơng khí, 1.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH VI SINH HỌC 1.2.1 Giai đoan phát vi sinh vật Người nhìn thấy mô tả vi sinh vật Antoni Van Leeuwenhook (16321723) người Hà Lan Leeuwenhook chế tạo kính hiển vi thơ sơ với độ phóng đại từ 270 - 300 lần quan sát giới vi sinh vật quanh Ơng nước sơng hồ, nước ao tù, nước cống bựa Năm 1695, Leeuwenhook xuất "Phát Leeuwenhook bí mật giới tự nhiên" nhằm mơ tả lại tồn quan sát Ơng vi sinh vật (a) Hình 1.3 (a) Antoni Van Leeuwenhook (632 – 1723); (b) Kính hiển vi Leeuwenhook chế tạo; (c) Hình vẽ vi khuẩn miệng người Hình 1.4 Cấu tạo chi tiết kính hiển vi Leeuwenhook chế tạo Sau Leeuwenhook, nhiều loại vi sinh vật mô tả nhằm chứng minh có diện giới vi sinh vật, việc mô tả phân loại chúng cách thô sơ Trong "Hệ thống tự nhiên", Carl Linne (1707-1778), nhà phân loại thực vật tiếng giới xếp vi sinh vật vào chi (genus) gọi "Chaos", nghĩa hỗn loạn Cuối kỷ 18, hiểu biết vi sinh vật phong phú hơn, thu hút nhiều nhà bác học sâu vào nghiên cứu giới nhỏ bé nhận thấy gắn bó chặt chẽ chúng với đời sống 1.2.2 Giai đoạn vi sinh học thực nghiệm Người có công lớn khai sinh vi sinh vật học thực nghiệm nhà bác học người Pháp Louis Pasteur (1822 – 1895), Ông vào nghiên cứu hoạt động sinh lí, sinh hóa vi sinh vật ứng dụng vi sinh vật trình lên men Qua trình nghiên cứu thực nghiệm, Pasteur chứng minh vi sinh vật "tự sinh" hay "ngẫu sinh" nhiều nhà bác học thời chủ trương Thí nghiệm Ơng thực bình cổ cong uốn khúc hình chữ U, bình có chứa nước canh thịt đun sơi (Hình 1.5) để n lâu ngày khơng hư khơng có mùi hơi, đập vỡ cổ bình lâu sau nước canh thịt hư thối nhiễm vi sinh vật có sẵn khơng khí (a) (b) Hình 1.5 (a) Louis Pasteur, (b) Các loại bình cổ cong Pasteur sử dụng để bác bỏ thuyết tự sinh Pasteur có cơng lớn với nhân loại giải phương pháp tẩy độc rượu vang (đun đến 600C, giữ chai đậy kín), đưa đến phương pháp tẩy độc sữa, thực phẩm cịn áp dụng đến Ngồi Ơng giải dịch bệnh tằm gai (bệnh Pébrine) dịch bệnh làm ngành nuôi tằm Pháp bị suy sụp cách chứng minh bệnh vi sinh vật gây truyền từ tằm bệnh sang tằm khỏe Pasteur chứng minh bệnh truyền nhiễm người động vật vi sinh vật gây nên Từ năm 1878 đến 1880, Pasteur khám phá ba chủng vi khuẩn liên cầu khuẩn (Streptococcus), tụ cầu khuẩn (Staphylococcus) phế cầu khuẩn (Pneumococcus) Xuất phát từ quan niệm loại bệnh loại vi sinh vật định nhiễm từ mơi trường bên ngồi gây nên, Pasteur thiết lập nên ngun tắc quan trọng vơ khuẩn góp phần làm giảm đáng kể tỉ lệ tử vong hậu phẫu hậu sản Năm 1880, Pasteur thành công việc tạo miễn dịch cho gà chống lại bệnh tả cách cho tiếp xúc với môi trường nuôi cấy vi khuẩn tả "già" (vi khuẩn giảm độc lực) Những gà sau có khả chống lại bệnh tả tiêm vi khuẩn độc lực mạnh Ơng nhanh chóng áp dụng ngun lý để tạo vaccin ngừa bệnh cho cừu, dê chống lại bệnh than, vaccin tụ huyết trùng gà, bệnh heo bị đóng dấu, Cơng lao lớn Ơng nhân loại việc chế vaccin ngừa trị bệnh chó dại bệnh nan y Năm 1885, lần Pasteur dùng vaccin trị cho em bé bị chó dại cắn khỏi bệnh Ngày nay, khắp nơi giới có viện Pasteur để tiến hành nghiên cứu chế tạo vaccin thực chiến dịch phòng chống lại bệnh truyền nhiễm 1.2.3 Giai đoạn sau Pasteur vi sinh học đại Tiếp theo Pasteur, Robert Koch (1843-1910), người có cơng lớn phát triển phương pháp nghiên cứu vi sinh vật Ông đề phương pháp chứng minh vi sinh vật tác nhân gây bệnh truyền nhiễm mà ngày nhà nghiên cứu bệnh học phải tuân theo, qui tắc Koch (Postulate de Koch) Đến ngày 24-3-1882, Koch cơng bố cơng trình khám phá vi trùng bệnh lao (một bệnh nan y thời đó) gọi Mycobacterium tuberculosis Khám phá mở đường cho việc chữa trị bệnh Hình 1.6 Rober Kock quan sát mẫu phịng thí nghiệm Học trị Kock Juliyes Richard Petri (1852-1921) chế tạo đĩa Pêtri, loại dụng cụ sử dụng rộng rãi nghiên cứu vi sinh vật Ông nêu biện pháp nhuộm màu vi sinh vật S I Vinogradxki (1856-1953) người Nga M W Beijerinck (1851-1931) người Hà Lan nhà vi sinh học có cơng lớn việc phát triển ngành vi sinh học đất Ivanopxki (1892) Beijerrinck (1896) người phát virus giới chứng minh vi sinh vật nhỏ vi khuẩn, qua lọc sứ xốp, nguyên nhân gây bệnh khảm thuốc Ngày nay, ngành vi sinh học phát triển sâu với nhiều nhà bác học có tên tuổi nhiều người tham gia nghiên cứu Các nghiên cứu dần sâu vào chất sống mức phân tử phân tử, kỹ thuật cấy mô tháo lắp ghép gen vi sinh vật ứng dụng kỹ thuật để chữa bệnh cho người, gia súc trồng,… Antony van Leeuwenhoek (1632-1723); Louis Pasteur (1822-1895); Robert Koch (1843-1910); Alexander Fleming (1881-1955); J D Watson (1928-?) Hình 1.7 Một số nhà sinh học tiêu biểu 1.3 HỆ THỐNG SINH GIỚI VÀ VỊ TRÍ CỦA CÁC NHĨM VSV 1.3.1 Khái niệm giới sinh vật Giới (Kingdom) đơn vị phân loại lớn bao gồm sinh vật có chung đặc điểm định Các hệ thống phân loại sinh vật kết 200 năm nghiên cứu hệ thống học Hệ thống thể ngày hợp lý nhờ hiểu biết sâu sắc sinh học phân tử Ngày nay, nhờ phương pháp phân loại đại như: hóa phân loại (Chemotaxonomy), phân loại số (Numerical taxonomy), phân loại chủng loại phát sinh (Phylogeney taxonomy), mà khoa học xác định vị trí xác nhóm thể mối liên hệ chủng loại phát sinh chúng Thế giới sinh vật vô phong phú đa dạng Để nghiên cứu chúng nhà khoa học phải dựa vào tiêu chí cấu tạo, dinh dưỡng, sinh sản, để xếp chúng vào bậc thang phân loại đặt tên Các sinh vật xếp theo thang phân loại từ thấp đến cao: Loài (Species), Chi (Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum) Giới (Kingdom) Hiện giới cịn có mức phân loại gọi lĩnh giới (Domain) Ngồi cịn có mức phân loại trung gian Loài phụ (Subspecies), Chi phụ (Subgenus), Họ phụ (Subfamily), Bộ phụ (Suborder), Lớp phụ (Subclass), Ngành phụ (Subphylum) Loài bậc thang phân loại thấp nhất, giới cấp phân loại cao Bất kỳ sinh vật xếp vào loài định Nhiều loài thân thuộc tập hợp thành chi, nhiều chi thân thuộc tập hợp thành họ, nhiều họ thân thuộc tập hợp thành bộ, nhiều thân thuộc tập hợp thành lớp, nhiều lớp tập hợp thành ngành, nhiều ngành hợp thành giới Để tránh nhầm lẫn người ta đặt tên loài theo nguyên tắc dùng tên kép (theo tiếng Latinh) Tên thứ tên chi (viết hoa chữ đầu tiên), tên thứ tên lồi (viết thường) Ví dụ: Escherichia coli Khi cần viết tắt ta viết tắt tên chi, tên lồi viết đầy đủ (bằng chữ thường) Ví dụ: E coli 1.3.2 Một số hệ thống phân loại sinh vật Aristotle (384 – 322 TCN); Carl Von Linne (1707 – 1778); Ernst Heinrich Haeckel (1834 – 1919); Robert Whittaker (1921-1981) Hình 1.8 Một số nhà phân loại sinh vật tiêu biểu Trước Linne có nhiều tác giả phân loại sinh vật tiếng, đáng ý Aristotle (384 - 322 TCN) có nhiều đóng góp phân loại động vật Bảng 1.1 Một số hệ thống phân loại sinh vật Hình 1.9 Hệ thống ba lĩnh giới (Domain) Carl R Woese, 1990 Hình 1.10 Hệ thống phân loại giới sinh vật (T Cavalier – Smith, 1993) Gần có hệ thống phân loại nhiều người ý: Hình 1.11 Hệ thống phân loại giới sinh vật ( P H Raven and G B Johnson, 2002) Trước ngành vi sinh vật nghiên cứu tường tận nay, nhà nghiên cứu chia sinh vật làm giới: giới thực vật (vegetalia) giới động vật (Animalia), vi sinh vật xếp vào giới nấm, tảo vi khuẩn xếp vào giới thực vật, nguyên sinh động vật (protozoa) xếp vào giới động vật Tuy nhiên, với hiểu biết ngày sâu vi sinh vật phân loại gặp nhiều khó khăn khơng hợp lý Đến năm 1866, Ernest Haeckel, học trị Darwin, đề nghị lập thêm giới nguyên sinh vật (Kingdom protista) dành cho vi sinh vật Đặc tính chung giới nguyên sinh vật gồm: - Đơn vị sống đơn bào, tự tế bào tổng hợp lấy chất dinh dưỡng cần thiết (thực vật động vật tế bào chun hóa cao giữ số nhiệm vụ định nên khơng thể sống độc lập được) - Cịn siêu vi khuẩn hay virus khơng có cấu tạo tế bào xếp chung vào giới nguyên sinh vật Giới nguyên sinh vật chia làm nhóm sau: a Vi sinh vật nhân thực (giới nhân thực - chân hạch – Eukaryota) gồm sinh vật có nhân thực sự, nhân có màng bao bọc với tế bào chất tế bào Gồm nhóm:  Nhóm 1: Nguyên sinh động vật (protozoa): đơn bào, di động theo lối biến hình trùng (amib) gần với động vật  Nhóm 2: tảo hay rong (Algae): đơn bào kết hợp thành khối đa bào chưa chuyên hóa, có khả quang hợp  Nhóm (Eumycetes): đơn bào kết hợp thành khối đa bào tế bào chưa chun hóa, khơng quang hợp b Vi sinh vật nhân nguyên (giới nhân nguyên - tiền hạch – Prokaryota) gồm vi sinh vật nhân thực sự, chuỗi DNA tập trung thành vùng nhân khơng có màng nhân bao bọc, nên không phân biệt với tế bào chất tế bào Gồm có:  Nhóm 4: vi khuẩn (Schizomycetes) bao gồm vi khuẩn, dạng L vi khuẩn (L-form), xạ khuẩn (Actinomycetes), tảo lam hay vi khuẩn lam (Cyanobacteria), Mycoplasma, Rickettsia, Chlamydia c Các nhóm khác gồm  Nhóm 5: siêu vi khuẩn hay virus: cấu tạo đơn giản, khơng có dạng tế bào, dạng sống thấp đơn giản vi sinh vật  Nhóm 6: dạng tế bào thực vật động vật nuôi cấy phịng thí nghiệm (invitro) (cấy mơ) qua nhiều hệ trở nên đơn bào, có khả sống tự lập mơi trường ni cấy Tóm lại, xếp vi sinh vật theo nhóm từ thấp đến cao, theo mức tiến hóa, sau: Virus Chưa có cấu tạo tế bào Giới nhân nguyên Vi khuẩn, dạng L vi khuẩn, Mycoplasma, Ritketsia, Chlamydia, Xạ khuẩn, Tảo lam Giới nhân thực Protozoa, Tảo Nấm Giới thực vật Giới động vật 1.3.3 Những sai khác tế bào Prokaryote Eukaryote Nhóm sinh vật Nhân sơ Nhân chuẩn có sai khác (Bảng1.5): Bảng 1.2 Những sai khác tế bào Prokaryote Eukaryote Đặc điểm Nhóm Nhân sơ (Prokaryote) Nhóm Nhân chuẩn (Eukaryote) * Tổ chức di truyền: - Màng nhân - Số NST - Các NST chứa histon - Hạch nhân - Trao đổi di truyền Chưa có Khơng có Khơng có chiều qua plasmid Có >1 Có Có Bằng kết hợp giao tử * Các cấu trúc tế bào: - Lưới nội chất - Bộ máy Golgi - Ti thể - Các lisosome - Các lạp thể Khơng có Khơng có Khơng có Khơng có Khơng có Có Có Có Có Có thực vật - Kích thước ribosome - Sợi thoi vô sắc - Màng sinh chất - Vách tế bào (Peptidoglycan) chứa * Chức đặc trưng: - Thực bào - Ẩm bào - Vị trí vận chuyển điện tử - Dịng tế bào chất 70S Khơng có Khơng chứa steron (trừ vi khuẩn lam) PG Có murein ngoại trừ Mycoplasma vi khuẩn cổ 80S nhân, 70S - bào quan Có Có chứa steron Khơng có Khơng có Màng tế bào Khơng có chuyển động nội bào Đơi có Đơi có Màng bào quan Chuyển động nội bào rõ rệt 10 Khơng có ... nghiệp, vi sinh học thực phẩm, vi sinh học y học, vi sinh học thú y, bệnh lý thực vật, vi sinh vật đất, vi sinh học nước, vi sinh học khơng khí, 1.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH VI SINH HỌC... NGÀNH VI SINH HỌC 1.1 ĐỐI TƯỢNG NGÀNH VI SINH HỌC Vi sinh học (Microbiology, Microbiologie) ngành khoa học nghiên cứu cấu tạo hoạt động sống vi sinh vật Vi sinh vật học đại ngày sâu vào vi? ??c sử...ờ đến hổ trợ virus khác, gọi virus “giúp đỡ” (helper virus), trình tái sản Do xuất virus đặc biệt luôn kèm với virus “giúp đỡ” Virus gọi virus vệ tinh virus Ảnh hưởng virus vệ tinh virus “giú