Bài giảng Vi sinh môi trường - Trương Thị Thu Hương

Chia sẻ: Ganuongmuoimatong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:304

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vi sinh môi trường cung cấp cho người học những kiến thức như: Hình thái, cấu tạo của Vi sinh vật; Các quá trình sinh lý của Vi sinh vật; Phân giải, chuyển hóa vật chất và các chu trình sinh địa hóa; Vi sinh vật trong môi trường nước, đất và khí; Công nghệ Vi sinh vật trong xử lý nước thải; Công nghệ Vi sinh vật trong xử lý rác thải;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vi sinh môi trường - Trương Thị Thu Hương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Trương Thị Thu Hương, Nguyễn Hoàng Mỹ, Lê Hồng Thía, Nguyễn Thị Hàng, Nguyễn Khánh Hoàng BÀI GIẢNG VI SINH MÔI TRƯỜNG Trình độ: Đại học Ngành: Kỹ thuật môi trường, Quản lý môi trường Tài nguyên môi trường, Khoa học môi trường Môn: Vi sinh môi trường Thời lượng lý thuyết: 45 tiết Thực hành: 60 tiết TP. HỒ CHÍ MINH – 2016 LƯU HÀNH NỘI BỘ i
Lời nói đầu Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong thiên nhiên cũng như trong cuộc sống của con người. Vi sinh vật có vai trò quan trọng trong quá trình tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên, là một mắt xích quan trọng trong chuỗi thức ăn của các hệ sinh thái. Vi sinh vật còn đóng vai trò quyết định trong quá trình tự làm sạch môi trường tự nhiên. 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. Sinh viên cần nắm vững cơ sở khoa học của tất cả các quá trình có lợi hay có hại của vi sinh vật từ đó đưa ra những biện pháp khoa học để phát huy những mặt có lợi và hạn chế những mặt gây hại của vi sinh vật, đặc biệt là trong bảo vệ môi trường. Tập bài giảng “Vi sinh môi trường” thể hiện đầy đủ những kiến thức bổ ích và những thông tin thiết thực phù hợp với đề cương chi tiết môn học giúp sinh viên nắm bắt những nội dung môn học. Chúng tôi xin chân thành cám ơn sự cộng tác của các thành viên tham gia hoàn thiện tập bài giảng. Nhóm tác giả ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH .............................................................................................. XI PHẦN A. LÝ THUYẾT.................................................................................................................................. 1 Chương 1: Hình thái, cấu tạo của Vi sinh vật .............................................................................................................. 1 1.1. Lịch sử phát triển của vi sinh vật học .............................................................................................................................. 1 1.2 Đặc điểm chung của vi sinh vật trong sinh giới ............................................................................................................... 5 1.2.1 Đặc điểm chung của vi sinh vật .................................................................................................................................... 5 1.3 Vi sinh vật nhân sơ - PROKARYOTE ............................................................................................................................. 8 1.3.1 Định nghĩa .................................................................................................................................................................... 8 1.3.2. Vi khuẩn ....................................................................................................................................................................... 8 1.3.2.1 Định nghĩa và vai trò của vi khuẩn ............................................................................................................................ 8 1.3.2.2 Đặc điểm sinh sản ...................................................................................................................................................... 9 1.3.2.3 Đặc điểm trao đổi chất............................................................................................................................................. 10 1.3.2.4 Khả năng di động ..................................................................................................................................................... 11 1.3.2.5 Phân loại hình thái ................................................................................................................................................... 12 1.3.2.6 Cấu tạo tế bào vi khuẩn ........................................................................................................................................... 16 1.3.3. Hình thái, cấu tạo tế bào của Xạ khuẩn ..................................................................................................................... 27 1.3.3.1 Định nghĩa và vai trò của Xạ khuẩn......................................................................................................................... 27 1.3.3.2 Cấu tạo của xạ khuẩn............................................................................................................................................... 27 1.3.4 Hình thái, cấu tạo của vi khuẩn lam ........................................................................................................................... 29 1.3.4.1 Định nghĩa và vai trò của vi khuẩn lam ................................................................................................................... 29 1.3.4.2 Đặc điểm cấu tạo ..................................................................................................................................................... 29 1.4. Vi sinh vật nhân thật- EUKARYOTE ........................................................................................................................... 31 1.4.1 Định nghĩa .................................................................................................................................................................. 31 1.4.2. Hình thái, cấu tạo tế bào của Nấm men ..................................................................................................................... 32 1.4.2.1 Định nghĩa và vai trò của nấm men ......................................................................................................................... 32 1.4.2.1 Đặc điểm cấu tạo ..................................................................................................................................................... 32 1.4.2.2 Phân loại nấm men................................................................................................................................................... 38 1.4.2.3 Đặc điểm sinh sản .................................................................................................................................................... 39 1.4.3. Hình thái, cấu tạo tế bào của Nấm mốc ..................................................................................................................... 40 1.4.3.1 Đặc điểm hình thái của nấm mốc ............................................................................................................................. 40 1.4.3.2 Cấu tạo của nấm mốc............................................................................................................................................... 41 1.4.4. Hình thái, cấu tạo tế bào của Tảo và Động vật nguyên sinh ..................................................................................... 46 1.4.4.1 Tảo ........................................................................................................................................................................... 46 iii
1.4.4.2 Động vật nguyên sinh ............................................................................................................................................... 49 1.5. Hình thái, cấu tạo của Virus .......................................................................................................................................... 52 1.5.1 Lịch sử nghiên cứu virus ............................................................................................................................................. 52 1.5.2 Cấu tạo của virus ........................................................................................................................................................ 53 1.5.2.1 Vỏ capsid .................................................................................................................................................................. 53 1.5.2.2 Vỏ ngoài ................................................................................................................................................................... 55 1.5.2.3 Lõi acid nucleic (genome) ........................................................................................................................................ 55 Chương 2: Các quá trình sinh lý của Vi sinh vật ....................................................................................................... 57 2.1. Thành phần hóa học của tế bào vi sinh vật.................................................................................................................... 57 2.1.1 Nước ............................................................................................................................................................................ 58 2.1.2 Vật chất khô ................................................................................................................................................................ 59 2.1.2.1 Muối khoáng ............................................................................................................................................................ 59 2.1.2.2 Chất hữu cơ .............................................................................................................................................................. 59 2.2. Qúa trình dinh dưỡng của vi sinh vật ............................................................................................................................ 63 2.2.1. Các kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật .......................................................................................................................... 63 2.2.2. Cơ chế hấp thụ chất dinh dưỡng của vi sinh vật ........................................................................................................ 65 2.2.2.1 Vận chuyển thụ động ................................................................................................................................................ 65 2.2.2.2 Vận chuyển chủ động ............................................................................................................................................... 67 2.3. Qúa trình trao đổi chất và năng lượng ........................................................................................................................... 67 2.3.1 Khái niệm .................................................................................................................................................................... 67 2.3.2 Quá trình trao đổi năng lượng .................................................................................................................................... 69 2.3.2.1 Quá trình đường phân .............................................................................................................................................. 70 2.3.2.2 Quá trình hô hấp hiếu khí ........................................................................................................................................ 72 2.3.2.3 Hô hấp yếm khí - quá trình lên men ......................................................................................................................... 74 2.4. Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật .................................................................................................................. 76 2.4.1. Lý thuyết về sự phát triển của vi sinh vật ................................................................................................................... 76 2.4.1.1 Khái niệm cơ bản ..................................................................................................................................................... 76 2.4.1.2 Sinh trưởng vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy tĩnh............................................................................................... 76 2.4.1.3 Hiện tượng sinh trưởng kép ..................................................................................................................................... 78 2.4.1.4 Tăng trưởng vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy liên tục ........................................................................................ 79 2.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật ........................................................................ 80 2.4.2.1 Các tác nhân vật lý................................................................................................................................................... 80 2.4.2.2 Ảnh hưởng của các yếu tố hóa học .......................................................................................................................... 83 2.4.2.3 Ảnh hưởng của yếu tố sinh học – kháng sinh ........................................................................................................... 85 Chương 3. Phân giải, chuyển hóa vật chất và các chu trình sinh địa hóa ................................................................. 88 3.1.1. Vi sinh vật phân giải các hợp chất hữu cơ chứa C .................................................................................................... 88 iv
3.1.2. Chu trình C ................................................................................................................................................................ 91 3.2. Chu trình N ................................................................................................................................................................... 92 3.2.1. Vi sinh vật chuyển hóa các dạng hợp chất chứa N .................................................................................................... 92 3.2.1. Chu trình N ................................................................................................................................................................ 92 3.3. Chu trình P .................................................................................................................................................................... 96 3.3.1. Vi sinh vật phân giải các hợp chất P hữu cơ và P vô cơ ............................................................................................ 96 3.3.2. Chu trình P ................................................................................................................................................................. 97 3.4. Chu trình S .................................................................................................................................................................... 98 3.4.1. Vi sinh vật chuyển hóa hợp chất chứa S..................................................................................................................... 98 3.4.2. Chu trình S ................................................................................................................................................................. 99 Chương 4. Vi sinh vật trong môi trường nước, đất và khí ....................................................................................... 101 4.1. Hệ vi sinh vật trong môi trường .................................................................................................................................. 101 4.1.1. Vi sinh vật trong môi trường nước ........................................................................................................................... 101 4.1.1.1. Vi sinh vật trong nước ngọt bề mặt trong đất liền................................................................................................. 102 4.1.1.2. Vi sinh vật trong nước biển ................................................................................................................................... 106 4.1.1.3. Vi sinh vật trong nước thải .................................................................................................................................... 111 4.1.2. Hệ vi sinh vật trong môi trường đất ......................................................................................................................... 113 4.1.3. Hệ vi sinh vật trong môi trường khí ......................................................................................................................... 115 4.2. Vi sinh vật có lợi trong môi trường ............................................................................................................................. 116 4.2.1.Vi sinh vật có lợi trong môi trường đất ..................................................................................................................... 116 4.2.2. Vi sinh vật có lợi trong môi trường nước ................................................................................................................. 118 4.2.3. Ứng dụng vi sinh vật trong xử lý môi trường ........................................................................................................... 120 4.2.4. Vi sinh vật chỉ thị môi trường nước.......................................................................................................................... 122 4.3. Vi sinh vật gây bệnh trong môi trường nước .............................................................................................................. 126 4.3.1. Vi khuẩn gây bệnh .................................................................................................................................................... 126 4.3.2. Virus gây bệnh ......................................................................................................................................................... 127 4.3.3. Ký sinh trùng gây bệnh ............................................................................................................................................ 128 Chương 5. Công nghệ Vi sinh vật trong xử lý nước thải .......................................................................................... 130 5.1. Phân loại và thành phần nước thải .............................................................................................................................. 130 5.2. Cơ sở sinh học trong xử lý nước thải .......................................................................................................................... 139 5.2.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ........................................................................................................... 139 5.2.1.1. Quá trình phân hủy hiếu khí.................................................................................................................................. 142 5.2.1.2. Quá trình phân hủy kỵ khí ..................................................................................................................................... 144 5.2.2. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình làm sạch nước thải...................................................................................... 149 5.2.2.1. Hệ vi sinh vật trong nước thải ............................................................................................................................... 149 5.2.2.2. Hoạt động sống của vi sinh vật trong nước thải ................................................................................................... 151 v
5.3. Các phương pháp sinh học xử lý nước thải ................................................................................................................. 153 5.3.1. Xử lý nước thải bằng bể hiếu khí (Aerotank) ........................................................................................................... 153 5.3.1.1. Đặc điểm và nguyên tắc hoạt động ....................................................................................................................... 153 5.3.1.2. Quá trình hình thành bùn hoạt tính ....................................................................................................................... 154 5.3.1.3. Các nhóm vi sinh vật có trong bùn hoạt tính......................................................................................................... 156 5.3.1.4. Một số cải tiến của quá trình bùn hoạt tính .......................................................................................................... 157 5.3.2. Xử lý nước thải bằng màng lọc sinh học .................................................................................................................. 158 5.3.3. Xử lý nước thải bằng hồ sinh học............................................................................................................................. 160 5.3.3.1. Hồ tùy tiện ............................................................................................................................................................. 160 5.3.3.2. Các loại hồ sinh học khác ..................................................................................................................................... 161 5.3.4. Xử lý nước thải bằng phương pháp lên men kỵ khí .................................................................................................. 162 5.3.4.1. Quá trình sinh học kỵ khí ...................................................................................................................................... 163 5.3.4.2. Các yếu tố kiểm soát quá trình kỵ khí ................................................................................................................... 164 5.3.4.3. Một số phương pháp xử lý kỵ khí nước thải .......................................................................................................... 164 Chương 6. Công nghệ Vi sinh vật trong xử lý rác thải............................................................................................. 167 6.1. Phân loại và thành phần rác thải.................................................................................................................................. 167 6.2. Vi sinh vật tham gia xử lý rác thải .............................................................................................................................. 169 6.3. Các phương pháp sinh học xử lý rác thải .................................................................................................................... 171 6.3.1. Các phương pháp xử lý kỵ khí rác thải .................................................................................................................... 171 6.3.1.1. Phương pháp ủ rác làm phân compost.................................................................................................................. 171 6.3.1.2. Phương pháp chôn lấp .......................................................................................................................................... 174 6.3.2. Các phương pháp xử lý hiếu khí rác thải ................................................................................................................. 178 6.3.2.1. Phương pháp ủ hiếu khí ........................................................................................................................................ 179 6.3.2.2. Phương pháp ủ rác không đảo trộn ...................................................................................................................... 179 Chương 7. TINH SẠCH MÔI TRƯỜNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC VÀ THU NHẬN KHÍ SINH HỌC .......................................................................................................................................................................... 180 7.1. Đặc trưng của khí thải ................................................................................................................................................. 181 7.2. Nguyên lý của quá trình tinh sạch khí thải .................................................................................................................. 183 7.2.1. Hấp thụ khí ............................................................................................................................................................... 183 7.2.2. Hấp phụ khí .............................................................................................................................................................. 183 7.2.3. Đốt cháy khí thải ...................................................................................................................................................... 184 7.2.4. Sử dụng thực vật xử lý khí thải ................................................................................................................................. 184 7.2.5. Sử dụng vi sinh vật xử lý khí thải ............................................................................................................................. 184 7.2.6. Phương pháp khác ................................................................................................................................................... 185 7.3. Một số phương pháp tinh sạch khí thải ....................................................................................................................... 186 7.3.1. Phương pháp lọc sinh học ........................................................................................................................................ 186 vi
7.3.2. Phương pháp khử H2S trong môi trường nhờ Vi sinh vật ........................................................................................ 188 7.4. Phương pháp thu nhận khí sinh học ............................................................................................................................ 190 PHẦN B: THỰC HÀNH ........................................................................................................................... 192 CHƯƠNG 1: CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG THỰC HÀNH VI SINH. ............................ 192 BÀI 1: KỸ THUẬT CHUẨN BỊ MÔI TRƯỜNG. ................................................................................................... 192 1.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................................................................... 192 1.2. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa ...................................................................................................................................... 193 1.3. Các bước tiến hành chuẩn bị môi trường. ................................................................................................................... 196 1.4. Câu hỏi ....................................................................................................................................................................... 204 BÀI 2: KỸ THUẬT PHÂN LẬP BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY TRÊN ĐĨA PETRI VÀ PHƯƠNG PHÁP PHA LOÃNG KẾT HỢP VỚI ĐỔ ĐĨA. ........................................................................................................................... 205 2.1. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................................................................... 205 2.2. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa........................................................................................................................................... 207 3.3. Tiến hành thí nghiệm .................................................................................................................................................. 208 2.3.1. Kỹ thuật phân lập bằng phương pháp cấy trên đĩa petri. .......................................................................................... 208 2.3.2. Một số cách cấy phân lập. ........................................................................................................................................ 212 2.3.3. Kỹ thuật phân lập bằng phương pháp pha loãng kết hợp với đỗ đĩa. ....................................................................... 215 2.4. Câu hỏi ........................................................................................................................................................................ 218 CHƯƠNG 2: CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA ........................................................................................................... 219 BÀI 3: THỬ NGHIỆM SINH HÓA TSI (TRIPLE SUGAR IRON AGAR TEST). ................................................ 219 3.1. Mục đích thí nghiệm. .................................................................................................................................................. 219 3.2. Chuẩn bị thí nghiệm. ................................................................................................................................................... 219 3.3. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa........................................................................................................................................... 219 3.4. Tiến hành thí nghiệm. ................................................................................................................................................. 225 3.5. Câu hỏi ........................................................................................................................................................................ 226 BÀI 4: THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG PHÂN GIẢI TINH BỘT. .............................................................................. 227 4.1. Mục đích. .................................................................................................................................................................... 227 4.2. Chuẩn bị của sinh viên. ............................................................................................................................................... 227 4.3. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa........................................................................................................................................... 227 4.4. Cách tiến hành. ............................................................................................................................................................ 228 4.5. Những điều cần lưu ý. ................................................................................................................................................. 229 4.6. Câu hỏi ........................................................................................................................................................................ 229 BÀI 5: THỬ NGHIỆM CÁC PHẢN ỨNG IMVIC .................................................................................................. 230 vii
5.1. Mục đích thí nghệm. .................................................................................................................................................. 230 5.2. Chuẩn bị của sinh viên. ............................................................................................................................................... 230 5.3. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa........................................................................................................................................... 230 5.4.Cách tiến hành. ............................................................................................................................................................. 233 5.5. Câu hỏi ........................................................................................................................................................................ 235 BÀI 6: XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH CỦA ENZYME CATALASE ............................................................................. 236 6.1. Mục tiêu bài học. ......................................................................................................................................................... 236 6.2. Chuẩn bị của sinh viên. ............................................................................................................................................... 236 6.3. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa........................................................................................................................................... 236 6.4. Tiến hành thí nghiệm. ................................................................................................................................................. 237 6.6. Câu hỏi ........................................................................................................................................................................ 238 CHƯƠNG 3: VI SINH VẬT TRONG ĐẤT. ............................................................................................................ 239 Bài 7: XÁC ĐỊNH VÒNG ĐỜI CỦA VI SINH VẬT CÁC PHƯƠNG PHÁP PHA LOÃNG VÀ ĐỔ ĐĨA. ........... 239 7.1. Mục tiêu thí nghiệm. ................................................................................................................................................... 239 7.2. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa........................................................................................................................................... 239 7.3. Tiến hành thí nghiệm. ................................................................................................................................................. 240 7.4. Những kinh nghiệm cần nắm bắt. ............................................................................................................................... 243 7.5. Thí dụ và tính toán. ..................................................................................................................................................... 244 7.6. Câu hỏi. ....................................................................................................................................................................... 244 Bài 8: NẤM SỢI........................................................................................................................................................ 246 8.1. Mục tiêu thí nghiệm. ................................................................................................................................................... 246 8.2. Cở sở lý thuyết và ý nghĩa........................................................................................................................................... 246 8.3. Tiến hành thí nghiệm. ................................................................................................................................................. 248 8.4. Kỹ năng. ...................................................................................................................................................................... 250 8.5. Tính toán. .................................................................................................................................................................... 251 8.6. Câu hỏi. ....................................................................................................................................................................... 253 BÀI 9: QUAN SÁT VI SINH VẬT CÓ TRONG ĐẤT QUA KÍNH HIỂN VI......................................................... 254 9.1. Mục tiêu thí nghiệm. ................................................................................................................................................... 254 9.2. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa........................................................................................................................................... 254 9.3. Tiến hành thí nghiệm. ................................................................................................................................................. 255 9.4. Câu hỏi. ....................................................................................................................................................................... 258 Bài 10: VI KHUẨN VÀ XẠ KHUẨN ....................................................................................................................... 259 10.1. Mục tiêu thí nghiệm. ................................................................................................................................................. 259 10.2. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa......................................................................................................................................... 259 viii
10.3. Tiến hành thí nghiệm. ............................................................................................................................................... 263 10.4. Kỹ năng ..................................................................................................................................................................... 266 10.5. Câu hỏi. ..................................................................................................................................................................... 267 Bài 11: XÁC ĐỊNH SỐ LƯỢNG TẢO: BẢNG LIỆT KÊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MPN. .................................... 268 11.1. Mục tiêu thí nghiệm. ................................................................................................................................................. 268 11.2. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa......................................................................................................................................... 268 11.3. Tiến hành thí nghiệm. ............................................................................................................................................... 269 11.4. Tính toán. .................................................................................................................................................................. 270 11.5. Câu hỏi. ..................................................................................................................................................................... 273 CHƯƠNG 4: VI SINH VẬT TRONG NƯỚC. ......................................................................................................... 275 BÀI 12: XÁC ĐỊNH SỐ COLIFORM TRONG NƯỚC BẰNG THỬ NGHIỆM MPN. ......................................... 275 12.1. Mục tiêu thí nghiệm. ................................................................................................................................................. 275 12.2. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa......................................................................................................................................... 275 12.3. Tiến hành thí nghiệm. ............................................................................................................................................... 276 12.4. Câu hỏi. ..................................................................................................................................................................... 279 Bài 13: ĐỊNH LƯỢNG VI SINH VẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÀNG LỌC. ..................................................... 280 13.1. Mục tiêu thí nghiệm. ................................................................................................................................................. 280 13.2. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa......................................................................................................................................... 280 13.3. Tiến hành thí nghiệm. ............................................................................................................................................... 280 13.4. Tính toán. .................................................................................................................................................................. 281 13.5. Câu hỏi. ..................................................................................................................................................................... 281 CHƯƠNG 5: SỰ BIẾN ĐỔI CÁC CHẤT CỦA VI SINH VẬT. ............................................................................. 282 BÀI 14: SỰ OXI HÓA CÁC HỢP CHẤT SUNFUR CÓ TRONG ĐẤT. ................................................................ 282 14.1. Mục tiêu thí nghiệm. ................................................................................................................................................. 282 14.2. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa......................................................................................................................................... 282 14.3. Tiến hành thí nghiệm. ............................................................................................................................................... 284 14.4. Tính toán. .................................................................................................................................................................. 286 14.5. Câu hỏi. ..................................................................................................................................................................... 286 BÀI 15: NITRITE HÓA VÀ SỰ KHỬ NITRITE HÓA........................................................................................... 287 15.1. Mục tiêu và nhiệm vụ. ............................................................................................................................................... 287 15.2. Cơ sở lý thuyết và ý nghĩa......................................................................................................................................... 287 15.3. Tiến hành thí nghiệm. ............................................................................................................................................... 288 15.4. Những điều cần lưu ý. ............................................................................................................................................... 289 15.5. Câu hỏi. ..................................................................................................................................................................... 289 ix
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................ 291 x
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH 1.Danh mục bảng BẢNG 1. 1 THÀNH PHẦN CẤU TẠO THÀNH TẾ BÀO VI KHUẨN GRAM ÂM VÀ GRAM DƯƠNG ........................................................................................................ 17 BẢNG 1. 2 SO SÁNH CẤU TẠO KHUẨN LAM VỚI VI KHUẨN....................................................................................................................................................... 29 BẢNG 1. 3 THÀNH PHẦN CẤU TẠO VÁCH TẾ BÀO MỘT SỐ LOẠI NẤM MỐC ................................................................................................................................ 42 BẢNG 2. 1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT .................................................................................................................................................. 57 BẢNG 2. 2 THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA MỘT TẾ BÀO VI KHUẨN ............................................................................................................................................. 59 BẢNG 2. 3 PHÂN LOẠI ENZYME ............................................................................................................................................................................................ 61 BẢNG 2. 4 CÁC NHÓM VI KHUẨN THEO NHIỆT ĐỘ ................................................................................................................................................................. 81 BẢNG 2. 5 PHÂN LOẠI KHÁNG SINH THEO NGUỒN GỐC ......................................................................................................................................................... 86 BẢNG 4. 1 SINH VẬT NHÂN SƠ THƯỜNG GẶP Ở MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN VÀ NƯỚC NGỌT. ...................................................................................................... 102 BẢNG 4. 2 LƯỢNG VI KHUẨN TRONG ĐẤT XÁC ĐỊNH THEO CHIỀU SÂU ĐẤT ........................................................................................................................... 113 BẢNG 4. 3. LƯỢNG VI SINH VẬT TRONG 1M3 KHÔNG KHÍ ..................................................................................................................................................... 116 BẢNG 4. 4 VI SINH VẬT CHỈ THỊ DỰA TRÊN MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG CỦA NGUỒN NƯỚC ............................................................................................................... 124 BẢNG 4. 5 SỐ LƯỢNG CÁC VI SINH VẬT CHỈ THỊ TRÊN CÁ THỂ ............................................................................................................................................... 125 BẢNG 4. 6 TÁC NHÂN VI KHUẨN GÂY BỆNH THƯỜNG GẶP TRONG NƯỚC THẢI ........................................................................................................................ 126 BẢNG 4. 7 TÁC NHÂN NẤM GÂY BỆNH THƯỜNG GẶP TRONG NƯỚC THẢI ............................................................................................................................... 127 BẢNG 4. 8 VI RUS GÂY BỆNH THƯỜNG GẶP TRONG NƯỚC THẢI ............................................................................................................................................. 127 BẢNG 4. 9 ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH GÂY BỆNH THƯỜNG GẶP TRONG NƯỚC THẢI .................................................................................................................. 128 BẢNG 4. 10 TÁC NHÂN GIUN SÁN GÂY BỆNH THƯỜNG GẶP TRONG NƯỚC THẢI ...................................................................................................................... 128 BẢNG 5. 1 TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC THẢI VÀ NGUỒN GỐC PHÁT SINH .................................................................................................................... 131 BẢNG 5. 2 MỘT SỐ CHẤT HỮU CƠ CÓ ĐỘC TÍNH CAO THƯỜNG GẶP ...................................................................................................................................... 134 BẢNG 5. 3 CÁC CHẤT Ô NHIỄM CẦN LOẠI BỎ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ................................................................................. 140 BẢNG 5. 4 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC CHỦ YẾU ĐƯỢC ÁP DỤNG ................................................................................................................................. 141 BẢNG 5. 5 VI SINH VẬT TẠO ACID HỮU CƠ ........................................................................................................................................................................... 147 BẢNG 5. 6 VI KHUẨN SINH METHANE .................................................................................................................................................................................. 147 BẢNG 5. 7 SẢN PHẨM TẠO THÀNH TỪ CÁC NGUỒN CHẤT HỮU CƠ ......................................................................................................................................... 148 BẢNG 6. 1THÀNH PHẦN CÁC NGUYÊN TỐ TRONG MỘT SỐ LOẠI RÁC THẢI .............................................................................................................................. 167 BẢNG 6. 2 PHÂN LOẠI THÀNH PHẦN RÁC THẢI THEO KHẢ NĂNG PHÂN GIẢI SINH HỌC ............................................................................................................ 168 BẢNG 6. 3 TỶ LỆ C/N CỦA MỘT SỐ CHẤT THẢI ..................................................................................................................................................................... 171 BẢNG 6. 4 CHỈ TIÊU PHÂN TÍCH CỦA RÁC SAU THỜI GIAN CHÔN LẤP .................................................................................................................................... 177 BẢNG 7. 1 THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ KHÔ, KHÔNG BỊ Ô NHIỄM ............................................................................................................................................ 181 BẢNG 7. 2 SO SÁNH CÁC CÔNG NGHỆ KIỂM SOÁT CHẤT GÂY Ô NHIỄM DẠNG KHÍ ................................................................................................................... 187 BẢNG 7. 3 TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNG XỬ LÝ CỦA MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU ĐỆM TRONG LỌC SINH HỌC....................................................................................... 188 2.Danh mục hình HÌNH 1. 1 MARCUS VITRUVIUS POLLIO.................................................................................................................................................................................. 1 HÌNH 1. 2 ANTONI VAN LEEUVENHOOK (1632-1723) VÀ CHIẾC KÍNH HIỂN VI QUANG HỌC ĐẦU TIÊN ....................................................................................... 2 HÌNH 1. 3 LOUIS PASTEUR (1822 - 1895) .............................................................................................................................................................................. 2 HÌNH 1. 4 THÍ NGHIỆM BÁC BỎ THUYẾT TỰ SINH .................................................................................................................................................................... 3 HÌNH 1. 5 CÁC NHÀ VI SINH VẬT HỌC GIAI ĐOẠN SAU PASTEUR ............................................................................................................................................... 4 HÌNH 1. 6 KÍCH THƯỚC VI SINH VẬT TRONG SINH GIỚI ............................................................................................................................................................ 6 HÌNH 1. 7 TỐC ĐỘ SINH TRƯỞNG CỦA MỘT SỐ LOÀI VI SINH VẬT ............................................................................................................................................. 7 HÌNH 1. 8 QUÁ TRÌNH TRỰC PHÂN ......................................................................................................................................................................................... 9 HÌNH 1. 9 CÁC LOẠI CẦU KHUẨN ......................................................................................................................................................................................... 12 HÌNH 1. 10 CÁC LOẠI TRỰC KHUẨN ..................................................................................................................................................................................... 14 xi
HÌNH 1. 11 CẦU TRỰC KHUẨN VÀ PHẨY KHUẨN .................................................................................................................................................................... 15 HÌNH 1. 12 XOẮN THỂ VÀ XOẮN KHUẨN ............................................................................................................................................................................... 15 HÌNH 1. 13. VỎ NHẦY CỦA VI KHUẨN ACETOBACTER XYLINUM .............................................................................................................................................. 16 HÌNH 1. 14 CẤU TRÚC THÀNH TẾ BÀO VI KHUẨN GRAM (+) VÀ GRAM (-) ............................................................................................................................... 17 HÌNH 1. 15 CẤU TRÚC MÀNG TẾ BÀO ................................................................................................................................................................................... 19 HÌNH 1. 16 VỊ TRÍ CỦA MESOSOME TRONG TẾ BÀO................................................................................................................................................................ 20 HÌNH 1. 17 CẤU TRÚC RIBOSOME CỦA PROKARYOTE VÀ EUKARYOTE .................................................................................................................................... 21 HÌNH 1. 18 THỂ NHÂN VÀ PLASMID TRONG TẾ BÀO VI KHUẨN ESCHERICHIA COLI .................................................................................................................. 23 HÌNH 1. 19 CÁC DẠNG VÀ CẤU TRÚC TIÊM MAO Ở VI KHUẨN. ................................................................................................................................................ 24 HÌNH 1. 20 CẤU TẠO VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NHA BÀO Ở VI KHUẨN ................................................................................................................................ 26 HÌNH 1. 21. CẤU TẠO CỦA XẠ KHUẨN .................................................................................................................................................................................. 28 HÌNH 1. 22 KHUẨN LẠC VÀ VÒNG ĐỜI CỦA XẠ KHUẨN .......................................................................................................................................................... 28 HÌNH 1. 23 CẤU TẠO TẾ BÀO VI KHUẨN LAM ......................................................................................................................................................................... 30 HÌNH 1. 24 CẤU TẠO TẾ BÀO PROKARYOTE VÀ EUKARYOTE .................................................................................................................................................. 31 HÌNH 1. 25 CẤU TẠO TẾ BÀO NẤM MEN ................................................................................................................................................................................ 33 HÌNH 1. 26 CẤU TRÚC VÁCH TẾ BÀO NẤM MEN ..................................................................................................................................................................... 33 HÌNH 1. 27 CẤU TRÚC MÀNG TẾ BÀO NẤM MEN .................................................................................................................................................................... 34 HÌNH 1. 28 CẤU TRÚC TY THỂ TẾ BÀO NẤM MEN ................................................................................................................................................................... 35 HÌNH 1. 29 CẤU TẠO MẠNG LƯỚI NỘI CHẤT TẾ BÀO NẤM MEN ............................................................................................................................................... 36 HÌNH 1. 30 CẤU TRÚC BỘ GOLGI ........................................................................................................................................................................................ 36 HÌNH 1. 31 HOẠT ĐỘNG KẾT HỢP CỦA GOLGI VÀ LYSOSOME TRONG TẾ BÀO ......................................................................................................................... 37 HÌNH 1. 32 CẤU TRÚC NHÂN VÀ LỖ MÀNG NHÂN CỦA TẾ BÀO NẤM MEN ................................................................................................................................. 38 HÌNH 1. 33 SINH SẢN THEO PHƯƠNG THỨC NẢY CHỒI Ở NẤM MEN ........................................................................................................................................ 39 HÌNH 1. 34 SINH SẢN THEO PHƯƠNG THỨC PHÂN CẮT Ở NẤM MEN ........................................................................................................................................ 40 HÌNH 1. 35 KHUẨN LẠC NẤM MỐC ....................................................................................................................................................................................... 41 HÌNH 1. 36 CẤU TRÚC VÙNG NGỌN SỢI NẤM. ....................................................................................................................................................................... 42 HÌNH 1. 37 HAI LOẠI KHUẨN TY CỦA NẤM MỐC .................................................................................................................................................................... 42 HÌNH 1. 38 CẤU TẠO TẾ BÀO SỢI NẤM .................................................................................................................................................................................. 43 HÌNH 1. 39 CÁC LOẠI BÀO TỬ VÔ TÍNH Ở NẤM MỐC .............................................................................................................................................................. 44 HÌNH 1. 40 QUÁ TRÌNH SINH SẢN HỮU TÍNH Ở NẤM MỐC RHYZOPUS VÀ ASPERGILLUS ........................................................................................................... 45 HÌNH 1. 41 MỘT VÀI LOẠI TẢO ĐỎ ....................................................................................................................................................................................... 46 HÌNH 1. 42 NHÓM TẢO NÂU................................................................................................................................................................................................. 47 HÌNH 1. 43 NHÓM TẢO LỤC................................................................................................................................................................................................. 49 HÌNH 1. 44 CÁC NHÓM ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH .................................................................................................................................................................. 51 HÌNH 1. 45 TIÊU HÓA Ở ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH ................................................................................................................................................................. 52 HÌNH 1. 46. KÍCH THƯỚC VÀ HÌNH THÁI CỦA MỘT SỐ VIRUS ĐIỂN HÌNH................................................................................................................................. 54 HÌNH 1. 47 CẤU TRÚC ĐỐI XỨNG XOẮN Ở VIRUS ................................................................................................................................................................... 54 HÌNH 1. 48 CẤU TRÚC KHỐI ĐA DIỆN CỦA VIRUS .................................................................................................................................................................. 55 HÌNH 2. 1 VẬN CHUYỂN THỤ ĐỘNG Ở TẾ BÀO VI SINH VẬT ..................................................................................................................................................... 66 HÌNH 2. 2 CƠ CHẾ THẨM THẤU............................................................................................................................................................................................ 66 HÌNH 2. 3 CÁC KÊNH VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG..................................................................................................................................................................... 67 HÌNH 2. 4 CẤU TẠO PHÂN TỬ CAO NĂNG ATP ...................................................................................................................................................................... 69 HÌNH 2. 5 CON ĐƯỜNG ĐƯỜNG PHÂN EMPDEN – MEYEHOF- PASNAS ................................................................................................................................... 70 HÌNH 2. 6 CON ĐƯỜNG ĐƯỜNG PHÂN PENTOSE PHOSPHAT .................................................................................................................................................. 71 HÌNH 2. 7 CON ĐƯỜNG ĐƯỜNG PHÂN ENTER – DOUDOROFF ............................................................................................................................................... 72 HÌNH 2. 8 CHU TRÌNH KREB (CHU TRÌNH ATC) ................................................................................................................................................................... 73 HÌNH 2. 9 KHẢ NĂNG LÊN MEN CỦA MỘT SỐ LOÀI VI SINH VẬT .............................................................................................................................................. 74 HÌNH 2. 10 SINH TRƯỞNG PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN NUÔI CẤY TĨNH .................................................................................................... 77 HÌNH 2. 11 ĐƯỜNG CONG SINH TRƯỞNG KÉP CỦA VI SINH VẬT ............................................................................................................................................. 79 HÌNH 2. 12 SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN NUÔI CẤY LIÊN TỤC ................................................................................................................ 79 HÌNH 2. 13 HỆ THỐNG NUÔI CẤY LIÊN LỤC CHEMOSTAT VÀ BIOREACTOR .............................................................................................................................. 80 HÌNH 3. 1 MỘT SỐ LOẠI VI SINH VẬT ..................................................................................................................................................................................... 88 HÌNH 3. 2 CHU TRÌNH CHUYỂN HÓA CARBON........................................................................................................................................................................ 91 HÌNH 3. 3 CHU TRÌNH PHOSPHOR ........................................................................................................................................................................................ 98 HÌNH 4. 1 NGUỒN CHẤT HỮU CƠ Ở SÔNG VÀ SUỐI. .............................................................................................................................................................. 104 HÌNH 4. 2 ĐƯỜNG CONG OXI HÒA TAN. .............................................................................................................................................................................. 104 HÌNH 4. 3 HỒ NGHÈO DINH DƯỠNG VÀ HỒ GIÀU DINH DƯỠNG. ........................................................................................................................................... 106 xii
HÌNH 4. 4 SỰ PHÂN BỐ CỦA VI SINH VẬT VÀ ÁP SUẤT Ở MÔI TRƯỜNG BIỂN. ........................................................................................................................... 107 HÌNH 4. 5 CHU TRÌNH CACBON Ở ĐẠI DƯƠNG. .................................................................................................................................................................... 108 HÌNH 4. 6 VI SINH VẬT TRONG LỚP BĂNG Ở BIỂN.THỎI BĂNG LẤY TỪ NAM CỰC TIẾP GIÁP VỚI NƯỚC BIỂN. DẢI TỐI (MŨI TÊN) LÀ QUẦN XÃ VI SINH VẬT. (THEO PRESCOTT-HARLEY-KLEIN, 2002) ........................................................................................................................................................................... 109 HÌNH 4. 7 TẢO PSEUDO-NITZSCHIA. ................................................................................................................................................................................... 110 HÌNH 4. 8 TẢO PFIESTERIA PISCICIDA ................................................................................................................................................................................ 110 HÌNH 4. 9 THƯƠNG TÍCH Ở CÁ DO PFIESTERIA GÂY NÊN. ..................................................................................................................................................... 111 HÌNH 5. 1 PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN KỴ KHÍ............................................................................................................................................. 145 HÌNH 5. 2 SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH ...................................................................................................................................................................... 153 HÌNH 5. 3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ AEROTANK........................................................................................................................................................ 154 HÌNH 5. 4 MỘT SỐ VI KHUẨN DẠNG SỢI TRONG BÙN HOẠT TÍNH .......................................................................................................................................... 157 HÌNH 5. 5 MÀNG LỌC SINH HỌC MBR ................................................................................................................................................................................ 159 HÌNH 5. 6 BỂ LỌC SINH HỌC NHỎ GIỌT............................................................................................................................................................................... 159 HÌNH 5. 7 ĐĨA QUAY SINH HỌC (ROTATING BIOLOGICAL CONTACTORS)................................................................................................................................ 160 HÌNH 5. 8 MÔ HÌNH BỂ TỰ HOẠI ......................................................................................................................................................................................... 165 HÌNH 5. 9 MÔ HÌNH BỂ UASB ............................................................................................................................................................................................ 166 HÌNH 7. 1 CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN ........................................................................................................................................................................................ 180 HÌNH 7. 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ ỨNG DỤNG SINH HỌC .......................................................................................................................................... 185 HÌNH 7. 3. THIẾT BỊ LỌC SINH HỌC XỬ LÝ KHÍ ..................................................................................................................................................................... 186 HÌNH 7. 4 THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ H2S SỬ DỤNG VI KHUẨN SOB (NGUỒN: NGUYỄN KHÁNH HOÀNG) ........................................................................................ 189 HÌNH 7. 5 QUÁ TRÌNH LÊN MEN CỦA CÁC CHẤT HỮU CƠ DO CÁC VI SINH VẬT YẾM KHÍ .......................................................................................................... 190 xiii
PHẦN A. LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: HÌNH THÁI, CẤU TẠO CỦA VI SINH VẬT 1.1. Lịch sử phát triển của vi sinh vật học Xét qua lịch sử phát triển, ngành vi sinh vật học trải qua 4 giai đoạn chính: A. Giai đoạn sơ khai * Học thuyết về sự tự sinh: Từ thời xa xưa, con người ta luôn tin vào học thuyết về sự tự sinh. Theo đó, các sinh vật sống trên Trái đất được tự nhiên sinh ra mà không cần đến các sinh vật có kết cấu tương đồng. Ví dụ như giòi được sinh ra từ đất, hay các sinh vật sống do Mặt trời và nước tạo nên chứ không cần đến cha mẹ chúng. Một ví dụ điển hình là kiến trúc sư người La Mã cổ đại Marcus Vitruvius Pollio (80 - 15 TCN) cho rằng, những con mọt sách được gió thổi đến từ hướng Nam hoặc hướng Tây, do đó thư viện nên quay mặt về phía Đông. Thậm chí cho đến cuối thế kỷ XIX, rất nhiều người vẫn tin vào học thuyết tưởng chừng như rất vô lý này. Họ tin rằng gió là một yếu tố trong việc kiến tạo sự sống. Một số người khác nghĩ, sâu và ếch tự sinh ra từ bùn, còn giòi là do thịt thối phân hủy ra mà thành. Hình 1. 1 Marcus Vitruvius Pollio * Chế tạo ra kính hiển vi: Người đầu tiên nhìn thấy và mô tả vi sinh vật là Antoni Van Leeuvenhook (1632-1723), người Hà Lan. Ông là một thương nhân buôn vải, muốn tìm hiểu cấu trúc của sợi vải ông đã chế tạo ra các thấu kính và lắp ráp chúng thành kính hiển vi đầu tiên có độ phóng đại 160 lần. Ông đã quan sát và mô tả thế giới nhỏ bé của vi sinh vật từ những mẫu nước sông hồ, nước ao tù, nước cống và ngay cả chính trong bựa răng của ông. Cho đến cuối đời, Leeuvenhook đã chế tạo được những chiếc kính hiển vi thô sơ với độ phóng đại từ 270 – 300 lần. Năm 1695, ông đã xuất bản quyển “Phát hiện của Leeuvenhook về những bí mật của thế giới tự nhiên”. 1
Hình 1. 2 Antoni Van Leeuvenhook (1632-1723) và chiếc kính hiển vi quang học đầu tiên B. Giai đoạn vi sinh vật học Pasteur Louis Pasteur (1822 - 1895), nhà hóa học, nhà vi sinh vật học người Pháp, với những phát hiện về các nguyên tắc của tiêm chủng, lên men vi sinh. Ông được xem là một trong 3 người thiết lập nên lĩnh vực vi sinh vật học, cùng với Ferdinand Cohn và Robert Koch, và được gọi là "cha đẻ của vi sinh vật học Năm 1856, ông đã công bố Quy luật tạo sinh cho rằng, sự sống phải bắt nguồn sự sống, hay con cái phải có bố mẹ sinh ra. Một sinh vật có ý thức dù là một tế bào nhỏ nhất, đơn giản nhất không thể được tạo ra từ sự kết hợp của những nguyên tử hóa học vô cơ. Học thuyết của Pasteur đưa ra dựa trên vô số thực nghiệm, vậy nên ta đã có thể bác bỏ được học thuyết tự sinh lâu đời kéo dài hàng ngàn năm. Hình 1. 3 Louis Pasteur (1822 - 1895) Vào thời của Hoàng đế Napoléon III, Louis Pasteur tiến hành các nghiên cứu về sự biến đổi của rượu vang trong quá trình lên men nước ép của nho. Ông phát hiện rằng tất cả các biến đổi này đều do các sinh vật "kí sinh" vì chúng phát triển nhiều hơn các vi sinh cần thiết cho quá trình lên men rượu bình thường. Ông đã hướng dẫn những người làm rượu chỉ nên sử dụng nguồn vi sinh vật sạch, không lẫn các sinh vật ký sinh để tránh các trường hợp sản phẩm bị hư hỏng. Trong khi cố gắng tìm ra một phương thuốc hữu hiệu để điều trị chứng bệnh mà ông đã tìm ra nguyên nhân, Pasteur lại phát minh ra một kỹ thuật nhằm giảm thiểu sự tạp nhiễm môi trường nuôi cấy bằng cách đun nóng môi trường này lên đến khoảng 55-60 °C trong điều kiện không có không khí. Kỹ thuật này sau đó được đặt tên là phương pháp khử 2
khuẩn Pasteur (pasteurisation), một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo và bảo quản rượu vang. Hình 1. 4 Thí nghiệm bác bỏ thuyết tự sinh Từ năm 1878 đến 1880, ông đã khám phá ra ba chủng vi khuẩn: liên cầu khuẩn (streptococcus), tụ cầu khuẩn (staphylococcus) và phế cầu khuẩn (pneumococcus). Xuất phát từ quan niệm rằng một loại bệnh được gây nên do một loại vi sinh vật nhất định do nhiễm từ môi trường bên ngoài, Pasteur đã thiết lập nên những nguyên tắc quan trọng trong vô khuẩn. Tỉ lệ tử vong hậu phẫu cũng như hậu sản giảm xuống một cách ngoạn mục nhờ áp dụng những nguyên tắc này. Mặc dầu L. Pasteur là người đầu tiên chứng minh cơ sở khoa học của việc chế tạo vaccin nhưng thuật ngữ vaccin lại do một bác sĩ nông thôn người anh Edward Jenner (1749- 1823) đặt ra. Ông là người đầu tiên nghĩ ra phương pháp chủng đậu bằng mủ đậu mùa bò cho người lành, để phòng bệnh đậu mùa, một căn bệnh hết sức nguy hiểm cho tính mạng thời bây giờ. Vaccine ngừa bệnh dại đầu tiên trên cơ sở virus giảm độc lực này đã được Pasteur, sau nhiều đắn đo suy tính, sử dụng vào ngày 6 tháng 7 năm 1885 ở một bé trai tên là Joseph Meister, người bị chó dại cắn trước đó. Đây là một thành công vang dội của Pasteur cũng như của nền y khoa thế giới. Kết quả công trình nghiên cứu về bệnh dại được Pasteur trình bày trước Viện Hàn lâm Khoa học Pháp vào ngày 1 tháng 3 năm 1886. Nhân dịp này ông cũng đề nghị thành lập một cơ sở nhằm sản xuất vaccine chống bệnh dại. Năm 1887 lời kêu gọi này được công bố rộng rãi và nhận được 2 triệu Franc Pháp quyên góp. Nhờ đó vào năm 1888, Tổng thống Sadi Carnot cho tiến hành xây dựng Viện Pasteur đầu tiên tại Pháp. Các Viện Pasteur khác sau đó cũng được thành lập ở những nới khác trên thế giới nhờ ảnh hưởng của các nhà vi sinh vật học như Albert Calmette và Alexandre Yersin. Tôn chỉ của Viện Pasteur từ 3
đó đến nay không thay đổi: tiến hành các nghiên cứu chế tạo vaccine và các chiến dịch tiêm phòng chống lại các bệnh truyền nhiễm C. Giai đoạn vi sinh vật học sau Pasteur Tiếp theo sau Pasteur là Koch (Robert Koch 1843-1910), là người có công trong việc phát triển các phương pháp nghiên cứu vi sinh vật. Ông đề ra phương pháp chứng minh một vi sinh vật là nguyên nhân gây ra bệnh truyền nhiễm mà ngày nay mọi nhà nghiên cứu bệnh học phải theo và gọi là quy tắc Koch. Hình 1. 5 Các nhà vi sinh vật học giai đoạn sau Pasteur Ngày 24-3-1882, Koch công bố công trình khám phá ra vi trùng gây bệnh lao và gọi nó là Mycobacterium tuberculosis, là một bệnh nan y thời đó. Khám phá này mở đường cho việc chữa trị bệnh ngày nay. Kế đó học trò của Koch là Petri (Juliyes Richard Petri, 1852-1921) chế ra các dụng cụ nghiên cứu vi sinh vật mà ngày nay còn dùng tên của ông để đặt cho dụng cụ ấy: đĩa Petri. Ông cũng nêu ra các biện pháp nhuộm màu vi sinh vật. 4
Ivanopxki, 1892 và Beijerrinck, 1896 là những người phát hiện ra virus đầu tiên trên thế giới khi chứng minh vi sinh vật nhỏ hơn vi khuẩn, qua được lọc bằng sứ xốp, là nguyên nhân gây bệnh khảm cây thuốc lá. D. Giai đoạn vi sinh vật học hiện đại Ngày nay vi sinh vật đã phát triển rất sâu với hàng trăm nhà bác học có tên tuổi và hàng chục ngàn người tham gia nghiên cứu, các nghiên cứu đã đi sâu vào bản chất của sự sống ở mức độ phân tử và dưới phân tử, đi sâu vào kỹ thuật cấy mô và tháo lắp gen ở vi sinh vật và ứng dụng kỹ thuật tháo lắp này để chữa bệnh cho người, gia súc, cây trồng và đang đi sâu vào để giải quyết bệnh ung thư ở loài người. Vi sinh học hiện đại cũng đi sâu nghiên cứu những tính chất riêng biệt của vi sinh vật và hình thành các chuyên ngành như: Tế bào học, Phân loại học, Sinh lý học, Hóa sinh học, Di truyền học của vi sinh vật. Về mặt ứng dụng ngành vi sinh học gồm có các chuyên ngành như: Vi sinh vật học công nghiệp, Vi sinh vật học thực phẩm, Vi sinh vật học y học, Vi sinh vật học thú y, Vi sinh vật đất, Vi sinh vật học nước, Vi sinh vật học không khí, Vi sinh vật học dầu mỏ, Vi sinh vật học ngoài trái đất …. 1.2 Đặc điểm chung của vi sinh vật trong sinh giới 1.2.1 Đặc điểm chung của vi sinh vật 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). 5
Hình 1. 6 Kích thước vi sinh vật trong sinh giới 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 ...6 m2 ! 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 lactic (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. Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh Nhờ kích thước nhỏ bé nên tốc độ trao đổi chất của vi sinh vật nhanh hơn các loài có kích thước lơn. 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 4722 tấn. Trong nồi lên men với các điều kiện nuôi cấy thích hợp từ 1 tế bào có thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100 000 000- 1 000 000 000 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men dài hơn, ví dụ với men rượu (Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút. Với nhiều vi sinh vật khác còn dài hơn nữa, ví dụ với tảo Tiểu cầu (Chlorella) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ... 6
Hình 1. 7 Tốc độ sinh trưởng của một số loài vi sinh vật Có năng lực thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị 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 khác nhau, kể cả những điều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác thường không thể tồn tại được. Có vi sinh vật sống được ở môi trường nóng đến 1300C, lạnh đến 0-50C, mặn đến nồng độ 32% muối ăn, ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0,5 hoặc cao đến 10,7, áp suất cao đến trên 1103 at. hay có độ phóng xạ cao đến 750 000 rad. Nhiều vi sinh vật có thể phát triển tốt trong điều kiện tuyệt đối kỵ khí, có loài nấm sợi có thể phát triển dày đặc trong bể ngâm tử thi với nồng độ Formol rất cao... Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống ... do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần số biến dị thường ở mức 10-5-10-10. Chỉ sau một thời gian ngắn đã có thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các thế hệ sau. Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất. Nếu như khi mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ đạt 20 đơn vị/ml dịch lên men (1943) thì nay đã có thể đạt trên 100 000 đơn vị/ml. Khi mới phát hiện ra acid glutamic chỉ đạt 1-2g/l thì nay đã đạt đến 150g/ml dịch lên men. Phân bố rộng, chủng loại nhiều Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong không khí, trong đất, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể, người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi đồ vật... Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-địa-hoá học như vòng tuần hoàn C, N, P, S, Fe... Trong nước vi sinh vật có nhiều ở vùng duyên hải, vùng nước nông và ngay cả ở vùng nước sâu, vùng đáy ao hồ. Trong không khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ít. Số lượng vi sinh vật trong không khí ở các khu dân cư đông đúc cao hơn rất nhiều so với không khí trên mặt biển và nhất là trong không khí ở Bắc cực, Nam cực... Hầu như không có hợp 7