ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT LÊ XUÂN PHƯƠNG
C Ồ N G N G H Ỉ Ệ P
■______ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG jr-fn ì TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT * í LÊ XUÂN PHƯƠNG Ọ i
!i
■iV I SINH VẬT
CỐNG NGHIỆP
NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG HÀ NỘI - 2001LỜI NÓI ĐẦU
Vi sinh vật học công nghiệp là một ngành khoa học nghiên cứu những hoạt động có ý nghĩa công nghiệp của vi sinh vật và áp dụng chúng vào sản xuất công nghiệp thực phẩm như các loại bìa, rượu, nước giải khát, bánh mì, bơ, sữa, pho mát các loại ưxit hữu cơ... vù các ngành sản xuất khác như công nghiệp da, công nghiệp vật liệu dệt, công nghệ hoá học, dược phẩm ... và trong tương lai nó còn mang ỉ ai nhiều thành tựu to lớn bất ngờ khác cho nhản loại .
Đ ể giúp sình viên chuyên ngănh hoấ thực phẩm , công nghệ sinh học và ch ế biến thuỷ sản> các ngành có liên quan đến việc ch ế biến và bảo quản các sản phẩm có nguồn gốc sinh học... của các trường đại học có tài liệu nghiên cứu học tập và bạn đọc tham khảo đ ể khúm phú hiểu biết thêm vê phần th ế giới tự nhiên này, chúng tôi tổ chức biên soạn và xuất bản cuốn" Vi sinh vật cồng nghiệp Cuốn sách cũng có th ể giúp ích cho các bạn đồng nghiệp làm công tác giảng dạy ngành vi sinh vật học ở các trường Đại học Tổng hợp, Đụi học Y khoa, Đại học Bách khoa và các trung tâm nghiên cứu vi sinh vật, cũng như đối vớỉ các cán bộ đang trực tiếp hay gián tiếp cổ trách nhiệm sản xuất các mặt hàng công nghiệp thực phẩm hay ỉàĩìì công việc phòng chống các bệnh do vi sinh vật gảy ra cho con người quư các loại thực phẩm... Mặc dù luôn đề cao trách nhiệm từ khâu biên soạn đến biên tập và luôn được sự giúp đỡ nhiệt tình của các đồng nghiệp, song chắc chắn sách vẫn còn tồn tụi những thiếu sốt. Vì vậy, chủng tôi luôn mong nhận được những ỷ kiến đóng góp của bạn đọc đ ể lần tái bủn sau cuốn sánh này s ẽ được hoàn chỉnh hơn .
Phần I
MỞ ĐẦU
Chuơtig I
NHỮNG KHÁI NIỆM c ơ BẢN vỀ VI SINH VẬT HỌC
I. THẾ NÀO LÀ VI SINH VẬT HỌC
Vi sinh vật học ià môn khoa học nghiên cứu về các sinh vật vô cùng nhỏ bé không thể
trồng thấy bằng mắt thường. Các sinh vật đó có tên gọi chung là vi sình vật.
Các vi sinh vật sống xung quanh chúng ta vốn ngay từ xa xưa đã có mói tác động qua lại rất mật thiết đối với con người. Nhân loại gọi chúng là nhũng ngưòi bạn và những kẻ thù không thể nhìn thấy được. Từ trưổc tói nay, ỏ bất kỳ nước nào trên thế giới, khi mà những bệnh tật hiểm nghèo mang tính nhiễm trùng đang còn ngự trị thì trước hết, con người phải lưu tâm đến vai trò nguy hiếm của các loại Mvi trùng", những nhà vi sinh vật học y học là những người xuất hiện sớm nhất trong lĩnh vực này đã giúp cho nhân loại sổm có những biện pháp để phòng ngừa và ngăn chặn sự phát triển của các loại "vi trùng" ấy, mà thực chất đó là các loài vi sinh vật sống ký sinh gây bệnh cho các loại sinh vật khác. Ngày nay, nhừng loài vi sinh vật gây bệnh và những bệnh dịch do chúng gây ra đang bị loại trừ dần ra khỏi hành tinh của chủng ta bằng một nhịp điệu nhanh chóng hay chậm chạp nhưng rất chắc chắn.
Thật ra thì những hoạt động có ích của vi sinh vật nhiều hơn. Chúng đảm nhận những khâu quan trọng nhất trong chu trình của nhiều nguyên tó chủ yếu của sự sống. Thực vật, động vật và con người sóng được ỉà nhờ những hoạt động này của vi sinh vật. Đến nay rất nhiều loại vi sinh vật được con người quan tâm, nghiên cứu, nuổi sống và gìn giữ chủng trong những điều kiện tối ưu, vì chính chúng hoặc những sản phẩm trao đổi chất của chủng là thức ăn, phân bón, hóa chất, thuốc thang vồ cùng quý giá cho con người.
v ề mặt lí thuyết, vi sinh vật học cùng với sinh học phân tử và di truyền học hiện nay là ba ngành khoa học đi tiên phong trong nghiên cứu bản chất, cơ sổ hóa học và vật lý học của sự sống. Có thế xem rằng vi sinh vật học đã bắt dầu thoi đại hoàng kim của mình từ thời của nhà bác học Pasteur, nhưng hiện nay nó mổi thật sự đang ỏ giai đoạn phát triến toàn diện và có nhiều triến vọng nhất mà vi sinh vật, những sinh vật vô cùng nhỏ bé khồng thể trông thấy bằng mắt thường ấy đang là đói tượng nghiên cứu, là tác nhân quan trọng nhất của ngành công nghệ sinh học, một ngành khoa học mũi nhọn hiện nay đê phục vụ đòi sống của con người.
Vi sinh vật = Microorganism là thuật ngữ để chỉ các có thể sóng nhỏ bé không thế trông
thấy bằng mắt thường.
Vi sinh vật học = Microbioỉogie là thuật ngữ để chỉ ngành khoa học nghiên cứu về vi
sinh vật.
Theo tiếng Hy ỉạp mickros: nhỏ bé; bios: sự sống; logos: khoa học. II. NHIỆM VỤ CỦA NGÀNH VI SINH VẬT HỌC
Vi sinh vật học nghiên cứu tổng quát các đặc điếm hình thái, cấu tạo, các hoạt động trao đổi chất, trao đổi năng lượng, di truyền biến dị của các nhóm vi sinh vật chủ yếu và vai trò của chủng đối với các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên, các hoạt động sản xuất, cũng như đối với đời sống của con người.
Thế giới vi sinh vật vô cùng đa dạng và phong phú, chúng bao gồm chủ yếu là vi khuấn, nấm và một số các động vật, thực vật hạ đắng rất gần với nấm và vi khuẩn. Sự phân loại vi sinh vật hiện nay vẫn đang được tranh luận và nghiên cứu. Giữa các nhóm vi sinh vật khác nhau rất ít liên hệ voi nhau về nguồn gốc phát sinh nhùng có sự giống nhau về tính chất nhỏ bé và sự thống nhất trong phương pháp nghiên cứu.
III. PHÂN NGÀNH VI SINH VẬT HỌC
Vi sinh vật học là một ngành khoa học mới phát triển, nhưng với sự phân bố rất rộng rãi của vi sinh vật và tầm quan trọng toàn diện của nó đối với nhân loại nên vi sinh vật học phát triển hết sức nhanh chóng. Ngày nay Vi sinh vật học được chia làm nhiều ngành nghiên cứu riêng chủ yếu là:
- Vi sinh vật học đại cương; - Vi sinh vật học y học;
- Vi sinh vật học nông nghiệp; - Vi sình vật học công nghiệp; 1.1. Vi sinh vật học đại Ciitfng
Nghiên cứu những quy luật chung nhất của thế giới sống hiển vi và siêu hiển vi về hình thái, sinh lý, sinh hóa, di truyền, phân loại và đặc biệt là những nghiên cứu về cấu trúc tế bào cùng vói cơ chế hoạt động của chúng. Được sự giúp đỡ của những phương pháp và thành tựu của vật lý học, hóa học, vi sinh vật học ngày nay có những công cụ chính xác và có hiệu quả nhu' sắc ký, điện di, quang phổ, kính hiển vi điện tử... Mặt khác vi sinh vật học đại cương cũng dóng góp những phương pháp vốn ỉà đặc thù của vi sinh vật vào việc nghiên cứu sinh học, hóa học, vật lý học. Nghiên cứu vi sinh vật ngày nay không chỉ ỏ mức độ quần thế tế bào mà đã đạt toi mức phân tử và một phần ở dưới mức phân tử.
1.2.VÌ sinh vật học y học
Hình thành từ các công trình nghiên cứu chủ yếu của Pasteur. Nó nghiên cứu các vi sinh vật gây bệnh và có ý nghĩa bậc nhất trong việc phòng chống và bảo vệ sức khỏe cho con người (vì các bệnh nguy hiểm và phổ biến đều do vi khuấn, vi rút gây ra).
Rất cần thiết cho những nhà y học, vi sinh học và các ngành liên quan, vi sinh vật học y học nghiên cứu về:
- Vi sinh vặt gây bệnh và sự tác dụng tương hỗ giữa chủng vổi cơ thế; - Chuấn đoán bệnh nhiễm trùng;
- Phương pháp đề phòng các bệnh nhiễm trùng;
- Điều trị bệnh bằng huyết thanh, bằng các phương pháp hóa học; - Thu nhận và sử dụng các chất kháng sinh;
Vi sinh vật học y học bao gồm các ngành:
- Vi sinh vật học y học (phòng chống và chữa bệnh cho người); - Vi sinh vật học thứ y (phòng chống và chữa bệnh cho động vật); - Vệ sinh dịch tễ;
- Miễn dịch học;
- Vi sinh vật học vệ sinh .
1.3. Vi sinh vật học nông nghỉệp
Nghiên cứu mọi quá trình chuyến hóa vật chất và các biến đối trong đất có liên quan đến sản xuất trong nông nghiệp. Trong sự hình thành chất mùn, chất hữu có của đất trồng có sự đóng góp quan trọng của vi sinh vật, chúng vô cơ hóa phân bón hữu cô để cây trồng sử dụng, ngoài ra dưới tác dụng của quá trình nitrat hóa, sunphát hóa, cố định azot vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong việc làm phì nhiêu đất, ngược lại chủng cũng có thể làm giảm độ phì nhiêu đó như các loại vi sinh vật phản nitrat hóa...
Cũng không ít các vi sinh vật gây các bệnh dịch cho cây trồng và súc vật. Ngày nay vi sinh vật học nông nghiệp ngày càng phát triển để đưa năng suất trồng trọt ngày một nâng cao. Do đó, cần phải nghiên cứu vai trò tích cực cũng như tiêu cực của vi sinh vật đối với đất đai, cây trồng, vật nuôi trong nông nghiệp.
1.4. Vi sinh vật học công nghiệp
Là một ngành khoa học nghiên cứu những hoạt động có ý nghĩa công nghiệp của vi sinh vật và áp dụng chúng vào quá trình sản xuất công nghiệp. Những nghiên cứu cổ điển của Pasteur đã đặt nền móng cho ngành vi sinh vật học công nghiệp, từ những nghiên cứu này ngưòi ta hiểu được những vi sinh vật có lội, có hại trong các ngành công nghiệp thực phẩm như công nghiệp sản xuất các loại rượu, bia, nước giải khát, các loại acid hữu cô, công nghiệp sản xuất bánh mì và chế biến sản phẩm từ sữa như bò, phó mát, sữa chua...
Trong những năm gần đây các sản phẩm thực phẩm được chế biến bằng con đường vi sinh vật tăng vọt lên, biến vi sinh vật học công nghiệp thành một ngành khoa học thực nghiệm hết sức quan trọng. Đây không phải chỉ là khoa học sử dụng vi sinh vật đế thu những sản phẩm sinh hóa quí giá, mà còn xác định những vi sinh vật tạp nhiễm và có hại để tìm ra phương pháp phòng chổng.
Rất nhiều sản phẩm thực phẩm được thu nhận trên cơ sỏ của vi sinh vật công nghiệp. Trong sản xuất nấm men, toàn bộ sinh khối nấm men là sản phấm, còn trong các quá trình chế biến bô, sừa... vi sinh vật giữ vai trò hỗ trộ rất quan trọng. Đối vói công nghiệp sản xuất rượu, bia, nước giải khát thi hoạt động sống của vi sinh vật tạo nên sản phấm. Ngược lại đói với công nghiệp sản xuất đồ hộp, bảo quản và chế biến rau quả khô, thực phấm khô,...ngưòi ta phải tìm cách hạn chế hoạt động sổng của chúng đê sản phẩm không bị hư hỏng, kém phẩm chất.
Trong hầu hết các lĩnh vực của ngành công nghiệp thực phẩm, vi sinh vật học công nghiệp gắn chặt vối các chế độ sản xuất, nó đòi hỏi những yêu cầu nghiêm ngặt về vệ sinh và kĩ thuật để nâng cao chất lượng sản phẩm. Đặc biệt, người ta cần phải hiểu biết về tính chất sinh lý, các đặc điểm của chủng và cacjpoajrinh sinh hóa quan trọng do chúng gây nên để điều chỉnh hoạt động sổng^ửa^vTsĩnh vật tneo hướng có lợi nhất. Các loại vi sinh vật, đặc biệt là nhừng loài vidcỉnrẩnl nấm móc, nấm men có mặt hầu hết troựg các quá trình công nghệ để sản xuất ra các sản phẩm thực phẩm rrìà^quan trọng nhất Ịấ sự có mặt của chúng trong quá trình lên men. ơ đây, vi sinh vật hoặc tả đối tượng của/sản xuất, hoặc là tác nhân chính của việc cHuyến nguyên liệu thành sản phấm của sản xuất (như trong sản xuất rượu, bia, sữa chua, bánh mì, các loại acid hữu cơ kỳẰc nhau). ỉ
Có thể chia các quá trình lên Hjen của n g a n h j^ ig nghiệp lên men thành hai loại:
- Lên men co điển: Gồm các ngành sản xuất những sản phẩm tương đối đơn giản bằng vi sinh vật, thường là sản phẩm của quá trình phân hủy thu năng lượng ỏ vi sinh vật. Nhiều sản phấm lên men cô điển đã được sản xuất bằng con đường hóa học.
- Lên men hiện đại: Gồm những ngành sản xuất sinh khối vi sinh vật và các chất hoạt động sinh học cao như kháng sinh, vitamin, chất kích thích tố thực vật, protein, các acid amin, enzym. Hầu hết đây là những chất phức tạp được hình thành qua một quá trình chuyển hóa ỏ tế bào vi sinh vật. Phương pháp vi sinh vật ỏ đây thường là duy nhất hoặc là hiệu quả nhất hiện nay để thu được những sản phẩm này.
Như vậy, ngoài những nghiên cứu và ứng dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp thực phấm, vi sinh vật công nghiệp còn là ngành khoa học nghiên cứu những hoạt động có ý nghĩa của vi sinh vật và áp dụng chúng vào những ngành sản xuất khác như trong cồng nghiệp thuộc da, công nghiệp sản xuất vật liệu dệt, công nghiệp hóa học, công nghiệp dược phẩm... Ngày nay, ngoài những vấn đề kể trên, vi sinh vật còn xâm nhập vào nhieu hoạt động sản xuât khác của con ngưòi như thăm dò địa chất, khai thác và chế biến dầu mỏ luyện kim và sản xuất các hợp chất trung gian trong tổng hợp hữu cơ... Chúng ta không thể hay chưa thế nói hết được những thành tựu rất to lổn và bất ngò của vi sinh vật trong lĩnh vực này.
Chương II
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN c ủ a
n g à n hVI SINH VẬT HỌC
Vi sinh vật có mặt ỏ khắp nôi trên trái đất, trong bất kỳ giọt nước nào dù là sạch hay bẩn, trong không khí và trong các vật thế ỏ khắp mọi nơi. Trong diều kiện thuận lợi về thức ăn, nhiệt độ, độ ẩm...vi sinh vật có thế sinh trùỏng và phát triến với khói lượng khổng lồ.
Tuy nhiên, vì có kích thước vô cùng nhỏ bé không thế trông thấy bằng mắt thường, cho nên cho đến mãi cuối the kỷ XVII, nhờ sự xuất hiện của các loại kính lúp, kính hiến vi, loài người mới có thê nhìn thấy được hình dáng của vi sinh vật. Lịch sử phát triển của vi sinh học cũng được coi là bắt đầu ỏ thời gian này. Từ nay có thể chia lịch sử phát triển của ngành Vi sinh vật học ra làm hai giai đoạn: Giai đoạn hình thái học và Giai đoạn sinh lý học.
I.GIAI ĐOẠN HÌNH THÁI HỌC
Vi sinh vật đã được biết đến bắt đầu từ quan sát đầu tiên do một người Hà lan có tên là
Antoni van Leemverìhoeck (1632-1723) ông là một nhà buôn vải, do phải kiểm tra chất
lượng vải nên ông dùng nhiều đến kính lúp và niềm say mê của ông là việc mài các thấu kính đế quan sát. Với chiếc kính hiến vi đầu tiên, phóng đại gấp 200 lần, ông đã quan sát thế si ỏi nhỏ bé trong nước ớt, nưđc ao hồ, nước mưa và trên bất cứ vật gì rơi vào tay ông. Năm 1676 lần đầu tiên ông đã quan sát thấy nấm men và năm
1683 là các loại vi khuân, đen năm 1685 ông cho xuất bản cuốn sách: "Phát hiện của Leeuwenhoeck về những bí mật của thế giới tự nhiên". Trong đó ông đã miêu tả và vẽ lại tỉ mỉ những điều ông quan sát thấy và chia vi sinh vật thành 3 loại: hinh tròn, hình que, hình xoắn.
Antoni Van Leeuwenhoek là người mỏ đầu cho thời kỳ
nghiên cứu hình thái học của các vi sinh vật. Sau ồng, trong cả một thế kỷ rưổi, ngưòi ta đã miêu tả rất nhiều những sinh vật khồng trông thấy được bằng mắt thường. Những kích thước nhỏ bé và kĩ thuật nghiên cứu đơn sơ không cho phép tách biệt
chúng nên những quan sát về hình thái đó đã không dẫn người Aníoìii Van Leeuwenhoek ta đến một kết luận nào xa hơn.
Cho đen khi Carl Linnaexvs (1707-1778), ngưòi Thụy sĩ, tiến hành phân loại thực vật trong cuốn sách "Hệ thóng tự nhiên" (1735), đã phân loại khoảng 7 vạn loài động vật, thực vật nhưng chỉ có thể xếp tất cả vi sinh vật vào một giống chung dưỏi cái tên gọi là "Chaos" thậm chí ông còn nhận định rằng không nên đi sâu vào nghiên cứu thế giỏi hữu cơ nhỏ bé này.
Mài tổi cuối thế kỷ 18, những tri thức về vi sinh vật mói bắt đầu đũọc hệ thống hóa lại. Đó lầ những cône trình nghiên cứu của M M Terekhovchi (1740-1796). Ông đã có những đóns góp hết sức quan trọng cho quá trình nghiên cứu vi sinh vặt. Trong luận án viết bằng chữ Latinh năm 1775, ông là người đầu tiên sử dụng những phương pháp nghiên cứu thực nơhiệm và nhò đó không những tạo cô sỏ để tìm hiểu chính xác hôn thể gioi vi sinh vật mà còn đặt nền m óng cho việc nghiên cứu sinh lý vi sinh vật đế phục vụ cho các hoạt động thực tiền của con người.
Năm 1838 Erenberg vổi bộ sách nổi tiếng: "Thảo trùng, những sinh vật hoàn chỉnh". Ông đă chia các loại "thảo trùng" ra làm nhiều họ, trong đó 3 họ chính là các vi sinh vật và trong quyển sách đó đã xuất hiện nhiều thuật ngữ về vi sinh vật mà cho đến ngày nay vẫn dùng.
II. GIAI ĐOẠN SINH LÝ HỌC
Tới giữa thế kỷ X IX cùng với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, con ngưòi cũng hiểu hơn về tác dụng quan trọng thực tiễn của vi sinh vật trong công nghiệp, nông nghiệp và y tế. Nếu
Antoni Van Leeuwenhoeck được coi là nhà khoa học đầu tiên
nghiên cứu về vi sinh vật học thì có thể coi người khai sinh ra khoa học vi sinh vật là nhà bác học Pháp vĩ đại Louis Pasteur (1822-1895).
Triỉốc Pasteur, người ta mỏi chỉ biết đến hỉnh thái bên Louis Pasteur
nsoài của một số loài vi sinh vật thưòng gặp trong tự nhiên. Ông
là ngưòi đầu tiên cho thấy rằng: vi sinh vật không những không giống nhau về mặt hình thái mà còn khác nhau rất xa về mặt đặc tính sinh lý, ồng cũng là người đầu tiên chứng minh vai trò to lớn của vi sinh vật trong việc gây ra các chuyến hóa hóa học phức tạp cũng nhu trong việc làm sinh ra các bệnh truyền nhiễm.
Louis Pasteur xứng đáng để toàn thế loài người biết ơn. Ông hoạt động trong thời kỳ mà
kiến thức khoa học, đặc biệt là hóa học và vật lý học đã tích lũy đủ để tạo cho vi sinh vât học một cô sổ để phát triển. Ông đã đưa vi sinh vật học lên thành một ngành khoa học thực sự, voi một phương hướng mổi là nghiên cứu hoạt động sinh lý và hóa học của vi sinh vật và đã mỏ ra giai đoạn thứ hai của lịch sử vi sinh vật học đó là: Giai đoạn sinh lí học.
Có thể tóm tắt các công trình nghiên cứu của Pasteur về vi sinh vật học như sau: - Sự ỉên men năm 1857;
- Thuyết tự sinh năm 1860;
- Bệnh của rượu vang và bia năm 1865; - Các bệnh của Tằm năm 1868;
- Vi sinh vật gây bệnh và vác xin năm 1881; - Phòng ngừa bệnh dại năm 1885.
Cồng lao to lớn của Pasteur đẵ chỉ rõ sự liên hệ giữa quá trình lên men và tác dụng của vi sinh vật. Dựa trên sự nghiên cứu của các quá trình lên men ruọu etylic, lên men bia, lên men acid lactic... ông đã rứt ra kết luận chính xác là các quá trình đó xảy ra là do tác dụng của vi sinh vật, mà mồi vi sinh vật khác nhau là tác nhân của những quá trình lên men khác nhau.
Tổng kết những phát minh to lổn của mình về quá trình lên men ông phát biếu một nguyên lý nổi tiếng: "Lên men là sự sông không có ỏxy " đây là một trong những khái niệm có bản nhất của tri thức sinh học. Nghiên cứu các bệnh của tằm vào những năm 1865-1866 khi tằm bị chết hàng loạt vì mắc phải bệnh dịch nào đó, ông đă quan sát thận trọng và đi đến kết luận là: Vi sinh vật chính là thủ phạm của căn bệnh truyền nhiễm đó, ngoài ra ông còn nghiên cứu về hàng loạt các bệnh của người và gia súc như bệnh dịch tả, bệnh dại... những công trình này đã đưa đến những biến đối có tính chất cách mạng cho y học.
Vổi đầy đủ bằng chứng, ông đă khẳng định một tư tưổng: "Nguyên nhân của các bệnh". Mệnh đề này là trung tâm của lý thuyết bệnh nhiễm trùng, cuộc cách mạng lốn nhất trong kiến thức y học của lịch sử nhân loại. Ông củng đã kiên quyết phản đối Thuyết tự sinh đang được thảo luận sôi nổi ỏ thời kỳ này cũng như trũổc kia. Để chứng minh sự nhiễm trùng là có nguồn gốc từ không khí, đất, nước hoặc từ các vật bấn xung quanh mà khồng phải là tự sinh, ông đã làm thí nghiệm độc đáo bằng cách: Đun sôi nưỏc thịt đế tiêu diệt vi trùng rồi đựng chúng trong bình cổ cong và hàn kín lại. Không khí bên ngoài đi vào tiếp xúc tự do voi chất lỏng trong bình, nhưng bụi bặm và các vi sinh vật bị giữ lại trên thành cổ cong, những bình cầu như vậy có thế giữ được hàng tháng mà chất dịch hữu cô không bị phá hủy.
Những thí nghiệm và ý kiến này có liên quan đến một vấn đề chung hơn là nguồn gốc của sự sống. Thí nghiệm của ông là hoàn toàn đúng và rất quan trọng, nhưng một số kết luận khái quát của ông chưa thật chính xác, hay nói cách khác ông chỉ chứng minh được rằng: "Các vi sinh vật hav sự song nói chung, không thổ tự sình một cách nhanh chóng
ìigav trước mdt tơ, mà là xâm nhập tử những vật xung quanh dã chứa sân vi sinh vậ t”.
Những nhà viết lịch sử khoa học thường gọi giai đoạn sau Pasteur là "Thòi đại hoàng kim của ngành vi sinh vật học” vì tiếp sau ông có rất nhiều các nhà vi sinh vật học nối tiếng khác xuất hiện như nhà bác học người Đức Robert Koch (1843-1910), còn gọi là Bác sĩ Koch. Ồng trẻ hơn Pasteur 21 tuổi nhưng nhiều phát minh của ông về sau đã tạo cô sỏ cho những phát minh của Pasteur.
Robert Koch đã nghiên cứu về vi khuẩn than, vi khuấn gây bệnh lao tản và đằ có nhiều
cống hiến trong các học thuyết về vi khuẩn gây bệnh. Mặt khác, ông đã tìm ra nhiều cách nghiên cứu vi sinh vật đón giản nhúng chính xác, trong đó đặc biệt là việc tìm ra các loại môi trường đặc, các phương pháp phân lập vi sinh vật thuần khiết trên môi trường đặc và ông cũng là ngưòi đầu tiên tìm ra phương pháp nhuộm màu tiêu bản vi sinh vật.
Năm 1892 lần đầu tiên trong lịch sử, nhà thực vật học nmỉời Nga ỉvanovski (1864 *-1920) Đã chứng minh rằng có sự tồn tại của một loại vi sinh vật siêu hiển vi trong các cây thuốc lá mắc bệnh (đốm thuốc lá", chúng là những vi sinh vật bé nhỏ hòn vi khuẩn rất nhiều và được gọi là siêu vi khuẩn. Công trình của ông đã đặt nền móng cho ngành Vi rút học sau này.
Năm 1895 nhà bác học Hà lan có tên là M. w Beijerinck
(1851 - 1935) cũng đã nhận được các kết quả thực nghiệm Ỉvanovskỉ
tương tự. Ông gọi các vi sinh vặt siêu hiên vi này là "vi rút qua lọc".
Đất lành chim đậu, vi sinh học là một xứ sỏ như vậy, nhiều nhà sáng lập vi sinh vật học đã đến đây từ các địa hạt khác như Louis Pasteur xuất thân là một nhà hóa học Robert
Koch là một thầy thuốc, còn ỉlỉa ỉỉici M etchnhikoff (1845-1916) lại là một nhà khoa học lỗi
lạc về động vật không xương sống.
Đén năm 38 tuổi L Ị M etchnhỉkoffbị\ đầu chuyển hẳn sang nghiên cứu vi sình vât hoc ông ỉà ngưòi đầu tiên chứng minh được rằng có một cuộc đấu tranh của cơ thể chóng lại vi sinh vật. Sau lý thuyết về thực bào ông quan tâm đến nhiều vấn đề khác, đặc biệt là sự hình thành các chất độc do vi sinh vật sóng trong đưòng ruột của người, ông cho rằng đây là môt nguyên nhân làm con người già đi và đã đề ra biện pháp sử dụng các vi khuẩn hình thành acid lactic để kìm hãm các hoạt động có hại của vi khuẩn đường ruột. Ông được mòi làm Viện sĩ danh dự và Viện sĩ nước ngoài của nhiều Viện Hàn lâm khoa học và y hoc danh tiếng của Pháp, Anh, Thụy Điển... Nhà bác học được tặng giải thưỏng Noben năm 1908 và mất năm 1916.
S. Winogradski (1856-1953) đã nghiên cứu về nhiệm vụ của vi sinh vật trong các chu
trình chuyến hóa trong tự nhiên như chu trình đạm, chu trình cacbon và sự thích ứng của vi sinh vật với các điều kiện sông khác nhau của môi trưòng xung quanh. Quan trọng nhất là ông đã nghiên cứu về vai trò quan trọng của hệ vi sinh vật đất cũng như xác định được các phương pháp phân lập cơ bản trong nghiên cứu vi sinh vật.
Năm 1928 nhà vi khuẩn người Anh tên ỉà Alexandre Fleming (1881-1955), lần đầu tiên phát hiện thấy tác dụng ức chế vi khuẩn của một chất hóa học sinh ra từ nấm mốc Penicillium ông gọi chất này là Penixilin.
Mưòi hai năm sau, nhờ những nỗ lực phi thường của Walter Florey và Enet Chain (1940) mà người ta mới nhận được chế phẩm Pcnixilin tinh khiết. Từ đó mỏ ra một kỷ nguyên mới trong ỉịch sử đấu tranh chống các bệnh truyền nhiễm " Kỷ nguyên chất kháng sinh”.
Nói đến lịch sử phát triển vi sinh vật học về tất cả các lĩnh vực, không thể không nói đến
"Cuộc tranh luận về men ", đã bắt đầu từ thể kỷ XVII. Nhà bác học người Hà Lan tên là Van Henmon phát hiện thấy chất cặn của riíộu vang có thể gây ra sự lên men rượu. Ông gọi
chất cặn đó là Fermentatum (có thế là bắt đầu từ chữ latinh fervere: sôi, sủi bọt), theo ông đó là một chất không có bản chất sống nhưng có thể dẫn đến nhiều chuyển hóa khác nhau. Sau đó nhiều nhà khoa học ỗ các nưổc khác nhau đã chứng minh được rằng sự lên men rượu là do nấm men tác động lên đường và sản sinh ra rượu và khí C 0 2 bay lên. Từ năm 1856, Pasteur cũng bắt đầu tập trung nghiên cứu về quá trình lên men và khắng định rằng: chỉ có tế bào nấm men sóng mơi có khả năng lên men riíọu.
Bên cạnh cuộc tranh luận về bản chất sống của nấm men, cần phải nhắc đến công trình nghiên cứu xuất sắc về men của các nhà sinh-hóa học:
- Phát hiện khả năng thuỷ phân tinh bột thành đưòng (năm l811) của Kupxrop (1764-1833).
- Năm 1876 nhà sinh lý học ngưòi Đức Cuine (1737-1900) đề nghị gọi các men vô cơ là
enzym, còn các men hữu có vẫn gọi là fecmen.
- Năm 1926 nhà sinh - hóa học ngưòi MT J. B. Summer (1887-1955) đã thu được tinh thể men đầu tiên là men Ureaza và chứng minh được rằng nó có bản chất là protein. Từ đó đến nay, ngưòi ta đã gắn chặt việc nghiên cứu men voi việc nghiên cứu protein.
Ngày nay Men học (Enzymologie) đã trỏ thành một trong những ngành khoa học mũi nhọn của thời đại. Những thành tựu xuất sắc trong lĩnh vực nghiên cứu về men đã đặt cõ sổ cho việc phát triển nhanh chóng của vi sinh vật học, sinh lý học, sinh hóa học, di truyền học hiện đại cũng như đã thúc đẩy mạnh mẽ sự tién bộ của các ngành công nghiệp nhẹ, nông nghiệp, công nghiệp thực phấm và y học... Ngưòi ta đã tổ chức sản xuất ổ quy mô cồng nghiệp hàng loạt các chế phẩm enzym, hầu hết là các chế phẩm enzym có nguồn gốc vi sinh vật.
Như vậy lịch sử phát triển của vi sinh vật học dã gắn liền với 3 cuộc tranh luận về: - Thuyết tự sinh;
- Học thuyết về chống bệnh truyền nhiễm; - Cuộc tranh luận về men.
Chắc chắn còn xa mối đầy đủ, nhưng dù sao thì chúng ta củng đã điểm qua một cách có hệ thống những cồng lao và thành tự to lớn của các nhà bác học trong việc sáng lập nên sự phát triển của ngành Vi sinh vật học. Trong những năm gần đây, Vi sinh vặt học đã trổ thành một trong những ngành sinh học có tốc độ phát triến hết sức nhanh chóng ỏ tất cá các nước có nền kinh tế phát triển. Các cô sỏ nghiên cứu và sản xuất có liên quan đến vi sinh vật đều đã được mỏ rộng ra gấp nhiều lần so với trước.
Từ một ngành khoa học ứng dụng, Vi sinh vật học đã trỏ thành một ngành khoa học có bản có những đóng góp to lốn đối với sự phát triển chung của khoa học cũng như đối với nền kinh tế của mỗi nước. Trung tâm nghiên cứu Vi sinh vật học lớn nhất và hình thành sóm nhất trên thế giới là Viện Pasteur ỏ Paris (Pháp) do Louis Pasteur sáng lập ra.
Tại Nga và các nước SNG, Hà Lan, Mĩ, Bỉ , Nhật Bản, Ấn Độ, Trung Quốc, CHLB Đức... gần đây cũng xuất hiện nhiều các Trung tâm công nghệ sinh học rất phát triển với những nghiên cứu rất có hiệu quả trong việc thu và sử dụng các chất có hoạt tính sinh học cao nhò vi sinh vật như trong quá trình sinh tổng hợp các enzym, các acid amin, kháng sinh, vitamin, protein và khám phá bản chất các quá trình sống ổ mức độ phân tử và dưới phân tử (mức độ lượng tử). Từ đó có thể điều khiến một cách chủ động các quá trình sống, nhằm nâng cao một cách mạnh mẽ sức sản xuất trong tất cả các lĩnh vực nhất là trong y học, nông nghiệp, công nghiệp và đặc biệt là công nghiệp thực phẩm để góp phần tạo ra nhiều sản phẩm thực phẩm bằng con đường vi sinh vật và nâng cao mức sóng của con ngưòi bằng cách đẩy mạnh việc sản xuất ổ quy mô công nghiệp hàng loạt các sản phẩm sinh học có giá trị kinh té to lớn như protein, acid amin, enzym, kháng sinh...
ỏ Việt Nam, trước Cách mạng Tháng Tám năm 1945 và hòa bình năm 1954, riêng vi sinh vật học y học có những cơ sỏ hạn chế nhất định, còn vi sinh vật học nông nghiệp công nghiệp thì hầu như chưa có gì. Nhưng những năm gần đây, cùng với sự phát triển chung của các ngành khoa học khác, ngành vi sinh vật học ỏ Việt Nam đã có nhiều tiến bộ đáng kể. Các Trung tâm công nghệ sinh học được thành lập bên cạnh các Viện Pasteur các Viện dinh dưổng hoặc Liên hợp các xí nghiệp vi sinh đã có những công trình nghiên cứu và các sản phẩm độc đáo đóng góp to lón trong sự nghiệp kinh tế và khoa học của đất nưỏc.
v ề vi sinh vật học công nghiệp, chúng ta đã mỏ rộng và sản xuất hàng loạt trên quy mồ công nghiệp các sản phẩm lên men như cồn, rượu, bia, mì chính, bánh mì hoặc sinh tổng hợp protein, enzym..., ngoài ra chúng ta cung đã thành công trong việc nghiên cứu sử dụng amylaza của vi sinh vật trong sản xuất mạch nha, sản xuất vải trong công nghiệp dệt..
Trong lĩnh vực công nghiệp dược phẩm, chúng ta đã sử dụng vi sinh vật để sản xuất kháng sinh, vitamin B 12, B2, gỉuconat canxi, đặc biệt là quá trình sản xuất vacxin, góp phần dắc lực cho việc phòng chống các bệnh dịch ỏ trẻ em như lao, ho gà, uốn ván, bạch hầu bại liệt...
Trong nông nghiệp chúng ta đã có những nghiên cứu cô bản về vi sinh vật cố định nitơ vi sinh vật đất, vi sinh vật diệt côn trùng, vi sinh vật kích thích phát triển, tăng trọng của cây trồng và vật nuôi...
Các nghiên cứu về vi sinh vật thú y cũng đã được mỏ rộng và ứng dụng vào thực tế dế phòng và chữa bệnh cho gia súc, gia cầm... Ngoài ra, các cò sỏ nghiên cứu về vi sinh vật đất, vi sinh vật nùóc, vi sinh vật thủy sản, lương thực hoặc các Trung tâm nghiên cứu về di truyền và chọn giống vi sinh vật cũng đã được xây dựng. Bằng những phương pháp nghiên cứu hiện đại, ngày càng có hiệu quả góp phần thiết thực trong việc bảo vệ sức khỏe và nâng cao đời sống con người.
Từ những hiểu biết đó, củng vói lực lượng cán bộ được đào tạo ỏ trong nước và ỏ niíỏc ngoài về chuyên ngành vi sinh vật học (Đại học Tống họp, Đại học Y khoa, Đại học Bách khoa) và các trung tâm chuyên nghiên cứu về vi sinh vật như Viện Vệ sinh dịch tễ, Viện Dinh dưỡng học, các Viện Pasteur, các Trung tâm Công nghệ sinh học, Viện Sinh thái sinh vật thuộc Viện Khoa học Việt Nam... được trang bị ngày càng nhiều thiết bị moi, hiện đại. Ngành vi sinh vật học ỏ Việt Nam ngày càng phát triển một cách toàn điện góp phần nâng cao đời sóng của toàn dân.
Phần II
VI SINH VẬT HỌC ĐẠI CƯƠNG
• • •Chưưng I
HÌNH THÁI, CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VI SINH VẬT
Những nghiên cứu cổ điển của Pasteur đã đặt nền móng cho sự phát triến của ngành vi sinh vật học công nghiệp. Từ những nghiên cứu này, người ta biết được những vi sinh vật có lợi hoặc có hại cho các ngành công nghiệp thực phẩm như công nghiệp sản xuất rượu bia, chế biến các sản phẩm sữa, công nghệ sản xuất enzym... Trong thời gian vài chục năm gần đây, các sản phẩm thực phấm được sản xuất bằng con đường vi sinh tăng vọt lên biến Vi sinh vật công nghiệp thành một ngành khoa học thực nghiệm hết sức quan trọng. Đây không chỉ là khoa học sử dụng vi sinh vật để thu những sản phẩm sinh hóa quý giá mà còn xác định được những vi sinh vật tạp nhiễm và có hại để tìm phương pháp phòng chống. Rất nhiều sản phẩm thực phẩm được thu nhận trên cơ sỏ của vi sinh vật công nghiệp. Chứng có thể chính là sản phẩm (như sản xuất nấm men, sản xuất thức ăn gia súc), hoặc hoạt động sống của chúng là cơ sỏ tạo nên sản phẩm (như sản xuất rượu bia, acid hừu cơ...). Ngược lại, đối với công nghiệp đồ hộp, cây nhiệt đới, chế biến và bảo quản rau quả, lương thực... ngưòi ta lại phải tìm cách hạn chế hoạt động sống của chúng đế sản phấm không bị mất phấm chất.
Để có thể sử dụng được triệt đế những tác dụng tích cực của vi sinh vật trong công nghiệp và phòng trừ chủng trong quá trình bảo quản lương thực, thực phẩm. Trong phần này, trước hết chúng ta phải nghiên cứu về hình thái, kích thước, cấu tạo và phân loại đại cương vi sinh vật, để qua đó cùng với những hiểu biết về tính chất sinh lý của chúng và các quá trình sinh hóa quan trọng do chủng gây nên có thế điều chỉnh hoạt động sống của vi sinh vật theo hướng có lợi nhất.
Vi sinh vật là những sinh vật vô cùng nhỏ bé không thể trồng thấy bằng mắt thường cho nên để có thế quan sát hình hài, kích thước, cấu tạo và để phân loại chúng, người ta phải dựa vào sự giúp đõ của các loại kính phóng đại như kính lúp, kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử các loại...
Thể giổi vi sinh vật có mặt ỏ khắp mọi nơi trên trái đất và theo quan điểm hiện nay các vi sinh vật được chia thành hai nhóm ỉớn như sau:
- Vi sinh vật có nhân tế bào thật (Eucaryote) gồm nấm mem, nấm mốc, các loại tảo trừ tảo lam và nguyên sinh động vật.
Bảng 2.1. So sánh tế bào procaryote và tế bào eucaryote ________ Tính chắt________
Tổ chức vật liệu di truyền Nhân có màng nhân thật sự AND liên kết vói histone Số lượng nhiễm sắc thể Hạch nhân Gián phân Tái tổ hợp di truyền Ty thể Lục tạp
Màng nguyên sinh chất stéroỉ Roi/Chiên mao
Mạng lưới nội chất Thể Golgi
Vỏ bọc tế bào
Sự khác biệt giữa các bào quan đơn giản Ribosome Lysosonme và peroxysome Vi sọi Phân hóa Procaryote Không có Không Một Không có Không
Trao đổi AND từng phần và theo hưóng xác định
Không có Không có
Thường không có
Kích thước siêu hiển vi, cấu tạo từ một sợi duy nhất Không có Không có Thành phần hóa học thưòng phuc tạp, có chứa peptidoglycan 70S Không có Không có hoặc hiếm Thô sơ Eucaryote Có Có Nhiều hơn một Có Có Giảm phân và dung hợp các giao tử Có Có Có
Kích thưỏc hiển vi, liên kết với màng, thường 20 sợi theo kiểu 9 + 2 Có Có Thành phần hóa học đơn giản hơn, không có peptidoglycan 80S (Ngoại trừ trong ty thể và lục lạp) Có Có Mô và cơ quan
Trong phần này chúng ta chỉ nghiên cứu về ba loài vi sinh vật cơ bản có liên quan chủ yếu đến ngành Công nghiệp thực phẩm, đó là:
Vi khuẩn; f - — -
2
*—* ^L ^ yr, : p * p ọ c ịị
- Nấm men; ~y 'ỤẠ-^rÌ'
I. VI KHUẨN
Vi khuẩn là những vi sinh vật đòn bào, có cấu tạo vô cùng đôn giản, mang nhiều tính chất và đặc điểm của cơ thể thực vật. Vi khuẩn hô hấp hiếu khí hoặc yểm khí, trong cấu tạo tế bào không có diệp lục tố. Chúng rất phổ biến trong tự nhiên như trong đất, nuoc, không khí, thức ăn...
1.1. Kích thước của vi khuẩn
Vi khuẩn thường là rất nhỏ, đường kính của tế bào thường thay đổi từ 1-8 hoặc ÌOịxm (ljLim = l/lO m m ) cũng có loài có kích thưỏc đường kính lên đến 40|U như Sulfobocteri - vi khuẩn lưu huỳnh.
- Cầu khuan: Hầu hết có kích thước gần như nhau, đường kính khoảng 1 - 2ịxm chỉ một số ít có kích thước đặc biệt như Thyophysavoỉutair có đường kính lên đến 18ịj,rrL
- Trực khuẩn: Thưòng có chiều dài tế bào rất thay đổi từ 1 - 5ị^m. Đưòng kính tế bào khoảng 0,5 - l|j.m cũng có loài như trực khuẩn hình chỉ như Beggidtoa marabiỉis có đưòng kính lên đến 50|im.
- Xoắn khuẩn, Phẩy khuẩn: Thường có chiều dài từ 1 - 3ịim (Phẩy khuẩn) và từ 5 - 30jj.m (Xoắn khuẩn), chiều dày của tế bào vào khoảng 0,25 - lịim.
Ngoài ra còn một số loài vi khuẩn kích thưổc vô cùng nhỏ bé như các loại siêu vi khuẩn, vi khuẩn qua lọc, thực khuẩn thể...
1.2. Hình dáng té bào vi khuẩn
Vi khuẩn gồm có 3 hình dạng chính sau đây: - Hình cầu;
- Hình que; - Hình xoắn.
Hình dáng của tế bào vi khuẩn phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thức ăn và các yếu tố của môi trường sống của chứng. Vì thế, giữa các hình dạng chính còn có thể thấy nhừng vi khuẩn có hình dạng trung gian như cầu khuẩn, trực khuẩn hoặc phẩy khuẩn... Dựa vào 3 hình dạng chính của tế bào mà người ta chia chúng làm ba loại như sau:
1.2.1. Cầu khuẩn
Là những vi khuẩn hình tròn hoặc hình cầu rất phổ biến trong tự nhiên và là loài có hình dáng đơn giản nhất, tùy thuộc vào phương pháp phân cắt mà cầu khuẩn được phân bố vào từng nhóm k lj^ n Jia u như:
' Đơn càu khuẩn ẹầu khuẩn) - Micrococcus: Sau khi phân cắt, tế bào thưòng đứng
riêng lẻ. Đ a s ố là các loài hoại sinh, sống trong đất, nưổc và khồng khí.
- Song cchi khuân - Dipỉococcus: Sau khi phân cắt, hai tế bào đứng thành từng đôi một. Hai tế bào này có thể hoàn toàn tròn hoặc như hai ngọn nến, hai hạt cà phê úp vào nhau...
- Liên cầu khuẩn - Streptococcus: Được tạo hành do sự phân cắt tế bào theo một hướng và tất cả tế bào sau khi phân cắt đều dính vỏi nhau tạo thành chuỗi có thể ngắn hoặc dài.
- Tứ cầu khuán - Tetracoccus: Te bào sau khi phân cắt theo mặt phẳng trực giao thì các tế bào con dính vào nhau thành tửng nhóm gồm bón tế bào một.
- Bát cầu khuẩn - Sarcina: Tế bào phân cắt theo ba mặt phắng trực giao vổi nhau và tạo thành những khối gồm tám, mưòi sáu tế bào hoặc nhiều hơn.
- Tụ cầu khuẩn - Staphylococcus'. Được tạo thành do sự phân chia theo các hướng bất kì. Sau khi phân cắt tế bào tập hợp lại tạo thành từng chùm giống chùm nho.
Cầu khuẩn nói chung không có tiên mao, không có khả năng di động trừ hai giống
Planococcus và Planosarcina.
L2.2. Trực khuẩn
Là tên chưng để chỉ tất cả các vi khuẩn có hình que, có chiều dài chênh lệch nhau khá nhiều. Hai đầu trực khuấn khi thì vuông vắn, khi thì phình to ỏ giữa hoặc hai đầu, có khi hai đầu lại là hình tròn do sự tạo thành những mầm tròn hoặc hình bầu dục gọi là bào tử. Chính căn cứ vào sự tạo thành bào tử mà trong phân loại người ta chia trực khuẩn thành hai nhóm:
- Trực khuẩn không bào tử gọi là Bacterium; - Trực khuẩn có bào tử gọi là Bacillus.
Thường thường trực khuấn đứng riêng lẻ, nhưng cũng có khi chúng kết hợp với nhau tạo thành đôi gọi là Song trực khuẩn, thành chuỗi gọi là Liên trực khuẩn.
1.2.3, Xoắn khuẩn
Gồm tất cả các vi khuẩn có từ hai vòng xoắn trỏ lên (loại một vòng xoắn thường gọi là phẩy khuẩn) di động được nhờ có một hay nhiều tiên mao mọc ỏ đỉnh. Tất cả chỉ có một giống, đa sóng sống hoại sinh.
1.3. Cấu tạo của tế bào vi khuẩn
Trong thé giói vi sinh vật, vi khuẩn có cấu tạo tương đối đơn giản, tuy nhiên việc nghiên cứu cấu trúc của tế bào gặp nhiều khó khăn vì kích thước quá bé nhỏ của chúng. Mặt khác, các thành phần cấu tạo nên tế bào vi khuẩn rất dễ thay đổi, tùy thuộc vào tuổi của té bào, điều kiện dinh dưỡng và điều kiện môi trường xung quanh. Vì vậy, muốn có những kết luận chính xác cần nghiên cứu cấu trúc của tế bào vi khuẩn trong những điều kiện ổn định một cách nghiêm ngặt.
f
§ o 8 o
° O
o
CD
( ) ( ) Hình cầu Hình thoi o O °Hình que Dấu phảy
0
AítíiÃẴÌ
Khuẩn xoắn Trùng xoắn
Hình 2,1: Hình thái một sô vỉ khuẩn
Hình 2.2: sắp xếp tê bào mội sô vi khiiản
Vi khuẩn là loại vi sinh vật có cấu tạo đơn bào gồm ba phần chính sau: - Màng tế bào;
- Nguyên sinh chất tế bào; - Nhân tế bào.
Ngoài ra, tùy điều kiện môi trường sóng và tùy từng loài vi khuẩn mà người ta còn có thể tìm thấy những bộ phận khác được cấu thành thêm trong suốt chu kì sống của chúng như bào tử, lổp giác mạc, tiên mao...
7.5.7. M àng tế bào (Thành tế bào)
Màng tế bào vi khuẩn rất mỏng (~ 100 - 200A°) và trong suốt, khổng màu. Vì vậy dưới kính hiển vi thường, để quan sát được chủng, phải tiến hành nhuộm màu tế bào hoặc phải xử lí bằng một số hóa chất gây nên hiện tượng co nguyên sinh chất của tế bào bằng cách cho vi khuẩn vào các dung dịch đậm đặc như muối ăn hoặc đường. Những dung dịch này có áp suất thẩm thấu rất lớn sẽ rứt mất nưổc trong nguyên sinh chất làm nguyên sinh chất co lại và tách khỏi màng tế bào.
Màng tế bào có tính chất đàn hồi và có độ bền rất lỏn, nó có thể chịu được áp suất cao. Đối vổi các vi khuẩn chuyển động được, thành tế bào sẽ uốn theo cơ thê một cách nhịp nhàng, điều đó chứng tỏ màng tế bào có tính co giãn lổn. Màng té bào có cấu tạo gồm hai lớp hoặc nhiều lớp với cấu trúc sợi 2 - 5 lớp rất mỏng 1 0 -2 0 nanomet (nm).
Thành phần hóa học của màng tế bào bao gồm chủ yếu là glucid (gần giống tinh bột, hemixenluloza và pectin) một số chất béo, protid và các acid amin. Thành phần hóa học này thay đổi tùy theo từng loại vi khuẩn và phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường sống của chứng. Nhiệm vụ của màng tế bào là giữ cho hình dáng tế bào không thay đổi là bộ phận bảo vệ cơ thể khỏi những tác hại không thuận lợi của môi trường bên ngoài. Ngoài ra, màng tế bào còn tham gia vào quá trình trao đổi chất của tế bào, tại đây có sự tổng hợp polisacarit với tốc độ rất cao.
Ị.3.2. Nguyên sinh chất tế bào (Bào tương)
Nguyên sinh chất là một khối keo bán lỏng, cấu tạo nên từ nước, protid, lipid, glucid và các loại chất khoáng khác nhau, nó là chất nền sống của tế bào. ớ vi khuẩn khồng có nhân rõ ràng, thì toàn bộ phần tế bào (không kê thành tế bào và giáp mạc) gọi là nguyên sinh chất hay bào tương, c ấ u trúc nhân hoặc phân bố đều trong nguyên sinh chất hoặc tập trung lại như thể giống nhân trong phần giữa tế bào, điều này phụ thuộc vào sự tiến hóa của từng loại tế bào.
Nguyên sinh chất có ý nghĩa quan trọng đói vổi đời sống của vi khuẩn, nó có đầy đủ tính chất của vật chất sống và lại có khả năng khỏng ngừng đổi mới cấu trúc của mình. Qua việc đồng hóa các chất dinh dưỡng, nguyên sinh chất của tế bào có thể ảnh hưổng lên thành phần và tính chất của môi trưởng xung quanh, đồng thời chính nó lại chịu ảnh hưỗng của các yếu tố môi trường. Bằng các phản ứng hóa học phức tạp, trong nguyên sinh chất tế bào xảy ra các quá trình tổng hợp những hợp chất phức tạp (protid, gỉucid, lipid...) từ các chất đơn giản, đồng thời phân giải các chất phức tạp thành hàng loạt các chất đơn giản hơn.
Nguyên sinh chất tế bào không màu, trong suốt và đồng nhất (khi về già có thể biểu hiện tính chất hạt). Nguyên sinh chất có cấu tạo gồm 4 phần:
/. Màng nguyên sinh chât
Vị trí của màng nguyên sinh chất là nằm sát thành tế bào, là một lổp tương đối rắn chắc hôn bên ưong. c ó cấu tạo từ hai lớp protid mỏng ngăn cách bỏi một lop lipid tương đôi dày ỏ giữa. Chiều dày của màng nguyên sinh chất khoảng 50 - 300 A° (1 A° = 1.10 6mm) chiêm 10 - 20% trọng lượng chất khồ của tế bào.
Chức năng của màng nguyên sinh chất là có tính chất ỉưổng thấm chọn lọc, duy trì áp suất tham thấu của tế bào vì các chất đi xuổi ngược vào trong hay ra ngoài đêu được chọn lọc hoặc giữ lại hoặc đi qua.
- Đảm bảo việc chủ động tích lũy các chất dinh dưỡng trong tế bào và thải các sản phẩm trao đổi chất ra ngoài.
- Là nơi xảy ra quá trình sinh tổng hợp một số thành phần của tế bào và vỏ nhầy.
- Tham gia vào quá trình hô hấp của tế bào vì nó chứa nhiều men oxyhóa- khử hệ xitocrom.
Thành phần hóa học của màng nguyên sinh chất rất phức tạp gồm: lipid, protid, gỉucid và hệ enzym phức tạp, hình thành nhiều chức năng quan trọng đói vổi đòi sóng của tế bào vi khuẩn, điều khiển quá trình tổng hợp màng té bào, tổng hợp protid và có khả năng tổng hợp cả ARN.
2. Cơ châí bào tương ('Nguyên sinh chắt)
Bêii trong màng nguyên sinh chất là hệ keo sống của tế bào và có cấu trúc phức tạp. Thường người ta gọi phần chất nền không có cấu trúc đặc biệt bên trong của tế bào là cô chất bào tương (hay là nguyên sinh chất).
- Câu tạo của nguyên sinh chât:
Nguyên sinh chất chính là một khối keo gồm có nưổc, protit, chất béo, muối vô cơ và các chất khác. Trong hệ thống này nưổc là pha liên tục, còn các phần tử có bản chắt hóa học khác nhau là pha phân tán. Phức chất hóa học cơ bản trong nguyên sinh chất ià lipo - proteit, chính tính chất của nguyên sinh chất là phụ thuộc vào đặc tính hóa học và hóa lý của phức chất này. Phức chất này rất nhạy cảm vổi các tác dụng khác nhau của ngoại cảnh như nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử.
- Tính chât của nguyên sinh chất:
Nguyên sinh chất có đặc tính của chất sống. Nó có khả năng không ngừng đổi mới cấu tạo của nó, chuyển hóa thức ăn thành những chất phức tạp và đặc trưng của cơ thể sổng. Như vậy là trong quá trình đồng hóa, nguyên sinh chất có thể làm ảnh hưỏng đến thành phần và tính chất môi trường xung quanh, ngược lại nó cũng chịu ảnh hưởng của môi trưòng và tùy theo đó mà biến đổi nhanh hay chậm.
Trong tể bào chất của các vi khuẩn trưỏng thành, người ta quan sát thấy có nhiều cơ quan con khác nhau hay còn gọi là các bào quan và các thể vùi như là các hạt dự trừ và chủng thường lẫn vào các cấu trúc khác của bào tương.
3. Các thẻ vùi (những kho vật tư của tê bào)
Cũng như mọi sinh vật khác, vi khuẩn có khi gặp cảnh sống phong lưu, nhưng cũng có hồi cơ cực, do đó chủng tự tạo cho mình khả năng thích nghi vói hoàn cảnh tức là có khả năng tự để dành thức ăn ngay trong tế bào. Các hạt dữ trữ như vậy gọi là thể vùi. Dựa vào thành phần hóa học, người ta có thể chia các thể vùi ra làm bốn loại.
- Thể vùi o d d nucleic (hạt vôlutin):
Sỏ dĩ có tên như thế vì chúng được tìm thấy nhiều ỏ vi khưấn Spirìlỉỉiim voliitans. Hạt volutin là phức hợp của acid ribonucleic và metaphotphat. Chúng ỉà nguồn dự trữ azot và photpho quan trọng cho tế bào. Khi đói vi khuẩn sử dụng volutin làm thức ăn.
- Thể vù ỉ ỉipoit (giọt md):
Có thể ở dạng hạt hoặc giọt thường gặp ỏ vi khuẩn hiếu khí hoặc ở màng tế bào nấm men, lượng lipoit có thể đạt tới 50 - 60% trọng lượng khô của tế bào. Trong thể vùi iipoit có thể gặp cả một ít đường và protid, nó là nguồn dự trữ năng lượng và cả chất đạm của tế bào. Nhưng một số tác giả cũng cho đó là bệnh suy thoái mỡ ỏ tế bào già.
- Thê vùi gỉucid:
Thực chất chủng là nhừng hạt tinh bột và hợp chất gần giống với tinh bột như glicogen và granuloza. Nó có nhiệm vụ dự trữ thức ăn cacbon và dự trữ năng lượng cho tế bào. Glicogen bị iod nhuộm màu nâu đỏ, ta dễ quan sát thấy ỏ tế bào trẻ, khi tế bào già đói hoặc gặp các điều kiện khó khăn khác glucogen bị mất đi, granuloza thì bị nhuộm iod trỏ thành màu xanh.
- Thể vùi vô cơ:
Là những hạt hợp chất vô cơ hoặc những tinh thể C aC 03, hoặc CaC20 4 (cancioxalat), đây là nhừng sản phẩm cuối cùng của quá trình sống, ớ vi khuẩn lưu huỳnh bao giờ cũng gặp những giọt lưu huỳnh lỏng, đây là dạng dự trữ năng lượng do quá trình ôxy hóa H2S và khi chúng đã sử dụng hết H2S trong môi trường xung quanh.
H2S + l / 2 0 2 -> s+ H20 + Q 2S + 3 0 2 + 2H20 -> 2H2S 0 4 + Q
Ngoài ra còn có thể tìm thấy ỏ một số các vi khuẩn các tinh thể có khả năng diệt côn trùng. Cơ chất bào tương hay còn gọi là nguyên sinh chất tế bào chứa nhiều thể vùi khác nhau như gỉicogen, granuloza, giọt lipid, giọt lưu huỳnh...
4. Các bào quan (các cơ quan tủ của bào tương)
Bất kì cô thể sinh vật nào cũng có những cơ quan tử của nó. Tế bào vi khuẩn tuy là rất nhỏ nhưng cũng có những cấu trúc để hoàn thành những chức năng nhất định, ngưòi ta gọi đó là bào quan bao gồm: Ribozom, Merozom, Không bào, sắc thể.
- Ribozom:
Trong tế bào Riboxom ỏ dạng 70S được ví như các xí nghiệp siêu vi mô sản xuất protid. Đó là những tiểu thể cực nhỏ, có đường kính khoảng 180A° gồm hai tiểu phần không đều nhau hình số 8. Thành phần chủ yếu của ribozom là ribonucleic và nằm rải rác trong bào tương. Trong một tế bào có tới vài ba đến năm hoặc sáu ribozom kết hợp thành chuỗi gọi là Polixom.
- Meroxom:
Được coi như một trung tâm tổng hợp nó có dạng tiểu thể hình cầu, thường thấy ỏ sát thành vách ngăn trong quá trình tế bào phân cắt. Trong một tế bào chỉ có một và duy nhất một merozom có đường kính 2500A0. Cho đến nay còn chưa thật rõ về chức năng, nhưng người ta cho rằng đây là nơi trùng hợp các phân tử nhỏ thành phân tử lớn cần thiết cho việc xây dựng tế bào và liên quan đến trung tâm tế bào là nhân.
- Không bào:
Có đường kính 0,3 - 0,5jim, có từ 6 đén 10 không bào trong một tế bào vi khuẩn ỏ mọi gia đoạn phát triển. Còn trong thời kì sinh trưỏng con số này tăng lên đến 20. Không bào hình cầu hoặc hình bầu dục, được bao bọc bỏi một màng không bào (tonopỉast) là phức hợp của lipid và protid. Bên trong không bào chứa đầy một dịch thể gồm nưổc và nhiều loại chất hòa tan. Không bào có chức năng điều hòa áp suất thẩm thấu của tế bào.
- Sắc thế:
Một số vi sinh vật có khả năng quang hợp, đó là các vi sinh vật tự dưỡng quang năng (gồm vi khuẩn lục, vi khuẩn tía, vi khuẩn lưu huỳnh...) nhờ các sắc thể có trong tế bào như những chiếc bẫy ánh sáng mà ánh sáng vào đây sẽ bị giữ lại và được chuyển thành hóa năng trong các hợp chất hữu cơ để sử dụng dần.
Sắc thể là những bào quan có cấu trúc hạt, được tạo nên từ những phức hợp lipo 1 proteid và có chứa sắc tố quang hợp là clorophin vi khuẩn(khuẩn lục tố). Khi thiếu thức ăn, vi khuẩn có thể sử dụng các hạt này làm nguồn năng lượng và nguồn thức ăn cacbon. sắc thể có kích thưổc cực nhỏ, chỉ thấy ỏ kính hiển vi điện tử, số lượng nhiều và thường phân bố ỏ vùng biên của tế bào.
1.3.3. Nhân tế bào (hạch vi khuẩn)
Nhân tế bào vi khuẩn cũng là một bào quan, nhưng là một bào quan đặc biệt quan trọng vổi chức năng bao trùm lên mọi hoạt động của tế bào. Qua các công trình nghiên cứu, ngưòi ta có thể kết luận về tính chất của nhân vi khuẩn như sau:
- Nhân vi khuẩn chứa ADN (nghĩa là có cùng thành phần như nhân tế bào động vật, thực vật, kể cả con người). ADN có cấu trúc sợi kép nhưng hai đầu ghép lại tạo thành vòng kín.
- ADN không phân tán đều khắp trong nguyên sinh chất mà được tập trung lại thành một thể giống nhân, hạch tương, tiểu thể cromatin hoặc thường gọi là nhân vi khuẩn. Như vậy, nhân vi khuẩn giống như một thể nhiễm sắc nhưng khép thành vòng kín.
- Nhân vi khuẩn không có màng nhân và nhân con, nó tiếp xúc trực tiếp voi bào tương (đó chỉnh là điểm sai khác so vói nhân thồng thường ỏ tế bào các sinh vật tiến hóa hôn), thế cho nên cần hiểu nhân của tế bào vi khuẩn như một dạng hạch với nội dung khác nhân tế bào mà ta quen hình dung.
- Nhân vi khuẩn hoàn thành chức năng giống như những chức năng của nhân tế bào vi sinh vật bậc cao nghĩa là nó điều khiển quá trình sinh tổng hộp protein của té bào trong đó có cả quá trình sinh tổng họp enzym và di truyền tính chất của tế bào mẹ cho con cái.
- Nhân vi khuẩn trong quá trình tế bào phân cắt cũng được phân cắt ngay trước lúc tế bào phân cắt.
- só lượng nhân trong các tế bào vi khuẩn khác nhau thì khác nhau, ỏ cầu khuẩn là một nhân, ỏ trực khuẩn thì có nhiều nhân hôn và đặc biệt nhiều đổi vói trực khuấn trẻ. Như vậy, tế bào vi khuẩn bao giờ củng có nhân, nhưng nhân không có màng nhân và không có cấu tạo nhiễm sắc thể và thành phần chính là ADN có cấu trúc vòng.
1.4. Giáp mạc (Capsule)
Trong điều kiện môi trường sống khắc nghiệt hoặc thay đối, không phải tất cả mà một số vi khuấn còn có thêm một phương tiện bảo vệ, đó là giáp mạc hay còn gọi là vỏ bọc được tạo thành ỏ bên ngoài màng tế bào. Giáp mạc là một lớp keo nhầy, khá dày và trồng rất rõ dưới kính hiển vi. Lóp vỏ nhầy này giữ một vai trò quan trọng đối voi hoạt dộng sổng của vi khuấn vì chính bề mặt của vi khuấn là ndi liếp xúc giữa cơ thế voi vô số những nhân tố của môi trường bên ngoài, những nhân tố ấy lại ảnh hưỏng sâu sắc đến hoạt động sống của chúng.
ở đa số các trưòng hộp, thành tế bào và lóp giác mạc là hai bộ phận riêng biệt nhau, có ranh giỏi rõ ràng, nhưng đôi lúc, các cấu trúc này gần như hòa lẫn vào nhau và lớp vỏ nhầy gần như một phần dày lên của thành tể bào. Thành phần hóa học của lóp vỏ nhầy ổ các vi khuẩn khác nhau củng khác nhau, thường là được tạo nên từ các polisacharid, các nitơ, photpho và có thể có cả polipeptid, nhưng thành phần chủ yếu vẫn là nưổc (98%), có nhiệm vụ như một hàng rào thấm thấu đê bảo vệ tế bào chống lại quá trinh khô.
Có thể nói, sự tạo thành giáp mạc của tế bào vi khuấn là một hình thức tự vệ. Ví dụ như loài vi khuẩn Leuconostoc chỉ tạo thành vỏ nhầy khi sống trong mồi trường chứa đường hoặc sữa, đây chính là một trỏ ngại rất lổn cho ngành công nghiệp sản xuất đường. Một số vi khuẩn khi nuôi cấy trong môi trường có chứa chất kích thích như CaCl2 sẽ tạo lớp vỏ nhày lổn, khi được cấy chuyền sang môi trưòng bình thường thl chúng ngừng hẳn quá trình tạo thành vỏ nhầy.
Nhiều tác giả cho rằng giáp mạc là một khả năng được hình thành trong những điều kiện không thuận lợi, nhưng một số loại vi khuẩn còn có khả năng hình thành giáp mạc không những trong điều kiện khó khăn về hoàn cảnh, mà đó còn là khả năng sinh lí có vai trò nhất định trong cuộc sống. Ví dụ như vi khuẩn lưu huỳnh có thể hình thành ỏ một đầu tế bào một khói nhầy giúp chúng bám vào những vật thể trong nước.
