CHƯƠNG I HÌNH THÁI, CẤU TẠO VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA VI SINH VẬT 1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sát thấy bằng mắt thường. Nó phân bố ở khắp mọi nơi, trong đất, trong nước, trong không khí, trong thực phẩm. Nó có mặt ở dưới những độ sâu tăm tối của đại dương.
Bào tử của nó tung bay trên những tầng cao của bầu khí quyển, chu du theo những đám mây. Nó sống được trên kính, trên da, trên giấy, trên những thiết bị bằng kim loại. Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong thiên nhiên cũng như trong cuộc sống của con người. Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu cơ trong đất, nó tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên.
Nó là các khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của các hệ sinh thái. Nó đóng vai trò quyết định trong quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên. Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng vi sinh vật trong đời sống hàng ngày. Các quá trình làm rượu, làm dấm, làm tương, muối chua thực phẩm.
đều ứng dụng đặc tính sinh học của các nhóm vi sinh vật. Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò của vi sinh vật, thì việc ứng dụng nó trong sản xuất và đời sống ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn. Ví dụ như việc chế vacxin phòng bệnh, sản xuất chất kháng sinh và các dược phẩm quan trọng khác. Đặc biệt trong bảo vệ môi trường, người ta đã sử dụng vi sinh vật làm sạch môi trường, xử lý các chất thải độc hại.
Sử dụng vi sinh vật trong việc chế tạo phân bón sinh học, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc hại cho môi trường, bảo vệ mối cân bằng sinh thái. Trong thiên nhiên ngoài những nhóm vi sinh vật có ích như trên, còn có những nhóm vi sinh vật gây hại. Ví dụ như các nhóm vi sinh vật gây bệnh cho người, động vật và thực vật, các nhóm vi sinh vật gây ô nhiễm thực phẩm, ô nhiễm các nguồn nước, đất và không khí. Nếu nắm vững cơ sở sinh học của tất cả các quá trình có lợi hay có hại trên, ta sẽ đưa ra được những biện pháp khoa học để phát 1 Lê Xuân Ph••ng VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG huy những mặt có lợi và hạn chế những mặt gây hại của vi sinh vật, đặc biệt là trong bảo vệ môi trường.
Vi sinh vật (microorganisms) là tên gọi chung để chỉ tất cả các sinh vật có hình thể bé nhỏ, muốn thấy rõ được người ta phải sử dụng tới kính hiển vi. Virut chưa có cả cấu trúc tế bào. Các vi sinh vật khác thường là đơn bào hoặc đa bào nhưng có cấu trúc đơn giản và chưa phân hoá thành các cơ quan sinh dưỡng (vegetative organs). Vi sinh vật không phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới.
Chúng thậm chí thuộc về nhiều giới (kingdom) sinh vật khác nhau. Giữa các nhóm có thể không có quan hệ mật thiết với nhau. Chúng có chung những đặc điểm sau đây: 1. Kích thước nhỏ bé Mắt con người khó thấy được rõ những vật nhỏ hơn 1mm.
Vậy mà vi sinh vật thường được đo bằng micromet (μm, micrometre), virut thường được đo bằng nanomet (nm, nanometre). 1 μm = 10-3 mm; 1 nm = 10-6 mm, 1A (angstrom) = 10-7 mm. Vì vi sinh vật có kích thước nhỏ bé cho nên diện tích bề mặt của một tập đoàn vi sinh vật hết sức lớn. Chẳng hạn số lượng cầu khuẩn chiếm thể tích 1 cm3 có diện tích bề mặt là 6m2.
Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh Vi sinh vật tuy nhỏ bé chất trong sinh giới nhưng năng lực hấp thu và chuyển hoá của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao. Chẳng hạn vi khuẩn lactic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải một lượng đường lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối lượng của chúng. Nếu tính số μl O2 mà mỗi mg chất khô của cơ thể sinh vật tiêu hao trong 1 giờ (biểu thị là - QO2) thì ở mô lá hoặc mô rễ thực vật là 0,5 - 4, ở tổ chức gan và thận động vật là 10 - 20, còn ở nấm men rượu (Sacharomyces cerevisiae) là 110, ở vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas là 1200, ở vi khuẩn thuộc chi Azotobacter là 2000. Năng lực chuyển hoá sinh hoá mạnh mẽ của vi sinh vật dẫn đến những tác dụng hết sức lớn lao của chúng trong thiên nhiên cũng như trong hoạt động sống của con người.
Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh 2 Lê Xuân Ph••ng VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG So với các sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở cực kỳ lớn. Vi khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp cứ khoảng 12 - 20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ (generation time) là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, 24 giờ phân cắt 72 lần, từ một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 4. Tất nhiên trong thực tế không thể tạo ra các điều kiện sinh trưởng lý tưởng như vậy được cho nên số lượng vi khuẩn thu được trong 1ml dịch nuôi cấy thường chỉ đạt tới mức độ 108 - 109 tế bào.
Thời gian thế hệ của nấm men Saccharomyces cerevisiae là 120 phút. Khi nuôi cấy để thu nhận sinh khối (biomass) giàu protein phục vụ chăn nuôi người ta nhận thấy tốc độ sinh tổng hợp (biosynthesis) của nấm men này cao hơn của bò tới 100. Thời gian thế hệ của tảo Chlorella là 7 giờ, của vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ. Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị Năng lực thích ứng của vi sinh vật vượt rất xa so với động vật và thực vật.
Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất bất lợi. Người ta nhận thấy số lượng enzim thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein trong tế bào vi sinh vật. Sự thích ứng của vi sinh vật nhiều khi vượt quá trí tưởng tượng của con người. Phần lớn vi sinh vật có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-1960C), thậm chí ở nhiệt độ của hydro lỏng (- 2530C).
Một số vi sinh vật có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 2500C, thậm chí 3000C. Một số vi sinh vật có thể thích nghi với nồng độ 32% NaCl (muối ăn). Vi khuẩn Thiobacillus thioxidans có thể sinh trưởng ở pH = 0,5 trong khi vi khuẩn Thiobacillus denitrificans có thể sinh trưởng ở pH = 10,7. Vi khuẩn Micrococus radiodurans có thể chịu được cường độ bức xạ tới 750.
Ở nơi sâu nhất trong đại dương (11034 m) nơi có áp lực tới 1103,4 atm vẫn thấy có vi sinh vật sinh sống. Nhiều vi sinh vật thích nghi với điều kiện sống hoàn toàn thiếu oxi (vi sinh vật kị khí bắt buộc - obligate anaerobes). Một số nấm sợi có thể phát triển thành váng dày ngay trong bể ngâm xác có nồng độ phenol rất cao. Vi sinh vật rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống.
Tần số biến dị ở vi sinh vật thường là 10-5 - 10-10. Hình thức biến dị thường gặp là đột biến gen (genemutation) và dẫn đến những thay đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, 3 Lê Xuân Ph••ng VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính đề kháng. Chẳng hạn khi mới tìm thấy khả năng sinh chất kháng sinh của nấm sợi Penicillium chrysogenum người ta chỉ đạt tới sản lượng 20 đơn vị penixilin trong 1ml dịch lên men. Ngày nay trong các nhà máy sản xuất penixilin người ta đã đạt tới năng suất 100.
Bên cạnh các biến dị có lợi, vi sinh vật cũng thường sinh ra những biến dị có hại đối với nhân loại, chẳng hạn biến dị về tính kháng thuốc. Năm 1946 tỷ lệ các chủng Staphylococcusaureus kháng thuốc phân lập được ở bệnh viện là khoảng 14%, năm 1996 đã tăng lên đến trên 97%. Người ta chỉ tiêm cho bệnh nhân mỗi ngày khoảng 100.000 đơn vị penixilin, ngày nay có lúc phải tiêm đến 10. Phân bố rộng, chủng loại nhiều Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất.
Chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm cho đến nước biển. Trong đường ruột của người thường có không dưới 100 - 400 loài sinh vật khác nhau, chúng chiếm tới 1/3 khối lượng khô của phân. Chiếm số lượng cao nhất trong đường ruột của người là vi khuẩn Bacteroides fragilis, chúng đạt tới số lượng 1010 - 1011/g phân (gấp 100 - 1000 lần số lượng vi khuẩn Escherichia coli).000 m của Đông Thái Bình Dương, nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo và có áp suất rất cao người ta vẫn phát hiện thấy có khoảng 1 triệu - 10 tỉ vi khuẩn/ml (chủ yếu là vi khuẩn lưu huỳnh). Vi khuẩn Động vật nguyên sinh Vi tảo Vi nấm (Tế bào nhân sơ) (Tế bào nhân chuẩn) Vi sinh vật nguyên thuỷ Hình 1.
Sơ đồ phát sinh các nhóm vi sinh vật 6. Vi sinh vật có vai trò to lớn đối với hệ sinh thái cũng như đối với đời sống con người 4 Lê Xuân Ph••ng VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG - Vi khuẩn và vi nấm là sinh vật phân giải các chất hữu cơ thành các chất vô cơ trong chu trình chuyển hoá vật chất của hệ sinh thái. - Một số vi khuẩn, vi nấm cũng như một số động vật nguyên sinh là những tác nhân gây nhiều bệnh cho cây trồng, vật nuôi cũng như con người. - Một số vi khuẩn và vi nấm phá huỷ lương thực thực phẩm, vật liệu xây dựng, kiến trúc, công nghiệp, mỹ thuật.
- Vi sinh vật mang lại lợi ích cho con người trong nhiều lĩnh vực công nghệ chế biến thực phẩm, dược phẩm, công nghệ sinh học và môi trường. CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH Vi sinh vật vô cùng phong phú cả về thành phần và số lượng. Chúng bao gồm các nhóm khác nhau có đặc tính khác nhau về hình dạng, kích thước, cấu tạo và đặc biệt khác nhau về đặc tính sinh lý, sinh hoá. Dựa vào đặc điểm cấu tạo tế bào, người ta chia ra làm 3 nhóm lớn: - Nhóm chưa có cấu tạo tế bào bao gồm các loại virus.