Tài liệu Vi sinh vật học

NGUYỄN LÂN DŨNG NGUYỄN ĐINH QUYÉN PHẠM VĂN TY M ' ề Ị NHÀ XUẤT BAN GIẢO DUC NGUYÊN LÂN DŨNG (chủ biên) NGUYỄN ĐÌNH QUYÊN - PHẠM VĂN TY VI SINH VẬT HỌC (Tái bản lẩn thứ nấm) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC 1302 / 4 5 - 0 2 Mã số: 7K180T3 - CHUƠNG I Mỏ ĐẦU 1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT Vi sinh vật (m icroorganism s) là tên gọi chung để chi tấ t cả các sinh vật có hình thể bé nhỏ, muốn thấy rõ được người ta phải sử dụng tới kính hiển vi. V irut (virus) là nhóm vi sinh v ật đậc biệt, chúng nhỏ bé tới mức chỉ có th ể quan sát được qua kính hiển vi điện tử (electron microscope). V irut chưa cd cả cấu trú c tế bào Các vi sinh vật khác thường là đơn bào hoặc đa bào như ng có cấu trúc đơn giản và :hưa phân hóa thành các cơ quan sinh dưỡng (vegetative organs). Vi sinh vật không phải là m ột nhóm riêng biệt tro n g sinh giới. Chúng thậm chí thuic vể nhiều giới (kingdom) sinh vật khác nhau. Giữa các nhdm ctí th ể không có quai hệ m ật th iế t với nhau. Chúng có chung những đặc điểm sau đây : 1.1. K ích th ư ớ c n h ỏ bé. M át con người khđ thấy được rỗ những vật nhỏ hơn lm n Vậy mà vi sinh vật thường được đo bàng m icrom et (um, m icrom etre), virut thiong được đo bằng nanom et (nm, nanom etre). l//m = 10 3mm ; lnm = 10 6mm, 1Ẵ (angstrom ) = 10_7mm. Vỉ vi sinh vật cd kícl thước nhỏ bé cho nên diện tích bể m ặt của m ột tậ p đoàn vi sinh vật hết sức lớn. Chảig hạn số lượng cấu khuẩn chiếm th ể tích lc m 3 cd diện tích bể m ặt là 6m2. 1.2. H ấ p th u n h iề u , c h u y ể n h ó a n h a n h . Vi sinh v ật tuy nhỏ bé nhất trong sinh giới nhưng nàng lực hấp thu và chuyển hđa của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao Chẳng hạn vi khuẩn lactic (Lactobacillus) tro n g 1 giờ ctí th ể phân giải một luợng đường lactozơ n ặ n g hơn 1000 - 10000 lấn khổi lượng của chúng. Nếu tín ỉ số ụ\ 0 2 mà mỗi mg c h ấ t khô của cơ th ể sinh v ậ t tiêu hao tro n g 1 giờ (biểu thị à ) thỉ ở mô lá hoặc mỗ rễ thực vật là 0,5 - 4, ở tổ chức gan và thận động 2 vật là 10 - 20, còn ở nấm m en rượu (Sacharomyces cerevisiae) là 110, ở vi khuẩn thu ở một số vi khuẩn cđ sai khác rấ t lớn so vớí ở đa só các vi khuẩn khác, quá trinh địich mâ khổng chịu tác dụng của cloramphenicol nhưng lại bị ức chế bởi độc tố củai vi khuẩn bạch háu. ô n g xếp chúng thành m ột lĩnh vực (domain) riêng gọi là linh vực (Cổ khuẩn (Archae). Như vậy là hệ thổng phân loại sinh giới của Woese lại chỉ cđ 3 llĩmh vực là Sinh vật nhân th ậ t (Eukaryota), Vi khuẩn (Bacteria) và Cổ khuẩn (Archiaie). Theo W hittaker thỉ Cổ khuẩn vẫn thuộc vé giới Khởi sinh. Cổ m ột vấn đẽ còn chưa đủ căn cứ để xét đoán. Đtí là việc virut và phagơ Chiay bacteriophagơ, th ể thực khuẩn) là những dạng tiến hđa thấp cổ xưa hay là do các dtạmg tiến hđa cao bị thoái hđa đi mà tạo thành. Đáng chú ý là vi sinh vật tuy rất đơn giản vé hỉnh thái nhưng lại bao gổm các nhicđm cđ đặc điểm sinh lí khác biệt nhau rất xa (hiếu khí, kị khí, dị dưỡng, tự dưỡng, hoại Sỉimh, kí sinh, cộng sinh...). Trong khi ở các sinh vật bậc cao (thực vật, động vật) tuy cd bilinh thái khác nhau rất xa nhưng lại rất gán gũi với nhau vé đặc điểm sinh lí. • 6 3. ĐẶC ĐIỂM CỦA SINH VẬT NHÂN NGUYÊN THỦY VÀ SINH VẬT NHÂN THẬT Sinh vật nhân nguyên thủy (Prokaryota) khác biệt với sinh vật nhân th ậ t (Eukaryota) ở các đặc điểm chủ yếu được trìn h bày trong bảng sau đây : H ệ thống di truyền : - Vị trí Prokaryota E ukaryota Thể nhân (nucleoid) N hân (nucleus) Ti th ể (mitochondria) Lục lạp (chloroplasts) - Cẫu trúc của nhân M àng nhân Số lượng nhiễm sác thể - 1 Nhiễm sác th ể chứa histon P hân bào giảm nhiễm - Sinh sàn hữu tín h : Cơ chế hình thành hợp tử Bản chất của hợp tử Hê thống tồng hợp protein : Đậc điểm của riboxom Cáu trúc trong tế bào chát : Ti thể Lục lạp Lizoxom Thể Golgi Mạng lưới nội chất (endoplasmic reticulum ) Hệ thống Ống nhỏ (m icrotubular systems) Không bào th ậ t (true vacuoles) - cđ màng bao bạc + > 1 - + — + Tiếp hợp (conjugation) Biến nạp (transformation) Tải nạp (transduction) Tiếp hợp Lưỡng bội một phấn (chỉ cổ lưỡng bội đáy đủ khi tiếp hợp) Lưỡng bội (diploid) 70S (đơn vị Svedberg) 80S (tế bào chất) 70S (cơ quan tử), bào quan - + - hoặc + + (chưa chác tất cà) + - - - + - + - + # 7 Các cáu trúc phức ngoài của tế bào - Màng tế bàò chất Chúa sterol Chứa một phẩn bộ máy hổ hấp và quang hợp - Thành tế bào Mức độ gặp Chứa peptidoglican (peptidoglican, m urein) - Cơ quan chuyển vận Tiên mao (flagella) chứa 9+2 Ống nhỏ (m icrotubules), b át nguón từ h ạt giữa (trung tử, centriole) Tiên mao khổng như trên Chân giả (pseudopodia) - (ở vi khuẩn lam và Mycoplasma cd với nóng độ thấp) + (không có ở vi khuẩn m àu lục) H áu như phổ biến Chỉ ở một số nhómi + (một số nhổm) ở m ột só vi khuẩn + (một số nhóm) 4. VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG Tự NHIÊN VÀ TRONG NẾN KINH TẾ Q uốc DÂN Vi sinh vật sống ở kháp mọi nơi trôn T rái Đ ất : từ đỉnh núi cao đến tận đáy biiển sâu, trong không khí, trong đát, trong hẩm mỏ, trong sông ngòi, ao hổ, trén da, trcnng từng bộ phận của cơ th ể người, động vật, thực vật, trong các sản phẩm lương thiực, thực phẩm, vật liệu, hàng hđa... Ngay cả trong những nơi m à điểu kiện sống tưởing chừng hết sức khác nghiệt vẫn thấy có sự phát triể n của vi sinh vật. Vi khm ẩn P8eudomona8 bathycetes sống được ở đáy đại dương, nơi ctí áp su ấ t tới 1000 atm và nhiệt độ thường xuyên chi vào khoảng 3°c. Vi khuẩn Sulfolobus acidocaldarius phhát triể n m ột cách bỉnh thường ở nhiệt độ 85 - 90°c. Vi khuẩn Thiobacillus ferroxidains phát triể n trong các dung dịch ở mỏ sát cđ độ pH = 1 - 2. Vi khuân Streptococccus faecalÌ8 lại ctí th ể p h át triể n tđt ở môi trường ctí pH = 10 - 11. Vi khuẩn ưa m iặn thuộc các chi Halobactèrium, Halococcus phát triể n được cả tro n g các dung dịch bbão hòa muối (32% NaCl). Nhiều loài nấm men p h át triể n được tro n g m ật ong. Cd cả những vi sinh vật cđ khả năng đổng hđa dẩu mỏ, phenol, khí thiên nhiên... Trong lg đát lăy ở tần g canh tác thường ctí 1 - 22 ti vi khuấn ; 0,5 - 14 trriệu xạ khuẩn ; 3 - 50 triệu vi nấm ; 1 0 - 3 0 nghỉn vi tảo... Trong lm 3 không khí pbhía trên chuóng gia súc thường cd 1 - 2 triệu vi sinh vật, trên đường phố cd khoảng 50000, nhưng trôn m ặt biển chỉ có khoảng 1 - 2 vi sinh vật m à thôi. Vi sinh vật sống trong đất và trong nước tham gia tích cực vào quá trin h phnân giải các xác hữu cơ, biến chúng thành C 0 2 và các hợp chất vô cơ dùng làm thức ân cho cây trổng (P, K, s, Ca...). Các vi sinh vật cố định nitơ thực hiện việc biến kkhí nitơ (N2) trong khống khí th àn h hợp chất nitơ (NH3, NH*) cung cấp cho cây cối. Số 8 lượng nitơ mà mỗi nàm cây trổng thu nhận được nhờ con đường này nhiều gấp 3 lấn so với tổng số phân nitơ hda học được sàn xuất ra trên th ế giới. Vi sinh vật có khà nàng phân giải các hợp chất khđ tan chứa p, chứa K, chứa s và tạo ra các vòng tuấn hoàn trong tự nhiên. Chúng ta sẽ hiểu rố hơn vé các vòng tuẩn hoàn này ở chương IX. Vi sinh vật sống tro n g đất và trong nước còn tham gia vào quá trỉnh hỉnh thành chất mùn. Trong đát, chất mùn là kho dự trữ thức ăn cho cây trổng và là yếu tố kết dính để tạo ra cấu tượng của đất. Đ ất cđ cấu tượng là đ ất có đủ điểu kiện thích hợp vể độ ẩm, vể không khí, vẽ chất hữu cơ đổi với cây trổng. Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc phân giải các phế thải nông nghiệp, phế thài đô thị, phế thải công nghiệp và vỉ vậy cò vai trò hết sức quan trọng trong việc bảo vệ môi trường. T ất nhiên các vi sinh vật gây bệnh thì lại tham gia vào việc làm ô nhiễm môi trường ở những nơi cđ điéu kiện vệ sinh kém. Vi sinh vật cổ vai trò quan trọng trong ngành năng lượng. Năm 1990 người ta thống kê thấy nhân loại mỏi năm đã tiêu dùng một lượng sinh khối hđa thạch (dáu mỏ, khí đốt, than đá) tín h theo bình quân đáu người lớn hơn 25 lấn so với khối lượng bản th ân của họ. Chúng ta biết ràng các năng lượng hổa thạch được tái sinh với tốc độ hết sức chậm. T rong khi đổ năng lượng hổa thạch đang chiếm trên 90% năng lượng tiêu dùng trên th ế giới. Trữ lượng dẩu mỏ hiện được biết sẽ cạn kiệt vào nám 2030, cùng lắm là 2050. T rong các nguổn nâng lượng mà con người hi vọng sẽ khai thác m ạnh mẽ trong tương lai cò năng lượng thu được từ sinh khối (biomass). Sinh khối là khối lượng chất sổng của sinh vật. Thực vật và m ột số vi sinh vật có th ể tự tạo ra chất hữu cơ của sinh khối từ khí c o và nước. H àng nảm có khoảng 60 - 70 tỉ tấn gỗ củi được sinh ra trên Trái Đất. Bên cạnh việc đun nấu trực tiếp gỗ củi còn cò thế sử dụng vi sinh vật và các enzim do chúng sinh ra để chuyển hóa sinh khổi thành cổn 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 sinh khí sinh học (biogas). Từ 1 tán phân chuổng được đưa vào lên m en cd th ể làm sàn sinh ra 70 - 73m3 khí sinh học, cho năng lượng tương đương với 451 xăng). Riêng Hoa Kỉ mỗi năm cò tới 240 triệu tấn phế thải của ngành chăn nuôi. Nếu được tận dụng hết để tạo ra khí sinh học sẽ làm ra được một nguổn năng lượng thay th ế cho khoảng 83 - 110 triệu tấ n nhiên liệu. Trong khí sinh hoc có 50 - 85% là khí CH.4 và 15 - 50% là khí Cgy) hỉnh thành và phát triển nhờ hàng loạt các thành công tiếp theo : N ăm 1897 B. B ertnand phát hiện ra và đặt tên cho nhdm coenzim ; A. Harden và Young cô đặc được một nhiđm coenzim gọi là cozimaza (sau này được xác định là NAD - nicotinamid adenin dinucleoítid) vào nồm 1905 ; Sorensen chứng minh ảnh hưởng của pH đến hoạt động của enaim (1909) ; Neuberg để xuăt con đường hđa học của quá trinh lên men (1912) ; Batelli và Stern khám phá ra dehidrogenaza (1912) ; W arburg nghiên cứu vé enzỉm tham gia 'Vào quá trình hô hăp (1912) ; Michaelis và Menten đẽ xuất ra động học của hoạt động ccủa enzim (1913) ; J. B. Sum ner (1887 - 1955) giải Nobel 1946, lần đẩu tiên kết tinh đuíợc một enzim và chứng minh bản chất protein của enzim ureaza này (1926) ; J.H . Northirop kết tinh liên tiếp được nhiểu enzim khác như pepxin (1929), tripsỉn (1931), chimotripnđn (1933) ; Kelin phân lập được xitocrom c (1933) ; H.A.Krebs và Henselei khám phá ra chư trình ure (1933) ; Embden và Meyerhoí chứng minh quá trình phân giải đường (1933), Kuhn xác định vitamin B2 là một thành phấn của enzim vàng (1935) ; H.A. Krebs tỉm ra chu trình axit xitric (1937), giải Nobel 1953 cùng với F. A. Lipmann ; Lipmann xác định vai trò trung tâm của ATP trong quá trinh vận chuyển nâng lượng (1939 - 1941) ; G. w . Beadle và E.L. Tatum chứng minh lí thuyết "1 gen - 1 enzim" (1940, giài Nobel 1958 cùng với J. Lederberg) ; A. Komberg khám phá ra ADN polimeraza (giải Nobel 1959 cùng với S.Ochoa). Tính đến nâm 1984 có mặt trong rất nhiều sử dụng enzim bất động các mùi nhọn của Công người ta đã biết đến 2477 loại enzim khác nhau và enzim đả hoạt động sàn xuát và đời sống của con người. Cùng với việc (immobilized enzymes), công nghệ enzim đã trở thành một trong nghệ sinh học. Các nhà vi sinh vật còn tạo ra bước ngoặt của di truyén học. D.T. Avery, C.M. MacLeod, M. Mc. Carty với thực nghiệm trên vi khuẩn (1944) đã chứng minh quá trình biến nạp được thực hiện thông qua ADN ; H. Fraenkel - Conrat và B. Singer thí nghiệm "láp ráp" virut khảm thuốc lá (1957) và đã chứng minh thêm vai trò của axit nucleic trong việc chuyển giao thông tin di truyén. Như vậy là cùng với phát hiện vỉ đại vé cấu trúc ADN xoán kép của J.D. Watson và F.H.C. Crick (1952, giài Nobel 1962 cùng với M.H.F. VTilkins), phát hiện về vai trò của operon trong việc "đđng, mở gen" của F. Jacob, J Monod (1961, giải Nobel 1965 cùng với A.Lwoff), việc xác định ra mã di truyền cúa M. N irenberg, G. K horana (1961 - 1965, giải Nobel 1968 cùng với R.Holley)... con người đã đủ nhận thức để có được bức tran h toàn cảnh vễ cấu trúc chức năng và các quy luật vận động của vật liệu di truyén, mở ra kỉ nguyên tạo ra các cơ thể hoàn toàn mới lạ một cách chủ động nhờ m ang gen tái tổ hợp. Các chủng vi sinh vầt được tạo ra nhờ thao tác di truyển sẽ cd m ặt trong đời sống nhân loại ở mọi lỉnh vực khác nhau. Đđ là hi vọng để tháo gỡ mọi khó khăn vể lương thực, vé thực P-lấm, vê thuốc men, về bảo vệ môi trường. Mặt khác cũng là mổi đe dọa khủng kiỉếp đối với nhân loại nếu các vi sinh vật đã thay đổi gen được sử dụng trong chiến tranh như những loại vũ khí phân tử vô phương cứu chữa. Một vài mốc quan trọng cđ th ể kể đến là : Nàm 1970 một số nhà bác học (H .o. Smith, K.W.Wilkox, T.J. Kelly lẩn đẩu tiên téch được loại enzim (men) cò khả năng cắt ADN ở những vị trí xác định (restriction eadonuclease). Năm 1972 nhdm bác học Mỉ H. Boyer, p. Berg, S.N. Cohen lẩn đầu tiên ưng hợp ra được một ADN theo ý muốn, người ta gọi là ADN tái tổ hợp (recombinant DMA). Trong khoảng 1975-1977 nhđm bác học Mỉ F. Sanger, và w . Gilbert (giái Nobel 1980) và A. Maxam phát hiện ra một kỉ thuật cho phép xác định nhanh chđng trậ t tự CIC nucleotit trong ADN (DNA sequencing). Nàm 1978 lán đầu tiên sản xuất ra insulin (chữa bệnh tiểu đường) bằng công nghệ gtn (dùng vi khuẩn đã được ghép gen mã hóa việc sinh tổng hợp ra insulỉn. Năm 1982 tỉuốc insulin tái tổ hợp được Mĩ và Anh cho phép ứng dụng rộng rãi. Cũng vào nãm niy người ta đã chế tạo thành công kích tố sinh trưởng người (HGH - Human Growth Hormone). Năm 1988 J.D Watson nhận chủ trì Dự án hệ gen người (HGP - Human Gĩnome Project) với kinh phí được Chính phủ Mĩ đầu tư là 3 tỉ USD. Nàm 1996 hoàn tlành việc khám phá hệ gen (genom) của men rượu (Saccharomyces cerevisiae). Năm 1*97 Jan Wilmut và các cộng sự ở Viện nghiên cứu Roslin, gần Edinburgh (Scotland) lài đầu tiên cho ra đời cô cừu Dolly bằng kĩ thuật sinh sản vô tính (cloning) không cẩn tđ quá trình thụ tinh. Ngày 26/6/2000 cùng một lúc các nhà khoa học thuộc hai nhổm nghiên cứu độc lập là nhóm Consortium của F. Collins và nhóm Celera Genomics của c . Vainter đã công bố vặc khám phá ra hầu như toàn bộ hệ gen (genom) của người. 15 Nguyên tứ A Axit amin XXX Đường kinh phàn tứ ADN -------- Protein Riboxom A Virut Clamiđi a A Ricketxi o Tithế 3 Lục lạp Quan sát bàng kinh hiển VI quang học Vikhuẩn Nhản tế bào 8 Nấm men Tế bào hống cáu 3 T ế bào nấm Tế bào biếu bì V AV Động vật nguyên sinh lớn — Trứng của ngưòi — Ve bét V s. - ở 8 Tim ngưòi I D* I 3Q>. 5 Chó V Các phương pháp quan sát thế giỏi sống (từ nguyên tủ, phân tủ, cáu trúc dưới tế bào, vi sinh vật, đến các cơ quan và cơ thẻ sinh vật bậc cao) 1* HC thống phân loại 5 giỏi của R.H. W hittaker (1920-1981) Hiện nay Tế bào có nhân nguyên thủy Tế bào có nhàn thiệt Những cơ thể đa bào đầu tiên - — — — — • 0.6 Niên đại địa chất (tỉ nàm) Những tế bào đầu tièn (Có nhân nguyên 4hủy) Cảch đây 4,5 tỉ nàm Tiến hóa của sinh giới 18