Xung quanh chúng ta, ngoài các sinh vật lớn mà chúng ta có thể nhìn thấy được, còn có vô số vi sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải sử dụng kính hiển vi, người ta gọi chúng là vi sinh vật. Môn khoa học nghiên cứu về hoạt động sống của các vi sinh vật được gọi là vi sinh vật học.
MƠN HỌC: VI SINH VẬT ĐẠI CƯƠNG Mã số mơn học: MH - 25 I Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí mơn học: cần học sau mơn sinh lý học sinh hóa học động vật trước môn dược lý học, vi sinh vật học chun khoa - Tính chất mơn học: môn học sở bắt buộc II Mục tiêu mơn học: - Kiến thức: biết hình dạng vai trò vi sinh vật đời sống người vật nuôi - Kỹ năng: nhận dạng vi sinh vật thường gặp - Thái độ: thận trọng làm việc với vi sinh vật, chấp hành nội quy phịng thí nghiệm III Nội dung môn học: Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: STT Tên chương/mục Giới thiệu Hình thái cấu tạo Quá trình sinh trưởng VSV Quá trình trao đổi chất VSV Cộng Thời gian Tổng số Lý huyết Thực hành Kiểm tra (LT - TH) 12 8 4 3 1 30 14 13 Nội dung chi tiết: Chương 1: GIỚI THIỆU Mục tiêu: trình bày vai trị vi sinh vật A Nội dung: Đối tượng nhiệm vụ mơn học Đối tượng: Xung quanh chúng ta, ngồi sinh vật lớn mà nhìn thấy được, cịn có vơ số vi sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải sử dụng kính hiển vi, người ta gọi chúng vi sinh vật Môn khoa học nghiên cứu hoạt động sống vi sinh vật gọi vi sinh vật học Vi sinh vật học phát triển nhanh dẫn đến việc hình thành lĩnh vực khác nhau: vi khuẩn học (Bacteriology), nấm học (Mycology), tảo học (Algology) virus học (Virolory), Việc phân chia lĩnh vực cịn dựa vào phương hướng ứng dụng Do thấy cịn có vi sinh vật học, vi sinh vật học thú y, vi sinh vật công nghiệp, vi sinh vật học nông nghiệp Ngay vi sinh vật học nông nghiệp có nhiều chuyên ngành: vi sinh vật lương thực, vi sinh vật thực phẩm, Mỗi lĩnh vực có đối tượng cụ thể riêng, cần sâu Tuy nhiên mức độ định chuyên ngành có điểm giống Vi sinh vật học đại cương, nghiên cứu quy luật chung vi sinh vật Đối tượng nghiên cứu vi sinh vật học vi khuẩn, xạ khuẩn (Actinomycetes), virus, Bacteriophage (thể thực khuẩn), nấm, tảo, nguyên sinh động vật Vi khuẩn: nhóm vi sinh vật có nhân nguyên thủy, thể đơn bào, sinh sản chủ yếu hình thức trực phân, thể nhỏ bé, muốn quan sát phải sử dụng kính hiển vi quang học Virus: sinh vật mà kích thước chúng vô nhỏ bé, ký sinh nội bào tuyệt đối, muốn quan sát chúng phải sử dụng kính hiển vi điện tử Nấm: trước coi thực vật bậc thấp khơng có diệp lục tố, thường đơn bào, có nhóm giả đa bào, thể phân nhiều nhánh khơng có vách ngăn vách ngăn có lỗ thơng, thuộc tế bào nhân thật Vi sinh vật có kích thước nhỏ bé có cấu trúc thể tương đối đơn giản chúng có tốc độ sinh sơi nẩy nở nhanh chóng hoạt động trao đổi chất vơ mạnh mẽ Vi sinh vật phân giải hầu hết tất loại chất có giới, kể chất khó phân giải, chất gây hại đến nhóm sinh vật khác Bên cạnh khả phân giải, vi sinh vật cịn có khả tổng hợp nhiều hợp chất hữu phức tạp, điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường Nhiệm vụ: Nghiên cứu đặc điểm hình thái, cấu tạo, di truyền, hoạt động sinh lý hóa học, nhóm vi sinh vật Sự phân bố vi sinh vật tự nhiên mối quan hệ chúng với môi trường sinh vật khác Nghiên cứu biện pháp thích hợp để sử dụng cách có hiệu vi sinh vật có lợi biện pháp tích cực nhằm ngăn ngừa vi sinh vật có hại hoạt động đời sống người Sơ lược lịch sử phát triển môn học 2.1 Giai đoạn phát Giai đoạn sau phát minh kính hiển vi (phát vi sinh vật) Leewenhoek người phát vi sinh vật nhờ phát minh kính hiển vi, Ơng thương nhân bn vải, muốn tìm hiểu cấu trúc sợi vải ơng chế tạo thấu kính lắp ráp chúng thành kính hiển vi có độ phóng đại 160 lần, Ơng quan sát nước ao tù, nước ngâm chất hữu cơ, bựa răng, Leewenhoek nhận thấy đâu có sinh vật nhỏ bé Rất ngạc nhiên trước tượng quan sát ông viết ''Tôi thấy bựa miệng tơi có nhiều sinh vật tý hon hoạt động, chúng nhiều so với vương quốc Hà Lan hợp nhất'' Phát minh Leewenhoek củng cố quan niệm khả tự hình thành vi sinh vật Thời gian người ta cho sinh vật quan sát từ vật vô sinh, thịt, cá sinh dịi sau người ta cho đời thuyết tự sinh (hay thuyết ngẫu sinh) Kính hiển vi nhân loại Hình Anton van Leewenhoek (1632 – 1723) Bình cổ ngỗng mà Pasteur đánh đổ học thuyết tự sinh Hình Louis Pasteur (1822 – 1895) 2.2 Giai đoạn hình thành Giai đoạn vi sinh vật học thực nghiệm với Pasteur Đến kỷ XIX với phát triển chủ nghĩa tư bản, ngành khoa học kỹ thuật nói chung vi sinh vật học nói riêng, phát triển mạnh mẽ, nhiều nhà khoa học quan sát nghiên cứu số vi sinh vật gây bệnh sáng tạo số phương pháp để nghiên cứu vi sinh vật Đóng góp cho phát triển vi sinh vật giai đoạn phải kể đến nhà bác học người Pháp Pasteur (1822 - 1895) Với cơng trình nghiên cứu ơng đánh đổ học thuyết tự sinh, nhờ chế tạo bình cổ ngỗng Hình Thí nghiệm Louis Partuer chứng minh vi sinh vật khơng phải tự sinh Ơng chứng minh thuyết tự sinh khơng thí nghiệm sau: Thí nghiệm 1: dùng bình chứa nước thịt đun sơi, để nguội sau thời gian nước thịt đục, quan sát thấy có vi sinh vật Thí nghiệm 2: tiến hành thí nghiệm thứ sau ơng bịt kín miệng bình lại, để thời gian nước thịt không bị vẩn đục Lúc người phản đối, họ nói khơng có khơng khí nên vi sinh vật khơng phát triển được, chưa thuyết phục họ ơng làm thí nghiệm Thí nghiệm 3: Ơng uốn cổ bình giống hình cổ ngỗng kéo dài cho thơng với khơng khí, sau đun sôi để thời gian nước thịt khơng bị đục, người ta cơng nhận bác bỏ thuyết tự sinh Pasteur người đề xuất thuyết mầm bệnh, thuyết miễn dịch học, sở để sản xuất vaccin phịng bệnh Ơng chứng minh bệnh than cừu vi khuẩn gây lan truyền từ bệnh sang lành ơng tiến hành thí nghiệm tiêm phịng vaccin nhiệt thán cho cừu năm 1881, ơng chọn 50 cừu khỏe mạnh, tương đồng, tiêm vaccin cho 25 cịn 25 khơng tiêm vaccin, sau cường độc 25 khơng tiêm vaccin bị chết cịn 25 tiêm vaccin sống bình thường Thời bị chó dại cắn phải chết, thương tâm trước chết người bị chó dại cắn, ơng lao vào nghiên cứu vaccin phịng trị bệnh chó dại, thành cơng cứu bé trai thoát khỏi phát bệnh dại Sau thành cơng nhà hảo tâm xây dựng viện Pasteur pháp, sau nhân rộng ra, thành công lớn Pasteur nhân loại L Pasteur tốt nghiệp sinh hóa, ơng thành cơng nghiên cứu gia đình ơng bất hạnh, anh trai ông chết bệnh tật Mặc dầu L Pasteur người chứng minh sở khoa học việc chế tạo vaccin thuật ngữ vaccin lại bác sĩ nông thôn người anh Edward Jenner (1749 - 1823) đặt Ông người nghĩ phương pháp chủng đậu mủ đậu mùa bò cho người lành, để phòng bệnh đậu mùa, bệnh nguy hiểm cho tính mạng thời 2.3 Giai đoạn phát triển Giai đoạn sau Pasteur vi sinh học đại Tiếp theo sau Pasteur Koch (Robert Koch 1843 - 1910), người có cơng việc phát triển phương pháp nghiên cứu vi sinh vật Ông đề phương pháp chứng minh vi sinh vật nguyên nhân gây bệnh truyền nhiễm mà ngày nhà nghiên cứu bệnh học phải theo gọi quy tắc Koch Ngày 24 – - 1882, Koch cơng bố cơng trình khám phá vi trùng gây bệnh lao gọi Mycobacterium tuberculosis, bệnh nan y thời Khám phá mở đường cho việc chữa trị bệnh ngày Hình Robert Koch (1843 1910) Kế học trị Koch Petri (Juliyes Richard Petri, 1852 - 1921) chế dụng cụ nghiên cứu vi sinh vật mà ngày dùng tên ông để đặt cho dụng cụ ấy: đĩa Petri Ông nêu biện pháp nhuộm màu vi sinh vật 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 vi sinh vật phát triển sâu với hàng trăm nhà bác học có tên tuổi hàng chục ngàn người tham gia nghiên cứu, nghiên cứu sâu vào chất sống mức độ phân tử phân tử, sâu vào kỹ thuật cấy mô tháo lắp gen vi sinh vật ứng dụng kỹ thuật tháo lắp để chữa bệnh cho người, gia súc, trồng sâu vào để giải bệnh ung thư loài người Hình Klug (1982) phát cấu trúc khảm thuốc Một số mốc lịch sử phát triển vi sinh vật Năm 1665 1673 1785 Tác Hooke Van Leewenhoek Linaeus 1798 Jenner 1835 Bassi 1840 Semmelweis 1853 1857 1864 1866 1867 1870 1876 1879 1880 Debary 1881 Koch 1882 Koch 1883 Koch 1884 Metchnikoff Gram Pasteur Lister Abbes Koch Neisser Pasteur Công Lần quan sát thấy tế bào (bần) Lần quan sát thấy VSV sống Phân loại sinh vật Lần tiêm chủng (mủ đậu) vaccin để phòng bệnh đậu mùa Phát bệnh nấm tằm Phát sốt trẻ sơ sinh nhiễm khuẩn Phát bệnh nấm thực vật Phát trình lên men Bác bỏ thuyết tự sinh Phát phương pháp khử trùng kiểu Đề xuất phương pháp phẫu thuật vô trùng Phát vật kính dầu Đề xuất lý thuyết mầm bệnh Phát lậu cầu Đề xuất kỹ thuật gây miễn dịch Đề xuất phương pháp phân lập khiết vi khuẩn Phát trực khuẩn nhiệt thán Bacillus anthrracis vi khuẩn lao Mycobacterium Phát vi khuẩn tả, đề xuất biện pháp tẩy uế Đề xuất học thuyết thực bào; Đề xuất Escherich 1887 Petri 1890 Von Bering Erhlich 1892 1898 1910 Ivanopxki Shiga Erhlich 1928 Fleming Griffith 1934 Lancefield 1935 1941 1943 1944 1946 1957 1959 1962 1964 1969 Stanley, Northrup Beat anh Tatum Delbruck anh Luria Avery, McLeod Lederberg anh Crick Jacob anh Monod Sterwart Edelman anh Porter Epstein, Achong, Barr Whittaker 1971 Nathans, Smith, Arber 1973 1981 Berg, Boyer, Cohen Dulbeco, Temin, Baltimore Aber, Smith, Nathans Mithchell Margulis 1982 Klug 1975 1978 phương pháp nhuộm Gram; Phát vi khuẩn E Coli Đề xuất nuôi cấy vi snh vật hộp lồng Phát kháng độc tố bạch hầu Đề xuất lý thuyết miễn dịch Phát virus Phát vi khuẩn lị Phát xoắn thể giang mai Khám phá Penicillin Phát hiện tượng biến nạp Phát kháng nguyên liên cầu khuẩn Phát virus kết tinh Đề xuất mối quan hệ gen enzym Sự xâm nhập virus vào vi khuẩn Chứng minh vật chất di truyền ADN Khám phá cấu trúc ADN Phát điều hòa tổng hợp Nguyên nhân virus ung thư Phát kháng thể Phát virus gây ung thư người Đề xuất hệ thống phân loại giới sinh vật Phát men Pestrictaza dùng kỹ thuật di truyền Đề xuất kỹ thuật di truyền Phát Transcriptaza ngược Phát men Endonucleaza giới hạn Phát chế thẩm thấu hóa học Đề xuất nguồn gốc tế bào nhân thực Phát cấu trúc virus khảm thuốc Phát gen nhảy ngơ 1983 1983 Mcclintock Vai trị vi sinh vật 3.1 Trong tự nhiên Trong thiên nhiên, vi sinh vật giữ mắt xích trọng yếu chu chuyển liên tục bất diệt vật chất, khơng có vi sinh vật hay lý mà hoạt động vi sinh vật bị ngừng trệ dù thời gian ngắn, làm ngưng hoạt động sống trái đất Thật người ta tính tốn khơng có vi sinh vật hoạt động để cung cấp CO cho khí đến lúc lượng CO2 bị cạn kiệt, lúc xanh 10 quang hợp được, sống lồi sinh vật khác khơng tiến hành bình thường được, bề mặt trái đất trở nên lạnh lẽo Vi sinh vật nhân tố tham gia vào việc giữ gìn tính bền vững hệ sinh thái tự nhiên 3.2 Trong đời sống người Đối với sản xuất nông nghiệp, vi sinh vật có vai trị lớn, vi sinh vật tham gia vào việc phân giải hợp chất hữu cơ, chuyển hóa chất khống, cố định nitơ phân tử để làm giàu thêm dự trữ nitơ đất Trong q trình sống, vi sinh vật cịn sản sinh nhiều chất có hoạt tính sinh học cao có tác dụng trực tiếp trình sinh trưởng, phát triển trồng, vật nuôi Người ta nhận thấy khơng có vi sinh vật tiêu thụ sản phẩm trao đổi chất trồng tiết quanh rễ số sản phẩm đầu độc trở lại trồng Trong chăn nuôi ngư nghiệp, vi sinh vật có tác dụng to lớn, thể loài động vật có hệ vi sinh vật phong phú, hệ vi sinh vật giúp cho trình đồng hóa chất dinh dưỡng thải chất cặn bã q trình sống Trong chăn ni vấn đề lớn làm để phòng chống bệnh truyền nhiễm, môn vi sinh vật thú y môn dịch tễ học đề biện pháp phòng dịch bệnh súc vật số bệnh lây sang người, dại, lao, nhiệt thán, Trong công nghệ thực phẩm, vi sinh vật lực lượng sản xuất trực tiếp công nghiệp lên men Vi sinh vật sinh nhiều sản phẩm trao đổi chất khác số có nhiều sản phẩm đa sản xuất lớn qui mơ cơng nghiệp men bánh mì, rượu etilic, vitamin B 2, penicilin, streptomicin, oxytetracilin… Trong nguồn lượng mà người khai thác mạnh mẽ tương lai có lượng thu từ khối lượng chất sống vi sinh vật Vi sinh vật động lực để vận hành bể sinh khí sinh học Vi sinh vật có vai trị quan trọng việc phân giải phế thải nông nghiệp, phế thải thị, phế thải cơng nghiệp chúng đóng vai trị quan trọng việc bảo vệ môi trường Hiện vi sinh vật môn khoa học mũi nhọn cách mạng sinh học Nhiều vấn đề quan trọng sinh học đại như, nguồn gốc sống, chế thông tin, chế di truyền, chế điều khiển học tổ chức sinh vật học, vi sinh vật học có bước tiến vĩ đại, trở thành vũ khí sắc bén tay người để nhằm chinh phục thiên nhiên phục vụ đắc lực cho sản xuất đời sống 63 tăng kích thước khối lượng tế bào, phát triển (hoặc sinh sản) tăng sinh số lượng tế bào Tuy nhiên tăng số lượng tế bào diễn song song với tăng sinh khối Chẳng hạn chất dinh dưỡng môi trường cạn, vi khuẩn phân chia – lần cho – tế bào nhỏ tế bào bình thường, pha mở đầu sinh khối tế bào vi khuẩn tăng lên số lượng tế bào khơng thay đổi, ngược lại pha logarit kích thước tế bào giảm số tế bào lại tăng lên 2.2 Lý thuyết quy luật sinh trưởng Trong mẻ ni cấy thích hợp vi khuẩn thường tăng trưởng theo giai đoạn giai đoạn chuẩn bị, giai đoạn tăng trưởng nhảy vọt, giai đoạn ổn định giai đoạn chết Hình 42 Đường cong sinh trưởng vi sinh vật Giai đoạn chuẩn bị (pha lag): Từ lúc bắt đầu cấy đến vi khuẩn đạt tốc độ sinh trưởng cực đại Ở giai đoạn vi khuẩn chưa phân chia (chưa gia tăng mật số) thể tích khối lượng tế bào tăng lên rõ rệt trình tổng hợp chất diễn mạnh mẽ Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến phát tirển vi khuẩn giai đoạn Đáng lưu ý yếu tố sau đây: Tuổi giống cấy: tuổi quần thể giống cấy tức chúng giai đoạn sinh trưởng Thực nghiệm chứng minh giống cấy pha lag pha lag ngắn Ngược lại giống cấy pha log hay pha tử vong pha lag kéo dài Lượng cấy giống: lượng cấy giống nhiều pha lag ngắn ngược lại Thành phần mơi trường: mơi trường có thành phần dinh dưỡng phong phú (thường có mơi trường có chất thiên nhiên) cho pha lag ngắn 64 Giai đoạn tăng trưởng nhảy vọt (pha log): vi sinh vật bắt đầu nhân mật số lên theo cấp số nhân Kích thước tế bào, thành phần hóa học, hoạt tính sinh lý vi khuẩn khơng thay đổi theo thời gian Tế bào trạng thái động học gọi “những tế bào tiêu chuẩn” Giai đoạn ổn định (pha ổn định): mật số vi sinh vật không tăng thêm mà giữ mức ổn định Trong pha quần thể vi khuẩn trạng thái cân động học, số tế bào sinh số tế bào cũ chết Kết tế bào sinh khối không tăng không giảm Tốc độ sinh trưởng phụ thuộc vào nồng độ chất Giai đoạn chết (pha tử vong): mật số vi sinh vật sống giảm dần Trong pha số lượng tế bào có khả sống giảm theo lũy thừa (mặc dù số lượng tế bào sống tổng cộng khơng giảm) Đơi tế bào bị tự phân nhờ enzym tự thân Ở vi khuẩn sinh bào tử hình thành phức tạp trình hình thành bào tử 2.3 Ứng dụng Công nghệ thu sinh khối vi sinh vật q trình ni cấy chủng khiết hỗn hợp vài chủng để thu khối lượng tế bào sau sinh trưởng với mục đích: Sinh khối giàu protein dùng làm thực phẩm cho người thức ăn cho gia súc tế bào vi sinh vật (kể sinh khối tảo) sấy khơ chết, giàu protein, vitamin nhóm B chất khoáng Nguồn sinh khối gọi protein đơn bào Sinh khối nấm men tế bào sống để dùng cơng nghiệp bánh mì - men bánh mì, sinh khối vi khuẩn lactic sống có hoạt tính enzyme tiêu hóa để sản xuất thuốc hỗ trợ tiêu hóa biolactovin… Sinh khối cố định đạm làm phân bón vi sinh, loại phân bón vi sinh với vi khuẩn sống tự đất sống cộng sinh với họ đậu Sinh khối vi khuẩn sinh độc tố loại sâu thân mềm phá hoại rau màu, để sản xuất thuốc trừ sâu vi sinh Sinh khối vi sinh vật có hệ enzyme phân giải chất hữu kể thuốc trừ sâu hydrocarbon để sản xuất chế phẩm vi sinh xử lý nước thải ô nhiễm bảo vệ mơi trường Đặc tính sinh trưởng vi khuẩn môi trường nuôi cấy Nếu theo dõi sinh trưởng phát triển vi khuẩn điều kiện phịng thí nghiệm, người ta nhận thấy số lượng chúng tăng lên nhanh chóng Điều dễ hiểu với điều kiện thích hợp thời gian hệ nhiều loài vi khuẩn khoảng 30 phút Rõ ràng trình sinh tổng hợp q trình dị 65 hóa, nhằm cung cấp lượng, nguyên liệu cho phản ứng tổng hợp diễn tế bào với tốc độ nhanh, hoàn toàn không thấy sinh vật khác Phương pháp nuôi cấy mà suốt thời gian ta khơng thêm vào chất dinh dưỡng khơng loại bỏ sản phẩm trao đổi chất cuối gọi nuôi cấy tĩnh, phát triển vi khuẩn nuôi cấy tĩnh diễn qua pha: Pha lag: pha tính từ lúc bắt đầu ni cấy vi khuẩn đạt tốc độ sinh trưởng cực đại Trong pha lag vi khuẩn chưa phân chia (nghĩa chưa có khả sinh sản), giai đoạn vi sinh vật làm quen với môi trường nuôi cấy chuẩn bị cho tăng trưởng vượt bậc sau Thể tích khối lượng tế bào tăng lên rõ rệt trình tổng hợp chất, trước hết cao phân tử (protein, enzyme, acid nucleic, ) diễn mạnh mẽ Chẳng hạn số enzyme cần cho trình tổng hợp thuộc endoenzyme loại proteinase, amylase, enzyme nằm q trình chuyển hóa glucide, hình thành pha Độ dài pha phụ thuộc vào tuổi ống giống thành phần mơi truờng Chẳng hạn pha lag khơng có dùng ống giống gồm tế bào pha sinh trưởng logarit cấy chúng vào môi trường điều kiện nuôi cấy Trái lại ta cấy tế bào pha ổn định vào môi trường điều kiện nuôi cấy có pha lag Thường tế bào giống già pha lag dài Như pha lag phụ thuộc vào yếu tố sau: tuổi giống, lượng cấy giống thành phần môi trường Pha logarit: pha vi khuẩn sinh trưởng phát triển theo lũy thừa, nghĩa sinh khối số lượng tế bào tăng theo, kích thước tế bào thành phần dinh dưỡng, hoạt tính sinh lý, nói chung không thay đổi theo thời gian Tế bào trạng thái động học đuợc coi tế bào tiêu chuẩn Pha ổn định: pha quần thể vi khuẩn trạng thái cân động học, đa số tế bào sinh số tế bào cũ chết Kết tế bào sinh khối không tăng không giảm Tốc độ sinh trưởng phụ thuộc vào nồng độ chất Cho nên giảm nồng độ chất (trước chất bị cạn hoàn toàn) tốc độ sinh trưởng vi khuẩn giảm Nguyên nhân tồn pha ổn định tích lũy sản phẩm độc trao đổi chất (rượu acid hữu cơ) việc cạn chất dinh duỡng Pha tử vong: pha số lượng tế bào có khả sống giảm theo lũy thừa (mặc dù số lượng tế bào tổng cộng khơng giảm) Đơi tế bào tự phân nhờ enzyme thân Ở vi khuẩn sinh bào tử giai đoạn phức tạp trình hình thành bào tử 66 B Câu hỏi tập thực hành: I Câu hỏi: Trình bày yếu tố dinh dưỡng yếu tố ngoại cảnh ảnh hưởng đến trình sinh trưởng vi sinh vật? Hãy nêu mối quan hệ sinh trưởng phát triển từ đưa quy luật sinh trưởng vi sinh vật? Đặc tính sinh trưởng vi khuẩn môi trường nuôi cấy? Và nêu cách ứng dụng? II Bài tập thực hành: Bài 1: Thực hành làm mơi trường dinh dưỡng - Mục đích: làm mơi trường dinh dưỡng để thực việc phân lập, nhân giống, giữ giống vi sinh vật, đồng thời để nuôi cấy nghiên cứu đặc điểm sinh học chúng - Nội dung: Đổ thạch nghiên Đổ thạch đứng Đổ thạch vào đĩa petri - Nguồn lực: + Nguyên liệu số hóa chất để làm mơi trường + Dụng cụ thí nghiệm, bảo hộ lao động - Cách thức tổ chức: + Hướng dẫn mở đầu: giáo viên hướng dẫn cách pha chế, làm môi trường, điều chỉnh độ pH môi trường, phân phối môi trường vào dụng cụ, cách làm thạch nghiêng, thạch đứng cách sử dụng dụng cụ, thiết bị phịng thí nghiệm + Hướng dẫn thường xun: phân lớp thành nhóm nhỏ - học sinh, nhóm đổ mơi trường dinh dưỡng theo yêu cầu kỹ thuật Giáo viên theo dõi sửa lỗi trình thực học sinh - Thời gian hoàn thành: - Phương pháp đánh giá: giáo viên phát phiếu trắc nghiệm cho học sinh điền vào ô trả lời, đối chiếu với đáp án - Kết sản phẩm cần đạt được: đổ môi trường dinh dưỡng theo yêu cầu kỹ thuật C Ghi nhớ: Biết yếu tố dinh dưỡng yếu tố ngoại cảnh ảnh hưởng đến trình sinh trưởng vi sinh vật Biết quy luật sinh trưởng vi sinh vật 67 Ứng dụng sinh trưởng phát triển vi sinh vật đời sống thí nghiệm Biết đặc tính sinh trưởng vi khuẩn mơi trường nuôi cấy để thực kháng sinh đồ hay nuôi cấy để thực nghiệm Chương 4: QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT Mục tiêu: trình bày yếu tố cần cho sinh trưởng phát triển vi sinh vật để áp dụng việc phịng bệnh ni cấy định danh, chẩn đốn bệnh Dinh dưỡng 1.1 Quá trình phân giải Sự phân giải hợp chất hữu cơ: Phân giải hợp chất khơng chứa Nitơ: Phân giải cellulose: Hằng năm có khoảng 30 tỷ chất hữu xanh tổng hợp trái đất Trong số có tới 30% màng tế bào thực vật mà thành phần chủ yếu cellulose, người ta nhận thấy cenlulose chiếm 90% 40 - 50% gỗ Các sợi cellulose tự nhiên chứa khoảng 10.000-12.000 gốc gluco, sợi liên kết thành bó nhỏ gọi microfibrin Trọng lượng phân tử loại cellulose thay đổi tùy loại thực vật Cellulose loại hợp chất bền vững, khơng tan nước, khơng tiêu hóa, sỡ dĩ động vật nhai lại tiêu hóa cellulose nhờ hoạt động phân giải cellulose nhiều loại vi sinh vật (sống cỏ) Các vi sinh vật phân giải cellulose Vi sinh vật hiếu khí Vi sinh vật yếm khí Vsv yếm khí Vi sinh vật ưa nóng Cytophaga, Sporicytophaga Bacillus Streptomyces Xạ khuẩn Nấm mốc Aspergilus, Penicilium, Fusarium Vi khuẩn cỏ loài Ruminococcus Bacillus cellulose methanicus Bacillus celluloae hydrogenicus Bacillus cellulosae thermophicus Cơ chế trình phân giải cellulose: muốn phân giải cellulose vi sinh vật phải tiết men cellulease, sau men tác động trực tiếp lên cellulose Cellulose → disacharit → monosaccharit (glucose) Sự phân giải tinh bột: 68 Tinh bột chất dự trữ chủ yếu thực vật, phản ứng với iod tạo thành chất có màu lam tím Trong tế bào thực vật tinh bột tồn dạng hạt tinh bột, hạt tinh bột có hình dạng kích thước thay đổi tùy theo loại thực vật Tinh bột gồm hai thành phần khác amylose amylosepectin Vi sinh vật phân giải tinh bột: Nhiều loại vi sinh vật có khả sản sinh men amylase ngoại bào làm phân giải tinh bột thành thành phần đơn giản phân biệt số loại amylase sau: α - amylase: tác động đồng thời lên nhiều dây nối, kể bên đại phân tử, sản phẩm phân giải ngồi mantose cịn có oligmer chứa - gốc glucose β - amylase: men tác động bên đại phân tử, phân cắt liên kết - vị trí phân nhánh Glucoamylase: phân giải tinh bột thành glucose oligosaccarit Một số loại vi sinh vật có hoạt tính amylase Loại amylase Amylase Glucoamylase Vi sinh vật Aspegyllus candidus, Asp niger, Asp orysee Bacillus subtillis, B maccarans, B mesintericus, Clostridium acetobutylicum, Asp awamori, Asp oryse Asp niger, Asp awamori, Asp oryse Các trình lên men: Quá trình lên men Etilic: tác dụng số lồi vi sinh vật, đường glucosa chuyển hóa thành rượu etylic CO đồng thời làm sản sinh số lượng xác định Quá trình gọi trình lên men etilic hay cịn gọi q trình lên men rượu Vi sinh vật tham gia vào trình lên men rượu: Lồi nấm men có khả lên men rượu mạnh mẽ có nhiều ý nghĩa kinh tế Saccharomyces cerevisiae Loại nấm men có khả lên men đường glucose, galactose, maltose, lactose, tinh bột Trong công nghiệp bia, người ta sử dụng loại Sac carsbergensis Rượu rum thường lên men Schizosacchramyces, chúng phân biệt dễ dàng với Saccharomyces chỗ có khả phân chia tế bào nhờ vách ngăn ngang (không nẩy chồi) Tóm tắt q trình: C6H12O6 → CH3COCOOH + 4H CH3COCOOH → CH3CHO + 2CO2 69 CH3CHO + 4H → CH3CH2OH C6H12O6 → CH3CH2OH + 2CO2 + 22Kcalo Nếu chất sản phẩm phức tạp khác tinh bột, cellulose trình qua hai giai đoạn Giai đoạn đầu hợp chất hữu phức tạp bị chất hữu khác phân giải thành dung dịch đường, sau tác dụng nấm men biến thành rượu Quá trình ứng dụng: sản xuất rượu bia, loại nước giải khát, sử dụng nấm men làm nở bột mì, ủ thức ăn cho gia súc Lên men lactic: đường glucose tác dụng số vi sinh vật yếm khí đặc biệt cho acid lactic gọi trình lên men lactic Cơ chế trình: có hai q trình lên len lactic khác lên men lactic đồng hình lên men lactic dị hình Trong chu trình lên men lactic đồng hình glucose chuyển hóa theo chu trình Embden - Meyerhoff để cuối tạo thành acid pyruvic NAD – H+ Acid pyruvic tiếp tục khử thành acid lactic: C6H12O6 → 2CH3COCOOH + 4H CH3COCOOH + 4H → CH3CHOHCOOH Quá trình lên men lactic đồng hình thực nhóm vi khuẩn lactose bacterium (Thermobacterium, Streptobacterium) Streptococcus Trong trình lên men lactic dị hình, ngồi acid lactic cịn tạo thành sản phẩm khác acid acetic, CO2, ethanol, glyceril C6H12O6 → CH3CHOHCOOH + CH3COOH + CH3CH2OH + CO2 Vi khuẩn lên men lactic dị hình, ngồi việc tạo thành acid lactic cịn có nhiều sản phẩm khác Vi khuẩn lên men lactic dị hình khơng có men chủ yếu chu trình Embden - Meyerhoff Vi khuẩn lactic thuộc Streptococcaceae Lactobacillaceae, vi khuẩn lactic không sinh bào tử, Gram dương (trừ Lactobacillus inulinus), thường không di động, chúng thuộc loại vi khuẩn kỵ khí háo khí Vi khuẩn lactic thường đòi hỏi nhiều chất sinh trưởng (acid amine, thiamin, riboflavin, ) chúng thường phát triển môi trường tổng hợp, người ta thường nuôi cấy vi khuẩn lactic môi trường chứa chất hữu phức tạp nấm men, nước cà chua, sữa, máu, Nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn lactic phát triển 22 – 45 0C, vi khuẩn lactic thường gặp đất, nước, chúng thường phát triển nơi có chứa nhiều chất hữu phức tạp xác thực vật, sữa, Ứng dụng: sản xuất acid lactic, chế biến sữa chua, ủ chua thức ăn cho gia súc Lên men butyric: 70 Trong tự nhiên, đường glucose tác dụng số vi sinh vật yếm khí đặc biệt, chuyển hóa acid butyric gọi trình lên men butyric Cơ chế: C6H12O6 → 2CH3COOH + 4H 2CH3COOH → 2CH3CHO + CO2 CH3CHO + CH3CHO → CH3CHOHCH2CHO CH3CHOHCH2CHO → CHCH2CH2COOH Qua chế thấy có trùng hợp hai phân tử CH 3CHO Quá trình trùng hợp phụ thuộc nhiều vào điều kiện ngoại cảnh, ngoại cảnh thay đổi sản phẩm thay đổi, ngồi acid butyric ra, người ta cịn thu nhiều sản phẩm khác acid acetic, acetone, rượu butanol, Vi sinh vật lên men butyric: vi sinh vật lên men chủ yếu Clostridium, loại vi khuẩn Gram dương, chu mao, di động sinh nha bào, kích thước nha bào lớn kích thước tế bào vi khuẩn nên mang nha bào vi khuẩn có dạng hình vợt, dùi trống, chúng thích hợp phát triển kỵ khí Ứng dụng: vi khuẩn lên men butyric tham gia tích cực vào q trình phân giải hợp chất hữu tự nhiên Nhưng trình xẩy mạnh lượng acid butyric sinh nhiều gây ảnh hưởng phát triển trồng Quá trình lên men butyric gây ảnh hưởng xấu trình bảo quản hoa quả, muối dưa, ủ chua thức ăn chăn nuôi Phân giải hợp chất hữu chứa Nitơ: Quá trình amon hóa protein: Dưới tác dụng vi sinh vật, protein phân giải NH gọi q trình amon hóa protein Trong tự nhiên có nhiều loại vi sinh vật có khả sản sinh vào môi trường men protease (proteinase peptidase), chúng xúc tác trình thủy phân liên kết peptid số liên kết khác làm cho phân tử protein phân giải Khác với loại protease thực vật động vật protein vi sinh vật thường men ngoại bào, có tính chuyển hóa rộng, vào pH hoạt động protease, người ta chia làm ba loại, loại acid, trung tính kiềm Vi sinh vật phân giải: có nhiều loại vi sinh vật có khả phân giải protein: vi khuẩn hiếu khí, yếm khí, xạ khuẩn, nấm Cơ chế: Dưới tác dụng protease, protein phân giải thành hợp chất đơn giản (polypeptid olipeptid) Các chất tiếp tục phân giải thành acid 71 amine nhờ tác dụng men peptidase ngoại bào Các acid amine sử dụng phần vào trình sinh tổng hợp protein vi sinh vật, phần tiếp tục phân giải để tạo NH 3, CO2 nhiều sản phẩm trung gian khác Quá trình phân giải từ protein đến acid amine trình phức tạp diễn sau: R - CH(NH2) - COOH + 1/2 O2 → R – CO - COOH + NH3 R - CH(NH2) - COOH + O2 → R - COOH + CO2 + NH3 R - CH(NH2) - COOH + H2O → R - CHOH + CO2 + NH3 R - CH(NH2) - COOH + H2O → R - CO - COOH + NH3 R - CH(NH2) - COOH + 2H → R- CH2 - COOH + NH3 Khi phân giải acid amine chứa lưu huỳnh (cistin, cistein, methionin) vi sinh vật giải phóng khí H2S HOOC – CH2NH – CH2 - SH + 2H2O → H2S + NH3 + CH3COOH + HCOOH Khi phân giải triptophan số vi sinh vật sinh indol scaton có mùi thối Q trình amon hóa urea: Vi khuẩn amon hóa urea thường thuộc loại hiếu khí hay kị khí khơng bắt buộc (Micrococcus ureae, Planosarcina ureae, Bacillus, Pasteurela, ) Chúng phát triển tốt mơi trường trung tính hay kiềm, chúng có men urease xúc tác phân giải urea thành NH3, CO2, H2O CO(NH2)2 + 2H2O urease → (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 → 2NH3 + CO2 + H2O Quá trình amon hóa uric: Uric chất hữu chứa nước tiểu Chúng phân giải thành urea acid Sau ure tiếp tục phân giải 1.2 Quá trình hấp thu Tế bào vi sinh vật thường xuyên trao đổi vật chất lượng với môi trường bên để nhận chất dinh dưỡng cần thiết từ môi trường thải sản phẩm trao đổi chất Tế bào vi sinh vật nhận thải chất qua màng tế bào chất cách chọn lọc tuân theo hai chế: (1) khuếch tán đơn giản hay gọi vận chuyển thụ động (2) chế vận chuyển không gian đặc biệt Theo chế khuếch tán thụ động phân tử từ màng nhờ chênh lệch nồng độ trường hợp hợp chất không điện phân hay chênh lệch điện (trong trường hợp ion) hai phía màng 72 Đa số chất hòa tan qua màng tác dụng chế vận chuyển đặc biệt: phân tử vận chuyển xếp màng liên kết với phân tử chất hoà tan chuyển chúng vào bề mặt bên màng, từ phân tử chất hòa tan chuyển vào tế bào chất Sự vận chuyển đặc biệt chất qua màng cần không cần lượng tế bào 73 74 Hình 43 Quá trình hấp thu dinh dưỡng qua màng tế bào vi sinh vật Quá trình trao đổi chất 2.1 Khái niệm Trao đổi chất chuyển hóa có liên quan đến q trình tổng hợp phân hủy tế bào Trao đổi chất gồm có hai q trình đồng hóa dị hóa Q trình đồng hóa: q trình chế biến lại chất dinh dưỡng hấp thụ thành chất riêng tế bào loại vi sinh vật Quá trình cịn gọi trao đổi kiến tạo hay sinh tổng hợp, trình thu nhiệt Q trình dị hóa: q trình phân hủy thành phần bên tế bào Sản phẩm phân hủy thải ngồi mơi trường hay tế bào sử dụng 2.2 Quá trình trao đổi lượng Là q trình phân hủy có kèm giải phóng lượng 75 Ở sinh vật bậc cao trình dị hóa trao đổi lượng một, oxy hóa chất hữu thể để giải phóng lượng Q Ở vi sinh vật q trình trao đổi lượng khơng q trình dị hóa (phân hủy thành phần thể) mà chủ yếu trình phân hủy với chất hấp thụ từ bên ngồi Như nhận thấy q trình trao đổi chất vi sinh vật tổng hợp phản ứng hóa học diễn tế bào, gồm hai loại: Các phản ứng giải phóng lượng - trao đổi lượng Các phản ứng sử dụng lượng - trao đổi kiến tạo (tổng hợp) Hai trình tương tác diễn đồng thời Năng lượng sinh dùng trình tổng hợp thành phần cấu trúc tế bào (vách, màng) Tổng hợp enzyme, acid nucleic, lipid, polysaccharid lượng lại dùng cho hoạt động sống khác tế bào sinh trưởng, sinh sản, vận chuyển chất dinh dưỡng, di động Quá trình trao đổi lượng: nhằm cung cấp lượng cho hoạt động sống thể mặt hoạt động sinh lý quan trọng sinh vật nói chung vi sinh vật nói riêng 2.3 Q trình sinh tổng hợp Tổng hợp hợp chất hữu cơ: Tổng hợp hợp chất hữu có Nitơ: Sinh tổng hợp acid amine: Nhiều vi sinh vật có khả sinh tổng hợp nhiều loại acid amine, hai acid amine tổng hợp vi sinh vật acid glutamic Lysin, vi sinh vật thường dùng Brevibacterium, Micrococcus, Microbacterium, Quá trình cố định N2: Q trình cố định N2 có ý nghĩa quan trọng sản xuất nông nghiệp, không khí đất có khoảng 80.000 N 2, người, gia súc trồng khơng có khả sử dụng nguồn N liên kết phân tử chặt chẽ ba liên kết, để chế tạo phân bón hữu cần có điều kiện kỹ thuật phức tạp (t cao, áp suất lớn, chất xúc tác đắt tiền) số vi sinh vật có khả đồng hóa dễ dàng thường xuyên người ta gọi chúng vi sinh vật cố định N2 Các vi khuẩn có khả cố định N như: Azotobacter (tốn 1g đường vi khuẩn có khả cố định 518 g N2) Clostridium sống đất ẩm có khả cố định N2 khơng khí, vi khuẩn lam sống cộng sinh cố định N 2, vi khuẩn nốt sần họ đậu (Rhizobium) 76 Tổng hợp hợp chất hữu khơng chứa Nitơ: Ngồi trình phân giải hợp chất hữu phức tạp thành hợp chất đơn giản, tự nhiên cịn có nhiều loại vi sinh vật nhờ lượng mặt trời tiến hành tổng hợp hợp chất hữu khơng có Nitơ từ H 2S CO2 khơng khí Chúng thuộc loại vi sinh vật tự dưỡng quang Một số vi sinh vật có chứa sắc tố quang hợp Chúng có khả chuyển hóa lượng ánh sáng mặt trời thành lượng hóa học tích lũy dãy nối cao ATP Q trình quang hợp xanh tóm tắt sau: CO2 + → [CH2O] + O2 (năng lượng mặt trời) Tảo lam quang hợp gần giống xanh, vi khuẩn lưu huỳnh màu lục vi khuẩn lưu huỳnh màu tía q trình quang hợp khác với xanh Nếu xanh nguồn H từ H2O vi khuẩn nguồn H từ H2S tóm tắt q trình quang hợp vi khuẩn sau: CO2 + H2S [CH2O] +2S Bacterio chlorophile Ý nghĩa trình dinh dưỡng 3.1 Trong tự nhiên Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý rác thải Xử lý chất thải rắn Phân hủy bùn hữu Xử lý nước thải 3.2 Trong đời sống Sản xuất rượu bia, loại nước giải khát, sử dụng nấm men làm nở bột mì, ủ thức ăn cho gia súc Ứng dụng: sản xuất acid lactic, chế biến sữa chua, ủ chua thức ăn cho gia súc Ứng dụng: sản xuất acid lactic, chế biến sữa chua, ủ chua thức ăn cho gia súc Ứng dụng: vi khuẩn lên men butyric tham gia tích cực vào trình phân giải hợp chất hữu tự nhiên Ứng dụng y học: ứng dụng công nghệ sinh học điều trị bệnh; Tạo mô não từ tế bào gốc; Công nghệ nano; Sản phẩm hỗ trợ bệnh ung thư; Vaccine B Câu hỏi tập thực hành: I Câu hỏi: Hãy trình bày trình phân giải hấp thu vi sinh vật? 77 Hãy trình bày trình trao đổi chất vi sinh vật? II Bài tập thực hành: Bài 1: Thực hành nuôi cấy bảo quản vi sinh vật - Mục đích: ni cấy bảo quản vi sinh vật để giúp phát triển vi sinh vật tạo điều kiện cho việc phân lập, nhân giống, giữ giống vi sinh vật, đồng thời nghiên cứu đặc điểm sinh học chúng - Nội dung: Phương pháp cấy thạch nghiên Phương pháp cấy thạch đứng Phương pháp cấy đĩa petri Phương pháp nuôi cấy vi sinh vật Phương pháp bảo quản giống vi sinh vật - Nguồn lực: + Mẫu bệnh phẩm hay mẫu ni + Dụng cụ thí nghiệm, bảo hộ lao động - Cách thức tổ chức: + Hướng dẫn mở đầu: giáo viên hướng dẫn cách phương pháp cấy thạch nghiên, thạch đứng, đĩa petri, phương pháp nuôi cấy, cách bảo quản vi sinh vật cách sử dụng dụng cụ, thiết bị phòng thí nghiệm + Hướng dẫn thường xuyên: phân lớp thành nhóm nhỏ - học sinh, nhóm nuôi cấy mẫu bệnh phẩm môi trường thạch nghiên, thạch đứng, đĩa petri bảo quản giống vi sinh vật theo yêu cầu kỹ thuật Giáo viên theo dõi sửa lỗi trình thực học sinh - Thời gian hoàn thành: - Phương pháp đánh giá: giáo viên phát phiếu trắc nghiệm cho học sinh điền vào ô trả lời, đối chiếu với đáp án - Kết sản phẩm cần đạt được: nuôi cấy bảo quản vi sinh vật môi trường thạch nghiên, thạch đứng, đĩa petri C Ghi nhớ: Biết trình phân giải hấp thu vi sinh vật Biết trình trao đổi chất vi sinh vật ... giai đoạn phát triển vi sinh vật? Vai trò vi sinh vật tự nhiên đời sống người? C Ghi nhớ: Đối tương nhiệm vụ vi sinh vật Các giai đoạn phát triển vi sinh vật học Vai trò vi sinh vật tự nhiên đời... tương lai có lượng thu từ khối lượng chất sống vi sinh vật Vi sinh vật động lực để vận hành bể sinh khí sinh học Vi sinh vật có vai trị quan trọng vi? ??c phân giải phế thải nông nghiệp, phế thải... hoạt động sinh lý hóa học, nhóm vi sinh vật Sự phân bố vi sinh vật tự nhiên mối quan hệ chúng với môi trường sinh vật khác Nghiên cứu biện pháp thích hợp để sử dụng cách có hiệu vi sinh vật có