I. Đặc điểm hình thái, sinh lý và ứng dụng của vi khuẩn trong công nghiệp 1 Đặc điểm hình thá
b. Nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn.
Nguyên sinh chất là bộ phận chính, chủ yếu của tế bào, nằm phía trong màng nguyên sinh chất,
là nơi thực hiện mọi quá trình tổng hợp và phân giải các chất của tếbào trên cơ sởđó tế bào phát triển và đổi mới.
Thành phần hóa học của nguyên sinh chất gồm 90% nước còn lại là protein.
ở tế bào trẻ, nguyên sinh chất là đồng nhất quang học. ở tế bào già nó mất tính đồng nhất do việc hình thành một sốbào quan như không bào và một số thể vùi dự trữ.
+ Riboxom là trung tâm tổng hợp protein cho tế bào. Riboxom có hai nửa cấu tạo. Khi tổng hợp protein, các riboxom tập hợp thành một vùng gọi là polyxom. Thành phần hóa học chính của riboxom là protein và axit nucleic.
+ Mezoxom là những tiểu thể hình cầu, nằm ở gần vách ngăn ngang của tế bào, vai trò chính là giúp tế bào trong quá trình phân chia.
+ Không bào (vacuola) có cấu trúc hình cầu hoặc hình bầu dục, chỉ xuất hiện ở những tế bào già. Trong không bào chứa nhiều nước và một số chất vô cơ hòa tan. Vai trò của nó là điều chỉnh áp suất thẩm thấu của tế bào.
+ Sắc thể là những cấu trúc hình hạt có chứa khuẩn lục tố. Vai trò của sắc thể là chuyển quang
năng thành hóa năng giống như lục lạp ở thực vật.
+ Các loại thể vùi dự trữ: là nơi chứa các chất dự trữ cho tếbào, được hình thành khi tế bào tổng hợp thừa một số chất hoặc trong môi trường rất giàu thức ăn. Nó được đưa ra sử dụng khi môi
trường cạn thức ăn. Thể vùi có các dạng:
- Hạt volutin (hay còn gọi metacromatin - dị nhiễm sắc) bắt màu không đồng đều với màu của tế
bào chất. Vì trong thành phần của nó chủ yếu là ARN và photpho nên khi nhuộm xanh metylen cho màu tím. Hạt này hình thành khi tế bào rơi vào môi trường giàu nitơ, photpho. Chúng có
nhiều trong vi khuẩn Spirillium volutans.
+ Hạt glycogen và granuloza là dạng dự trữgluxit, thường được hình thành trong môi trường có nhiều đường.Khi nhuộm iôt glycogen cho màu nâu sẫm còn granuloza cho màu xanh thẫm. Những hạt này là nguồn cung cấp cacbon và năng lượng cho cơ thể.
+ Hạt lipit là nơi dự trữ chất béo. Chúng tồn tại trong tế bào chất dưới dạng những giọt mỡ trung tính.
+ Thểvùi vô cơ bao gồm:
- Hạt lưu huỳnh S là sản phẩm của quá trình oxy hóa sunfua hidro: H2S + O2 = S + H2O + E
và được sử dụng như một dạng dự trữlưu huỳnh.
- Ngoài ra còn có những tinh thể muối canxicacbonat và canxioxalat.
+ Nhân của tế bào: Tế bào vi khuẩn có nhân nhưng tồn tại ở dạng nguyên thủy nhất. Đó là một sợi ADN mạch vòng và nằm phân tán đều trong tế bào chất, chưa hình thành một loại hạt cụ thể nào. Đa số vi khuẩn có nhân theo kiểu này, nhưng ở một số ít vi khuẩn, người ta thấy phân tử
ADN này nằm tập trung tại một vùng nhất định trong tế bào chất, tạo nên vùng nhân - như vậy bắt đầu có dấu hiệu nhân phân hóa khá rõ rệt. Loại này chỉở niêm vi khuẩn (vi khuẩn nhầy) mới có.
Vai trò của nhân là truyền tín hiệu di truyền và kiểm soát quá trình tổng hợp protein.
2. Đặc điểm sinh lý
Dinh dưỡng: Đa số sống hoại sinh hoặc ký sinh, một số có khảnăng tựdưỡng ni tơ như vi khuẩn nốt sần sống cộng sinh ở rễ cây bộđậu.
Hô hấp: Các vi khuẩn hô hấp hiếu khí hay kỵ khí hoặc tùy tiện phụ thuộc vào đặc tính loài. Sinh sản:
a. Hình thức sinh sản của vi khuẩn phổ biến nhất là sinh sản vô tính bằng cách phân cắt ngang tế
bào với sự tạo thành vách ngăn. b. Các giai đoạn:
Giai đoạn 1: - là giai đoạn chuẩn bị. Tế bào phát triển nhanh về chất, kích thước lớn lên rõ rệt, hoàn chỉnh các bộ phận bên trong, tập trung các chất dự trữ cần thiết cho việc hình thành bộ máy hạt nhân và các cấu trúc cho tếbào con ra đời.
Giai đoạn 2: - là giai đoạn hình thành màng ngăn. Ở giữa tế bào, sát màng tế bào mọc lên hai mấu, đánh dấu vị trí mà tế bào sẽphân đôi, từ hai mấu này phát triển, tiến dần vào nguyên sinh chất tạo màng ngăn. Hai màng ngăn cứ tiến dần vào nhau, cùng lúc đó các cơ sở vật chất được
tách đôi. Quá trình này kết thúc khi hai màng ngăn tiến sát vào nhau tạo hai tếbào con đứng độc lập (hai màng vẫn dính vào nhau).
Giai đoạn 3: Từ tế bào mẹ hình thành hai tếbào con độc lập. Sự phân chia này xảy ra ở giữa tế
bào.
- Phân chia đẳng hình cho hai tế bào con giống hệt nhau
- Phân chia dị hình (sự phân chia lệch về một phía) cho hai tế bào con không bằng nhau.
Các nhóm vi khuẩn khác nhau thì khảnăng phân tách tế bào có thể xảy ra theo nhiều hướng khác nhau.
- Cầu khuẩn phân tách theo 1, 2 hoặc 3 mặt phẳng trực giao cho 2, 4 hoặc 8 tế bào con. - Trực khuẩn, xoắn chỉ có hình thức cắt ngang tế bào.
Hình thức sinh sản hữu tính nguyên thủy của tế bào có thể xảy ra nhưng rất hiếm hoi. Hai tế bào kết hợp với nhau tạo thành kết hợp tử và tạo ra hai tếbào con theo cách phân đôi. Hình thức này
đôi khi xảy ra với hai bộ phận trong một tế bào làm cho tế bào có sức sống mạnh hơn, nhưng
không phổ biến.
c. Tốc độ sinh sản trung bình của tế bào là sau 20 30 phút tế bào phân cắt một lần. Với những vi khuẩn chịu nhiệt, thời gian ngắn hơn 5 10 phút một lần còn vi khuẩn chịu lạnh (như vi khuẩn lao) thì 10 18 giờ.
d. Ý nghĩa của quá trình sinh sản:
- Duy trì nòi giống giúp vi khuẩn thoát khỏi diệt vong. - Giải thích tại sao quá trình vi sinh xảy ra nhanh chóng.
Khảnăng tạo bào tử: Một số loài vi khuẩn trong điều kiện sống bất lợi có khảnăng tạo bào tử. Khi bào tửđã già rất khó bắt màu thuốc nhuộm.
+ Bào tử là những dạng hình cầu hoặc hình bầu dục được hình thành bên trong tế bào ở những
điều kiện đặc biệt, có hình thái, cấu trúc khác hẳn tế bào bình thường. Trong ngành vi khuẩn chỉ
khoảng 1/3 số vi khuẩn trong tự nhiên có khảnăng tạo bào tử khi gặp điều kiện khó khăn. ; đa số
nằm trong nhóm trực khuẩn thuộc họ Bacillaceae, hai giống chính là Bacillus và Clostridium. Trong cầu khuẩn chỉ Sarsina urea có bào tử. Trong xoắn khuẩn chỉ Spirillium và volutans desunfovibrio (loại phẩy khuẩn phản sunfat hóa) có bào tử.
+ Quá trình hình thành bào tử bắt đầu từ sự tập trung, cô đặc tế bào chất và chất nhân ở một vùng nhất định trong tế bào gọi là vùng bào tử. Lượng nước tự do giảm dần, hàm lượng nước liên kết
tăng lên. Bên ngoài vùng bào tử hình thành một lớp vỏ rất dày bằng lipit rất khó thấm nước và chất hòa tan từ ngoài vào, làm cho các quá trình sinh hóa giảm xuống mức tối thiểu và tếbào đó
biến thành bào tử. Như vậy, bào tử là một tếbào đặc biệt mà ởđó cường độtrao đổi chất là cực tiểu (minimum). Quá trình này chỉ xảy ra trong những điều kiện môi trường khó khăn: thường là nhiệt độ cao. Thời gian có thể từ4 đến 5 giờ hoặc kéo dài vài chục giờ.
+ Cấu trúc của bào tử:
- Ở bên ngoài là ngoại mạc cấu tạo từ lipit không thấm nước và các chất hòa tan. - Vỏ trong - nội mạc chủ yếu là protein, có vai trò khi bào tử trở thành tế bào. + Thành phần hóa học:
- Hàm lượng nước: Trong bào tử không có nước tự do mà chỉcó nước liên kết nên nó có khả năng chịu nhiệt cao hơn tế bào bình thường vì nước liên kết không làm biến tính protein dưới tác dụng của nhiệt độ cao.
- Muối canxidipicolinat có tác dụng giữ cho bào tử có tính ổn định nhiệt cao.
+ Đặc tính của bào tử:
- Bào tử vi khuẩn có thể chịu nhiệt rất cao. Khảnăng này của từng loài cũng rất khác nhau. Ví dụ: bào tử của Bacillus cereus chịu được 100OC từ 2 đến 5 phút, bào tử của Bacillus subtillis chịu được 100OC trpng 180 phút, còn bào tử của Bacillus megaterium ở 100OC chịu được 360 phút. Bào tử của tất cả vi khuẩn thuộc họ Clostridium chịu được 180OC trong 110 phút. Do vậy phải vô trùng bằng sức nóng khô ở nhiệt độ 160 - 150OC trong 1 - 1, 5 giờ.
- Bào tử rất bền đối với chất phóng xạvà độc tố do có ngoại mạc bảo vệ. - Khảnăng chịu khô cạn của bào tử cũng rất cao
+ Ý nghĩa của việc hình thành bào tử:
- Đây chính là hình thức tự vệ giúp vi khuẩn chống chọi lại những điều kiện khắc nghiệt.
- Việc hình thành bào tử có thể coi là quá trình tiếp xúc, kết hợp giữa các bộ phận khác nhau của tế bào tạo nên một tế bào mới có sức sống mãnh liệt hơn tế bào cũ.
Khảnăng chuyển động: Đa số vi khuẩn có khảnăng di động và di động một cách chủđộng bằng
cơ quan di động riêng biệt gọi là tiên mao. Một số khác di động bằng cách uốn vặn vòng vòng xoắn hoặc co bóp, phồng dẹt tế bào. Một sốít di động một cách bịđộng nhờ những tác động hỗn loạn trong tự nhiên.
Người ta chia nhóm di động chủđộng bằng tiên mao ra các nhóm:
+ Nhóm đơn mao khuẩn (monotricha) là những vi khuẩn chỉ có một tiên mao ởđầu tế bào. Ví dụ
Anphitricha có hai tiên mao ởhai đầu tế bào
+Nhóm chùm mao khuẩn (lophotricha) có một chùm tiên mao ở đầu tế bào. Ví dụ Spirillium volutans có hai chùm tiên mao ởhai đầu
+ Nhóm chu mao khuẩn (peritricha) gồm những vi khuẩn có các tiên mao bố trí xung quanh toàn bộ tế bào. Ví dụ vi khuẩn đường ruột Bacterium coli hay Clostridium.
Cấu tạo của tiên mao: Về bản chất, tiên mao là những sợi nguyên sinh chất kéo dài ra, kích thước mỏng 0,01 0,05 ; dài 6 10 , có trường hợp dài gấp 20 lần kích thước tế bào. Sự bố trí tiên mao trên tế bào vi khuẩn ảnh hưởng lớn đến đến tốc độvà hướng di động của vi khuẩn.
- Loại một tiên mao di động nhanh, hướng thẳng với vận tốc 20/s, thậm chí có loài tới 200/s. - Loại chùm mao khuẩn di động chậm hơn và loại chu mao khuẩn còn chậm hơn nữa và không
có hướng rõ rệt.
Chức năng của tiên mao:
Đây là cơ quan giúp cho vi khuẩn tìm kiếm môi trường mới thích hợp - đó là nhu cầu sinh lý phổ
biến. Một số vi khuẩn có tiên mao nhưng trong môi trường cũ hoặc về già tiên mao rụng đi như
Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, nhờ thế làm phát triển bộ máy tiếp xúc của tế bào vi khuẩn với môi trường bên ngoài và do đó tạo điều kiện cho quá trình trao đổi chất (bộ máy càng lớn việc hấp thụ chất dinh dưỡng và thải các chất càng dễ dàng).
3. Vai trò và ứng dụng của vi khuẩn
- Tham gia vào quá trình chuyển hóa các chất trong tự nhiên, vô cơ hóa các chất cặn bã, xử lý ô nhiễm, bảo vệmôi trường sinh thái.
- Sản xuất các axit hữu cơ và dung môi hữu cơ.
- Sản xuất năng lượng sinh học (khí thắp, nhiên liệu sinh học - "xăng xanh").
- Sản xuất các chất có hoạt tính sinh học cao