Bài giảng Vi sinh vật - Trần Thị Xuân An

Nội dung text: Bài giảng Vi sinh vật - Trần Thị Xuân An

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ DỰ ÁN HỢP TÁC VIỆT NAM – HÀ LAN BÀI GIẢNG VI SINH VẬT Người biên soạn: ThS. Trần Thị Xuân An Huế, 08/2009
2. BÀI 1. MỞ ĐẦU I. Đặc điểm chung của vi sinh vật: Vi sinh vật (Microorganisms) là tên chung để chỉ tất cả các sinh vật có kích thước nhỏ bé, muốn thấy rõ được người ta phải sử dụng tới kính hiển vi. Vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm khác nhau: virut, vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc, vi khuẩn lam và một số tảo. Trong đó virut (virus) là nhóm vi sinh vật đặc biệt, chúng nhỏ bé tới mức chỉ có thể quan sát được qua kính hiển vi điện tử. Virut chưa có cả cấu trúc tế bào. Vi sinh vật không phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới, chúng thuộc về nhiều giới sinh vật khác nhau. Giữa các nhóm có thể không có quan hệ mật thiết với nhau. Chúng có một số đặc điểm chung như sau: - Kích thước nhỏ bé. - Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh. - Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh. - Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị. - Phân bố rộng, chủng loại nhiều. II. Đối tượng và nhiệm vụ của Vi sinh vật học: Vi sinh vật học (Microbiology) là khoa học nghiên cứu về vi sinh vật. Vi sinh vật học có thể được phân chia thành nhiều lĩnh vực khác nhau tuỳ theo đối tượng nghiên cứu, tuỳ theo tính chất của ngành khoa học hoặc tuỳ theo hướng ứng dụng. Tuỳ theo đối tượng nghiên cứu vi sinh vật học đã hình thành các chuyên khoa: Virut học (Virology), Vi khuẩn học (Bacteriology), Nấm học (Mycology), Tảo học (Algology) Tuỳ theo hướng ứng dụng đã hình thành các lĩnh vực như: vi sinh vật học nông nghiệp, vi sinh vật học công nghiệp, y vi sinh vật học, thú y vi sinh vật học, vi sinh vật học nước, vi sinh vật học không khí, vi sinh vật học phóng xạ, địa vi sinh vật học, vi sinh vật học vũ trụ Ngay trong vi sinh vật học nông nghiệp cũng có nhiều chuyên ngành khác nhau như: vi sinh vật trồng trọt, vi sinh vật đất, vi sinh vật trong bảo vệ thực vật, vi sinh vật chăn nuôi, vi sinh vật thuỷ sản, vi sinh vật học lâm nghiệp, vi sinh vật học lương thực, thực phẩm Tuỳ theo tính chất của ngành khoa học cũng hình thành các chuyên khoa như: tế bào học vi sinh vật, sinh lý học vi sinh vật, di truyền học vi sinh vật Mỗi một lĩnh vực đều có đối tượng cụ thể riêng cần đi sâu, tuy nhiên trong lĩnh vực nông nghiệp nhiệm vụ của vi sinh vật học như sau: - Nghiên cứu các đặc điểm cơ bản về hình thái, cấu tạo, sinh lý, sinh hoá, di truyền của các nhóm vi sinh vật thường gặp trong tự nhiên để tìm hiểu các quy luật 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 và trong nông nghiệp, tìm cách khai thác một cách triệt để các tác động tích 1
3. 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, xây dựng cơ sở cho việc tìm kiếm các kỹ thuật nuôi trồng có lợi nhất đối với hoạt động của vi sinh vật nhằm nâng cao không ngừng sản lượng và phẩm chất hàng hoá nông nghiệp. III. Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên và trong nền kinh tế quốc dân: Trong thiên nhiên, vi sinh vật giữ những mắt xích trọng yếu trong sự chu chuyển liên tục và bất diệt của vật chất. Vi sinh vật còn là những nhân tố quan trọng tham gia vào việc giữ gìn tính bền vững các hệ sinh thái trong tự nhiên. Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc phân giải các phế thải nông nghiệp, phế thải đô thị, phế thải công nghiệp, do đó nó có vai trò hết sức quan trọng trong việc bảo vệ môi trường. Vi sinh vật có vai trò quan trọng trong ngành năng lượng. Trong các nguồn năng lượng mà con người hy vọng sẽ khai thác mạnh mẽ trong tương lai có năng lượng thu được từ sinh khối (biomass) – khối lượng chất sống của sinh vật. Thực vật và một số vi sinh vật có thể tạo ra chất hữu cơ từ CO2 và nước. Hàng năm có khoảng 60 – 70 tỷ tấn gỗ củi được sinh ra trên trái đất. Bên cạnh việc đun nấu trực tiếp gỗ củi còn có thể sử dụng vi sinh vật và các enzim do chúng sinh ra để chuyển hoá sinh khối thành cồn và dùng cồn làm nhiên liệu (dùng riêng rẽ hay phối trộn với xăng). Vi sinh vật là động lực để vận hành các bể khí sinh học (biogas), trong khí sinh học có 50 – 85% là khí CH4 và 15 – 50% là khí CO2. Từ 1 tấn phân chuồng đưa vào lên men có thể làm sản sinh ra 70 – 73m3 khí sinh học, cho năng lượng tương đương với 45 l xăng. Vi sinh vật là lực lượng sản xuất trực tiếp của ngành công nghiệp lên men. Do vi sinh vật có các kiểu trao đổi chất phong phú, có khả năng trao đổi chất mạnh mẽ nên tạo ra nhiều sản phẩm trao đổi chất rất khác nhau. Nhiều sản phẩm được sản xuất ở quy mô công nghiệp. Trong công nghiệp tuyển khoáng nhiều vi sinh vật đã được sử dụng để hoà tan các kim loại quý từ quặng nghèo hoặc từ các bãi chứa xỉ quặng. Đối với sản xuất nông nghiệp, vi sinh vật có vai trò rất to lớn: - Vi sinh vật sống trong đất và nước tham gia tích cực vào quá trình phân giải xác hữu cơ, biến chúng thành CO2 và các hợp chất vô cơ dùng làm thức ăn cho cây trồng. - Các vi sinh vật cố định nitơ biến khí nitơ (N2) trong không khí thành hợp + chất nitơ (NH3, NH4 ) cung cấp cho cây trồng. - Vi sinh vật có khả năng phân giải các hợp chất khó tan chứa P, K, S và tạo ra vòng tuần hoàn trong tự nhiên. - Vi sinh vật còn tham gia vào quá trình hình thành mùn trong đất, đây là kho dự trữ thức ăn cho cây trồng và là yếu tố kết dính để tạo ra cấu tượng của đất. Đất 2
4. có cấu tượng là đất có đủ điều kiện thích hợp về độ ẩm, về không khí, về chất hữu cơ đối với cây trồng. - Vi sinh vật sản sinh ra nhiều chất hoạt động sinh học (các axit amin, enzim, chất kháng sinh, các độc tố, ). Các chất này tích luỹ trong vùng rễ cây trồng làm tăng cường sự phát triển của loài cây phù hợp với khu hệ vi sinh vật này và làm hạn chế sự phát triển của loài cây khác. - Vi sinh vật giúp cây trồng tiêu thụ các sản phẩm trao đổi chất do cây tiết ra xung quanh bộ rễ, hạn chế sự đầu độc trở lại đối với cây trồng. - Vi sinh vật còn giúp cho một số vật nuôi như trâu, bò, lợn, gà, tôm, cá, đồng hoá các chất dinh dưỡng và thải loại các chất cặn bã trong quá trình sống. Tuy nhiên cũng có không ít các vi sinh vật có hại. Chúng gây bệnh cho người, cây trồng, cây rừng, gia súc, gia cầm, tôm, cá. Chúng làm hư hỏng lương thực, thực phẩm, nguyên vật liệu, hàng hoá. IV. Lịch sử phát triển Vi sinh vật học: 1. Giai đoạn trước khi có kính hiển vi ( khoảng trước thế kỷ XV): Trong giai đoạn này mặc dù chưa nhận thức được sự có mặt của vi sinh vật nhưng con người đã biết khá nhiều về các tác dụng của vi sinh vật và đã tận dụng một cách có ý thức những quy luật tác dụng của vi sinh vật. Từ thời thượng cổ con người đã biết ủ phân, trồng xen cây họ đậu với các loại cây trồng khác, biết ủ men, nấu rượu, muối dưa, làm giấm, làm tương, làm mắm, ướp thịt, cá, biết ngâm đay, gai, 2. Giai đoạn sau khi phát minh ra kính hiển vi: Người có công phát hiện ra thế giới vi sinh vật và cũng là người đầu tiên mô tả hình thái vi sinh vật là Antonie van Leeuwenhoek (1632 – 1723). Ông đã tự chế tạo ra trên 400 chiếc kính hiển vi, trong đó có cái phóng đại được 270 lần. Với kính hiển vi tự chế tạo ông đã quan sát mọi thứ xung quanh mình. Năm 1674 ông quan sát thấy động vật nguyên sinh, 1685 quan sát thấy vi khuẩn. Tất cả các quan sát và mô tả của ông được in thành một bộ sách có nhan đề “Những bí mật của giới tự nhiên nhìn qua kính hiển vi” xuất bản năm 1695. Tuy nhiên 150 năm sau, vi sinh vật mới được chú ý. Nhà phân loại học Linnê đã đem tất cả các loài vi sinh vật xếp chung thành 1 nhóm gọi là Chaos. Đến năm 20 của thế kỷ thứ XIX nhiều loại vi sinh vật mới được phát hiện, lúc này con người mới nhận thức được tác động của vi sinh vật trong một số bệnh và chúng được một số nhà phân loại học chú ý. Nhìn chung trong thời kỳ này các nhà nghiên cứu mới chỉ chú ý đến việc quan sát và mô tả hình thái vi sinh vật. 3. Giai đoạn hình thành khoa học vi sinh vật: Đến thế kỷ XIX, cùng với sự phát triển của chủ nghĩa tư bản, các ngành khoa học nói chung và ngành vi sinh vật học nói riêng phát triển mạnh mẽ. Các nhà khoa học đã tiến hành quan sát và nghiên cứu một số vi sinh vật gây bệnh và sáng tạo ra một số phương pháp mới nghiên cứu vi sinh vật. Người có nhiều đóng góp cho sự phát triển khoa học vi sinh vật là nhà khoa học người Pháp Louis Pasteur (1822 – 3
5. 1895), các công trình nghiên cứu của ông có giá trị cả về lý thuyết cũng như thực tiễn. Về công nghiệp, ông đã đề ra các cơ sở hợp lý, vững chắc cho các quá trình lên men. Về nông nghiệp, lý luận của ông cùng với sự phát triển của T. Schloesing, H.Hellriegel, S.N. Vinogradskii đã vạch ra cho các nhà nông học những ánh sáng mới về các nhiệm vụ và phương pháp cơ bản. Cùng thời với Pastuer, nhà bác học Kock (1842 – 1910) người Đức cũng có nhiều cống hiến lớn trong việc phát triển của vi sinh vật học. Ngoài ra các nhà bác học Nga như Mesnhicốp (1845 – 1916), Ivanôpxki (1864 – 1920) cũng có nhiều công trình nghiên cứu về vi sinh vật có kết quả. Có thể nói rằng: trong giai đoạn này vi sinh vật học đã được các nhà nghiên cứu trên thế giới đặc biệt quan tâm, có nhiều công trình nổi tiếng góp phần đưa vi sinh vật học thành một ngành khoa học hoàn chỉnh và được phân hoá thành nhiều chuyên ngành khác nhau. 4. Giai đoạn hiện tại: Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành khoa học chính xác và sự ra đời của hàng loạt các phương tiện nghiên cứu mới đã đưa đến những tiến bộ có tính chất nhảy vọt trong sinh học nói chung và trong vi sinh vật học nói riêng. Từ địa vị một ngành khoa học ứng dụng, vi sinh vật học đã trở thành một ngành khoa học cơ bản có nhiều đóng góp to lớn đối với sự phát triển chung của khoa học cũng như nền kinh tế quốc dân. 4
6. BÀI 2. VIRUT HỌC Virut là phần tử rất nhỏ, có đặc trưng của sự sống, đại diện cho vật chất sống thấp nhất trong thế giới vi sinh vật. Đặc điểm chung của Virut: - Có kích thước vô cùng nhỏ bé, từ hàng chục đến hàng trăm nm. - Không có cấu tạo tế bào, chỉ là vật chất sống đơn giản chứa 1 loại axit nucleic (ADN/ARN), được bao bọc bằng một lớp protein. - Sống ký sinh nội bào một cách tuyệt đối, tách khỏi tế bào chủ virut không tồn tại được (do virut không có trao đổi chất, không có enzim hô hấp và en zim chuyển hoá). - Không sinh sản trong môi trường dinh dưỡng bình thường. - Có khả năng tạo thành tinh thể. Virut là tên chung chỉ loài vi sinh vật gây bệnh. Tuỳ từng lúc, tuỳ từng giai đoạn, chức năng của chúng mà virut có thể chia ra: Vrion (hạt virus). Vegitative virus (virus dinh dưỡng) . Viroit (sợi virus.) Virut thiếu hụt (defective virus). Giả Virut (Pseudovirion). I. Hình thái, kích thước của virut: Virut chưa có cấu tạo tế bào, mỗi virut không thể gọi là một tế bào mà được gọi là hạt virut hay virion. Đây là một virut có cấu trúc hoàn chỉnh. Virut có các hình thái sau: - Hình cầu: phần lớn các virut gây bệnh cho người và động vật có dạng này. Ví dụ: virut cúm, quai bị, ung thư ở người và động vật. Dạng này có kích thước 100 – 150 nm. - Hình que: gồm hầu hết các virut gây bệnh cho thực vật như virut đốm thuốc lá, virut đốm khoai tây Dạng này có kích thước 15 x 250 nm. - Hình khối: gồm các virut có nhiều góc cạnh, có cấu tạo phức tạp như: virut đậu mùa, virut khối u ở người và động vật, virut đường hô hấp. Dạng này có kích thước 30 – 300 nm. - Dạng tinh trùng (nòng nọc): gồm 2 phần đầu và đuôi, phần đầu có hình khối 6 cạnh, phần đuôi có dạng hình que. Đặc trưng cho dạng này là virut ký sinh trên vi khuẩn (Thực khuẩn thể = Bacteriophage = Phage), có kích thước 47 – 104 x 10 – 225 nm. II. Cấu trúc của virut: Gồm 2 phần: vỏ protein và lõi axit nucleic. Một số virut bên trong vỏ protein xen lẫn với axit nucleic còn có một lượng nhỏ protein, người ta gọi protein này là protein trong, còn protein vỏ là protein ngoài. 1. Vỏ capxit (Capside): 5
7. Bao quanh lõi axit nucleic là lớp vỏ capxit có bản chất là protein. Capxit được tạo thành từ những đơn vị hình thái (Capsomer). Mỗi capsomer là tập hợp các phân tử protein có phân tử lượng từ 18.000 – 38.000. Mỗi Capsit do hàng chục đến hàng trăm capsomer tạo thành. Các capsomer được sắp xếp đều đặn, trật tự và đối xứng nhau qua trục tưởng tượng chính giữa virut. Capxit có 3 kiểu cấu trúc: Cấu trúc xoắn, cấu trúc khối và cấu trúc phức tạp. - Cấu trúc xoắn có ở virut đốm thuốc lá, cúm, sởi, toi gà, quai bị, virut dại. Trong cấu trúc này, axit nucleic của virut xoắn thành hình loxo, còn các capsomer sắp xếp bên ngoài theo sát từng vòng một tạo thành ống xoắn. - Cấu trúc khối: có ở virut đường hô hấp, virut đường ruột, khối u, virut côn trùng Ở dạng này, axit nằm cuộn tròn chính giữa, các capsomer sắp xếp chặt chẽ tạo thành các mặt đa diện bao xung quanh. Các capsomer đối xứng nhau qua mặt cắt của khối đa diện theo một quy luật nhất định. - Cấu trúc phức tạp: gồm virut đậu mùa, thực khuẩn thể. Đối với loại virut này thì phần đầu có cấu trúc khối còn phần đuôi có cấu trúc xoắn. Chức năng của vỏ Capxit: - Bảo vệ lõi axit nucleic. - Giữ cho hình thái và kích thước của virut luôn ổn định. - Tham gia vào sự hấp phụ của virut vào vị trí đặc hiệu của tế bào chủ. - Mang tính kháng nguyên đặc hiệu của virut. - Chịu trách nhiệm về đối xứng của các hạt virut. 2. Lõi axit nucleic: Mỗi loại virut chứa một trong hai loại hoặc ADN hoặc ARN. - ADN của virut có 1 trong 2 dạng hoặc chuỗi đơn hoặc chuỗi kép và có thể có dạng sợi hay dạng vòng. - ARN của virut cũng có 1 trong 2 dạng hoặc chuỗi đơn hoặc chuỗi kép, trong đó chuỗi đơn chỉ có dạng sợi còn chuỗi kép chỉ có dạng vòng. Hầu hết virut thực vật chứa ARN sợi đơn là chính, thực khuẩn thể chứa ADN sợi kép là chính còn virut người và động vật thì mang ADN kép dạng sợi hoặc ARN đơn dạng sợi là chính. Ở các virut hình que thì axit nucleic sắp xếp như 1 mạch xoắn vòng giống như hình lò xo xoắn ốc. Đối với các virut hình khối, hình cầu hay phần đầu của thực khuẩn thể thì axit nằm cuộn tròn ở chính giữa như cuộn len rối. Mặc dù chỉ chiếm chiếm 1 – 2% khối lượng của hạt virut nhưng axit nucleic có chức năng đặc biệt quan trọng: + Mang mật mã di truyền đặc trưng cho từng virut. + Quyết định khả năng gây nhiễm của virut trong tế bào cảm thụ. + Quyết định chu kỳ nhân lên của virut trong tế bào cảm thụ. + Mang tính bán kháng nguyên đặc hiệu của virut. 3. Cấu trúc riêng: a. Cấu trúc bọc ngoài hay vỏ bọc ngoài (Envelop): 6
8. Một số virut bên ngoài vỏ capxit còn có 1 màng bao, cấu tạo bởi lipit và lipoprotein, trên màng bao còn có thể có thêm gai nhú (spike) bám xung quanh. Màng này thực chất là màng nguyên sinh chất của tế bào chủ đã bị virut cải tạo thành và mang tính kháng nguyên đặc trưng cho virut. Cấu trúc này thường gặp ở virut đậu mùa, virut HIV. Chức năng của vỏ bọc ngoài: - Tham gia vào sự hấp phụ của virut trên các vị trí thích hợp của tế bào cảm thụ. - Tham gia vào giai đoạn lắp ráp và giải phóng virut ra khỏi tế bào cảm thụ. - Giúp virut giữ kích thước ổn định. - Tạo nên kháng nguyên đặc hiệu trên bề mặt virut. b. Enzim: Trong thành phần cấu trúc của virut có 1 số enzim, đây là những enzim cấu trúc, chúng gắn với cấu trúc của hạt virut hoàn chỉnh. Thường gặp là enzim Neuraminidaza, ADN và ARN polymeraza, enzim sao chép ngược. c. Tiểu thể bao hàm (Inclusion): Trong các tế bào động vật, thực vật bị nhiễm virut có thể xuất hiện những hạt nhỏ trong nhân hoặc trong nguyên sinh chất. Bản chất của những hạt này là do các hạt virut không giải phóng khỏi tế bào, hoặc do thành phần cấu trúc của virut chưa được lắp ráp thành các hạt virut mới. Tiểu thể bao hàm có hình dạng và kích thước đặc biệt, có tính chất bắt màu đặc trưng cho từng loại virut cho nên nó có ý nghĩa lớn trong chẩn đoán bệnh. III. Quá trình nhân lên của virut trong tế bào cảm thụ: Quá trình nhân lên của virut bắt đầu từ khi virut hấp phụ lên bề mặt của tế bào cho đến lúc virut trưởng thành chui ra khỏi tế bào. Quá trình này chia làm 5 giai đoạn: - Giai đoạn virut hấp phụ lên bề mặt tế bào: Quá trình này được quyết định bởi mối tương tác giữa thụ thể của virut với thụ thể của tế bào. Sự hấp phụ chỉ xảy ra khi thụ thể của virut và tế bào hoàn toàn ăn khớp với nhau. Đây chính là lý do tại sao mỗi loại virut chỉ có thể hấp phụ và gây nhiễm cho một loại tế bào nhất định. - Giai đoạn virut xâm nhập vào tế bào: virut có thể xâm nhập vào tế bào theo các cơ chế sau: + Các tế bào tự mọc ra các chân giả bao vây lấy virut rồi khép lại, đưa virut vào bên trong tế bào theo kiểu amip bắt mồi, người ta gọi hiện tượng này là ẩm bào hoặc nhờ vỏ capxit co bóp, bơm axit nucleic qua màng tế bào, xâm nhập vào tế bào cảm thụ. Sau khi virut vào tế bào, nhờ tế bào tiết ra enzim decapsidaza để cởi vỏ capxit, từ đó axit nucleic được giải phóng. + Đối với thực khuẩn thể: sau khi đuôi của thực khuẩn thể hấp phụ lên bề mặt tế bào, chúng tiết ra chất lyzozim làm tan màng tế bào vi khuẩn, sau đó dưới tác dụng của enzim Adenozin triphotphataza đuôi của thực khuẩn thể co lại và trụ đuôi 7
9. chọc thủng màng nguyên sinh chất của tế bào, axit nucleic được bơm vào trong tế bào theo ống trụ, còn phần vỏ protein thì nằm bên ngoài màng tế bào. -Giai đoạn tổng hợp các thành phần của virut: Ngay sau khi virut xâm nhập vào tế bào chủ, toàn bộ quá trình sinh tổng hợp của tế bào chủ bị đình chỉ và thay vào đó là quá trình sinh tổng hợp các thành phần của virut dưới sự chỉ huy của mật mã thông tin di truyền của virut. + Đối với virut có axit nucleic là ADN hai sợi thì từ khuôn ADN của virut sẽ tổng hợp mARN, phục vụ cho việc tổng hợp ADN polymeraza và ADN mới. Từ ADN mới được tổng hợp, mARN được tổng hợp để tạo thành protein capxit và các thành phần cấu trúc khác của virut. + Đối với virut có axit nucleic là ARN một sợi dương thì ARN của virut đồng thời là mARN để tổng hợp nên ARN polymeraza và ARN mới của virut, mARN này cũng dùng để tổng hợp nên capxit của virut. + Đối với virut có axit nucleic là ARN nhưng có enzim sao chép ngược: enzim sao chép ngược là ADN polymeraza phụ thuộc vào ARN hay còn gọi là Reverse transcriptaza (RT). Từ ARN của virut tổng hợp nên ADN trung gian, ADN này tích hợp vào nhiễm sắc thể của tế bào chủ. ADN trung gian là khuôn mẫu để tổng hợp nên ARN của virut và đây cũng là mARN để tổng hợp nên các thành phần cấu trúc khác của virut. - Giai đoạn lắp ráp các thành phần của virut: Giai đoạn này thường xảy ra ở gần màng tế bào, axit nucleic và protein được tổng hợp ở các nơi khác nhau trong tế bào sẽ chuyển dịch lại gần để kết hợp với nhau thành virut hoàn chỉnh. - Giai đoạn giải phóng các hạt virut ra khỏi tế bào: Virut có thể phá vỡ thành tế bào sau vài giờ tới vài ngày tuỳ chu kỳ nhân lên của từng loại virut. Quá trình phá vỡ có thể theo nhiều cơ chế khác nhau: + Dưới tác dụng của enzim, màng tế bào bị phá vỡ hoàn toàn và tất cả virut ồ ạt chui ra khỏi tế bào để tiếp tục xâm nhập vào tế bào khác. + Virut tiết ra một số enzim chọc thủng một số lỗ trên màng tế bào và virut theo các lỗ đó chui từ từ ra khỏi tế bào. Trong trường hợp này tế bào không bị phá huỷ chỉ bị tổn thương nhẹ, chức năng của tế bào vẫn giữ vững trong một thời gian. + Quá trình nhân lên của vi rut đã tạo ra một số lượng lớn trong tế bào chủ làm cho màng tế bào phải chịu một sức tải quá lớn, nên bị phá vỡ và virut chui ra khỏi tế bào. + Một số loại virut còn có thể truyền từ tế bào bị nhiễm sang tế bào lành mà không cần chui ra môi trường bên ngoài (nhóm virut Herpes và nhóm virut đậu mùa). Giữa tế bào bị nhiễm và tế bào lành xuất hiện những cầu nối nguyên sinh chất, các hạt virut có thể truyền qua các cầu nối này như chạy trong ống dẫn mà không cần chui ra khỏi tế bào. IV. Hiện tượng sinh tan (Lysogenie): Trong một số trường hợp, hệ gen của virut xâm nhập vào hệ gen của tế bào ký chủ và chúng có thể tồn tại một thời gian dài trong tế bào mà không làm cho tế 8
10. bào tiêu tan đi. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng sinh tan và các virut không độc gây nên hiện tượng này gọi là virut ôn hoà. Hiện tượng sinh tan thường gặp ở các tế bào vi khuẩn bị nhiễm virut nên người ta còn gọi loại virut này là tiền thực khuẩn thể (prophage). Tiền thực khuẩn thể được gắn vào hệ gen của vi khuẩn ở vị trí nhất định nhờ những đoạn tương đồng. Trong tế bào vi khuẩn có thể chứa đồng thời nhiều tiền thực khuẩn thể có nguồn gốc khác nhau. Các vi khuẩn chứa thực khuẩn thể ôn hoà có đặc điểm là không bị tiêu diệt bởi thực khuẩn thể độc. Tuy nhiên dưới tác động của nhân tố vật lý hay hoá học nào đó, tiền thực khuẩn thể được :thức tỉnh”, nó lập tức trở lại hoạt động và biến thành độc. V. Hiện tượng cản nhiễm và Interferon: 1. Hiện tượng cản nhiễm (Interference): Hiện tượng cản nhiễm là hiện tượng xuất hiện nhanh khi 2 virut cùng xâm nhiễm vào tế bào theo một thứ tự nhất định, virut thứ nhất sẽ ngăn cản trong một thời gian dài sự nhân lên của virut thứ hai. Thí nghiệm về hiện tượng cản nhiễm: - Năm 1937 Findlay và Maccallum nhiễm virut sốt thung lũng Rit vào khỉ đã cứu khỉ thoát chết khi nhiễm tiếp liều gây chết bởi virut sốt Vàng. - 1957 Isac và Lindenman đã gây nhiễm virut cúm bất hoạt vào phôi thai gà đang phát triển, sau đó nhiễm virut cúm cường độc vào thì virut này không nhân lên được trong phôi thai gà. Qua nhiều nghiên cứu người ta đã đi đến kết luận: khi nhiễm virut thứ nhất vào tế bào nó đã kích thích tế bào sản sinh ra một chất ức chế là Interferon, chất này có tác dụng ngăn ngừa sự sao chép của virut thứ hai. 2. Interferon: Interferon có bản chất là protein. Đây là yếu tố miễn dịch không đặc hiệu của tế bào, do tế bào sản sinh ra nhằm chống lại bất kỳ tác động của các thông tin ngoại lai khác. Interferon chỉ có tác dụng chống virut ở bên trong tế bào, không có tác dụng chóng virut bên ngoài tế bào. Interferon không có tác dụng bảo vệ tế bào mẹ mà chỉ bảo vệ các tế bào bên cạnh. Ở các tế bào này virut vẫn hấp phụ lên tế bào và xâm nhập vào trong tế bào nhưng đến giai đoạn sao chép thông tin của virut thì interferon có tác dụng ức chế, kìm hãm sự tổng hợp ARN thông tin, do đó không tổng hợp được protein và axit nucleic của virut. V. Phân loại virut: Việc phân loại virut thường được thực hiện ngay sau khi phát hiện ra căn bệnh chủ yếu của các bệnh virut thực vật và virut động vật có xương sống. Tuỳ thuộc vào mức độ phát minh và nghiên cứu về virut mà hệ thống phân loại virut đã được làm lại nhiều lần và ngày càng đi tới hoàn thiện. Các căn cứ để phân loại như: 9
11. dựa vào cơ thể bị bệnh do virut, dựa vào phương thức và cơ chế truyền lây của virut, dựa vào tính chất dịch tễ và tính lâm sàng của bệnh, dựa vào cấu trúc và đặc điểm sinh học. Năm 1987 Uỷ ban quốc tế về phân loại virut đã đưa ra 2 hệ thống phân loại virut động vật và virut thực vật. 10
12. BÀI 3. HÌNH THÁI VÀ CẤU TẠO CỦA CÁC NHÓM VI SINH VẬT Vi sinh vật gồm 2 nhóm: Vi sinh vật nhân nguyên thuỷ (Procaryotes) gồm: - Vi khuẩn cổ (Archaebacteria). - Vi khuẩn thật (Eubacteria): + Vi khuẩn (Bacteria). + Xạ khuẩn (Actinomycetes). + Vi khuẩn lam (Cyanobacteria). + Vi khuẩn nguyên thuỷ: Micoplatma (Mycoplasma), Ricketxi (Ricketsia), Clamidia (Chlamydia). Vi sinh vật nhân thật (Eucaryotes) gồm: - Vi nấm (Microfungi): + Nấm men (Levure, Yeast). + Nấm mốc (Moulds)/ Nấm sợi (Filamentous fungi). - Một số động vật nguyên sinh. - Một số tảo đơn bào. I.Vi khuẩn (Bacteria): 1. Hình thái, kích thước của vi khuẩn: Vi khuẩn có hình thái và kích thước rất khác nhau tuỳ từng loài. Đa số các vi khuẩn có đường kính từ 0,2 – 2,0 µm, chiều dài từ 2,0 – 8,0 µm. Hình dạng chủ yếu của vi khuẩn là: hình cầu, que, dấu phẩy, hình xoắn, hình khối vuông, hình tam giác, hình sao Mỗi tế bào vi khuẩn rất nhỏ và nhẹ. Ví dụ: trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) có kích thước 0,5 x 2,0 µm, 1 tỷ vi khuẩn này có khối lượng là 1 mg. Tuỳ theo hình thái bên ngoài người ta có thể chia vi khuẩn thành 5 loại hình khác nhau: * Cầu khuẩn (Coccus): có kích thước từ 0,5 – 1,0 µm, gồm những vi khuẩn hình cầu, hình bầu dục (Lậu cầu khuẩn Neisseria gonorrhoea), hình ngọn nến (Phế cầu khuẩn Streptococcus pneumoniae), hình hạt cà phê. * Trực khuẩn (Bacillus,Bacterium): có kích thước từ 0,5 – 1,0 x 1,0 – 4,0 µm, là những vi khuẩn có hình que. * Cầu trực khuẩn (Cocco-bacillus): có kích thước từ 0,25 – 0,3 x 0,4 – 1,5 µm, gồm những vi khuẩn có hình dạng trung gian giữa cầu khuẩn và trực khuẩn, có hình bầu dục, hình trứng. * Xoắn khuẩn (Spirillum): có kích thước từ 0,5 -3,0 x 5,0 – 40 µm, gồm những vi khuẩn có hình xoắn,ví dụ: - Spirochaeta/Borrelia: vòng xoắn thưa, không đều, không quy tắc. - Treponema: nhiều vòng xoắn sát nhau, cuộn đều đặn, có quy tắc (Treponema pallidum: xoắn khuẩn giang mai). 11
13. - Leptospira: vòng xoắn hơi sát nhau, xếp lộn xộn. * Phẩy khuẩn (Vibrio): gồm những vi khuẩn hình que, uốn cong như dấu phẩy. 2.Cấu tạo tế bào vi khuẩn: a. Màng tế bào: *Vỏ nhầy/Dịch nhầy (Capsule)-Giáp mô: Một số vi khuẩn bên ngoài được bao bọc bởi một lớp vỏ nhầy hay dịch nhầy. Đó là một lớp vật chất dạng keo, có độ dày bất định. Kích thước và thành phần hoá học của lớp vỏ nhầy thay đổi tuỳ từng loại vi khuẩn. + Chức năng: - Góp phần bảo vệ tế bào vi khuẩn (bảo vệ tế bào vi khuẩn tránh bị tổn thương khi gặp khô hạn, giúp cho vi khuẩn đề kháng mạnh hơn với những điều kiện bất lợi, giúp vi khuẩn chống lại hiện tượng thực bào của bạch cầu). - Là nơi dự trữ thức ăn (khi thiếu thức ăn vi khuẩn có thể sử dụng vỏ nhầy như là nguồn dinh dưỡng). - Là nơi tích luỹ một số sản phẩm trao đổi chất (vi khuẩn sắt tích luỹ Fe(OH)2, đây là sản phẩm sinh năng lượng của vi khuẩn sắt). - Giúp vi khuẩn bám vào bề mặt của giá thể. + Thành phần hoá học của vỏ nhầy: Nước chiếm chủ yếu (98%). Phần còn lại là chất hữu cơ với thành phần chủ yếu là polysaccharit, ngoài ra còn có polypeptit, protein. *Thành tế bào (Cell – wall): Chiếm 25 – 30% khối lượng khô của tế bào.Thành tế bào có kích thước khác nhau tuỳ từng loại vi khuẩn, đa số các vi khuẩn Gram dương có kích thước lớn (14 – 18 nm), vi khuẩn Gram âm có kích thước nhỏ (khoảng 10 nm). + Chức năng của thành tế bào: - Giữ cho tế bào có hình dạng ổn định. - Bảo vệ tế bào vi khuẩn: . Giúp tế bào vi khuẩn đề kháng với các lực tác động từ bên ngoài,ví dụ: Vi khuẩn Gram dương chịu được áp suất thẩm thấu (Ptt) từ 15 – 20 atm, Gram âm chịu được 5 – 10 atm. . Cản trở sự xâm nhập của một số chất có hại vào tế bào, ví dụ: thành tế bào vi khuẩn Gram âm ngăn cản sự xâm nhập của các chất kháng sinh có khối lượng phân tử > 800. - Cần thiết cho quá trình phân cắt bình thường của tế bào. - Có liên quan đến tính kháng nguyên, tính gây bệnh của vi khuẩn: . Tính kháng nguyên: ở vi khuẩn Gram dương cấu trúc polyozit của glycopeptit đã quyết định tính đặc hiệu về miễn dịch của kháng nguyên; ở vi khuẩn Gram âm: thành tế bào tạo thành kháng nguyên O, đây là kháng nguyên có tầm quan trọng trong công tác chẩn đoán bệnh. . Thành tế bào sinh ra nội độc tố ở vi khuẩn Gram âm. 12
14. + Thành phần hoá học của thành tế bào: giữa vi khuẩn Gram dương và Gram âm có sự khác nhau rõ rệt: Thành phần Tỷ lệ % đối với khối khô của thành tế bào lượng VK Gram dương Gram âm -Peptidoglycan 95 5 – 10 (glycopeptit, peptit,mucopeptit, murein) - Axit teichoic 5 0 - Lipit (Lipoit) 0 20 - Lipoprotein Không có hoặc rất ít 50 - Polysaccharit 0 20 Glycopeptit được tạo nên từ các chuỗi polysaccharit nối với nhau bằng cầu nối peptit, các chuỗi này được tạo nên từ nhiều loại đường khác nhau gắn với các đường amin (N-acetyl glucozamin, Galactozamin, Axit-N-Acetylmuramic). *Màng nguyên sinh chất: dày khoảng 4 – 5 nm. + Chức năng của màng nguyên sinh chất: - Duy trì Ptt bình thường bên trong tế bào. - Khống chế (Điều hoà) sự vận chuyển các chất dinh dưỡng và các sản phẩm trao đổi chất ra hay vào tế bào. - Là nơi sinh tổng hợp các thành phần của tế bào. - Là nơi tổng hợp nhiều loại enzim. - Có nhiệm vụ trong sự phân chia tế bào cùng với mezoxom. + Thành phần hoá học của màng nguyên sinh chất: Màng này được cấu tạo bởi 2 lớp photpholipit (chiếm 30 – 40% khối lượng) và các protein nằm ở phía trong, phía ngoài hay xuyên qua màng (chiếm 60 – 70% khối lượng). Sự phân bố của photpholipit và protein khác nhau ở từng vùng: có vùng nhiều, vùng ít, chính vì thế đã tạo ra lỗ hổng trên màng nguyên sinh chất, những lỗ hổng này có chứa một loại protein đặc biệt gọi là permeaza. Ngoài 2 thành phần chính là protein và photpholipit, trên màng nguyên sinh chất của vi khuẩn còn có 2 – 5% hydratcacbon, một số ít chứa glycopeptit, một lượng nhỏ protein. b. Nguyên sinh chất (Cytoplasm)/Tế bào chất (Protoplasm): Nguyên sinh chất là thành phần chính của tế bào vi khuẩn. Đây là một khối ở trạng thái keo, chứa 80 – 90% nước, thành phần còn lại chủ yếu là lipoprotein. Nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn rất khác với nguyên sinh chất của tế bào thực vật. Trong tế bào thực vật, nguyên sinh chất có trung thể (centrosome), ty thể (mitochrondia), Riboxom, bộ máy Golgi, không bào và lạp thể, có chuyển động dòng nội bào. 13
15. Ở vi khuẩn cấu trúc của nguyên sinh chất đơn giản hơn, trong nguyên sinh chất của vi khuẩn trưởng thành người ta quan sát thấy nhiều cơ quan con khác nhau: Mezoxom, Riboxom, không bào, các hạt dự trữ, các hạt sắc tố và cấu trúc của nhân. - Mezoxom là 1 thể hình cầu, nằm gần vách ngăn ngang và chỉ xuất hiện khi tế bào phân chia. Dưới kính hiển vi điện tử mezoxom trông giống như một phần lõm vào của màng nguyên sinh chất. - Riboxom: số lượng Riboxom trong tế bào vi khuẩn rất nhiều, thường có 1000 Riboxom/1 tế bào. Riboxom của vi khuẩn chứa khoảng 40 – 60% ARN, 35 – 60% protein, ngoài ra còn chứa một ít lipit, một số enzim và một ít chất khoáng. Riboxom chủ yếu nằm trong nguyên sinh chất, một phần nhỏ nằm trên màng nguyên sinh chất. Mỗi riboxom có 2 tiểu phần, tiểu phần lớn có hằng số lắng 50S, tiểu phần nhỏ có hằng số lắng là 30S. - Các hạt dự trữ hay thể vùi bao gồm: hạt lipoit, glycogen. Các hạt dự trữ được hình thành khi tế bào tổng hợp quá nhiều, bằng cách này không những vi khuẩn dự trữ được thức ăn mà còn làm giảm bớt áp suất thẩm thấu dưới dạng polyme. - Không bào: không bào là một tổ chức có hình cầu hoặc hình bầu dục được bao bọc bởi một lớp màng không bào (tonoplast) có cấu trúc hoá học là lipoprotein, trong không bào chứa đầy dịch tế bào. Không bào có vai trò điều chỉnh áp suất thẩm thấu của tế bào và là nơi chứa những sản phẩm bất lợi của quá trình trao đổi chất. c. Thể nhân: Vi khuẩn chưa có nhân thật, mới chỉ có thể nhân. Thể nhân của vi khuẩn là 1 nhiễm sắc thể duy nhất cấu tạo bởi 1 sợi ADN xoắn kép còn gắn với màng nguyên sinh chất. Nhiều vi khuẩn còn chứa ADN ngoài nhiễm sắc thể. Đó là những sợi ADN kép, dạng vòng kín, có khả năng sao chép độc lập và gọi là plasmit. - Về hình dạng: thể nhân có hình cầu, kéo dài như hình que hay hình quả tạ, hình chữ V. - Về cấu trúc: thể nhân không có màng nhân nhưng giới hạn giữa nhân và nguyên sinh chất rất rõ. Thể nhân là 1 cấu trúc sợi nhỏ có đường kính 3 – 8 nm, đó là 1 nhiễm sắc thể duy nhất của tế bào, cấu tạo bởi 1 sợi ADN xoắn kép còn gắn với màng nguyên sinh chất. Nhiễm sắc thể có chiều dài 0,25 – 3,0 µm, chứa 6,6 – 13 x 106 cặp bazơN, nếu mở vòng xoắn ra thì sợi dài 1mm, đó chính là 1 sợi ADN có dạng vòng tròn và chỉ là 1 phân tử ADN đóng kín. Trong quá trình phân chia tế bào, nhân phân chia bằng cách cắt đôi, không có sự gián phân bởi vi khuẩn chỉ có 1 nhiễm sắc thể duy nhất. d. Tiên mao (Flagella) và khuẩn mao (tiêm mao – Pili): Tiên mao là những sợi lông dài, uốn khúc, mọc ở mặt ngoài một số vi khuẩn và có tác dụng giúp vi khuẩn có thể chuyển động trong môi trường lỏng (100 µm/s). Ngoài tiên mao, trên cơ thể vi khuẩn còn có 1 bộ phận phụ khác hình sợi, rất ngắn và rất mảnh gọi là tiêm mao (Pili) hay khuẩn mao (Fimbria). Đường 14
16. kính của Pili khoảng 20 – 80 nm, dài khoảng 0,3 – 0,4 µm. Dựa vào chức năng người ta chia ra 2 loại Pili; - Pili chung: dùng để bám giữ, giúp cho vi khuẩn bám chắc hơn trên bề mặt cơ chất. Mỗi tế bào vi khuẩn có hàng trăm pili. Các pili chung có cấu tạo từ protein có tên là pilin và nó là một kháng nguyên. Đây không phải là cơ quan vận động của vi khuẩn mà nó có tác dụng làm tăng bề mặt hấp thu chất dinh dưỡng của tế bào. - Pili giới tính (Pili F): mỗi vi khuẩn có từ 1 – 4 pili này. Vi khuẩn có pili giới tính được gọi là vi khuẩn đực (F+). Pili giới tính tham gia vào sự tiếp hợp của vi khuẩn, sự tiếp hợp thể hiện bằng sự cố định một đầu của Pili vào tế bào cái (F-, tế bào không chứa pili giới tính), vật chất di truyền được vận chuyển từ tế bào đực sang tế bào cái thông qua pili này. Một số thực khuẩn thể bám trên Pili giới tính sẽ bơm axit nucleic của thực khuẩn thể vào vi khuẩn qua đường Pili đó. Đặc điểm Tiên mao Tiêm mao Thành phần Protein tiên mao (Flagellin) Protein tiêm mao (Pilin) Kích thước 0,1 – 0,2 x 2 – 70 µm 0,007 – 0,009 x 0,5 – 20 µm Số lượng 1 – vài trăm sợi/tế bào 250 – 400 sợi/tế bào Chức năng Vận động Bám giữ, tiếp hợp Nơi sinh ra Thể gốc nằm trong thành tế Thể gốc nằm trong nguyên bào sinh chất e. Bào tử/Nha bào (Spore, Endospore): Một số vi khuẩn, thường là các vi khuẩn Gram dương (G+) vào cuối thời kỳ sinh trưởng phát triển có thể hình thành bên trong tế bào những thể hình tròn hay hình bầu dục gọi là bào tử hay nội bào tử. Vì mỗi tế bào chỉ sinh ra một bào tử cho nên đây không phải là loại bào tử có chức năng sinh sôi nảy nở như ở nấm. Nha bào là một hình thức sống tiềm sinh của vi khuẩn, nó giúp cho vi khuẩn vượt qua được những điều kiện bất lợi của ngoại cảnh, nó thường được sinh ra trong những điều kiện bất lợi của môi trường như: thiếu dinh dưỡng, nhiệt độ, pH không thích hợp, môi trường tích luỹ nhiều sản phẩm trao đổi chất bất lợi Bào tử có tính kháng nhiệt, kháng bức xạ, kháng hoá chất, kháng Ptt. Ví dụ: bào tử vi khuẩn gây ngộ độc thịt Clostridium botulinum chịu được 100oC trong 5 – 9,5 giờ, 121oC trong 10 phút; Trong dung dịch phenol 5% tế bào dinh dưỡng chết nhanh nhưng bào tử sống được 25 ngày, trong dung dịch HgCl2 1% tế bào dinh dưỡng chết ngay nhưng bào tử tồn tại được 2 giờ. Bào tử có sức sống rất lâu, từ vài năm đến vài chục năm, ví dụ bào tử của Bacillus subtilis có sức sống từ 200 – 300 năm, có những bào tử tồn tại được 500 – 1000 năm trong đất đá trầm tích dưới đáy các hố sâu, thậm chí có những bào tử trong các tiêu bản khảo cổ cách đây 3000 năm mà vẫn duy trì được sức sống. 3. Sinh sản của vi khuẩn: Vi khuẩn sinh sản vô tính bằng cách trực phân nhờ vách ngăn ngang. Từ 1 tế bào mẹ phân cắt thành 2 tế bào con. Tế bào con được hình thành sau một thời gian 15
17. sinh trưởng lại tiến hành phân cắt. Tuỳ từng loài vi khuẩn và điều kiện sống, cứ khoảng 10 đến 30 phút lại cho ra 1 thế hệ. 4. Phân loại vi khuẩn: Việc phân loại vi khuẩn nói riêng và vi sinh vật nói chung gặp khá nhiều khó khăn vì số lượng vi sinh vật quá nhiều mà sự khác biệt giữa chúng lại quá lớn, có sự khác biệt khá lớn giữa sơ đồ phân loại vi sinh vật so với động vật và thực vật. Trong hệ thống phân loại thì loài (species) là đơn vị cơ bản, nhưng khái niệm về loài giữa vi sinh vật và động, thực vật lại khác nhau. Trong vi khuẩn học, khái niệm về loài là một quần thể được sinh ra từ một vi khuẩn ban đầu (clone), các thành viên của một clone này có thể phân biệt với các clone khác ở một số đặc điểm. Do vậy vấn đề lớn trong phân loại vi khuẩn là xác định được các đặc điểm giống nhau và khác nhau giữa các clone để xếp loại chúng. Để xác định các loài vi khuẩn có thể căn cứ vào các đặc tính sau: - Hình thái, kích thước, cấu tạo tế bào, phản ứng nhuộm Gram, các chất chứa trong tế bào, năng lực hoạt động, khả năng sinh vỏ nhầy, hình dạng và vị trí của bào tử. - Đặc tính nuôi dưỡng, sinh trưởng trên các moi trưởng, hình thái, màu sắc khuẩn lạc, - Đặc tính sinh lý, sinh hoá và cấu trúc kháng nguyên như quan hệ với nguồn oxy, nguồn cacbon, nguồn nitơ, quan hệ với nhiệt độ, pH, khả năng khử nitrat, lên men các loại đường các phản ứng huyết thanh học, khả năng gây bệnh - Số lượng các tính chất sinh học: dây là phương pháp phân loại gián tiếp, dựa trên các đặc điểm genotip và phenotip. - Tỷ lệ các base nitơ của các ADN. - Cấu trúc phân tử của protein. Như vậy việc phân loại các loài vi khuẩn là một việc hết sức phức tạp, tinh vi, không thể căn cứ vào đặc tính riêng biệt mà xác định được ngay, cũng chính vì thế mà cho đến nay việc phân loại vi khuẩn vẫn chưa thực sự hoàn thiện. Đơn vị cơ bản trong phân loại là loài (species), đây là đơn vị phân loại cơ bản nhất, tên khoa học của loài thường đặt tên kép, tên giống đặt trước và tên loài đặt sau. Mỗi loài vi khuẩn đều mang một tên khoa học riêng, tên này được đặt theo nguyên tắc “danh pháp kép” của Linné, gồm 2 từ: từ thứ nhất chỉ tên giống (viết hoa), từ thứ hai chỉ tên loài (viết thường). Ví dụ: Saccharomyces cerevisiae. Các đơn vị trên loài là : - Giống (genus hoặc genera). Ví dụ: Bacillus, Saccharomyces. - Tộc (tribe): thường có tận cùng bằng –eae. Ví dụ: Escherichieae. - Họ (family): thường có tên tận cùng là -aceae. Ví dụ: Chlorobiaceae. - Bộ (order): thường có tạn cùng là –ales. Ví dụ: Pseudomonadales. Trên bộ còn có lớp, ngành, giới. Các đơn vị dưới loài gồm có: thứ, dạng và một đơn vị gọi là chủng hay nòi. 16
18. - Thứ (variety) chỉ một nhóm nhất định trong một loài. Ví dụ: Mycobacterium tuberculosis var. bovis (vi khuẩn lao bò), Mycobacterium tuberculosis var. avium (vi khuẩn lao gia cầm), Mycobacterium tuberculosis var. hominis (vi khuẩn lao người). - Dạng (type hoặc forme): chỉ nhóm nhỏ dưới thứ. Ví dụ: người ta căn cứ vào những đặc tính khác nhau về phản ứng huyết thanh mà chia phế cầu khuẩn thành 80 dạng khác nhau như Streptococcus pneumoniae tip 14. - Chủng hay nòi (Strain): chỉ một chủng, nòi vi sinh vật của một loài mới được phân lập thuần khiết từ một cơ chất nào đó. Các cá thể cùng một loài nhưng được phân lập từ những nơi khác nhau không giống nhau hoàn toàn được gọi là chủng hay nòi khác nhau và được ký hiệu bằng những con số, những chữ viết tắt theo qui ước riêng của người nghiên cứu. Ví dụ: Staphylococcus aureus ATCC 1259. Từ trước đến nay đã có nhiều hệ thống phân loại vi khuẩn khác nhau, tuy nhiên có hai hệ thống phân loại được sử dụng chủ yếu, đó là hệ thống phân loại của D. N Bergey và của N.A. Craxilnhicop. II.Xạ khuẩn (Actinomycetes): Xạ khuẩn là một nhóm vi khuẩn thật (Eubacteria) phân bố rộng rãi trong tự nhiên: trong đất, nước và trong các cơ chát hữu cơ. Phần lớn xạ khuẩn bắt màu Gram dương, hiếu khí, hoại sinh, có cấu tạo dạng sợi như nấm nhưng lại có kích thước và cấu tạo tế bào tương tự như vi khuẩn. Xạ khuẩn là vi sinh vật quá độ giữa vi khuẩn và nấm vì nó có đặc điểm vừa giống vi khuẩn lại vừa giống nấm. Xạ khuẩn giống vi khuẩn ở những đặc điểm sau: - Kích thước nhỏ bé. - Là vi sinh vật đơn bào. - Nhân chưa phân hoá rõ rệt. - Màng tế bào không chứa xenlulo, kitin. - Sự phân chia tế bào theo kiểu của vi khuẩn. - Không có giới tính. Xạ khuẩn giống nấm ở chỗ có cấu tạo dạng sợi phân nhánh gọi là khuẩn ty (hypha), mỗi một khuẩn ty do một tế bào tạo thành, nhiều khuẩn ty tập hợp lại thành hệ khuẩn ty (mycelium). 1. Hình dạng, kích thước và cấu trúc của xạ khuẩn: Xạ khuẩn có cấu tạo dạng sợi, còn gọi là khuẩn ty. Khuẩn ty của xạ khuẩn thường không có vách ngăn và không tự đứt đoạn. Khuẩn ty có đường kính 0,2 – 2,5 µm. Đa số xạ khuẩn khuẩn ty không có vách ngăn, màu sắc của khuẩn ty xạ khuẩn rất phong phú: màu trắng, đỏ, lục, lam, tím, nâu, đen, Người ta phân biệt hai loại khuẩn ty: khuẩn ty cơ chất và khuẩn ty khí sinh. Khuẩn ty cơ chất là khuẩn ty ăn sâu vào cơ chất, làm nhiệm vụ hấp thu chất dinh dưỡng, do đó khuẩn ty này còn được gọi là khuẩn ty dinh dưỡng. Khuẩn ty khí sinh 17
19. là khuẩn ty phát triẻn trên bề mặt cơ chất và vươn ra ngoài không khí. Từ khuẩn ty này về sau sẽ hình thành bào tử nên còn được gọi là khuẩn ty sinh sản. Xạ khuẩn cũng có cấu tạo tương tự như vi khuẩn: -Thành tế bào có cấu tạo tương đối dày và khá vững chắc, gồm có 3 lớp: Lớp ngoài dầy 60 – 120 Ao, lớp trong dầy 50Ao và lớp giữa chắc hơn, dày 50Ao. Khi khuẩn ty già, lớp ngoài có thể dày tới 150 – 200 Ao. Thành tế bào được tạo thành từ protein, lipit, mucopolysaccharit, ngoài ra còn chứa cả photpho và axit teichoic. Bên ngoài thành tế bào còn có thể có vỏ nhầy cấu tạo từ polysaccarit và thường rất mỏng. - Màng nguyên sinh chất: dầy khoảng 7,5 – 10 nm, có cấu tạo và chức năng tương tự như màng nguyên sinh chất ở vi khuẩn. Chức năng chủ yếu của màng nguyên sinh chất xạ khuẩn là điều hoà sự hấp thu chất dinh dưỡng vào tế bào và tham gia vào quá trình hình thành bào tử. - Nguyên sinh chất và nhân của xạ khuẩn cũng tương tự như ở vi khuẩn. Khi nuôi cấy xạ khuẩn trên môi trường đặc, xạ khuẩn cũng tạo thành khuẩn lạc. Khuẩn lạc của xạ khuẩn thường rắn chắc, xù xì, có dạng phấn, không trong suốt, có các nếp toả ra theo hình phóng xạ. Đường kính khuẩn lạc khoảng 0,5 – 2,0 mm và có nhiều mầu sắc khác nhau như đỏ, da cam, vàng, lam hồng, nâu, tím 2. Sinh sản của xạ khuẩn: Xạ khuẩn sinh sản bằng cách hình thành bào tử. Bào tử được hình thành trên các nhánh phân hoá của khuẩn ty khí sinh, gọi là cuống sinh bào tử hay sợi bào tử. Cuống sinh bào tử dài ngắn khác nhau tuỳ thuộc vào từng loài, có loài dài 20 – 30nm, nhưng cũng có loài dài tới 100 – 200 nm. Cuống sinh bào tử có thể thẳng, lượn sóng, xoắn lò xo hay xoắn ốc, chúng có thể phân bố theo kiểu đơn, mọc đối, mọc vòng hay mọc thành chùm. Một số xạ khuẩn còn sinh ra túi bào tử, bên trong có chứa bào tử túi. Bào tử xạ khuẩn được hình thành theo 3 phương thức: + Phát triển toàn bộ: toàn bộ hay một bộ phận của thành khuẩn ty tạo ra thành của bào tử. + Phát triển trong thành: thành bào tử sinh ra từ tầng nằm giữa màng nguyên sinh chất và thành khuẩn ty. + Phát triển bào tử nội sinh thật: thành khuẩn ty không tham gia vào quá trình hình thành bào tử. Bào tử trần (conidiospore) của xạ khuẩn có thể có hình tròn, hình bầu dục, hình que, hình trụ, đây là cơ quan sinh sản chủ yếu của xạ khuẩn. Bào tử trần được hình thành theo 2 cách: - Vách ngăn được hình thành từ phía trong của màng nguyên sinh chất và tiến dần vào trong tạo ra vách ngăn không hoàn chỉnh, sau đó cuống sinh bào tử mới phân cắt thành các bào tử trần. - Thành tế bào và màng nguyên sinh chất đồng thời xuất hiện vách ngăn tiến dần vào phía bên trong và làm cho cuống sinh bào tử phân cắt tạo thành một chuỗi bào tử trần. 18
20. Mỗi cuống sinh bào tử thường có từ 30 – 100 bào tử, đôi khi có tới 200 bào tử. 3.Vai trò của xạ khuẩn: Xạ khuẩn là một trong những nhóm vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong tự nhiên. - Đặc điểm quan trọng bậc nhất của xạ khuẩn là khả năng hình thành chất kháng sinh, 70% xạ khuẩn được phân lập trong tự nhiên đều có khả năng sinh chất kháng sinh. Trong số 8.000 loại chất kháng sinh được phát hiện thì 80% là do xạ khuẩn sinh ra. Các chất kháng sinh do xạ khuẩn sinh ra như: streptomyxin, chloramphenicol, oreomyxin, teramyxin, tetraxyclin - Xạ khuẩn có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành đất và tạo ra độ phì của đất. - Xạ khuẩn tham gia tích cực vào sự chuyển hoá và phân giải nhiều chất hữu cơ phức tạp và bền vững như xenlulo, kitin, linhin - Xạ khuẩn sinh ra nhiều chất hữu cơ quý giá như các vitamin nhóm B (B1, B2, B6, B12), một số các axit hữu cơ như axit lactic, axit axetic và nhiều axit amin như axit glutamic, metionin, tryptophan, lizin. - Xạ khuẩn còn sinh ra nhiều enzim như proteinaza, amylaza, xenlulaza, kitinaza. - Một số còn có khả năng tạo thành những chất kích thích sinh trưởng thực vật. 4. Phân loại xạ khuẩn: Trước thế kỷ XIX người ta xếp xạ khuẩn vào nấm. Về sau người ta mới xếp chúng vào vi khuẩn thật vì xạ khuẩn có nhân nguyên thuỷ. Năm 1978 Gibbens và Murray chia các vi khuẩn nhân nguyên thuỷ thành 4 ngành: ngành Gracilicutes (gồm các vi khuẩn G-), ngành Tenericutes (gồm xạ khuẩn và các vi khuẩn G+), ngành Mendosicutes (gồm các vi khuẩn mà thành tế bào không chứa peptidoglican) và ngành Mollicutes (gồm các vi khuẩn chưa có thành tế bào). Năm 1977 và 1980 Woese và cộng sự chia vi khuẩn nhân nguyên thuỷ thành 2 giới: giới Vi khuẩn thật (Eubacteria) tương đương với 3 ngành Gracilicutes, Tenericutes và Mollicutes theo Gibbens và Murray, giới Vi khuẩn cổ (Archaebacteria) tương đương với ngành Mendosicutes. Theo hệ thống phân loại của Bergey (Bergey, s Manual of Systematic Bacteriology, 1994) thì xạ khuẩn có mặt trong tập 2 và tập 4. -Trong tập 2 có chi Mycobacterium (thuộc họ Mycobacteriaceae) và 9 chi thuộc Nocardioform actinomycetes ( Nocardia, Rhodococcus, Nocardioides, Pseudonocardia, Oerskovia, Saccharopolyspora, Micropolyspora, Promicromonospora, Intrasporangium). -Trong tập 4: + Thuộc về Nocardioform còn có Faenia, Actinopolyspora, Saccharomonospora, Amycolatopsis, Amycolata. 19
21. + Thuộc về các xạ khuẩn có bào tử túi nhiều múi có các chi Geodermatophilus, Dermatophilus, Frankia. + Thuộc về các xạ khuẩn di động có các chi Actinoplanes, Ampullariella, Pilimelia, Dactylosporangium, Micrromonospora. + Thuộc về Streptomycetes và các chi có liên quan gồm các chi Streptomyces, Streptoverticillium, Kineosporia, Micrrobispora, Micrrotetraspora, Planobispora, Planomonospora, Streptosporangium. + Thuộc về xạ khuẩn đơn bào ưa nhiệt và các chi có liên quan gồm các chi Thermonospora, Actinosynnema, Nocardiopsis, Streptoalloteichus. + Thuộc về xạ khuẩn ưa nhiệt có chi Thermoactinomyces. + Thuộc về các chi xạ khuản còn lại có Glycomyces, Kibdelosporangium, Kitasatosporia, Saccharothrix. Ngoài các chi nói trên còn phải kể thêm 2 chi xạ khuẩn do Lechevalier (1986) phát hiện là Amycolata, Amycolatopsis và 4 chi xạ khuẩn do các nhà khoa học Trung Quốc (Nguyễn Kế Sinh, 1990) phát hiện là Microstreptospora, Actinoalloteichus, Trichotomospora, Streptomycoides. III. Vi khuẩn lam (Cyanobacteria): Vi khuẩn lam trước đây thường được gọi là Tảo lam (Cyanophyta hay Blue algae) hay Tảo lam lục (Blue green algae). Thực ra đây là một nhóm vi sinh vật có nhân nguyên thuỷ thuộc vi khuẩn thật. Vi khuẩn lam không thể gọi là tảo vì chúng khác biệt rất lớn với tảo: không có lục lạp, không có nhân thật, có ribôxom 70S như ở vi khuẩn, thành tế bào có chứa glicopeptit (peptidoglican). Vi khuẩn lam phân bố rộng rãi trong tự nhiên, đa số sống trong nước ngọt, một số phân bố ở vùng nước mặn giàu chất hữu cơ hoặc trong nước lợ. Một số vi khuẩn lam sống cộng sinh (Anabaena azollae cộng sinh trong khoang khí dưới phiến lá bèo hoa dâu). Vi khuẩn lam có hình dạng và kích thước rất khác nhau, chúng có thể là đơn bào, tập đoàn hoặc là dạng sợi đa bào. Tế bào dinh dưỡng của vi khuẩn lam có thể có hình cầu, hình elip rộng, hình elip kéo dài, hình quả lê, hình trứng, hình thoi, hình ống. Có tế bào đường kính chỉ khoảng 1 µm, nhưng cũng có tế bào chiều ngang của sợi vượt quá 30 µm. Tế bào vi khuẩn lam gần với cấu tạo tế bào vi khuẩn G-. Thành tế bào khá dày phân thành 2 tầng, tầng ngoài là tầng lipopolisacarit, tầng trong là tầng glicopeptit. Nhiều vi khuẩn lam bên ngoài có vỏ nhầy cấu tạo từ polisaccarit. Bộ phận thực hiện quá trình quang hợp trong tế bào vi khuẩn lam được gọi là tilacoid (Thylakoids), chúng có số lượng nhiều, có dạng bản, xếp song song hay có dạng uốn khúc nằm ở gần màng tế bào chất. Chức năng hấp thụ ánh sáng là nhờ sắc tố phicoxianin màu lam và phicoeritrin màu đỏ. Các chất dự trữ gặp trong tế bào vi khuẩn lam là glicogen, volutin (poliphotphat), xianophixin. Trong tế bào vi khuẩn lam có những cơ quan khá đặc 20
22. trưng, đó là tế bào dị hình (heterocyst), bào tử nghỉ (akinete), tảo đoạn (hormogonia), vi tiểu bào nang (mannocyst), hạt sinh sản (gonidium). - Bào tử nghỉ là loại tế bào nằm ở đầu hoặc ở giữa sợi, có thành dày, màu thẫm và có tác dụng chống chịu cao đối với các điều kiện bất lợi của môi trường sống. - Tảo đoạn là chuỗi các tế bào ngắn, được đứt ra từ sợi vi khuẩn lam. - Vi tiểu bào nang là các túi nhỏ sinh ra từ bên trong tế bào mẹ do sự co nguyên sinh. - Hạt sinh sản là một tế bào có màng nhầy, được tách ra từ sợi vi khuẩn lam và làm chức năng sinh sản. IV. Vi khuẩn nguyên thuỷ: Nhóm vi khuẩn nguyên thuỷ có kích thước rất nhỏ và có vị trí trung gian giữa vi khuẩn và virut. 1. Micoplatma (Mycoplasma): là vi sinh vật chưa có thành tế bào cho nên dễ bị biến dạng, là loại vi sinh vật nhỏ nhất trong sinh giới có đời sống dinh dưỡng độc lập. Thuộc loại hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc. Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên, có đời sống hoại sinh, nhiều loại có thể gây bệnh cho người, gia súc, gia cầm và thực vật. Mycoplasma có hình hạt nhỏ riêng lẻ hay tập trung từng đôi, từng chuỗi ngắn, hình vòng nhẫn, vòng khuyên, là loại G-, có kích thước khoảng 150 – 300 nm. Mycoplasma không có thành tế bào, chỉ có màng nguyên sinh chất dày 70 – 100 A0, trong tế bào có các hạt riboxom và thể nhân. Mycoplasma sinh sản theo phương thức cắt đôi. Hiện nay người ta đã biết khoảng 80 loài, theo hệ thống phân loại của Bergey (1994) thì chúng thuộc bộ Mycoplasmatales, có 3 họ: Mycoplasmataceae, Acholeplasmataceae, Spiroplasmataceae. 2. Ricketxi (Ricketsia): Năm 1909, H.T.Rickettsia phát hiện ra mầm bệnh của bệnh sốt thương hàn phát ban, và ông đã hy sinh năm 1910 trong khi nghiên cứu bệnh này, vì vậy để ghi nhớ công lao của nhà khoa học người ta đã đặt tên cho nhóm vi sinh vật này là Ricketxi. Đây là nhóm vi sinh vật nhân nguyên thuỷ G-, chỉ tồn tại trong tế bào các vi sinh vật nhân thật. Khác với Micoplasma, chúng đã có thành tế bào và không sống độc lập trong các môi trường nhân tạo. - Tế bào có kích thước khá thay đổi, loại nhỏ nhất chỉ là 0,25 x 1,0 µm, có loại có kích thước 0,6 x 1,2 µm, loại lớn nhất đạt 0,8 x 2,0 µm. - Tế bào có hình thái biến hoá, có thể có hình que, hình cầu, hình song cầu, hình sợi Trong tế bào chủ, Ricketxi thường tụ tập thành từng khối dày đặc. - Sinh sản bằng cách phân cắt thành 2 phần bằng nhau. - Dưới kính hiển vi điện tử, Ricketxi có thành tế bào, màng nguyên sinh chất và các thể trung tâm hình sợi gọi là chất nhân. Ricketxi chứa khoảng 30% protein, ngoài ra còn có khá nhiều lipit trung tính, photpholipit và hydratcacbon. Hàm lượng ADN chiếm khoảng 9% so với khối lượng khô của tế bào. Hàm lượng ARN thay đổi tuỳ theo loài nhưng thường gấp 2 – 3 lần so với ADN. Ricketxi có chứa 21
23. Riboxom và các yếu tố cần thiết khác đối với quá trình sinh tổng hợp protein. Chúng có khả năng dự trữ năng lượng trong ATP và có hệ thống enzim Cytocrom nhưng không tự tổng hợp và tích luỹ được axit amin cần thiết cho chúng. Vật chủ của Ricketxi là các động vật có chân đốt như ve, bét, bọ, rận , các động vật nhỏ bé này sẽ truyền mầm bệnh qua động vật và người như bệnh sốt phát ban, bệnh sốt Query (Q). Theo hệ thống phân loại của Bergey (1994) thì Ricketxi thuộc bộ Rickettsiales, trong bộ này có 3 họ với 14 chi: họ Rickettsiaceae có 8 chi, họ Bartonellaceae có 2 chi và họ Anaplasmataceae có 4 chi. 3. Clamidia (Chlamydia): Đây là loại vi khuẩn rất nhỏ bé, qua lọc, bắt màu G-, có chu kỳ sống khá đặc biệt, ký sinh bắt buộc trong tế bào các sinh vật nhân thật. Nhiều loài gây bệnh nguy hiểm cho người và động vật như bệnh mắt hột. Clamydia khác virut ở các đặc điểm sau: - Có cấu tạo tế bào. - Có chứa cả 2 loại axit nucleic. - Thành phần tế bào có chứa peptidoglican đặc trưng cho vi khuẩn G-. - Có Riboxom. - Có hệ thống enzim không hoàn chỉnh, thiếu enzim tham gia vào quá trình trao đổi sinh năng lượng, do đó buộc phải ký sinh trong tế bào có nhân thật. - Sinh sản bằng cách phân cắt thành 2 phần bằng nhau. Chu kỳ sống của Clamidia khá đặc biệt: dạng cá thể có khả năng xâm nhiễm nên còn gọi là dạng cảm nhiễm (nguyên thể), chúng có hình cầu, hình quả lê, có thể chuyển động, có đường kính 0,2 – 0,5 µm. Nguyên thể bám chắc được vào mặt ngoài của tế bào chủ và có tính cảm nhiễm cao. Khi nguyên thể hấp phụ lên tế bào vật chủ, nhờ tác dụng thực bào của tế bào chủ mà nguyên thể xâm nhập vào trong tế bào, phần màng bao quanh nguyên thể biến thành không bào. Nguyên thể lớn dần lên trong không bào và biến thành thuỷ thể (phi cảm nhiễm), còn gọi là thể dạng lưới, đây là loại tế bào hình cầu, màng mỏng, có kích thước khá lớn (0,8 – 1,5 µm). Thuỷ thể liên tiếp phân cắt thành 2 phần đều nhau và tạo thành vi khuẩn lạ trong nguyên sinh chất của tế bào chủ. Sau đó một lượng lớn các tế bào con này lại phân hoá thành các nguyên thể nhỏ hơn nữa, màng dày và có tính cảm nhiễm. Khi tế bào vật chủ bị phá vỡ, chúng được giải phóng ra và tiếp tục xâm nhập vào tế bào khác. Theo hệ thống phân loại của Bergey (1994) thì Clamidia chỉ là 1 chi thuộc họ Chlamydiaceae, bộ Chlamydiales. V. Vi nấm (Microfungi): Nấm (Fungi) là 1 giới trong số 4 giới sinh vật (theo A.L. Takhtadjan, 1974) hay 5 giới (theo R.H. Whitaker, 1969). Có khoảng hơn 10 vạn loài nấm khác nhau, nấm là đối tượng nghiên cứu của ngành Nấm học (Mycology), 1 ngành khoa học độc lập với vi sinh vật học. Tuy nhiên, có một số nhóm nấm có kích thước nhỏ bé, muốn nghiên cứu chúng phải sử dụng các phương pháp vi sinh vật học cho nên chúng được coi là đối tượng nghiên cứu của vi sinh vật học, người ta gọi chúng là vi 22
24. nấm. Vi nấm gồm tất cả các loài nấm men và các nấm sợi không sinh quả thể lớn (mũ nấm). 1. Nấm men (Levure, Yeast): Nấm men là nhóm vi sinh vật đơn bào, phân bố rộng rãi trong tự nhiên, đặc biệt là trong các môi trường có đường, pH thấp như: hoa quả, rau dưa, mật mía, rỉ đường, mật ong, trong đất ruộng mía, đất vườn cây ăn quả, trong đất có nhiều dầu mỏ. a. Hình dạng, kích thước và cấu tạo tế bào nấm men: - Nấm men có nhiều hình dạng khác nhau: hình cầu, hình trứng, hình ôvan, hình elip, hình sao, hình thoi, hình lưỡi liềm, hình tam giác, hình chai, Có loài nấm men có khuẩn ty giả, khuẩn ty này chưa thành sợi rõ rệt mà thực chất là do nhiều tế bào nối với nhau thành chuỗi dài. - Nấm men thường có kích thước lớn gấp 10 lần so với vi khuẩn, đa số có kích thước trung bình từ 3 – 5 x 5 – 10 µm, một số có kích thước khá lớn như nấm men lên men rượu (Saccharomyces cerevisiae) có kích thước 2,5 – 10 x 4,5 – 21 µm. - Tế bào nấm men có cấu tạo gần giống với vi khuẩn, gồm các phần sau: + Thành tế bào: chiếm 25% khối lượng khô của tế bào, dầy khoảng 25 nm. Đa số được cấu tạo từ mannan và glucan, một số nấm men chứa kitin và mannan. Ngoài ra trong thành tế bào còn có khoảng 10% protein và một lượng nhỏ lipit, đôi khi còn có poliphotphat, sắc tố và ion vô cơ. + Màng nguyên sinh chất: có chiều dầy khoảng 7 – 8 µm, cấu tạo chủ yếu từ protein (chiếm 50% khối lượng khô), lipit chiếm 40% và một ít polisaccarit. Ngoài chức năng tương tự như màng nguyên sinh chất của vi khuẩn, màng nguyên sinh chất của nấm men còn làm nhiệm vụ hoạt hoá ty thể. + Nguyên sinh chất: trong nguyên sinh chất của tế bào nấm men có ty thể, không bào, riboxom, các hạt dự trữ. Ngoài ra một số loài còn có vi thể, đây là thể hình cầu hay hình trứng, có đường kính 3 µm, được phủ bằng một lớp màng mỏng dầy 7 nm. Vi thể có vai trò nhất định trong việc oxy hoá metanol. * Ty thể là những thể hình cầu, hình que, hình sợi, có kích thước khoảng 0,2 – 0,5 x 0,4 – 1 µm. ADN của ty thể là một phân tử dạng vòng, chiếm 15 – 23% tổng lượng ADN của toàn bộ tế bào. Ty thể gồm 2 lớp màng: màng ngoài và màng trong. Màng trong có hình lượn sóng hay hình răng lược để tăng diện tích tiếp xúc, giữa 2 màng có các hạt nhỏ gọi là hạt cơ bản, bên trong ty thể là dịch hữu cơ, ty thể chứa nhiều loại enzim khác nhau như oxidaza, xitocromoxidaza, peroxidaza, photphataza. Ty thể được coi là trạm năng lượng của nấm men (Ty thể tham gia vào việc thực hiện các phản ứng oxy hoá giải phóng năng lượng ra khỏi cơ chất, làm cho năng lượng được tích luỹ dưới dạng ATP. Tham gia giải phóng năng lượng khỏi ATP và chuyển dạng năng lượng đó thành dạng năng lượng có ích cho hoạt động sống của tế bào. Ngoài ra ty thể còn tham gia vào việc tổng hợp protein, lipit, hydratcacbon, đây là những chất tham gia tổng hợp thành tế bào). 23
25. * Riboxom: số lượng khác nhau tuỳ theo từng loài, từng giai đoạn phát triển và điều kiện nuôi cấy. Có 2 loại riboxom: loại 70S tồn tại chủ yếu trong ty thể, loại 80S tồn tại chủ yếu trong mạng lưới nội chất và một số ít tồn tại ở trạng thái tự do. * Không bào: khi già trong tế bào nấm men xuất hiện không bào. Trong không bào có chứa enzim thuỷ phân, poliphotphat, lipoit, ion kim loại, các sản phẩm trao đổi chất trung gian. Ngoài tác dụng là kho dự trữ, không bào còn có chức năng điều hoà áp suát thẩm thấu của tế bào. + Nhân: Nhân tế bào nấm men là nhân thật, đã có sự phân hoá rõ rệt, có kết cấu hoàn chỉnh và ổn định. Nhân thường có hình cầu, đôi khi kéo dài, có kích thước khoảng 2 – 3 µm. b. Sinh sản và các chu kỳ sống của nấm men: * Sinh sản vô tính: - Sinh sản bằng cách nảy chồi. Đây là hình thức sinh sản phổ biến và đặc trưng của nấm men. Khi trưởng thành, tế bào nấm men sẽ nảy ra một chồi nhỏ, các enzim thuỷ phân sẽ làm phân giải phần polisaccarit cuả thành tế bào làm cho chồi chui ra khỏi tế bào mẹ. Vật chất mới được tổng hợp sẽ được huy động đến chồi và làm chồi phình to dần lên, một phần nhân của tế bào mẹ được chuyển sang chồi, sau đó tách ra thành một nhân mới, rồi hình thành vách ngăn để ngăn cách với tế bào mẹ, tạo nên một tế bào mới. Tế bào con được tạo thành có thể tách khỏi tế bào mẹ hoặc vẫn dính trên tế bào mẹ và tiếp tục nảy sinh tế bào mới. - Sinh sản bằng cách phân cắt tương tự như ở vi khuẩn, kiểu sinh sản này chỉ có ở chi Schizosaccharomyces. Đến thời kỳ sinh sản, tế bào nấm men dài ra, ở giữa mọc ra vách ngăn chia tế bào thành 2 phần tương đương nhau, mỗi tế bào con sẽ có 1 nhân. - Sinh sản bằng bào tử: + Bào tử đốt: ở chi Geotrichum. + Bào tử bắn: ở chi Sporopolomyces. + Bào tử áo: ở loài Candida albicals. * Sinh sản hữu tính: nấm men sinh sản hữu tính bằng cách hình thành bào tử túi. Hình thức sinh sản này thường gặp ở các chi Saccharomyces, Zygosaccharomyces, và nhiều chi khác thuộc bộ Endomycetales. Bào tử túi (ascospore) được sinh ra trong túi (ascus), mỗi túi có 2, 4 hoặc 8 bào tử. Túi được hình thành do sự tiếp hợp của 2 tế bào nấm men. Khi 2 tế bào nấm men khác giới (mang dấu + và dấu -) đứng gần nhau sẽ mọc ra mấu lồi. Chúng tiến lại sát nhau và tiếp nối với nhau. Ở chỗ tiếp nối sẽ tạo ra một lỗ thông và qua lỗ thông đó chất nguyên sinh và nhân có thể đi qua để phối chất và phối nhân. Sau đó nhân phân cắt thành 2, 4, hoặc 8 nhân con, mỗi nhân con được bao bọc bởi nguyên sinh chất rồi tạo thành màng dày bao xung quanh và tạo thành các bào tử túi. Tế bào dinh dưỡng biến thành túi. Chu kỳ sống của nấm men có thể phân ra thành 3 loại hình: 24
26. - Các tế bào dinh dưỡng đơn bội (n) có thể tiếp hợp với nhau để tạo ra tế bào dinh dưỡng lưỡng bội (2n). Sau quá trình giảm phân sẽ sinh ra các bào tử túi (thường là 4 bào tử túi). Bình thường khi không có sinh sản hữu tính chúng vẫn liên tục nảy chồi để sinh sôi nảy nở. Chu kỳ sống này thường gặp ở nấm men lên men rượu Saccharomyces cerevisiae. - Các tế bào dinh dưỡng đơn bội (n) sinh sản theo lối phân cắt. Hai tế bào khác dấu ở gần nhau sẽ tiếp hợp với nhau và sau quá trình phân cắt 3 lần (lần đầu giảm phân) sẽ tạo ra 8 bào tử túi. Tế bào mang 8 bào tử này trở thành túi. Khi túi vỡ, các bào tử phát tán ra ngoài, gặp điều kiện thuận lợi sẽ phát triển thành các tế bào dinh dưỡng. Chu kỳ sống này thường gặp ở Schizosaccharomyces octospora. - Thể dinh dưỡng chỉ có thể tồn tại dưới dạng lưỡng bội (2n), sinh sản theo lối nảy chồi khá lâu. Bào tử túi đơn bội tiếp hợp từng đôi với nhau ngay cả khi còn nằm trong túi. Giai đoạn đơn bội tồn tại dưới dạng bào tử túi nằm trong túi và không thể sống đọc lập. Chu kỳ sống này thấy rõ ở Saccharomyces ludwigii. c. Vai trò của nấm men: - Nhiều nấm men tham gia vào quá trình lên men rượu nên được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất rượu, bia, cồn, glyxerin, nước giải khát. - Nấm men sinh trưởng nhanh, sinh khối nấm men giàu vitamin, protein và chứa nhiều loại axit amin, vì thế được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất thức ăn phục vụ cho chăn nuôi, sản xuất các axit amin như lizin, xistein, metionin; các enzim như amilaza, lactaza, invertaza, - Nấm men còn được sử dụng để làm nở bột mỳ, gây hương nước chấm, sản xuất một số dược phẩm. Bên cạnh những loài nấm men có ích vẫn có một số loài gây hại cho người và gia súc hoặc có thể làm hư hỏng thực phẩm tươi sống và thực phẩm chế biến. d. Phân loại nấm men: J.A. Barnett, R.W. Payne và D.Yarrow, 1983 đã xác định có 483 loài nấm men, thuộc 66 chi khác nhau. 2.Nấm mốc (Moulds)/ Nấm sợi (Filamentous fungi): Nấm mốc hay còn gọi là nấm sợi là tên chung để chỉ tất cả các nấm không phải là nấm men mà cũng không phải là nấm có mũ nấm (quả thể có kích thước lớn). Nấm mốc thường mọc trên thực phẩm, áo quần, giầy dép, sách vở, trên các dụng cụ, vật liệu chúng phát triển rất nhanh trên nhiều nguồn cơ chất hữu cơ khi gặp khí hậu nóng ẩm. Trên các vật liệu vô cơ do dính bụi bẩn như máy ảnh, thấu kính, kính lúp, kính hiển vi, ống nhòm chúng vẫn có thể phát triển, sinh axít và làm mờ các vật liệu này. a. Hình thái, kích thước và cấu tạo của sợi nấm: Nấm mốc có cấu tạo 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 (hypha), còn cả đám sợi nấm thì được gọi là khuẩn ty thể hay hệ sợi nấm (mycelium). Cũng tương tự như xạ khuẩn, trên khuẩn ty thể người ta phân biệt 2 25
27. loại khuẩn ty: khuẩn ty cơ chất (khuẩn ty dinh dưỡng) và khuẩn ty khí sinh (khuẩn ty sinh sản). Khuẩn ty của nấm mốc phân nhánh, chiều ngang của khuẩn ty khoảng 3 – 10 µm (tương tự như đường kính tế bào nấm men và lớn gấp 10 lần chiều ngang của xạ khuẩn). Tuỳ từng loài nấm mốc mà khuẩn ty có hình thái khác nhau như hình lò xo, hình xoắn ốc, hình cái vợt, hình sừng hươu, hình lược, hình lá dừa. Một số loài nấm bậc thấp, khuẩn ty không có vách ngăn, toàn bộ hệ sợi nấm có thể coi là một tế bào phân nhánh, người ta gọi đó là cơ thể đa nhân. Phần lớn các loài nấm mốc, khuẩn ty có vách ngăn nên cơ thể chúng có cấu tạo đa bào. Cấu trúc sợi nấm mốc cũng tương tự như cấu trúc của tế bào nấm men. Bên ngoài là thành tế bào, tiếp đến là màng nguyên sinh chất, bên trong là nguyên sinh chất với nhân phân hoá rõ rệt. Một số nấm mốc thành tế bào đã có xenlulo. b. Sinh sản của nấm mốc: * Sinh sản vô tính: nấm mốc sinh sản vô tính bằng cách hình thành bào tử, có nhiều loại bào tử: - Bào tử đốt: các khuẩn ty khi sinh có sự ngắt đốt, mỗi đốt được coi như một bào tử. - Bào tử màng dày (Chlamydospore): trên các đoạn khuẩn ty xuất hiện những tế bào có hình tròn hoặc gần tròn, có màng dày bao bọc tạo thành bào tử. - Bào tử nang (Sporangiospore): do sự phình to của đầu khuẩn ty khí sinh tạo thành nang (sporangium), bên trong chứa nhiều bào tử. Khi nang vỡ, bào tử phát tán ra ngoài. - Bào tử đính hay bào tử trần (conidium): đa số bào tử trần là bào tử ngoại sinh, nghĩa là được sinh ra từ bên ngoài các tế bào sinh bào tử, một số được sinh ra bên trong các tế bào sinh bào tử (nội sinh). * Sinh sản hữu tính: nấm mốc có quá trình sinh sản hữu tính như ở các sinh vật bậc cao. Sinh sản hữu tính của nấm mốc cũng bằng cách hình thành bào tử. Tuỳ theo hình thức sinh sản mà chia ra 4 loại bào tử: - Bào tử noãn (oospore): noãn khí (cơ quan sinh sản hữu tính cái) được sinh ra trên đỉnh khuẩn ty khí sinh, hùng khí (cơ quan sinh sản hữu tính đực) được sinh ra ở gần noãn khí. Khi noãn khí chín trong noãn khí có nhiều noãn cầu. Khi tiếp xúc với noãn khí, hùng khí sẽ sinh ra một hoặc vài ống xuyên chứa một nhân và một phần nguyên sinh chất thụ tinh cho một noãn cầu để tạo thành một noãn bào tử. Noãn bào tử được bao bọc bởi một lớp màng dày, sau một thời gian phân chia giảm nhiễm sẽ phát triển thành khuẩn ty mới. - Bào tử tiếp hợp (zygospore): khi hai khuẩn ty khác dấu gần nhau tiếp giáp với nhau thì chúng mọc ra hai mấu lồi gọi là nguyên phối nang (progametangia), các mấu lồi này tiến lại gần nhau, mỗi mấu xuất hiện một vách ngăn phân tách hai phần đầu của hai mấu lồi thành hai tế bào đa nhân. Hai tế bào này sẽ tiếp hợp với nhau tạo thành hợp tử đa nhân và có màng dầy bao bọc, gọi là bào tử tiếp hợp. - Bào tử túi (ascospore): trên khuẩn ty đơn bội sinh ra 2 cơ quan sinh sản là túi giao tử đực nhỏ, hình ống gọi là hùng khí (antheridium) và túi giao tử cái gọi là 26
28. thể sinh túi (ascogonium). Thể sinh túi có hình cầu hoặc hình viên trụ, đầu kéo dài ra thành một ống gọi là sợi thụ tinh (trichogyne). Khi hùng khí tiếp xúc với sợi thụ tinh thì khối nguyên sinh chất chứa nhiều nhân của hùng khí sẽ chui qua sợi thụ tinh để đi vào thể sinh túi, sau đó xảy ra quá trình phối hợp với nhau. Các nhân sắp xếp với nhau từng đôi một (một đực, một cái). Trên thể sinh túi sẽ mọc ra nhiều sợi sinh túi, các nhân kép được chuyển vào trong các sợi sinh túi, từng nhân phân chia nhiều lần và xuất hiện vách ngăn chia sợi sinh túi thành nhiều tế bào chứa nhân kép. Tế bào ở cuối sợi uốn cong lại, nhân kép chia một lần tạo thành 4 nhân. Sau đó tế bào này tách ra thành 3 tế bào, tế bào giữa chứa 2 nhân, tế bào ngọn và gốc chứa 1 nhân. Tế bào giữa sẽ phát triển thành túi bào tử và 2 tế bào ngọn và gốc sau này cũng có sự tiếp hợp thành một tế bào 2 nhân rồi phát triển thành một túi mới. - Bào tử dảm (basidiospore): khi hai khuẩn ty đơn bội khác tính tiếp giáp với nhau thì trên một khuẩn ty sẽ sinh ra một ống nối sang khuẩn ty kia, nhân và nguyên sinh chất sẽ chui sang khuẩn ty kia để tạo thành khuẩn ty thứ cấp chứa 2 nhân. Đảm bào tử được sinh ra ở đầu khuẩn ty thứ cấp. Tế bào 2 nhân sẽ phát triển thành đảm còn 2 tế bào kia về sau sẽ tiếp hợp với nhau để tạo thành tế bào 2 nhân khác. Khi hình thành đảm, 2 nhân của tế bào ở đỉnh sẽ kết hợp với nhau, sau đó phân chia liên tiếp 2 lần (lần đầu giảm nhiễm) để tạo thành 4 nhân con. Tế bào phình to ra, phía trên tạo thành 4 cuống nhỏ gọi là thể bình (sterigmata), mỗi nhân con sẽ chui vào trong một cuống nhỏ và phát triển dần thành một bào tử đảm. c. Vai trò của nấm mốc: - Nấm mốc có khả năng phân giải mạnh mẽ các hợp chất hữu cơ phức tạp, góp phần quan trọng trong việc đảm bảo các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. - Nhiều nấm mốc được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến thực phẩm như sản xuất tương, chao, nước chấm, cồn, rượu vang, các axit xitric, gluconic - Nấm mốc có khả năng sinh ra nhiều loại enzim như: amilaza, proteaza, xenlulaza, pectinaza. - Nhiều loài nấm mốc có khả năng tích luỹ vitamin như vitamin B2, caroten, các chất sinh trưởng như giberelin, auxin và nhiều loại ancaloit có giá trị chữa bệnh như pxiloxibin, piloxin, amanitin - Nấm mốc có khả năng tiết ra các chất kháng sinh có giá trị như: penixilin, xephalosporin, fuzidin, fumagilin, tripaxidin. Tuy nhiên nhiều nấm mốc cũng gây nên những bệnh khá phổ biến và khó điều trị ở người, gia súc, cây trồng như: hắc lào, nấm kẽ chân, nấm vảy rồng, nấm da ; có loài tiết độc tố gây ngộ độc thức ăn như Aspergillus. Nấm mốc còn là nguyên nhân gây ra những tổn thất lớn cho mùa màng, lương thực, thực phẩm, hàng hoá, các dụng cụ quang học, phim ảnh, sách vở d. Phân loại nấm mốc: Cho đến nay chưa có hệ thống phân loại nấm nào được tất cả các nhà nấm học thống nhất công nhận. Tuy nhiên hệ thống phân loại của G.C. Ainsworth (1973) được sử dụng rộng rãi hơn cả. 27
29. BÀI 4. SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT I. Dinh dưỡng của vi sinh vật: 1. Khái niệm chung: - Chất sinh dưỡng là những chất được vi sinh vật hấp thụ từ môi trường xung quanh và được chúng dùng làm nguyên liệu để cung cấp cho quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho các quá trình trao đổi năng lượng. - Quá trình dinh dưỡng là quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng để thoả mãn mọi nhu cầu sinh trưởng và phát triển. 2. Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật: Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật quyết định nhu cầu dinh dưỡng của chúng. Thành phần hoá học cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên tố khoáng đa lượng, vi lượng. a. Nước: Nước là thành phần chủ yếu của tế bào vi sinh vật, thường chiếm 70 – 90% khối lượng cơ thể. Ở vi khuẩn hàm lượng nước trong tế bào thường là 70 – 85%, nấm men 73 – 82%, nấm mốc 85 – 90%. Tất cả các quá trình phân giải và tổng hợp xảy ra trong tế bào vi sinh vật đều cần nước làm môi trường, do đó nếu mất nước đến một lượng nào đó cơ thể vi sinh vật sẽ bị chết hoặc ngừng hoạt động. Trong tế bào, nước thường tồn tại ở 2 trạng thái: nước tự do và nước liên kết. Nước tự do gồm các chất dịch chứa trong tế bào, nó không tham gia vào 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 nên rất khó tách ra. b. Các chất khoáng: Các chất khoáng chiếm 2 – 5% khối lượng khô của tế bào. Chúng thường tồn tại dưới dạng muối sunphat, cacbonat, clorua Trong tế bào chúng thường ở dạng các ion: dạng cation như Mg 2+, Ca 2+, K +, Na + , dạng anion như 2- 2- - - HPO4 , SO4 , HCO3 , Cl Các ion trong tế bào vi sinh vật luôn luôn tồn tại ở những tỷ lệ nhất định nhằm duy trì pH và áp lực thẩm thấu thích hợp cho từng loại vi sinh vật. Khi sử dụng môi trường thiên nhiên để nuôi cấy vi sinh vật người ta thường không cần thiết bổ sung nguyên tố khoáng bởi vì trong các nguyên liệu dùng làm môi trường (khoai tây, nước thịt, sữa, huyết thanh, pepton, giá đậu ) thường chứa đủ các nguyên tố khoáng cần thiết đối với vi sinh vật. Tuy nhiên khi làm các môi trường tổng hợp (dùng nguyên liệu là các hoá chất) bắt buộc phải bổ sung đủ các nguyên tố khoáng cần thiết. Những nguyên tố khoáng mà vi sinh vật đòi hỏi phải được cung cấp với liều lượng lớn được gọi là nguyên tố đa lượng (nồng độ từng nguyên tố khoảng 10-3 – 10-4), còn những nguyên tố khoáng mà vi sinh vật đòi hỏi với những liều lượng rất nhỏ (chỉ vào khoảng 10-6 – 10-8) gọi là các nguyên tố vi lượng: Các nguyên tố đa lượng như: P, K, Ca, S, Mg Các nguyên tố vi lượng như: Mn, Cu, Co, B 28
30. Trong các nguyên tố đa lượng thì nguyên tố P chiếm tỷ lệ lớn nhất (thường chiếm 50% so với tổng số nguyên tố khoáng có trong cơ thể). Nó có mặt trong nhiều thành phần quan trọng của tế bào (axit nucleic, photphoprotein, photpholipit, một số vitamin và nhiều enzim). Sự có mặt của muối photphat, nhất là photphat kali còn có tác dụng tạo ra tính đệm của môi trường. Ví dụ: hỗn hợp của muối KH2PO4 và K2HPO4 với tỷ lệ thích hợp có thể tạo ra mức pH ổn định trong khoảng pH = 4,5 – 8,0. Nguyên tố S có mặt trong một số axit amin (xistin, xistein, metionin), một số vitamin (B1, B7) và một số coenzim có vai trò quan trọng trong quá trình oxy hoá khử. Nguyên tố K cũng là một nguyên tố chiếm tỷ lệ khá lớn trong số các nguyên tố khoáng của tế bào. Kali thường tồn tại ở dạng ion K+ ở mặt ngoài của cấu trúc tế bào, một phần tồn tại ở trạng thái liên kết lý hoá không bền với protein và các thành phần khác của nguyên sinh chất. Kali có thể tác dụng như các ion kom loại khác thông qua việc ảnh hưởng đến tính chất hoá keo và hoạt động xúc tác của các enzim. Kali tham gia vào việc hoạt hoá một số enzim như amylaza, invertaza, ATP- aza, Kali làm tăng độ ngậm nước của các hệ thống keo do đó ảnh hưởng đến các quá trình trao đổi chất, nhất là các quá trình tổng hợp. Kali còn có thể tham gia vào quá trình tổng hợp một số vitamin như tiamin, và có những ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hô hấp của tế bào vi sinh vật. Nguyên tố Mg tham gia vào nhiều phản ứng enzim có liên quan đến quá trình photphorin hoá, tham gia hoạt hoá nhiều enzim. Ngoài ra nó còn có vai trò quan trọng trong việc liên kết hoặc tách rời các tiểu phần riboxom với nhau. Nguyên tố Fe tham gia vào thành phần nhiều enzim có chứa gốc pocphirin (xitocrom, xitocrom oxydaza, peroxidaza ), tham gia vào thành phần sắc tố quang hợp ở vi sinh vật tự dưỡng quang năng. Nguyên tố Ca có vai trò đáng kể trong việc xây dựng cấu trúc tinh vi của tế bào. Ca đóng vai trò là cầu nối trung gian giữa nhiều thành phần quan trọng của tế bào sống như giữa ADN và prrotein trong nhân, giữa protein và ARN trong riboxom, giữa các nucleotit với nhau. Nguyên tố Na và Cl cũng là các nguyên tố mà nhiều vi sinh vật đòi hỏi với số lượng không nhỏ, nhưng cho đến nay vai trò sinh lý của chúng vẫn còn được biết rất ít. Nguyên tố Mn có chứa trong một số men hô hấp và có vai trò quan trong trong hoạt hoá một số enzim khác. Ngoài ra các nguyên tố khác như Zn, Cu, CO, Mo cũng là những nguyên tố tham gia vào cấu trúc hoặc hoạt hoá nhiều loại enzim khác trong tế bào. c. Chất hữu cơ: Chất hữu cơ trong tế bào vi sinh vật chủ yếu được cấu tạo từ các nguyên tố C, H, O, N, S, P Riêng 4 nguyên tố C, H, O, N chiếm 90 – 97% toàn bộ chất khô của tế bào. Đây là những nguyên tố chính tham gia cấu tạo protein, axit nucleic, lipit, hydratcacbon. 29
31. *Protein: cấu tạo chủ yếu bởi các nguyên tố : C (50 – 55%), O (21- 24%), N (15 – 18%), H (6,5 – 7,3%), S (0 – 0,24%), ngoài ra còn có một lượng rất nhỏ các nguyên tố P, Fe, Zn, Cu, Mn, Ca, Protein là thành phần chủ yếu của nguyên sinh chất, nó chiếm khoảng 50 – 80% chất khô của tế bào. Protein tham gia vào cấu trúc nhân, nguyên sinh chất, màng nguyên sinh chất và thành tế bào. Protein có cấu trúc bậc 1, 2, 3, 4, các cấu trúc bậc 2, 3, 4 làm cho protein có cấu trúc không gian, chính nhờ cấu trúc không gian này mà protein đảm nhận được những chức năng hết sức phức tạp trong mọi hoạt động sống của sinh vật. * Lipit: Lipit trong tế bào vi sinh vật thường có 2 nhóm: lipit đơn giản và lipit phức tạp (lipoit). Lipit tập trung nhiều ở màng tế bào chất. Trong tế bào lượng lipit ít (chỉ chiếm 3 – 7% khối lượng khô của tế bào) nhưng nó có ý nghĩa lớn đối với đời sống tế bào, nó là chất dự trữ trong tế bào, đồng thời là nhân tố tích cực chống đỡ các độc tố và các kháng sinh xâm nhập vào cơ thể. - Lipit đơn giản (este của glyxerin và axit béo) chủ yếu là triaxinglixerol. - Lipit phức tạp bao gồm photpholipit, glicolipit. * Gluxit: là nguồn dự trữ năng lượng và nguồn cacbon chủ yếu của tế bào vi sinh vật. Nó có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Gluxit tham gia vào cấu tạo axit nucleic, vào cấu trúc thành tế bào, vào vỏ nhầy của vi sinh vật. Lượng gluxit trong tế bào vi sinh vật cũng như động, thực vật ít hơn so với các chất khác, chỉ chiếm 12 – 18% khối lượng khô của tế bào. Trong tế bào vi sinh vật, gluxit có thể tồn tại ở dạng monosaccarit, oligosaccarit và polisaccarit. * Axit nucleic: cấu tạo chủ yếu từ N (1 – 16%), P (9 – 10%), phần còn lại là C, H, O. Axit nucleic có 2 loại: ADN và ARN. Axit nucleic có hai chức năng khá quan trọng: trực tiếp tham gia quá trình sinh tổng hợp protein và mang mật mã di truyền – một đặc điểm cực kỳ quan trọng đối với cơ thể sống. * Enzim: trong cơ thể vi sinh vật có hàng trăm loại enzim, chúng hoạt động rất nhịp nhàng, nhờ có hoạt động của enzim mà các quá trình tổng hợp, phân giải trong cơ thể vi sinh vật diễn ra một cách bình thường. Dựa vào bản chất hoá học có thể chia enzim làm 2 loại: enzim đơn giản (tương ứng với protein đơn giản) và enzim phức tạp (ngoài phần protein còn có phần hữu cơ không protein gọi là nhóm thêm hay coenzim hay cofecmen). Dựa vào vị trí tác dụng của enzim đối với cơ thể vi sinh vật người ta chia enzim làm 2 loại, đó là enzim nội bào (endoenzim) và enzim ngoại bào (exoenzim). * Vitamin: rất nhiều vi sinh vật có khả năng tổng hợp vitamin. Sinh khối vi sinh vật thường chứa hầu hết các loại vitamin chủ yếu với hàm lượng cao. Nấm men thường chứa nhiều vitamin hơn các vi sinh vật khác. Phần lớn các loại coenzim là vitamin hoặc các dẫn xuất của vitamin. Vitamin rất cần thiết cho vi sinh vật. Vitamin được xem như là những chất xúc tác sinh học và một số lớn vitamin là nguyên liệu để cấu tạo enzim. Nhiều vitamin có vai trò rất quan trọng trong các quá trình oxy hoá khử và trong quá trình hoạt hoá axit amin. Nhiều vitamin tham gia 30
32. vào các coenzim có vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hoá vật chất như trong chu trình Krebs, trong quá trình quang hợp. * Sắc tố: một số vi sinh vật có khả năng tạo thành sắc tố, chẳng hạn các vi sinh vật tự dưỡng quang năng có chứa sắc tố quang hợp, ngoài sắc tố quang hợp còn có các loại sắc tố khác như: carotenoit, antoxianin, araquinon Các sắc tố quyết định màu sắc của khuẩn lạc khi nuôi cấy, ngoài ra sắc tố còn làm nhiệm vụ bảo vệ, giúp cho vi sinh vật tránh khỏi ảnh hưởng có hại của ánh sáng thường và ánh sáng tử ngoại. Một số loài vi sinh vật có sắc tố còn có khả năng sinh kháng sinh. 3. Các kiểu dinh dưỡng ở Vi sinh vật: Căn cứ vào nhu cầu của vi sinh vật, người ta có thể chia thức ăn của vi sinh vật làm 3 loại: - Thức ăn năng lượng: là thức ăn sau khi hấp thụ sẽ cung cấp cho vi sinh vật một số năng lượng cần thiết cho hoạt động sống, ví dụ: protein, gluxit, lipit - Thức ăn kiến tạo: là thức ăn sẽ tham gia xây dựng cấu trúc tế bào vi sinh vật. - Thức ăn đặc hiệu (yếu tố sinh trưởng): là những chất hữu cơ cần thiết đối với hoạt động sống mà một loại vi sinh vật nào đó không tự tổng hợp được. Căn cứ vào nguồn cacbon, nguồn năng lượng và nguồn chất nhận electron cuối cùng, người ta chia vi sinh vật thành các kiểu dinh dưỡng sau đây: * Căn cứ vào nguồn năng lượng: - Vi sinh vật quang năng (phototroph). - Vi sinh vật hoá năng (chemotroph). * Căn cứ vào nguồn cacbon: - Tự dưỡng cacbon (autotrophic). - Dị dưỡng cacbon (heterotrophic). * Căn cứ vào nguồn năng lượng và nguồn cacbon: - Tự dưỡng cacbon quang năng (photolitotroph). - Tự dưỡng cacbon hoá năng (chemolitotroph). - Dị dưỡng cacbon hoá năng (chemoorganotroph). a. Dinh dưỡng quang năng: Vi sinh vật dinh dưỡng quang năng nhờ có sắc tố quang hợp mà có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời và chuyển hoá thành năng lượng hoá học (tích luỹ trong ATP). Quá trình tạo thành ATP gắn liền với việc chuyển NAD từ dạng oxy hoá sang dạng khử. Hν (năng lượng mặt trời) ADP + Pvc ATP Sắc tố quang hợp NAD ox + RH2 NAD kh + R 31
33. Ở cây xanh sắc tố quang hợp là Chlorophil, RH2 là H2O và R là O2, trong khí đó ở vi khuẩn quang hợp RH2 không bao giờ là H2O và R không bao giờ là O2. RH2 là chất cung cấp H2 để khử CO2 thành hợp chất hữu cơ của tế bào. RH2 có thể là chất vô cơ hoặc hữu cơ. Vi sinh vật sử dụng 2 hợp chất này thuộc về 2 nhóm khác nhau: đó là nhóm dinh dưỡng quang năng vô cơ và nhóm dinh dưỡng quang năng hữu cơ. - Nhóm dinh dưỡng quang năng vô cơ: sử dụng chất vô cơ ngoại bào làm nguồn cung cấp điện tử (H), thông thường là H2S. Ví dụ: vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (họ Chlorobiaceae), vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (họ Chromotiaceae). - Nhóm dinh dưỡng quang năng hữu cơ: dùng chất hữu cơ ngoại bào để làm nguồn cung cấp điện tử như các axit hữu cơ, rượu hữu cơ. Nhóm này gồm một số vi khuẩn thuộc họ Rhodospirillaceae, ví dụ: Rhodospirillum rubrum (xoắn khuẩn màu hồng hay đỏ tía). (C, O) CO2 Sinh khối (H) RH2 R2 RH2 là chất cung cấp H2 để khử CO2 thành hợp chất hữu cơ của tế bào, RH2 có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ. b. Dinh dưỡng hoá năng: vi sinh vật dinh dưỡng hoá năng sử dụng năng lượng chứa trong các hợp chất hoá học. Tuỳ theo hợp chất hoá học người ta có thể chia vi sinh vật dinh dưỡng hoá năng làm 2 loại: * Dinh dưỡng hoá năng vô cơ: chất cho điện tử là chất vô cơ, chất nhận điện tử là oxy hoặc một chất vô cơ khác. (C) (O) CO2 Sinh khối H2M: hợp chất cho năng lượng. (H) Q Q: Năng lượng H2M 2M H2O ½(O2) (O) 32
34. Ví dụ: -Vi khuẩn Nitrosomonas có thể tiến hành quá trình sau: 2NH3 + 2O2 2HNO2 + 4H + Q CO2 + 4H + Q 1/6 (C6H12O6) + H2O. * Dinh dưỡng hoá năng hữu cơ: chất cho điện tử là chất hữu cơ, chất nhận điện tử là 0xy, chất hữu cơ hoặc chất vô cơ khác. Tuỳ theo chất nhận điện tử mà chia thành 3 kiểu trao đổi chất khác nhau: hô hấp hiếu khí, lên men (hô hấp kỵ khí) và hô hấp kỵ khí đặc biệt. Đa số vi sinh vật có kiểu dinh dưỡng này. Vi sinh vật Chất cho điện tử Chất nhận điện tử Vi sinh vật hiếu khí Chất hữu cơ O2 Vi sinh vật lên men Chất hữu cơ Chất hữu cơ Vi sinh vật kỵ khí đặc biệt: - - Vi khuẩn phản nitrat Chất hữu cơ NO3 2- - Vi khuẩn phản sunphat Chất hữu cơ SO4 c. Dinh dưỡng Cacbon: Cacbon chiểm tỷ lệ trên 50% khối lượng khô của vi sinh vật. Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng trong cấu trúc của tế bào vi sinh vật. Hợp chất cacbon là nguồn năng lượng quan trọng trong hoạt động sống. Tuỳ theo cách sử dụng nguồn cacbon người ta chia vi sinh vật thành 2 nhóm: tự dưỡng cacbon và dị dưỡng cacbon. * Tự dưỡng cacbon: vi sinh vật tự dưỡng cacbon là loại vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon tự nhiên từ hợp chất cacbon vô cơ như CO2 hoặc muối cacbonat. Quá trình sinh tổng hợp từ hợp chất cacbon này cần phải có năng lượng. Vi sinh vật có thể sử dụng 2 nguồn năng lượng khác nhau, đó là năng lượng ánh sáng mặt trời và năng lượng hoá học nhờ sự oxy hoá hợp chất vô cơ. Tuỳ theo nguồn năng lượng sử dụng mà người ta phân vi sinh vật thành 2 nhóm: tự dưỡng cacbon quang năng và tự dưỡng cacbon hoá năng. Ví dụ: các vi khuẩn có sắc tố như vi khuẩn S màu lục có chứa Bacteriochlorophil, vi khuẩn S màu tía có chứa sắc tố Bacterioviridin thuộc nhóm tự dưỡng quang năng, do có khả năng thực hiện phản ứng: nCO2 + nH2S (CH2O)n + nH2O + nS Vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn sắt thuộc nhóm tự dưỡng hoá năng: NH3 + 2O2 HNO3 + H2O + 66,5 Kcal 2FeCO3 + ½ O2 + 3H2 O 2Fe(OH)3 + 2CO2 + 40Kcal * Dị dưỡng cacbon: vi sinh vật dị dưỡng cacbon là những vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon từ các hợp chất hữu cơ có sẵn trong tự nhiên. Nguồn năng lượng mà nó thu được là do sự oxy hoá hoặc lên men các hợp chất hữu cơ này. d. Dinh dưỡng Nitơ: Nguồn thức ăn nitơ có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh + vật. Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất là NH4 và NH3. Chúng thâm nhập vào tế bào dễ dàng và trong tế bào chúng được chuyển hoá thành các nhóm imin và amin. Nguồn nitơ khó hấp thu hơn cả là nitơ trong không khí. Để sử dụng nguồn nitơ này vi sinh 33
35. vật phải khử thành NH3. Cùng với nguồn nitơ vô cơ, một số vi sinh vật có khả năng sử dụng nitơ trong các hợp chất hữu cơ. Việc sử dụng nguồn nitơ hữu cơ thường gắn liền với sự tách nhóm NH3 ra. Do đó có thể coi NH3 là trung tâm của tất cả các con đường dinh dưỡng nitơ. Tuỳ theo nguồn nitơ được sử dụng, người ta chia vi sinh vật thành 2 nhóm: - Vi sinh vật tự dưỡng amin: là nhóm vi sinh vật tự tổng hợp nitơ từ những nguồn nitơ vô cơ hay hữu cơ chuyển hoá thành dạng NH3 để xây dựng cơ thể. Ví dụ: vi sinh vật cố định nitơ, vi sinh vật amon hoá. - Vi sinh vật dị dưỡng amin: là nhóm vi sinh vật xây dựng protein, nguyên sinh chất của mình từ axit amin có sẵn. Axit amin được sử dụng một cách nguyên vẹn không bị phân giải thành NH3. e. Dinh dưỡng khoáng: (Xem phần các nguyên tố khoáng). 4. Cơ chế xâm nhập thức ăn qua màng tế bào vi sinh vật: Để sinh trưởng và phát triển, tế bào vi sinh vật phải thường xuyên trao đổi chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Giữa môi trường và tế bào tồn tại một hàng rào thẩm thấu, hàng rào này chính là màng nguyên sinh chất lipoprotein. Màng nguyên sinh chất có khả năng điều chỉnh tinh vi sự ra vào của các chất khác nhau. Sự vận chuyển các chất qua màng tế bào tuân theo một trong hai cơ chế: a. Cơ chế khuếch tán thụ động (khuếch tán đơn giản): Theo cơ chế này các chất đi qua màng nguyên sinh chất nhờ sự chênh lệch nồng độ (trong trường hợp các chất không điện phân) hay chênh lệch điện thế (trong trường hợp các ion) ở hai phía của màng. Sự vận chuyển này không đòi hỏi năng lượng. Tuy nhiên trong thực tế, chỉ có nước, một số chất khí (CO2, O2), axit béo và một số chất tan trong lipit vận chuyển theo cơ chế này. Đa số các chất hoà tan đi qua màng tuân theo cơ chế vận chuyển đặc biệt. b. Cơ chế vận chuyển đặc biệt (vận chuyển tích cực/chuyển hoá không gian đặc biệt/khuếch tán xúc tiến): Theo cơ chế này, các chất hoà tan muốn đi qua màng nguyên sinh chất trước hết nó phải liên kết với một enzim vận chuyển nằm trên màng nguyên sinh chất, gọi là pecmeaza (protein thấm), sau đó nó được chuyển vào bề mặt bên trong của màng, từ đây các phân tử chất hoà tan được chuyển vào nguyên sinh chất. Sự vận chuyển các chất nhờ pecmeaza có thể là thụ động (không cần năng lượng), hoặc chủ động (cần năng lượng). - Theo cơ chế vận chuyển tích cực thụ động, chất hoà tan liên kết thuận nghịch vào một vị trí đặc biệt trên phân tử pecmeaza nằm ở bên trong màng (có thể ở các lỗ của màng). Phức hợp “chất hoà tan – pecmeaza” được vận chuyển theo cả hai phía của màng nhờ sự chênh lệch nồng độ của một chất nào đó, sự vận chuyển này còn gọi là vận chuyển “xuôi dòng”. - Đối với cơ chế vận chuyển tích cực chủ động: các chất sau khi liên kết với pecmeaza, mặc dù đã có sự chênh lệch nồng độ, nhưng vẫn không đi qua được màng tế bào, khi đó bắt buộc tế bào phải tiêu tốn một số năng lượng nhất định để 34
36. chuyển các chất này vào trong tế bào mặc dù nồng độ của chất này bên trong tế bào cao hơn nhiều so với bên ngoài (chẳng hạn nồng độ K+) . Sơ đồ vận chuyển các chất qua màng theo cơ chế vận chuyển tích cực: Phía trong Màng Phía ngoài S P P S PS PS ATP ADP + Pvc Pi P S S “hoạt hoá lại” * Kiểu chuyển dịch nhóm: kiểu này thường gặp ở sự vận chuyển đường của vi khuẩn. Ở vi khuẩn, hầu hết sự vận chuyển đường do hệ thống photphotranferaza đảm nhận. Hệ thống này bao gồm 2 enzim (E1 và E2) và 1 prôtein vận chuyển bền nhiệt (HPr = Heast- stable carrier protein) có khối lượng phân tử thấp. Theo kiểu vận chuyển này, trước hết E1 chuyển photphat từ photphoenolpiruvat (PEP) đến HPr: E1 HPr + PEP HPr-P + Piruvat Sau đó E2 chuyển photphat từ HPr-P đến C6 của đường đơn. Chú ý: E1 chung cho nhiều loại đường, E2 đặc trưng cho từng loại đường. Ngoài màng Trên màng tế bào chất Trong màng E2 glucoza Glucoza PrH E1 PEP E2 – glucoza PrH-P Piruvat II. Sự trao đổi năng lượng: 1. Khái niệm: Các quá trình Oxyhoá - phân huỷ kèm theo việc giải phóng năng lượng cần thiết cho hoạt động sống gọi là quá trình trao đổi năng lượng. Ở động vật và thực vật bậc cao các quá trình này thường xảy ra với cơ chất là các chất dự trữ của cơ thể (protein, gluxit, lipit) nhưng ở vi sinh vật do số lượng các chất dự trữ thường rất nhỏ, vì thế chúng phải sử dụng chủ yếu là các hợp chất lấy từ môi trường xung quanh. 35
37. 2. Các loại hình hô hấp ở vi sinh vật: Trong tự nhiên, các vi sinh vật lấy năng lượng từ quá trình oxy hoá – phân huỷ các chất, các nhóm vi sinh vật khác nhau thì quá trình oxy hoá cũng khác nhau. Hô hấp là quá trình oxy hoá khử sinh học các cơ chất của cơ thể để sinh ra năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động sống của cơ thể. Căn cứ vào điều kiện có oxy hay không có oxy và nguồn chất nhận điện tử cuối cùng người ta chia vi sinh vật thành 3 loại hình hô hấp: - Hô hấp hiếu khí: xảy ra trong điều kiện có oxy không khí, chất nhận điện tử cuối cùng là oxy. - Hô hấp kỵ khí (lên men): xảy ra trong điều kiện không có oxy, chất nhận điện tử là các hợp chất hữu cơ trung gian. - Hô hấp kỵ khí đặc biệt: xảy ra trong điều kiện không có oxy, chất nhận điện tử là các chất vô cơ (nitrat/ sunphat). Cơ chất của hô hấp là các hợp chất hữu cơ, trong đó phổ biến nhất là glucoza. Trong điều kiện kỵ khí glucoza được phân giải theo 3 con đường: - Con đường EMP (Embden – Meyerhof – Parnas): trong điều kiện có O2 hay không có O2, glucoza đều được chuyển hoá thành axit piruvic theo sơ đồ sau: Glucoza ATP ADP Glucozo-6-photphat Fructozo-6-photphat ATP ADP Fructozo-1,6-di photphat Aldolaza 36
38. Dioxyaxetonphotphat Triozophotphatizomeraza 3P-glyxeraldehyt NAD+ NAD+ H3PO4 NADH2 NADH2 α – glyxerophotphat Axit-1,3 di- photphoglyxeric ADP ATP Glyxerin + H3PO4 Axit photphotphoenolpiruvic Axit-2P-glyxeric Axit-3- photphoglyxeric ADP H2O ATP Axit piruvic Phương trình chung: + Glucoza - 2 ATP + 2 NAD 2 pyruvat + 4 ATP + 2 NADH2 - Con đường HMP (Hexo-mono photphat)/ con đường pentozophotphat/ Chu trình Warburg – Pickens: con đường này giúp cho nhiều vi khuẩn chuyển hoá glucoza thành axit piruvic không qua con đường EMP (do bị đột biến thiếu một vài en zim của con đường này), đồng thời con đường này cung cấp cho tế bào 2 tiền chất khác là ribozơ – 5 photphat (dùng để tổng hợp axit nucleic) và eritrozơ - 4 photphat (cùng PEP để tổng hợp axit amin thơm), ngoài ra con đường này còn cung cấp NADPH cần cho các phản ứng tổng hợp khử.Con đường HMP có sơ đồ sau: Glucoza ATP ADP Glucozo-6P NADP+ NADPH2 37
39. Fructozo-6P 6P- Gluconat 3P-glyxeraldehyt CO2 CO2 Fructozo 6P Xilulozo-5P CO2 Xilulo zo-5P Eritrozo-4-photphat Ribulozo-5P Xedoheptulozo-7 photphat 3- photphoglyxeraldehyt Phương trình chung: 3 Hexozo-6-photphat + 6 NADP+ 2 hexozo-6-photphat + triozo-3-photphat + 3 CO2 + 6 NADPH2 - Con đường ED (Entner Doudoroff)/ Con đường 2 – Keto – 3 deoxy – 6 photpho gluconat (KDPG): con đường này chỉ gặp ở một số vi khuẩn, ví dụ như Pseudomonas. Con đường ED có sơ đồ sau: + ATP ADP NADP NADPH2 Glucoza Glucozo-6P Axit-6P- gluconic H2O 38
40. Axit-2ceto- 3dezoxy-6Pgluconic Axit piruvic 3- photphoglyxeraldehyt EMP Axit piruvic Phương trình chung: Glucoza + ATP + NADP+ + NAD+ 2 pyruvat + 2ATP + NADPH2 + NADH2 Trong 3 con đường trên thì con đường EMP phổ biến hơn cả. Tỷ lệ phân giải đường của các loài vi sinh vật khác nhau không giống nhau. TỶ LỆ PHÂN GIẢI ĐƯỜNG THEO CÁC CON ĐƯỜNG Ở MỘT SỐ LOÀI VI SINH VẬT Vi sinh vật EMP (%) HMP (%) ED (%) Saccharomyces cerevisiae 88 12 - Candida utilis 66 – 81 19 – 34 - Streptomyces griseus 97 3 - Penicillium chrysogenum 77 23 - Bacillus subtilis 74 26 - Sarcina lutea 70 30 - Gluconobacter oxydans - 100 - Pseudomonas aeruginosa - 29 71 Alcaligenes eutrophus - - 100 Pseudomonas saccharophila - - 100 Ngoài glucozara, vi sinh vật còn có thể sử dụng nhiều loại đường khác nhau để làm nguồn sinh năng lượng. - Các đường đơn cũng giống như gluco trước hết phải trải qua giai đoạn photphorin hoá, ví dụ: + Fructoza Fructozo 6P chu trình EMP + Mannoza Mannozo 6P Fructozo 6P EMP 39
41. - Các trisacarit và oligosacarit trước khi sử dụng cũng được vi sinh vật thuỷ phân thành monosacarit. a. Hô hấp hiếu khí (chu trình Krebs/ chu trình ATC): Axit piruvic được hình thành từ một trong những con đường phân giải đường nói trên sẽ được rất nhiều vi sinh vật oxy hoá triệt để thông qua chu trình Krebs để tạo thành CO2 và nước. Sự oxy hoá trong hô hấp hiếu khí thực chất là sự vận chuyển hydrro từ cơ chất đến vật tiếp nhận. Ở đây oxy là vật tiếp nhận, hydro từ cơ chất không trực tiếp kết hợp ngay với oxy mà được vận chuyển qua nhiều chặng đường nhờ hệ thống vận chuyển xitocrom. H+ được chuyển đến O2- tạo thành nước và toả từ từ năng lượng cung cấp cho hoạt động sống của vi sinh vật. Quá trình phân giải hoàn toàn một phân tử glucoza thành CO2 và H2O sản sinh ra 38 phân tử ATP. b. Hô hấp kỵ khí (lên men): Đối với vi sinh vật kỵ khí thì quá trình oxy hoá sinh năng lượng không kèm theo việc liên kết với oxy của không khí. Trong điều kiện không có oxy không khí, chất hữu cơ vừa làm nhiệm vụ chất cho điện tử, vừa làm nhiệm vụ chất nhận điện tử. Kết quả là một phần cơ chất bị khử, còn một phần khác bị oxy hoá. Trong quá trong lên men, quá trình oxy hoá là do sự tách hydro ra khỏi cơ chất, hydro được tách ra có thể được thải ra dưới dạng khí hoặc liên kết ngay với các sản phẩm phân giải của chính chất hữu cơ đó. Sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men rất khác nhau tuỳ theo từng loại vi sinh vật, ngoài CO2 còn có các chất khác như rượu, axit hữu cơ, andehyt, xeton. Về năng lượng: các quá trình lên men khác nhau cũng sản sinh ra năng lượng không như nhau, ví dụ: lên men rượu sinh ra 28,2 kcalo, lên men lactic sinh ra 18 kcalo, lên men butyric sinh ra 15 kcalo c. Hô hấp kỵ khí đặc biệt (hô hấp nitrat, hô hấp sunphat): Hô hấp kỵ khí đặc biệt giống với quá trình hô hấp hiếu khí ở chỗ chất nhận hydro là chất vô cơ, nhưng khác ở chỗ chất nhận hydro ở hô hấp hiếu khí là oxy không khí còn ở hô hấp kỵ khí đặc biệt là nitrat hoặc sunphat. Trong quá trình hô hấp nitrat và nhất là trong quá trình phản nitrat hoá, cơ chất hữu cơ sẽ được oxy hoá hoàn toàn đến CO2 và H2 O, do đó năng lượng sinh ra chỉ nhỏ hơn hô hấp hiếu khí khoảng 10%. Trong hô hấp sunphat cơ chất hữu cơ thường không được oxy hoá triệt để nên năng lượng sinh ra không nhiều. III. Sự trao đối chất : 1. Khái niệm chung: Toàn bộ các hoạt động hoá học trong cơ thể nhằm đảm bảo cho cơ thể sinh trưởng, phát triển thì gọi là quá trình trao đổi chất. Trao đổi chất được chia thành 2 phần lớn: tổng hợp và phân giải. Trong trao đổi chất của vi sinh vật chúng ta chủ yếu tìm hiểu quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ chứa nitơ và không chứa nitơ. 2. Quá trình chuyển hoá các hợp chất không chứa nitơ: a. Chu trình chuyển hoá các bon trong tự nhiên: CO2 không khí và nước Hô hấp Hô hấp 40
42. Quang hợp Đốt cháy Quang hợp Thực vật trên cạn Khu công nghiệp Thực vật thuỷ sinh Hô hấp CO2 được hình thành do VSV phân giải xác động, thực vật Cơ thể động vật Than đá, dầu hoả, khí đốt Trong không khí cacbon tồn tại dưới dạng khí CO2 và chiếm khoảng 0,03% so với không khí. Tỷ lệ này khá ổn định và vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tỷ lệ CO2. Hàng năm, lượng CO2 trong không khí bị mất đi với một số lượng rất lớn do sự quang hợp của cây xanh. Người ta ước tính nếu không có sự bù trả lại CO2 cho không khí thì số lượng CO2 trong không khí chỉ đủ để cung cấp cho quang hợp của cây xanh trong vòng 40 năm. Nhưng trong thực tế, song song với sự mất CO2 trong không khí do quá trình quang hợp luôn luôn có một lượng CO2 gần như vậy được sinh ra do quá trình hô hấp, quá trình đốt cháy nhiên liệu, đun nấu, quá trình phân giải các xác hữu cơ nhờ vi sinh vật và quá trình hoạt động của núi lửa. Riêng đối với vi sinh vật, chúng ta thấy rằng do tốc độ sinh sôi nảy nở rất nhanh chóng, với tính đa dạng về mặt sinh lý và khả năng trao đổi chất mạnh mẽ, vi sinh vật có vai trò to lớn trong việc thực hiện vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên. Nhiều nghiên cứu đã khẳng định 90% lượng CO2 bù trả cho không khí là nhờ vi sinh vật. Dưới tác dụng của vi sinh vật, tất cả hợp chất hữu cơ chứa cacbon đều bị phân giải: - Nếu có O2 thì sự phân giải tiến hành theo con đường oxy hoá triệt để, tạo thành sản phẩm là CO2 và nước. - Nếu không có O2 thì sự phân giải tiến hành theo con đường oxy hoá kỵ khí hay còn gọi là quá trình lên men. Tốc độ phân giải và chiều hướng phân giải các hợp chất hữu cơ phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, loại hình vi sinh vật và điều kiện ngoại cảnh. Sau đây chúng ta xét một số quá trình lên men và oxy hoá chủ yếu. b. Các quá trình lên men: 41
43. Lên men là quá trình phân giải hydrat cacbon trong điều kiện kỵ khí. Đây là quá trình oxy hoá khử cơ chất mà kết quả là một phần cơ chất bị khử còn một phần khác thì lại bị oxy hoá. Oxy phân tử không tham gia vào quá trình oxy hoá, sở dĩ ở đây có quá trình oxy hoá là do hidro được tách ra khỏi cơ chất. Hidro được tách ra có thể được tách ra dưới dạng khí hoặc có thể lại được liên kết ngay với chính sản phẩm phân giải của cơ chất hữu cơ đó. Năng lượng sinh ra trong quá trình lên men sẽ chi phí một phần cho các phản ứng khử, ngoài ra còn được tích luỹ lại trong liên kết cao năng. Sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men ngoài CO2 còn có cả những hợp chất cacbon chưa được oxy hoá hoàn toàn như rượu, axit hữu cơ, aldehyt, xeton. Tất cả các quá trình lên men đều bắt đầu từ sự phân giải đường trong điều kiện kỵ khí theo con đường EMP để tạo thành axit piruvic. Việc chuyển hoá từ axit piruvic trở đi ở các nhóm vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Người ta thường dùng tên của sản phẩm điển hình sinh ra trong quá trình lên men để gọi tên của quá trình lên men đó. Ví dụ: - Lên men rượu, sản phẩm chủ yếu là rượu etylic. - Lên men lactic sản phẩm chủ yéu là axít lactic. Cơ chế chung của một số quá trình lên men quan trọng có thể trình bày bằng sơ đồ sau: GLUCOZA Nấm men ATP H CO2 H VK lactic Axit lactic AXIT PIRUVIC Axetaldehit Etanol CO2 H VK propionic Nhóm VK đường ruột Nhóm VK Clostridium Axit oxaloaxetic Axetyl CoA + HCOOH Axetyl CoA + H2 + CO2 H H ATP ATP H2 CO2 Axetoaxetyl CoA Axit axetic Axit sucxinic Axit axetic Etanol 42
44. CO2 CO2 CO2 Axit butiric Axeton Axit propionic Axetoin ATP H Butanol Izopropanol Butadion * Quá trình lên men etylic (lên men rượu): Quá trình lên men rượu là quá trình chuyển hoá đường glucoza thành rượu etylic và CO2, đồng thời làm sản sinh ra một số năng lượng xác định dưới tác dụng của hệ thống enzim của một số vi sinh vật. Tác nhân lên men rượu chủ yếu là các nấm men, đặc biệt là các nòi Saccharomyces cerevisiae. Nhiều loài vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí không bắt buộc cũng có khả năng tạo thành rượu như là một sản phẩm chủ yếu hoặc sản phẩm phụ của quá trình lên men các hexoza hay pentoza. - Lên men rượu nhờ nấm men: Trong quá trình này glucoza được chuyển hoá thành axit piruvic theo con đường EMP, sau đó axit piruvic sẽ bị decacboxyl hoá thành axetaldehyt và axetaldehyt tiếp tục bị khử thành rượu etylic. Cơ chế tóm tắt của quá trình lên men rượu: Glucoza 2CH3CH2OH EMP NAD+ NADH2 2CH3 COCOOH pyruvatdecacboxylaza 2CH3CHO CO2 Nếu cơ chất là các sản phẩm khác như tinh bột, xenluloza thì quá trình sẽ có 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu là sự phân giải các chất này thành glucoza nhờ các nhóm vi sinh vật phân giải tinh bột và xenluloza, sau đó glucoza được chuyển hoá thành rượu nhờ nấm men. Quá trình lên men rượu được ứng dụng để sản xuất rượu, bia và đồ uống có gaz, làm nở bột mỳ. Tuỳ theo nguyên liệu và quá trình lên men, quy trình tinh chế 43
45. (cất hay không cất, pha hay không pha) mà người ta có thể làm ra nhiều loại đồ uống khác nhau có chứa rượu etylic. - Hiệu ứng Pasteur: là sự ức chế quá trình lên men rượu khi có mặt của oxy. Hiện tượng này được Pastuer phát hiện đầu tiên, ông nhận thấy trong quá trình lên men rượu, khi sục oxy vào thì việc tích luỹ rượu bị ngừng lại và nhu cầu glucoza bị giảm đi, quá trình đường phân EMP bị đình chỉ, lúc đó vi sinh vật tăng cường quá trình hô hấp. Như vậy hiệu ứng Pasteur thể hiện tính kinh tế trong sự trao đổi chất oxy hoá. - Sự tạo thành glyxerin trong lên men rượu: trong quá trình lên men rượu thường sinh ra một ít glyxerin, tuy nhiên nếu trong môi trường kiềm (pH = 8) lượng glyxerin sinh ra sẽ tăng lên rất nhiều và trở thành một trong những sản phẩm chủ yếu: 2C6H12O6 + H2O = CH3COOH + CH3CH2OH + 2CH2OHCHOHCH2OH + 2CO2 Lượng glyxerin càng sinh ra nhiều hơn nữa nếu quá trình lên men xảy ra với sự có mặt của NaHSO3. Trong trường hợp này axetaldehyt sẽ liên kết với NaHSO3 nên không bị khử thành rượu nữa. Sản phẩm lên men chỉ là glixerin, CO2 và axetalsunphonat natri. - Lên men rượu nhờ vi khuẩn: trong các vi khuẩn lên men rượu chỉ ở Sarcina ventriculi người ta mới tìm thấy con đường tạo thành etylic theo kiểu của nấm men (phân giải đường theo con đường EMP). Còn ở Zygomonas mobilis glucoza được phân giải theo con đường ED. Trong quá trình lên men của một số vi khuẩn đường ruột và Clostridium, rượu được hình thành như là một sản phẩm phụ của quá trình lên men. Song tiền chất của etylic tức axetaldehyt không được giải phóng trực tiếp từ axit piruvic nhờ piruvatdecacboxylaza mà nhờ phản ứng khử axetyl photphat. * Quá trình lên men lactic: Lên men laitic là quá trình chuyển hoá glucoza thành axit lactic trong điều kiện kỵ khí. Có hai kiểu lên men lactic: lên men lactic đồng hình và lên men lactic dị hình. - Lên men lactic đồng hình sản phẩm tạo thành là axit lactic (90%), 1 ít CO2 và axit acetic. - Lên men lactic dị hình, ngoài axit lactic còn có axit axetic, etylic, CO2 và glyxerin. Tuy nhiên chỉ có lên men lactic đồng hình là có ý nghĩa về mặt công nghiệp. Cơ chế của quá trình lên men lactic như sau: Glucoza Glucoza EMP HMP Axit lactic Axit lactic 3P – glyxeraldehyt NAD+ NAD+ 44
46. EMP NADH2 NADH2 Axit piruvic Axit piruvic Lên men lactic đồng hình Lên men lactic dị hình Các vi khuẩn lên men lactic đồng hình phân giải glucoza theo con đường EMP, nhưng các vi khuẩn lên men lactic dị hình do thiếu các enzim chủ yếu của con đường EMP, đó là aldolaza và triozophotphatizomeraza, vì thế giai đoạn đầu của sự phân giải glucoza theo con đường HMP, sau khi tạo thành 3 P glyxeraldehyt thì mới đi vào đoạn cuối của con đường EMP để tạo thành axit piruvic. Vi khuẩn len men lactic đồng hình là: Streptococcus lactis, Streptococcus cremosis, và các loài trong 2 giống phụ Streptobacterim, Thermobacterium, thuộc giống Lactobacterium. Vi khuẩn lên men lactic dị hình là: Streptococcus citrovorus, Streptococcus paracitrovorus, Streptococcus diaxetilactis. Tất cả những loài này thuộc giống phụ β Bacterium, thuộc giống Lactobacterium. Vi khuẩn lactic ở nhiệt độ cao thường sinh trưởng, phát triển tốt, nhưng để thuận lợi cho quá trình lên men nhiệt độ thông thường từ 20 – 450C và pH = 4 – 8. Vi khuẩn lactic ít gặp trong đất và nước, chúng thường phát triển ở những nơi nhiều chất hữu cơ phức tạp như trên xác thực vật, sữa. *Ứng dụng quá trình lên men lactic: vi khuẩn lactic được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến sữa, chế biến rau quả, thực phẩm như: làm sữa chua; muối dưa, cà, tôm chua, làm nem, tré ; ủ chua thức ăn cho gia súc hoặc để sản xuất axit lactic và các loại muối lactat. Axit lactic là nguyên liệu rất cần thiết của công nghiệp thuộc da (làm mềm và làm nở da), công nghiệp dệt (nhuộm, in), công nghiệp tổng hợp chất dẻo, công nghiệp thực phẩm. Lactat canxi là loại dược phẩm nhằm bổ sung canxi dưới dạng dễ hấp thu cho cơ thể. Lactat sắt dùng để chữa bệnh thiếu máu. Lactat đồng dùng làm dung môi *Quá trình lên men metan: Vi khuẩn sinh metan là nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, chúng có khả năng chuyển hoá chất hữu cơ thành CH4, CO2 và một số axit hữu cơ khác. Quá trình này có thể chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn đầu là sự phân giải các hợp chất hữu cơ thành các axit hữu cơ, axit béo, rượu hữu cơ và CO2. Giai đoạn hai là giai đoạn chuyển hoá rượu, CO2 thành CH4. Sự hình thành CH4 có thể theo nhiều đường hướng khác nhau.Ví dụ: CH3COOH CH3OH + CO2 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O hoặc 2CH3CH2OH + CO2 2CH3 COOH + CH4 2C5H7CH2OH + CO2 C3H7 COOH + CH4 45