MỞ ĐẦU Mục tiêu Nắm được một cách tổng quát về khái niệm, đặc điểm, nội dung, lịch sử nghiên cứu và vai trò của vi sinh vật học môi trường. Hiểu được sự phân bố và vai trò của vi sinh vật trong các môi trường đất, nước, không khí… Biết được những định hướng nghiên cứu VSV môi trường hiện nay ở Việt Nam. Vận dụng được kiến thức về vi sinh vật học môi trường vào thực tiễn cuộc sống, góp phần bảo vệ và phát triển môi trường bền vững. ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 0.
Khái niệm chung Vi sinh vật (Microorganisms) là tên gọi chung của những sinh vật có kích thước nhỏ bé mà mắt thường không nhìn thấy được, chỉ có thể quan sát chúng bằng kính hiển vi. Vi sinh vật (VSV) gồm rất nhiều nhóm khác nhau: virus và các thực thể dưới virus, vi khuẩn, cổ khuẩn, vi nấm, protozoa, vi tảo. Môi trường là hệ thống các yếu tố vật chất tự nhiên và nhân tạo có tác động đến sự tồn tại và phát triển của con người và sinh vật (Điều 3, Luật Bảo vệ Môi trường, 2014). Theo Luật Bảo vệ Môi trường của Việt Nam, 2014: "Ô nhiễm môi trường là sự biến đổi của các thành phần môi trường không phù hợp với quy chuẩn kỹ thuật môi trường và tiêu chuẩn môi trường gây ảnh hưởng xấu đến con người và sinh vật".
Trên thế giới, ô nhiễm môi trường được hiểu là việc chuyển các chất thải hoặc năng lượng vào môi trường đến mức có khả năng gây hại đến sức khỏe con người, đến sự phát triển sinh vật hoặc làm suy giảm chất lượng môi trường. Các tác nhân gây ô nhiễm bao gồm các chất thải ở dạng khí (khí thải), lỏng (nước thải), rắn (chất thải rắn) chứa hóa chất hoặc tác nhân vật lý, sinh học và các dạng năng lượng như nhiệt độ, bức xạ. Tuy nhiên, môi trường chỉ được coi là bị ô nhiễm nếu trong đó hàm lượng, nồng độ hoặc cường độ các tác nhân trên đạt đến mức có khả năng tác động xấu đến con người, sinh vật và vật liệu. Bảo vệ môi trường là những hoạt động giữ cho môi trường trong lành, sạch đẹp, cải thiện môi trường, đảm bảo cân bằng sinh thái, ngăn chặn, khắc phục các hậu quả xấu do con người và thiên nhiên gây ra cho môi trường, khai thác, sử dụng hợp lý và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên.
"Hoạt động bảo vệ môi trường là hoạt động giữ gìn, phòng ngừa, 15 hạn chế các tác động xấu đến môi trường; ứng phó sự cố môi trường; khắc phục ô nhiễm, suy thoái; cải thiện, phục hồi môi trường; khai thác, sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên nhằm giữ môi trường trong lành". Vi sinh vật học môi trường (Environmental microbiology) là một môn khoa học nghiên cứu về những hoạt động sinh lý của VSV có ảnh hưởng đến chất lượng của môi trường, tìm hiểu các quy luật phát triển của VSV trong môi trường để có những biện pháp ngăn ngừa tác động tiêu cực và phát huy tác động tích cực của chúng trong quá trình bảo vệ và phát triển môi trường bền vững. Vi sinh vật học môi trường nghiên cứu về vi sinh vật trong tất cả các loại môi trường sống (đất, nước, không khí và môi trường cực trị…) và sự tác động có lợi cũng như có hại của chúng đến sức khỏe và phúc lợi của con người. Vi sinh vật học môi trường có mối liên hệ mật thiết với các môn khoa học khác (hình 0.
Xử lý sinh học Vi sinh vật các chất thải công nghiệp độc hại Vi sinh vật An toàn môi trường đất thực phẩm Vi sinh vật Quản lý môi trường sức khỏe/bệnh không khí nghề nghiệp Vi sinh vật Vi sinh vật môi trường chẩn đoán nước Chất lượng Công nghệ nước sinh học Hình 0. Mối quan hệ giữa vi sinh vật học môi trường với các ngành khoa học khác. (Pepper et al. Phục hồi sinh học (Bioremediation) – đây là quá trình làm sạch nhờ sử dụng các hệ thống sinh học (chủ yếu là các VSV) đưa môi trường trở lại trạng thái ban đầu hoặc chí ít là làm cho nó ít độc hại hơn hoặc giảm nồng độ độc hại đến mức an toàn.
Đối với vi sinh vật môi trường, xử lý sinh học liên quan đến việc tăng cường và tối ưu hóa quá trình phân hủy bằng vi sinh vật các chất gây ô nhiễm để mang lại môi trường trong sạch và giảm tác động tiêu cực đến sức khỏe con người. Nội dung môn học vi sinh vật học môi trường Tìm hiểu các quy luật về sự phát sinh, phát triển và tiến hóa của VSV, về hình thái, cấu tạo, sinh lý, sinh hóa, di truyền của các nhóm VSV thường gặp trong môi trường tự nhiên. Nghiên cứu vai trò to lớn về nhiều mặt của các nhóm VSV trong tự nhiên, trên cơ sở tìm kiếm các giải pháp, biện pháp, các phương pháp nhằm khai thác một cách đầy đủ nhất những tác động tích cực của VSV và ngăn chặn một cách hiệu quả nhất các tác động có hại của chúng. Nắm được nguyên lý cơ bản của công nghệ vi sinh, bản chất của từng chế phẩm vi sinh vật, quy trình công nghệ, hiệu quả tác dụng và cách sử dụng từng loại chế phẩm vi sinh vật dùng trong xử lý chất thải, phế thải chống ô nhiễm môi trường.
Định hướng trong nghiên cứu về các lĩnh vực của công nghệ vi sinh để tạo ra nhiều loại chế phẩm vi sinh vật hữu ích ứng dụng vào công tác bảo vệ, cải tạo và phát triển môi trường bền vững. Yêu cầu môn học vi sinh vật học môi trường Sau khi học xong môn học này, người học phải hình thành được các năng lực cơ bản sau: 0. Về kiến thức Sau khi nghiên cứu học phần này, sinh viên có thể hiểu được thực trạng, những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, cơ sở khoa học và các biện pháp vi sinh vật góp phần bảo vệ và phát triển môi trường bền vững hiện nay. Về kỹ năng Trang bị cho sinh viên cơ sở lý luận và thực tiễn về phương pháp nghiên cứu, phân lập, nuôi cấy, định loại các vi sinh vật sống trong môi trường đất, nước, không khí, vật phẩm và môi trường cực trị.
Rèn luyện kỹ năng tư duy tổng hợp, biết lựa chọn, vận dụng những nội dung thích hợp vào bảo vệ và phát triển môi trường bền vững cũng như thực tiễn sản xuất, đời sống. Về thái độ Yêu thích môn vi sinh vật học môi trường với mong muốn khám phá những đặc tính còn tiềm ẩn của thế giới vi sinh vật kỳ diệu ảnh hưởng đến môi trường sống. Có năng lực tự học, tự nghiên cứu để nâng cao hiểu biết của bản thân về lĩnh vực VSV học môi trường và ứng dụng VSV vào bảo vệ và phát triển môi trường bền vững. LỊCH SỬ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 0.
Lịch sử nghiên cứu Lịch sử phát triển của ngành vi sinh vật học môi trường có thể chia thành bốn giai đoạn: 0. Giai đoạn trước Pasteur (1865) Các quá trình chuyển hóa các chất trong tự nhiên đã được con người biết đến từ lâu, nhưng ban đầu chủ yếu là những ứng dụng ngẫu nhiên, theo kinh nghiệm. Về sau, Antonie van Leeuwenhoek (1632 1723) đã sử dụng những chiếc kính hiển vi thủ công tự tay làm và trở thành người đầu tiên quan sát thấy các “animalcules” (những động vật nhỏ bé), ngày nay được gọi là "Vi sinh vật". Từ xa xưa, con người đã biết ứng dụng một số quá trình lên men phân giải cơ chất vào đời sống: làm mắm, làm tương, muối chua rau quả, ủ phân… Cuối giai đoạn này, con người đã biết ứng dụng lên men hiếu khí để ủ phân bón, sản xuất giấm, từ đó đã phát triển một bước lớn trong lĩnh vực nuôi cấy vi sinh vật và vệ sinh môi trường.
Ở giai đoạn này, con người khai thác, lợi dụng tài nguyên thiên nhiên không hợp lý làm xấu hóa chất lượng môi trường. Giai đoạn từ 1865 1940 Những đóng góp chính cho sự phát triển của giai đoạn này tập trung nhất vào các công trình của nhà bác học người Pháp Louis Pasteur (1822 1895). Đồng thời và tiếp theo Pasteur cũng có nhiều nhà vi sinh học nổi tiếng như: Robert Koch (1843 1910) nghiên cứu vi khuẩn gây bệnh lao (Mycobacterium tuberculosis,1882), bệnh tả (Vibrio cholerae,1883). Ông đã sáng tạo nhiều phương pháp nghiên cứu như kỹ thuật cố định, nhuộm màu vi khuẩn, nuôi cấy và phân lập vi sinh vật trên môi trường đặc.
Năm 1884, Elie Metchnikoff (1845 1916) miêu tả hiện tượng thực bào (phagocyto-sis); Hans Christian J. Gram (1853 1938) tìm ra phương pháp nhuộm Gram. Năm 1892, Dmitri Iwanowski (1864 1920) phát hiện ra mầm bệnh nhỏ hơn vi khuẩn (virus) gây bệnh khảm ở cây thuốc lá. Đặc biệt trong giai đoạn này, nhiều nghiên cứu phát hiện thêm quá trình lên men lactic và ứng dụng rộng rãi quá trình này vào đời sống thực tiễn.
Phát triển nuôi cấy thu sinh khối bằng cách thổi không khí vào môi trường lỏng; công nghiệp sản xuất glycerol, acetone, butanol phát triển mạnh mẽ; các thiết bị lên men được hoàn thiện dần. Trong giai đoạn này, người ta đã biết khử trùng không khí trước khi cung cấp cho các quá trình lên men hiếu khí. Giai đoạn 1940 1970 Quá trình sản xuất kháng sinh được phát hiện, đặc biệt là quá trình sản xuất penicillin, sinh khối giàu protein. Bên cạnh đó đã sản xuất được vitamin B12 và riboflavin, hoàn thiện công nghệ sản xuất kháng sinh và bắt đầu công nghệ sản xuất amino acid và enzyme.
Đây cũng là giai đoạn hoàn thiện toàn bộ thiết bị lên men. Quá trình lên men được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học, nông nghiệp, bảo vệ môi trường… 0. Giai đoạn từ năm 1970 đến nay Được đánh dấu bằng sự phát hiện ra các enzyme cắt giới hạn restrictase là loại enzyme có khả năng nhận biết đoạn trình tự nucleotide đặc hiệu trên các phân tử DNA và cắt cả hai sợi DNA bổ sung tại các vị trí đặc thù của Daniel Nathans (1928 1999), Werner Arber (1929 – ), Hamilton O. Temin và Baltimore phát hiện các plasmid tái tổ hợp với sự gắn các gene lạ mang các thông tin tổng hợp các protein đặc biệt vào một cơ thể đã trở thành một phương pháp thông dụng và sự kiểm soát ngày càng tốt hơn sự biểu hiện của các gene này.
Tuy nhiên, giai đoạn này với đặc trưng là sự tăng dân số, đô thị hóa và công nghiệp hóa phát triển nhanh đã gây ra sự ô nhiễm môi trường và phá hoại hệ sinh thái trong phạm vi rộng lớn.