Bài giảng Vi sinh vật - Ngành: Nuôi trồng thủy sản - Trình độ: Cao đẳng - Trường Cao đẳng thủy sản

72 trang Gia Huy 20/05/2022 2220

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vi sinh vật - Ngành: Nuôi trồng thủy sản - Trình độ: Cao đẳng - Trường Cao đẳng thủy sản", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_vi_sinh_vat_nganh_nuoi_trong_thuy_san_trinh_do_cao.pdf

Nội dung text: Bài giảng Vi sinh vật - Ngành: Nuôi trồng thủy sản - Trình độ: Cao đẳng - Trường Cao đẳng thủy sản

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG THỦY SẢN o0o BÀI GIẢNG Môn học: Vi sinh vật Ngành: Nuôi trồng thủy sản Trình độ: Cao đẳng Năm 2016 1
NHỮNG HIỂU BIẾT CHUNG VỀ VI SINH VẬT I. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ MÔN HỌC 1. Khái niệm vi sinh vật Là những sinh vật có kích thước nhỏ bé, không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Có cấu tạo đơn bào, đa bào hoặc không có cấu tạo tế bào. 2. Đối tượng nghiên cứu a. Vi khuẩn - Bacteria b. Nấm men - Ascomycetes c. Nấm mốc - Fungi d. Xạ khuẩn - Actinomyces e. Siêu vi khuẩn - Virus f. Thực khuẩn thể - Bacteriophage Ngoài ra vi sinh vật học còn nghiên cứu tảo đơn bào và nguyên sinh động vật. 3. Nhiệm vụ của môn học Môn vi sinh vật là một môn khoa học, một ngành của sinh vật học chuyên nghiên cứu về sinh trưởng và các chức năng khác của cơ thể vi sinh vật trong điều kiện thống nhất với môi trường. Vi sinh vật học phát triển rất nhanh, đã được phân chia thành các lĩnh vực khác nhau: Vi khuẩn học (Bacteriology), Nấm học (Micology), Tảo học (Algologi), Virus học (Virology) Hiện nay, việc phân chia các lĩnh vực còn dựa vào phương hướng ứng dụng như: Y vi sinh vật học, Thú y vi sinh vật học, Vi sinh vật học công nghiệp, Vi sinh vật học nông nghiệp, Những lĩnh vực nghiên cứu đối với ngành thú y thuỷ sản, - Nghiên cứu những đặc điểm cơ bản về hình thái, cấu tạo, sinh lý, sinh hoá của các nhóm vi sinh vật thường gặp trong tự nhiên để tìm hiểu các quy luật về sự phát sinh, phát triển và tiến hoá của chúng, . - Nghiên cứu vai trò to lớn về nhiều mặt của các nhóm vi sinh vật trong tự nhiên nhất là trong thuỷ sản, tìm cách khai thác một cách đầy đủ nhất các tác động tích cực của vi sinh vật cũng như tìm cách ngăn chặn một cách hiệu quả nhất các tác động có hại của chúng. - Trên cơ sở nghiên cứu các đặc điểm sinh thái học và sinh vật học của các nhóm vi sinh vật, các nhà khoa học đã xây dựng cơ sở cho việc tìm kiếm các kỹ thuật nuôi trồng có lợi nhất đối với hoạt động vi sinh vật nhằm nâng cao không ngừng sản lượng và phẩm chất hàng hoá thuỷ sản. 2
II. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÔN HỌC 1. Những tri thức cảm tính trước khi phát hiện ra vi sinh vật Trước khi nhận thức được sự có mặt của vi sinh vật trên trái đất, tổ tiên chúng ta đã tích luỹ được nhiều kinh nghiệm trong việc sử dụng những vi sinh vật có lợi và tiêu diệt những vi sinh vật có hại. Vào thế kỷ thứ nhất trước công nguyên, trong quyển “Ký thăng chi thư” của Trung Quốc đã ghi lại: muốn cho cây tốt phải bón phân tằm, không có phân tằm tinh thì dùng phân tằm lẫn tạp cũng được. Cũng ở Trung Quốc, cách đây 4000 năm đã đề cập đến kỹ thuât nấu rượu và thấy rằng trong quá trình nấu rượu có sự tham gia của các loại mốc vàng. Trong nông nghiệp: người ta đã khống chế hoạt động của vi sinh vật để làm mục nát các chất hữu cơ như ủ phân, cầy lật, vun xới Trong công nghiệp thực phẩm: người ta đã khống chế hoạt động của vi sinh vật để nấu rượu, làm đường, muối dưa, ướp muối, làm mứt Trong y học: người ta đã khống chế hoạt động của vi sinh vật để chủng đậu đề phòng bệnh đậu mùa, đó là cống hiến to lớn của nền y học cổ đại Trung Quốc. Tất cả những điều nói trên cho biết trong đời sống và trong sản xuất, con người đã biết sử dụng những tác dụng của vi sinh vật trong nhiều mặt. Con người đã biết tận dụng một cách có ý thức những quy luật tác dụng của vi sinh vật được rút ra bằng những kinh nghiệm thực tế. 2. Giai đoạn phát hiện ra vi sinh vật Giữa thế kỷ XVII chủ nghĩa tư bản bắt đầu phát triển mạnh. Do yêu cầu của ngành hàng hải, kỹ thuật quang học được chú ý nhiều. Trên cơ sở phát triển của quang học, kính hiển vi đã xuất hiện. Leeuwenhock A.V (1632 – 1723) là người đầu tiên chế tạo ra kính hiển vi với độ phóng đại 160 lần và lần đầu tiên phát hiện thế giới vi sinh vật. Quan sát nước ao tù, các dung dịch nước ngâm các chất hữu cơ, bựa răng Leeuvenhock thấy ở đâu cũng có vô số những sinh vật bé nhỏ. Rất ngạc nhiên với những gì mà ông quan sát được ông đã thốt lên: “tôi thấy trong bựa răng ở miệng tôi có rất nhiều sinh vật tí hon hoạt động, chúng nhiều hơn so với cả dân số của Vương quốc hợp nhất lúc bấy giờ”. Với quan sát và phát hiện của mình, năm 1695 Leeuvenhock đã xuất bản cuốn “Bí mật của giới tự nhiên’’. Trong tác phẩm này ông ghi chép lại tất cả những gì mà ông quan sát được về vi sinh vật. Trong khoảng 100 năm tiếp sau đó, tuy rằng đã phát hiện thấy vi sinh vật có trên trái đất nhưng vẫn chưa nắm được quy luật sống, tác dụng của chúng trong tuần hoàn vật chất. Công tác nghiên cứu trong giai đoạn này chủ yếu là miêu tả hình thái và phân loại một cách đơn giản. 3. Giai đoạn hình thành và phát triển của môn học 3
Giữa thế kỷ 19, cùng với sự phát triển công nghiệp tư bản chủ nghĩa, các ngành khoa học kỹ thuật nói chung và ngành vi sinh vật nói riêng phát triển rất mạnh. Nhiều nhà khoa học đã tiến hành quan sát và nghiên cứu về một số vi sinh vật gây bệnh và đề ra một số phương pháp mới để nghiên cứu vi sinh vật. Những đóng góp xây dựng cho sự phát triển của vi sinh vật ở giai đoạn này tập trung nhất là các công trình nghiên cứu của nhà bác học người pháp Louis Pasteur (1822 – 1895). ông là người khai sinh ra vi sinh vật học hiện đại. Các công trình nghiên cứu của ông có giá trị lớn về lý thuyết cũng như thực tiễn. Những công trình đầu tiên của L. Pasteur nhằm giải quyết vấn đề vai trò của vi sinh vật trong các quá trình lên men. Thông qua một loạt thí nghiệm, ông đã chứng minh quá trình lên men là kết quả hoạt động của một số vi sinh vật đặc biệt. Ông đã nghiên cứu và nhận thấy trong quá trình chuyển biến nước nho thành rượu là nhờ tác dụng của nấm men và ông đã tìm cách phòng ngừa sự hoá chua của rượu và xác định sự hoá chua của rượu thành dấm là do kết quả hoạt động của vi khuẩn. Nghiên cứu của ông chẳng những có tác dụng lớn đến kỹ thuật nấu rượu mà còn giải quyết một cách cơ bản một quá trình sinh lý quan trọng - quá trình hô hấp. Ông cũng chỉ rõ lên men chính là quá trình hô hấp hiếu khí. Sau đó ông chuyển sang lĩnh vực nghiên cứu bệnh truyền nhiễm ở người và động vật, chủ yếu là bệnh dại và bệnh tả. Đồng thời ông đề ra phương pháp phòng trừ bệnh, chế ra các loại vacxin bại liệt, đậu mùa, thương hàn Bên cạnh đó, trên thế giới có nhiều nhà bác học có nhiều cống hiến to lớn cho công cuộc nghiên cứu vi sinh vật như: Robekok (người Đức): ông đã phát hiện ra nhiều phương pháp nghiên cứu vi sinh vật trong đó có phương pháp nuôi cấy và phân lập vi sinh vật. Metsnhicop (người Nga): Nghiên cứu sức đề kháng và thuyết miễn dịch. Vinogradxki: nghiên cứu những vi sinh vật làm tăng độ phì nhiêu của đất. Với ngành thuỷ sản: Nikitinski (Nga) đã nghiên cứu và sử dụng vi sinh vật trong chế biến thực phẩm, đề ra phương pháp bảo quản để giữ gìn độ tươi của cá. 4. Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên và đời sống con người Vi sinh vật tuy có kích thước nhỏ bé và có cấu trúc cơ thể tương đối đơn giản nhưng chúng có tốc độ sinh sôi nảy nở rất nhanh chóng và hoạt động trao đổi chất vô cùng mạnh mẽ. Vi sinh vật có khả năng phân giải hầu hết các loại vật chất trên trái đất bao gồm cả các chất khó phân giải hoặc các chất gây độc hại đến các nhóm sinh vật khác. Ngoài ra, vi sinh vật còn có khả năng tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ trong điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường. Vi sinh vật phân bố rộng rãi trong tự nhiên: đất, nước, không khí, trên cơ thể các sinh vật khác, trên cả các loại lương thực, thực phẩm và các loại 4
hàng hoá khác. Chúng phân bố theo một hệ sinh thái vô cùng đa dạng: từ lạnh đến nóng, từ chua đến kiềm, từ hiếu khí đến yếm khí Do sự phân bố hết sức rộng rãi và hoạt động mạnh mẽ nên vi sinh vật có tác dụng rất lớn trong việc tham gia vào các vòng tuần hoàn vật chất trên trái đất. Trong thiên nhiên, chúng giữ vai trò chủ yếu trong sự luân chuyển liên tục của vật chất. Nếu không có vi sinh vật hay vì một lý do nào đó mà hoạt động của vi sinh vật trong tự nhiên ngừng lại dù chỉ một thời gian ngắn cũng có thể làm ngừng mọi hoạt động sống khác trên trái đất. a. Quan hệ với ngành công nghiệp Sản xuất rượu Etylic, Butyric Chế biến nước mắm, mì chính, sữa chua, làm bánh mì, làm mứt Chế biến thực phẩm, giữ gìn thực phẩm như ướp lạnh, ướp muối, sấy khô. Áp dụng trong kỹ thuật thuộc da, ngâm gai thăm dò mỏ. Sản xuất thuốc kháng sinh, vitamin, vacxin. b. Quan hệ với ngành nông nghiệp Chế biến phân vi sinh vật. Chế biến thức ăn cho gia súc, cá Vô cơ hoá các chất hữu cơ, chuyển hoá chất vô cơ khó tan thành dễ tan. c. Quan hệ với ngành nuôi trồng thuỷ sản - Chế biến thức ăn cho động vật thuỷ sản. - Làm sạch ao nuôi. - Quản lí chất lượng nước cho nuôi trồng thuỷ sản d. Quan hệ với y học và thú y Nghiên cứu một số vi sinh vật gây bệnh cho người và động vật, từ đó người ta biết cách chuẩn đoán bệnh, đề ra phương pháp phòng trị bệnh và sản xuất nhiều loại thuốc kháng sinh. Câu hỏi ôn tập Câu 1: Khái niệm vi sinh vật ? Đối tượng nghiên cứu và nhiệm vụ môn học ? Câu 2: Lịch sử phát triển của vi sinh vật ? Câu 3 : Ứng dụng của vi sinh trong đời sống và sản xuất ? CHƯƠNG I: HÌNH THÁI, CẤU TẠO VI SINH VẬT I. VI KHUẨN – BACTERIA 5
Vi khuẩn là những sinh vật mà cơ thể chỉ gồm một tế bào, chúng có kích thước vô cùng nhỏ bé và thay đổi tuỳ từng loài, chiều dài từ một 2 - 8m chiều ngang từ 0,2 -2m. Vi khuẩn có hình thái, đặc tính sinh vật riêng. Chúng có khả năng gây bệnh cho người, động vật và thực vật. Một số trong chúng có khả năng tiết chất kháng sinh (Bacillum subtilis, ). Đa số vi khuẩn sống hoại sinh trong tự nhiên. Vi khuẩn có hình thái nhất định, hình thái này do màng vi khuẩn quyết định, trừ một số vi khuẩn không có màng nên không có hình thái nhất định 1. Hình dạng Dựa theo hình thái bên ngoài của vi khuẩn người ta chia làm các loại sau: cầu khuẩn, trực khuẩn, xoắn khuẩn, phẩy khuẩn. a. Nhóm cầu khuẩn (Coccaceae) Là loại vi khuẩn có hình cầu khoặc elíp. Tuy nhiên, có nhiều loại không thật giống với hình cầu, tế bào đứng riêng rẽ hoặc dính lại với nhau. Kích thước của cầu khuẩn thay đổi trong khoảng 0,5 - 1m. Tuỳ theo đường kính của mặt phẳng phân cắt và đặc tính rời nhau hoặc dính với nhau sau khi phân cắt mà cầu khuẩn có một số hình dạng sau : Đơn cầu khuẩn (monococcus) Thường đứng riêng rẽ từng tế bào một, đa số sống hoại sinh trong đất, nước và không khí như Micrococcus roseus, Micrococcus luteus Song cầu khuẩn (diplococcus) Cầu khuẩn được phân cắt theo một mặt phẳng xác định và dính với nhau thành từng đôi một. Tứ cầu khuẩn (tetracoccus) Cầu khuẩn phân cắt theo hai mặt trực giao và sau đó dính với nhau thành từng nhóm 4 tế bào một. Tứ cầu khuẩn thường sống hoại sinh, song cũng có loài có khả năng gây bệnh như Tetracoccus homari. Bát cầu khuẩn (sarcinacus) Cầu khuẩn phân cắt theo ba mặt phẳng trực giao (thẳng góc) tạo thành những khối gồm 8 hoặc 16 tế bào dính liền nhau.Trong không khí thường gặp một số loài như Sarcinacus lutea khi cấy vào môi trường đặc chúng phát triển thành những khuẩn lạc có màu vàng. Liên cầu khuẩn (streptolococcus) Cầu khuẩn được phân cắt theo một mặt phẳng xác định và dính với nhau thành từng chuỗi dài. Tụ cầu khuẩn (staphylococcus) 6
Cầu khuẩn được phân cắt theo các mặt phẳng bất kỳ, sau đó dính lại với nhau thành từng chùm nhỏ. Đa số sống hoại sinh, một số có thể gây bệnh cho người và động vật như Staphyloccoccus aureus. Cầu khuẩn nói chung không có tiên mao, không có khả năng di động. b. Nhóm trực khuẩn: (bacillaceae – bacteriaceae) Trực khuẩn là tên chung chỉ các loài vi khuẩn có dạng que, hình gậy, kích thước của trực khuẩn khoảng 0,5-1 1- 4m. Những trực khuẩn thường gặp thuộc các giống sau: a. Trực khuẩn không có nha bào ( bacterium) b. Trực khuẩn có nha bào (bacilllus) Dạng 2 đầu vuông: trực khuẩn nhiệt thán Dạng 2 đầu tròn: trực khuẩn thương hàn Dạng 2 đầu phình to như quả tạ: trực khuẩn bạch hầu Dạng phình to ở giữa như trực khuẩn uốn ván c. Nhóm xoắn khuẩn: (spirillaceae) Là loại vi khuẩn có một hay nhiều vòng xoắn: có 2 dạng: Phẩy khuẩn (Vibrio) có một vòng xoắn Xoắn khuẩn (Spirillum) có nhiều vòng xoắn. 2. Cấu tạo của tế bào vi khuẩn a. Màng tế bào vi khuẩn (thành tế bào) Màng tế bào nằm trong lớp vỏ nhầy hay giáp mô và bên ngoài màng nguyên sinh chất. Trong điều kiện bình thường, màng tế bào nằm sát liền màng nguyên sinh chất. Cấu tạo: Màng tế bào chiếm từ 25 - 30% khối lượng khô của vi khuẩn, màng có nhiều lớp, được cấu tạo chủ yếu là glycopeptit (mucopeptit, peptidoglycal, murein). Hàm lượng glycopeptit trong màng tế bào vi khuẩn chiếm tới 95%. Chức năng: - Là khung để giữ cho tế bào vi khuẩn có hình thái nhất định. - Hỗ trợ sự vận chuyển của tiên mao. - Cần thiết cho quá trình phân cắt bình thường của tế bào. - Màng có cấu trúc cứng chịu được áp suất nội tế bào (áp suất này khoảng 25 atm) nên giúp cho vi khuẩn chống lại được các tác nhân vật lý và hoá học có hại ở bên ngoài. 7
- Có liên quan mật thiết đến tính kháng nguyên, tính gây bệnh (khả năng sinh nội độc tố, tính mẫn cảm với thẻ thực khuẩn). Hình 1. Hình thái tế bào vi khuẩn Hình 2. Cấu tạo của vi khuẩn b. Màng tế bào chất: Dưới lớp màng tế bào là lớp màng tế bào chất (Cytoplasmic membrane), lớp màng này bao bọc toàn bộ lớp nguyên sinh chất và nhân. 8
Cấu tạo: Màng tế bào dày khoảng 50-100A0 (1A0 = 10-1nm = 10-4 m = 10-7 mm), màng có cấu tạo 3 lớp: lớp ngoài cùng và lớp trong cùng là hai lớp protein, ở giữa là lớp photpholipid, lớp photpholipid lại gồm hai lớp phân tử, một lớp có gốc quay vào trong (kỵ nước), một lớp có gốc quay ra ngoài (ưa nước) Chức năng: - Khống chế sự vận chuyển trao đổi ra, vào tế bào của các chất dinh dưỡng và các sản phẩm trao đổi chất. - Duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào. - Tham gia vào quá trình trao đổi chất. - Là nơi xảy quá trình sinh tổng hợp một số thành phần của tế bào, nhất là các thành phần của màng tế bào và giáp mô. - Là nơi tiến hành quá trình photphoryl oxy hoá và photphoryl quang hợp. - Cung cấp năng lượng cho sự hoạt động của tiên mao. c. Tế bào chất Cấu tạo: Là thành phần chính của tế bào vi khuẩn. Đây là một khối dịch ở thể keo, trong suốt, không đồng nhất, chứa 80 - 90% nước, thành phần còn lại là lipoprotein. Khi còn non tế bào chất có cấu tạo đồng nhất, bắt mầu giống nhau khi nhuộm mầu. Khi già, xuất hiện những không bào và các thể ẩn nhập (thể vùi, granlulosse) mà tế bào chất trở nên có dạng lổn nhổn, bắt mầu không đều và có tính chiết quang khác nhau. Tế bào chất của tế bào vi khuẩn rất khác tế bào chất của tế bào thực vật. Trong tế bào chất của tế bào thực vật có cấu trúc phức tạp với trung thể (centroxome), ty thể (mitochrondla), bộ máy golgi, lạp thể, có chuyển động dòng nội bào. ở vi khuẩn, cấu trúc của tế bào chất rất đơn giản. Trong tế bào chất của các vi khuẩn trưởng thành, người ta quan sát thấy có nhiều cơ quan khác nhau: mezosome, ribosome (40 -60%), không bào, các hạt dự trữ. Chức năng: - Tổng hợp protein và đóng vai trò quan trọng trong quá trình dinh dưỡng của vi khuẩn. - Ngoài ra trong tế bào chất còn chứa lipit, glucid và protein. Chúng thường kết hợp với nhau tạo thành phức hợp: gluxit – lipit – protit và kim loại mạnh như Mg. 9
Có thể phân biệt các loài vi khuẩn nhờ cách nhuộm tế bào chất bằng các loại thuốc nhuộm khác nhau. Ví dụ: Dùng phương pháp nhuộm gram vi khuẩn để xác định được vi khuẩn thuộc dạng vi khuẩn nào: vi khuẩn gram (+), vi khuẩn gram (-) d. Nhân Cấu tạo: Nhân là một bộ phận của tế bào vi khuẩn chứa đựng bộ máy di truyền (ADN) (chiếm 1 - 2% trọng lượng khô của tế bào). ADN là chất đặc trưng của vi khuẩn, vì có nhiều acid này nên nhân có tính ưa kiềm đối vối các thuốc nhuộm kiềm. ở các tế bào động vật và thực vật, tế bào chất ít ưa kiềm nên dễ dàng phân biệt được với nhân. Nhân tế bào vi khuẩn không phân chia thành khối rõ rệt như của tế bào nhiều vi sinh vật khác (nấm men, nấm mốc, ). Trước đây có ý kiến cho rằng vi khuẩn không có nhân hoặc chỉ là các hình thức tương tự như nhân, có ý kiến cho rằng nhân chưa phải là nhân thực sự mà là các hạt nhiễm sắc phân tán trong tế bào chất, có ý kiến khác lại cho rằng vi khuẩn chưa phải là nhân thực sự mà là các nhiễm sắc thể riêng biệt. Với những nghiên cứu mới đây về di truyền học, người ta thấy cấu trúc chứa ADN của vi khuẩn chưa phải là nhân thực sự mà chỉ là thể nhân. Thể nhân được coi như nhiễm sắc thể được cấu tạo chủ yếu bằng axít Digoxyribonucliec (AND) xoắn kép rất dài. - Thể nhân không có màng nhân giới hạn giữa thể nhân và nguyên sinh chất. - Thể nhân được cấu tạo bởi môt sợi nhiễm sắc thể duy nhất của tế bào, đó là một sợi ADN xoắn, sợi ADN tròn và chỉ là một phân tử ADN khép kín. - Ngoài nhiễm sắc thể, nhiều vi khuẩn có chứa ADN ngoài nhiễm sắc thể là plasmid (sợi ADN xoắn kép dạng vòng kín), có khả năng sao chép độc lập. Chức năng: Đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh sản của vi khuẩn và điều khiển việc tổng hợp protid. ở mỗi một vi khuẩn khác nhau, số lượng nhân và vị trí đứng của nhân có khác nhau. e. Giáp mạc (vỏ nhầy hoặc lớp dịch nhầy) Cấu tạo: Giáp mạc là sự phát triển phình to ra của lớp keo nhầy ngoài màng tế bào, khi chất nhầy đó nhiều và đặc sẽ hình thành giáp mạc. Chức năng - Dùng để chống đỡ với điều kiện ngoại cảnh bất lợi. Ví dụ: Bọn phế cầu nhờ có lớp giáp mạc mà nó không bị bạch cầu tiêu diệt. - Sự hình thành giáp mạc do chức năng sinh lý của cơ thể đòi hỏi. 10
- Dự trữ thức ăn - Tích luỹ một số sản phẩm trao đổi chất. - Giúp vi khuẩn bám vào bề mặt của một số giá thể g. Nha bào Một số loài vi khuẩn, thường là các vi khuẩn Gram dương như giống trực khuẩn Bacillus và Clostridium trong những giai đoạn phát triển nhất định có thể hình thành trong tế bào những thể hình tròn hay hình bầu dục được gọi là bào tử hay nha bào (spore) Nha bào là hình thức tiềm sinh của vi khuẩn, nó giúp vi khuẩn vượt qua những điều kiện bất lợi của ngoại cảnh, nha bào thường được sinh ra trong những điều kiện khó khăn như môi trường nghèo nàn, chất dinh dưỡng thiếu, nhiệt độ, pH không thích hợp, môi trường tích luỹ nhiều sản phẩm trao đổi chất bất lợi. Sự hình thành nha bào: Đầu tiên tế bào chất và chất nhân tập trung lại ở một vị trí nhất định trong tế bào, sau đó hình thành một màng bắt đầu là màng tế bào chất. Màng này ngăn cách khối nhân và phần tế bào chất với phần lại của vi khuẩn, tế bào chất tiếp tục cô đặc lại. Đó là giai đoạn tiền nha bào, tiền nha bào được bao bọc bởi các lớp màng và chuyển thành nha bào. Thời gian hình thành nha bào tuỳ vào từng loài vi khuẩn có thể từ 18 - 20 giờ. Nha bào có sức đề kháng cao đối với các nhân tố vật lý và hoá học như nhiệt độ, tia cực tím, áp suất và các chất sát trùng. Với nhiệt độ: ở một số vi khuẩn ưa nhiệt sau khi đun sôi 5 ngày mới diệt được nha bào, ở nhiệt độ 1800C nha bào của Clostridium botolinum chịu được trong 10 phút. Trong điều kiện nhiệt độ thấp và sự khô cạn, nha bào có thể sống được một thời gian rất dài. Nha bào ở vi khuẩn nhiệt thán Bacillus anthracis có thể sống tới 18 năm hoặc lâu hơn nữa ở trạng thái tiềm sinh. Dưới tác động của các loại hoá chất cũng như các loại bức xạ, cùng một nồng độ, cùng một thời gian tác động có thể tiêu diệt dễ dàng tế bào dinh dưỡng của vi khuẩn nhưng không tiêu diệt được nha bào. VD: Trong dung dịch phenol 5% tế bào dinh dưỡng của vi khuẩn chết rất nhanh, nhưng nha bào có thẻ sống tới 25 ngày, hoặc trong dung dịch HgCl2 1% tế bào dinh dưỡng của vi khuẩn chết ngay còn nha bào sống được trên 2 giờ. Khi gặp điều kiện thuận lợi như nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, chất dinh dưỡng phù hợp, nha bào sẽ nảy mầm và phát triển thành vi khuẩn thể dinh dưỡng mới. Thời gian để chuyển từ nha bào sang thể dinh dưỡng kéo dài từ 10 phút đến vài giờ. Khi đó nha bào hút nước, trương lên, màng nứt ra hoặc bị phân huỷ dưới tác dụng của các enzym chứa trong nha bào khi nẩy mầm và tạo thành vi khuẩn. Những vi khuẩn hình thành nha bào có tính đề kháng cao. 11
Hình dạng: Nha bào hình cầu, bầu dục, trứng có thể đứng ở giữa hoặc ở đầu tế bào. Hình 3: Quá trình hình thành nha bào h. Tiên mao Một số loài vi khuẩn có khả năng di động một cách chủ động nhờ những cơ quan đặc biệt gọi là tiên mao. Tiên mao của vi khuẩn có kích thước rất mảnh, chiều rộng khoảng 0.01- 0.05m; chiều dài thay đổi tuỳ từng loại vi khuẩn, trung bình 6-9m, có khi dài đến 80-90m. Vị trí sắp xếp và số lượng tiên mao trên thân vi khuẩn thay đổi tuỳ từng loại vi khuẩn. - Có nhiều loại vi khuẩn không có tiên mao, có loại - Đơn mao (monotricha): chỉ có một tiên mao ở một đầu của vi khuẩn - Song mao hay lưỡng mao (amphotricha): mỗi đầu có một tiên mao - Chùm mao: một đầu hoặc ở hai đầu có một chùm mao hoặc lưỡng chùm mao. - Chu mao: tiên mao mọc ở khắp cơ thể (peritricha). Vị trí phân bố của tiên mao trên vi khuẩn quyết định đặc tính của vi khuẩn. Tốc độ di động của những vi khuẩn có tiên mao mọc ở một đầu có khả năng di động nhanh, mạnh và theo một đường rõ rệt; tốc độ này có thể đạt tới 60m/giây, có loại đạt 200m/giây. Vi khuẩn có chùm mao thì di động chậm hơn và không theo một quy luật nhất định nào, di động lung tung tứ phía. Chức năng: Tiên mao làm cho vi khuẩn di động vận động xoay vần xung quanh, xoáy trôn ốc, xoáy như một cái chong chóng hay co rút như làn sóng. 12
Ngoài ra có một số vi khuẩn không sinh tiên mao nhưng vẫn di động được. Ví dụ: Niêm vi khuẩn di động được nhờ sự biến hình cơ thể Xoắn khuẩn di động được nhờ sự đàn hồi của cơ thể. II. NẤM MEN – ASCOMYCETES Nấm men phân bố rộng rãi trong tự nhiên, phân bố nhiều ở những nơi có hàm lượng đường cao, pH thấp. - Nấm men là vi sinh vật tồn tại ở trạng thái đơn bào - Đa số sinh sản theo lối nảy chồi, đôi khi sinh sản theo lối phân cắt. - Đa số nấm men có thành tế bào cấu tạo bởi mannan, nhiều loài có khả năng lên men đường và thích nghi với môi trường chứa đường cao, có tính axít cao. 1. Hình thái và cấu tạo a. Hình thái Nấm men là vi sinh vật điển hình cho nhóm nhân chuẩn (Eucaryote). - Hình dạng: tuỳ loài nấm men mà tế bào có hình cầu, hình trứng, hình ovan, hình elip, hình sao, hình lưỡi liềm, hình thoi, hình tam giác, - Kích thước: tế bào nấm men thường lớn gấp 10 lần tế bào vi khuẩn. Loại nấm men được nhà máy rượu, nhà máy bia sử dụng là Saccharomyces cerevisiae, có kích thước thay đổi trong khoảng 4,5m - 21m, có thể thấy rõ được dưới kính hiển vi quang học với độ phóng đại 40 lần. - Có loài nấm men có khuẩn ti hoặc khuẩn ti giả (các tế bào nối với nhau thành chuỗi dài ). b. Cấu tạo tế bào nấm men * Thành tế bào (màng) - Cấu tạo: Thành tế bào dày khoảng 2,5x104m. Thành tế bào nấm men chiếm khoảng 80% chất polysaccharit, phần còn lại là protein chiếm khoảng 10 - 20%, trong đó có một phần là các enzim. - Chức năng: Duy trì hình dạng của tế bào, cản trở sự xâm nhập có hại từ bên ngoài. Tế bào chất Trong tế bào chất chứa các cơ chất nguyên sinh (tế bào chất) và các bào quan. 13
Tế bào chất là phần dịch thể tồn tại ở trạng thái lỏng, chiếm hầu hết thể tích của tế bào. Nằm lẫn trong tế bào chất là tất cả các bào quan của tế bào như: - Riboxom: + Số lượng thay đổi tuỳ theo từng loài, từng giai đoạn phát triển và giai đoạn nuôi cấy. + Có khả năng tổng hợp protein mạnh. - Không bào: Điều hoà áp suất thẩm thấu, tham gia vào quá trình trao đổi chất, đièu hoà các quá trình sinh trưởng và phát triển của tế bào. - Các hạt dự trữ: hạt lipid, hạt glicogen và hạt tinh bột. - Ti thể: có cấu trúc giống như nấm sợi và các sinh vật có nhân khác. ADN của ti thể nấm men là một phân tử dạng vòng, ADN của ti thể nấm men chiếm 15 - 23% tổng lượng ADN của toàn tế bào nấm men. + Là nơi cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của nấm men. + Tham gia vào quá trình tổng hợp protein và photpholipid nhưng là protein có trọng lượng phân tử thấp. Hình 4. Cấu tạo của nấm men 14
Nhân Nhân được bao bọc bởi một màng nhân. Nhân của tế bào nấm men rõ ràng hơn nhân của vi khuẩn: đã có xu hướng phân hoá và tập trung hơn, có màng nhân, dịch nhân, nhân con và các nhiễm sắc thể. Hình dạng nhân thay đổi theo tuổi: khi còn non nhân hình tròn nằm giữa tế bào, khi già nhân hình dẹt nằm sát thành tế bào. 2. Sinh sản Nấm men có nhiều phương thức sinh sản khác nhau tuỳ từng loài. a. Sinh sản vô tính: Có 3 kiểu sinh sản Sinh sản theo lối nảy chồi: Khi tế bào nấm men trưởng thành sẽ nảy ra một chồi nhỏ, chồi lớn dần lên, nhân của tế bào mẹ sẽ được nhân đôi và chuyển 1 nhân cùng một phần tế bào chất sang chồi, hình thành vách ngăn để ngăn cách với tế bào mẹ tạo nên một tế bào mới. Tế bào con được hình thành có thể tách khỏi tế bào mẹ hoặc dính trên tế bào mẹ và tiếp tục nảy sinh thành tế bào mới. Sinh sản theo lối phân cắt (trực phân): lối phân cắt này là hình thức phân cắt trực phân tương tự như ở vi khuẩn. Tế bào mẹ dài ra, ở giữa hình thành một vách ngăn chia tế bào mẹ thành 2 tế bào con, mỗi tế bào con chứa một nhân. Tạo thành nang bào tử: nhân của tế bào mẹ được nhân lên và chia thành nhiều phần bằng nhau. Nguyên sinh chất bao quanh những nhân đó tạo thành bào túi có vỏ dày và mất bớt nước. Lúc đó, tế bào mẹ trở thành nang bào tử b. Sinh sản hữu tính Khi hai tế bào đứng gần nhau ở mỗi đầu của hai tế bào lồi lên và tiến sát vào nhau, sau khi tiếp xúc màng tế bào sẽ nứt ra, hai tế bào tiếp hợp với nhau tạo thành hợp tử (2N), nhân của hợp tử phân chia làm 2,4 hoặc 8 nhân mới, và mỗi một nhân con cùng với một phần nguyên sinh chất tạo thành bào tử túi. 3. Ứng dụng Rất nhiều loài nấm men được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp (sản xuất bia, rượu, nước giải khát), chăn nuôi (sinh khối phục vụ chăn nuôi như cao nấm men, lipit nấm men, ) Nấm men có vai trò chuyển hoá vật chất trong thuỷ vực. Trong các thuỷ vực có nhiều xác thực vật thì nấm men rất phát triển chúng phân giải cellulose thành axít nên những thuỷ vực này thường có pH thấp). Đặc biệt loài Saccharomycess cerevisiae, men hoạt tính (Active Microbe), men sống đặc biệt (Special live Germ), dùng làm sạch đầm (dùng 2-3kg/1 mẫu đầm). 15
Nấm men còn làm thức ăn cho các đối tượng nuôi Daphnia, ấu trùng muỗi lắc Các loài này là thức ăn tươi sống cho các đối tượng nuôi thuỷ sản như ấu trùng tôm, cá, và tăng cường tiêu hoá cho tôm. Nấm men còn được dùng làm nguồn thức ăn trực tiếp cho động vật không xương sống. Trong quá trình nuôi nhuyễn thể cũng cho thấy rằng sau 30-40 ngày ăn thức ăn vi sinh vật trọng lượng của nhuyễn thể được thay đổi như sau: Bảng tăng trọng của nhuyễn thể sau 30-40 ngày nuôi bằng vi sinh vật: Loài nhuyễn thể Vi sinh vật dùng làm thức ăn (tăng % so với khối lượng ban đầu) Azotob Nấm Trực acter men khuẩn Musculium 100 - 100 - Musculium trưởng 150 150 thành 13 - 48 29 - 57 1,9 - Limna caovata 9,7 - 10,3 - 9,9 Bithynia tentacalata 33,3 55,4 3,1 – 6,3 – 30 17,5 - 17 33,3 III. NẤM MỐC – FUNGI Nấm mốc (molds, moulds) là tên chung để chỉ tất cả các nhóm nấm không phải là nấm men mà cũng không phải là các nấm lớn có mũ như nấm rơm, nấm gỗ. 1. Hình thái, cấu tạo a. Hình thái Nấm mốc phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, cơ thể đơn bào hoặc đa bào, do nhiều khuẩn ty phân tán và bào tử hợp thành cơ thể nấm. Nấm mốc có hình sợi phân nhánh, những sợi này sinh trưởng ở đỉnh và phát triển rất nhanh, tạo thành một đám chằng chịt các sợi, từng sợi được gọi là khuẩn ty hay sợi nấm (hypha), còn các đám sợi thì được gọi là khuẩn ty thể hay hệ sợi nấm (mycellum). b. Cấu tạo Nấm mốc có cấu tạo gồm khuẩn ty và bào tử Khuẩn ty: Là những sợi nấm phân nhánh, phát sinh từ bào tử mà ra, chiều ngang của khuẩn ty từ 3 - 10m, lớn gấp 10 lần chiều ngang của vi khuẩn. Tuỳ từng loài nấm mốc khác nhau mà chúng có hình thái khác nhau: 16
- Sợi nấm hình lò xo, hình xoắn ốc. - Sợi nấm hình hươu. - Sợi nấm hình lược, hình lá cây dừa. Một số sợi nấm phát triển sâu vào cơ chất và hấp thụ các loại thức ăn chứa trong đó gọi là sợi nấm cơ chất hoặc sợi nấm dinh dưỡng (khuẩn ty cơ chất hay khuẩn ty dinh dưỡng). Một số sợi nấm khác phát triển trên bề mặt cơ chất gọi là sợi nấm khí sinh (khuẩn ty khí sinh). Một số khuẩn ti khí sinh phát triển thành khuẩn ti sinh sản. Bào tử: Là tế bào sinh sản chủ yếu của nấm mốc. Khi nấm mốc trưởng thành sẽ xuất hiện các khuẩn ty khí sinh, từ khuẩn ty khí sinh sẽ sản sinh ra các bào tử. - Bào tử vô tính: gồm 4 loại + Bào tử đốt: các khuẩn ti có sự ngắt đốt, mỗi đốt là một bào tử + Bào tử màng dày: trên các đoạn khuẩn ti sinh sản xuất hiện các phần lồi hình tròn hoặc hơi tròn có màng dày bao bọc. Bên trong hình thành bào tử. + Bào tử nang: đầu khuẩn ti sinh sản phình to dần tạo thành bọc có nhiều bào tử. + Bào tử đính: các bào tử được hình thành một cách tuần tự, liên tiếp từ đầu khuẩn ti sinh sản. Có 3 hình thức hình thành bào tử đính: Có sự phân cắt khuẩn ti sinh sản thành từng đốt (có thể gọi là bào tử đốt). Bào tử phía đầu khuẩn ti sinh sản là bào tử già nhất, những bào tử hình thành sau đẩy bào tử hình thành trước lên phía trước. Bào tử phía đầu khuẩn ti sinh sản là bào tử non nhất, từ đầu bào tử ban dàu nảy chồi để hình thành những bào tử khác. - Bào tử hữu tính: + Bào tử noãn: trên đỉnh tế bào xuất hiện noãn khí và hùng khí cạnh nhau. Trong noãn khí chứa một hoặc nhiều noãn cầu. Sau khi tiếp xúc với nhau, hùng khí hình thành một hoặc vài ống xuyên sang noãn khí. Một nhân và một phần nguyên sinh chất được chuyển sang noãn khí để thụ tinh tạo thành một noãn bào tử. Sau một thời gian phân chia giảm nhiễm, bào tử phát triển thành gệ khuẩn ti mới. + Bào tử tiếp hợp: khi 2 tế bào gần nhau, mỗi tế bào sẽ xuất hiệnmấu lồi gọi là nguyên phôi nang. Hai mấu lồi tiếp xúc với nhau tạo thành một hợp tử màng dày gọi là bào tử tiếp hợp. Bào tử tiếp hợp sẽ nảy mầm và phát triển thành một nang chứa bào tử. + Bào tử túi: tạo hùng khí và túi gío tử cái. Thể sinh túi hình thành một số sợi thụ tinh. Khi tiếp xúc với sợi thụ tinh, hùng khí chuyển hết khối nguyên sinh 17
chất chứa nhân vào thể sinh túi và tạo thành túi bào tử. Bào tử sẽ phát tán và nảy mầm khi gặpđiều kiện thuận lợi. + Bào tử đảm: do tế bào 2 nhân ở đỉnh sợi phình to tạo thành. Hai nhân kết hợp với nhau hình thành một nhân lưỡng bội. Sau quá trình phân chia giảm nhiễm cho 4 nhân đơn bội và tạo thành 4 bào tử đảm Hình 5. Quá trình hình thành bào tử ở nấm mốc Nấm mốc có hạch nhân phân hoá rõ rệt, có xu hướng tập trung ở giữa. Tế bào chất khi non đồng đều, khi già có nhiều hạt. 2. Sinh sản : có hai hình thức sinh sản a. Sinh sản vô tính: Sinh sản nội sinh: Các sợi khuẩn ty thể đến một giai đoạn có khả năng sinh sản, trên đầu xuất hiện một nhánh, đỉnh nhánh có mầu sắc gọi là sợi khuẩn ty (sợi khuẩn ty có khả năng sinh sản bằng bào tử). Khi gặp gió cuống sinh bào tử bị gãy, bào tử phát tán đi xa. Đính bào tử Khi sinh sản xuất hiện nang đỉnh, từ nang đỉnh sinh ra đính bào tử điển hình cho sinh sản loại này là: Aspegillus orygae b.Sinh sản hữu tính: 18
Khi sinh sản, hai sợi khuẩn ty thể đứng gần nhau, sát hai màng với nhau, màng mất đi, chúng trao đổi chất cho nhau tạo thành hợp tử. Khi gặp điều kiện thuận lợi hợp tử này nảy mầm cho cơ thể nấm mới. 3. Ứng dụng của các dạng nấm mốc thường gặp : a. Mốc trắng Họ mốc trắng Mucoraceae Giống Mucor Giống Rhizopus Giống Mucor Có trong men rượu ta, có khả năng hoá đường. Khuẩn ty thể có màu trắng như bong mỗi cuống sinh bào tử mang một bào tử. Mucor có tác dụng biến tinh bột thành rượu. Giống Rhizopus Hoại sinh trên ruột bánh mì, ngô bung, thể sợi màu trắng chuyển sang nâu. Nấm này mang rễ giả. b. Mốc xanh: Khuẩn ty thể màu xanh, mỗi cuống sinh bào tử mang nhiều bào tử. Đại diện là: Penicillum chrysogenum. Ứng dụng: điều chế kháng sinh penicillin c. Mốc lòng tôm Họ nấm cúc: Aspegillaceae Giống: Aspegilla Sinh sản bằng đính bào tử, cuống đính bào tử phình to ở phía đầu, xung quanh đầu có nhiều cuống nhỏ mang những chuỗi đính bào tử nhẹ, khô, dễ bay xa, thường ký sinh trên bánh mỳ ẩm, ngô bung, vỏ bưởi, gỗ, vải ẩm Nấm có dạng sợi chằng chịt bám vào vật chủ. Nấm cúc có màu vàng, đỏ hoặc lòng tôm. Ưu điểm: Điều chế kháng sinh Aspegillin, Clavacxin (chữa nhiễm trùng) Điều chế A xit citric 19
Làm đường, bánh mì (sử dụng men amilaga từ asperrgilus orygae, bằng cách thêm vào bột nhào (20 – 30g chế phẩm khô của amilaga / tấn bột) nhằm cải thiện chất lượng bánh mì (hương vị thơm, màu đỏ, xốp, hàm lượng đường cao) Trong sản xuất rượu bia thay amilaga từ mạch nha bằng chế phẩm men từ nấm mốc. Tác hại: gây bệnh nấm tai d. Mốc nước: Họ mốc nước: Saprolegniaceae Bộ nấm noãn Lớp nấm tảo: phycomycetes Mốc nước sống hoại sinh trong nước, trên cơ thể trứng cá, sâu bọ hay các sinh vật ở nước, nấm bám thành chùm sợi trắng. Đại diện: Saprolegnia (nấm thuỷ mi) Trước khi cho cá chép đẻ người ta thường nghe thời tiết. Nếu có gió mùa đông bắc, chưa cho đẻ thì tạm dừng, còn đã cho đẻ thì phải làm vệ sinh giá thể bằng (thuốc tím 5 ppm, muối ăn 1-2%). 4. Vai trò của nấm mốc trong tự nhiên Nấm mốc góp phần quan trọng trong việc đảm bảo các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên, chúng có khả năng phân giải mạnh mẽ các hợp chất hữu cơ phức tạp. Sử dụng nấm mốc để sản xuất tương. Sản xuất các chế phẩm enzim như amylaza, protoeaza, Nhiều loại nấm mốc có khả năng tiết chất kháng sinh có giá trị như: penixilin, fuzidin, fumagilin. Bên cạnh đó, nấm mốc cũng là nguyên nhân gây ra nhiều tổn thất cho mùa màng, lương thực, thực phẩm, hàng hoá, vải vóc, dụng cụ quang học, phim ảnh, sách vở, IV. XẠ KHUẨN – ACTINOMYCES 1. Hình thái và cấu tạo Xạ khuẩn (Actinomyces) là một nhóm vi sinh vật đơn bào, phân bố rộng rãi trong tự nhiên: trong đất, trong nước và trong các cơ chất hữu cơ. Trước đây người ta cho rằng xạ khuẩn là một loài nấm, nhưng hiện nay nhờ những nghiên cứu tỷ mỷ về tế bào học, người ta coi xạ khuẩn là sinh vật quá độ giữa vi khuẩn và nấm vì ở xạ khuẩn có những đặc điểm vừa giống vi khuẩn vừa giống nấm. 20
Những đặc điểm giống vi khuẩn như: - Kích thước nhỏ bé tương tự như kích thước vi khuẩn. - Nhân của xạ khuẩn cùng loài với nhân vi khuẩn (chưa có màng nhân). - Màng tế bào không chứa xenluloza và kitin. - Xạ khuẩn không có giới tính. Tuy vậy xạ khuẩn lại có hình thái giống nấm ở chỗ phát triển bằng cách phân nhánh bằng những sợi nhỏ, dài gọi là khuẩn ty, mỗi khuẩn ty do một tế bào hình thành, tập hợp của các khuẩn ty gọi là hệ khuẩn ty Hình dạng xạ khuẩn có hình cầu hoặc hình que, cấu tạo tương tự như tế bào vi khuẩn: màng tế bào, màng nguyên sinh chất, chất nhân, các hạt dự trữ và không bào Kích thước giống kích thước vi khuẩn không có nhân phân hoá. 2. Sinh sản Xạ khuẩn chỉ có một hình thức sinh sản vô tính bằng bào tử 3. Ứng dụng Xạ khuẩn có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành đất và tạo ra độ phì nhiêu của đất. Chúng đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau trong việc làm mầu mỡ thêm cho đất. Xạ khuẩn tham gia tích cực vào các quá trình chuyển hoá và phân giải nhiều hợp chất hữu cơ phức tạp (xenlunoza, chất mùn, kitin, ). Hầu hết các xạ khuẩn thuộc giống Acinomyces có khả năng hình thành chất kháng sinh, đây là đặc điểm quan trọng nhất của xạ khuẩn. Trong quá trình trao đổi chất xạ khuẩn có khả năng tổng hợp nhiều loại vitamin nhóm B (B1,B2,B6,B12) và một số axit hữu cơ như axit lactic, axit axetic. Phân giải hợp chất hữu cơ Phân giải cellulose Tổng hợp một số chất như B1, B2, B12 Có khả năng tiết ra kháng sinh Streptomycin điều chế từ xạ khuẩn Streptomyces Griceus có khả năng chống vi khuẩn gram (-) trị các loại bệnh tulare, dịch hạch, lao màng não, lao phổi hạt kê, lao phổi thâm nhiễm, lao da “Nguyễn Lân Dũng – Nguyễn Đình Quyến – Phạm Văn Ty “ vi sinh vật học tập II ( trang 555-557) Nhà xuất bản Đại học và trung học chuyên nghiệp. V. SIÊU VI KHUẨN (VIRUS) - THỰC KHUẨN THỂ (BACTERIOPHAGE) 21
1. Siêu vi khuẩn a. Quá trình phát hiện vi rus Vào những năm cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 một ngành nghiên cưú mới trong lĩnh vực vi sinh vật ra đời, đó là ngành virus học, một ngành khoa học nghiên cứu về bệnh lý học do tác nhân không phải là vi khuẩn hay động vật đơn bào gây lên. Với thí nghiệm nổi tiếng của Ivanôpxki năm 1892 khi nghiên cứu tác nhân gây bệnh đốm lá thuốc lá. Ông nhận thấy chúng có thể qua được màng lọc vi khuẩn và ông gọi chất qua lọc này là vi khuẩn qua lọc. Ông làm thí nghiệm: lấy lá thuốc lá bị bệnh nghiền nát, lọc qua màng lọc bằng sứ, vi khuẩn bị giữ lại. Tiêm dịch đó vào cây không bệnh, ít lâu sau cây bị bệnh. Kết luận: Tác nhân gây bệnh đốm lá thuốc lá là siêu vi khuẩn (virus) dạng hình trứng, que, nòng nọc, chúng có thể thâm nhập vào tế bào động thực vật và vi khuẩn đặc trưng đối với chúng ở đấy chúng “sinh sản” và hình thành nhiều virus mới. b. Đặc tính của vi rus Virus là phân tử rất nhỏ, có đặc trưng của sự sống, không giống bất kỳ một sinh vật nào, có đặc tính riêng biệt đại diện cho vật chất sống thấp nhất trong thế giới sinh vật, là dạng trung gian giữa thế giới vô sinh và hữu sinh.Virus có những đặc tính sau: + Virus có kích thước nhỏ bé từ hàng chục đến hàng trăm nanomet (nm) + Virus không có cấu tạo tế bào, chỉ là vật chất đơn giản chứa một loại axit nucleic (hoặc là ADN hoặc là ARN). + Virus không có quá trình trao đổi chất, không sinh sản trong môi trường dinh dưỡng bình thường , môi trường dinh dưỡng của virus là môi trường có tổ chức sống. + Virus ký sinh nội bào tuyệt đối, tách khỏi tế bào chủ, virus không sống được, do đó gọi virus là giới hạn vô sinh và hữu sinh. c. Hình thái và cấu tạo Kích thước và hình dạng của virut Virut có kích thước rất nhỏ dao động từ 5-300nm (1nm=10-9m), nên không không thể quan sát thấy virut qua kính hiển vi quang học. Muốn quan sát hình thái và đo kích thước virut phải sử dụng kính hiển vi điện tử và các kĩ thuật phụ trợ. Virut có bốn hình dạng chủ yếu là hình khối, hình khối cầu, hình que và hình tinh trùng (hay hình nòng nọc). Cấu tạo của virut 22
Thành phần cấu tạo chủ yếu của virut bao gồm axit nuleic được bao bọc bởi vỏ protein và ở một số virut còn có màng bao. d. Tác hại Hiện nay các bệnh do vi khuẩn gây ra (chiếm khoảng 70%) hầu như đã có những phương pháp điều trị hiệu quả, trong khi 30% bệnh của người, vật nuôi và cây trồng là do virus gây ra, trong đó có những bên nan y của thời đại như Sida (AIDS) lại chưa có thuốc điều trị. - Bệnh ở người Bệnh đậu mùa, tê liệt trẻ em, bệnh dại, sốt vàng da, cúm - Bệnh ở động vật Dịch tả lợn, ung thư gà, cúm lợn, lở mồm long móng ở trâu bò. - Bệnh ở thực vật Vàng lụi lúa, xoăn lá cà chua, xoăn lá khoai tây Hình 6. Hình dạng của virus e. Sao chép của virus ở động vật và thực vật - Giai đoạn hấp thụ trên bề mặt của tế bào ký chủ - Giai đoạn xâm nhập vào bên trong tế bào chủ - Giai đoạn tổng hợp các thành phần của virut - Giai đoạn lắp ráp 23
- Giai đoạn phóng thích 2. Thực khuẩn thể Nhà Bác học người Anh Twoct lần đầu tiên thấy khuẩn lạc vòng tròn và có thể lây truyền hiện tượng này sang các khuẩn lạc khác. Năm 1917, nhà Bác học người Pháp Đê men lơ phát hiện hiện tượng này ở trực khuẩn lỵ. Ông nghiên cứu sự phát triển của hiện tượng này và nhận thấy đó là tác động của một loại vi sinh vật đặc biệt chỉ ký sinh trên vi khuẩn gọi là thực khuẩn thể. Vậy thực khuẩn thể là những virus sống ký sinh trên tế bào vi khuẩn. Kích thước nhỏ như siêu vi khuẩn, hình dạng tròn, trứng, elip, cơ thể có một đuôi dài, bên ngoài có màng bán thấm. Mỗi một thực khuẩn thể chỉ ký sinh trên một vi khuẩn nó làm cho vi khuẩn phồng to và tan ra, đây là hiện tượng dung giải vi khuẩn dựa vào đó người ta sử dụng thực khuẩn thể để chống vi khuẩn gây bệnh. a. Cấu tạo của thực khuẩn thể Thể thực khuẩn là virus ở vi khuẩn. Cấu trúc của thể thực khuẩn thường phức tạp hơn cấu trúc của virut. Thể thực khuẩn thường có cấu trúc hình nòng nọc hay hình tinh trùng ví dụ như thể thực khuẩn T4 cấu tạo bởi ba bộ phận: đầu, cổ và đuôi. Phần đầu bao gồm capsit và axit nucleic như ở virut không có màng bao. Đầu nối với đuôi qua cổ. Đuôi gồm có bao đuôi, ống đuôi, đĩa gốc, 6 mấu ghim và 6 sợi đuôi. Bao đuôi và ống đuôi cấu tạo bởi các capsome. Đĩa gốc cũng tương tự như đĩa cổ, trên đó mọc ra 6 sợi đuôi và 6 mấu ghim. Sợi đuôi cấu tạo bởi các phân tử protein. b. Sự sao chép của thể thực khuẩn (phage) Các virut của vi khuẩn cũng có quá trình sinh sản trải qua các giai đoạn giồng như ở virut động và thực vật. Các nghiên cứu phage ký sinh ở tế bào vi khuẩn E. coli cho thấy chúng có 2 cơ chế sinh sản là: (1) chu trình tan và (2) chu trình tiềm tan. Ở chu trình tan các thể thực khuẩn làm chết tế bào chủ nên gọi là độc. Ở chu trình tiềm tan các virut có thể sinh sản mà không làm chết tế bào chủ nên được gọi là ôn hòa. - Chu trình tan - Chu trình tiềm tan Câu hỏi ôn tập chương I Câu 1: Vi khuẩn là gi? Những hiểu biết về vi khuẩn? Câu 2: Đặc điểm sinh học của vi khuẩn? Vị trí, cấu tạo và chức năng? Câu 3: Khả năng, tốc độ và ý nghĩa sinh sản cuả vi khuẩn? Câu 4: Đặc điểm sinh học của nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn? 24
Câu 5: Sinh sản của virus và thực khuẩn thể CHƯƠNG II: SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT I. ĐIỀU KIỆN CẦN THIẾT CHO SINH TRƯỞNG 1. Yếu tố dinh dưỡng a. Những nguyên tố dinh dưỡng của vi sinh vật Tế bào vi sinh vật cũng như tất cả các tế bào khác cần thức ăn chứa những chất thuộc thành phần cơ thể. Không phải tất cả những chất dinh dưỡng trong môi trường đều được gọi là chất dinh dưỡng của vi sinh vật. vi sinh vật chỉ sử dụng những chất dinh dưỡng cần thiết cho chúng, những chất tham gia vào thành phần của tế bào sống hoặc những chất mà vi sinh vật phân giải, oxy hoá để cung cấp năng lượng cho cơ thể. Nước: Nước là thành phần chính của tế bào vi sinh vật. Nước thường chiếm 70 - 80% trong lượng cơ thể. Nước tham gia vào tất cả các quá trình sống xảy ra trong tế bào. Nước trong tế bào thường tồn tại ở hai trạng thái khác nhau: nước tự do và nước liên kết. Nước tự do vì không tham gia vào các hợp chất hoá học của tế bào nên dễ dàng bay hơi khi sấy khô. Nước liên kết tham gia vào cấu tạo các hợp chất hữu cơ trong tế bào, nước liên kết khó tách ra (tham gia vào cấu tạo hệ keo nguyên sinh chất) Hàm lượng: Mỗi một loài vi sinh vật khác nhau có một lượng nước nhất định. - Vi khuẩn: 75-85% trọng lượng cơ thể - Nấm men: 73-75% trọng lượng cơ thể - Nấm mốc: 84-85% trọng lượng cơ thể Chức năng: - Đóng vai trò quan trọng trong qúa trình sống của vi sinh vật - Tham gia vào một số phản ứng hoá học, giúp cho quá trình lấy thức ăn và thải cặn bã của chúng được dễ dàng. Muối khoáng: Muối khoáng gồm các nguyên tố: P, S, K, Na, Ca, Mg, Cl s Ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng Co, Cu Hàm lượng: Mỗi một vi sinh vật khác nhau có lượng muối khoáng khác nhau. - Vi khuẩn: 1,3 –13,9% trọng lượng chất khô 25
- Nấm men: 6,9 -10,2% trọng lượng chất khô - Nấm mốc: 6,0 – 12,0% trọnglượng chất khô Chức năng: - Là thành phần cấu tạo nên tế bào. - Một số tham gia vào hệ men, - Điều tiết áp suất thẩm thấu, pH. -3 -, 2- Các nguyên tố muối vô cơ vi sinh vật cần là: PO4 , Cl SO4 , K, Na, Mg, Fe Phospho: Là nguyên tố quan trọng trong việc tổng hợp nên axit nucleic, nuclioproteit, (lòng đỏ trứng). Lưu huỳnh: Là thành phần của một số aminoaxit, ngoài ra còn có tác dụng quan trọng trong việc trao đổi chất. Magiê: Là chất hoạt hoá của một số men như catalaza, một số vi sinh vật dự trữ sắt để cung cấp năng lượng cho cơ thể. Kali: Có vai trò thứ yếu, chỉ có một số vi sinh vật cần Canxi: có vai trò thứ yếu, chỉ có một số sinh vật cần. Các yếu tố vi lượng: Zn, Co, Mo có tác dụng kích thích hoạt động sống, tham gia vào thành phần một số men trong cơ thể vi sinh vật. b. Chất hữu cơ Protit: - Là thành phần chủ yếu đóng vai trò quyết định trong quá trình sống của vi sinh vật. - Hàm lượng protit chiếm 80% trọng lượng chất khô. Protit còn là thành phần chính của nguyên sinh chất. Lượng protit ở những vi sinh vật khác nhau thì khác nhau. Vi khuẩn: 50-90% trọng lượng chất khô Nấm men: 31-82% trọng lượng chất khô Nấm mốc: 14-44% trọng lượng chất khô ở vi sinh vật protit tồn tại ở hai dạng là: protit tham gia cấu tạo tổng hợp các chất và protit dự trữ. Protit ở tế bào vi sinh vật cũng như ở các tế bào khác gồm mấy loại sau: + Protit đơn giản: Globulin Albumin Muxin 26
+ Protit phức tạp: Nucleoproteit Lipoproteit Men Glucoproteit Nucleoproteit: Là thành phần cấu tạo nên nguyên sinh chất và nhân, đóng vai trò quan trọng trong việc phân chia tế bào, biến dị di truyền Nucleoproteit phân giải cho Protit và axit nucleic, axit nucleic chiếm 10-28% trọng lượng chất khô gồm hai dạng: axit ribonucleic (ARN): có trong nguyên sinh chất, chiếm 3-13% trọng lượng khô , đóng vai trò quan trọng trong quá trình dinh dưỡng của vi sinh vật. axit Dezoxyribonucleic: (AND) có trong nhân tế bào, chiến 2-5% trọng lượng khô, đóng vai trò quan trọng trong sinh sản của vi sinh vật. Lipoproteit: Có tác dụng điều chỉnh sự xâm nhập các chất vào tế bào. Men: Là những hợp chất protit có khả năng quyết định tính chuyển hoá tức là khả năng quyết định sự tác động lên những chất xác định. b. Gluxit Trong tế bào vi sinh vật Gluxit bao gồm các loại đường đơn (monosaccharis), đường đôi (polysaccharis). Hàm lượng Gluxit ở mỗi loại vi sinh vật có khác nhau: - Vi khuẩn: 13-30% trọng lượng chất khô - Nấm men: 36-60% trọng lượng chất khô - Nấm mốc: 8-40% trọng lượng chất khô c. Lipit Cấu tạo bởi 3 nguyên tố chính: C, H, O. - Ở vi sinh vật không chứa chất mỡ dự trữ hàm lượng lipit chiếm 10% trọng lượng chất khô. - Ở những vi sinh vật chứa chất mỡ dự trữ, hàm lượng lipit chiếm 30-35% trọng lượng chất khô. - Ở vi sinh vật, lipit thường kết hợp với protit, gluxit để tạo thành một hợp chất không hoà tan trong nước nhưng lại hoà tan trong ete và Cloruafooc. Ngoài ra, trong tế bào một số vi sinh vật đại diện là nấm men, nấm mốc còn chứa các chất sắt, vitamin, chất kích thích sinh trưởng. Ngoài các hợp chất hữu cơ trên còn kể đến Vitamin, enzyme, . Cơ chế của sự dinh dưỡng: 27
Vi sinh vật không có cơ quan dinh dưỡng riêng biệt, chúng dinh dưỡng một cách thô sơ qua màng tế bào. Các chất dinh dưỡng từ bên ngoài vào tế bào vi sinh vật thẩm thấu qua màng tế bào, màng nguyên sinh chất. Trái lại những chất cặn bã thải ra qua màng tế bào theo quy luật khuyếch tán thẩm thấu. Mặc dầu không có cơ quan dinh dưỡng, tiêu hoá, bài tiết riêng biệt nhưng vi sinh vật tiến hành dinh dưỡng qua màng thẩm thấu có sự chọn lọc rất tinh vi. Sự thẩm thấu của thức ăn qua màng tế bào là một quá trình lý hoá rất phức tạp nó lệ thuộc vào mâý yếu tố: - Khả năng thẩm thấu của tế bào. - Nồng độ chất dinh dưỡng ở trong và ngoài tế bào - pH của môi trường - Điểm đẳng điện của Protit nguyên sinh chất. Cấu tạo cơ quan hấp thụ * Màng nguyên sinh chất: Màng nguyên sinh chất là một màng cấu tạo khá bền chắc hơn các màng khác, chịu được sự chênh lệch nhiệt độ, áp suất lớn, do đó nó có khả năng điều chỉnh và hấp thụ chất dinh dưỡng rất tốt. Những chất dinh dưỡng được tế bào vi sinh vật hấp thụ: phụ thuộc vào điều kiện sau: - Cấu tạo của chất dinh dưỡng - Nồng độ chất dinh dưỡng - Khả năng hoà tan và phân giải của chất dinh dưỡng Những chất dinh dưỡng không bị phân ly thành ion thì sự thẩm thấu + - - nhanh. Những chất dinh dưỡng mang nhóm NH2 , OH , COOH thì sự thẩm thấu khó. Số lượng chất thẩm thấu càng nhiều thì năng lực thẩm thấu càng giảm. Ví dụ: Rượu etylic (C2H5OH) có một nhóm OH thẩm thấu dễ hơn glycerinz CH2OH – CHOH - CH2OH có 3 nhóm OH. - Áp suất, pH của môi trường Một số quan niệm giải thích cơ cấu hấp thụ chất dinh dưỡng * Quan niệm giải thích cấu tạo màng: Màng cấu tạo bằng chất lipoprotein (giữa lipit và protit) nhưng lipit và protit vẫn mang tính độc lập. Vậy: Nếu chất hữu cơ nào hoà tan trong nước sẽ đi qua phần cấu tạo bằng protit. Nếu chất hữu cơ nào tan trong mỡ sẽ đi qua phần cấu tạo bằng lipit * Quan niệm về trao đổi ion: 28
Quan niệm này cho rằng màng tế bào tuy bền chặt nhưng vẫn còn lỗ hổng, kích thước lỗ hổng lớn hơn kích thước các hạt dinh dưỡng nên khi trao đổi chất, hạt dinh dưỡng chui qua lỗ hổng. Hợp chất hữu cơ cấu tạo nên tế bào vi sinh vật cũng là những axit amin nên nó phân ly tạo thành ion, bởi vậy những ion trái dấu hút nhau theo lực hút tĩnh điện. Tóm lại, hai quan điểm trên chưa quan niệm nào giải thích đầy đủ. * Sự thẩm thấu chất dinh dưỡng sau khi vào tế bào: Các chất dinh dưỡng sau khi vào tế bào bắt đầu thực hiện quá trình chuyển hoá do nhiều phản ứng liên kết xảy ra, chúng tạo thành những hợp chất hữu cơ phức tạp tham gia hoạt động sống của tế bào giúp cho cơ thể sinh trưởng và phát triển không ngừng. II. SINH TRƯỞNG CỦA VI KHUẨN 1. Sinh sản của vi sinh vật * Các hình thức sinh sản Vi khuẩn có nhiều hình thức sinh sản như: phân cắt, thắt nút, đâm chồi, vỡ vụn nhưng chủ yếu là sinh sản theo kiểu phân cắt. Một số vi khuẩn phân chia thành những tế bào con gần giống nhau qua các lần phân đôi, phân bốn, phân tám tế bào Một số vi khuẩn phân cắt ở một đầu khuẩn ty thành những tế bào con lại mọc dài ra thành sợi mới. Tốc độ sinh sản của vi khuẩn phụ thuộc vào một số yếu tố: nhiệt độ, pH, thức ăn, Nếu trong môi trường đầy đủ các yếu tố trên vi khuẩn sinh sản rất nhanh, trung bình cứ 25 phút mỗi tế bào phân chia một lần. Ví dụ: Một loại vi khuẩn có kích thước 1-2 nếu 25 phút phân chia một lần thì chỉ sau: 5 giờ có thể sinh sản được 1204 cá thể 10 giờ có thể sinh sản được 262144 cá thể 15 giờ có thể sinh sản được 265275636 cá thể 20 giờ có thể sinh sản được 80 gam 40 giờ có thể sinh sản được 18881,6 tấn Sau 3 ngày 3 đêm nặng tới 1,4.1017 tấn Ví dụ trên cho ta hình dung được tốc độ sinh sản của vi khuẩn trong điều kiện môi trường đầy đủ các yếu tố. Tuy nhiên, thực tế trong môi trường nuôi cấy 29
không bao giờ đầy đủ các yếu tố trên nên nếu gặp điều kiện khó khăn chúng có thể chết hàng loạt nhưng chỉ cần một vài tế bào sống sót cũng sẽ sinh sản khối lượng lớn tế bào vi khuẩn khi điều kiện môi trường thay đổi có lợi. 2. Phát triển của vi sinh vật Qua nghiên cứu sự phát triển của vi khuẩn, người ta xác định được 4 giai đoạn: - Giai đoạn tiền phát: vi khuẩn bắt đầu làm quen với môi trường, vi khuẩn sinh trưởng ít; thể tích tăng lên; tế bào dài ra, dầy lên. Tuỳ theo điều kiện môi trường mà giai đoạn này có thể kéo dài 10 hay 12 giờ. - Giai đoạn Logarit: tế bào sinh trưởng và phát triển rất nhanh tạo nên khối lượng tế bào rất lớn trong một thời gian ngắn, tế bào mất đi không đáng kể. - Giai đoạn cân bằng: số tế bào sinh ra và mất đi cân bằng nhau. - Giai đoạn suy vong: số vi khuẩn chết đi nhiều hơn số tế bào vi khuẩn sinh ra. Số tế bào vi khuẩn Sơ đồ quá trình phát triển của vi khuẩn III. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỜI SỐNG CỦA VI SINH VẬT Chất dinh dưỡng: là những chất chủ yếu rất cần thiết cho trao đổi chất, nếu thiếu vi khuẩn không sinh trưởng và phát triển được. Là nhân tố quyết định sự sinh sống còn của vi khuẩn. - pH: ảnh hưởng tới sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn, với một loài vi khuẩn thích ứng với một độ pH nhất định. - Nhiệt độ: mỗi một vi khuẩn thích ứng với một nhiệt độ nhất định, nếu nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp vi khuẩn sẽ ngừng phát triển hoặc chết. Vi sinh vật cũng như các loài sinh vật khác trong đời sống cần có những yếu tố ngoại cảnh thích hợp. Như vậy, đời sống của vi sinh vật có liên quan mật thiết với điều kiện ngoại cảnh Nếu điều kiện ngoại cảnh đầy đủ thì vi sinh vật sinh trưởng và phát triển tới mức cao nhất. 30
Nếu điều kiện ngoại cảnh bất lợi thì vi sinh vật phải biến đổi để phù hợp với điều kiện sống mới. Những yếu tố ngoại cảnh ảnh hưởng tới đời sống vi sinh vật bao gồm: - Nhân tố vật lý - Nhân tố hoá học - Nhân tố vi sinh vật học 1. Ảnh hưởng của nhân tố vật lý a. Nhiệt độ Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật, mỗi loại vi sinh vật thích ứng với một nhiệt độ nhất định, dựa vào đó người ta chia làm 3 loại: - Vi sinh vật ưa lạnh Nhiệt độ thích hợp từ 6-100C Nhiệt độ cao nhất 20-300C Nhiệt độ thấp nhất –60C Đại diện là loại vi khuẩn sống ở Bắc Cực, tủ lạnh - Vi sinh vật ưa ấm Nhiệt độ thích hợp từ 30-37C Nhiệt độ cao nhất 450C Nhiệt độ thấp nhất 100C Đại diện là vi khuẩn gây bệnh, bọn sống ở suối nước nóng - Vi sinh vật ưa nóng Nhiệt độ thích hợp từ 50-60C Nhiệt độ cao nhất 70-800C Nhiệt độ thấp nhất 350C Tóm lại: Nhiệt độ cao hay thấp đều ảnh hưởng trực tiếp tới đời sống vi sinh vật Với nhiệt độ thấp: Không giết chết vi sinh vật mà làm cho hoạt động sống của vi sinh vật chậm lại. Nhưng trường hợp đặc biệt nhiệt độ quá thấp gây hiện tượng đóng băng và tan băng liên tục cũng gây ra sự chết chóc của vi sinh vật. Với nhiệt độ cao: Vi sinh vật rất nhạy cảm với nhiệt độ cao, nhiệt độ càng cao vi sinh vật càng mau chết vì nhiệt độ lên cao làm thể keo nguyên sinh chất đặc lại làm cho tác dụng của men bị đình chỉ từ đó hoạt động sống cuả vi sinh vật bị hạn chế. 31
Dựa vào ảnh hưởng của nhiệt độ cao có khả năng tiêu diệt vi sinh vật. Trong thực tế người ta đã dùng một số phương pháp khử trùng bằng nhiệt độ cao trong các phòng thí nghiệm, trong bệnh viện để tiêu diệt vi sinh vật như: + Khử trùng bằng sức nóng khô: - Đốt qua lửa hoặc nung đỏ: Hơ trên ngọn đèn cồn bằng cách đưa qua đưa lại 3-4 lần. Phương pháp này hay dùng nhất vì nó nhanh chóng và dễ làm, thường dùng để khử trùng đũa thủy tinh, que cấy, ống hút đầu ống nghiệm và nút bông. - Đun bằng không khí nóng: Dùng sức nóng khô để khử trùng những đồ dùng bằng kim loại, thuỷ tinh và những dụng cụ chịu nhiệt khác. Những dụng cụ này xếp trong tủ sấy, tăng nhiệt tới 170-1800C trong 1-2giờ. + Khử trùng bằng sức nóng ướt - Lợi dụng áp lực của nước trong nồi chưng tăng thì điểm sôi của nước tăng, nhiệt độ sôi của nước có thể tăng tới 1210C với nhiệt độ này trong 15 – 30 phút có thể tiêu diệt hoàn toàn vi sinh vật. Người ta dùng phương pháp này để khử trùng môi trường nuôi dưỡng và gọi là phương pháp hấp tăng áp lực. - Nếu không có điều kiện ta dùng phương pháp hấp gián đoạn (phương pháp tyldan): dùng một cái nồi hấp thường, mỗi ngày hấp một lần, mỗi lần nửa giờ hấp liên tục trong 3 ngày, qua mỗi ngày hấp đem vi khuẩn để vào tủ ấm 25- 300C b. Ánh sáng Với những tia sáng chiếu thẳng có tác dụng giết chết vi sinh vật. Nếu sử dụng tác nhân ánh sáng không đúng cường độ, không đúng thời gian nó có tác dụng trở lại kích thích vi sinh vật phát triển. Bản chất ảnh hưởng của ánh sáng: ánh sáng tác dụng vào khối nguyên sinh chất làm quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ tăng lên, protit bị phân huỷ, nguyên sinh chất không còn làm chất sống, lúc đó tế bào chết. Ánh sáng tác dụng vào vi sinh vật chủ yếu là tia quang tuyến X. Ánh sáng có khả năng tiêu diệt vi sinh vật hay không tuỳ thuộc vào bước sóng và thời gian chiếu sáng. Tất cả những vi sinh vật ở thể dinh dưỡng bị tiêu diệt nhanh chóng khi chiếu ánh sáng có bước sóng 2650 - 2660A0 trong thời gian 1 - 6phút. Với sinh vật có nha bào, cùng bước sóng trên thì sau 10 phút mới chết. Năm 1897, Buchmen làm thí nghiệm để xác minh tác dụng của tia tử ánh sáng mặt trời tiêu diệt vi sinh vật. Thí nghiệm: Dùng giấy đen che nắp hộp lồng đựng thạch có cấy vi khuẩn thương hàn Sallmonella trên giấy đen có cắt chữ thyphus. Để ánh sáng chiếu qua đĩa thạch từ 1-2giờ, sau đó để vào tủ ấm 30-370/c trong 24 giờ cho thấy kết quả: 32
Ở những nơi có ánh sáng chiếu vào vi khuẩn không phát triển được. ở những nơi không có ánh sáng chiếu vào vi khuẩn phát triển bình thường. Ứng dụng Dựa vào ảnh hưởng của ánh sáng có khả năng tiêu diệt vi sinh vật, trong thực tế người ta đã sử dụng một số phương pháp khử trùng bằng ánh sáng trong sinh hoạt hàng ngày, trong phòng thí nghiệm và trong các bệnh viện như: - Phơi chăn màn, quần áo - Sát trùng các phòng mổ, làm thuốc kháng sinh - Chữa bệnh lao da - Nuôi cấy vi trùng 2. Ảnh hưởng của nhân tố hoá học a. pH của môi trường Mỗi một vi sinh vậtmột phạm vi pH thích hợp. pH có tác dụng kích thích quá trình trao đổi chất của vi sinh vật vì: khi thực hiện trao đổi chất những hợp chất chứa đạm đều ở dạng ion nên pH có ảnh hưởng tới quá trình phân ly. Mặt khác cấu tạo cơ thể vi sinh vật cũng là những hợp chất hữu cơ nên nếu pH không thích hợp sẽ phá vỡ cân bằng làm cho quá trình trao đổi chất không thực hiện được. Đại đa số vi khuẩn, xạ khuẩn sinh trưởng tốt nhất ở pH từ 6,5 – 7,5; thích hợp trong phạm vi 4,0 - 10,0 Nấm giới hạn từ 1,5 - 10,0; thích hợp từ 3,0 - 6,0 b. Chất sát trùng - Khi sử dụng chất sát trùng cần nắm vững hai nguyên tắc: - Chất sát trùng có khả năng tiêu diệt vi sinh vật hay chỉ có tác dụng kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật - Cần đảm bảo đúng nồng độ, đúng thời gian. * Ảnh hưởng của các kim loại nặng: Bản chất: Khi tác dụng vào cơ thể vi sinh vật các ion kim loại dễ làm + protit kết tủa (ion kim loại thay thée H ở nhóm NH2 của axitamin). Ảnh hưởng: Clorua thuỷ ngân HgCl2 có tác dụng diệt trùng tốt, nồng độ 1/10000 có thể tiêu diệt vi sinh vật. Trong thực tế, người ta ít dùng vì chất này rất độc đối với người. - Sulfat đồng CuSO4 tác dụng giống HgCl2 nồng độ 5% có tác dụng diệt trùng dùng để tảy uế cống rãnh. Nồng độ 1% dùng ngâm rửa dụng cụ kim loại. - Thuốc đỏ: Nồng độ 2% dùng sát trùng các vết thương ngoài da. 33
* Ảnh hưởng của các chất oxy hoá mạnh Bản chất ảnh hưởng: Khi tác dụng vào cơ thể vi sinh vật sinh ra 0*, oxy nguyên tử thực hiện phản ứng oxy hoá làm nguyên sinh chất bị phân huỷ. 0 Nước nặng H2O2: nồng độ 1 /oo tiêu diệt vi sinh vật và các nha bào của nó. O* H2O2 H2O + 0 Thuốc tím KMnO4 nồng độ 5 –10 /000 dùng để diệt trùng O* 2KMnO4 + H2O 2MnO2 + 2KOH + - Các hợp chất halogen: Đại diện là Cloruavôi (canxihypoclorit) Ca(OCl)2 Tác dụng diệt trùng của Cloruavôi phát sinh khi nó bị tác động của axit hay CO2 với nồng độ 1,5- 2,5% có tác dụng diệt trùng. Ca(OCl)2 + 2HCl CaCl2 + 2HOCl 2HOCl HOH + Cl2 + 2O Vai trò khử trùng là Cl2 và O* * Các loại rượu Bản chất: khi tác dụng vào tế bào vi sinh vật làm tế bào mất nước nhanh. Ảnh hưởng: Thuốc gentian 1/50000 diệt vi sinh vật gram (+), thuốc gentian 1/500 diệt vi sinh vật gram (-) * ảnh hưởng của sulfamid Bản chất: không có tác dụng tiêu diệt vi sinh vật nhưng có tác dụng kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. ảnh hưởng: sulfathiazin và sulfaguanin ít hấp thụ qua ruột được giữ lâu ở ruột nên dùng để uống. Sulfatheazon có tác dụng hoà tan nhanh dùng chữa nhiễm trùng ngoài da. 3. Ảnh hưởng của các chất sinh vật học a. Ảnh hưởng của chất sinh trưởng Chất sinh trưởng ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng và tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật, chất sinh trưởng tham gia vào việc tổng hợp hệ thống men những chất sinh trưởng phân bố rộng rãi trong các mô động thực vật nhưng chỉ có số lượng rất ít, nên lấy được chúng ra để nghiên cứu tính chất và định lượng chúng rất khó. b. Ảnh hưởng của các chất kháng sinh Chất kháng sinh sinh vật gồm tất cả những chất hoá học do động vật, thực vật, vi khuẩn nấm gây ra. Nó có tác dụng kìm chế sinh trưởng của vi sinh vật. 34
Mỗi một loại kháng sinh có tác dụng đến một loài vi sinh vật ở liều lượng nhỏ, ở liều lượng cao chất kháng sinh có tác dụng tiêu diệt vi sinh vật. Một số chất kháng sinh do vi sinh vật tiết ra như: penicinin, streptomycin, cloromycetin. + Streptomycin điều chế từ Streptomyces griceus dùng để kìm hãm các loại vi sinh vật gây thối rữa, có khả năng chống lại vi khuẩn đường ruột E.coli, Shigella. + Cloromycetin điều chế từ Streptomyces venezella có tác dụng tiêu diệt vi trùng thương hàn. IV. ỨNG DỤNG QUY LUẬT SINH TRƯỞNG CỦA VI KHUẨN Vi khuẩn sống trong điều kiện tối ưu sẽ sinh trưởng bằng cách nhân đôi nên số lượng tăng một cách nhanh chóng theo hàm số mũ. Vì vậy, khi muốn sử dụng vi khuẩn nói riêng cũng như vi sinh vật nói chung vào những mục đích có lợi như phân giải một số hợp chất gây ô nhiễm môi trường, chế biến thực phẩm thì phải tạo điều kiện môi trường tối ưu về nguồn dinh dưỡng, pH, nhiệt độ để chúng nhanh chóng đạt đến pha sinh trưởng logarit. Ngược lại, với những vi sinh vật có hại như vi khuẩn gây thối, vi sinh vật gây bệnh phải kìm hãm sự sinh trưởng của chúng ở pha tiền phát càng lâu càng tốt hoặc giết chúng bằng các nhân tố ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và phát triển của chúng. 1. Trong chế biến và sản xuất các chế phẩm sinh học Để đạt được hiệu quả cao trong chế biến và sản xuất các chế phẩm sinh học cần phải tạo điều kiện để tế bào vi sinh vật cần có phát triển nhanh chóng về số lượng. Tạo môi trường tối ưu để vi sinh vật nhanh chóng tiến đến pha sinh trưởng logarit để giữ cho sản phẩm không bị tạp nhiễm để giữ sản phẩm tốt hơn. 2. Trong bảo quản thực phẩm, các nguyên vật liệu và thức ăn Với mục đích này, chúng ta phải dùng biện pháp ngăn ngừa và hạn chế tối đa sự xâm nhập của vi sinh vật hoặc kìm hãm sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật có trong nguyên liệu ở pha tiền phát càng lâu càng tốt. 3. Trong phòng và trị bệnh Phải có biện pháp làm giảm nguy cơ lây nhiễm của những động vật đang bị bệnh tới những động vật còn khoẻ mạnh bằng cách cách li động vật bị bệnh với động vật khoẻ, đồng thời phải tẩy uế, khử trùng nhanh chóng ổ bệnh. Tiếp theo phải tìm cách tiêu diệt mầm bệnh càng nhanh càng tốt V. ĐẶC ĐIỂM SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT TRÊN CÁC MÔI TRƯỜNG 1. Trong môi trường nuôi dưỡng đặc 35
Trong môi trường này sự di động và phân tán của vi khuẩn bị hạn chế. Chúng tụ lại thành những đám nhỏ gọi là khuẩn lạc được sinh ra từ một tế bào ban đầu. Mỗi vi khuẩn khác nhau sinh ra những khuẩn lạc khác nhau, có mấy dạng khuẩn lạc sau: - Khuẩn lạc S (Smooth – nhẵn nhụi) Đặc điểm: Tròn, mép phẳng, mịn, trơn bóng, ướt. Dạng khuẩn lạc này thường gặp ở vi khuẩn gây bệnh. - Khuẩn lạc R (Raugh – sù sì) Đặc điểm: hình dạng khuẩn lạc không đều, sứt mẻ, gồ ghề và khô. Nếu điều kiện môi trường thay đổi, khuẩn lạc S có thể chuyển sang khuẩn lạc R và ngược lại. 2. Trong môi trường lỏng Trong môi trường lỏng, những tế bào vi sinh vật có thể ở dạng những tế bào riêng lẻ bên trong dịch nuôi cấy tạo thành dịch huyền phù. Dạng váng trên bề mặt dịch nuôi cấy: vi khuẩn hô hấp hiếu khí Dạng cặn lơ lửng trong dịch nuôi cấy: vi khuẩn kị khí không bắt buộc Dạng cặn nằm dưới đáy vật chứa dịch nuôi cấy: Vi khuẩn kị khí bắt buộc Câu hỏi ôn tập chương II Câu 1: Những nguyên tố dinh dưỡng? Vai trò của các nguyên tố dinh dưỡng? Câu 2: Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý đến đời sống vi sinh vật? Câu 3: Ảnh hưởng của các yếu tố hóa học đến vi sinh vật? Câu 4: Sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật? 36
CHƯƠNG III: DINH DƯỠNG VÀ TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT I. TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT 1. Quá trình phân giải các hợp chất trong môi trường a. Quá trình phân giải các hợp chất nitơ Trong tự nhiên luôn có quá trình hình thành nitơ hữu cơ từ nitơ vô cơ và ngược lại. Nguồn nitơ hữu cơ trong tự nhiên có rất nhiều nhưng đa số sinh vật không hấp thụ trực tiếp được. Việc phân giải chúng thành những hợp chất vô cơ đơn giản hơn để sinh vật dễ hấp thụ là rất cần thiết. Quá trình phân giải này là quá trình thối rưa hay còn gọi là quá trình amon hoá. Hợp chất nitơ hữu cơ trong cơ thể sinh vật là protein và các hợp chất nitơ hữu cơ không phải là protein. Sau khi sinh vật bài tiết hoặc chết, các hợp chất nitơ hữu cơ được vi sinh vật phân giải thành các hợp chất nitơ hữu cơ trung gian và sản phẩm cuối cùng là hợp chất nitơ vô cơ. VSV phân giải Hợp chất nitơ hữu cơ NH3 Vi sinh vật tham gia vào quá trình này thường là vi sinh vật dị dưỡng, hô hấp hiếu khí hay kị khí tương đối. Chúng được gọi là vi sinh vật amon hoá. Chỗ nào càng nhiều protein thì số lượng của nhóm vi sinh vật này càng nhiều. Tuy7f theo vùng, mùa và tính chất của môi trường quyết định số lượng và thành phần loài của nhóm vi sinh vật này. b. Quá trình phân giải hợp chất cacbon hữu cơ Trong môi trường luôn có các hợp chất cacbon hữu cơ từ chất thải và xác động, thực vật như cellulo, pectin, tinh bột, Những chất này được vi sinh vật dị dưỡng phân giải tạo thành một số hợp chất trung gian dễ hấp thụ hoặc phân giải triệt để tạo thành CO2 và năng lượng để phục vụ cho quá trình sống. Quá trình này diễn ra nhanh hay chậm phụ thuộc vào số lượng vi sinh vật, tính chất của hợp chất được phân giải, hoạt tính phân giải của loài vi sinh vật tham gia vào quá trình này. Quá trình phân giải tinh bột Tinh bột là chất dự trữ chủ yếu của thực vật. Một số loại vi sinh vật có khả năng phân giải được này vì có enzim amilaza. * Có 3 loại amilaza: + α- amilaza: Có khả năng phân giải tinh bột thành các phân tử dextrin có phân tử lượng thấp và một ít maltoza. 37
Chịu được nhiệt độ cao (khoảng 700C) + β- amilaza: chỉ tác động vào phần ngoài của đại phân tử tinh bột, ít có loại vi sinh vật nào sản xuất được loại enzim này, phân giải amilopectin thành 54% maltoza và 40% dextrin phân tử lượng lớn. + Glucoamilaza: có tác dụng phân giải 100% tinh bột thành đường glucoza. Một số vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải tinh bột: + Một số loài vi khuẩn thuộc giống Bacillus, một số loài nấm men thuộc giống Candida và rất nhiều nấm mốc thuộc giống Aspergillus Phân giải cellulose Cellulose là chất trùng hợp của glucose, trước hết cellulose bị thuỷ phân thành cellobiose, từ cellobiose tiếp tục thuỷ phân thành glucose. 1/2nC12H22O11 + 1/2n H2O celluloza nC6H12O6 C6H10O5 + 1/2 nH2O 1/2nC12H22O11 Tóm lại quá trình phân giải cellulose có thể chia làm hai giai đoạn. + Giai đoạn 1: Thuỷ phân cellulose thành cellobiose + Giai đoạn 2: oxy hoá những sản vật này, nếu oxy hoá hoàn toàn sẽ sinh ra glucose và từ glucose oxy hoá thành CO2 và H2O. (C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6 nC6H12O6 + xO2 R – CHOH – COOH + CO2 + H2O+Q R – CHOH – COOH+ xO2 CO2 + H2O+Q Vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải cellulose gồm những vi sinh vật có khả năng tiết ra enzim celluloza và õ- amilaza VSV hiếu khí: Cytophaga VSV kị khí: Bacillus cellulose hydrogenicus. Sự phân giải cellulose phát sinh trong đất, ao, hồ, phân và trong đường tiêu hoá của động vật ăn cỏ và người. Kết luận: Quá trình phân giải cellulose trong tự nhiên có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự tuần hoàn cacbon, nếu vi sinh vật không tham gia vào quá trình phân giải cellulose thì tới một lúc nào đó vòng tuần hoàn cacbon bị gián đoạn và sinh vật không còn tồn tại trên trái đất. 2. Quá trình trao đổi năng lượng a. Định nghĩa 38
Là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ tạo thành những chất đơn giản hơn như: CO2, H2O, đồng thời giải phóng năng lượng cung cấp cho hoạt động sống. Trong qúa trình hô hấp có một số vi sinh vật đòi hỏi phải có O2 đồng thời có một số vi sinh vật không đòi hỏi phải có O2. Dựa vào khả năng có sử dụng O2 tự do hay không trong quá trình O2 hoá mà người ta chia vi sinh vật ra làm mấy loại sau: Vi sinh vật hô hấp hiếu khí: chỉ có thể sống và phát triển trong điều kiện có oxy tự do của không khí. Vi sinh vật hô hấp kị tuyệt đối: Chỉ có thể sinh trưởng phát triển trong điều kiện không có oxy tự do của không khí. Vi sinh vật hô hấp kị tương đối: có thể sinh trưởng phát triển trong điều kiện có hoặc không có oxy tự do của không khí. Muốn nhận biết vi sinh vật thuộc loại gì ta cấy chúng vào môi trường thạch đứng và quan sát sự phát triển của khuẩn lạc ta sẽ thấy: Ghi chú: 1. Hô hấp kị khí tuyệt đối 2. Hô hấp kị khí tương đối 3. Hô hấp hiếu khí 1 2 3 b. Hô hấp hiếu khí Vi sinh vật hô hấp hiếu khí là những sinh vật đòi hỏi môi trường phải có O2 tự do của không khí, chúng hấp thụ oxy tự do của không khí oxy hoá các hợp chất hữu cơ làm phát sinh năng lượng. Sản phẩm cuối cùng của hô hấp hiếu khí là CO2, H2O. Sự oxy hoá hoàn toàn một phân tử gam glucose xảy ra theo phản ứng sau: C6H12O6 + O2 6CO2 + 6H2O + 674Kcalo tuần tự xảy ra: C6H12O6 + 6H2O 6CO2 + 24H + 674Kcalo 24H + 6O2 12H2O Vi khuẩn hô hấp hiếu khí thường hình thành H2O2 là chất độc nhưng vi khuẩn lại có men xúc tác catalaza và peroxidaza phân giải H2O2 thành H2O+O2 nên bản thân vi khuẩn không bị độc. catalaza H2O2 H2O + 1/2O2 39
Kết luận: Sự oxy hoá trong hô hấp hiếu khí chung quy lại là sự vận chuyển H2 từ vật dung cấp (cơ chất) tới vật tiếp nhận là O2 Nếu H2 và O2 kết hợp trực tiếp sẽ sinh ra bằng năng lượng (nhiệt) rất lớn, quá trình hợp này rất nguy hiểm tới đời sống vi sinh vật vì tế bào vi sinh vật chỉ cần ít năng lượng và phát sinh từ từ. Do vậy: H2 từ cơ chất không trực tiếp kết hợp ngay với oxy mà được vận chuyển từ từ qua nhiều chặng đường nhờ hệ thống vận chuyển xitcrom (sắc tố tế bào) chuyển vận H+ đế kết hợp với O- tạo thành nước và từ từ toả năng lượng cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật. c. Hô hấp yếm khí của vi sinh vật Vi sinh vật hô hấp yếm khí là những vi sinh vật đòi hỏi môi trường phải không có oxy, nếu có nó sinh trưởng chậm và chết. Trong quá trình này H2 bao giờ cũng được chuyển từ nguyên liệu hô hấp tới chất nhận cuối cùng là hợp chất hữu cơ chưa bão hoà. Chất này được hoàn thiện trong quá trình chuyển hoá gluxit, để tạo thành những chất đơn giản hơn. Chính vì sự hoàn thiện các hợp chất hữu cơ chưa bão hoà thành chất đơn giản hơn mà năng lượng toả ra trong quá trình hô hấp yếm khí ít hơn trong quá trình hô hấp hiếu khí. Đối với vsv hô hấp kị khí tuyệt đối, trong cơ thể chỉ có một hệ thống men kích động và vận chuyển H2. Điển hình là: qúa trình lên men latic do vi khuẩn Streptococus lactic gây ra. Đối với bọn hô hấp kị khí tương đối trong cơ thể có hai hệ thống men: men kích động và vận chuyển H2 & men kích động và vận chuyển O2. Điển hình cho nhóm này là Saccharomyces cerevicera trong điều kiện có O2, hệ thống men kích động và vận chuyển O sẽ phân huỷ đường thành CO2, H2O và tạo ra năng lượng . C6H12O6 + O2 CO2 + H2O + Q Trong điều kiện không có O2, hệ thống men kích động và vận chuyển H sẽ phân huỷ phân huỷ glucose thành rượu lên men rượu C6H12O6 C2H5OH II. DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT Dinh dưỡng là sự cung cấp vật liệu thức ăn cho cơ thể vi sinh vật sống và hoạt động. Nhu cầu thức ăn của mỗi loài vi sinh vật khác nhau, có loài ăn tạp, có loài chỉ cần một cài chất thậm chí có loài sinh trưởng và phát triển trong môi trường chỉ có chất vô cơ (CO2 , NH3). Còn đại bộ phận vi sinh vật sử dụng những chất có thành phần hoá học phức tạp. 40
Protit và các hợp chất hữu cơ khác xây dựng nên cơ thể sống là các hợp chất cacbon, vì vậy vấn đề dinh dưỡng trước hết là vấn đề chuyển hoá nguồn cacbon trong tự nhiên. 1. Quá trình tổng hợp cacbon của vi sinh vật Là quá trình lấy hợp chất vô cơ và hữu cơ có chứa cacbon để tổng hợp chất vô cơ và hữu cơ có chưá cacbon theo yêu cầu của tế bào. Quá trình dinh dưỡng này phụ thuộc vào mấy điều kiện: - Hợp chất chứa cacbon - Qúa trình tổng hợp cacbon Dựa vào quá trình tổng hợp cacbon khác nhau mà chia ra: - Vi sinh vật dinh dưỡng tự dưỡng cacbon (lấy cacbon từ hợp chất vô cơ) - Vi sinh vật dinh dưỡng dị dưỡng cacbon (lấy cacbon từ hợp chất hữu cơ) a. Dinh dưỡng dị dưỡng cacbon: Vi sinh vật dinh dưỡng dị dưỡng cacbon là những vi sinh vật không có khả năng tổng hợp cacbon từ hợp chất vô cơ mà nó cầu những hợp chất hữu cơ có sẵn nguồn cácbon. Nguồn cacbon vi sinh vật thường sử dụng là Protit, gluxit, lipit, rượu, axit, aldehyd. Các kiểu dinh dưỡng cơ bản của vi sinh vật dinh dưỡng dị dưỡng cacbon được biểu diễn bằng các sơ đồ sau: Quá trình hô hấp của vi snh vật Sơ đồ hô hấp của vi sinh vật dinh dưỡng dị dưỡng cacbon Các nguyên liệu xây (C) (H) (O) dựng Sinh khối Các chất dinh dưỡng hữu cơ (H) H2o + H2O Các nguyên liệu năng lượng (O) Oxy của không khí Quá trình lên men của vi snh vật Sơ đồ lên men kị khí của vi sinh vật dinh dưỡng dị dưỡng cacbon Các nguyên liệu xây (C) (H) (O) dựng Sinh khối Các chất dinh dưỡng hữu cơ + H2O (H) (C) (O) Sản phẩm trao đổi chất ở dạng khử Các nguyên liệu năng (O) lượng CO2 (C) (H) (O) 41
Ghi chú: Các chữ trong dấu ngoặc là những nguyên tố của chất dinh dưỡng sẽ được chuyển vào vật chất của sinh khối hoặc chuyển vào sản phẩm cuối cùng của trao đổi chất ở dạng khử. Lên men kị khí là một biến dạng của hô hấp nhưng khác với hô hấp, lên men kị khí chất nhận hydro là cơ chất hữu cơ không phải là oxy. b. Dinh dưỡng tự dưỡng cacbon Dinh dưỡng tự dưỡng hoá năng: (hoá tổng hợp) Vi sinh vật dinh dưỡng tự dưỡng cacbon hoá năng là những vi sinh vật trong tế bào không có sắc tố, chúng sử dụng năng lượng nhờ một số phản ứng hoá học. Ví dụ: Nhóm vi khuẩn Nitrosomonas lợi dụng oxy và hydro thải ra trong quá trình oxy hoá để khử CO2 thành hợp chất hữu cơ cho cơ thể. NH3 + O2 H+ HNO2 + Q CO2 + H + Q (CH2O)n – Q Sơ đồ của vi sinh vật dinh dưỡng tự dưỡng hoá năng (C) (O) Sinh khối CO2 (H) H2O 2M 2H2M (O) 1/2O2 So sánh sơ đồ này với sơ đồ dinh dưỡng dị dưỡng ta thấy nó khác ở hai điểm cơ bản: - Nguyên liệu xây dựng ở đây không phải là chất hữu cơ mà là CO2 - Nguyên liệu năng lượng ở đây không phải là chất hữu cơ mà là chất khoáng (trên sơ đồ biểu thị bằng chữ M) Dinh dưỡng tự dưỡng quang năng (quang tổng hợp) Vi sinh vật dinh dưỡng tự dưỡng cacbon quang năng là những vi sinh vật trong tế bào có chứa sắc tố chúng sử dụng năng lượng nhờ sánh sáng mặt trời giống quá trình quang hợp của thực vật nhưng khác ở hai điểm: - Thực vật lấy hydro từ nước còn vi sinh vật lấy hydro từ hợp chất vô cơ tạo nên hợp chất hữu cơ. Phản ứng quang hợp của thực vật và vi sinh vật: 42
ánh sáng mặt trời CO2 + H2O (CH2O)n + O2 (diệp lục tố (sắc tố) Phản ứng quang hợp của vi sinh vật: ánh sáng ánh sáng mặt trời CO2 + H2S (CH2O)n + H2O + H2SO4 (diệp lục tố (sắc tố) Sơ đồ vi sinh vật dinh dưỡng tự dưỡng quang năng: (O) (C) (O) Sinh CO2 khối H2O 2H2A A2 Ghi chú: Chữ A trên sơ đồ biểu hiệncho nhiều chất khác nhau, trong trường hợp đơn giản nhất H2A dùng để chỉ H2O.A2 So sánh sơ đồ quang hợp với sơ đồ hô hấp cho ta thấy có điểm khác nhau cơ bản: CO2 và oxy thay thế vị trí cho nhau. Kết luận: Sốlượng cacbon vô cùng lớn, ngoài dạng cacbon vô cơ thuần khiết (kim cương, graphit) còn hầu như không có hợp chất cacbon nào mà không được một nhóm vi sinh vật nhất định sử dụng. Có những vi sinh vật có thể oxy hoá dầu hoả, khí cacbuahydro, praphin. Ngay cả cao su, capron, hudron và các nguyên liệu khác vẫn dùng để bọc dây cáp kim loại vùi vào đất ẩm thì sớm hay muộn cũng sẽ bị vi sinh vật phân giải. Chỉ khi nào không có sự ẩm ướt mới có thể cản trở sự phát triển của vi sinh vật và hoạt động phân huỷ của nó. 2. Dinh dưỡng nitơ của vi sinh vật Ý nghĩa cơ bản của các nguồn nitơ: Cung cấp cho cơ thể nguyên liệu để hình thành các nhóm amin (-NH2), imin (-NH-). Trong phân tử các aminoaxit, nucleotit, các bazơ dị vòng và các hợp chất hoá học khác có mặt trong nguyên sinh chất. + Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất là ion NH4 và NH3 chúng dễ dàng thâm nhập vào tế bào và ở đó chúng tạo nên một cách khá đơn giản các nhóm amin và amin. 43
R R NH3 + CO C = NH + H2O R1 R1 R R NH3 + CH - OH CH – NH2 + H2O R1 R1 Nguồn nitơ khó hấp thụ là nitơ trong không khí. Để sử dụng nguồn nitơ này vi sinh vật phải có khả năng cố định nitơ phân tử, tức là sử dụng N2, khử thành NH3. Trước đây người ta đã phát hiện có 3 nhóm vi sinh vật có khả năng cố định nitơ phân tử. - Giống Azotobacter: Hô hấp hiếu khí sống tự do - Clostridium pasteurianum: hô hấp kị khí, trong quá trình sống có khả năng sinh bào tử. a. Dinh dưỡng “tự dưỡng amin” Vi sinh vật dinh dưỡng “tự dưỡng amin” là những vi sinh vật có khả năng xây dựng protit nguyên sinh chất của mình từ các nguồn nitơ hữu cơ và NH3. Chúng ta cần phân biệt “tự dưỡng amin” với tự dưỡng cacbon là việc đồng hoá CO2 theo con đường quang tổng hợp hay hoá tổng hợp. Sơ đồ dinh dưỡng “tự dưỡng amin” protit của môi Peptit amino axit trường dinh dưỡng NH3 H2O N2 Protit của nguyên sinh chất b. Dinh dưỡng “dị dưỡng amin” Vi sinh vật dinh dưỡng dị dưỡng amin là những vi sinh vật xây dựng nguyên sinh chất của mình từ những viên gạch có sẵn aminoaxit, aminoaxit được sử dụng một cách nguyên vẹn không bị phân giải thành NH3 Sơ đồ dinh dưỡng dị dưỡng amin Protit của môi Protit của nguyên Peptit amino axit trường dinh dưỡng sinh chất 44
Đối với mỗi giống loài vi sinh vật khác nhau đỏi hỏi các aminoaxit không thay thế khác nhau. Việc đòi hỏi các aminoaxit có sẵn chủ yếu gặp ở vi sinh vật gây bệnh, vi khuẩn lactic sống trong sữa. Kết luận: Những vi sinh vật không sinh trưởng được khi thiếu các aminoaxit có sẵn được gọi là vi sinh vật dinh dưỡng “dị dưỡng amin”. Còn danh sách các aminoaxit cần thiết gọi là “aminogram” Những vi sinh vật có thể tự tổng hợp ra tất cả các axitamin từ nguồn C, N, S thông thường gọi là vi sinh vật dinh dưỡng “tự dưỡng amin” Nếu trong môi trường có sẵn các aminoaxit thì vi sinh vật “tự dưỡng amin” chuyển sang dinh dưỡng “dị dưỡng amin” III. QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG VÀ TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT 1. Chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên Nitơ có rất nhiều trong tự nhiên, là thành phần cấu tạo nên cơ thể sinh vật. Nitơ là nguyên tố cấu tạo chủ yếu của protit. Mặc dù nitơ có rất nhiều trong tự nhiên nhưng động thực vật không thể hấp thụ trực tiếp được. Chúng chỉ sử dụng những hợp chất hữu cơ chứa đạm khi những chất này trở thành những hợp chất vô cơ như muối amonium, nitrat. Quá trình này được xúc tiến bởi một số vi khuẩn và xạ khuẩn. Nitơ trong tự nhiên tồn tại ở 3 dạng: - Nitơ tự do - Nitơ hữu cơ - + - Nitơ vô cơ (NH3 , NH4 ) Cả 3 dạng nitơ trên trong tự nhiên chúng không ngừng chuyển hoá lẫn cho nhau. Sự tuần hoàn của Nitơ trong tự nhiên chủ yếu là sự tuần hoàn biến chuyển của vật chất sinh vật. Trong quá trình chuyển hoá đó vi sinh vật có tác dụng làm cho Nitơ ở dạng thực vật không hấp thụ được tạo thành dạng thực vật có thể hấp thụ được dễ dàng. Tác dụng tuần hoàn của vi sinh vật đối với chu trình chuyển hoá Nitơ trong tự nhiên có thể tóm tắt trong bốn điểm sau: - Hợp chất Nitơ trong cơ thể sinh vật chủ yếu là protit, sau khi sinh vật chết, protit được vi sinh vật phân giải thành NH3. Quá trình này là quá trình amonium hoá. VSV phân giải P NH3 Thực vật không thể trực tiếp hấp thụ protit nhưng có thể hấp thụ amoniac sinh ra do tác dụng amon hoá và những muối amon hoà tan, NH3 và muối hoà tan lại được vi sinh vật oxy hoá thành nitrat gọi là quá trình nitrat hoá. 45
VSV oxy hoá + NH3, NH4 NO3 Nếu điều kiện thoáng khí không tốt, do tác dụng của vi khuẩn phản nitrat hoá, các muối nitrat trở về dạng nitrơ, amoniac hoặc nitơ phân tử làm tổn thất lớn về lượng nitrat trong đất, gọi là quá trình phản nitrat hoá. VSV phản Nitrat NO3 NO2, NH3, N2 Trong không khí nitơ phân tử có thể được vi sinh vật hấp thụ biến chuyển thành protit của chúng gọi là quá trình cố định nitơ phân tử N2 P a. Quá trình amon hoá Amon hoá hợp chất nitơ không phải là protit - Urê: là hợp chất nitơ chủ yếu trong nước tiểu của người và súc vật. Đó là nguồn nitơ quan trọng trong đất, đồng thời cũng là loại phân quan trọng trong nông nghiệp. urê được thực vật hấp thụ trực tiếp sau khi vào trong đất, vi sinh vật biến urê thành amoniac. NH2 urelaza CO + 2H2O (NH4)2CO3 NH2 2NH3 + CO2 + H2O Vi sinh vật có tác dụng amon hoá urê gọi là vi sinh vật urê. Vi sinh vật urê thường là hiếu khí hay kị khí tương đối thích hợp phát triển trong môi trường kiềm - Axit uric: là hợp chất nitơ trong nước tiểu của người và động vật. Khi vào đất trước hết axit uric dưới tác dụng thuỷ phân của vi sinh vật tạo ra axit tactronic và urê. NH – CO COOH CO – C - NH VSV CO + 4H2O 2CO(NH2)2 + CHOH NH – C – NH COOH Axit tactronic sinh ra biến hoá như những hợp chất hữu cơ không chứa nitơ, còn urê tiếp tục amon hoá. 46
- Kitin: là thành phần của màng tế bào sinh vật. Khi sinh vật chết đi, kitin bị vi sinh vật phân giải theo trình tự sau: VSV C8H30O11N2 + 4H2O 2C6H11O5NH2 + 3CH3COOH VSV C6H11O5NH2 + H2O C6H12O6 + NH3 Amon hoá protit Protit là thành phần cơ bản của chất sống. Khi sinh vật chết đi sự phân giải xác sinh vật chủ yếu là do tác dụng của amon hoá của vi sinh vật. Quá trình amon hoá protit trong xác sinh vật dưới tác dụng của vi sinh vật xảy ra như sau: Protit phức tạp protit đơn giản peptol peptit aminoaxit NH3 Những vi sinh vật có khả năng phân giải protit mạnh nhất là những trực khuẩn không sinh bào tử, hô hấp kị khí tương đối như: Bacterium vulgarid hay Bacterium proteus. Ngoài ra còn một số loài trong giống Bacillus: Bacillus mycoides, Bacillus megatherium: những trực khuẩn sinh bào tử, hô hấp hiếu khí. Một số giống loài cũng có tác dụng amon hoá protit như Mucor, Aspegillus. b. Qúa trình nitrat hoá NH3 sinh ra do tác dụng của nhóm amon hoá tiếp tục chuyển biến thành axit nitric. Bởi vậy hợp chất nitơ vô cơ trong đất chủ yếu tồn tại dưới trạng thái nitrat. Quá trình oxy hoá NH3 thành axit nitric gọi là quá trình nitrat hoá. Quá trình nitrat hoá chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Vi khuẩn nitrat hóa oxy hoá NH3 HNO2 (A. Nitric) Thông qua mấy bước trung gian: +H2O -2H -2H +H2O -2H NH3 NH4OH NH2OH HNO HN(OH)2 HNO2 Năng lượng sinh ra trong quá trình oxy hoá NH3 thành HNO2 chỉ có 6% được sử dụng vào tác dụng tổng hợp còn 94% không được sử dụng. Do vậy ta khẳng định rằng hiệu suất sử dụng năng lượng của loại vi khuẩn này rất thấp. Theo nghiên cứu gần đây nhất vi khuẩn nitơ chỉ có một giống là Nitrosomonas là loại vi khuẩn gram (-), đơn mao, hình cầu hoặc que ngắn không 47
sinh bào tử, hô hấp hiếu khí, thích hợp với pH trung tính hoặc kiềm, không sinh trưởng được trong môi trường đất chua. Giai đoạn 2 Vi khuẩn Nitrat hóa oxy hoá axit nitrit thành axit nitrat 2HNO2 + O2 2HNO3 + 48Kcalo Năng lượng sinh ra trong quá trình oxy hoá axit nitrit thành axit nitrat chỉ có 7% được sử dụng vào tác dụng tổng hợp. Qua đó ta thấy, hiệu suất sử dụng năng lượng của vi khuẩn này rất thấp. Vi khuẩn nitrat hóa có giống Nitrobacter: là loại vi khuẩn gram (-), đơn mao, hình cầu hoặc hình que ngắn, không sinh bào tử, hô hấp hiếu khí, thích nghi với pH trung tính hoặc kiềm, không sinh trưởng trong môi trường đất chua. Nó là loại vi khuẩn dinh dưỡng hoá năng. c. Quá trình phản nitrat hoá Phản Nitrat chỉ sự tổn thất của Nitrat trong đất và nước do tác dụng của vi sinh vật. Sự tổn thất này có thể chia làm 3 trường hợp: - Axit nitric khử thành axit nitrơ (HNO3 HNO2) gọi là tác dụng khử nitrat. - Axit nitric khử thành NH3 (HNO2 NH3) - Axit nitrat khử thành NH2(HNO3 N2) gọi là tác dụng khử Nitơ Qua đây cho ta thấy: Hai trường hợp trên chỉ sự là sự biến đổi trạng thái của hợp chất Nitơ vô cơ trong đất còn trường hợp thứ 3 làm mất lượng đạm cần thiết trong đất bởi vì từ HNO3 N2 (dạng Nitơ mà tuyệt đại bộ phận sinh vật không thể hấp thụ trực tiếp được). Vi khuẩn phản nitrat là loại vi khuẩn kị khí tương đối. Trong điều kiện thoáng khí, chúng lợi dụng oxy để hoàn lại tác dụng oxy hoá nhưng trong điều kiện không thoáng khí, chúng sử dụng oxy trong nitrat để hoàn lại tác dụng oxy hoá. Vi khuẩn phản nitrat thích hợp với pH: 7-8,2; là loại vi khuẩn gram (-), không sinh bào tử, là loại chu mao. d. Quá trình cố định nitơ phân tử Trong thực tế có một số vi sinh vật có thể trực tiếp hấp thụ nitơ trong không khí, thông qua hoạt động sống của nó khí Nitơ được chuyển biến thành hợp chất nitơ (protit và các sản phẩm thuỷ phân của protit). Tác dụng này gọi là tác dụng cố định Nitơ. Trong giới thực vật trên trái đất, phần lớn không có khả năng cố định Nitơ, chỉ có một số ít sống cộng sinh với vi khuẩn nốt sần mới có thể cố định Nitơ. Tuy vậy lượng Nitơ trong đất vẫn ngày một tăng. Qua nhiều thí nghiệm cho thấy tác dụng cố định Nitơ của vi sinh vật ảnh hưởng rất lớn đến lượng Nitơ 48
trong đất. Thực tế lượng Nitơ trong đất hầu như đều do tác dụng cố định Nitơ của vi sinh vật mà lượng Nitơ sinh ra lớn hơn lượng Nitơ mất đi. Có hai loại vi sinh vật cố định Nitơ: 1. Vi sinh vật cố định Nitơ không cộng sinh: a. Những vi khuẩn cố định Nitơ hiếu khí không sinh bào tử như: azotobacter b. Những vi khuẩn hình thoi sinh bào tử, hô hấp kị khí như Clostridium pasteurianum 2. Vi sinh vật cố định Nitơ cộng sinh Đại diện là Bacterium, Rhizobium, Radicicola chủ yếu là tác dụng cộng sinh giữa vi khuẩn nốt sần trong rễ các cây họ đậu. 2.Chu trình chuyển hoá cacbon trong tự nhiên Cácbon là nguyên tố không thể thiếu được trong cấu tạo các chất hữu cơ của sinh vật. Trong không khí CO2 là nguồn cacbon duy nhất của thực vật, thực vật hấp thụ cacbonic trong không khí tạo thành những hợp chất hữu cơ như gluxit, protit, lipit, nhờ năng lượng của ánh sáng mặt trời. Lượng CO2 trong không khí có hạn chỉ chiếm 0,003% trọng lượng không khí. Nếu CO2 không được bổ sung sẽ dẫn đến kết quả hết sức bi thảm hoạt động sống của con người và động vật bị đình chỉ. Nguồn cacbonic bổ sung vào trái đất không phải chỉ do sản phẩm của sự hô hấp mà do sự tham gia rất tích cực của vi sinh vật trong quá trình lên men. Kết quả quá trình hô hấp lên men của vi sinh vật đã vô cơ hoá và phân giải các hợp chất hữu cơ, biến cacbon trong hợp chất hữu cơ thành CO2 và toả ra năng lượng rất lớn. Chính lượng CO2 tạo thành trong quá trình hô hấp và lên men đã bổ sung vào trái đất tạo nên vòng tuần hoàn cacbon được khép kín cụ thể là: Giai đoạn 1 của quá trình phân giải glucose. Quá trình lên men của rượu etylic Quá trình lên men của Lactic Quá trình lên men của Butyric Quá trình lên men của cellulose a. Giai đoạn 1 của quá trình phân giải glucose Glucose là thành phần quan trọng của hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ trong thực vật như Maltose cấu tạo bởi 2 glucose: saccharose và Lactose cấu tạo bởi phân tử glucose. 49
Fructose là thể biến đổi của glucose. Qua đây chúng ta thấy phấn lớn những chất hữu cơ trong cơ thể thực vật là do glucose kết hợp mà thành. Vì vậy người ta dùng glucose làm đối tượng chủ yếu nghiên cứu tác dụng của vi sinh vật đối với quá trình chuyển hoá cacbon. Phản ứng phân giải glucose ở giai đoạn 1 xảy ra như sau: axit pyruvic C6H12O6 2CH3 – CO – COOH + 4H Muốn có kết quả trên thì sự phân giải glucose ở giai đoạn 1 phải trải qua những bước trung gian rất phức tạp nhờ sự thúc đẩy của những men xúc tác nhất định. Sau khi sinh ra axit Pyruvic, quá trình lên men chưa phải chấm dứt mà sản phẩm lên men còn tiếp tục phân giải, nhưng quá trình phân giải ở những bước sau đối với từng loại vi sinh vật mà thay đổi. b. Quá trình lên men rượu Etylic Quá trình lên men rượu Etylic là quá trình phân giải yếm khí các hợp chất đường, tinh bột dưới tác dụng của vi sinh vật để hình thành rượu Etylic + CO2+ Q a. Điều kiện của quá trình lên men * Nguyên liệu: - Chủ yếu là hydratcacbon, tốt nhất là đường Saccharose, Maltose, Lactose. - Tinh bột và dịch thuỷ phân gỗ - Một số chất chứa đạm, muối khoáng đặc biệt là hợp chất chứa photpho. * Vi sinh vật tham gia: - Loại nấm lên men lớp trên: Saccharomyces cerevicia, dùng để chế rượu bia và làm bánh mì, là loại nấm men ưa dưỡng khí hình thành màng trên mặt 0 môi trường và thải nhiều CO2, phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 14-24 C. - Loại nấm len men lớp dưới: Saccharomyces vini, loại này lên men tương đối chậm, phát triển tốt ở 4-100C. * Nồng độ men: - Giai đoạn trước lúc lên men: Tế bào men làm quen với môi trường, nếu môi trường thích hợp bào tử nấm men phát triển thành tế bào dinh dưỡng nó thực hiện các phản ứng sinh hoá trong cơ thể đồng thời tiết ra hàng loạt men để tiến hành lên men rượu, lúc này một lượng rượu nhỏ được sinh ra. - Giai đoạn lên men chính: Men bắt đầu phát huy tác dụng, thực hiện quá trình lên men rượu nhanh, đầy đủ và toàn vẹn nhất, lượng rượu sinh ra nhiều chất. 50
- Giai đoạn sau khi lên men: Nguyên liệu đã sử dụng hết. Một phần lượng rượu sinh ra bắt đầu bị oxy hoá thành axit đồng thời một số sản phẩm khác do quá trình đồng hoá dị hoá của vi sinh vật tích luỹ trong môi trường phát huy tác dụng. Do vậy nếu kéo dài quá trình lên men rượu bị phá huỷ, rượu hình thành axit dưới tác dụng của vi sinh vật. Ứng dụng - Sản xuất rượu cồn, bia, làm bánh mì, lên men thức ăn cho gia súc. c. Quá trình lên men Lactic Nguyên lý vi sinh vật của sự lên men Năm 1857, Pasteur khi nghiên cứu sự hoá chua của rượu nho mới thấy rõ bản chất vi sinh vật học của sự lên men lactic tức: khi có một số vi sinh vật nào đó tồn tại (cụ thể là vi khuẩn lactic) mới có sự len men. Nếu không có phương pháp khống chế một số vi sinh vật này thì không có sự lên men. Nguyên liệu: - Các nguồn đuờng. - Nguồn dinh dưỡng đạm, sinh tố. Quá trình lên men: - Lên men Lactic đồng hình Nguyên liệu chính là đường Glucose dưới tác dụng của vi sinh vật, quá trình lên men Lactic chính tạo thành 2 phân tử axit lactic. C6H1206 CH3 - CO - COOH CH3 - CHOH - COOH a.pyruvic a.lactic Trong quá trình này, axit pyruvic là chất nhận H cuối cùng. Vi khuẩn tham gia lên men là giống Streptococcus lactic thường gặp trong sữa bò và chế phẩm của sữa. Về hình dạng: Chúng là những liên cầu khuẩn không di động, nhuộm màu gram (+), kị khí, thuộc loại dinh dưỡng Nitơ hữu cơ phức tạp và những nhân tố sinh trưởng. Ngoài ra còn có một số loài trong giống trực khuẩn lactic. Lactobacterium delbruku, L.Bulgaricum cũng có khả năng lên men lactic điển hình, chúng có nhiều trong sữa bò, chế phẩm của sữa, dưa chua và thức ăn xanh ủ cho gia súc - Lên men lactic dị hình Lên men lactic phụ ngoài việc tạo thành axit lactic nó còn sinh ra một số sản phẩm phụ như glycerin, a. acetic, Etylic, CO2 51
C6H1206 CH20H - CHOH - CH20H CH3 - CO - COOH glycerin -CO2 CH3 - CHO - CH3 -CHOH-COOH lactic CH3COOH CH3CH2OH a.acetic rượu etylic Vi khuẩn tham gia lên men lactic phụ là một số loài trong giống trực khuẩn lactic như Lactobacterium bravis, L.Buchnevi. Quá trình lên men lactic dị hình được biểu thị bằng sơ đồ trên: Tóm tắt quá trình lên men rượu etylic và axit lactic trong sơ đồ sau: C6H1206 CH2O(H2PO3)CHOH - CHOH CH2O(H2PO3)CHOH - CHO Phosphodioxyacetol Phosphoglyceraldehyd CH2O(H2PO3)CHOH - CH2OH CH2O(H2PO3)CHOH – COOH Glycerin - CO3 Axitphosphoglyceric lên men lactic phụ + H2 CH3 - CO – COOH CH3 - CHO CH3 - CHOH –COOH CH3 - CH2OH Lên men rượu etylic Lên men lactic chính Nguyên tắc muối dưa và ủ thức ăn xanh trên cơ bản là giống nhau. Vi khuẩn lactic không phá hoại tổ chức tế bào của rau cỏ đồng thời loại vi khuẩn này cũng không phá hoại nguyên sinh chất của rau cỏ. Vi khuẩn lactic dùng những chất rút ra từ rau cỏ làm thức ăn và chúng làm cho rau cỏ không bị thối. Ngượi lại, Vi khuẩn gây thối phá hoại tổ chức tế bào của rau cỏ, phá hoại cấu tạo nguyên sinh chất của rau cỏ làm cho rau cỏ bị thối. 52
Trong quá trình muói dưa và ủ thức ăn xanh cho gia súc ta cần lưu ý: vi khuẩn lactic là vi khuẩn kị khí nên phải đảm bảo điều kiện kị khí. Trong vi khuẩn gây thối kị khí có vi khuẩn lên men butyric, mùi thối của dưa và thức ăn xanh chính là mùi của axit butyric và rượu butyric còn trong dưa muôí và thức ăn xanh ủ chua tốt tức là sự phát triển của vi khuẩn lactic vượt trước sự phát triển của các vi khuẩn khác. Ứng dụng Trong đời sống: Muối dưa, sản xuất sữa chua, kem chua, bảo quản thực phẩm, chế biến thực phẩm. Trong nông nghiệp: Chế biến thức ăn cho gia súc, cá. Trong công nghiệp: ứng dụng trong công nghiệp nhuộm và thuộc da. d. Quá trình lên men butyric Nguyên liệu: - Dịch thuỷ phân gỗ - Tinh bột đường Vi sinh vật tham gia Gồm hai loài: trong giống Clostridium Clostridium pasteuranum: những trực khuẩn di động dài 3-12µm, có hình nha bào 0,8-1,6µm, lúc hình thành nha bào cơ thể hình thoi hoặc hình trứng. Clostridium butyricum: trực khuẩn có nha bào sống đơn độc hay thành chuỗi. Quá trình lên men Butyric Trong quá trình lên men, các loài vi sinh vật trên phân giải đường tạo nên các axit béo, CO2, H2O C6H1206 CH3 - CH2 - CH2 - COOH + CO2 + H2O + Q Trong thực tế ngoài các sản phẩn nêu trên còn sinh ra các sản phẩm phụ như rượu etylic acetol, a.acetic, a.lactic, a.succinic, a.foormic. Ứng dụng Có nhiều ứng dụng trong công nghiệp như: công nghiệp nhuộm, pha chế sơn, pha chế thuốc nổ. Quan trọng nhất là công nghiệp sản xuất acetol, quá trình sản xuất acetol xảy ra theo sơ đồ sau: CH3 -CHO +CH3-CHO CH3 -CO -CH2 -CHO CH3 -CO -CH2 -CHO +O2 CH3 -CO -CH2 -COOH (A. acetolbutyric) -CO2 53
CH3 -CO -CH2 -COOH CH3 -CO -CH3 (Acetol) Quá trình lên men Butyric được biểu thị bằng sơ đồ sau: C6H1206 CH3 - CO – COOH CH3 - CHO CH3 -CH2OH +H2O -2H aldolhoá CH3 - COOH CH3 - CO - CH2 - COOH CH3 - CH2 - CHOH - CHO -CO2 CH3 - CO - CH3 CH3-CH2-CH2-COOH CH3-CH2-CH2-CH2OH Acetol A.butyric Rượu butyric 4. Chu trình chuyển hoá các chất khoáng Trong quá trình trao đổi chất để xây dựng cơ thể của mình, thực vật không những chỉ cần cacbon, nitơ mà còn cần các nguyên tố khoáng như phốtpho, kali, lưu huỳnh, sắt Sự chuyển hoá các nguyên tố này trong giới tự nhiên do một số vi khuẩn gây nên, chúng góp phần quan trọng trong quá trình dinh dưỡng của cây trồng. a. Quá trình chuyển hoá của lưu huỳnh Có nhiều trong sông, ao, hồ, chúng tham gia vào quá trình oxy hoá H2S thành những giọt S tích luỹ trong cơ thể, sau đó oxy hoá S thành H2SO4. 2H2S + O2 2H2O + S2 + 125 calo S2 + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 + 294calo Vi khuẩn lưu huỳnh: - Vi khuẩn lưu huỳnh có màu: dụng năng lượng của ánh sáng mặt trời Đại diện: Chromatium, Chlorobium. Vi khuẩn sulfuaric * Vi khuẩn sulfat hoá: là những vi khuẩn nhuộm màu gram (-), chúng thuộc nhóm trực khuẩn không sinh bào tử, dinh dưỡng hoá năng có khả năng 54
oxy hoá S, H2S, Na2S2O3, Na2S4O6 thành axit sulfuaric. Chúng không tích luỹ lưu huỳnh trong cơ thể mà những giọt lưu huỳnh được tích luỹ ngoài tế bào. Na2S2O3 + 2O2 + H2O Na2SO4 + H2SO4 + Q H2SO4 tác dụng với các muối khó tan trong môi trường như: CaCO3, Ca3(PO4)2 tạo thành sulfat cung cấp cho nhu cầu cần thiết của thực vật. CaCO3 + H2SO4 ` CaSO4 + H2CO3 CO2 + H2O Ca3(PO4)2 + H2SO4 2CaHPO4 + CaSO4 Vi khuẩn sulfat hoá có hai giống: - Sulfomonas: có tiên mao dài ở đầu - Thiobacterium: có tiên mao mọc khắp cơ thể * Vi khuẩn phản sulfat hoá Là những vi khuẩn có khả năng khử sulfat thành H2S gọi là quá trình phản sulfat hoá. Đại diện cho vi khuẩn phản sulfat hoá là: Spirillium desulfuricans. Quá trình phản sulfat xảy ra gần tương tự quá trình phản nitrat hoá. Quá trình phản sulfat hoá xảy ra như sau: H2SO4 H2SO3 H2SO2 H2SO H2S Như vậy ta thấy, oxy trong SO tách dần hoá hợp với hydro tạo thành + H2O, còn lưu huỳnh khác nitơ vì không có trạng thái tự do mà nó kết hợp với H để tạo thành H2S. Quá trình phản sulfat hoá gặp nhiều trong tự nhiên. H2S là chất độc, nồng độ H2S trong ao quá lớn ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của cá. Nên khi thấy cá nổi đầu hoặc sống một cách thoi thóp ta phải kiểm nghiệm nồng độ H2S để có phương pháp phòng trừ tốt nhất là tạo điều kiện môi trường phù hợp cho vi khuẩn sulfat hoá hoạt động tốt, chúng sẽ oxy hoá H2S thành sulfat cung cấp cho thuỷ sinh vật. b. Quá trình chuyển hoá phospho Phospho là một trong ba nguyên tố quan trọng của thực vật. Phospho hữu hiệu trong đất nói chung có thể làm thoả mãn nhu cầu cần thiết cho cây trồng. Trong đất phospho tồn tại ba dạng: - Hợp chất hữu cơ trong xác động thực vật - Hợp chất vô cơ không hoà tan - Hợp chất vô cơ hoà tan 55
Hợp chất phospho hữu cơ Hợp chất này có nhiều trong đất, chủ yếu là a.nucleic, hạt protit. Các hợp chất này không được thực vật sử dụng trực tiếp mà phải nhờ vi sinh vật phân giải tạo thành những chất đơn giản như muối phosphat giúp cây trồng hấp thụ được một cách dễ dàng. Vi sinh vật tham gia vào quá trình này đại diện là: - Bacillus cerius - Bacillus mycoides Hợp chất vô cơ không hoà tan Hợp chất P vô cơ không hoà tan chủ yếu tồn tại dưới dạng Ca3(PO4)2, tồn tại nhiều trong đất và nước, chỉ hoà tan khi có tác dụng của vi khuẩn nitrat hoá sinh ra HNO3 và vi khuẩn sulfat hoá trong quá trình sulfat hoá sinh ra H2SO4. Từ hai loại axit trên nó sẽ tham gia phản ứng hoà tan các hợp chất phospho vô cơ không hoà tan. Ca3(PO4)2 + H2SO4 2CaHPO4 + CaSO4 Ca3(PO4)2 + 2HNO3 2CaHPO4 + Ca(NO3)2 Ca3(PO4)2 + 4HNO3 2Ca(H2PO4)2 + 2Ca(NO3)2 Chú ý: Trong nghề nuôi cá, khi bón phân xuống ao nuôi, phân phosphat tác dụng chậm hơn phân đạm vì đại bộ phận phân phosphat bị bùn ao và chất lơ lửng kéo xuống đáy ao trở thành dạng khó tan. Vì vậy, khi bón phân xuống ao cá phải bón đầy đủ, bón nhiều lần mỗi lần ít lượng, bón thường xuyên. Vi sinh vật tham gia vào quá trình này đại diện là: - Bacillus megathirium - Bacillus mycoides - Bacillus cereus c. Quá trình chuyển hoá sắt Sắt luôn có mặt trong có thể sinh vật, trong quá trình dinh dưỡng của sinh vật nó có tác dụng rất lớn. Khi sinh vật chết đi có rất nhiều vi sinh vật sống trong đất tham gia quá trình phân giải những xác sinh vật này, sắt thoát ra dưới dạng Fe++, đồng thời Fe++ bị một số vi sinh vật oxy hoá tạo thành Fe+++. Fe2+ Fe3+ + e Fe3+ sau khi tạo thành sẽ kết hợp với các hợp chất khác tạo thành silicat sắt và phosphat sắt là những chất mà cây cối dễ dàng hấp thụ. 56
Vi khuẩn sắt phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, trong ao, hồ, biển, ruộng sông ngòi. Những vùng nước có nhiều sắt, nước đó có màu đỏ. Vi khuẩn sắt là vi khuẩn hô hấp kị khí tương đối, đa số là dinh dưỡng hoá năng, một số ít dinh dưỡng quang năng. Trong điều kiện có oxy tự do của không khí nó sẽ oxy hoá Fe2+ thành Fe3+ Ngược lại nếu thiếu oxy tự do của không khí nó sẽ khử Fe3+ thành Fe2+ Trong quá trình oxy hoá Fe2+ thành Fe3+ tiêu hao một lượng oxy tương 2+ 3+ đối lớn. Cứ oxy hoá 1mg Fe thành Fe , tiêu hao 0,2mg O2. Vì vậy, nếu sắt có nhiều trong ao, hồ là một trở ngại lớn đến hô hấp của cá và thuỷ sinh vật. Câu hỏi ôn tập chương III Câu 1: Nêu qúa trình dinh dưỡng cacbon của vi sinh vật? Câu 2: Nêu quá trình dinh dưỡng nitơ của vi sinh vật? Câu 3: Nêu quá trình hô hấp của vi sinh vật? 57
CHƯƠNG IV. VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN I. HOẠT ĐỘNG CÓ LỢI CỦA VI SINH VẬT 1. Tham gia phân giải chất hữu cơ trong thủy vực Trong các thủy vực, nhóm vi khuẩn gây thối lớn nhất là Pseudomonas và nấm, chúng có thể sử dụng các chất có protein làm thức ăn. Quá trình thủy phân được thực hiện nhờ các enzim ngoại bào. Các oligopeptit và các polypeptit mà tế bào vi sinh vật hấp thu từ quá trình thủy phân sau đó lại bị phân hủy thành các axit amin nhờ các peptidaza. Các axit amin này hoặc được sử dụng vào việc xây dựng nên các protein của tế bào vi sinh vật hoặc bị khử amin giải phóng amoniac (NH3). Trong thủy vực vi sinh vật tham gia vào phân giải các chất hữu cơ như ure, đường , tinh bột, xellulose, 2. Tham gia các vòng tuần hoàn vật chất trong thuỷ vực Đa số vi sinh vật trong nước là những cơ thể dị dưỡng. Chỉ có một nhóm nhỏ vi khuẩn quang tự dưỡng và hóa tự dưỡng là có thể tự tạo ra chất hữu cơ nên sự tham gia của chúng vào việc tạo ra chất hữu cơ trong thủy vực rất nhỏ. Vi khuẩn dị dưỡng và nấm cần chất hữu cơ để làm thức ăn. Những chất này được vi sinh vật sử dụng để thu nhận các tiền chất cho việc xây dựng nên các chất trong tế bào cũng như thu nhận năng lượng cho quá trình sống của chúng. Khi đó các vật chất hữu cơ được biến đổi thành các chất nghèo năng lượng và cuối cùng trong những điều kiện phù hợp thì chuyển hóa ngược trở lại thành các chất vô cơ ban đầu. Việc tái vô cơ các chất hữa cơ chính là chức năng chủ yếu của vi sinh vật trong việc biến đổi vật chất trong thủy vực. Nhờ vậy mà các chất dinh dưỡng được đưa vào vòng tuần hoàn chất tạo nên sự sinh trưởng của sinh vật trong thủy vực. Tuy nhiên tốc độ phân hủy các chất hữu cơ của vi sinh vật tùy thuộc vào thành phần của chúng và điều kiện môi trường chẳng hạn như sự phân hủy chất hữu cơ thường diễn ra rất nhanh ở vùng gần bề mặt của thuỷ vực vào mùa hè. Trong khi ở các hồ sâu và nhiệt độ thấp thì sự phân hủy diễn ra rất chậm. - Vòng tuần hoàn cac bon - Vòng tuần hoàn oxy - Vòng tuần hoàn lưu huỳnh - Vòng tuần hoàn nitơ - Vòng tuần hoàn photpho - Vòng tuần hoàn sắt 58
3. Vai trò của vi sinh vật trong chuỗi dinh dưỡng của thuỷ vực Vai trò của vi sinh vật trong các vòng tuần hoàn đã nói lên ý nghĩa của chúng trong các hệ sinh thái của thuỷ vực. Vi sinh vật thuộc về các hợp phần cơ bản của gần như toàn bộ các hệ sinh thái. Các chuỗi dinh dưỡng chiếm vị trí quan trọng trong các hệ sinh thái tự nhiên của thủy vực. Trong tất các các thủy vực, vi sinh vật có những chức năng quan trọng trong chuỗi dinh dưỡng. Chúng hấp thu các chất hữu cơ hòa tan phần lớn là do các sinh vật sơ cấp tức là các sinh vật nội địa thải vào nước. Ngoài ra còn có các chất có nguồn gốc từ động vật và từ nước hoặc từ đất của các thuỷ vực nội địa và từ bờ biển. Các chất này được vi sinh vật chuyển hoá rất nhanh thành dạng hạt và phần lớn được các động vât khác tiêu hoá, nhờ đó chúng xâm nhập được vào chuỗi dinh dưỡng. 4. Tham gia vào sự lắng cặn Vi sinh vật có những ảnh hưởng nhất định đến sự tạo thành các chất sa lắng trong thủy vực. Do vi sinh vật thường sống trong các chất phù du có bản chất vô cơ hay hữu cơ nên chúng có thể làm thay đổi kích thước và hình dạng của các chất này dẫn đến làm thay đổi tốc độ sa lắng cũng như sự tích tụ các hạt sa lắng trong thủy vực. Do sự trú ngụ của vi sinh vật mà các hạt phù du có thể bị phá hủy từng phần hoặc hoàn toàn thông qua việc chúng được vi sinh vật sử dụng làm thức ăn hoặc tan vào dung dịch qua các phản ứng vô cơ. Sự bám của vi sinh vật thường làm tăng kích thước của các hạt sa lắng. Vi sinh vật cũng có tác dụng hợp nhất nhiều hạt nhỏ lại thành hạt lớn. Chẳng hạn như trường hợp ở nấm nhờ rễ giả hoặc sợi nấm có thể giữ được nhiều hạt và cuối cùng liên kết chúng lại với nhau. Tác dụng tương tự ở nhóm vi khuẩn có tiên mao và khuẩn mao có khả năng gây ra sự kết đám các hạt cực nhỏ. Các vi sinh vật này có vai trò quan trọng trong sự kiến tạo nền đáy của các thủy vực. II. SẢN XUẤT PHÂN VI SINH Hiện nay do kết quả nghiên cứu về nghề cá, cho ta thấy rằng sự biến hoá sinh vật lượng của vi sinh vật khi bón các loại phân khác nhau đã chứng minh ý nghĩa lớn lao của thức ăn vi sinh vật đối với các loài cá ăn sinh vật. Khi chúng ta bón tổng hợp đồng thời các loại phân vô cơ và hữu cơ xuống ao nuôi cá đã làm cho sinh vật phát triển có tác dụng điều chỉnh oxy trong thuỷ vực bởi vì: - Phân vơ cơ bón vào làm thực vật phù du phát triển mạnh mẽ dần tới quá bão hoà về oxy. Khi thấy hiện tượng quá bão hoà về oxy, chúng ta bón phân xanh vào thuỷ vực dẫn đến vi sinh vật phát triển mạnh mẽ, do quá trình hô hấp của vi sinh vật làm cho hàm lượng oxy giảm xuống. 59