VI SINH VẬT ĐẠI CƯƠNG

Chia sẻ: Lotus_123 Lotus_123 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:250

Thêm vào BST

Báo xấu

856
lượt xem 217
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xung quanh chúng ta, ngoài các sinh vật lớn mà chúng ta có thể nhìn thấy được, còn có vô vàn vi sinh vật nhỏ bé muốn nhìn thấy chúng phải sử dụng kínhy hiển vi, người ta gọi chúng là vi sinh vật, Môn khoa học nghiên cứu về các hoạt động sống của các vi sinh vật được gọi là Vi sinh vật học

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: VI SINH VẬT ĐẠI CƯƠNG

VI SINH VẬT ĐẠI CƯƠNG 1
MỤC LỤC CHƯƠNG I. MỞ ĐẦU VỀ VI SINH VẬT HỌC ................................ 9 1. ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA VI SINH VẬT HỌC ............ 9 1.1. Đối tượng của vi sinh vật học đại cương ................................ . 9 1.2. Sự phân bố của vi sinh vật ................................ ...................... 10 1.3. Vai trò của vi sinh vật ................................ ............................. 10 1.4. Nhiệm vụ của vi sinh vật học đại cương ................................ .. 11 2. KHÁI LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT HỌC ................................ ................................ ......................... 12 2.1. Giai đoạn trước khi phát minh ra kính hiển vi.......................... 12 2.2. Giai đoạn sau khi phát minh ra kính hiển vi (Phát hiện ra vi sinh vật) ................................ ................................ ........................ 12 2.3. Giai đoạn vi sinh vật học thực nghiệm với Pasteur .................. 13 2.4. Giai đoạn sau Pasteur và vi sinh học hiện đại .......................... 15 3. CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT ........................... 17 3.1.Kích thước nhỏ bé ................................ ................................ ... 17 3.2. Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh................................ ............ 18 3.3. Sinh trưởng nhanh, phát triển mạ nh ................................ ........ 18 3.4. Có năng lực thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị........ 19 3.5. Phân bố rộng, chủng loại nhiều ................................ ............... 20 3.6. Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất ............................... 20 CHƯƠNG II. VI SINH VẬT NHÂN NGUYÊN THỦY .................... 22 1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI VÀ CẤU TẠO TẾ BÀO VI SINH VẬT ................................ ................................ .... 22 1.1. Kính hiển vi ................................ ................................ ............ 22 1.1.1. Kính hiển vi quang học ................................ .................... 22 1.1.2. Kính hiển vi điện tử ................................ ......................... 23 1.2. Phương pháp làm tiêu bản hiển vi ................................ ........... 24 1.2.1. Phương pháp làm tiêu bản soi tươi (giọt ép, giọt treo) ...... 24 1.2.2. Phương pháp làm tiêu bản nhuộm và soi kính hiển vi quang học................................ ................................ .................. 25 1.2.3. Phương pháp quan sát dưới kính hiển vi điện tử ............... 26 2. VI KHUẨN ................................ ................................ ................... 27 2.1. Hình dạng và kích thước ................................ ......................... 27 2.1.1. Cầu khuẩn (Coccus) ................................ ......................... 27 2
2.1.2. Trực khuẩn (Bacillus, Bacterium) ................................ .... 29 2.1.3. Cầu trực khuẩn (Cocco-Bacillus) ................................ ..... 31 2.1.4. Phẩy khuẩn (Vibrio) ................................ ........................ 31 2.1.5. Xoắn thể (Spirillum) ................................ ........................ 31 2.1.6. Xoắn khuẩn (Spirochaeta) ................................ ................ 32 2.2. Cấu tạo tế bào vi khuẩn ................................ ........................... 33 2.2.1. Thành tế bào (Cell wall)................................ ................... 34 2.2.2. Màng tế bào chất ................................ ............................. 37 2.2.3. Tế bào chất (Cytoplasm) ................................ .................. 39 2.2.4. Mesosom ................................ ................................ ......... 39 2.2.5. Ribosom ................................ ................................ .......... 40 2.2.6. Các hạt dự trữ ................................ ................................ .. 41 2.2.7. Thể nhân (nuclear body) ................................ .................. 42 2.2.8. Bao nhầy (capsula) ................................ .......................... 44 2.2.9. Tiêm mao (Flagella) và nhung mao (pilus hay fimbria) .... 45 2.2.10. Nha bào và sự hình thành nha bào (spore) ...................... 49 3. MỘT SỐ NHÓM VI KHUẨN ĐẶC BIỆT ................................ ..... 53 3.1. Xạ khuẩn ................................ ................................ ................ 53 3.2. Mycoplasma và dạng L của vi khuẩn ................................ ...... 56 3.3. Rickettsia ................................ ................................ ................ 57 4. SỰ SINH SẢN Ở VI KHUẨN ................................ ....................... 58 4.1. Sinh sản vô tính ................................ ................................ ...... 58 4.2. Sinh sản hữu tính ................................ ................................ .... 58 CHƯƠNG III. VI SINH NHÂN THẬT................................ ............... 61 1. NẤM MEN................................ ................................ .................... 61 1.1. Hình thái, cấu tạo nấm men ................................ ..................... 61 1.1.1. Hình thái, kích thước nấ m men ................................ ........ 61 1.1.2. Cấu tạo tế bào nấm men ................................ ................... 62 1.2. Sinh sản của nấm men ................................ ............................ 70 1.2.1. Sinh sản vô tính ................................ ............................... 70 1.2.2. Sinh sản hữu tính: Sinh sản bằng bào tử túi ....................... 73 1.3. Vai trò của nấm men ................................ ................................ ... 75 1.4. Phân loại nấ m men ................................ ................................ ...... 76 2. NẤM MỐC (NẤM SỢI) ................................ ................................ 76 2.1. Hình thái nấ m mốc ................................ ................................ . 76 2.2. Cấu tạo của nấm mốc ................................ .............................. 78 2.2.1. Khuẩn ty................................ ................................ .......... 78 2.2.2. Bào tử................................ ................................ .............. 84 3
3. TẢO ................................ ................................ .............................. 88 3.1. Ngành Tảo đỏ (Rhodophyta) ................................ ................... 89 3.2. Nhóm Tảo nâu ................................ ................................ ........ 90 3.2.1. Ngành Khuê tảo hay Tảo cát (Bacillariophyta) ................. 90 3.2.2. Ngành Tảo giáp (Pyrrophyta) ................................ ........... 91 3.2.3. Ngành Tảo nâu (Phaeophyta) ................................ ........... 91 3.3. Nhóm Tảo lục ................................ ................................ ......... 92 3.3.1. Ngành Tảo lục (Chlorophyta)................................ ........... 93 3.3.2. Ngành Tảo vòng (Charophyta) ................................ ......... 94 3.3.3. Ngành Euglenophyta (Tảo mắt) ................................ ....... 94 CHƯƠNG IV. SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT................................ .... 98 1. DINH DƯỠNG Ở VI SINH VẬT ................................ .................. 98 1.1. Thành phần hóa học tế bào vi khuẩn ................................ ....... 98 1.1.1. Nước ................................ ................................ ............... 98 1.1.2. Vật chất khô ................................ ................................ .... 99 2. CÁC KIỂU DINH DƯỠNG Ở VI SINH VẬT ............................... 106 2.1. Nhu cầu về thức ăn của vi sinh vật ................................ .......... 106 2.2. Nguồn thức ăn nitơ của vi khuẩ n ................................ ............. 110 2.3. Nguồn thức ăn khoáng đối với vi sinh vật ............................... 112 2.4. Nhu cầu về chất sinh trưởng của vi sinh vật............................. 114 3. CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT DINH DƯỠNG VÀO TẾ BÀO VI SINH VẬT ................................ ................................ .... 115 3.1. Khuếch tán thụ động ................................ ............................... 116 3.2. Vận chuyển nhờ permease ................................ ...................... 116 4. TRAO ĐỔI VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG............................... 120 4.1. Quá trình trao đổi năng lượng ................................ ................ 120 4.1.1. Bản chất của sự hô hấp vi sinh vật ................................ ... 121 4.1.2. Các loại hô hấp ................................ ................................ 121 4.2. Sự phân giải các hợp chất hữu cơ ................................ ............ 129 4.2.1. Phân giải các hợp chất không chứa Nitơ .......................... 129 4.2.2. Phân giải các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ .......................... 140 4.3. Tổng hợp các hợp chất hữu cơ ................................ ................ 144 4.3.1. Tổng hợp các hợp chất hữu cơ có Nitơ ............................. 144 4.3.2.Tổng hợp các hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ................ 147 5. SỰ SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT ........ 148 5.1. Sinh trưởng, sinh sản và phát triển của vi khuẩ n ...................... 148 5.2. Phương pháp nghiên cứu sự phát triển của vi sinh vật ............. 148 5.2.1. Nuôi cấy vi sinh vật ................................ ......................... 148 4
5.2.2. Nuôi cấy vi khuẩn ................................ ................................ 150 5.3. Các phương pháp định lượng vi khuẩn ................................ .... 151 5.3.1. Đếm trực tiếp dưới kính hiển vi ................................ ....... 151 5.3.2. Đếm số tế bào sống (khuẩn lạc trên đĩa thạch) .................. 153 5.3.3. Phương pháp đo độ đục của huyền phù vi khuẩn .............. 154 5.4. Lý thuyết về sự phát triển của vi khuẩn ................................ ... 156 5.5. Biểu đồ phát triển của vi khuẩn ................................ ............... 158 5.5.1. Sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn trong điều kiện nuôi cấ y tĩnh ................................ ................................ ............. 158 5.5.2. Hiện tượng sinh trưởng kép ................................ ............. 161 5.5.3. Sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn trong điều kiện nuôi cấ y liên tục ................................ ................................ ........ 162 CHƯƠNG V. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT................ 165 1. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TÁC NHÂN VẬT LÝ ......................... 165 1.1. Độ ẩm................................ ................................ ..................... 165 1.2. Nhiệt độ................................ ................................ .................. 165 1.2.1. Nhiệt độ thấp ................................ ................................ ... 166 1.2.2. Nhiệt độ cao ................................ ................................ .... 167 1.3. Áp suất thẩm thấu ................................ ................................ ... 168 1.4. Sóng siêu âm ................................ ................................ .......... 168 1.5. Sức căng bề mặt................................ ................................ ...... 169 1.6. Tia bức xạ................................ ................................ ............... 169 1.6.1. Ánh sáng mặt trời ................................ ............................ 170 1.6.2. Tia tử ngoại (tia cực tím -UV) ................................ .......... 170 2. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ HÓA HỌC ............................ 171 2.1. Ảnh hưởng của pH môi trường................................ ................ 171 2.2. Thế oxi hóa khử (Eh) ................................ .............................. 172 2.3. Các chất diệt khuẩn (sát trùng) ................................ ................ 173 2.3.1. Phenol ................................ ................................ ............. 173 2.3.2. Ethanol ................................ ................................ ............ 173 2.3.3. Các halogen tác dụng độc với vi khuẩn ............................ 174 2.3.4. Kim loại nặng ................................ ................................ .. 174 3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ SINH HỌC HAY TƯƠNG TÁC GIỮA VI SINH VẬT VỚI VI SINH VẬT VÀ VỚI VI SINH VẬT KHÁC ................................ ............................... 176 3.1. Kháng sinh ................................ ................................ ............. 176 3.1.1. Khái niệm và phân loại chất kháng sinh ........................... 176 5
3.1.2. Một số vấn đề về kháng sinh ................................ .................... 179 - Cơ chế tác động của kháng sinh................................ ................... 179 - Hiện tượng kháng thuốc của vi sinh vật ................................ ....... 180 - Cơ chế hình thành tính kháng thuốc của vi sinh vật...................... 181 3.2. Tế bào diệt tự nhiên và các yếu tố hòa tan ............................... 183 3.3. Kháng thể ................................ ................................ .............. 184 3.4. Tiêu độc và khử trùng ................................ ............................. 184 3.4.1. Tiêu độc và phương pháp tiêu độc ................................ .... 184 3.4.2. Khử trùng và phương pháp khử trùng............................... 185 CHƯƠNG VI. DI TRUYỀN HỌC VI SINH VẬT ............................. 190 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG ................................ .................... 190 2. CƠ SỞ VẬT CHẤT DI TRUYỀN CỦA VI KHUẨN .................... 191 2.1. ADN nhiễm sắc thể, ARN và protein ................................ ...... 191 2.1.1. Sao chép (tự sao) ................................ ................................ . 191 2.1.2. Phiên mã ................................ ................................ .............. 193 2.1.3. Dịch mã ................................ ................................ ............... 194 2.2. Khái niệm và phân loại Plasmid ................................ .............. 197 2.3. Biến dị ở vi khuẩn................................ ................................ ... 199 2.3.1. Sự thích nghi ................................ ................................ ... 199 2.3.2. Các loại biến dị ................................ ................................ 200 3. VẬN CHUYỂN VÀ TÁI TỔ HỢP THÔNG TIN DI TRUYỀN ..... 204 3.1. Chuyển nạp................................ ................................ ............. 205 3.1.1. Những thí nghiệm của F. Griffith về sự chuyển nạp 1928 ................................ ................................ .......................... 206 3.1.2. Thí nghiệm in vitro về hiện tượng chuyển nạp.................. 207 3.1.3. Bản chất của nhân tố chuyển nạp ................................ ..... 208 3.1.4. Điều kiện để có chuyển nạp ................................ ............. 209 3.1.5. Các giai đoạ n của quá trình chuyển nạp ........................... 210 3.1.6. Ứng dụng chuyển nạp trong nghiên cứu di truyền học ...... 212 3.2. Tải nạp ................................ ................................ ................... 214 3.2.1. Khái niệm về phage của vi khuẩn và vi khuẩn sinh tan ..... 215 3.2.2. Các kiểu tải nạp ................................ ............................... 219 3.2.3. Cơ chế chung của tải nạp ................................ ................. 221 3.2.4. Ứng dụng của quá trình tải nạp ................................ ........ 221 3.3. Giao nạp (tiếp hợp) ................................ ................................ . 222 3.3.1. Chứng minh có hiện tượng lai ở vi khuẩn ......................... 222 3.3.2. Sự phân hóa giới tính ................................ ....................... 223 3.3.3. Episome và plasmid ................................ ......................... 223 6
3.3.4. Nhân tố F/ ................................ ................................ ........ 223 3.3.5. Tái tổ hợp ................................ ................................ ........ 224 4. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT DI TRUYỀN TRONG CHẨN ĐOÁN BỆNH TRUYỀN NHIỄM ................................ ..................... 224 4.1. Quy trình thường quy để chẩn đoán bệnh do vi sinh vật........... 224 4.2. Những trở ngại trong chẩn đoán vi khuẩn học. ........................ 225 4.3. Phương pháp nhân bản ADN (PCR: polymerase chain reaction) ................................ ................................ ........................ 225 CHƯƠNG VII. KỸ THUẬT BẢO QUẢN GIỐNG VI SINH VẬT... 229 1. PHIẾU THÔNG TIN VỀ CHỦNG VI SINH VẬT BẢO QUẢN .... 229 2. CHỨC NĂNG CỦA BỘ SƯU TẬP VI SINH VẬT ....................... 230 3. MỘT SỐ ĐIỂM LƯU Ý ĐỐI VỚI MỘT BỘ SƯU TẬP GIỐNG VI SINH VẬT ................................ ................................ ...... 231 3.1. Duy trì khả năng sống của vi sinh vật bảo quản ....................... 231 3.2. Quan tâm đến số lượng tế bào khi tiến hành bảo quản ............. 231 3.3. Duy trì đặc tính di truyền ổn định của chủng vi sinh vật bảo quản ................................ ................................ .............................. 231 3.4. Tính thuần chủng của vi sinh vật bảo quản .............................. 231 3.5. Kinh phí cần cho Bộ sưu tập vi sinh vật ................................ .. 231 3.6. Bảo quản các chủng có giá trị ................................ ................. 232 3.7. Cung cấp chủng giống cho khách hàng ................................ ... 232 3.8. Cung cấp các thông tin liên quan đến chủng bảo quản ............. 232 3.9. Kiểm tra chất lượng chủng vi sinh vật bảo quản ...................... 233 3.10. Cơ sở dữ liệu của Bộ sưu tập vi sinh vật ................................ 233 4. GIỚI THIỆU CHUNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN GIỐNG VI SINH VẬT ................................ .......................... 233 4.1. Phương pháp cấy truyền vi sinh vật ................................ ......... 233 4.2. Phương pháp đông khô vi sinh vật và phương pháp đông khô trực tiếp ................................ ................................ .................. 235 4.2.1. Phương pháp đông khô ................................ .................... 235 4.2.2. Phương pháp đông khô dịch thể trực tiếp (L-drying) ........ 236 4.2.3. Phương pháp bảo quản lạnh sâu ................................ ....... 237 5. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHỔ BIẾN SỬ DỤNG TRONG BẢO QUẢN CÁC NHÓM VI SINH VẬT CỤ THỂ .......................... 238 5.1. Các phương pháp dùng cho bảo quản vi khuẩ n và xạ khuẩn .... 238 5.1.1 Bảo quản vi khuẩn ................................ ............................ 238 5.1.2. Bảo quản xạ khuẩn: ................................ ......................... 241 5.2. Bảo quản vi tảo ................................ ................................ ....... 242 7
5.3. Các phương pháp dùng cho bảo quản nấ m sợi ......................... 242 5.4. Phương pháp bảo quản nấ m men................................ ............. 248 8
CHƯƠNG I MỞ ĐẦU VỀ VI SINH VẬT HỌC 1. ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA VI SINH VẬT HỌC 1.1. Đối tượng của vi sinh vật học đại cương Xung quanh chúng ta, ngoài các sinh vật lớn mà chúng ta có thể nhìn thấy được, còn có vô vàn vi sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải sử dụng kính hiển vi, người ta gọi chúng là vi sinh vật. Môn khoa học nghiên cứu về hoạt động sống của các vi sinh vật được gọi là Vi sinh vật học. Vi sinh vật học phát triển rất nhanh và đã dẫn đến việc hình thành các lĩnh vực khác nhau: vi khuẩn học (Bacteriology), nấm học (Mycology), tảo học (Algology) virus học (Virolory),... Việc phân chia các lĩnh vực còn có thể dựa vào phương hướng ứng dụng. Do đó chúng ta thấy hiện nay còn có y sinh vi sinh vật học, vi sinh vật học thú y, vi sinh vật công nghiệp, vi sinh vật học nông nghiệp. Ngay trong vi sinh vật học nông nghiệp cũng có rất nhiều chuyên ngành: vi sinh vật lương thực, vi sinh vật thực phẩm,... Mỗi lĩnh vực có đối tượng cụ thể riêng, cần đi sâu. Tuy nhiên ở mức độ nhất định các chuyên ngành trên đều có những điểm cơ bản giống nhau. Vi sinh vật học đại cương, nghiên cứu những quy luật chung nhất về vi sinh vật. Đối tượng nghiên cứu của vi sinh vật học là vi khuẩn, xạ khuẩn (Actinomycetes), virus, Bacteriophage (thể thực khuẩn), nấm, tảo, nguyên sinh động vật. Vi khuẩn: là nhóm vi sinh vật có nhân nguyên thủy, cơ thể đơn bào, sinh sản chủ yếu bằng hình thức trực phân, cơ thể nhỏ bé, muốn quan sát được phải sử dụng kính hiển vi quang học. Virus: là những sinh vật mà kích thước của chúng vô cùng nhỏ bé, ký sinh nội bào tuyệt đối, muốn quan sát chúng phải sử dụng kính hiển vi điện tử. 9
Nấm: trước đây được coi là thực vật bậc thấp nhưng không có diệp lục tố, thường đơn bào, có nhóm giả đa bào, cơ thể phân nhiều nhánh nhưng không có vách ngăn hoặc vách ngăn nhưng chính giữa có lỗ thông, thuộc tế bào nhân thật. Vi sinh vật tuy có kích thước nhỏ bé và có cấu trúc cơ thể tương đối đơn giản nhưng chúng có tốc độ sinh sôi nẩy nở rất nhanh chóng và hoạt động trao đổi chất vô cùng mạnh mẽ. Vi sinh vật có thể phân giải hầu hết tất cả các loại chất có trên thế giới, kể cả những chất rất khó phân giải, hoặc những chất gây hại đến nhóm sinh vật khác. Bên cạnh khả năng phân giải, vi sinh vật còn có khả năng tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ phức tạp, trong điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường. 1.2. Sự phân bố của vi sinh vật Vi sinh vật phân bố rộng rãi trong tự nhiên: trong đất, nước, không khí, trên cơ thể các sinh vật khác, trên lương thực, thực phẩm và các loại hàng hóa. Chẳng những thế, sự phân bố của chúng còn theo một hệ sinh thái vô cùng phong phú, đa dạng, từ lạnh đến nống, từ chua đến kiềm, từ háo khí đến kị khí,... Do sự phân bố rộng rãi và do hoạt động mạnh mẽ nên vi sinh vật có tác dụng rất lớn trong việc tham gia các vòng tuần hoàn vật chất trên trái đất cũng như tham gia vào các quá trình sản xuất nông nghiệp. Vi sinh vật học đại cương, nghiên cứu những quy luật chung nhất về vi sinh vật. 1.3. Vai trò của vi sinh vật Trong thiên nhiên, vi sinh vật giữ những mắt xích trọng yếu trong sự chu chuyển liên tục và bất diệt của vật chất, nếu không có vi sinh vật hay vì một lý do nào đó mà hoạt động của vi sinh vật bị ngừng trệ dù chỉ trong thời gian ngắn, có thể nó sẽ làm ngưng mọi hoạt động sống trên trái đất. Thật vậy người ta đã tính toán nếu không có vi sinh vật hoạt động để cung cấp CO2 cho khí quyển thì đến một lúc nào đó lượng CO2 sẽ bị cạn kiệt, lúc bây giờ cây xanh không thể quang hợp được, sự sống của các loài sinh vật khác không tiến hành bình thường được, bề mặt trái đất sẽ trở nên lạnh lẽo. 10
Vi sinh vật còn là nhân tố tham gia vào việc giữ gìn tính bền vững của các hệ sinh thái trong tự nhiên. Đối với sản xuất nông nghiệp, vi sinh vật có vai trò rất lớn, vi sinh vật tham gia vào việc phân giải các hợp chất hữu cơ, chuyển hóa các chất khoáng, cố định nitơ phân tử để làm giàu thêm dự trữ nitơ của đất. Trong quá trình sống, vi sinh vật còn sản sinh ra rất nhiều chất có hoạt tính sinh học cao có tác dụng trực tiếp đối với quá trình sinh trưởng, phát triển của cây trồng, vật nuôi. Người ta nhận thấy nếu không có vi sinh vật tiêu thụ các sản phẩm trao đổi chất do cây trồng tiết ra quanh bộ rễ thì một số sản phẩm này sẽ đầu độc trở lại cây trồng. Trong chăn nuôi và ngư nghiệp, vi sinh vật cũng có tác dụng rất to lớn, trong cơ thể của các loài động vật đều có một hệ vi sinh vật rất phong phú, hệ vi sinh vật này giúp cho quá trình đồng hóa các chất dinh dưỡng và thải các chất cặn bã trong quá trình sống. Trong chăn nuôi một vấn đề lớn là làm thế nào để phòng chống được các bệnh truyền nhiễm, môn vi sinh vật thú y đã cùng môn dịch tễ học đã đề ra những biện pháp phòng dịch bệnh của súc vật và một số bệnh có thể lây sang người, như dại, lao, nhiệt thán,... Hiện nay vi sinh vật là một môn khoa học mũi nhọn trong cuộc cách mạng sinh học. Nhiều vấn đề quan trọng của sinh học hiện đại như, nguồn gốc sự sống, cơ chế thông tin, cơ chế di truyền, cơ chế điều khiển học và các tổ chức sinh vật học, vi sinh vật học đang có những bước tiến vĩ đại, đang trở thành vũ khí sắc bén trong tay con người để nhằm chinh phục thiên nhiên phục vụ đắc lực cho sản xuất và đời sống. 1.4. Nhiệm vụ của vi sinh vật học đại cương - Nghiên cứu các đặc điểm cơ bản về hình thái, cấu tạo, di truyền, hoạt động sinh lý hóa học,...của các nhóm vi sinh vật. - Sự phân bố của vi sinh vật trong tự nhiên và mối quan hệ giữa chúng với môi trường và các sinh vật khác. - Nghiên cứu các biện pháp thích hợp để có thể sử dụng một cách có hiệu quả nhất vi sinh vật có lợi cũng như các biện pháp tích cực nhằm ngăn ngừa các vi sinh vật có hại trong mọi hoạt động của đời sống con người. 11
2. KHÁI LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT HỌC Căn cứ vào quá trình phát triển có thể chia vi sinh vật học ra làm 4 giai đoạn phát triển. 2.1. Giai đoạn trước khi phát minh ra kính hiển vi Từ thời thượng cổ người ta đã biết ủ phân, trồng xen cây họ đậu với cây trồng khác, ủ men, nấu rượu,... nhưng chưa giải thích được bản chất của các biện pháp.Trong quá trình định canh con người đã thấy được tác hại của bệnh cây. Đối với bệnh ''rỉ sắt'' ở thời Aristote người ta xem như là do tạo hóa gây ra. Ở Hy Lạp bấy giờ người ta cho rằng cây bị bệnh là do đất xấu, phân xấu, gây ra khí hậu không ôn hoà nhưng chủ yếu là do trời đất. Trung Quốc vào thế kỷ thứ nhất trước công nguyên trong quyển ''Ký thắng Chi thư'' đã ghi: muốn cho cây tốt phải dùng phân tằm, không có phân tằm thì dùng phân tằm lẫn tạp cũng được. Trong sách này cũng đã ghi nhận trồng xen cây họ đậu với các loại cây trồng khác. Trong các tài liệu ''Giáp cốt'' của Trung Quốc cách đây 4000 năm đã thấy đề cập đến kỹ thuật nấu rượu. Người ta nhận thấy trong quá trình lên men rượu có sự tham gia của mốc vàng, như vậy vi sinh vật đã được ứng dụng vào sản xuất, phục vụ cuộc sống từ rất lâu, nhưng người ta chưa hiểu được bản chất của vi sinh vật, mãi đến khi kính hiển vi quang học ra đời, những hiểu biết về vi sinh vật dần dần được phát triển, mở ra trước mắt nhân loại một thế giới mới, thế giới của những vi sinh vật vô cùng nhỏ bé nhưng vô cùng phong phú. 2.2. Giai đoạn sau khi phát minh ra kính hiển vi (Phát hiện ra vi sinh vật) Leewenhoek là người đầu tiên phát hiện ra vi sinh vật nhờ phát minh ra kính hiển vi. 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 một kính hiển vi có độ phóng đại 160 lần, Ông đã quan sát nước ao tù, nước ngâm các chất hữu cơ, bựa răng,... Leewenhoek nhận thấy ở đâu cũng có những sinh vật nhỏ bé. Rất ngạc nhiên trước những hiện tượng quan sát được ông viết ''Tôi thấy trong bựa răng của miệng của tôi có rất nhiều sinh vật tý hon hoạt động, chúng nhiều hơn so với vương quốc Hà Lan hợp nhất''. 12
Phát minh của Leewenhoek củng cố quan niệm về khả năng tự hình thành của vi sinh vật. Thời gian này người ta cho rằng sinh vật quan sát được là từ các vật vô sinh, thịt, cá sinh ra dòi và sau đó người ta cho ra đời thuyết tự sinh (hay thuyết ngẫu sinh). Hình 1.1. Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723) và kính hiển vi tự tạo của ông 2.3. Giai đoạn vi sinh vật học thực nghiệm với Pasteur Đến thế kỷ XIX cùng với sự phát triển của chủ nghĩa tư bản, các ngành khoa học kỹ thuật nói chung và vi sinh vật học nói riêng, phát triển mạnh mẽ, nhiều nhà khoa học đã quan sát và nghiên cứu về một số vi sinh vật gây bệnh và sáng tạo ra một số phương pháp mới để nghiên cứu về vi sinh vật. Đóng góp cho sự phát triển của vi sinh vật ở giai đoạn này phải kể đến nhà bác học người Pháp Pasteur (1822-1895). Với công trình nghiên cứu của mình ông đã đánh đổ học thuyết tự sinh, nhờ chế tạo ra bình cổ ngỗng. Ông đã chứng minh thuyết tự sinh là không đúng bằng các thí nghiệm sau: TN1: Dùng một cái bình chứa nước thịt đun sôi, để nguội sau một thời gian thì nước thịt đục, quan sát thấy có vi sinh vật. TN2: Tiến hành như thí nghiệm thứ nhất nhưng sau đó ông bịt kín miệng bình lại, để một thời gian nước thịt không bị vẩn đục. Lúc này mọi người phản đối, họ nói không có không khí nên vi sinh vật không phát triển được, chưa thuyết phục được họ ông làm thí nghiệm tiếp theo. 13
TN3: Ông uốn cổ bình giống như hình cổ ngỗng kéo dài ra cho thông với không khí, sau khi đun sôi để một thời gian nước thịt không bị đục, khi đó người ta mới công nhận bác bỏ thuyết tự sinh. Hình 1.2.. Pasteur (1822-1895) và thí nghiệm bác bỏ “Thuyết tự sinh” Pasteur là người đã đề xuất thuyết mầm bệnh, thuyết miễn dịch học, là cơ sở để sản xuất vaccin trong phòng bệnh. Ông đã chứng minh 14
bệnh than ở cừu là do vi khuẩn gây ra và lan truyền từ con bệnh sang con lành và ông đã tiến hành thí nghiệm tiêm phòng vaccin nhiệt thán cho cừu năm 1881, ông chọn 50 con cừu khỏe mạnh, tương đồng, tiêm vaccin cho 25 con còn 25 con không tiêm vaccin, sau đó cường độc thì 25 con không tiêm vaccin bị chết còn 25 con tiêm vaccin sống bình thường. Thời đó hễ bị chó dại cắn là phải chết, rất thương tâm trước cái chết của những người bị chó dại cắn, ông đã lao vào nghiên cứu vaccin phòng và trị bệnh chó dại, thành công đầu tiên là cứu một bé trai thoát khỏi phát bệnh dại. Sau thành công đó các nhà hảo tâm đã xây dựng viện Pasteur tại pháp, sau này nhân rộng ra, đây là thành công lớn nhất của Pasteur đối với nhân loại. L. Pasteur tốt nghiệp sinh hóa, ông rất thành công trong nghiên cứu nhưng gia đình ông rất bất hạnh, anh trai và các con của ông đều chết do bệnh tật. 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. 2.4. Giai đoạn sau Pasteur và vi sinh học hiện đ ại 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. 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. 15
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. Hình 1.3. Robert Koch (1843-1910) và vi khuẩn gây bệnh lao do ông tìm ra Hình 1.4. Alexander Fleming (1881-1955) và nấm mốc Penicillium do ông tìm ra Hình1.5.. Watson and Crick (1953) phát hiện cấu trúc của DNA 16
Hình 1.6. Aaron Klug phát hiện cấu trúc virus khảm thuốc lá 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. 3. CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT 3.1.Kích thước nhỏ bé Hình 1.7. Kích thước vi sinh vật trong sinh giới 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). 17
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 khuẩ n (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 ! 3.2. 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. Hình 1.8. Lactobacillus qua KHV điện tử 3.3. Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh Chẳng hạ n, 1 trực khuẩ n 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. Tất nhiên trong tự nhiên không có được các điều kiện tối ưu như vậy (vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩm trao đổi chất có hại...). Trong nồi lên men với các điều kiện nuôi cấ y 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 nấ m 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 khuẩ n lam Nostoc là 23 giờ...Có thể nói không có sinh vật nào có tốc độ sinh sôi nảy nở nhanh như vi sinh vật. 18
Hình 1.9. Vi khuẩ n Hình1.10. Nấm Hình 1.11. Hình 1.12. Vi Nấm sợi tảo Chlorella Escherichia coli men Saccharomyces Alternaria cerevisiae 3.4. Có năng lực thích ứ ng 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 nấ m 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 ngắ n 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 (VEDAN-Việt Nam). 19
3.5. 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 phẩ m, trên mọi đồ vật... Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-địa-hoá học (biogeochemical cycles) như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn n, vòng tuần hoàn P, vòng tuần hoàn S, vòng tuần hoàn Fe... Trong nước vi sinh vật có nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nông (limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthic zone). 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 chất carbon nào (trừ kim cương, đá graphít...) mà không là thức ăn của những nhóm vi sinh vật nào đó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol. dioxin...). Vi sinh vật có rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau : quang tự dưỡng (photoautotrophy), quang dị dưỡng (photoheterotrophy), hoá tự dưỡng (chemoautotrophy), hoá dị dưỡng (chemoheterotrophy).tự dưỡng chất sinh trưởng (auxoautotroph), dị dưỡng chất sinh trưởng (auxoheterotroph)... 3.6. Là sinh vật xuất hiện đ ầu tiên trên trái đất Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống từ cách đây 3,5 tỷ năm. Đó là các vi sinh vật hoá thạch còn để lạ i vết tích trong các tầng đá cổ. Vi sinh vật hoá thạch cổ xưa nhất đã được phát hiện là những dạng rất giống với Vi khuẩn lam ngày nay. Chúng được J.William Schopf tìm thấy tại các tầng đá cổ ở miền Tây Australia. Chúng có dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đến vài chục mm với đường kính khoảng 1-2 mm và có thành tế bào khá dày. Trước đó các nhà khoa học cũng đã tìm thấy vết tích của chi Gloeodiniopsis có niên đại cách đây 1,5 tỷ năm và vết tích của chi Palaeolyngbya có niên đại cách đây 950 triệu năm. 20