Vi sinh vật học

Chia sẻ: Bluesky_12 Bluesky_12 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:321

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vi sinh học là khoa học nghiên cứu hình thái, cấu tạo, sinh lý và hoạt động của các vi sinh vật để phục vụ con người. Người đầu tiên quan sát thấy và mô tả vi sinh vật là một người Hà lan tên là Antoni van Lewuenhoek (1632-1723). Ông là người phát minh ra kính hiển vi, từ đó mọi người có thể nhìn thấy một số vi sinh vật, thế giới vi sinh vật mới được phát hiện.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Vi sinh vật học

1 BIỀN VĂN MINH (CHỦ BIÊN) KIỀU HỮU ẢNH, PHẠM VĂN TY, PHẠM HỒNG SƠN PHẠM THỊ NGỌC LAN VÀ NGUYỄN THỊ THU THUỴ GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ VI SINH VẬT HỌC Huế, năm 2008
2 MỤC LỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................................................9 CHƯƠNG 1........................................................................................................................100 VAI TRÕ CỦA VI SINH VẬT TRONG SINH GIỚI ..............................................................100 I. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT .......................................................................100 1. Khái niệm chung về vi sinh học và vi sinh vật .........................................................100 2. Các đặc điểm chung của vi sinh vật. .......................................................................100 3. Các nhóm đối tƣợng vi sinh học ...............................................................................12 4. Nội dung ...................................................................................................................13 5. Vai trò của vi sinh vật. ...............................................................................................13 II. SƠ LƢỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT HỌC ........................................14 III. CÁCH ĐỌC (PHÁT ÂM) CỦA CHỮ LATINH ...............................................................24 IV. HỆ THỐNG SINH GIỚI VÀ VỊ TRÍ CỦA CÁC NHÓM VI SINH VẬT ............................26 1. Khái niệm về giới sinh vật .........................................................................................26 2. Một số hệ thống phân loại .........................................................................................27 3. Những sai khác giữa các tế bào Prokaryote và Eukaryote ........................................30 V. VAI TRÕ CỦA VI SINH VẬT TRONG ĐỜI SỐNG ........................................................31 VI. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU.................................................33 Câu hỏi ôn tập chƣơng 1 ..................................................................................................38 * Tài liệu đọc thêm ............................................................................................................38 * Tài liệu tham khảo ..........................................................................................................38 * Giải thích thuật ngữ........................................................................................................38 CHƯƠNG 2..........................................................................................................................41 SINH HỌC CỦA CÁC CƠ THỂ VÔ BÀO ............................................................................41 I. KHÁI NIỆM VỀ VIRUS, VIRION, VIROID VÀ PRION.....................................................41 1. Virus là gì?................................................................................................................41 2. Đặc điểm chung của virus.........................................................................................42 3. Virion, viroid, prion ....................................................................................................42 4. Lịch sử phát hiện virus ..............................................................................................47 II. HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÖC CỦA VIRUS ......................................................................49 1. Hình thái ...................................................................................................................49 2. Kích thƣớc của virus .................................................................................................51 3. Cấu trúc của virus .....................................................................................................51 4. Genom của virus.......................................................................................................53 III. NUÔI CẤY VIRUS .......................................................................................................54 IV. ẢNH HƢỞNG CỦA VIRUS LÊN TẾ BÀO ...................................................................55 V. CÁC BỆNH DO VIRUS ................................................................................................55 VI. ẢNH HƢỞNG CỦA TÁC NHÂN VẬT LÍ, HÓA HỌC ĐẾN VIRUS ................................57 VII. CON ĐƢỜNG LÂY NHIỄM VIRUS VÀO CƠ THỂ .....................................................57 VIII. CÁC QUÁ TRÌNH NHÂN LÊN CỦA VIRUS ...............................................................57
3 IX. CÁC PHƢƠNG THỨC NHÂN LÊN CỦA VIRUS .........................................................60 1. Quá trình nhân lên của virus RNA chuỗi dƣơng .......................................................60 2. Quá trình nhân lên của virus RNA chuỗi đơn, âm .....................................................62 3. Sơ đồ nhân lên của virus RNA chuỗi kép..................................................................63 4. Sơ đồ nhân lên của virus Retro ................................................................................64 Câu hỏi ôn tập chƣơng 2 ..................................................................................................65 * Tài liệu đọc thêm ............................................................................................................66 * Tài liệu tham khảo ..........................................................................................................66 * Giải thích thuật ngữ.................................................................................................... 6666 CHƯƠNG 3..........................................................................................................................67 SINH HỌC CỦA CÁC CƠ THỂ NHÂN SƠ ..........................................................................67 I. CỔ KHUẨN (Archaea) ...................................................................................................67 1. Khái niệm .................................................................................................................67 2. Đặc điểm của cổ khuẩn ............................................................................................68 3. Môi trƣờng sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái đất .....70 4. Phả hệ cổ khuẩn dựa trên trình tự 16S rRNA ...........................................................72 5. Các hình thức dinh dƣỡng ở cổ khuẩn .....................................................................73 6. Một số nhóm cổ khuẩn đại diện ................................................................................74 II. VI KHUẨN (BACTERIA) ...............................................................................................84 1. Khái niệm chung: ......................................................................................................84 2. Lịch sử nghiên cứu và phân loại vi khuẩn .................................................................84 4. Cấu trúc tế bào vi khuẩn ...........................................................................................85 5. Sơ lƣợc phân loại vi khuẩn .......................................................................................92 6. Vi khuẩn có ích và Vi khuẩn gây hại .........................................................................94 7. Các vấn đề khác .......................................................................................................95 III. VI KHUẨN ĐẶC BIỆT ..................................................................................................95 1. Xạ khuẩn (Actinomycetes) ........................................................................................95 2. Xoắn thể (Spirochaetales) ........................................................................................98 3. Ricketsia ...................................................................................................................98 4. Mycoplasma và Chamydia ........................................................................................99 Câu hỏi ôn tập chƣơng 3 ................................................................................................101 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................102 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................102 * Giải thích thuật ngữ......................................................................................................103 CHƯƠNG 4........................................................................................................................104 SINH HỌC CỦA CÁC CƠ THỂ NHÂN THỰC ...................................................................104 I. VI NẤM (MICROFUNGI) ..............................................................................................104 1. Nấm men (Levures, Yeasts) ...................................................................................104 2. Nấm mốc ................................................................................................................109 3. Nấm nhầy ...............................................................................................................113 II. ÐỊA Y ..........................................................................................................................116 III. VI TẢO ......................................................................................................................117
4 1. Đặc điểm chung .................................................................................................. 11717 2. Đời sống của vi tảo .................................................................................................118 3.Vai trò của vi tảo ......................................................................................................118 IV. ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH ......................................................................................120 Câu hỏi ôn tập chƣơng 4 ................................................................................................122 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................122 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................122 *Giải nghĩa từ: ................................................................................................................123 CHƯƠNG 5........................................................................................................................124 DINH DƯỠNG, SINH TRƯỞNG VÀ SINH SẢN Ở VI SINH VẬT .......................................124 I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT ................................................124 1. Nƣớc ......................................................................................................................124 2. Protein ....................................................................................................................124 3. Gluxit (hay hidrat cacbon- saccharide) ....................................................................126 4. Lipid và các chất tƣơng tự (lipoid):..........................................................................127 5. Một số chất hữu cơ có hoạt tính sinh học: ..............................................................128 6. Các nguyên tố khoáng: ...........................................................................................129 II. DINH DƢỠNG............................................................................................................129 1. Các chất dinh dƣỡng ..............................................................................................129 2. Các loại môi trƣờng sống của vi sinh vật ................................................................129 3. Các kiểu dinh dƣỡng ở vi sinh vật ..........................................................................130 4. Vi sinh vật nguyên dƣỡng và khuyết dƣỡng ...........................................................131 III. SINH TRƢỞNG CỦA VI SINH VẬT ...........................................................................131 1. Các nhân tố sinh trƣởng .........................................................................................131 2. Điều kiện sinh trƣởng .............................................................................................131 3. Sinh trƣởng trong nuôi cấy tĩnh ..............................................................................131 IV. SỰ KÌM HÃM SINH TRƢỞNG VÀ DIỆT KHUẨN .................................................. 14040 1. Các phƣơng pháp khử trùng .............................................................................. 14040 2. Kiểm soát tăng trƣởng của vi sinh vật bằng hóa chất ......................................... 14040 3. Các phƣơng pháp bảo quản ...................................................................................141 V. SINH SẢN Ở VI SINH VẬT ........................................................................................141 1. Sinh sản ở vi khuẩn (Bacteria)và cổ khuẩn (Archaea) ............................................141 2. Sinh sản ở vi sinh vật nhân thực .............................................................................142 3. Khai thác và phòng ngừa của con ngƣời đối với VSV.............................................143 Câu hỏi ôn tập chƣơng 5 ................................................................................................143 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................143 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................144 * Giải thích thuật ngữ......................................................................................................144 CHƯƠNG 6........................................................................................................................146 TRAO ĐỔI CHẤT Ở VI SINH VẬT .....................................................................................146 I. ĐƢỜNG PHÂN ...........................................................................................................146 II. CHU TRÌNH TRICARBOXYLIC ACID (Krebs) ............................................................147
5 III. CHUỖI HÔ HẤP VÀ PHOSPHORYL HÓA ................................................................148 1. Chuỗi hô hấp ..........................................................................................................148 2. Phosphoryl hoá .......................................................................................................149 IV. SỰ VẬN CHUYỂN CHẤT DINH DƢỠNG VÀO TẾ BÀO ...........................................149 V. TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƢỢNG ........................................................................151 1. Các nguồn năng lƣợng ở vi sinh vật .......................................................................151 2. Các kiểu hô hấp .................................................................................................. 15252 3. Nghiên cứu sự trao đổi năng lƣợng ........................................................................154 4. Sự tích trữ và sử dụng năng lƣợng ........................................................................156 5. Sự trao đổi carbohydrate ........................................................................................157 6. Sự trao đổi protein ..................................................................................................158 7. Sự trao đổi lipid ......................................................................................................161 Câu hỏi ôn tập chƣơng 6 ................................................................................................162 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................162 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................162 *Giải thích thuật ngữ.......................................................................................................163 CHƯƠNG 7........................................................................................................................164 HÔ HẤP KỴ KHÍ ................................................................................................................164 I. KHÁI NIỆM CHUNG ....................................................................................................164 II. HÔ HẤP NITRATE, AMMONIUM HÓA NITRITE VÀ KHỬ NITROGEN ......................164 III. HÔ HẤP SULFATE ....................................................................................................166 IV. HÔ HẤP CARBONATE TẠO METHANE ..................................................................167 V. HÔ HẤP CARBONATE TẠO THÀNH ACETATE ........................................................169 Câu hỏi ôn tập chƣơng 7 ................................................................................................169 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................170 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................170 * Giải thích thuật ngữ......................................................................................................170 CHƯƠNG 8........................................................................................................................171 VI KHUẨN HÓA DƯỠNG VÔ CƠ HIẾU KHÍ .....................................................................171 I. NITRATE HÓA ............................................................................................................171 1.Vi khuẩn nitrate hóa .................................................................................................171 2. Cơ chế phản ứng của quá trình nitrate hóa. ...........................................................171 3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình nitrate ...........................................................172 4. Ý nghĩa của quá trình nitrate hóa ............................................................................173 II. OXYGEN HÓA CÁC HỢP CHẤT LƢU HUỲNH .........................................................173 1. Vi khuẩn tự dƣỡng hóa năng ..................................................................................173 2. Vi khuẩn tự dƣỡng quang năng ..............................................................................175 3. Vi khuẩn dị dƣỡng ..................................................................................................176 III. OXYGEN HÓA SẮT...................................................................................................176 IV. OXYGEN HÓA HYDROGEN.....................................................................................178 Câu hỏi ôn tập chƣơng 8 ................................................................................................179 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................179
6 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................179 * Giải thích thuật ngữ......................................................................................................179 CHƯƠNG 9........................................................................................................................181 CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN ..............................................................................................101 I. CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN PHỔ BIẾN Ở VSV ..........................................................181 II. TÍNH ĐA DẠNG CỦA LÊN MEN .................................................................................181 III. LÊN MEN KHÔNG CÓ SỰ PHOSPHORYL HÓA CƠ CHẤT .....................................182 IV. HIỆN TƢỢNG CỘNG DƢỠNG (syntrophy) ............................................................ `184 V. LÊN MEN RƢỢU NHỜ NẤM MEN VÀ VI KHUẨN .....................................................184 1. Sự tạo thành ethanol nhờ nấm men .......................................................................185 2. Các dạng phƣơng trình Neuberg ............................................................................185 3. Hiệu ứng Pasteur....................................................................................................186 4. Kỹ thuật sản xuất ethanol nhờ nấm men................................................................187 5. Hiệu suất lên men ...................................................................................................188 6. Sự tạo thành ethanol nhờ vi khuẩn .........................................................................189 VI. LÊN MEN LACTIC VÀ HỌ LACTOBACTERIACEAE........................................... 190190 1. Nhu cầu về các chất bổ sung và nhân tố sinh trƣởng .............................................191 2. Lên men lactic đồng hình ........................................................................................192 3. Lên men lactic dị hình .............................................................................................192 4. Ứng dụng của lên men lactic ..................................................................................193 Câu hỏi ôn tập chƣơng 9 ................................................................................................193 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................197 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................197 * Giải thích thuật ngữ : ....................................................................................................197 CHƯƠNG 10......................................................................................................................198 VI KHUẨN QUANG HỢP VÀ CỐ NITROGEN PHÂN TỬ ..................................................198 I. VI SINH VẬT QUANG HỢP .........................................................................................198 1. Chu trình carbon trong tự nhiên ..............................................................................198 2. Các vi khuẩn quang hợp (Phototrophic bacteria) ....................................................199 3. Trao đổi chất ở các vi sinh vật quang dƣỡng ..........................................................206 II. CỐ ĐỊNH NITROGEN.................................................................................................209 1. Vi khuẩn cố định N cộng sinh..................................................................................210 2. Vi sinh vật cố định nitrogen sống tự do (không cộng sinh): .....................................212 3. Vi khuẩn lam (xem chƣơng III ) ...............................................................................212 Câu hỏi ôn tập chƣơng 10 ..............................................................................................213 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................214 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................214 * Giải thích thuật ngữ......................................................................................................214 CHƯƠNG 11......................................................................................................................216 DI TRUYỀN HỌC VI SINH VẬT .........................................................................................216 I. KHÁI NIỆM CHUNG ....................................................................................................216 II. CƠ SỞ VẬT CHẤT DI TRUYỀN Ở VI SINH VẬT .......................................................219
7 1. Cấu trúc genom của sinh vật nhân sơ ....................................................................219 2. Vật chất di truyền ở virus ........................................................................................222 3. Cấu trúc genom của sinh vật nhân thực .................................................................224 III. CƠ CHẾ CHỐNG SỰ XÂM NHẬP CỦA GENE LẠ (hạn chế và cải biến) .................225 IV. BIẾN DỊ .....................................................................................................................227 1. Biến dị kiểu hình .....................................................................................................227 2. Biến dị kiểu gene ....................................................................................................227 IV. CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DI TRUYỀN .......................................................229 1. Biến nạp (Transformation) ......................................................................................229 2. Sự tải nạp (Transduction) .......................................................................................230 3. Tiếp hợp (Conjugation) ...........................................................................................231 V. KỸ THUẬT DI TRUYỀN .............................................................................................232 *Câu hỏi ôn tập chƣơng 11 ............................................................................................235 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................234 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................235 * Giải thích thuật ngữ......................................................................................................235 CHƯƠNG 12......................................................................................................................244 VI SINH VẬT GÂY BỆNH, MIỄN DỊCH HỌC VÀ CÁC CHẤT CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌ C244 I. VI SINH VẬT GÂY BỆNH ............................................................................................244 1. Bệnh truyền nhiễm và không truyền nhiễm .............................................................244 2. Độc lực và độc tố ....................................................................................................245 3. Bệnh do virus, vi khuẩn và các phần tử hữu cơ khác. ............................................245 II. KHÁNG NGUYÊN, KHÁNG THỂ VÀ BỔ THỂ ............................................................247 1. Kháng nguyên ........................................................................................................247 2. Kháng thể ...............................................................................................................248 3. Bổ thể .....................................................................................................................254 III. VACCINE VÀ HUYẾT THANH MIỄN DỊCH ...............................................................256 1. Vaccine...................................................................................................................256 2. Huyết thanh ............................................................................................................257 IV. MIỄN DỊCH ...............................................................................................................258 1. Định nghĩa: .............................................................................................................258 2. Cơ chế bảo vệ không đặc hiệu ...............................................................................258 3. Chất sinh miễn dịch (immunogen) ..........................................................................260 4. Tính đặc hiệu của kháng nguyên (KN) ....................................................................260 5. Các cơ quan và tế bào tham gia vào hệ thống miễn dịch ........................................260 6. Miễn dịch bệnh lý ....................................................................................................262 V. CÁC CHẤT CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌC ....................................................................266 1. Enzym ....................................................................................................................266 2.Chất kháng sinh .......................................................................................................268 3. Vitamin ...................................................................................................................275 Câu hỏi ôn tập chƣơng 12 ..............................................................................................276 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................276
8 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................276 * Giải thích thuật ngữ......................................................................................................276 CHƯƠNG 13......................................................................................................................279 SINH THÁI HỌC VI SINH VẬT ...........................................................................................279 I. ĐẠI CƢƠNG VỀ SINH THÁI HỌC VI SINH VẬT .........................................................279 1. Các khái niệm cơ bản .............................................................................................279 2. Đặc điểm của vi sinh vật trong tự nhiên ..................................................................279 3. Các phƣơng pháp nghiên cứu sinh thái học vi sinh vật...........................................280 4. Hoạt động và vai trò của vi sinh vật trong các hệ sinh thái ......................................285 5. Vai trò của VSV trong các chu trình sinh điạ hóa - các nguyên tố cần cho sự sống 288 II. SỰ PHÂN BỐ CỦA VI SINH VẬT TRONG TỰ NHIÊN ...............................................298 1. Vi sinh vật trong không khí......................................................................................398 2. Vi sinh vật đất .........................................................................................................299 3. Vi sinh vật nƣớc......................................................................................................299 III. MỘT SỐ BIỆN PHÁP VI SINH GÓP PHẦN BẢO VỆ MÔI TRƢỜNG ........................300 1. Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng ....................................................................300 2. Một số biện pháp vi sinh góp phần bảo vệ môi trƣờng............................................301 3. Một số biện pháp hiện đang đƣợc áp dụng trong nƣớc và trên thế giới ..................301 *Câu hỏi ôn tập chƣơng13 .............................................................................................311 * Tài liệu đọc thêm ..........................................................................................................312 * Tài liệu tham khảo ........................................................................................................312 * Giải thích thuật ngữ......................................................................................................312 CHƯƠNG 14.................................................................................................................. 31313 CÂU HỎI ÔN TẬP .......................................................................................................... 31313 I. PHẦN CÂU HỎI....................................................................................................... 31313 II. TRẢ LỜI .....................................................................................................................319 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................321 Giáo trình điện tử này đƣợc biên soạn lại dựa trên giáo trình Vi sinh vật học, NXB Đại học Huế (2006) của nhóm tác giả: Biền Văn Minh (chủ biên), Kiều Hữu Ảnh, Phạm Ngọc Lan, Phạm Hồng Sơn, Phạm Văn Ty, Nguyễn thị Thu Thuỷ.
9 NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT ADP Adenosine diphosphate AMP Adenosine monophosphate APG Acid 3-phosphoglyceric A-1,3- Acid 1,3 diphosphoglyceric DPG ATP Adenosine triphosphate A-6PA Acid 6-penicillanic CoA Coenzym A Chất kháng sinh CKS DNA DeOxygenribonucleic acid R-1,5-DP Ribulose-1,5-diphosphate R-5-P Ribulose-5-diphosphate RNA Ribonucleic acid Vi sinh vật VSV F-6-P Fructose-6-phosphate FAD Flavin adenine dinucleotide G-6-P Glucose-6-phosphate GAP Glyceraldehyde phosphate KDPG 2-Keto-3-deOxygen-6-phosphogluconate N Nitrogen Nicotinamid adenine dinucleotide dạng Oxygen hóa NAD Nicotinamid adenine dinucleotide dạng khử NADH Nicotinamid adenine dinucleotide phosphat dạng Oxygen hóa NADP Nicotinamid adenine dinucleotide phosphat dạng khử NADPH PP Pentose phosphate X-5-P Xylulose-5-phosphate
10 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới CHƯƠNG 1 VAI TRÕ CỦA VI SINH VẬT TRONG SINH GIỚI I. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT 1. Khái niệm chung về vi sinh vật học và vi sinh vật 1.1. Vi sinh vật học (Microbiology) Là khoa học nghiên cứu các cơ thể sống hiển vi và siêu hiển vi, cấu tạo tế bào và quy luật hoạt động của chúng, sử dụng các vi sinh vật nhằm phục vụ lợi ích của con ng ười và giữ vững hệ sinh thái trên Trái Đất. 1.2. Vi sinh vật (Microorganisms) Là tên gọi chung để chỉ tất cả các loại sinh vật nhỏ bé, chỉ có thể nhìn rõ dưới kính hiển vi quang học hoặc kính hiển vi điện tử. Vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm khác nhau: 1. Virus 2. Archaea (Cổ khuẩn hay còn gọi là vi khuẩn cổ) 3. Vi khuẩn (Bacteria) 4. Xạ khuẩn (Actinomycetes) 5. Vi nấm (Microfungi) 6. Vi tảo (Microalgae) Giữa các nhóm trên không có mối liên hệ chặt chẽ về mặt hình thái hay phân loại, nhưng người ta gộp chúng lại vì chúng cùng có một số phương pháp nuôi dưỡng, nghiên cứu và hoạt động sinh lý gần giống nhau. 2. Các đặc điểm chung của vi sinh vật. 2.1. Kích thước nhỏ bé Vi sinh vật thường được đo kích thước bằng đơn vị micromet (1µm= 1/1000mm hay 1/1 000 000m).Virus được đo kích thước đơn vị bằng nanomet (1nm=1/1 000 000mm hay 1/1 000 000 000m). Hình 1.1: Các phƣơng pháp quan sát thế giới sống (từ nguyên tử đến tế bào)
11 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới 2.2. Hấp thụ chất dinh dưỡng trực tiếp qua bề mặt tế bào, chuyển hóa nhanh Đa số VSV là đơn bào nên chúng nhận các chất dinh dưỡng bằng hấp thụ (absorbtion) qua bề mặt tế bào, khác với thực vật là tự dưỡng (autotrophic) và động vật là nội tiêu hóa (ingestion) qua ống tiêu hóa. Chính điều này mà việc nuôi các VSV được thực hiện dễ dàng và nhanh chóng. Một vi khuẩn lắctic (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. 2.3. Khả năng sinh sản nhanh Thời gian thế hệ ngắn. - 1 trực khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp chỉ sau 12-20 phút lại phân cắt một lần. - Nấm men rượu (Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút. - Tảo Tiểu cầu ( Chlorella ) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ... Vi khuẩn Nấm men Nấm sợi Vi tảo Escherichia coli S. cerevisiae Alternaria sp. Chlorella sp. Hình 1.2. Một số vi sinh vật đƣợc sử dụng trong đời sống 2.4. Khả năng thích ứng rất cao và phát sinh biến dị mạnh Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với -5 -10 môi trường sống. Do đó, rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần số biến dị thường ở mức 10 -10 . Ví dụ. 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. 2.5. 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 phẩm, trên mọi đồ vật... Người ta ước tính trong số 1,5 triệu loài sinh vật có khoảng 200 000 loài vi sinh vật (100 000 loài động vật nguyên sinh và tảo, 90 000 loài nấm, 2500 loài vi khuẩn lam và 1500 loài vi khuẩn). Tuy nhiên hàng năm, có thêm hàng nghìn loài sinh vật mới được phát hiện, trong đó có không ít loài vi sinh vật. 2.6. Sự đa dạng của các phản ứng hóa sinh học Các phản ứng sinh hóa trong cơ thể VSV thường đơn giản hơn nhiều so với trong cơ thể động, thực vật. Nhưng mỗi loài có một số phản ứn g riêng nên các phản ứng sinh hóa của
12 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới các loài VSV khác nhau rất đa dạng. Dù một hợp chất có phức tạp đến đâu, trong thiên nhiên đều có các VSV sử dụng hoặc phân hủy chúng. Sản phẩm do loài này tạo ra có thể được loài khác sử dụng. Mỗi loài thường tạo ra một số chất trao đổi thứ cấp (secondary metabolites) đặc hiệu giúp cho chúng phát triển tốt hơn và kìm hãm một số loài khác. Ví dụ: các loài nấm men rượu thích nghi với nồng độ đường cao và tạo ra rượu là chất hạn chế sự phát triển nhiều loài khác. Do đặc điểm này, sản phẩm khi bị nhiễm sẽ kìm hãm sự tăng trưởng của các chủng sản xuất. 2.7. Có chủng xuất hiện sớm nhất trên trái đất Trái đất hình thành cách đây khoảng 4,6 tỷ năm nhưng chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống từ cách đây 3,5 tỷ năm. 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. Vết tích vi khuẩn lam Vết tích Vết tích Cyanobacteria Gloeodiniopsis Palaeolyngbya cách đây 3,5 tỷ năm cách đây 1,5 tỷ năm cách đây 950 triệu năm Hình 1.3. Các vi sinh vật hoá thạch 3. Các nhóm đối tƣợng vi sinh vật học Vi sinh vật học hiện đại đi sâu nghiên cứu từng nhóm đối tượng riêng biệt trên và đã trở thành những môn học chuyên sâu như: virus học (Virology) - nghiên cứu vi sinh vật chưa có cấu tạo tế bào (virus RNA và virus DNA), vi khuẩn học (Bacteriology) - nghiên cứu VSV nhân sơ, gồm cổ khuẩn (Archaea) và vi khuẩn (Bacteria), nấm học (Mycology)- nghiên cứu các vi nấm (nấm men, nấm sợi hay nấm mốc và nấm nhầy), tảo học ( Algology)- nghiên cứu các vi tảo và động vật nguyên sinh học(Protozoology)- nghiên cứu các động vật nguyên sinh. Mặt khác vi sinh vật học hiện đại cũng đi sâu nghiên cứu những tính chất riêng biệt của VSV 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.
13 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới Về mặt ứng dụng ngành vi sinh vật 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 hỏa...và ngày nay còn thêm ngành vi sinh vật học ngoài trái đất (Exomicrobiology). 4. Nội dung Lịch sử ra đời và phát triển của ngành vi sinh vật học. Vai trò của vi sinh vật trong sản xuất và đời sống. Cấu tạo và phân loại vi sinh vật. Sinh lý vi sinh vật. Di truyền vi sinh vật (virus, cổ khuẩn, vi khuẩn và vi nấm). Vi sinh vật gây bệnh, miễn dịch học và các chất có hoạt tính sinh học. Ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến hoạt động của vi sinh vật. Sự phân bố vi sinh vật trong tự nhiên. 5. Vai trò của vi sinh vật. Hình 1.4: Một số ích lợi của VSV trong nông nghiệp, thực phẩm  Đại đa số vi sinh vật là “bạn”: - Về nông nghiệp: cố định đạm cho cây trồng; tuần hoàn các chất dinh dưỡng trong đất; giúp gia súc tiêu hóa cỏ, rơm thành thịt… - Về thực phẩm: tạo các thực phẩm lên men (bia, rượu, fomage, yaourt…); kéo dài thời gian bảo quản; tạo các phụ gia thực phẩm… - Về công nghiệp: tạo ra các dung môi hữu cơ, các chất dinh dưỡng, vitamin, sinh khối… - Về y tế: sản xuất kháng sinh, giúp ổn định hệ vi khuẩn đường ruột - Về môi trường: phân hủy các chất thải, cải thiện môi trường bị ô nhiễm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ…
14 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới - Về năng lượng: tạo khí methane dùng làm nhiên liệu; tạo H2 từ năng lượng ánh sáng và các nguồn năng lượng vô cơ, hữu cơ dùng làm nguồn năng lượng tái sinh của tương lai. - Có vai trò không thể thiếu trong Công nghệ Sinh học hiện đại.  Một sô ít vi sinh vật là “thù”: - Gây bệnh trên người - Gây bệnh trên vật nuôi - Gây bệnh trên cây trồng. - Gây hư hỏng các dụng cụ thiết bị… Hình 1.5. Ứng dụng của vi sinh vật trong công nghiệp II. SƠ LƢỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT HỌC Năm 1546, Girolamo Fracastoro (1478- 1553) cho rằng các cơ thể nhỏ bé là tác nhân gây ra bệnh tật. Năm 1590, Zacharias Janssen (1580-1638) người Hà Lan đầu tiên lắp ghép kính hiển vi. Năm 1665, Robert Hooke nhà khoa học người Anh, lần đầu tiên quan sát thấy tế bào sống dưới kính hiển vi “miếng bấc bần” và đưa ra khái niệm: Tế bào “Cell” 4 1 2 3 Hình 1.6: 1.Girolamo Fracastoro (1478-1553); 2.Zacharias Janssen (1580-1638); 3. Robert Hooke (1635 - 1703) và 4. Lát cắt miếng bấc bần
15 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới Năm 1676, Antony van Leeuwenhoek(162-1723) hoàn thiện kính hiển vi và khám phá ra thế giới vi sinh vật (mà ông gọi là anmalcules). [A] [B] [C] Hình 1.7: Antony van Leeuwenhoek (162-1723) [A] Kính hiển vi đầu tiên của nhân loại [B] Bút tích miêu tả vi sinh vật của Leeuwenhoek [C] Năm 1688, nhà vạn vật học người Ý Francisco Redi (1626-1697) công bố nghiên cứu về sự phát sinh tự nhiên của giòi. Những năm 1765-1776, Spallanzani (1729-1799) công kích thuyết Phát sinh tự nhiên. Năm 1798, Edward Jenner (1749-1823) nghĩ ra phương pháp chủng mủ đậu bò để phòng ngừa bệnh đậu mùa. Những năm 1838-1839, Theodor Schwann (1810-1882) và Matthriat Schleiden (1804-1881) công bố Học thuyết tế bào. 1 2 3 4 Hình 1.8: 1.Francisco Redi (1626-1697); 2.Spallanzani (1729-1799); 3.Theodor Schwann (1810-1882) và 4. Matthriat Schleiden (1804-1881) Những năm 1847-1850, Ignaz Philipp Semmelweis (1818-1865) cho rằng bệnh sốt hậu sản lây truyền qua thầy thuốc và kiến nghị dùng phương pháp vô khuẩn để phòng bệnh. Năm 1873, Gerhard Armauer Hansen (1841-1912) tìm thấy trực khuẩn Mycobacterium leprae gây bệnh hủi. Năm 1875 Ferdinand Julius Cohn (1828-1898) tìm được vi khuẩn than Bacillus anthracis. Năm 1880, Charles Louis Alphonse Laveran (1845 -1922) phát hiện ký sinh trùng Plasmodium gây ra bệnh sốt rét.
16 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới 1 2 3 4 Hình 1.9: 1.Semmelweis (1818-1865); 2. G. A. Hansen (1841-1912) ; 3. F. J. Cohn (1828-1898) ; 4.Charles Louis Alphonse Laveran (1845 -1922) Người có công lớn nhất khai sinh ra vi sinh vật học thực nghiệm, nhằm nghiên cứu các hoạt động sinh lí, sinh hoá của vi sinh vật và ứng dụng chúng trong lên men, đặc biệt trong chế tạo vaccine phòng bệnh dại, là nhà bác học lỗi lạc người Pháp Louis Pasteur (1822- 1895). Đồng thời và tiếp theo Pasteur cũng có nhiều nhà vi sinh học nổi tiếng: Robert Koch (1843-1910) đã nghiên cứu vi khuẩn gây bệnh lao (Mycobacterium tuberculosis-1882), bệnh tả ( Vibrio cholerae-1883), ông đã sáng tạo nhiều phương pháp nghiên cứu như kỹ thuật cố định, nhuộm màu vi khuẩn, nuôi cấy và phân lập VSV trên môi trường đặc. Năm 1884, Elie Metchnikoff (1845-1916) miêu tả hiện tượng thực bào (phagocytosis); Hans Christian J. Gram (1853-1938) tìm ra phương pháp nhuộm Gram. 1 2 3 4 Hình 1.10: 1. Louis Pasteur (1822-1895); 2. Robert Koch (1843-1910); 3. Elie Metchnikoff (1845-1916); 4. Theodor Escherich (1857 –1911) Năm 1885, Theodor Escherich (1857 –1911) tìm ra vi khuẩn Escherichia coli gây ra bệnh tiêu chảy; Daniel E. Salmon (1850-1914) phát hiện ra Salmonella typhi gây ra bệnh thương hàn. Năm 1886, Fraenkel phát hiện thấy Streptococcus pneumoniae gây ra bệnh viêm phổi.
17 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới Năm 1887, Richard Petri (1852-1921) phát hiện ta cách dùng hộp lồng (đĩa Petri) để nuôi cấy vi sinh vật. Những năm 1887-1890, Serge Winogradsky (1856-1953) nghiên cứu về vi khuẩn lưu huỳnh và vi khuẩn nitrate hoá. 1 2 3 4 Hình 1.11: 1. Daniel E. Salmon (1850-1914); 2. Hans Christian J. Gram (1853-1938); 3. Richard Petri (1852-1921); 4. Serge Winogradsky (1856-1953) Năm 1889, Martinus Beijerinick (1851-1931) phân lập được vi khuẩn nốt sần từ rễ đậu. Năm 1890, Emil Adolph von Behring (1854-1917) làm ra kháng độc tố chống bệnh uốn ván và bệnh bạch hầu. Năm 1892, Dmitri Iwanowski (1864-1920) phát hiện ra mầm bệnh nhỏ hơn vi khuẩn (virus) gây ra bệnh khảm ở cây thuốc lá. Năm 1894, Alexandre Yersin (1863-1943) và Kitasato Shibasaburo (1852-1931) khám phá ra vi khuẩn gây bệnh dịch hạch (Yersina pestis). 1 2 3 4 Hình 1.12: 1. Martinus Beijerinick (1851-1931); 2. Emil Adolph von Behring (1854-1917) 3. Dmitri Iwanowski (1864-1920) ; 4. Alexandre Yersin (1863-1943) Năm 1895, Jules Bordet (1870-1961) khám phá ra Bổ thể (complement) Năm 1896, Emile van Ermengem tìm ra mầm bệnh ngộ độc thịt (vi khuẩn Clostridium botulinum). Năm 1897, Eduard Buchner (1860- 1917) tách ra được các men (ferments) từ nấm men (yeast); Ross, Sir Ronald (1857-1932) chứng minh ký sinh trùng sốt rét lây truyền bệnh qua muỗi.
18 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới Năm 1899, Martinus Beijerinick (1851-1931) chứng minh những hạt virus đã gây nên bệnh khảm ở lá thuốc lá. 1 2 3 4 Hình 1.13: 1. Jules Bordet (1870-1961); 2. Emile van Ermengem(?); 3. Ronald Ross(1857-1932); 4. Eduard Buchner (1860- 1917) Năm 1900, Major Walter Reed (1851-1902) chứng minh bệnh sốt vàng lây truyền do muỗi. Năm 1902, Karl Landsteiner (1868-1943) khám phá ra các nhóm máu. Năm 1903, Wright và cộng sự khám phá ra kháng thể (antibody) trong máu của các động vật đã miễn dịch. Năm 1905, Fritz Schaudinn (1871-1906) và Jakob Wassermann (1873-1934) tìm ra mầm bệnh giang mai (Treponema pallidum). 1 2 3 4 Hình 1.14: 1. Major Walter Reed (1851-1902); 2. Karl Landsteiner (1868-1943); 3. Fritz Schaudinn (1871-1906); 4. Jakob Wassermann (1873-1934) Năm 1906, Jakob Wassermann phát hiện ra xét nghiệm cố định bổ thể để chẩn đoán giang mai. Năm 1909, Howard Taylor Ricketts (1871-1910) chứng minh bệnh Sốt ban núi đá lan truyền qua ve là do mầm bệnh vi khuẩn (Rickettsia rickettsii). Năm 1910, Peyton Rous (1879-1970) phát hiện ra ung thư ở gia cầm.
19 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới 1 2 3 4 Hình 1.15: 1. Jakob Wassermann (1873-1934); 2. Ricketts (1871-1910); 3. Prowazek(1875-1915) và 4. Peyton Rous (1879-1970) Năm 1915, Frederick Twort (1877-1950) và năm 1917, Felix d'Herelle (1873-1949) phát hiện ra virus của vi khuẩn ( thực khuẩn thể-phage). Năm 1923, xuất bản lần đầu cuốn Phân loại vi khuẩn (Bergey's Manual of Systematic Bacteriology) Năm 1928, Frederick Griffith ( 1881-1941) khám phá ra việc biến nạp (transformation) ở vi khuẩn. 1 2 3 4 Hình 1.16; 1. Frederick Twort (1877-1950); 2. Felix d'Herelle (1873-1949); 3. David Hendricks Bergey (1860-1937); 4. Frederick Griffith ( 1881-1941) Năm 1928, Alexander Fleming (1881-1955) phát hiện ra chất kháng sinh penicillin. Năm 1931, Van Niel (1897-1985) chứng minh vi khuẩn quang hợp sử dụng chất khử như nguồn cung cấp electron và không sản sinh oxygen. Năm 1933, Ernst August Friedrich Ruska (1906-1988) làm ra chiếc kính hiển vi điện tử đầu tiên. Năm 1935, Wendell Stanley (1904-1971) kết tinh được virus khảm thuốc lá (TMV); Gerhard Domag (1895 –1964) tìm ra thuốc sulfamide. Năm 1937, Edouard Chatton (1883-1947) phân chia sinh vật thành hai nhóm: Nhân sơ (Procaryotes) và Nhân thực (Eukaryotes).
20 Chương 1: Vai trò của vi sinh vật trong sinh giới 1 2 3 4 Hình 1.17: 1. Alexander Fleming (1881-1955); 2. Friedrich Ruska (1906-1988); 3. Wendell Stanley (1909-1971) và 4. Gerhard Domag (1895 –1964) Năm 1941, George W. Beadle (1903-1989) và Tatum, Edward Lawrie (1909-1975) đưa ra giả thuyết một gen- một enzym. Năm 1944, Oswald Avery (1877-1955) chứng minh DNA chuyển thông tin di truyền trong quá trình biến nạp; Selman Abraham Waksman(1888-1973) tìm ra chất kháng sinh streptomycin. 1 2 3 4 Hình 1.18: 1. Edouard Chatton (1883-1947); 2.George W. Beadle (1903-1989); 3. Tatum, Edward Lawrie (1909-1975); 4. Oswald Avery (1877-1955). Năm 1946, Lederberg Joshua (1925-?), và Tatum Edward Lawrie (1909-1975), khám phá ra quá trình tiếp hợp (conjugation) ở vi khuẩn. Năm 1949, Enders, John Franklin (1897-1985), Weller, Thomas Huckle (1915- ) và Robbins, Frederick Chapman (1916-2003), nuôi được virus Polio (Poliovirus) trên mô người nuôi cấy và nhiều loại mô khác nhau. Năm 1950, André Michel Lwoff (1902-1994) xác định được các thực khuẩn thể tiềm tan (lysogenic bacteriophages). Năm 1951 Barbara McClintock (1902-1992) phát hiện ra gen nhảy.