Vi sinh vật học môi trường - PGS. TS. Ngô Tự Thành

Chia sẻ: Nguyen Quan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:192

Thêm vào BST

Báo xấu

417
lượt xem 93
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong phần này sẽ cung cấp những hiểu biết cơ bản về vi sinh vật như: Vi sinh vật là gì, đặc tính chung của chúng, vai trò của chúng trong tự nhiên và trong đời sống sản xuất của con người, cấu tạo và chức năng của hai loài tế bào vi sinh vật (procaryot và eucargot), dinh dưỡng, sinh trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật, các chu trình sinh địa hóa với sự tham gia của vi sinh vật.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Vi sinh vật học môi trường - PGS. TS. Ngô Tự Thành

Vi sinh v t h c môi trư ng B i: PGS. TS. GV Cao c p Ngô T Thành
N i dung 1 Nh ng khái ni m cơ b n v vi sinh v t 1.1 Vi sinh v t trong t nhiên, trong đ i s ng, s n xu t c a con ngư i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 C u trúc và ch c năng c a t bào Procaryot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Dinh dư ng c a vi sinh v t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.4 Các chu trình sinh đ a hóa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 43 2 Gi i thi u m t s nhóm vi sinh v t 2.1 M t s nhóm vi khu n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3 Vi sinh v t và x lý môi trư ng ô nhi m 3.1 M t s khái ni m căn b n v x lý sinh h c môi trư ng ô nhi m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2 Kh năng c a vi sinh v t phân h y m t s nhóm ch t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3 S phân h y sinh h c m t s ch t đ c bi t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.4 Nh ng nhân t nh hư ng đ n s phân h y sinh h c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.5 X lý In situ đ i v i nư c ng m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.6 Ph c h i sinh h c pha bùn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.7 Ph c h i sinh h c pha r n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 142 3.8 X lý sinh h c pha khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 3.9 X lý sinh h c ch t th i r n h u cơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 3.10 X lý nư c và x lý nư c th i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4 Vi sinh v t và b o v môi trư ng Ch m c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Tham gia đóng góp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183
Chương 1 Nh ng khái ni m cơ b n v vi sinh v t 1.1 Vi sinh v t trong t nhiên, trong đ i s ng, s n xu t c a con ngư i1 1.1.1 Khái ni m m đ u v vi sinh v t Vi sinh v t là nh ng cơ th r t nh bé, mà đa s không đư c nhìn th y b ng m t thư ng. Chúng bao g m nhi u lo i cơ th , khác nhau r t cơ b n v m c đ t ch c t bào và l ch s ti n hóa, cũng như v ý nghĩa th c ti n. Nh ng nhóm vi sinh v t ch y u là: vi khu n (bacteria), c khu n (archaea), n m (fungi), t o (algae), đ ng v t nguyên sinh (protozoa), và virut (viruses). Riêng virut là nh ng th c th chưa có c u t o t bào, các vi sinh v t khác đ u thu c m t trong hai lo i t bào: t bào chưa có nhân đi n hình – hay t bào procaryot (procaryotic cells) và t bào có nhân đi n hình – hay t bào eucaryot (eucaryotic cells). Trong ph n này c a chương, chúng ta s đ c p v n t t đ n m t s nhóm l n ho c nhóm nh vi sinh v t trên c hai phương di n khoa h c và th c ti n. 1.1.2 Vi sinh v t trong cây ch ng lo i phát sinh chung c a sinh gi i Trái đ t c a chúng ta đã có 4,6 t năm tu i. Ngư i ta đã tìm th y nh ng hóa th ch c a procaryot có đ tu i 3,5 – 3,8 t năm. S s ng c a các cơ th procaryot đã xu t hi n m t th i gian ng n sau khi trái đ t ngu i b t đi. R t có th các cơ th procaryot đ u tiên có l i s ng k khí. Sau đó, t i cách đây kho ng 2,5 – 3 t năm thì xu t hi n m t nhóm procaryot khác là vi khu n lam (cyanobacteria) v i s quang h p s n sinh ra oxy. T đó, v i s có m t c a oxy, thì vi sinh v t ngày càng đa d ng D a trên trình t nucleotit c a ARN ribosom (ARNr ), Carl Woese và c ng s cho r ng các cơ th procaryot đã ti n hóa thành hai nhóm khác nhau t r t s m. Trên hình 19.3–31 trình bày cây ch ng lo i phát sinh c a sinh gi i theo ý tư ng c a Woese và cách trình bày c a Prescott. Theo đó, cây ch ng lo i phát sinh chung chia thành ba cành chính đ i di n cho ba nhóm nguyên th y: vi khu n (bacteria), c khu n (Archaea), và sinh v t có nhân th t (Eucarya). Vi khu n và c khu n phân hóa tách kh i nhau trư c, r i sau đó sinh v t có nhân th t xu t hi n. Ba nhóm nguyên th y này đư c g i là ba lãnh gi i (domain), m i lãnh gi i g m nhi u ngành (phylum), và gi i (kingdom). Theo cách s p x p trư c đây thì các gi i n m trong ba lãnh gi i này. Hình 19.3 – 31. Cây ch ng lo i phát sinh chung c a sinh gi i. Các m i quan h đư c xác đ nh d a trên s so sánh trình t nucleotit c a ARN ribosom. Cây đư c xây d ng theo ý tư ng c a J. Olsen và C.R.Woese, v i cách trình bày c a Prescott và c ng s . Ngu n: 31 1 Phiên b n tr c tuy n c a n i dung này có . 1
2 CHƯƠNG 1. NH NG KHÁI NI M CƠ B N V VI SINH V T M t cách v n t t nh t, ba lãnh gi i khác nhau v các đ c đi m căn b n nh t, đó là v nhân, v ARNr , và v lipit c a màng t bào. T bào vi khu n và c khu n đ u chưa có nhân th t mà ch có m t c u trúc tương đương nhân, đư c g i là th nhân (nucleotit, nuclear body) th này không có màng bao quanh. Trong khi đó các sinh v t có nhân th t s thì nhân này có màng kép bao b c. ARNr và lipit màng c a chúng cũng khác nhau. Ngoài ra là hang lo t s khác nhau khác gi a ba lãnh gi i. Thu c v . . . đ ch vi khu n th t. [BDGV, 126-128] 1.1.3 Nh ng đ c tính chung c a vi sinh v t 1.1.3.1 Kích thư c nh bé Vi sinh v t thư ng là nh ng cơ th đơn bào, nên khi nói v kích thư c c a vi sinh v t cũng là nói v kích thư c t bào c a chúng. Thông thư ng vi sinh v t có kích thư c t bào t 1 đ n 10 micromet (1 µm=10-3 mm), tùy theo chúng thu c nhóm procaryot hay eucaryot, trong khi t bào th c v t hay t bào đ ng v t có đư ng kính kho ng 100 µm (kho ng 1.1 – 40). Tuy nhiên v i nh ng phát hi n g n đây thì có nh ng t bào procaryot r t nh ho c r t l n – l n hơn c t bào eucaryot thong thư ng. Dư i đây là m t vài s li u v kích thư c c a vi khu n. Nh nh t và. . . Đi u c n nh n ra là kích thư c r t nh bé c a vi sinh v t có nh ng ý nghĩa r t quan tr ng v hình thái h c, v ho t tính và tính linh đ ng trong trao đ i ch t, v s phân b sinh thái; và chúng ta ph i có nh ng phương pháp làm vi c đ c bi t v i chúng trong phòng thí nghi m. m t góc đ khác cũng c n th y r ng m c dù kích thư c r t nh bé, vi sinh v t v n th c hi n r t h u hi u m i ch c năng mà m i cơ th đa bào th c hi n: h p th và tiêu hóa ch t dinh dư ng, thu nh n năng lư ng, sinh t ng h p, tích lũy ch t d tr , ti p nh n và x lý các tác đ ng c a môi trư ng, chuy n sang giai đo n ngh trong nh ng đi u ki n môi trư ng b t l i. 1.1.3.2 Vi sinh v t là m t h p ph n c a môi trư ng s ng Vi sinh v t do có kích thư c hi n vi và do có nhi u kh năng sinh h c r t đ c bi t mà t n t i h u kh p m i nơi trên trái đ t: ngay xung quanh chúng ta (đ t, nư c, không khí, đ dung, th c ph m), và ngay trên b m t cơ th , trong cơ th chúng ta (trên da, trong xoang mi ng, xoang ru t. . .) Trong t nhiên, nh ng môi trư ng bình thư ng – nơi có các đi u ki n thu n l i cho h u h t cơ th s ng (v ch t dinh dư ng, nhi t đ , pH, oxi. . .) – thì có m t khu h vi sinh v t phong phú v ch ng lo i và đông đúc v s lư ng. Ví d : trong 1gam đ t t ng canh tác có th có t i kho ng hơn 20 t vi khu n, vài ch c tri u vi n m, vài ch c nghìn vi t o; trên cơ th chúng ta, trong 1cm2 da c a vùng trán có th có t i b n mươi nghìn vi khu n Staphylococcus epidermidis, còn vùng các ngón chân thì s vi khu n này là hơn m t tri u; đó là chưa k các vi sinh v t khác. Đ c bi t, nh ng môi trư ng c c tr (extreme environments), nơi mà m i đ ng v t và th c v t không th t n t i, thì v n có m t s vi sinh v t sinh trư ng Các môi trư ng c c tr y là nh ng nơi có m t hay nhi u đi u ki n r t kh c nghi t như nhi t đ r t cao ho c r t th p, pH r t axit ho c r t ki m, đ m n cao, áp su t cao, nghèo dinh dư ng, không có oxi. . . Riêng v nhi t đ , nh ng gi i h n trên v nhi t đ đ i v i c khu n (Archaea), vi khu n (bacteria), và vi sinh v t có nhân th t (eukaryotic microorganisms) là 113, 95, và 62o C, theo th t , trong khi đó h u h t đ ng v t và th c v t không th sinh trư ng trên 50o C. M t vài ví d v các vi sinh v t s ng trong các môi trư ng c c tr đư c nêu ra dư i đây. • C khu n Pyrolobus fumari có kho ng nhi t đ sinh trư ng t 90 đ n 113o C, trong đó nhi t đ t i ưu 105o C, s ng t i các “c t khói đen” các vùng bi n sâu trên 1000m • C khu n Cenarchacum symbiosum thu c nhóm ưa l nh (psychrophiles) sinh trư ng nhanh nh t nhi t đ 15o C ho c th p hơn – đư c phân l p ngoài khơi b bi n California • C khu n Thermoplasma volcanium sinh trư ng t i ưu 55o C và pH 2, đư c phân l p t các vùng có núi l a nhi u nơi trên th gi i.
3 • Các loài c khu n Picrophilus oshimae và P. toridus thu c nhóm c c kì ưa axit (extreme acidophile) – có pH t i ưu cho sinh trư ng là 3 ho c th p hơn n a – đã đư c phân l p t nh ng vùng có núi l a mi n b c Nh t B n • Nh ng vi sinh v t c c kì ưa ki m (extreme alkalophiles) sinh trư ng t i ưu pH 10 ho c cao hơn. Trong s này, nhi u ch ng Bacillus đã đư c phân l p t các môi trư ng s ng pH>10, như các su i ki m và các h giàu cacbonat. Nh ng ch ng Bacillus này có th sinh trư ng pH 11. Ngoài ra ngư i ta cũng quan sát th y các cơ th gi ng Bacillus trong ru t già c a m t loài m i ăn đ t – nơi có đi u ki n r t ki m, pH t i 12, m c dù chưa bi t rõ nh ng cơ th này có ho t tính trao đ i ch t hay không. • Nh ng vi sinh v t c c kì ưa m n (extreme halophiles) sinh trư ng đư c trong kho ng n ng đ mu i 2,0 – 5,2 M, v i n ng đ t i ưu là 3M. Trong s này có loài c khu n Halobacterium lacusprofundi và m t s loài t o l c Dunaliella sinh trư ng H Sâu (Deep Lake) thu c Nam C c – nơi có n ng đ mu i 4,5M và nhi t đ dư i 0o C trong 8 tháng m i năm. V i các c c tr v nhi t đ , đ mu i, l c ion và v năng su t s n xu t b c m t (10o g.C/m2 /năm) thì H Sâu đư c coi là m t trong nh ng môi trư ng s ng kh c nghi t nh t trên trái đ t. • T i các vùng bi n sâu (sâu hơn 1000m), không nh ng áp su t nư c r t l n (kho ng 1100 atm), mà nhi t đ thì r t l nh (
4 CHƯƠNG 1. NH NG KHÁI NI M CƠ B N V VI SINH V T 1.1.4 Vai trò c a vi sinh v t trong t nhiên V t ch t trong t nhiên luôn tu n hoàn: chuy n t d ng vô cơ sang d ng h u cơ và ngư c l i. Trong quá trình tu n hoàn y, các cơ th s ng đư c chia thành ba nhóm tùy theo vai trò c a chúng: • Toàn b cây xanh và các vi sinh v t quang dư ng t ng h p các ch t h u cơ t cacbondioxit nh s d ng năng lư ng m t tr i, nên đư c g i là sinh v t s n xu t • Toàn b đ ng v t thì s d ng ph n l n sinh kh i sơ c p vào vi c t o ra năng lư ng và m t ph n nh vào vi c t ng h p sinh kh i c a chúng, nên đư c g i là sinh v t tiêu th • N m và vi khu n có vai trò tích c c trong s phân h y ch t h u cơ c a m i đ ng v t, th c v t thành ch t vô cơ (s vô cơ hóa hay s khoáng hóa, mineralization), do đó đư c g i là sinh v t phân h y. N m thì đóng vai trò này trong môi trư ng đ t, còn vi khu n thì trong c môi trư ng đ t và môi trư ng nư c. Như v y, các cơ th s ng tham gia vào s tu n hoàn v t ch t trong t nhiên b ng cách làm cho v t ch t y tu n hoàn t d ng vô cơ sang d ng h u cơ và ngư c l i, thong qua các ph n ng kh và ph n ng oxi hóa. Các ph n ng kh và oxi hóa do các cơ th s ng th c hi n y cùng các quá trình không sinh h c d n đ n chu trình sinh đ a hóa (biogeochemical cycles) là s tu n hoàn c a toàn b các nguyên t trong n i b m t ph n ho c gi a các ph n c a h sinh thái kh ng l c a chúng ta (trái đ t), g m khí quy n, th y quy n, th ch quy n, và sinh quy n. 1.1.5 Vai trò c a vi sinh v t trong đ i s ng và s n xu t c a con ngư i Chính nh s vô cơ hóa ch t h u cơ mà các nguyên t trong ch t h u cơ đư c tr v d ng vô cơ đ tr v cho khí quy n và cho đ t hay nư c, do đó, s s ng không b ng ng tr : nhi u khí vô cơ đư c tr v khí quy n, trong đó CO2 đư c dung cho cây xanh th c hi n quang h p, nhi u ch t vô sơ đư c tr v đ t và nư c trong đó các mu i c a N,P,S đư c cơ th s ng h p th đ t ng h p tr l i các ch t h u cơ. Cũng chính b ng s vô cơ hóa mà vi sinh v t tham gia vào s t làm s ch các tghuyr v c b ô nhi m h u cơ m c v a ph i, cũng như tham gia vào s phân h y xác sinh v t và ch t h u cơ v n x y ra t nhiên trong đ t, làm cho m t đ t chúng ta đang s ng nói chung không b ng p tràn trong xác đ ng v t th c v t th m chí không còn ch cho chúng ta s ng. M t khác, s vô cơ hóa nh vi sinh v t là cơ s c a h u h t các quá trình x lý sinh h c (bioremediations) đ i v i các môi trư ng nư c và đ t. Trong chương 4 chúng ta s xem xét s tu n hoàn c a các nguyên t quan tr ng hàng đ u đ i v i s s ng: C, N, P, S, Fe, và Mn. 1.2 C u trúc và ch c năng c a t bào Procaryot2 1.2.1 M đ u Như chúng ta bi t, t bào c a m i cơ th s ng đ u thu c m t trong hai lo i: t bào chưa có nhân đi n hình, hay t bào procaryot (procaryotic cells), và t bào có nhân đi n hình, hay t bào eucaryot (eucaryotic cells). Thu c v các cơ th procaryot có vi khu n (bacteria) t c vi khu n th t (eubacteria) và vi khu n c (archeobacteria hay archaea). Còn thu c v các cơ th eucaryot có t o, n m, đ ng v t nguyên sinh, t t c th c v t và m i đ ng v t. Như v y khái ni m “vi sinh vât” ch hàm ý là nh ng cơ th có kích thư c hi n vi ch khong hàm ý gì v m t phân lo i, ho c v h th ng h c v n d a trên cơ s c u trúc và ch c năng c a t báo. Vi sinh v t bao g m các cơ th thu c c hai nhóm, procaryot và eucaryot. S khác nhau rõ ràng nh t gi a chúng là ch các t bào procaryot có hình thái đơn gi n hơn nhi u so v i eucaryot và không có m t nhân th t s - t c nhân đư c bao quanh b i m t màng nhân; trái l i, t bào eucaryot thư ng l n hơn, ph c t p hơn v hình thái, và nh t là có nhân đư c bao quanh b i màng nhân. Ngoài ra còn hàng lo t s khác bi t n a gi a hai lo i t bào, đư c nêu trong b ng 1. B ng 1. So sánh các t bào procaryot và eucaryot 2 Phiên b n tr c tuy n c a n i dung này có .
5
6 CHƯƠNG 1. NH NG KHÁI NI M CƠ B N V VI SINH V T Đ c tính T bào procaryot T bào eucaryot - T ch c c a v t ch t di truy n * Nhân th t s (có màng bao Không có Có quanh) * AND ph c t p, liên k t v i his- Không có Có ton * S lư ng nhi m s c th 1a >1 * Các intron trong các gen Hi m Ph bi n * Nucleolus(plasmosom) Không có Có * S phân bào gián phân Không x y ra Có x y ra - Tái t h p di truy n Truy n m t ph n AND, theo m t Thông qua gi m phân và s k t hư ng h p các giao t - Các ti th Không có Có - Các h t l c l p Không có Có b - Màng sinh ch t ch a sterol Thư ng không có Có - Tiên mao Kích thư c dư i hi n vi, câu t o Kích thư c hi n vi, có màng, b ng m t s i thư ng g m 20 vi qu n x p x p theo ki u 9 + 2 - L ư i n i ch t Không có Có - B máy Golgi Không có Có - Thành t bào Thư ng ph c t o v hoá h c, Đơn gi n hơn v hoá h c và ch a peptidoglican e không ch a peptidoglican - Nh ng khác bi n trong các c ơ quan t đơn gi n hơn * Các ribosom 70S 80S * Các lysosom và peroxisom Không có Có * Các vi qu n Không có ho c Hi m Có * B khung t bào Có th không có Có xem ti p trang sau
7 - S bi t hoá m c chưa cao m c cao, thành mô và các cơ quan -M t trong các ch c năng:N2 Có m t s loài Không có ->N h u cơ, NO3 -> N2 , sinh metan - Kh năng dùng ch t vô cơ làm Có m t s loài Không có ngu n năng lư ng duy nh t B ng 1.1 a. Có th có thêm thông tin di truy n trên các plasmit. b. Ch có các Mycoplasma và các vi khu n dinh dư ng metan (Methanotrophs) có ch a các sterol. Các Mycoplasma không th t ng h p các sterol và đòi h i đư c cung c p. Nhi u procaryot ch a các hopanoit. c. Các Mycoplasma và Archaea không có thành t bào ch a peptidoglican. Qua b ng 1 và hình 1 có th khái quát hoá s khác nhau và gi ng nhau gi a hai lo i t bào y như sau: - Các t bào procaryot không có nhân đi n hình đư c bao b c b i màng nhân, còn các t bào eucaryot thì có. Đây là s khác nhau quan tr ng nh t. - H u h t các t bào procaryot nh hơn và đơn gi n hơn c v c u trúc l n ch c năng so v i lo i t bào kia. Chúng nh b ng kho ng các ty th ho c các l p th c a eucaryot. S đơn gi n v c u trúc c a các procaryot th hi n ch chúng không có nhi u cơ quan t có màng bao quanh, còn s đơn gi n v ch c năng th hi n ch không có hai cơ ch phân bào gián phân và gi m phân, đơn gi n v t ch c c a v t li u di truy n, thi u v ng nhi u quá trình ph c t p v n di n ra các t bào eucaryot. Hình 1. Sơ đ m t t bào procaryot (a) và eucaryot (b) a) Sơ đ lát c t d c c a m t t bào vi khu n. Cm: màng sinh ch t, Cp: sinh ch t, Ge: tiên mao, Gly: h t glycogen, Ka; v b c, Li: Các gi t lipit, N: nucleus, PHB: axit poly- β-hydroxybutyric, Pi: pili, Pl: plasmit, Po: các h t polyphotphat, Rd: các ribosom và polysom, S: Các gi t lưu huỳnh, Zw: thành t bào. b) Sơ đ lát c t d c c a m t t bào th c v t. Chl: Các l p th , Cm: màng sinh ch t, Cp: sinh ch t, Di: th lư i (dictyosom), ER: lư i n i ch t, Ex: bóng ti t (exocytose); Li: các gi t lipit, Mi: ti th , Mt: các vi qu n, N: nucleus ho c nhân, Rb: các ribosom, T¨: l nh trên thành t bào, V: các không bào, Zw: thành u t bào. Tuy nhiên s gi ng nhau, s th ng nh t v sinh hoá m c đ phân t gi a hai lo i t bào cũng r t hi n nhiên: - Chúng đư c t o thành t nh ng h p phàn sinh hoá gi ng nhau. - Mã di chuy n c a chúng là gi ng nhau, tr m t vài lo i l . - S bi u hi n các thông tin di truy n ch a trong ADN c a chúng cũng gi ng nhau. - Các nguyên lý c a trao đ i và các con đư ng trao đ i ch t quan tr ng c a chúng là gi ng nhau. - Do v y, bên dư i s khác nhau sâu s c, rõ r t v c u trúc và ch c năng c a hai lo i t bào, chúng ta v n nhìn th y s th ng nh t th m chí còn sâu s c, cơ b n hơn, gi a chúng: đó là s nh t quán m c đ phân t , s nh t quán này là cơ s cho m i quá trình s ng trên hành tinh này. Trong th c ti n, khái ni m procaryot đư c dùng theo nghĩa chung, bao g m c vi khu n th t (eubacteria) và vi khu n c (archeobacteria hay archea); khái ni m vi khu n (bacteria) thư ng đ ch vi khu n th t. 1.2.2 Khái quát v c u trúc c a t bào procaryot 1.2.2.1 Kích thư c, hình d ng và s s p x p các t bào Có m t quan ni m ph bi n cho r ng nh ng cơ th nh và đơn gi n như procaryot thì khá đơn đi u v hình d ng và kích thư c. Đi u đó ch là m t m t c a v n đ . M t th hai là, chúng cũng khá đa d ng v hình thái và kích thư c, do s khác nhau v b n ch t di truy n và c do đi u ki n sinh thái n a (hình 2, 3, 4, 5). V hình d ng, có hai nhóm chính là vi khu n hình c u, hay c u khu n (coccus, cocci) và vi khu n hình que hay tr c khu n (rocl, bacillus, bacilli).
8 CHƯƠNG 1. NH NG KHÁI NI M CƠ B N V VI SINH V T Các c u khu n thì khác nhau v s s p x p các t bào như sau: - Song c u khu n (diplococcus, diplococci) là nh ng c u khu n mà khi phân chia chúng không r i nhau, do đó t o thành m t c p t bào (Neisseria, hình 5). - Liên c u khu n (streptococcus, streptococci) là nh ng c u khu n mà sau nhi u l n phân chia trên cùng m t m t ph ng các t bào không tách ròi nhau. Đó là trư ng h p c a các chi Streptococcus, Enterococcus, và Lactococcus (hình 2b). - T c u khu n (Staphylococcus, Staphylococci) là nh ng c u khu n phân chia theo nh ng m t ph ng b t kỳ do đó t o thành nh ng chùm t bào gi ng như chùm nho (Staphylococcus, hình 2a). - Vi c u khu n (micrococcus, micrococci), thì thư ng phân bào trong hai m t ph ng đ t o thành các kh i vuông g m b n t bào (micrococus). - chi Sarcina, các c u khu n phân chia t bào trong ba m t ph ng, do đó t o thành nhóm hình kh i g m tám t bào. Các tr c khu n thì khác nhau v m t vài đ c đi m: - T l gi a chi u dài v i chi u r ng: có nh ng tr c khu n ng n đ n m c trông g n gi ng c u khu n, nên có th g i là c u - tr c khu n (côccbacilli). - Hình d ng c a đ u mút t bào: ph ng, cong, hình đ u đi u xì gà, đ u x đôi. - S s p x p t bào: nhi u tr c khu n có t bào đ ng riêng r , m t s khác thì x p t bào thành chu i. Bacillus megaterium có t bào to và x p chu i dài (hình 2c). - D ng cong c a t bào: m t s ít tr c khu n có d ng cong như d u ph y ho c như m t vòng xo n không hoàn toàn, đó là trư ng h p c a chi Vibrio (hình 2e). S đa d ng v hình thái c a vi khu n còn th hi n các trư ng h p sau đây: - X khu n (Actinomycetes) r t thư ng t o nh ng s i dài – filaments, micelia (hình 3a). - Nhi u vi khu n có d ng gi ng nh ng tr c khu n dài xo n l i, đư c g i là các xo n khu n (Spirillum) n u chúng là r n ch c, và g i là xo n th (Spirochetes) n u chúng là m m d o (hình 2d, 3c, 4a, 4b). - Hypomicrobium có d ng oval đ n d ng qu lê (hình 3d) thì t o thành m t ch i đ u nút c a m t s i dài. - Có nh ng vi khu n khác thì t o thành nh ng cu ng không s ng, như Gallionella ch ng h n (hình 3f). - M t s ít vi khu n có d ng d t, ví d nh ng khu n d t s ng trong các h mu i, do Anthony E.Walsby phát hi n (hình 3e). Chúng s ng như nh ng h p d t hình vuông t i ch nh t, kích thư c 2 x 2-4µm, d y ch có 0,25 µm. - Cu i cùng, có nh ng vi khu n có hình d ng không c đ nh, hay không có hình d ng đ c trưng (hình 3b). B n này đư c g i là có tính đa hình (pleomorphic), th m chí m c dù chúng có th , gi ng như Corynebac- terrim, thư ng có d ng gi ng tr c khu n. V kích thư c, vi khu n cũng r t khác nhau theo th t t nh đ n l n, có th k : - Nh nh t và m i đư c bi t đ n g n đây nh t, là các “vi khu n c nano” (nanobacteria) hay còn g i là các vi khu n siêu nh , có đư ng kính t 0,2 µn đ n dư i 0,05µm. M t s ch ng đã đư c nuôi c y thành công, còn h u h t chúng ch là nh ng v t th gi ng như vi khu n và có kích thư c hi n vi mà thôi. Ngư i ta t ng quan ni m r ng t bào ch có th nh đ n m c có đư ng kính 0,14 µm – 0,20 µm, nhưng g n đây ngư i ta đã phát hi n th y nhi u vi khu n nano còn nh hơn th . M t s nhà vi sinh v t h c cho r ng các vi khu n nano là nh ng v t th nhân t o. Dĩ nhiên c n có thêm nhi u nghiên c u n a đ làm sáng t ý nghĩa c a nh ng d ng s ng này. - Vi khu n có kích thư c quen thu c là Escherichia coli, v i kích thư c trung bình là 1,1 – 1,5 µm chi u r ng x 2,0 – 6,0 µm chi u dài. - M t s ít vi khu n thì khá to, ví d m t s xo n th đôi khi dài t i 500µm (n a milimet!) và m t vi khu n lam – Oscillatorria – có đư ng kính t i 7 µm (tương đương h ng c u c a máu). - M t vi khu n kh ng l , Epulopiscium fishelsoni, s ng trong ru t c a m t loài cá, thì có kích thư c t i 600 x 80 µm, nghĩa là x p x m t d u g ch n i! (hình 6a). G n đây hơn, đã phát hi n m t vi khu n còn to hơn th , sóng trong t ng l ng đ ng c a đ i dương, có tên g i là Thiomargarita namibiensis, v i đư ng kính 100 – 700 µm (hình 6b). Như v y m t s ít vi khu n còn l n hơn c m t t bào eucaryot trung bình (m t t bào th c v t hay đ ng v t đi n hình có đư ng kính t 10 đ n 50 µm).
9 1.2.2.2 S t ch c c a t bào procaryot Các t bào procaryot có các c u trúc r t khác nhau. Nh ng ch c năng ch y u c a chúng đư c tóm t t trong b ng 2 và đư c minh ho m t ph n hình 7. Không ph i m i c u trúc đ u có m t m i chi vi khu n. Ngoài ra, các t bào gram âm và gram dương cũng khác nhau v thành t bào. Tuy v y, các té bào procarryot v n có nh ng đ c tính chung v c u trúc cơ b n và v các h p ph n quan tr ng nh t. B ng 2. Ch c năng c a các c u trúc t bào procaryot C u trúc Ch c năng Có m t 1. Nucleoit * Nơi ch a v t li u di truy n a (ADN) 2. Màng sinh ch t * Hàng rào th m ch n l c* Ranh a gi i cơ h c c a t bào* V n chuy n ch t dinh dư ng và ch t th i* Nơi di n ra nhi u quá trình trao đ i ch t (hô h p, quang h p)* Phát hi n các tín hi u môi trư ng đ i v i hoá ng đ ng (chemotaxis) 3. Thành t bào * T o hình th t bào.* Tránh c cho t bào kh i b tan trong môi trư ng loãng. 4. Ribosom * T ng h p protein a 5. Khoang chu ch t * Ch a các enzym thu phân* b Liên k t các protein cho s thu nh n và ch bi n ch t dinh dư ng 6. Tiên mao * Cơ quan di đ ng c a t bào b 7. Tiêm mao (tua) * Cơ quan bám.* Cơ quan ghép b đôi. 8. Không bào khí * Phao làm n i t bào trong các b môi trư ng nư c 9. V b c và l p nhày * Đ kháng s th c bào.* Bám b vào các b m t. 10. Các th n nh p * D tr ngu n cacbon, ngu n b photpho và các ch t khác xem ti p trang sau
10 CHƯƠNG 1. NH NG KHÁI NI M CƠ B N V VI SINH V T 11. N i bào t * D ng đ kháng đ s ng sót qua b các đi u ki n kh c nghi t B ng 1.2 Các t bào procarryot là đơn gi n hơn nhi u so v i các t báo eucaryot. Đi u này s dư c th y rõ hơn sau khi tìm hi u v t bào eucaryot trong chuyên đ ti p theo (chuyên đ “C u trúc và ch c năng c a t bào eucaryot”). B n có bi t? B n nghĩ gì? NH NG VI KHU N KÌ D V i nh ng vi sinh v t thư ng g p xung quanh, chúng ta thư ng nghĩ r ng các t bào procaryot, t c vi khu n, là nh hơn các vi sinh v t eucaryot (ví d n m men t o). Chúng ta cũng đã bi t r ng các t bào procaryot sinh trư ng nhanh hơn nhi u so v i h u h t t bào eucaryot và chúng không có nh ng h th ng v n chuy n ph c t p có d ng b ng hay túi như eucaryot (đ c thêm v t bào eucaryot). Chúng ta cũng th a nh n r ng chúng ph i nh bé, m t ph n b i vì s khuy ch tán ch t dinh dư ng vào t bào là ch m, ph n khác vì có như th thì t l di n tích b m t/ kh i lư ng m i cao. Th r i, nh ng quan ni m y b t đ u lung lay, khi m t vi sinh v t kh ng l hình đi u xì gà, đư c phát hi n trong ru t c a m t loài cá Bi n Đ (Acanthurus nigrofuscus): năm 1985, trong công b c a mình v phát tri n nói trên, các tác gi Fishelson, Montgomery và Myrberg cho r ng đó là m t sinh v t thu c gi i Protista. Sau đó vào năm 1993, b ng cách so sánh trình t ARNr đ nh n d ng vi sinh v t nói trên, mà ngày nay có tên g i Epulopiscium fishelssoni, Esther Angert, Kendall Clemens và Norman Pace đã cho bi t r ng vi sinh v t này là m t procaryot có quan h v i chi vi khu n gram dương Clostridium. Khi y ngư i ta th y b t ng v kích thư c c a E.fishelsoni (t ch Latin epulum - b a ti c, và piscium - cá): 80 x 60µm, thông thư ng dài 200 đ n 500µm (hình b). Như v y vi khu n này có kh i lư ng g p m t tri u l n so v i Escherrichia coli! M c d u kích thư c kh ng l như v y, nó v n có c u trúc t bào ki u procaryot. Nó di đ ng v i t c đ kho ng hai l n chi u dài cơ th / 1 giây (kho ng 2,4cm/phút) nh cá tiên mao ki u vi khu n ph kh p b m t t bào. Kh i sinh ch t c a nó ch a các nucleoit l n và nhi u ribosom như m t t bào l n ph i có. Epulopiscium dư ng như đã vư t quá gi i h n v kích thư c do s khu ch tán quy đ nh, nh có m t l p ngoài là màng t bào đư c cu n ch t. Đi u đó làm tăng b m t t bào và do đó làm tăng cư ng s v n chuy n ch t dinh dư ng. Epulopiscium có l đư c lan truy n gi a các v t ch c a nó thông qua s nhi m phân cá và th c ăn c a cá. Vi khu n này có th b lo i tr b ng cách làm cho con cá v t ch b đói trong th i gian vài ngày. N u nh ng con cá con chưa b nhi m. Đáng chú ý là đi u này không x y ra các con cá trư ng thành. Tuy v y vi khu n nói trên v n chưa ph i là to nh t, nó m i ch b ng 1% so v i vi khu n Thiomargarita namibiensis đư c Heidi Schulz tìm th y trong t ng l ng đ ng c a bi n vùng b bi n Namibia vào năm 1997. Vi khu n này có hình c u, đư ng kính t 100µm đ n 750µm, thư ng t o thành các chu i t bào, trong các bao nh y. M t không bào chi m t i kho ng 98% t bào và ch a ch t l ng giàu nitrat; bao quanh không bào này là m t l p ch t nguyên d y 0,5 µm – 2,0µm chưa đ y các h t lưu huỳnh. L p ch t nguyên sinh này có đ d y đúng như các h u h t vi khu n và đ m ng cho các t c đ khuy ch tán v n di n ra vi khu n. Nitrat đư c dùng làm ch t nh n đi n t đ i v i quá trình oxy hoá lưu huỳnh và s n sinh năng lư ng. Như v y, v i s phát hi n ra hai procaryot kh ng l nói trên thì quan ni m phân bi t procarryot v i eucaryot d a theo kích thư c t bào đã không còn đ ng v ng. Nh ng proaryot v a nh c đ n là l n hơn nhi u so v i m t t bào eucaryot bình thư ng. Ngoài ra, m t s t bào eucaryot đư c “phát hi n l i” r ng chúng có kích thư c nh hơn so v i ngư i ta thư ng v n tư ng. Ví d đi n hình là Nanochlorum eukaryotum, có đư ng kính ch 1- 2 µm. Hi n nay nó đư c xác đ nh r ng đó là eucaryot th c s , v i m t nucleus, m t cloroplasst và m t ty th . S hi u bi t c a chúng ta v nh ng nhân t gi i h n kích thư c t bào procarryot c n ph i đư c xem xét l i. Quan ni m r ng các t bào l n là t bào eucaryot và nh là procaryot không th đ ng v ng đư c n a. Câu h i: 1. S khác nhau căn b n gi a t bào procaryot và t bào eucaryot là gì? 2. Nh ng s khác nhau gi a chúng?
11 3. S phát tri n ra nh ng vi khu n l n hơn t bào eucaryot bình thư ng, và nh ng t bào eucaryot nh 1 – 2 µm đư ng kính, nói lên đi u gì? 4. Các t bào Các t bào procaryot có th có nh ng hình d ng đ c trưng nào, kích thư c c a chúng ra sao. 5. Chúng có th t t p v i nhau theo nh ng cách nào? 6. V sơ đ m t t bào vi khu n và ghi chú nh ng c u trúc quan tr ng c a nó. 1.2.3 Các màng c a t bào procaryot 1.2.3.1 Đ i cương M i cơ th s ng đ u nh t thi t ph i có các màng. Các t bào ph i tương tác theo m t cách nào đ y v i môi trư ng c a chúng, đó có th là môi trư ng bên trong c a các cơ th đa bào, ho c môi trư ng bên ngoài thay đ i nhi u hơn và nhi u r i ro hơn. Các t bào không nh ng ph i có kh năng thu n p ch t dinh dư ng và lo i b ch t th i, mà còn ph i duy trì m i thành ph n n i bào tr ng thái n đ nh và có t ch c cao đ tôn t i trư c nh ng thay đ i bên ngoài. Màng sinh ch t (plasma membrane) bao b c ch t nguyên sinh, c t bào procaryot và t bào eucaryot. T bào ti p xúc v i môi trư ng ch y u t i đây và như v y màng này ch u trách nhi m v nhi u m i quan h v i th gi i bên ngoài. Đ hi u ch c năng c a màng thì c n ph i bi t c u trúc c a nó, nh t là c u trúc c a màng sinh ch t. 1.2.3.2 Màng sinh ch t Trong các màng bao gi cũng có nhi u lo i protein và nhi u lo i lipit, v i t l r t khác nhau gi a các loài. N u so v i các màng eucaryot thì màng sinh ch t c a vi khu n thư ng ch a nhi u protein hơn, có l vì chúng th c hi n nhi u ch c năng mà màng các cơ quan t c a t bào eucaryot th c hi n. H u h t các lipit nào liên k t v imàng thì có c u trúc b t đ i x ng, v i m t đ u phân c c và m t đ u không phân c c (hình 8) và đư c g i là lư ng c c. Các đ u phân c c thì tương tác v i nư c (ưa nư c, hydrophilic); các đ u không phân c (k nư c, hydrophobic) thì không tan trong nư c và có xu th k t h p v i m t đ u k nư c khác. Đ c tính này c a các lipit làm cho chúng có kh năng t o thành m t loép kép trong các màng. Các b m t ngoài có tính ưa nư c, còn các đ u k nư c thì đư c gi u vào bên trong, cách ly v i nư c xung quanh. Trong s các lipit lư ng c c như v y có r t nhi u phospholipit (hình 8). Thành ph n lipit c a các màng vi khu n thay đ i theo nhi t đ duy trì đư c trang thái l ng c a mình trong quá trình sinh trư ng. Ví d , nh ng vi khu n sinh trư ng các nhi t đ th p thì ph i ch a các axit béo có đi m nóng ch y th p trong photpholipit màng c a chúng. Các màng c a vi khu n thư ng khác v i các màng c a eucaryot ch chúng không ch a các sterol, như cholesterol ch ng h n (hình 9a). Tuy nhiên, nhi u lo i màng c a vi khu n ch a các phân t v i các c u trúc gi ng sterol nhưng có 5 vòng, đư c g i là các hopanoit (hình 9b) và trong các h sinh thái thì có m t lư ng kh ng l các ch t này. Các tính toán cho bi t r ng t ng lư ng các hopanoit trong các t ng l ng đ ng m i thu v c là kho ng 1011-12 t n, x p x t ng lư ng cacbon h u cơ trong t t c các cơ th s ng (1012 t n). Có b ng ch ng cho th y r ng các hopanoit đã góp ph n đáng k vào s hình thành d u m . Các hopanoit đư c t ng h p t cùng nh ng ti n ch t c a các steroit. Gi ng như các steroit eucaryot, các hopaniot có l làm n đ nh màng vi khu n – các lipit c a màng dư c s p x p thành hai l p phân t có các đ u k nư c đ i di n nhau (hình 10) So v i các màng c a eucaryot thì các màng c a procaryot có hai l p lipit tương đ i đ ng đ u nhau. eucaryot các lipit l p đơn phía ngoài khác v i các l p đơn phía trong. M c dù h u h t các lipit trong các l p đơn h n h p nhau m t cách t do, nhưng v n có nh ng ti u vùng khác nhau v thành ph n lipit và protein. Ví d có nh ng m ng lipit nào đó giàu cholesterol và có nh ng lipit ch a nhi u axit béo bão hoà, như m t s sphingolipit ch ng h n. Các m ng lipit trùm ngang l p lipit kép c a màng và các lipit trong các l p đơn li n k tương tác v i chúng. Nh ng m ng lipit này có l tham gia vào r t nhi u quá trình c a t bào, ch ng h n s di đ ng, s truy n tín hi u. Các m ng này cũng có th liên quan đ n s xâm nh p và s l p ghép c a m t s virut.
12 CHƯƠNG 1. NH NG KHÁI NI M CƠ B N V VI SINH V T Đ c bi t, các màng c a nhi u vi khu n c khác v i màng vi khu n th t ch có l p đơn ch a các phân t lipit chi m h u như toàn b b dày c a màng, thay vì l p kép. Các màng t bào là nh ng c u trúc r t m ng, ch dày kho ng 5-10mm và ch có th đư c nhièn th y dư i kính hi n vi đi n t . B ng các k thu t hi n đ i, ngư i ta th y r ng nhi u lo i màng, trong đó có màng sinh ch t, có c u t o bên trong ph c t p. Nh ng h t hình c u nh nhìn th y trong các màng này có l là nh ng protein c a màng, chúng n m gi a l p lipit kép c a màng (hình 11). Mô hình c u trúc màng đư c th a nh n r ng rãi nh t là mô hình kh m l ng c a S.Jonathan Singer và Garth Nicholson (hình 10). Theo mô hình này thì có hai lo i protein c a màng. Các protein ph thì g n l ng l o v i màng và có th d dàng b lo i b . Chúng tan trong các dung d ch nư c và chi m 20 – 30% t ng lư ng protein c a màng. Ph n còn l i, 70-80%, là các protein thi t y u c a màng. Chúng không d dàng đư c tách chi t kh u và không tan trong các dung d ch nư c. Các protein thi t y u, gi ng như các lipit c a màng, có tính lư ng c c: nh ng vùng k nư c c a chúng đư c vùi vào trong l p lipit kép, còn nh ng ph n ưa nư c thì nhô ra kh i m t b m t c a màng (hình 10). M t s protein này th m chí r t l n, n m xuyên qua toàn b b dày c a l p lipit kép. Các protein thi t y u có th d ch chuy n m t chút so v i b m t màng nhưng không th quay l n đ u đuôi ho c xoay quanh tr c c a nó, trong l p lipit. b m t ngoài c a các protein trong màng sinh ch t cũng thư ng có nh ng cacbohydrat đính vào và có l chúng có nh ng ch c năng quan tr ng nào đó. Hình nh trên đây là v màng t bào bi u th m t h th ng b t đ i x ng và có t ch c cao, cũng như có tính linh đ ng và năng đ ng. Các màng t bào có c u trúc và ch c năng r t khác nhau. Nh ng sai khác này là l n và có tính đ c trưng đ n m c các đ c đi m c a màng có th đư c dùng như nh ng đ c đi m v nh n bi t vi khu n. Màng sinh ch t c a các t bào procaryot ph i hoàn thành hàng lo t ch c năng như: • Duy trì kh i sinh ch t, nh t là nh ng t bào không có thành, và ngăn cách nó v i xung quanh. • Ho t đ ng như m t hàng rào th m ch n l c, nghĩa là ch cho phép các ion và phân t nào đó đi qua (vào và ra kh i t bào). Như v y nó tránh s th t thoát các h p ph n quan tr ng c a t bào do s rò r. • Tang cư ng s v n chuy n m t s ch t nh ng ch t không th t v n chuy n xuyên qua màng. Các h th ng v n chuy n tích c c này trong màng th c hi n s h p th ch t dinh dư ng, s lo i b các ch t th i, s ti p các protein. • T i màng di n ra nhi u quá trình trao đ i ch t quan tr ng như: hô h p, quang h p, t ng h p các lipit và các h p ph n c a thành t bào và có l c m t s quy trình liên quan đ n nhi m s c th . • Ch a nh ng phân t ti p nh n đ c bi t, giúp t bào phát tri n và các hoá ch t c a môi trư ng xung quanh đ có đáp ng phù h p. Rõ ràng, màng sinh ch t là m t b ph n thi t y u c a vi sinh v t. Đ hi u thêm v màng, có th đ c thêm các chuyên đ th m th u, s v n chuy n các ch t qua màng. 1.2.4 Các h th ng màng trong lòng kh i sinh ch t Sinh ch t c a các t bào procaryot không ch a các quan t có màng ph c t p ki u như ty th (mitôchndria) ho c l c l p (chloroplasts), nhưng v n có th có m t vài ki u c u trúc màng. Ki u c u trúc màng ph bi n nh t là mesocom (mesosome). Đó là nh ng ph n c a màng t bào chìm sâu vào trong kh i sinh ch t, có d ng túi (b ng), ng, ho c t m d t (hình 12 và 16). Chúng thư ng có m t vi khu n gram dương cũng như có m t c nhóm gram âm. Các mesosom thư ng đư c nhìn th y g n vách ngang c a các vi khu n đang phân chia và đôi khi có v như chúng dính vào nhi m s c th . Như v y chún có th liên quan đ n s t o nên thành t bào trong quá trình phân bào, ho c chúng có vai trò trong s sao chép nhi m s c th và phân ph i nhi m s c th b n sao và các t bào con. Tuy nhiên, hi n nay nhi u nhà vi khu n h c cho r ng các mesosom không ph i là nh ng c u trúc t nhiên c a t bào, chúng xu t hi n do s x lý hoá h c t bào nh m soi kính hi n vi đi n t . Có l chúng là nh ng ph n c a màng t bào có s khác bi t v hoá h c và b đ t ra b i hoá ch t dùng đ x lý t bào.
13 M t ki u màng khác, khác h n mesosom, cũng t n t i nhi u vi khu n (hình 13). Đó là nh ng màng sinh ch t g p khúc nhi u lân và chi m m t kho ng l n trong t bào như nhi u vi khu n quang h p (vi khu n lam, vi khu n tía), ho c như các vi khu n có cư ng đ hô h p m nh như vi khu n nitrat hoá. Nh ng màng này cũng có th t t p l i thành các bóng hình c u, bóng d t, ho c các màng hình ng. Có l nh s g p n p này mà màng có đư c b m t r ng l n đ có th ho t đ ng trao đ i ch t m ng hơn. Câu h i: 1. Mô t b ng sơ đ có ghi chú và b ng l i, mô hình kh m l ng c a màng t bào. 2. Li t kê các ch c năng c a màng sinh ch t. 3. Vai trò c a lipit c a màng đ i v i đ i s ng vi khu n? 4. So sánh màng t bào c a t bào procaryot v i t bào eucaryot, c a vi khu n c v i vi khu n th t. 5. Hãy nói v các hopanoid. 6. Th o lu n v b n ch t, c u trúc c a các ch c năng có th có c a mesosom 7. Các c u trúc n i sing ch t kh c c a vi khu n, không k mesosom? 1.2.5 Kh i ch t nguyên sinh 1.2.5.1 Đ i cương Ch t nguyên sinh c a t bào procaryot khá v i các t bào eucaryot ch không ch a cac cơ quan t g n v i màng t bào. Kh i ch t nguyên sinh (cytoplasmic matrix) là kh i ch t n m gi a màng sinh ch t và nucleoit; nó ch a nhi u nư c (70% kh i lư ng). Qua kính hi n vi đi n t , thư ng th y ch t nguyên sinh ch a các ribosom (ribosomes) và có t ch c cao (hình 14). Các protein đ c bi t đư c s p x p nh ng v trí đ c bi t, ví d c c c a t bào và t i nơi mà t bào s phân chia. Như v y, m c dù vi khu n có th không có b khung t bào th c s , nhưng chúng có m t h th ng tương t như th , có b n ch t protein, n m trong kh i ch t nguyên sinh và nh th mà t bào có hình d ng nh t đ nh. Màng sinh ch t và m i c u trúc đư c bao b c trong nó h p thành cái g i là th nguyên sinh (protoplast); như v y kh i ch t nguyên sinh chính là ph n ch y u c a protoplast. 1.2.5.2 Các th n nh p (Inclusion Bodies) Đó là nh ng h t ch t h u cơ ho c vô cơ có m t trong kh i ch t nguyên sinh, thư ng đư c nhìn th y rõ dư i kính hi n vi quang h c. Nh ng h t này thư ng đư c t bào dùng như nh ng kho d tr ch t dinh dư ng hưu cơ, vô cơ và d tr năng lư ng, và cũng làm gi m áp su t th m th u trong t bào b ng cách liên k t các phân t thành d ng h t. M t s lo i h t n nh p không có màng bao b c mà n m t do trong bào ch t, đó là: • Các h t polyphotphat (polyphosphate). • Các h t xyanophyxin (cyanophycin). • M t s h t glycogen (glycogen). M t s lo i h t n nh p khác thì có màng bao quanh, màng này d y kho ng 2-4mm, là màng đơn và không ph i là màng kép đ nh hình. Các ví d là: • Các h t poly-β-hydroxybutyrat (hydroxybutyrate). • M t s h t glycogen. • M t s h t lưu huỳnh • Nh ng cacboxysom (carboxysomes). • Các không bào khí.
14 CHƯƠNG 1. NH NG KHÁI NI M CƠ B N V VI SINH V T Màng c a các th n nh p có thành ph n hoá h c khác nhau: m t s có b n ch t protein, m t s khác ch a lipit. Như trên đã nói, các th n nh p đư c dùng đ d tr dinh dư ng và năng lư ng, nên s lư ng c a chúng thay đ i theo tr ng thái dinh dư ng c a t bào. Ví d các h t polyphotphat s c n ki t n u t bào s ng các môi trư ng nư c ng t v n nghèo photphat. Dư i đây đ c p tóm t t m t s th n nh p quan tr ng. • Các h t glycogen và các h t poly-β-hydroxybutyrat (PHB) là nh ng ngu n d tr cacbon đ t bào sinh ra năng lư ng và th c hi n sinh t ng h p. Nhi u vi khu n cũng d tr cacbon dư i d ng các gi t m . • Glycogen là m t polyme (polymer) c a các đơn v glucozơ, đó là nh ng chu i dài đư c t o thành b i các liên k t α (1->6) glycosit (hình 15). Poly-β-hydroxybutyrat (PHB) g m nh ng phân t hydroxybutyrat n i v i nhau b ng các c u n i este gi a các nhóm cacboxyl c a các phân t li n k . Thông thư ng thì m i loài vi khu n ch ch a m t trong hai lo i polyme nói trên, nhưng các vi khu n quang dư ng thì ch a c hai. Các h t poly-β-hydroxybutyrat có kính 0,2 – 0,7µm d nh n bi t, đư c nhu m màu b ng thu c nhu m Sudan đen đ quan sát dư i kính hi n vi quang h c, chúng cũng d nhìn th y dư i kính hi n vi đi n t (hình 16). So v i PHB, glycogen đư c b t n mát hơn trong kh i ch t nguyên sinh, dư i d ng các h t nh các đư ng kính 20 – 100mm và thư ng ch đư c nhìn th y qua kính hi n vi đi n t . N u các t bào ch a nhi u glycogen thì phép nhu m b ng dung d ch iodin s làm cho chúng b t màu nâu - đ . - Các h t xyanophyxin là d tr nitơ vi khu n lam (hình 18a) đư c c u t o t các polypeptit l n ch a nh ng lư ng g n b ng nhau c a arginin và axit aspartic. Các h t này thư ng đ l n đ nhìn th y qua kính hi n vi quang h c. - Cacboxysom là nh ng h t d tr v enzym ribulozơ 1,5 – biphotphat cacboxylazơ (ribulose –1,5 – biphosphat carboxylase) và có th là m t v trí c a s c đ nh CO2 . Chúng có m t nhi u vi khu n lam, nhi u vi khu n nitrat hoá, và nhi u Thiobacillus. Các h t này là nh ng kh i đa di n có đư ng kính kho ng 100m. - Các không bào khí, m t lo i th n nh p h u cơ đáng chú ý nh t, có vai trò c a nh ng phao – làm cho t bào n i h n lên b m t ho c g n b m t môi trư ng nư c. Các không bào này có m t nhi u vi khu n lam, vi khu n quang h p màu tía và màu l c và m t s vi khu n nư c khác – như Halobacterium và Thiothrix. Vai trò trên đây c a các không bào khí đư c minh ho sinh đ ng qua m t th nghi m đơn gi n mà n tư ng sau đây. Các vi khu n lam trong m t chai nư c đ y và nút ch t v n có th n i, nhưng n u đ p v nút chai b ng búa ch ng h n thì chúng chìm ngay xu ng đáy. Vi c ki m tra các vi khu n trư c và sau thí nghi m này cho th y r ng s tăng áp su t đ t ng t đã làm v các không bào khí, cũng t c là làm v các “phao” c a chúng. Các không bào khí là m t c u trúc g m nhi u c u trúc nh , hình tr r ng đư c g i là các bóng khí (hình 17). Các thành c a các bóng khí ch a lipit và ch bao g m m t protein nh duy nh t. Các dư i đơn v c a protein này đư c x p v i nhau đ t o thành m t hình tr kín, c ng, r ng và không th m nư c, nhưng các khí c a không khí đi qua. Nh ng vi khu n có không bào khí có th t n i đ sâu c n thi t – phù h p v i cư ng đ ánh sáng, n ng đ oxy và n ng đ ch t dinh dư ng. Chúng t chìm xu ng b ng cách đơn gi n làm v các bóng khí, còn mu n n i lên thì c n ph i t o thành các bóng khí m i. Các th n nh p vô cơ bao g m: - Các h t polyphotphat ho c các h t volutin (hình 18a), là nh ng d tr photphat ho c d tr năng lư ng c a nhi u vi khu n. Polyphotphat là m t polyme không phân nhánh c a các ortophotphat liên k t v i nhau b ng các c u n i este. Như v y các h t volutin là nh ng d tr photphat - m t h p ph n quan tr ng c a các c u trúc t bào như các axit nucleic ch ng h n. m t s vi khu n, các h t volutin còn là d tr năng lư ng.