Giáo trình Vi sinh vật học nông nghiệp (Giáo trình cao đẳng sư phạm): Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:139

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Vi sinh vật học nông nghiệp" trang bị những kiến thức cơ bản nhất cho giáo sinh về vi sinh vật nông nghiệp. Giáo trình giới thiệu khái quát về thành tựu của công nghệ sinh học vi sinh vật trong lĩnh vực nông, lâm, ngư nghiệp và xử lí phế thải chống ô nhiễm môi trường.... Sách được chia thành 2 phần, mời các bạn cùng tham khảo phần 1 cuốn sách.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vi sinh vật học nông nghiệp (Giáo trình cao đẳng sư phạm): Phần 1

PGS.TS NGUYÊN x u â n t h à n h (Chủ biên) GS.TS NGUYỄN NHƯ THANH - GS.TSKH DƯƠNG ĐỨC TIÊN VI SINH vậT HỌC NÔNG NGHlềp (G iá o tr ìn h C ao đ ẳ n g S ư p h ạ m ) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC s ư PHẠM
C h ịu tr á c h n h iệ m x u á t bản : G iá m đốc Đ I N H N G Ọ C BẢO T ô n g b iê n t ậ p L Ê A N g ư ờ i n h â n x é t: GS. L Ê V Ã N N H Ư Ơ N G P G S .T S N G U Y Ễ N Đ Ì N H M Ạ N H B iên tá p núi d u n g : NGUYỄN HỔNG ÁNH N G U Y ỄN T H Ị H IỂ N B iên tá p tá i bản: NGUYEN n g ọ c bắc K ĩ t h u ả t vi tín h : VŨ ANH TUẤN B ìa v à tr ìn h b à y b ìa : P H Ạ M V IỆ T Q U A N G M ã số: 0 1 .0 1 .244 /6 81 - Đ H 20 07 VI SINH VẬT HỌC NÔNG NGHIỆP In 500 cuôn, khô 17 X 24cm, tại Công ty cô p h ần KOV. Sô đãng kí KHXB: 30-2007/CXB/244-120/ĐHSP, kí ngày 4/1/2007. In xong và nộp lưu chiêu th án g 4 nãm 2007.
NÓI ĐẦU Theo Quyết định của Bộ Giáo dục và Đào tạo, năm học 2002 -2003 đưa môn học Vi sinh vật học Nông nghiệp vào khung chương trình đào tạo cho hệ Cao đẳng Sư phạm khối kĩ thuật trong toàn quốc. Giáo trình Vi sinh vật học Nông nghiệp được biên soạn chù yếu dùng cho các trường Cao đẳng Sư phạm thuộc khối kĩ thuật nông nghiệp làm tài liệu giảng dạy và học tập. đồng thời có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ làm công tác nghiên cứu về lĩnh vực vi sinh vật. Giáo trình Vi sinh vật học Nông nghiệp trang bị những kiến thức cơ bản nhất cho giáo sinh về vi sinh vật nông nghiệp. Ngoài phần đại cương, còn giới thiệu khái quát về thành tựu cùa công nghệ sinh học vi sinh vật trong lĩnh vực nông, lâm, ngư nghiệp và xử lí phế thải chống ô nhiễm môi trường. Trên cơ sở đó các chuyên ngành trong khối nông, lâm, ngư nghiệp sẽ đi sâu vào phần vi sinh vật chuyên khoa cùa ngành mình ờ giai đoạn sau hoặc ờ bậc cao hơn. Giáo trình được phân công biên soạn như sau : 1. PGS.TS Nguyễn Xuân Thành biên soạn các chương 1, 3 , 4 , 5 , 6, 7, 10. 2. GS.TS Nguyễn Như Thanh biên soạn các chươns 2. 3, 6 , 8. 3. GS.TSKH Dương Đức Tiến biên soạn chương 9. Khi biên soạn giáo trình Vi sinh vật học Nông nghiệp, chúng tôi cố gắng thể hiện tính cơ bản, tính khoa học, tính hiện đại và tính hệ thống của môn học, nhưng do phải hoàn thành gấp trong một thời gian ngấn hơn nữa đây lại là lần đầu biên soạn một tài liệu dùng chung cho các trường Cao đẳng Sư phạm khối kĩ thuật trong toàn quốc cho nên khôn° tránh khỏi những sai sót.
Trong quá trình biên soạn giáo trình này, chúng tôi nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các cán bộ giảng dạy môn Vi sinh vật ở các trường Đại học và Cao đẳng trong khối nông - lâm - ngư nghiệp, chúng tòi xin chân thành cảm ơn, rất mong được sự cộng tác và đóng góp ý kiến cùa các cán bộ giảng dạy, sinh viên cùng bạn đọc trong quá trình sử dụng tài liệu này đê giúp chúng tôi hoàn thiện giáo trình, làm cơ sờ cho việc biên soạn giáo trình các môn học về lĩnh vực vi sinh vật sau này được tốt hơn. C hú ng tôi xin chán thành tiếp thu và cảm ơn. C Á C T Á C G IẢ 4
Phẩn I DẠI CƯƠNG v ế VI SINH VậT Chương 1 MỎ DẦU M ụ c tiêu + Nắm được các khái niệm về vi sinh vật (VSV) và nhiệm vụ của môn học v s v Nông nghiệp. + Sự phân bố cùa v s v trong tự nhiên và trong nông nghiệp (NN). + Vai trò của v s v trong tự nhiên, trong NN và trong hoạt động cùa con người. + Nauồn gốc lịch sử của môn học v s v . + Những thành tựu của công nghệ vi sinh. Nội dung + Khái niệm, thuật ngữ v s v . + Lĩnh vực và các chuyên khoa v s v . + Yêu cầu và nhiệm vụ của môn học. + Lịch sừ phát triển cùa v s v . + Thành tựu của công nghệ V sinh. I + Vai trò cùa v s v trong NN và hoạt động sống của con người. Tóm tắ t nội d u n g ch ư ơ n g 1 + v s v là những cơ thê vô cùng nhỏ bé, mắt thường khônơ thể nhìn thấy được. Muôn quan sát được v s v phải sử dụng kính hiển vi. + Vi sinh vật được phàn bố rất rộng trong tự nhiên : trong nước, trona đất trong không khí. Thậm chí chúng còn ỏ' những nơi, mà ờ đó khôns tồn tại cuộc Sốn2 cho các sinh vật khác. Ví dụ : Một số giống v s v có thể tồn tai đươc tron» 5
lớp băng dày 50m với nhiệt độ -1 9 0 °c , một số giống v s v khác lại G thể sống Ó được ở điều kiện nhiệt độ > +100°c. + Thế giới huyền ảo của v s v được phát hiện do nhà bác học nổi tiếng người Hà Lan Leeuwenhoek A .v (1632-1723) với dụng cụ tự chế tạo là kính hiển vi nguyên thuỷ. + Để góp phần vào việc hình thành môn học v s v , nhà bác học vĩ đại người Pháp là Pasteur (1822-1895) đã có nhiều công trình nghiên cứu cả về lí thuyết, cũng như về thực tiễn, đặc biệt các công trình nghiên cứu chế tạo vacxin phòng chống các bệnh hiểm nghèo. + v s v xâm nhập vào mọi lĩnh vực hoạt động sống của con người, chúng ta nắm chắc những quy luật phát sinh, phát triển và hoạt động sống cùa v s v , nhằm khai thác những mặt tích cực và ngăn chặn những tác hại của nó đế phục vụ đắc lực cho hoạt động sống của con người. Bằng các thành tựu của công nghệ sinh học v s v thực sự đã và đang có nhiều triển vọng trong thế kỉ XXI - thế kỉ của công nghệ sinh học. I Ể ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM v ụ CỦA VI SINH VẬT HỌC NÔNG NGHIỆP 1. Khái niệm Xung quanh ta ngoài các sinh vật lớn có thể nhìn thấy được bằng mất còn có vô vàn các sinh vật nhỏ bé, muốn thấy chúng phải sử dụng kính hiển vi. Người ta gọi chúng là v s v . Đ ịnh nghĩa : v s v là những cơ thể vô cùng nhỏ bé, mà mắt thường không nhìn thấy được, chỉ có thế quan sát được bằng kính hiển vi. Môn khoa học nghiên cứu về hoạt động sống cùa v s v được gọi là v s v học. C ông nghệ V sinh Ể Là ngành công nghệ nhằm khai thác tốt nhất khả nãng íẻ - kì diệu của cơ thể v s v . Nhiệm vụ của công nghệ vi sinh là tạo ra được điểu kiện thuận lợi cho các v s v hoạt động với hiệu suất cao nhất, phục vụ cho việc làm tăng cùa cải vật chất xã hội, đáp ứng nhu cầu cuộc sống của con người và cân bằng môi trường sinh thái. v s v bao gồm nhiều nhóm khác nhau : virus, vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm men. nấm mốc, vi khuẩn lam, tảo... v s v phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên : trong đất, trong nước, trong không khí, trong cơ thể các sinh vật khác và trong cả các loại lương thực, thực phẩm, các hàng hóa khác, trên các cơ chất hữu c ơ ... 6
2. Lĩnh vực và các chuyên khoa vi sinh vật v s v học phát triển rất nhanh và đã dần đến việc hình thành các lĩnh vực khác nhau : Vi khuẩn học (bơcterriologx), Nấm học (mycology), Tảo học (phvcology), Virus học (virology)... Việc phân chia các lĩnh vực còn có thế dựa vào các hướng ứng dụng, do vậy v s v còn được chia thành các chuyên khoa : Y v s v học, Thú y VSV học, v s v công nghiệp, v s v NN, v s v không khí, v s v học nước... Gần đây còn phát triển các lĩnh vực mới như v s v học phóng xạ. Địa v s v học, v s v học vũ trụ... Ngav trong v s v NN cũng có rất nhiều chuyên ngành : v s v đất. v s v trồng trọt, v s v trong bảo vệ thực vật, v s v xử lí ô nhiễm môi trường, v s v chãn nuôi, v s v thú y, v s v thuỷ hải sản, v s v học lâm nghiệp... Ngoài ra v s v còn được chia theo hệ sinh thái . từ thấp đến cao, từ chua đến ể kiềm, từ lạnh đến nóng, từ yếm khí đến hảo khí. 3. Nội dung của môn học Vi sinh vật học Nông nghiệp + Tìm hiểu các quy luật về sự phát sinh, phát triển và tiến hóa cùa v s v , về hình thái, cấu tạo, sinh lí, sinh hóa, di truyền... của các nhóm v s v thường gặp trong tự nhiên và trong NN. + Nghiên cứu vai trò to lớn về nhiều mặt cùa các nhóm v s v trong tự nhiên và trong nông nghiệp, trên cơ sờ đó đi tìm kiếm các biện pháp, các phương pháp nhằm khai thác một cách đầy đù nhất những tác động tích cực của v s v và ngãn chặn một cách hiệu quả nhất các tác động có hại của chúng. + Nắm được nguyên lí cơ bản của công nghệ vi sinh, bản chất của từng loại chế phẩm v s v , quy trình công nghệ, hiệu quả tác dụng và cách sử dụng cùa từna loại chế phẩm dùng trong lĩnh vực NN và xử lí phế thải nông, công nghiệp chông ô nhiễm môi trường. + Định hướng trong nghiên cứu về các lĩnh vực của công nghệ vi sinh, để tạo ra nhiều loại chế phẩm v s v hữu ích ứng dụng trong sản xuất NN phục vụ đắc lực cho hoạt động sống của con người. 4. Yêu cầu của môn học v s v học Nông nghiệp Sau khi học xong môn học này, giáo sinh phải hình thành được các năng lực cơ bản sau : 4.1. V é kiến thức + Hiểu ý nghĩa, vai trò cùa v s v trong sản xuất NN và đời sống xã hội đặc biệt trong tương lai khi công nghệ sinh học phát triển. 7
+ Nắm vững về đặc điểm hình thái, cấu tạo tế bào và hoạt động sống rất đa dạng của v s v , sự khác nhau giữa cơ thể v s v và cơ thể sống bậc cao về cấu tao cũng như hoạt động sống. + Nắm vững một số nhóm v s v chính có ý nghĩa trong sản xuất NN, cơ chê hoạt động của chúng, những ứng dụng chính trong sản xuất, chế biến và bảo quản sản phẩm NN. 4.2. V ề k ĩ năng + Biết liên hệ, vận dụng được vào việc học tập các học phần về kĩ thuật nống - lâm - ngư nghiệp để hiểu được những ứng dụng chính của v s v trong lĩnh vực đó. + Biết lựa chọn những nội dung thích hợp vào việc xây dựng bài giảng về kĩ thuật nông - lâm - ngư nghiệp ở THCS. 4.3. Vẻ thái độ + Yêu thích môn v s v với mong muốn khám phá những đặc tính còn tiềm án của thế giới kì diệu v s v . + Có năng lực tự học, tự nghiên cứu để nâng cao hiểu biết của bản thán về lĩnh vực v s v và ứng dụng v s v trong NN. II. L Ị C H SỬ P H Á T TR IỂN K H O A H Ọ C VI SINH V Ậ T Lịch sử phát triển của v s v có thê chia ra 4 giai đoạn : 1. Giai đoạn trưổc khi phát hiện ra thê giới vi sinh vật Từ nãm 372 - 287 trước Công nguyên, nhà triết học cổ Hi Lạp (theo Phrastes) trong tập “Những quan sát về cây cối” đã eoi cây họ Đậu như vật bói bổ lại sức lực cho đất. Nhận xét này đã được nhiều người cổ La Mã quan tâm. Vào những năm 30 trước Công nguyên, họ đã đề nghị luân canh giữa cây hòa thảo với cây họ Đậu. Nhìn chung trước thế kỉ XV, tất cả những sự kiện xảy ra trong tự nhiên và trong cuộc sống, con người đều cho là do “đấng tối cao” tạo dựng. Tuy nhiên khi đó con người đã biết áp dụng một số quv luật tất yếu cúa thiên nhiên vào trona cuộc sông như : ủ men nâu rượu, xen canh hoặc luân canh giữa cây hòa thảo với câv. họ Đ ậ u ... Mãi đến giữa thế kỉ XV, bác sĩ nổi tiếng người Ý Đ. Fracastoro (1483 - 1553) nghiên cứu bệnh truyền nhiễm ờ người đã kết luận : 8
“ Nguồn gốc của bệnh truyền nhiễm là do sự bẩn thiu gây ra. nó được truyền từ người này sang người khác qua một môi giới, mà môi giới này từ trước đên nay loài người còn chưa biết đến”. Nhờ có phát minh của Fracastoro, mà sau đó nhiều nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu để tìm hiếu về “mói giới". 2. Giai đoạn phát minh ra kính hiển vi Giữa thế kỉ XVII, chù nghĩa tư bản bắt đầu phát triển mạnh. Do yêu cầu cùa ngành hàng hái. kĩ thuật quang học được chú ý nhiều. Trên cơ sờ phát triển cùa quang học, kính hiển vi đã xuất hiện. Leeuwenhoek A .v (1632 - 1723) với kính hiển vi tự chế tạo có độ phóng đại 160 lần, lần đầu tiên đã phát hiện thế giới v s v . Quan sát nước ao tù, các dung dịch nước ngâm, các chất hữu cơ, bựa răng, Leeuwenhoek thấy ờ đâu cũng có những sinh vật nhỏ bé. Rất đỗi ngạc nhiên với hiện tượng quan sát trên, ông đã viết : “Tôi thấy trong bựa rãng ờ miệng tồi có rất nhiều sinh vật tí hon hoạt động. Chúng nhiểu hơn so với cả Vương quốc Hà Lan hợp nhất”. Quan sát và phát hiện cùa ông đã trình bày trong nhiều tiểu phẩm. Những tiểu phẩm này được tập hợp lại trong tác phẩm của Leeuwenhoek có tiêu đề : “Nhữns bí mật của thế giới tự nhiên” xuất bản nãm 1695. Để ghi nhận công lao to lớn của Leeuwenhoek, loài người đã tôn ỏng là Cha của v s v học. Người đấu tiên phát hiện ra một thế giới mới. đó là “th ế g iớ i huyền ảo của V SV ". 3. Giai đoạn hình thành khoa học vi sinh vật Đến thế kì XIX, cùng với sự phát triển cùa chù nghĩa tư bản, các ngành khoa học kĩ thuật nói chung và ngành v s v nói riêng phát triển mạnh. Những đóng góp xây dựng cho sự phát triển của v s v ờ giai đoạn nàv tập trung nhất ờ các công trình cùa nhà bác học vĩ đại naười Pháp là Pasteur (1822-1895). Các công trình cúa ông có giá trị lớn cả về lí thuyết cũng như thực tiễn. Nhữna công trình đầu tiên cùa Pasteur nhằm giải quyết vấn đề vai trò cùa v s v trons các quá trình lên men. Nghiên cứu của Pasteur chẳng những có tác dụng lớn đến kĩ thuật chế biến rượu, mà còn giài quyết một cách cơ bản một quá trình sinh lí quan trọng, như là quá trình hò hấp. Ong đã chi rõ : Lên men chính là một quá trình hô hấp yếm khí. Nshièn cứu cùa ông đã bác bò quan điểm hóa học đơn thuần cùa Liebis thời bấy giờ. Trong khi nghiên cứu quá trình lên men, Pasteur đã tìm ra một phương pháp đơn siản nhưng rất có giá trị : khi rượu đã đủ ngon rồi thì chì cần đun nóng lèn và giữ trong thùng kín là có thể bảo quản được khá lâu. Phươno pháp khừ trùng Pasteur nàv không những có tác dụn2 to lớn đối với côn° n°hê 9
thực phẩm mà còn đặt cơ sở cho các phương pháp khử trùng trong y học. Pasteur đã xác định rằng lên men lactic là do vi khuẩn lactic đảm nhiệm. Năm 1863, Pasteur đã chứng minh bệnh nhiệt thán là do một loại vi khuẩn gây nên. ở miền Nam nước Pháp và Italia, những con tằm thường bị bệnh rất nghiêm trọng. Qua nghiên cứu, Pasteur thấy bệnh này do một loại v s v gây ra. Để tránh lây lan ông đã đề xuất phòng bệnh bằng phương pháp cách li. Phương pháp này có hiệu quả. Nó đã giải quyết được vấn đề lớn trong nghề nuôi tằm thời bấy giờ. Từ nghiên cứu này Pasteur đã ứng dụng vào việc chữa bệnh cho người và gia súc. Phương pháp cách li để tránh sự lây lan của bệnh tật đã trở thành phương pháp phòng bệnh rất quan trọng. Pasteur sau khi nghiên cứu bệnh đậu mùa ờ gà nhận thấy nếu đem virus đã làm yếu đi và tiêm vào gà một số lượng nhất định, thì nó sẽ tạo cho gà có khả năng chống bệnh. Từ thí nghiệm ờ gà, ông đã đề xuất phương pháp làm yếu vi khuẩn gây bệnh nhiệt thán ở nhiệt độ 42 - 43°c và làm vacxin chống bệnh nhiệt thán. Pasteur đã làm thí nghiệm tiêm phòng vacxin cho cừu vào năm 1881 ở nông trường Paifo. Thí nghiệm đạt được kết quả là 25 con được tiêm chùng vacxin vẫn sống khoẻ mạnh. Trong lúc đó 25 con không tiêm chủng bị chết. Pasteur cũng đã nghiên cứu bệnh dịch tả gà. Ông đã chứng minh bệnh do một loại virus gây nên. Pasteur đã tìm cách cấy virus ấy ở trong phòng thí nghiệm và sau chế thành vacxin phòng bệnh dịch tả gà. Kết quả nghiên cứu của ông tạo cơ sờ cho phương pháp phòng bệnh bằng tiêm phòng vacxin. Pasteur đã dày công nghiên cứu về bệnh dại. Đây là một cống hiến rất to lớn của ống cho nhân loại. Kết quả vào ngày 6/ 7/ 1885 đã đi vào lịch sử của loài người, đó là Pasteur đã chữa thành công cho một em bé bị chó dại cắn bằng vacxin phòng chống bệnh dại. Mesnhicôp (1845-1916) đã phát hiện bạch cầu và nhiều tế bào khác có khả năng tiêu hoá một số vi khuẩn. Qua nhiều nãm nghiên cứu ông đã đưa ra một học thuyết sinh lí học về miễn dịch, đó là học thuyết miễn dịch thực bào. Ông là người đầu tiên căn cứ vào tác dụng đối kháng giữa các v s v với nhau và phát triển thành lí luận về chất kháng sinh và cách sừ dụng chúng để chống vi khuán gây bệnh. Ivanôpxki (1864-1920), nhà thực vật học người Nga, năm 1892 khi nghiên cứu bệnh đốm lá ờ cây thuốc lá đã khảng định bệnh này do một loại v s v rất nhò bé gây ra. Nó bé hơn vi khuấn rất nhiều lần, do đó kính hiển vi thường không nhìn thấy và nó được gọi là vi khuán qua màng lọc hav virus. Phát hiện của Ivanôpxki đã mở rộng thêm lĩnh vực nghiên cứu cùa loài người đối với v s v . 10
4. Giai đoạn hiện đại Với sự phát triển nhanh chóng cùa các ngành khoa học và sự ra đời của hàng loạt các phương tiện nghiên cứu mới đã đưa đến những tiến bộ có tính chất nhảy vọt trong sinh học nói chung và trong v s v nói riêng. Nhờ có kính hiển vi điện tử, loài người có thể thấy được rõ từng cấu trúc của virus. Nhờ có máy siêu âm phá vỡ tế bào và màng, tách từng cấu trúc của tế bào, người ta có thể nắm được từng loại cấu trúc xây dựng lên cơ thể v s v . Nhờ các phương pháp phân tích nhanh chóng và hiện đại (như điện tử, sắc kí, quang phổ từ ngoại, quang phổ phát xạ, quang phổ hồng ngoại, cộng hường từ hạt nhân...), người ta có thể làm thuần khiết và định lượng từng nhóm hợp chất hóa học chứa trong tê bào v s v hoặc trong các sản phẩm trao đổi chất, mà v s v đã tích luỹ lại trong môi trường xung quanh. Nhờ kĩ thuật nhiễu xạ tia Rơnghen và việc sử dụng máy tính điện tử, người ta biết rõ được cấu trúc không gian của các hợp chất cao phân tử có ý nghĩa quan trọng trong hoạt động sống (protein, axit nucleic), v s v học ngoài ý nghĩa quan trọng đối với các ngành khoa học như đã trình bày ờ trên, nó còn trờ thành một mô hình lí tưởng đối với việc nghiên cứu các quy luật cơ bản về sự sống. Sự biến đổi di truyền ờ vi khuẩn nhờ tiếp thu axit dezoxyribonucleic (ADN) cùa một vi khuẩn khác gọi là hiện tượng biến nạp (tranformation) (Griffith E.J. (1928), Avery O.T). Hiện tượng chuyển vật chất di truyền từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác nhờ thực khuẩn (bacteriophage) làm trung gian gọi là hiện tượng tải nạp (transduction) (Zinder N.D. và Lederberg J.1952). Riêng về lĩnh vực v s v học NN, đã bị ảnh hườna rất lớn những tiến bộ cùa sinh học phân tử. của tin học, công nghệ sinh học. Người ta đã và đang chú ý nhiều đến hàng loạt các vấn đề có ý nghĩa sâu sắc, rộnơ lớn trong thực tiễn như : nghiên cứu cơ chế phàn tử cùa các quá trình miễn dịch và các khả nãng sản xuất, sử dụng các chế phẩm v s v ở quy mô công nghiệp như sinh khối giàu protein, vitamin, một sỏ axit amin không thay thế, các thể kháng sinh nhằm phục vụ cho công nghiệp hóa nền chăn nuôi, thuỷ hải sản. Trong trồng trọt và lâm nghiệp đã nghiên cứu mối quan hệ tương hỗ phức tạp giữa cây trồng và đất đai cùng với hệ v s v có ích nhằm xây dựng các chương trình điều khiểu tối ưu cho quần lạc nông, lâm nghiệp, bào vệ môi trường và hệ sinh thái. Như vậy rõ ràng v s v là một đối tượng rất quan trọng trong công nghệ sinh học để phục vụ ngàv càng đắc lưc cho sản xuất và đời sons cùa loài người. 11
III. THÀNH T ự u CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI SINH VẬT 1. Giai đoạn nghiên cứu cơ bản Đầu thế kỉ XIX nhiều công trình khoa học được ra đời, trong đó phải kể đến các công trình nghiên cứu của nhà bác học nổi tiếng người Pháp đó là Pasteur (1822-1895), tiếp đó là Ivanôpxki (1864), Hellrigel và Uynfac (1886). Vinagratxki, Beyjerinh, Kock, Frank.... Những công trình nghiên cứu cùa họ là cơ sớ cho sự phát triển của công nghệ vi sinh. Nhờ đó một loạt các loại chế phấm v s v ra đời, như Pasteur đã chỉ ra rằng v s v đóng vai trò quyết định trong quá trình lên men. Kết quả nghiên cứu của Pasteur đã làm cơ sở cho sự phát triển của công nghiệp lên men và sản xuất dung môi hữu cơ như : axeton, etanol, butanol, isopropanol..... 2. Giai đoạn sản xuất và ứng dụng công nghệ vi sinh vật Cuối thế kí XIX đầu thế kí XX, Pasteur đã chế thành công vacxin phòng bệnh dại (1885) ; năm 1886 Hellrigel và Uynfac đã tìm ra cơ chế của quá trình cố định nitơ phân tử ; năm 1895 - 1900 Anh, Mĩ, Ba Lan và Nga bắt đầu sản xuất chế phấm v s v cố định nitơ phân từ ; năm 1907 ớ Mĩ người ta gọi chế phấm v s v này được gọi là “những chí nitơ năm 1900 - 1914 nhiều nước trên thế giới sản xuất chế phẩm v s v như : Canada, Tân Tây Lan, Áo. Theo Fred và cộn 2 sự, thì trong thời gian này có 10 nhà máy xí nghiệp sản xuất chế phẩm v s v cố định nitơ phán tử, trong đó có 9 xí nghiệp ờ châu Âu và 1 xí nghiệp ở Tân Tây Lan. Từ nãm 1964 vấn đề cô định nitơ phân tử được coi là một trong hai vấn đề quan trọng nhất của chương trình sinh học quốc tế (IBP). Nhờ có chương trình trên nhiều loại chế phẩm v s v ra đời, chúng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực NN như chế phẩm v s v đồng hoá nitơ phân tử ; chế phẩm v s v đa chức nãng ; chế phám v s v dùng trong bảo vệ thực vật ; vacxin phòng chống các loại bệnh cho người, gia súc gia cầm ; chế phẩm v s v xử lí ỏ nhiễm mỏi trường... Ở Việt Nam việc nghiên cứu về chế phám v s v được tiến hành từ những năm đầu cùa thập kí 60, mãi đến những năm 80 mới được đưa vào các chương trình khoa học cấp Nhà nước như : “Sinh học phục vụ NN ” giai đoạn 1982-1990 ; chương trình "Công nghệ sinh học" KC.08 giai đoạn 1991-1995 : 12
chương trình "Công nghệ sinh học phục vụ phát triển nông, lâm nghiệp bển vững, bảo vệ môi trường và sức khoẻ con người" KHCN.02 giai đoạn 1996-2000 và chương trình "Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ sinh học" giai đoạn sau 2000. Ngoài các chương trình Quốc gia nhiều Bộ, Ngành cũng triển khai nhiều đề tài, dự án cấp Bộ về vấn đề này. Trong chăn nuôi và ngư nghiệp, v s v cũng có tác dụng rất to lớn. ơ vật nuôi như gà, lợn. trâu, bò, tôm, cá... thường có một hệ v s v rất phong phú. Hệ v s v này đã giúp cho quá trình đồng hóa các chất dinh dưỡng và thải loại các chất cặn bã trong quá trình sống. Từ sơ sinh đến trưởng thành, các loại vật nuôi lúc nào cũng có liên quan mật thiết với hoạt động của các loài v s v , kể cả các loài có lợi cũng như có hại. Nhân dân ta đã có nhiều kinh nghiệm trong quá trình ủ chua thức ăn gia súc và làm men rượu phục vụ chăn nuôi. Cho nấm men vào thức ãn đã làm cho thức ăn có lượng dinh dưỡng cao hơn. mùi, vị thơm ngon hơn và kết quả là vật nuôi chóng lớn hơn. Thèm 6 -15% nấm men vào thức ăn nuôi lợn, làm tãng trọng được 10 - 20% , hạ thấp 10 - 16% chi phí so với đối chứng, lkg nấm men dùns nuôi sà có thể thèm được 30 - 40 quả trứng. Nhiều nơi người ta còn dùng nấm men để nuôi cá. bò sữa và ong mật. Nhiều nước trên thế giới đã xây dựng những xí nghiệp sản xuất sản phẩm nấm men phục vụ cho NN. ơ Liên Xô (cũ) năm 1968 đã xây dựng một nhà máy sản xuất nấm men từ paraíin với công suất 12000 tấn/ nãm. Nhật Bản nãm 1970 sản xuất nấm men ờ các nhà máy công nghiệp đã có sản lượng 50000 tấn/năm. Trong chăn nuôi, một trons những vấn đề lớn là làm thế nào để phòng chống được các bệnh truyền nhiễm. Môn v s v thú y cùng môn Dịch tễ học đề ra những phương pháp đề phònơ dịch bệnh cùa súc vật có thể lây sana người như bệnh dại hoặc nhiệt thán, lao ... Quá trình thu hoạch, bảo quản chế biến thành hàna hóa trong NN cũno liên quan đến các tác động cùa v s v . Nông sản có thể m ans theo nhiều loại vsv từ đồng ruộng vào trong kho. Thu hoạch đ ú n 2 lúc, trong điều kiện khỏ ráo, không làm nông sản bị sây sát, giập nát sẽ làm cho nhiều loại v s v gây hại không có điểu kiện phát triển, phẩm chất nôns sản không bị ảnh hườno có thê cất giữ lãu dài. 13
Thịt, sữa, trứng, cá là sản phẩm NN quý. Bảo quản, ch ế biến những sản phẩm này bao giờ cũng phải lưu ý đến hoạt động các v s v , đặc biệt là các v s v gây thối. IV. VAI T R Ò C Ủ A VI SINH V Ậ T Nhà bác học nổi tiếng người Pháp đã nói : “Mặc dù v s v gây lên các bệnh hiểm nghèo và rất hiểm nghèo cho người và động thực vật, nhưng chúng ta không nên tức giận chúng vì nếu không có v s v , thì không có cuộc sống trên Trái Đất như ngày nay và cũng không có các nhà bác học về VSV” . v s v có hai vai trò thuận và nghịch khác nhau : 1. Vai trò thuận + v s v tham gia vào quá trình hình thành đất trổng trọt, chúng phân huỷ, chuyển hóa các hợp chất bền vững thành các hợp chất đơn giản hơn và các chất dinh dưỡng dễ tiêu cung cấp cho cây trồng. + v s v tham gia vào việc khép kín vòng tuần hoàn các vật chất và giữ cân bằng sinh thái trong tự nhiên. + Một số chủng giông v s v tiết ra chất kháng sinh, vitamin, chất kích thích sinh trướng. Chính vì vậy, nó còn được áp dụng trong các quy trình công nghệ để sản xuất thuốc kháng sinh, vitamin và chất kích thích sinh trưởng... + Một số chủng giống v s v có khả năng đồng hóa nitơ không khí làm giàu dinh dưỡng nitơ cho đất, cung cấp dinh dưỡng nitơ cho cây trổng. + Một sô' chủng giống v s v trong tế bào có chứa tinh thể diệt côn trùng. Người ta dùng các chúng giống v s v này vào trong quy trình công nghệ đế sản xuất chế phẩm v s v dùng trong bảo vệ thực vật để diệt côn trùng có hại. + v s v còn phân huỷ các chất độc hại, các phế thải công, NN, làm sạch môi trường. 2. Vai trò nghịch + v s v gây ra các bệnh cho người, động và thực vật, chúng phá huỷ mùa màng trong quá trình sản xuất, chế biến, bảo quản lương thực và thực phẩm. + v s v còn phá huỷ các công trình xây dựng, cầu cống, các di tích lịch sử. gây nhiều phiền nhiễu trong hoạt động sống của con người. 14
Vì vậy, v s v có mặt ờ mọi nơi, thâm nhập vào mọi hoạt động sống của chúng ta. Nắm vững hoạt động của chúng, chúng ta có thể đề ra các biện pháp làm cho chúng trở thành vũ khí sắc bén trong công cuộc chinh phục và cải tạo thiên nhiên để phục vụ con người. Hướng dẩn ôn tập + Nắm được thuật ngữ, định nghĩa : Vi sinh v ậ t ; Vi sinh vật học. + Sự phân bố của v s v trong tự nhiên và các lĩnh vực, chuyên khoa v s v . + Nội dung của môn học và yêu cầu cùa môn học. + Lịch sử cùa môn học v s v và những thành tựu cùa công nghệ vi sinh. + Công nghệ sinh học v s v . Những thành tựu của công nghệ vi sinh hiện nay và trong tương lai. + Vai trò của v s v trong hoạt động sống cùa con người. 15
C hư ơng 2 VIRUS HỌC M ụ c tiêu + Nắm vững tính chất, hình thái cấu trúc của hạt virus. + Hiếu biết các phương pháp nuôi cấy virus động vật và virus thực vật. + Biết vận dụng các nhân tô' vật lí, hoá học, sinh học để sát trùng, tiêu độc. + Hiểu được các giai đoạn của quá trình nhân lén của virus. + Nắm được hiện tượng cản nhiễm interferon và biết vận dụng trong phòng chống bệnh virus. Nội dung + Lịch sứ nghiên cứu virus. + Tính chất của virus. + Hình thái, kích thước và cấu trúc của hạt virus. + Sức đề kháng cùa virus. + Các phương pháp nuôi cấy virus + Các giai đoạn quá trình nhân lên của virus. + Virus thực vật và các virus liên kết với tế bào chú. + Hiện tượng cản nhiễm và interferon. + Phân loại virus. T óm tắ t nội du n g ch ư o n g 2 + Virus là loại sinh vật cực kì bé nhò, lọt qua được lưới lọc vi khuán nho nhất, có khả nãng gây bệnh cho động vật và thực vật. Nhờ kính hiến vi điện tư. người ta có thế biết được kích thước và cấu trúc cơ bản cùa hạt virus. Virus có 2 thành phần chính là lo ij m tji u c le i c nằm ớ giữa hạt virus, mỏi loại virus chi có thể chứa một trong hai loại axit nucleic là ADN hoặc ARN, bao quanh lõi axit nucleic là lớp protein capsit. Sự tập hợp cùa những lớp protein này quyết định 16
những cấu trúc hình học của capsit như capsit đối xứng xoắn ốc, capsit đối xứng hình khối và hình thái phức tạp. Ngoài ra một số virus còn có thêm cấu trúc đặc biệt như lớp vỏ bọc ngoài (envelop) hoặc enzym hoặc tiểu thể bao hàm (inclusion). + Các yếu tố vật lí, hoá học, sinh học đều có ảnh hưởng tới virus như diệt virus, làm bất hoạt virus, làm yếu, làm nhược độc virus, tuỳ theo yêu cầu cùa nghiên cứu mà người ta tác động các yếu tố này lên virus. + Do virus là loại kí sinh bắt buộc, nên phải nuôi cấy virus trên các môi trường tổ chức sống, virus động vật có thể nuôi cấy trên động vật thí nghiệm, trên phôi thai gà đang phát triển và trên tế bào tổ chức. Phương pháp nào cũng có ưu, nhược điểm của nó. Trong 3 phương pháp thì phương pháp nuôi cấy tế bào tổ chức có nhiều ưu điểm hơn. Còn virus thực vật người ta nuôi cấy trẽn các cây cảm thụ được trồng riêng. + Quá trình nhân lên của virus trong tế bào cảm thụ gồm 5 giai đoạn : giai đoạn hấp phụ, giai đoạn xâm nhập, giai đoạn tổng hợp các thành phần cùa virus, giai đoạn lắp ráp hạt virus mới và giai đoạn giải phóng virus ra khòi tế bào để tiếp tục xâm nhập vào các tế bào lành. Trong 5 giai đoạn thì giai đoạn tổng hợp virus là phức tạp nhất. + Yếu tố gây hiện tưgng cản nhiễm là interferon, do tế bào sản sinh ra khi tế bào cảm thụ với virus, tác dụng cùa interferon là chống virus ờ bên trong tế bào, nên có thê ứng dụng hiện tượng cản nhiễm interferon như một kĩ thuật gây miễn dịch. I. L Ị C H SỬ N G H IÊ N cứu VIRUS Virus là phần tử rất nhỏ, có đặc trưng của sự sống, không giống bất kì một v s v nào, có đặc tính riêng, đại diện cho vật chất sống thấp nhất trong thế giới v s v . Thuật ngữ virus còn có tên là siêu vi khuẩn hay siêu vi. Với thí nghiệm nổi tiếng của Ivanôpxki (Ivanovski) người Nga nãm 1892 khi nghiên cứu tác nhàn gây bệnh đốm lá cây thuốc lá. ông nhận thấy chúng có thể qua được lưới lọc vi khuẩn (Chamberland filter), ông gọi sinh vật này là “vi khuẩn qua lọc" và sinh vật qua lọc này có thè gây bệnh cho cây lành. Nãm 1898 Bâyjơrin (Beijerinck) cũng lặp lại thí nghiệm này và xác nhận tác nhân gây bệnh đốm lá cày thuốc lá không phải là do một loại v s v thông thườno 17
Ông cho rằng đó là “chất dịch có hoạt tính truyền nhiễm”- chất dịch này nếu đem truyền cho cây thuốc lá bình thường thì cây sẽ bị bệnh giống như những cây bệnh lúc đầu quan sát được - ông dùng tiếng La Tinh là virus (mầm độc) để gọi mầm bệnh này. Thuật ngữ virus có từ bấy giờ. Cũng vào nãm 1898 Lôfle và Frôsơ (Loefler & Frosch) đã phát hiện ra nguyên nhân gây bệnh lở mồm long móng là một sinh vật qua được lọc vi khuẩn nhỏ nhất, đây là virus động vật đầu tiên được phát hiện. Sau đó, trong vòng vài chục nãm, nhiều virus cúa động vật, thực vật và ngay cả virus của vi khuẩn, của nấm, của nguyên sinh động vật cũng được phát hiện. Cho đến nay đã có hàng ngàn loại virus đã được xác định, chúng là nguyên nhân chủ yếu gây ra các bệnh truyền nhiễm ờ người, động vật và thực vật. Chỉ trong một thời gian ngắn, virus học đã phát triển rất nhanh chóng, nhờ sự phát minh ra kính hiển vi điện tử, sự hoàn thiện về kĩ thuật nuôi cấy tế bào tổ chức, sự phát hiện ra cấu trúc phân tử ADN. Đó là những điều kiện thuận lợi đặt nền móng cho việc nghiên cứu virus học về lí thuyết cơ bản cũng như về ứng dụng. Các bệnh truyền nhiễm do virus gây ra đang là mục tiêu nghiên cứu quan trọng nhất trong y học, thú y học và bảo vệ thực vật. II. TÍNH C H Ấ T C Ủ A VIRUS Virus là phần tử dưới tế bào, có cấu trúc độc lập, có kích thước cực kì nhỏ bé, có thê lọt qua các lưới lọc vi khuẩn, vì thê không thể quan sát thấy virus qua kính hiển vi quang học. Virus bắt buộc phải sống kí sinh trong tế bào sống. Virus là yếu tố gây nhiễm trùng kí sinh bắt buộc trong tế bào chủ thích nghi, vì virus không có ATP, không có đủ enzym để tự nhân lên, nên virus phải nhờ vào sự chuyển hoá của tế bào. Vì vậy, mà virus và tế bào sống có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Virus có thể gây bệnh hầu hết cho các loài sinh vật. Các tính chất của virus ẳ - 1. Virus có kích thước nhỏ bé từ hàng chục đến hàng trăm nanomet (nanomet, nm ; lnm = 10 6mm) nhưng vẫn có khả năng biểu hiện những tính chất cơ bản của sự sống, như gây nhiễm cho tế bào và duy trì nòi giống qua các thế hộ mà vẫn giữ được tính ổn định về mọi đặc tính sinh học của virus trong tế bào cám thụ. 18
2. Virus không có cấu tạo tế bào, chi là vật chất sống đơn giản chứa một loại axit nucleic (ADN hoặc ARN) và được bao bọc bằng một lớp protein, lớp này có nhiệm vụ bảo vệ axit nucleic với những tác động bên ngoài và giúp cho virus bám vào tế bào. 3. Khi virus đã xâm nhập vào trong các tế bào, hệ thống thông tin di truyền ớ trong axit nucleic của virus điều hành sự tổng hợp các thành phần cấu tạo nên virus. 4. Virus không có trao đổi chất, không có enzym hô hấp và chuyển hoá, vì vậy virus bắt buộc phải sống kí sinh nội bào, nếu tách khỏi tế bào chú virus không tồn tại được. 5Ễ Virus không nhân lên trong môi trường dinh dưỡng bình thường. Môi trường dinh dưỡng cùa virus là : các hợp chất của axit amin, môi trường tổng hợp nhân tạo, môi trường tế bào tổ chức sống. 6. Virus có khả năng tạo thành tinh thể. III. HÌNH THÁI, K Í C H T H Ư Ớ C C Ủ A VIRUS Virus chưa có cấu tạo tế bào, mỗi virus không thể gọi là một tế bào mà được gọi là một hạt virus hay virion. Đó là một virus thành thục có cấu trúc hoàn chinh. Virus có nhiều dạng hình thái khác nhau. 1. Dạng hình cầu đối xứng xoắn Dạng thường hay gặp, đa số các virus gây bệnh cho người và động vật thuộc dạng này như virus cúm, virus quai bị, virus ung thư ở người và gia cầm, kích thước từ 100 - 150nm (hình ld, e). 2. Dạng hình que đối xứng xoắn Gồm hầu hết các virus gây bệnh cho thực vật như : virus đốm lá cây thuốc lá, virus đốm khoai tây. kích thước từ 15 X 250nm (hình lc). 3. Dạng hình khối đối xứng xoắn Gồm các virus có nhiều góc cạnh, có cấu tạo phức tạp như : virus đậu mùa, virus khối u của người và động vật, virus đường hô hấp, kích thước từ 30 - 300nm (hình la. f). 19
4. Dạng hình tỉnh trùng Gồm hai phần : phần đầu có dạng hình khối 6 cạnh, phần sau là đuôi có dạng hình que gọi là thực khuẩn thể (phage, bacteriophage) có kích thước biến động từ 10-250nm (hình lh). Trừ virus đậu mùa có thể quan sát được bằng kính hiển vi quang học, còn hầu hết tất cả các virus có kích thước khoảng 0 ,2|^m thì không thấy được, v ề độ lớn thì virus họ Poxxiridae có kích thước lớn nhất 0,25|am (250nm) và virus nhỏ nhất là virus thuộc họ Picornaviridae có kích thước khoảng 10-20nm. e) f) g) h) Hình ỉ : Hình thái của một so virus Đối xứng 20 mật : a) virus polio, mụn cơm. Adeno. Rota ; b) H erpesvirus. Đôì xứng xoán ốc : c) TMV ; d)Vưus cúm : e) Sởi, quai bị. á cúm ; f) Dại. Đôì xứng không rõ ràng hoặc phức tap : g) Poxvirus ; h) Các pliage T. IVễ CÂU TRÚC CỦA VIRUS (hình 2) Cấu trúc cơ bản cùa virus bao gồm hai thành phần chính : 1. Axit nucleic (phần ruột) Nằm ớ giữa hạt virus tạo thành lõi hay hệ gen cúa virus, chứa axit nucleic, mỗi loại virus đều phải có một trong hai axit nucleic hoặc ADN hoặc ARN. 20