CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VI SINH VẬT MH09-01 Giới thiệu: Đối tượng của vi sinh vật học học đại cương là vi khuẩn, virus, nấm men, nấm mốc tảo và protozoa. Vi sinh vật phân bố rộng rãi trong tự nhiên và ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của con người và mọi sinh vật khác. Là môn học đại cương nên người học cần nắm vững đặc điểm hình thái, cấu tạo, tính chất lý hóa của mỗi đối tượng đồng thời nghiên cứu phương pháp để phát triển vi sinh vật có lợi phát triển và tìm cách để ức chế, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật có hại trong cuộc sống. Lịch sử nghiên cứu về vi sinh vật được thể hiện qua 4 giai đoạn: trước khi phát minh ra kính hiển vi, kính hiển vi ra đời, Pasteur với các thực nghiệm, giai đoạn sau Pasteur và sinh học hiện đại.
Ngày nay con người đã có thể có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về vi sinh vật nhờ sự phát triển của sinh học phân tử và các kỹ thuật di truyền hiện đại. Mục tiêu: - Kiến thức: Khái quát về quá trình phát sinh và phát triển của ngành vi sinh vật, những thành tựu và những triển vọng của ngành vi sinh vật đối với đời sống và sản xuất - Kỹ năng: Thành thạo về các kỹ thuật vi sinh cơ bản. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Phát triển ý thức trung thực, khách quan trong nghiên cứu và ứng dụng vi sinh vật vào thực tế của ngành nghề. Vi sinh vật và vi sinh vật học Vi sinh học (microbiology) là ngành khoa học nghiên cứu về: - Cấu tạo và đời sống của vi sinh vật - Đa dạng sinh học và sự tiến hóa của vi sinh vật - Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên, trong đời sống của động vật, thực vật và con người Vi sinh vật (microorganism) là những sinh vật có kích thước rất nhỏ phải dùng kính hiển vi mới quan sát được.
vi sinh vật được đo bằng micromet (µm) hoặc bằng nanomet (nm) - Vi sinh vật thường là đơn bào hoặc đa bào 4 - Cấu trúc đơn giản và kém phân hóa - Vi sinh vật có khả năng sống, phát triển và sinh sản độc lập trong tự nhiên Trong hệ thống phân loại tổng quát vi sinh vật được chia thành các nhóm: Vi khuẩn Nấm Nguyên sinh Hình 1.1: Thế giới vi sinh vật - Vi khuẩn, xạ khuẩn, tảo lam - Nấm - Mycoplasma, Ritketxia, Clamydia - Tảo - Protozoa Các môn học chuyên sâu thuộc ngành vi sinh vật học: virus học, vi khuẩn học, nấm học, tảo học, ký sinh trùng học. Chuyên ngành nghiên cứu những tính chất riêng biệt của vi sinh vật: tế bào học, phân loại học, sinh lý học, sinh hóa học, di truyền học. Chuyên ngành ứng dụng vi sinh vật: vi sinh học y học, vi sinh học công nghiệp, vi sinh học thực phẩm, vi sinh học thú y, vi sinh học đất, vi sinh học nước, vi sinh học không khí, bệnh lý thực vật… 2. Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên và trong đời sống con người 2.
Trong nông nghiệp Vi sinh vật sống trong đất và trong nước có vai trò phân giải chất hữu cơ tạo thành CO2 và các hơp chất vô cơ; có khả năng cố định Nitơ tổng hợp thành các hợp chất N cung cấp cho cây; Phân giải các hợp chất khó tan chứa P,K,S và tạo ra các vòng tuần hoàn trong tự nhiên. Vi sinh vật tham gia tích cực trong qúa trình hình thành mùn. Vi sinh vật còn là nguồn thức ăn tự nhiên quan trọng trong thuỷ vực. 5 - Vi sinh vật là thành phần chủ yếu của các chế phẩm sinh học dùng trong việc quản lý môi trường nuôi thuỷ sản.
- Một số nhóm vi khuẩn có tác dụng rất lớn trong các hệ thống lọc sinh học. Trong công nghệ thực phẩm: Vi sinh vật là lực lượng sản xuất trực tiếp của công nghiệp lên men. Vi sinh vật sinh ra rất nhiều sản phẩm trao đổi chất khác nhau trong số đó có nhiều sản phẩm đa được sản xuất lớn ở qui mô công nghiệp như men bánh mì, rượu etilic, riboflavin, vitamin B2, penixilin, streptomixin, oxytetracilin. Trong y học: Trích một số chất dùng làm thuốc chữa bệnh: Thuốc kháng sinh, khoảng 80% thuốc kháng sing dùng trong điều trị bệnh hiện nay được chiết xuất từ vi sinh vật; con người cũng chiết xuất từ vi sinh vật các loại vitamin, điều chế vacxin sử dụng trong phòng và trị bệnh trên người và động vật.
Sinh khối vi sinh vật cũng được sử dụng rất nhiều trong y học làm nguồn thục phẩm hay dùng hỗ trợ điều trị. Trong các nguồn năng lượng: Trong các nguồn năng lượng mà con người có thể khai thác mạnh mẽ trong tương lai có năng lượng thu từ khối lượng chất sống của vi sinh vật. Vi sinh vật là động lực để vận hành các bể sinh khí sinh học. Vi sinh vật có vai trò quan trọng trong việc phân giải các phế thải nông nghiệp, phế thải đô thị, phế thải công nghiệp chúng đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc bảo vệ môi trường.
Trong bệnh học: Vi sinh vật gây bệnh cho động vật, thực vật; một số gây ô nhiễm môi trường; Vi sinh vật gây hư hao, biến chất lương thực thực phẩm và sản sinh ra độc tố gây ngộ độc thực phẩm. Lịch sử phát triển ngành vi sinh vật học 3. Giai đoạn phát hiện vi sinh vật Người đầu tiên phát hiện vi sinh vật và miêu tả hình thái vi sinh vật là Antonie Van Leeuwenhook (Hà Lan, 1632-1723 ). - Chế tạo ra > 400 Khv, phóng đại 270-300 lần.
- Xuất bản quyển sách << Những bí ẩn của giới tự nhiên 1695 >> Carl Linne, nhà phân loại học (1707 – 1778). Trong quyển <<Hệ thống tự nhiên>> Linne cho rằng vi sinh vật thuộc một chi (Genus) gọi là CHAOS = hỗn loạn. 6 Cuối thế kỷ 18: phát triển nhiều nhà bác học nghiên cứu về vi sinh vật liên hệ đến con người. Giai đoạn vi sinh học thực nghiệm với Louis Pasteur Louis Pasteur (Pháp, 1822 – 1895) khai sinh ngành thực nghiệm, chứng minh vi sinh vật không thể tự sinh, ngẫu sinh.2: Thí nghiệm của Louis Partuer chứng minh vi sinh vật không phải tự sinh ra - Có công lớn về thực nghiệm trong các lĩnh vực: - Chứng minh sự có mặt vi sinh vật trong không khí - Các biện pháp vô trùng trong y học và công nghệ thực phẩm - Chứng minh bệnh than ở cừu do vi sinh vật và lan truyền.
- Chứng minh bệnh dịch trên tằm do vi sinh vật và lan truyền. - Tìm ra vaccin phòng bệnh than, vaccin phòng bệnh THT ở gà và vaccin ngừa bệnh chó dại 7 3. Giai đoạn sau Pasteur và vi sinh học hiện đại Robert koch (Đức, 1843–1910): phát triển phương pháp nghiên cứu vi sinh vật: - Qui tắc Koch : chứng minh vi sinh vật là tác nhân gây bệnh truyền nhiễm.3: Nguyên tắc về tác nhân gây bệnh của R. Koch đưa ra 4 nguyên tắc về tác nhân gây bệnh mà cho đến ngày nay vẫn còn được áp dụng là nguyên tắc chuẩn để chứng minh khả năng gây bệnh đặc trưng của một loài vi sinh vật nào đó.
Các nguyên tắc đó là: 1. Tác nhân gây bệnh phải luôn được tìm thấy trên sinh vật bị nhiễm bệnh nhưng không có ở sinh vật khỏe 2. Tác nhân gây bệnh phải được nuôi trong điều kiện thực nghiệm bên ngoài cơ thể sinh vật 3. Tác nhân gây bệnh phải có khả năng gây bệnh khi gây nhiễm vào con vật mẫn cảm 8 4.
Tác nhân gây bệnh phải được xác định từ kết quả tái phân lập. Các nguyên tắc này là cơ sở khoa học cho việc phòng và trị các bệnh truyền nhiễm có ý nghĩa quan trọng về mặt lâm sàng nhất là trong y học và thú y. - Công bố khám phá ra vi trùng lao - Dùng kỹ thuật nuôi vi khuẩn trên môi trường đặc 1887 Richard Petri (1852-1921) : - Phát minh ra đĩa petri. - Đưa ra sản phẩm nhuộm màu vi sinh vật Martinus Beijerinck (Hà Lan, 1851-1931) - Tìm ra phương pháp tăng sinh bằng môi trường chọn lọc - Phân lập nhiều loại vi sinh vật trong đất và nước, trong đó có vi khuẩn cố định đạm hiếu khí (Azotobacter, 1901), vi khuẩn nốt sần Rhizobium (1888), vi khuẩn phân giải pectin và nhiều nhóm vi khuẩn khác.
- Vi khuẩn lưu huỳnh 1887. - Vi khuẩn Nitrat hoá 1890. IvanovsKii (1864-1920) nhà sinh lý thực vật Nga và M.Beijerinck - Phát hiện ra bệnh khảm trên cây thuốc lá. Bác sĩ người Anh Alexander Fleminh (1881-1955) - Phát hiện ra chất kháng sinh - 1928 tách được chủng nấm sinh chất kháng sinh.
Eduerd Buchner (1860-1917), 1897 chứng minh vai trò của enzim trong quá trình lên men rượu Hiện nay còn nhiều nhà bác học nghiên cứu sâu về : - Công nghệ enzim mũi nhọn của công nghệ sinh học. - Bản chất sự sống của vi sinh vật ở mức phân tử và dưới phân tử - Kỹ thuật cấy mô và tháo lắp gen ở vi sinh vật. 9 - Ứng dụng kỹ thuật vi sinh vật để điều trị bệnh ở người, gia súc, cây trồng và bảo vệ môi trường. Đặc điểm chung của vi sinh vật 4.
Kích thước nhỏ bé: Vi sinh vật thường được đo kích thước bằng đơn vị micromet (1mm= 1/1000mm hay 1/1000 000m). virus được đo kích thước đơn vị bằng nanomet (1nn=1/1000 000mm hay 1/1000 000 000m). Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong 1 đơn vị thể tích càng lớn. Chẳng hạn đường kính của 1 cầu khuẩn (Coccus) chỉ có 1mm, nhưng nếu xếp đầy chúng thành 1 khối lập nhưng có thể lích là 1cm3 thì chúng có diện tích bề mặt rộng tới .4: Ba dạng chủ yếu ở vi khuẩn: trực khuẩn, cầu khuẩn và xoắn khuẩn.
Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thu và chuyển hoá vượt xa các sinh vật khác. Chẳng hạn 1 vi khuẩn lắctic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100-10 000 lần so với khối lượng của chúng. tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1000 lần so với đậu tương và gấp 100 000 lần so với trâu bò.5: Lactobacillus qua KHV điện tử 4. Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh Chẳng hạn, 1 trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) trong các điều kiện thích hợp chỉ sau 12-20 phút lại phân cắt một lần.
Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 làn, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4 722 366 500 000 000 000 000 000 tế bào (4 722 366. 1017), tương đương với 1 khối lượng .