(Procaryotic microorganism)
****
Vi sinh vật Nhõn Nguyờn (Tiền Hạch) (Prokaryotic microorganisms) bao gồm cỏc vi sinh vật đơn bào, khụng cú nhõn thực sự. Tất cả vi sinh vật tiền hạch được xếp chung vào một nhúm, nhúm vi khuẩn (group Schizomycetes), bao gồm vi khuẩn (Bacteria), xạ khuẩn (Actinomycetes), Mycoplasma, Ricketxia (Rickettsias), dạng L của vi khuẩn (L- form). Vi Khuẩn Lam hay Tảo Lam hay Thanh Thực Vật (Cyanophyta) cũng là vi sinh vật nhõn nguyờn nhưng tự dưỡng.
I. VI KHUẨN :
A. HèNH DẠNG VAè KÍCH THƯỚC :
Vi khuẩn cú ba hỡnh dạng chớnh: cầu khuẩn (coccus), trực khuẩn (bacille, monas) và xoắn khuẩn (spira). Giữa ba loại này thường cú những dạng trung gian. Thớ dụ như dạng cầu trực khuẩn (coccobacille) hoặc dạng phẩy khuẩn (vibrie) .
a/ Cầu khuẩn : Là loại vi khuẩn cú hỡnh cầu, hỡnh ngọn nến, hỡnh hạt cà phờ . Kớch thước trong khoảng 0,5 - 1à . Trong cầu khuẩn cú một số chi như sau : (Hỡnh 5-1)
- Chi Micrococus : Hỡnh cầu đứng riờng rẻ, sống hoại sinh trong đất, nước, khụng khớ .
- Chi Diplococcus : Hỡnh cầu dớnh nhau từng đụi một (do phõn cắt theo một mặt phẳng xỏc định), cú một số loài cú khả năng gõy bệnh cho người . Thớ dụ : Neisseria gonorrhocae, gõy bệnh lậu .
- Chi Streptococcus : Hỡnh cầu và dớnh với nhau thành chuỗi dài . Streptococcus lactis lờn men lactic .
- Chi Sarcina: Phõn cắt theo ba mặt phẳng trực giao với nhau và tạo thành khối gồm 8 , 16 tế bào hoặc nhiều hơn. Hoại sinh trong khụng khớ. Sarcina urea cú khả năng phõn giải urờ khỏ mạnh.
- Chi Staphilococcus : Phõn cắt theo cỏc mặt phẳng bất kỳ và dớnh với nhau thành từng đỏm như chựm nho, hoại sinh hoặc ký sinh gõy bệnh cho người và gia sỳc.
Núi chung, cầu khuẩn khụng cú roi (roi) nờn khụng cú khả năng di động (Hỡnh 5- 1) .
Hỡnh 5-1: Hỡnh dạng một số chi vi khuẩn thuộc dạng cầu khuẩn.
b/ Trực khuẩn: Cú hỡnh que, đường kớnh 0,5 -1à, dài 1 - 4à , gồm cỏc giống (Hỡnh 5-2) .
- Chi Bacillus : Trưỹc khuẩn gram dương, cú nha bào, khụng thay đổi hỡnh dạng khi sinh nha bào hay nha bào (endospore).
- Cỏc trực khuẩn gram õm khụng sinh nha bào, cú roi gồm cỏc chi Pseudomonas
cú 1 - 7roi, Xanthomonas cú 1 roi, Erwinia cú nhiều roi mọc chung quanh, ...
- Chi Corynebacterium : Hỡnh chựy, khụng cú nha bào, hỡnh dạng và kớch thước cú thay đổi nhiều khi nhuộm màu, tế bào thường tạo thành cỏc đoạn nhỏ bắt màu khỏc nhau .
- Chi Clostridium : Trực khuẩn gram dương, 0,4 - 1à x 3 - 8à , cú sinh nha bào, nha bào to hơn chiều ngang tế bào nờn khi cú nha bào tế bào thường phỡnh ra ở giữa hay ở
một đầu . Cú thể gõy bệnh như Clostridium tetani gõy bệnh uốn vỏn, hoặc cú lợi như
Clostridium pasteurianum là vi khuẩn cố định đạm trong đất .
Hỡnh 5-2: Hỡnh dạng một số chi vi khuẩn cú dạng trực khuẩn
Hỡnh 5-3: Hỡnh dạng một số chi vi khuẩn cú dạng xoắn khuẩn và phẩy khuẩn
c/ Phẩy khuẩn: Cú hỡnh que hơi uốn cong giống như dấu phẩy. Chi thường gặp là Vibrio. Phần lớn hoại sinh, cú một số gõy bệnh cho người và gia sỳc (Hỡnh 5-3) .
d/ Xoắn khuẩn: ( Spira: xoắn ) Cú từ hai vũng xoắn trở lờn, gram dương di động được nhờ một hay nhiều roi mọc ở đỉnh . Kớch thước 0,5 - 3à x 5 - 40à. Chi Spirillum
thuộc nhúm hỡnh dạng nầy(Hỡnh 5-3).
Vi khuẩn cú cấu tạo dạng tế bào, tức cú bộ phận bao che và nguyờn sinh chất bờn trong. Bộ phận bao che gồm cú vỏch (cell wall) cựng cỏc phụ bộ của vỏch và màng nguyờn sinh chất (plasmalemma). Nguyờn sinh chất bao gồm tế bào chất (cytoplasm) và thành phần của nhõn là DNA. Trong tế bào chất cú chứa nhiều cơ quan con giữ cỏc vai trũ khỏc nhau trong tiến trỡnh sống của vi khuẩn. (Hỡnh 5-4)
1. Bộ phận bao che vi khuẩn:
Một cỏch tổng quỏt, vi khuẩn cú hai lớp màng chớnh, từ ngoài vào trong lần lượt là vỏch tế bào và màng nguyờn sinh. Ngoài ra ở một số chi vi khuẩn cũn được bọc bờn ngoài một lớp vỏ nhày hoặc một lớp dịch nhày.
a/ Vỏ nhày và lớp dịch nhày : ( capsule và slime )
Vỏ nhày (cũn gọi màng nhày) cú hai loại, vỏ nhày lớn (macrocapsule) và vỏ nhày nhỏ (microcapsule). Vỏ nhày lớn cú chiều dày lớn hơn 0,2à nờn thấy được dưới kớnh hiển vi thường (Hỡnh 5-5). Cũn vỏ nhày nhỏ cú chiều dày dưới 0,2à , chỉ quan sỏt được qua kớnh hiển vi điện tử.
Một số vi khuẩn khỏc khụng cú vỏ nhày nhưng được bao phủ một lớp dịch nhày khụng giới hạn xỏc định và khụng cấu trỳc rừ ràng. Thớ dụ: Chi Xanthomonas.
Cụng dụng của vỏ nhày là để bảo vệ tế bào vi khuẩn và là nơi tớch lũy chất dinh dưỡng của vi khuẩn. Thớ dụ: Phế cầu khuẩn Streptococcus pneumoniae khi cú vỏ nhày sẽ khụng bị bạch huyết cầu thực bào, cũn nếu mất vỏ nhày sẽ bị thực bào mau lẹ.
Nhuộm vỏ nhày là phương phỏp làm tiờu bản õm bằng cỏch trộn vi khuẩn với mực tàu.
Ở một số vi khuẩn, khi mụi trường nuụi cấy cạn dần chất dinh dưỡng vi khuẩn tiờu thụ đến chất dinh dưỡng trong vỏ nhày, làm cho vỏ nhày tiờu biến dần đi.
Phần lớn thành phần húa học của lớp vỏ nhày hoặc dịch nhày là nước (98%) và polysaccarit.
A B
Hỡnh 5-4: Sơ đồ cấu tạo của vi khuẩn. Phần A (bờn trỏi vạch giữa hỡnh) là vi khuẩn cú vỏ nhầy lớn; phần B (bờn phải) là vi khuẩn cú vỏ nhầy nhỏ.
Vi khuẩn cú vỏ nhày hoặc dịch nhày sẽ cho khuẩn lạc ướt, lỏng, trơn; cũn vi khuẩn khụng vỏ nhày hoặc dịch nhày sẽ tạo thành những khuẩn lạc khụ, xự xỡ. Cũn cỏc vi khuẩn cú lớp dịch nhày rất nhày nhớt sẽ tạo thành những khuẩn lạc nhày nhớt.
b/ Vỏch tế bào hay thành tế bào: ( cell wall )
Vỏch tế bào vi khuẩn cú kớch thước khỏc nhau tựy loại. Núi chung, vi khuẩn gram dương cú vỏch tế bào dày hơn, khoảng 14 - 18 nm, trọng lượng cú thể chiếm10 - 20% trọng lượng khụ của vi khuẩn. Vi khuẩn gram õm cú vỏch tế bào mỏng hơn, thường khoảng 10nm. (1nm (nanụmột) = 10 -3à = 10-6mm = 10-9 m).
Cụng dụng của vỏch là để bao bọc, che chở cho khối nguyờn sinh chất bờn trong và giỳp cho vi khuẩn cú hỡnh dạng nhất định. Cỏc vi khuẩn khụng cú vỏch như dạng L của vi khuẩn và mycoplasma thỡ khụng cú hỡnh dạng nhứt định.
Cấu tạo húa học của vỏch tế bào vi khuẩn gồm hai chất dị cao phõn tử (heteropolymer) là glycụpeptit và nhúm pụlysaccarit. Hàm lượng của glycopeptit biến động trong khoảng 95% ở vỏch tế bào vi khuẩn gram dương và 5 - 20% ở vỏch vi khuẩn gram õm . Cỏc vi khuẩn trong nhúm ưa mặn khụng chứa glycụpeptit. Glycụpeptit cũn gọi là mucụpeptit, peptidụglycăn. (Hỡnh 5-6)
Nhúm pụlysaccarit đặc biệt của vỏch tế bào gram dương là acid tờchoic. Vi khuẩn gram õm khụng cú acid tờchic. (Hỡnh 5-6)
Vỏch tế bào gram õm phức tạp hơn, chứa ớt glycụpeptit hơn đồng thời cú sự hiện diện của lipid và prụtờin và được xếp thành nhiều lớp. Thớ dụ: Ở vi khuẩn Escherichia coli
(Hỡnh 5-7).
Về mặt cấu trỳc vật lý, vỏch của tế bào vi khuẩn được cấu tạo ở dạng sợi đan với nhau thành nhiểu lớp, rắn chắc nhưng cú nhiều lổ nhỏ cho phộp cỏc phõn tử vật chất nhỏ chui qua được. Nhờ đú cú sự trao đổi chất (nước, acid amin, glucụz, acid bộo và cả cỏc chất hửu cơ thớch nghi khỏc) với bờn ngoài.
c/ Màng nguyờn sinh chất : (plasmalemma)
Hỡnh 5-6: Sơ đồ cho thấy sự khỏc biệt trong cấu tạo vỏch của vi khuẩn gram dương (bờn trỏi) và vi khuẩn gram õm (bờn phải)
Hỡnh 5-7: Sơ đồ cấu tạo vỏch tế bào vi khuẩn gram õm (Escherichia coli)
membrane, plasma membrane, plasmalemma, cytoplasmic membrane). Màng nguyờn sinh chất dày 5 - 10nm và chiếm khoảng 10 - 15% trọng lượng tế bào. Màng này đảm nhiệm 4 chức năng:
- Duy trỡ ỏp suất thẩm thấu của tế bào .
- Đảm bảo việc chủ động tớch lũy cỏc chất dinh dưỡng trong tế bào và thải cỏc sản phẩm trao đổi chất ra ngoài tế bào.
- Là nơi xảy ra quỏ trỡnh sinh tổng hợp một số thành phần của tế bào, nhất là cỏc thành phần của vỏch tế bào và vỏ nhày.
- Là nơi chứa một số men và cơ quan con của tế bào (như ribụxụm).
Màng nguyờn sinh chất cú cấu tạo 3 lớp. Ngoài cựng và trong cựng là hai lớp prụtờin, ở giữa là lớp phospholipid . Lớp phospholipid lại gồm hai lớp phõn tử, một lớp cú gốc quay vào trong và một lớp cú gốc quay ra ngoài (Hỡnh 5-8).
Hỡnh 5-8: Sơ đồ mụ hỡnh cấu tạo màng nguyờn sinh chất của vi khuẩn theo 3 lớp.
Hỡnh 5-9: Mụ hỡnh cấu tạo của màng nguyờn sinh chất của vi khuẩn.
Tuy nhiờn màng nguyờn sinh chất khụng hoàn toàn đồng bộ như vậy mà cú những vựng chứa nhiều prụtờin hơn lại cú những vựng chứa nhiều lipid hơn (Hỡnh 5-9).
Núi chung, màng nguyờn sinh chất chứa khoảng 40 - 60% prụtờin, 15 - 40% lipid và 10 - 20% glucid.
3. Tế bào chất :
Tế bào chất là thành phần chớnh của tế bào vi khuẩn . Đú là một khối chất keo, bỏn lỏng, chứa 80 - 90% nước . Thành phần chủ yếu là chứa chất lipụprụtờin .
- Là nơi tạo ra cỏc phần tử ban đầu hoặc cỏc chất liệu kiến trỳc cần thiết cho quỏ trỡnh tổng hợp của tế bào .
- Là nguồn năng lượng của tế bào (thớ dụ: glucụz hoặc cỏc chất ụxyd húa khỏc) . - Chứa đựng cỏc chất bài tiết của tế bào để thải ra bờn ngoài .
Trong tế bào chất của vi khuẩn trưởng thành, người ta quan sỏt thấy nhiều cơ quan con khỏc nhau như mờzụxụm (mesosomes), ribụxụm (ribosomes), khụng bào, cỏc hạt chất dự trữ, cỏc hạt sắc tố và cỏc cấu trỳc của nhõn .
a/ Mờzụxụm :
Mờzụxụm (Mesosomes, Plasmalemmosomes, Chondriols, Peripheralbodies) là thể hỡnh cầu trụng giống cỏi bong búng, nằm ở gần vỏch ngăn ngang và chỉ xuất hiện khi vi khuẩn phõn cắt (Hỡnh 5-10).
Mờzụxụm cú đường kớnh khoảng 250nm, gồm nhiều lớp màng bện chặt lại với nhau .
Mờzụxụm giữ vai trũ quan trọng trong quỏ trỡnh phõn cắt tế bào vi khuẩn và hỡnh thành vỏch ngăn ngang .
Hỡnh 5-10: Hạt mờxụxụm xuất hiện ở vựng hỡnh thành vỏch ngăn phõn căch hai tế bào trong quỏ trỡnh phõn cắt tế bào.
b/ Ribụxụm:
Ribụxụm của vi khuẩn chứa 40 - 60% RNA và 35 - 60% prụtờin và một ớt lipid, một số men như ribụnuclờaz, ... và một ớt khoỏng chất (nhiều Mg và ớt Ca). Phần prụtờin
của ribụxụm làm thành một mạng lưới bao quanh phần RNA. Trong tế bào vi khuẩn phần lớn ribụxụm nằm tự do trong tế bào chất, phần ớt hơn bỏm trờn màng nguyờn sinh chất.
Ribụxụm trong vi khuẩn ở dưới dạng hạt gồm 2 tiểu thể cú kớch thước khỏc nhau ,tiểu thể lớn cú hằng số lắng là 50 S và hạt nhỏ là 30 S (1 S = 10-13 cm/giõy) . Mỗi tế bào vi khuẩn cú chứa nhiều hơn 1000 ribụxụm .
Ribụxụm là trung tõm tổng hợp prụtờin của tế bào . c/ Cỏc hạt khỏc:
- Cỏc hạt hydrat carbon: Cỏc hạt này chứa tinh bột hoặc glycụgen hoặc cỏc chất tương tự nằm trong tế bào chất như những chất dự trữ. Khi thiếu thức ăn vi khuẩn sẽ lấy cỏc hạt này làm nguồn năng lượng và nguồn thức ăn carbon .
- Hạt volutin: Trong một số vi khuẩn đặc biệt hoặc trong một số điều kiện đặc biệt tế bào chất vi khuẩn cú chứa cỏc hạt volutin. Đú là những hạt hỡnh cầu φ≈ 0,5à . Nú là một phức chất cấu tạo bởi pụlyphốtphat, lipụprụtờin, RNA và Mg++ .
- Giọt mỡ: Xuất hiện khi nuụi cấy vi khuẩn trờn cỏc mụi trường chứa nhiều đường, glycerin hoặc cỏc hợp chất carbon dễ đồng húa khỏc.
- Giọt lưu huỳnh: Một số vi khuẩn lưu huỳnh cú chứa thường xuyờn cỏc giọt lưu huỳnh trong tế bào, do kết quả oxyt húa H2S sinh ra. Giọt lưu huỳnh được dựng làm nguồn năng lượng khi đó sử dụng hết H2 S của mụi trường chung quanh .
H2S + 1/2 O2 → S + H2O + Q
2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + Q
- Cỏc tinh thể: Trong một vài vi khuẩn cú thể chứa thờm một tinh thể đặc biệt . Ở vi khuẩn Bacillus thuringiensis hoặc B. dendrolimus, ... cỏc tinh thể đặc biệt này cú khả năng giết hại một số cụn trựng phỏ hại mựa màng. Hiện nay, người ta sử dụng cỏc vi khuẩn này trong bảo vệ thực vật để chống lại một số sõu trong nụng nghiệp. Thớ dụ sản phẫm BT tức vi khuẩn B. thuringiensis cú khả năng giết sõu tơ trờn cải bắp .
4. Nhõn của vi khuẩn:
Vi sinh vật nhõn nguyờn khỏc với vi sinh vật nhõn thực ở điểm là khụng cú nhõn rừ ràng. Nhỡn qua kớnh hiển vi, trong một vài tỡnh trạng chỳng ta cú thể nhỡn thấy được vựng tập trung chất nhõn. Cũn trong cỏc tỡnh trạng khỏc chỳng ta khụng quan sỏt được. Để xỏc nhận vi khuẩn cú nhõn hay khụng phải dựng đến biện phỏp húa học nhuộm DNA của nhõn. Ngoài ra cũn dựng phương phỏp phõn tớch quang phổ (DNA hấp thu tia sỏng cú bước súng 260nm). Sau nhiều thực nghiệm, cỏc tỏc giả đều đồng ý là cú sự hiện diện của DNA trong tế bào chất của vi khuẩn, mà DNA là thành phần chớnh yếu của nhõn .
Ngày nay, mọi người đều thống nhất là vi khuẩn cú DNA là thành phần chớnh yếu của nhõn, tuy nhiờn khụng cú nhõn rừ rệt vỡ DNA hoặc phõn tỏn rói rỏc trong cỏc tế bào chất, hoặc tập trung lại thành vựng, nhưng khụng cú màng nhõn và tiểu hạch như ở tế bào nhõn thực. Vi khuẩn chỉ cú thể nhõn (nuclear body) hoặc vựng nhõn mà thụi.
Thể nhõn của vi khuẩn được xem như nhiễm sắc thể, cấu tạo bởi hai sợi DNA xoắn kộp, rất dài theo mụ hỡnh do Watson và Crick đề xuất. Ở vi khuẩn Escherichia coli, sợi DNA dài 1,2mm, rộng 2mm mà ngày nay người ta đó dựng tia phúng xạ chụp hỡnh rất rừ ràng (Hỡnh 5-11).
Nhiễm sắc thể của vi khuẩn đảm nhiệm mọi chức năng như nhõn của vi sinh vật nhõn thực .
Hỡnh 5-11: Hỡnh chụp qua tia phúng xạ sợi DNA của vi khuẩn E. coli K12 Hfr (Sợi dưới là ảnh chụp, vũng trờn, đậm, là hỡnh vẽ lại) cho thấy sợi DNA đang trong quỏ trinh tỏch hai (phần A và C)
5. Roi (hay roi) và sợi pili: (flagellum (flagella, số nhiều) và pilus (pili, số nhiều)) Vi khuẩn cú thể cú roi hoặc khụng cú tựy từng chi. Nhiệm vụ chớnh của roi là giỳp vi khuẩn di động một cỏch chủ động .
αααα) Vị trớ của roi trờn vi khuẩn:
- Khụng cú roi: vi khuẩn vụ mao (atrichate), khụng di động một cỏch chủ động được.
- Roi mọc ở đỉnh :
+ Một roi mọc ở một đỉnh (đơn mao: monotrichate), thớ dụ vi khuẩn
+ Cú thể là một chựm roi mọc ở đỉnh (lophotrichate). Thớ dụ: Vi khuẩn
Pseudomonas solanacearum.
+ Mỗi đỉnh cú một chựm roi (amphitrichate). Thớ dụ : vi khuẩn Spirillum volutans .
- Roi mọc chung quanh (chu mao = peritrichate), roi mọc chung quanh vi khuẩn. Thớ dụ: chi Erwinia .
ββββ) Cấu tạo của roi:
Nhờ kớnh hiển vi điện tử chỳng ta cú thể quan sỏt được cấu tạo của cỏc roi của vi khuẩn. Roi phỏt xuất từ lớp ngoại nguyờn sinh chất, phớa bờn trong màng nguyờn sinh chất (Hỡnh 5-12).
Hỡnh 5-12: Aớnh chụp qua kớnh hiển vi điện tử (trờn) và sơ đồ (dưới) nơi roi đớnh vào tế bào vi khuẩn của hai nhúm vi khuẩn gram õm (trỏi) và gram dương (phài)ỡ.
Ở gốc của roi cú hai hạt gốc cú đường kớnh 40nm. Kế đú là cỏc múc để roi đớnh vào tế bào vi khuẩn, đường kớnh của múc hơi lớn hơn đường kớnh của roi. Quan sỏt trờn một số vi khuẩn, như ở xoắn khuẩn (Spirillum), roi do nhiều sợi nhỏ xoắn lại với nhau (17 - 20 sợi nhỏ) .
Muốn quan sỏt roi dưới kớnh hiển vi thường chỳng ta phải nhuộm màu, bằng cỏch dựng alcaloid (tannin) để đắp lờn roi làm cho roi roi to ra, cú thể thấy được dưới kớnh hiển vi .
Tốc độ và kiểu di động của vi khuẩn khụng giống nhau tựy loài và tựy vị trớ của roi. Cỏc loài vi khuẩn cú roi ở một đầu cú tốc độ di chuyển mạnh mẽ nhất ( # 60 - 200à/giõy). Nhỡn chung cỏc loài vi khuẩn khỏc di chuyển chậm hơn khoảng 2 - 10à / giõy. Vi khuẩn cú roi ở một đầu di động theo một hướng rừ rệt, nhưng vi khuẩn roi chu