Chương 1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT VÀ CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH 1. Đặc điểm chung của vi sinh vật: - Kích thước nhỏ bé - Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh - Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh - Năng lự c thích ứ ng mạnh và dễ phát sinh biến dị - Phân bố rộng, chủng loại nhiều 2. Các nhóm vi sinh vật chính: - Nhóm chưa có cấu tạo tế bào: Virus - Nhóm có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu trúc nhân rõ ràng (Procaryotes): Vi khuẩn (cầu khuẩn, trự c khuẩn, phẩy khuẩn, xoắn khuẩn), xạ khuẩn - Nhóm có cấu tạo tế bào, có cấu trúc nhân phứ c tạp gọi là Eukaryotes bao gồm nấm men, nấm sợi (gọi chung là vi nấm).
ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong tự nhiên cũng như trong cuộc sống của con người. Chúng biến đá mẹ thành đất trồng, làm giàu chất hữu cơ trong đất, tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên và là các khâu quan trọng trong chuỗi thứ c ăn của các hệ sinh thái, đóng vai trò quyết định trong quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên. Trong tự nhiên ngoài những nhóm vi sinh vật có ích, còn có những nhóm vi sinh vật gây hại. Ví dụ như các nhóm vi sinh vật gây bệnh cho người, động vật và thự c vật, các nhóm vi sinh vật gây ô nhiễm thự c 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, sẽ đưa ra được những biện pháp khoa học để phát huy những mặt có lợi và hạn chế những mặt gây hại của vi sinh vật. Vi sinh vật không phải là 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẠ LONG một nhóm riêng biệt trong sinh giới. Chúng thậm chí thuộc về nhiều giới 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 Vi sinh vật có kích thước nhỏ bé nên mắt thường khó có thể quan sát được. Chúng thường được đo bằng micromet (μm, micrometre), virus thường được đo bằng nanomet (nm, nanometre). Do vi sinh vật có kích thước nhỏ bé nên diện tích bề mặt của một tập đoàn vi sinh vật rất lớn.
Ví dụ số lượng cầu khuẩn chiếm thể tích 1 cm3 có diện tích bề mặt là 6 m2. Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh Vi sinh vật tuy có kích thước nhỏ bé nhất trong sinh giới nhưng năng lự c hấp thu và chuyển hoá của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao. Ví dụ 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 thì ở mô lá hoặc mô rễ thự c vật là 0,5 - 4, ở tổ chứ c 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 lự c chuyển hoá sinh hoá mạnh mẽ của vi sinh vật có tác dụng rất lớn trong tự nhiên cũ ng như trong hoạt động sống của con người. Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh So với các sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và phát triển cự c kỳ lớn. Vi khuẩn Escherichia coli cứ khoảng 12 - 20 phút lại phân chia một lần trong các điều kiện thích hợp. 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.
Tuy nhiên trong thự c tế không thể tạo ra các điều kiện sinh trưởng lý tưởng như vậy nên số lượng vi khuẩn thu được trong 1 ml dịch nuôi cấy thường chỉ đạt tới mứ c 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 2 VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG nuôi người ta nhận thấy tốc độ sinh tổng hợp (biosynthesis) của nấm men này cao hơn của bò tới 100. Năng lự c thích ứ ng mạnh và dễ phát sinh biến dị Năng lự c thích ứ ng của vi sinh vật vượt rất xa so với động vật và thự c 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 ứ ng được với những điều kiện sống rất bất lợi. Người ta nhận thấy số lượng enzim thích ứ ng chiếm tới 10% lượng chứ a protein trong tế bào vi sinh vật. Sự thích ứ ng của vi sinh vật nhiều khi vượt quá trí tưởng tượng của con người. Phần lớn vi sinh vật có thể giữ nguyên sứ c sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-196oC), thậm chí ở nhiệt độ của hydro lỏng (- 253oC).
Một số vi sinh vật có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 250oC, thậm chí 300oC. 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 bứ c xạ tới 750.
Ở nơi sâu nhất trong đại dương (11034 m) nơi có áp lự c tới 1103,4 atm vẫn tồn tại 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 trự c tiếp với môi trường sống.
Tần số biến dị ở vi sinh vật thường là 10-5 - 10-10. Hình thứ c biến dị thường gặp là đột biến gen (gene mutation) và dẫn đến những thay đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, 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 1 ml 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 con người, chẳng hạn biến dị về tính kháng thuốc. Năm 1946 tỷ lệ các chủng Staphylo coccusaureus kháng thuốc phân lập được ở bệnh viện là khoảng 14%, năm 1996 đã tăng lên đến trên 97%. 3 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẠ LONG 1. 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, thự c 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, 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) [4]. 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. Dự a 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. - Nhóm có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu trúc nhân rõ ràng (cấu trúc nhân nguyên thuỷ) gọi là nhóm Procaryotes, bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn và tảo lam. - Nhóm có cấu tạo tế bào, có cấu trúc nhân phứ c tạp gọi là Eukaryotes bao gồm nấm men, nấm sợi (gọi chung là vi nấm) một số động vật nguyên sinh và tảo đơn bào [4].
Đặc điểm chung Virus là nhóm vi sinh vật chưa có cấu tạo tế bào, có kích thước vô cùng nhỏ bé, có thể chui qua màng lọc vi khuẩn. Nhờ có sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật hiển vi điện tử, siêu ly tâm, nuôi cấy tế bào. những thành tự u nghiên cứ u về virus đã được đẩy mạnh, phát triển thành một ngành khoa học gọi là virus học. 4 VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Virus không có khả năng sống độc lập mà phải sống ký sinh trong các tế bào khác từ vi khuẩn cho đến tế bào động vật, thự c vật và người, gây các loại bệnh hiểm nghèo cho các đối tượng mà chú ng ký sinh.
Virus là nhóm vi sinh vật được phát hiện ra sau cùng trong các nhóm vi sinh vật chính vì kích thước nhỏ bé và cách sống ký sinh của chú ng. Hình thái và cấu trúc của virus a. Hình thái và kích thước Virus có kích thước rất nhỏ bé, có thể lọt qua màng lọc vi khuẩn, chỉ có thể quan sát chúng qua kính hiển vi điện tử. Kích thước từ 20 x 30 đến 150 x 300 nanomet (1 nm = 10-6 mm).
Nhờ kỹ thuật hiển vi điện tử, người ta phát hiện ra 3 loại hình thái chung nhất của virus. Đó là hình cầu, hình que và hình tinh trùng. Hình que điển hình là virus đốm thuốc lá (virus VTL), chúng có hình que dài với cấu trúc đối xứ ng xoắn. Các đơn vị cấu trúc xếp theo hình xoắn quanh 1 trục, mỗi đơn vị gọi là capxome.
Loại hình cầu điển hình là một số virus động vật. Các đơn vị cấu trúc xếp theo kiểu đối xứ ng 4 mặt, 8 mặt hoặc 20 mặt. Loại có hình dạng tinh trùng phổ biến hơn cả là các virus ký sinh trên vi khuẩn gọi là thự c khuẩn thể hoặc Phage. Loại hình dạng này phần đầu có cấu trúc đối xứ ng khối phần đuôi là có cấu trúc đối xứ ng xoắn.
Cấu trúc điển hình của virus Kiểu cấu trúc phứ c tạp nhất của virus là cấu trúc của thự c khuẩn thể (Phage).