Sơ lược một số khái niệm chung
1. Vi sinh học (microbiology)
Là khoa học nghiên cứu các cơ thể sống hiển vi và siêu hiển vi, cấu tạo tế bào và quy luật hoạt động của chúng, sử dụng các vi sinh vật nhằm phục vụ lợi ích của con người và giữ vững hệ sinh thái trên trái đất.
2. Vi sinh vật (microorganisms)
. Vi sinh vật là tên gọi chung để chỉ tất cả các sinh vật có hình thể bé nhỏ, muốn thấy rõ được, người ta phải sử dụng tới kính hiển vi. . Vi sinh vật ko phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới. Chúng thậm chí thuộc về nhiều giới (kingdom) sinh vật khác nhau. Giữa các nhóm có thể ko có quan hệ mật thiết với nhau nhưng chúng có một số đặc điểm chung (cái này sẽ tìm hiểu ở phần sau)
3. Virut (virus)
Virut là nhóm vi sinh vật đặc biệt, chúng nhỏ bé tới mức chỉ có thể quan sát được qua kính hiển vi điện tử (electron microscope) . Virut chưa có cả cấu trúc tế bào.
Virut là kí sinh nội bào bắt buộc có cấu tạo rất đơn giản, chỉ gồm một loại axit nuclêic được bao bởi vỏ protein, muốn nhân lên phải nhờ bộ máy tổng hợp của tế bào chủ.
Một số vấn đề ban đầu về vi sinh vật
1.Đặc điểm của vi sinh vật 1.1 Kích thước nhỏ bé - Mắt con người khó có thể thấy được các vật nhỏ hơn 1 mm. Vậy mà vi sinh vật lại được đo bằng micromet, virut thường được đo bằng nanomet. - Vì vi sinh vật có kích thước nhỏ bé nên diện tích bề mặt của một tập đoàn vi sinh vật hết sức lớn. VD: Số lượng cầu khuẩn chiếm thể tích 1cm3 có diện tích bề mặt là 6m
1.2 Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh - Vi sinh vật tuy nhỏ bé nhất trong sinh giới nhưng lại có năng lực hấp thu và chuyển hoá vượt xa các sinh vật bậc cao.
VD: Vi khuẩn lactic (lactobasillus) trong một giờ có thể phân giải 1 lượng đường lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối lượng chúng. Nếu tính số microlit O2 mà mỗi mg chất khô của cơ thể sinh vật tiêu hao trong một giờ(biểu thị là - QO2 thì ở mô lá hoặc mô rễ thực vật là 0,5 - 4, ở tổ chức gan và thận động vật là 10 - 20, ở nấm men rượu (Sacharomyces cerevisiae) là 110, ở vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas là 1200, ở vi khuẩn thuộc chi Azôtbacter là 2000.
- Năng lực chuyển hoá sinh hoá mạnh mẽ của vi sinh vật (VSV) dẫn đến những tác dụng rất lớn lao của chúng trong thiên nhiên cũng như trong hoạt động sống của con người.
1.3 Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh So với các sinh vật khác thì VSV có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở cực kì lớn. Ví dụ: Vi khuẩn Escherichiacoli trong các điều kiện thích hợp cứ khoảng 12 - 20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ (generation time) là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, 24 giờ phân cắt 72 lần, từ một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 4.722.366.500.000.000.000.000 tế bào (nặng 4722 tấn!). Tất nhiên trong thực tế ko thể tạo ra số lượng tế bào như vậy cho nên số lượng vi khuẩn thu được trong một ml dịch nuôi cấy thường chỉ đạt tới mức độ 10^8 - 10^9 tế bào.
1.4. Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị - Năng lực thích ứng của VSV vượt rất xa so với thực vật và động vật. Trong quá trình tiến hoá lâu dài, VSV đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng với những điều kiện sống bất lợi. Người ta nhận thấy số lượng enzim thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein trong tế bào VSV.
+ Phần lớn VSV có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-196 độ C) thậm chí ở nhiệt độ của hiđrô lỏng (-253 độ C). Một số VSV có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 250 độ C, thậm chí có thể 300 độ C. Một số VSV có thể thích nghi với nồng độ 32% NaCl. Ví dụ: vi khuẩn thiobacillus thioxidans có thể sinh trưởng ở pH = 0,5; trong khi đó vi khuản thiobacillus denitrificans lại thích hợp phát triển ở pH = 10,7.
+ Ở nơi sâu nhất trong đại dương (11034m), nơi có áp lực tới 1103,4 atm, vẫn thấy có vi sinh vật sinh sống, nhiều VSV thích nghi với điều kiện sống hoàn toàn thiếu oxi (VSV kị khí bắt buộc - obligate anaerobes), một số nấm sợi có thể phát triển thành váng dày trong bể ngâm xác có nồng độ phenol rất cao.
- VSV rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống. Tần số biến dị ở VSV thường là 10^-5 ---> 10^-10. Hình thức biến dị thường gặp là đột biến gen và dẫn đến những thay đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính đề kháng....Bên cạnh các biến dị có lợi, VSV cũng sinh ra những biến dị có hại đối với nhân loại, chẳng hạn biến dị về tính kháng thuốc.
1.5 Phân bố rộng, chủng loại nhiều - VSV phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất, chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, nước, không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt đến nước biển...
- Về chủng loại: Trong khi toàn bộ giới Động vật có khoảng 1,5 triệu loài, thực vật có khoảng 0,5 triệu loài thì VSV cũng có tới trên 100 nghìn loài. Đúng nhà VSV học người Nga nổi tiếng A.A.Imsenhetskii đã nói : "Các loài VSV mà ta đã biết đến hiện nay nhiều lắm cũng không quá đuợc 10% tổng số loài VSV có sẵn trong thiên nhiên"./.
VSV học có rất nhiều ứng dụng trong đời sống, bé chip pông có thể post những bài theo hướng đó không? ví dụ như làm rượu,dấm,bia, cho đến sản xuất các chất kháng sinh chẳng hạn.
2. Vị trí của vi sinh vật trong hệ thống sinh giới Vị trí của các nhóm vi sinh vật đã được xếp vào các hệ thống sinh giới khác nhau. 2.1 Hệ thống 5 giới của Whittaker (1969) - Giới khởi sinh (Monera) (vi khuẩn) - Giới nguyên sinh (Protista) (VSV nhân chuẩn đơn bào) - Giới nấm (Fungi) - Giới thực vật - Giới động vật
2.2 Hệ thống 4 giới của Takhtakjan (1970) - Giới vi khuẩn - Giới nấm (từ nấm đơn bào đến đa bào) - Giới thực vật (từ TV đơn bào đến đa bào) - Giới động vật (Từ ĐV nguyên sinh đến bậc cao)
2.3 Hệ thống 3 nhóm giới của Trần Thế Tương (1979) - Nhóm giới sinh vật vô bào: giới virut - Nhóm giới sinh vật nhân sơ (nhân nguyên thủy): giới vi khuẩn và vi khuẩn lam - Nhóm giới sinh vật nhân chuẩn: giới thực vật, giới nấm và giới động vật
* Năm 1980, Woese nhận thấy thứ tự nucleotit của ARN của ribôxôm 16S và 5S (có thể là 18S) ở một số vi khuẩn có sai khác rất lớn so với ở đa số các vi khuẩn khác, quá trình dịch mã ko chịu tác dụng của cloramphenicol nhưng lại bị ức chế bởi độc tố của vi khuẩn bạch hầu. Và ông xếp chúng thành một giới riêng gọi là giới vi khuẩn cổ (Archaebacteria). Như vậy, hệ thống phân loại sinh giới của ông lại chỉ có 3 giới là Sinh vật nhân thật (Eukaryota), Vi khuẩn thật (Eubacteria). (Theo Whittaker, thì vi khuẩn cổ vẫn thuộc về giới khởi sinh).
Có một vấn đề còn chưa đủ căn cứ để xét đoán: Việc virut và phagơ (hay bacteriophagơ, thể thực khuẩn)là những dạng tiến hóa thấp cổ xưa hay là do các dạng tiến hóa cao bị thoái hóa đi mà thành.
SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT
1. Khái quát về sinh trưởng của vi sinh vật Sinh trưởng là sự tăng các thành phần của TB và dẫn đến sự tăng kích thước cũng như số lượng của VSV hoặc cả hai. Vi khuẩn được dùng làm mô hình để nghiên cứu sinh trưởng của VSV (do kích thước TB nhỏ, sinh sản nhanh, phân đôi đơn giản, có thể theo dõi sự thay đổi của cả quần thể). Nếu ta nuôi cấy 1 vi khuẩn vào môi trường thì sự tăng số lượng TB như sau: 1->2->4->8->16...... 2^0->2^1->2^2->2^3->...2^n n: số lần phân chia TB Khoảng thời gian cần cho mỗi TB phân chia hoặc cả quần thể tăng gấp đôi gọi là thời gian thế hệ (g). Với a TB vi khuẩn ban đầu qua một thời gian nuôi, số lượng TB: A = a.2^n (^: số mũ nhá) Logarit 2 vế ta có: LgA = Lga + nLg2 => n = (LgA - Lga):Lg2 -Tốc độ phân chía (số lần phân chia trong 1 giờ): v = n:t = (LgA - Lga):(Lg2.t) t:thời gian nuôi cấy -Thời gian thế hệ g: g = t:n = 1:v
VD: Sau 10 giờ nuôi cấy, số TB vi khuẩn tăng từ 10^3 đến 10^9 thì tốc độ phân chia là: v = (Lg10^9 - Lg10^3):(Lg2.10) = 2 g = 1/2
2. Đường cong sinh trưởng của vi khuẩn trong hệ thống đóng: Khi cấy vi khuẩn vào một bình nón chứa môi trường lỏng rồi giữ bình ở một nhiệt độ thích hợp, trong một thời nhất định, trong suốt quá trình đó, người ta không thêm môi trường mới vào bình cũng không rút sinh khối ra khỏi bình. Kiểu nuôi như vậy gọi là nuôi theo đợt hay nuôi trong hệ thống đóng. Nếu trên đồ thị biểu diễn, lấy trục tung là trục logarit của số lượng TB, trục hoành là thời gian nuôi thì đường cong sinh trưởng của VK được chia thành 4 pha:
a. Pha tiềm phát (Pha Lag) Đây là thời gian tính từ khi VK được cấy vào môi trường cho đến khi chúng bắt đầu sinh trưởng. Trong pha này VK phải thích ứng với môi trường mới, chúng tổng hợp mạnh mẽ ADN và các enzim chuẩn bị cho sự phân bào.
b. Pha lũy thừa (Pha Log) Trong pha này, VK bắt đầu phân chia, số lượng TB tăng theo lũy thừa, thời gian thế hệ đạt tới hằng số, quá trình trao đổi chất diễn ra mạnh mẽ nhất.
c. Pha cân bằng: Trong pha này tốc độ sinh trưởng cũng nhu trao đổi chất của VK giảm. Số lượng TB chết cân bằng với số TB sinh ra. Một số nguyên nhân khiến VK chuyển sang pha cân bằng như: chất dinh dưỡng cạn kiệt, nồng độ oxi giảm (đối với VK hiếu khí), các chất độc tích lũy, pH thay dổi...
d. Pha tử vong: Số TB chết vượt số TB sinh ra. một số VK chứa các enzim tự phân giải TB. Số khác có hình dạng TB thay đổi do thành TB bị hư hại.
* Nuôi cấy theo đợt như trên, pha Log chỉ kéo dài được vài thế hệ. Để thu được nhiều sinh khối, người ta sử dụng phương pháp nuôi liên tục, có sự bổ sung môi trường mới, và rút bớt chất thải ra ngoài, khi đó VK có thể sinh trưởng trong pha Log một thời gian dài.
* Nếu trong môi truờng tổng hợp gồm hỗn hợp 2 loại cơ chất cacbon thì đường cong snh trưởng không bình thường, VD môi trường chứa glucozơ và sorbitol. Lúc đầu VK tổng hợp loại enzim phân giải loại hợp chất dễ dồng hoá hơn (glucozơ). khi chất này đã cạn, VK lại được chất thứ 2 cảm ứng, tổng hợp loại enzim phân giải hợp chất thứ hai (sorbitol). => Trên dồ thị sinh trưởng ta thấy có 2 pha Lag, 2 pha Log và 2 pha cân bằng. Hiện tượng này được Monod mô tả là hiện tưởng sinh trưởng kép (trong cơ chế điều hòa sinh tổng hợp protein hay mô hình Operon đấy!)
VIRUT HIV (Human Immuno Deficiency Virus)
1. Cấu tạo: - Lõi: Gồm 2 phân tử ARN mạch đơn và emzim phiên mã ngược (Reverse Transcriptaza). - Vỏ protein gồm 2 phần: + Vỏ hì