Bài giảng vi sinh vật kỹ thuật môi trường

Polysaccharide của màng nhầy có thể ñược thấy chỉ khi xử lí với hóa chất ñể oxy hóa polysaccharide thành cấc nhóm phản ứng hoặc sử dụng thuốc nhuộm có phản ứng với nhóm hydroxyl bên tron

CHƯƠNG I - THẾ GIỚI VI SINH VẬT 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG:

Vi sinh vật là tên gọi chung ñể chỉ các loài sinh vật có kích thước nhỏ bé, ta chỉ có thể thấy nó dưới kính hiển vi

Vi sinh vật phân bố rộng rãi trong tự nhiên: trong ñất, nước, không khí, trên cơ thể các sinh vật khác, trên lương thực, thực phẩm và các loại hàng hóa Chẳng những thế, sự phân bố của chúng còn theo một hệ sinh thái vô cùng phong phú, ña dạng, từ lạnh ñến nóng,

từ chua ñến kiềm, từ hiếu khí ñến kị khí, Do sự phân bố rộng rãi và do hoạt ñộng mạnh mẽ nên vi sinh vật có tác dụng rất lớn trong việc tham gia các vòng tuần hoàn vật chất trên trái ñất cũng như tham gia vào các quá trình sản xuất nông nghiệp Trong thiên nhiên, vi sinh vật giữ những mắt xích trọng yếu trong sự chu chuyển liên tục và bất diệt của vật chất, nhờ

có vi sinh vật mà chu trình tuần hoàn vật chất ñược khép kín, nếu không có vi sinh vật hay

vì một lý do nào ñó mà hoạt ñộng của vi sinh vật bị ngừng trệ dù chỉ trong thời gian ngắn,

có thể nó sẽ làm ngưng mọi hoạt ñộng sống trên trái ñất Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò của vi sinh vật, thì việc ứng dụng nó trong sản xuất và ñời sống ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn

Trong việc bảo vệ môi trường, người ta ñã sử dụng vi sinh vật làm sạch môi trường: xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong ñiều kiện hiếu khí hay kị khí ñều là những biện pháp ñem lại hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí xử lý, vi sinh vật ñược ứng dụng trong việc sản xuất phân bón hữu cơ từ các loại chất thải rắn hữu cơ hay trong bùn thải, dùng vi sinh vật ñể sản xuất ra thuốc bảo vệ thực vật không gây ñộc hại cho môi trường, bảo

vệ mối cân bằng sinh thái

Vi sinh vật có một số các ñặc ñiểm chung sau ñây:

1.1.1 Kích thước nhỏ bé:

Vi sinh vật thường ñược ño kích thước bằng ñơn vị là micromet

(1µm= 10-3mm hay 10-6m) Virus ñược ño kích thước ñơn vị bằng nanomet (1nn=10-6mm hay 10-9m)

Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong 1 ñơn vị thể tích càng

lớn Chẳng hạn ñường kính của 1 cầu khuẩn (Coccus) chỉ có 1mm, nhưng nếu xếp ñầy

chúng thành 1 khối lập nhưng có thể tích là 1cm3 thì chúng có diện tích bề mặt rộng tới 6

m2 !

Hình 1.1: Kích thước của các loại vi sinh vật 1.1.2 Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh:

Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thu và

chuyển hoá vượt xa các sinh vật khác Chẳng hạn 1 vi khuẩn lắctic (Lactobacillus) trong 1

giờ có thể phân giải ñược một lượng ñường lactose lớn hơn 100-10.000 lần so với khối lượng của chúng Tốc ñộ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1.000 lần so với ñậu tương

và gấp 100.000 lần so với trâu bò

1.1.3 Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh:

Vi sinh vật có khả năng sinh trưởng và phát triển mạnh hơn các loài sinh vật khác

Chẳng hạn, 1 trực khuẩn ñại tràng (Escherichia coli ) trong các ñiều kiện thích hợp chỉ sau

12-20 phút lại phân cắt một lần Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4.722.366.500.000.000.000.000.000 tế bào (4 722

366 1017), tương ñương với 1 khối lượng 4722 tấn Tất nhiên trong tự nhiên không có ñược các ñiều kiện tối ưu như vậy (vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩm trao ñổi chất có hại ) Trong nòi lên men với các ñiều kiện nuôi cấy thích hợp từ 1 tế bào có thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100.000.000- 1.000.000.000 tế bào Thời gian thế hệ của nấm men

dài hơn, ví dụ với men rượu (Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút Với nhiều vi sinh vật khác còn dài hơn nữa, ví dụ với tảo Tiểu cầu ( Chlorella ) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc

là 23 giờ Có thể nói không có sinh vật nào có tốc ñộ sinh sôi nảy nở nhanh như vi sinh vật

1.1.4 Năng lực thích ứng mạnh, dễ phát sinh biến dị:

Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật ñã tạo cho mình những cơ chế ñiều hoà trao ñổi chất ñể thích ứng ñược với những ñiều kiện sống rất khác nhau, kể cả những ñiều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác tgường không thể tồn tại ñược Có vi sinh vật sống ñược ở môi trường nóng ñến 1300C, lạnh ñến 0-50C, mặn ñến nồng ñộ 32% muối ăn, ngọt ñến nồng ñộ mật ong, pH thấp ñến 0,5 hoặc cao ñến 10,7, áp suất cao ñến trên 1103 at hay

có ñộ phóng xạ cao ñến 750 000 rad Nhiều vi sinh vật có thể phát triển tốt trong ñiều kiện tuyệt ñối kỵ khí, có loài nấm sợi có thể phát triển dày ñặc trong bể ngâm tử thi với nộng ñộ Formol rất cao

Vi sinh vật ña số là ñơn bào, ñơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống do ñó rất dễ dàng phát sinh biến dị Tần số biến dị thường ở mức 10-5-10-10 Chỉ sau một thời gian ngắn ñã có thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các hế hệ sau Những biến dị có ích sẽ ñưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất Nếu như khi mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ ñạt 20 ñơn vị/ml dịch lên men (1943) thì nay ñã có thể ñạt trên 100 000 ñơn vị/ml Khi mới phát hiện ra acid glutamic chỉ ñạt 1-2g/l thì nay ñã ñạt ñến 150g/ml dịch lên men

1.1.5 Phân bố rộng, chủng loại nhiều:

Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên Trái ñất, trong không khí, trong ñất, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể, người, ñộng vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi ñồ vật

Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-ñịa-hoá học (biogeochemical cycles) như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn N, vòng tuần hoàn P, vòng tuần hoàn S, vòng tuần hoàn Fe

Trong nước vi sinh vật có nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nông (limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng ñáy ao hồ (benthic zone)

Trong không khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ít Số lượng vi sinh vật trong không khí ở các khu dân cư ñông ñúc cao hơn rất nhiều so với không khí trên mặt biển

và nhất là trong không khí ở Bắc cực, Nam cực

Hầu như không có hợp chất carbon nào (trừ kim cương, ñá graphít ) mà không là thức ăn của những nhóm vi sinh vật nào ñó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol dioxin ) Vi sinh vật có rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau: quang tự dưỡng (photoautotrophy), quang dị dưỡng (photoheterotrophy), hoá tự dưỡng (chemoautotrophy), hoá dị dưỡng (chemoheterotrophy)

1.1.6 Là sinh vật ñầu tiên xuất hiện trên trái ñất

Trái ựất hình thành cách ựây 4,6 tỷ năm nhưng cho ựến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống từ cách ựây 3,5 tỷ năm đó là các vi sinh vật hoá thạch còn ựể lại vết tắch trong các tầng ựá cổ Vi sinh vật hoá thạch cổ xưa nhất ựã ựược phát hiện là những dạng rất giống với Vi khuẩn lam ngày nay Chúng ựược J.William Schopf tìm thấy tại các tầng ựá cổ

ở miền Tây Australia Chúng có dạng ựa bào ựơn giản, nối thành sợi dài ựến vài chục mm với ựường kắnh khoảng 1-2 mm và có thành tế bào khá dày Trước ựó các nhà khoa học

cũng ựã tìm thấy vết tắch của chi Gloeodiniopsis có niên ựại cách ựây 1,5 tỷ năm và vết tắch của chi Palaeolyngbya có niên ựại cách ựây 950 triệu năm

1.2 CẤU TẠO TẾ BÀO VI SINH VẬT

Tế bào sinh vật ựược chia thành hai nhóm: nhóm tiền nhân procaryote như vi khuẩn, vi rút; nhóm có nhân thật eucaryote như nấm ựộng vật nguyên sinh, tế bào ựộng vật

và thực vật Virut những kắ sinh nội bào bắt buột thì không thuộc hai nhóm tế bào này

Những ựặc ựiểm chắnh ựể phân biệt hai nhóm procaryote và eucaryote như sau:

1 Tế bào eucaryote thường phức tạp hơn tế bào procaryote

2 Ở tế bào eucaryote thì AND có màng nhân ựược gắn với histon của những protein khác

3 Ở tế bào eucaryote thì các bào quan thường có màng bao bọc

4 Ở tế bào procaryote thường sinh sản bằng cách tự nhân ựôi trong khi tế bào eucaryote thường sinh sản bằng con ựường phân bào giảm phân

5 Trong tế bào procaryote thường vắng mặt các bào quan như lưới nội chất, bộ máy Golgi, ty thể, lục lạp,Ầ

Bảng 1.1 So sánh procaryote và eucaryote

(Nấm, ựộng vật nguyên sinh,

tảo) Vách tế bào Có ở hầu hết procaryote Không có ở tế bào ựộng vật,

có ở tế bào thực vật, tảo và

nấm

Màng tế bào Lớp ựôi photpholipid Lớp ựôi photpholipid + sterol

Chuyển ñộng Tiên mao gồm một sợi Hệ sợi tiêm mao hay roi

NST

Kích thước tế bào 0.2 - 2.0 microns > 0.2 microns

Năm 1884 H.Christian Gram ñã nghĩ ra phương pháp nhuộm phân biệt ñể phân chia

vi khuẩn thành 2 nhóm khác nhau: vi khuẩn Gram dương (G+) và vi khuẩn Gram âm (G-) Phương pháp nhuộm Gram về sau ñược sử dụng rộng rãi khi ñịnh loại vi sinh vật Thành phần hoá học của 2 nhóm này khác nhau chủ yếu như sau :

Thành phần Tỷ lệ % ñối với khối lượng khô của thành tế bào

Acid teicoic (Teichoic

Hình 1.2 Cấu tạo thành tế bào ở vi khuẩn Gram+ và vi khuẩn Gram-

Màng sinh chất (plasma membrane); Màng ngoài (outer membrane); Chu chất (Periplasmic space)

1.2.2 Màng sinh chất:

Màng sinh chất hay Màng tế bào chất (Cytoplasmic membrane, CM) ở vi khuẩn cũng tương tự như ở các sinh vật khác Chúng cấu tạo bởi 2 lớp Phospholipid (PL), chiếm 30-40% khối lượng của màng, và các protein (nằm trong, ngoài hay xen giữa màng), chiếm 60-70% khối lượng của màng ðầu phosphat của PL tích ñiện, phân cực, ưa nước; ñuôi hydrocarbon không tích ñiện, không phân cực, kỵ nước

Màng có các chức năng chủ yếu sau ñây:

Khống chế sự qua lại của các chất dinh dưỡng, các sản phẩm trao ñổi chất

Duy trì áp suất thẩm thấu bình thường trong tế bào

Là nơi sinh tổng hợp các thành phần của thành tế bào và các polyme của bao nhày (capsule)

Là nơi tiến hành quá trình Phosphoryl oxy hoá và quá trình Phosphoryl quang hợp (ở

vi khuẩn quang tự dưỡng)

Là nơi tổng hợp nhiều enzym, các protein của chuỗi hô hấp

Cung cấp năng lượng cho sự hoạt ñộng của tiên mao

1.2.3 Tế bào chất:

Tế bào chất (TBC-Cytoplasm) là phần vật chất dạng keo nằm bên trong màng sinh chất, chứa tới 80% là nước Trong tế bào chất có chứa các chất dự trữ, các hạt volutin, protein, acid nucleic, hydrat carbon, lipid, các ion vô cơ và nhiều nhiều chất khác có khối

lượng phân tử thấp Các quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh xật xảy ra chủ yếu trong tế bào chất

1.2.4 Nang tế bào :

Nang ựược cấu tạo từ các cao phân tử ngoại bào, bao quanh tế bào, cấu tạo từ các polysaccharid Ở một số tế bào khác, nang bao gồm những chất cao phân tử cấu trúc lỏng lẻo và chúng có thể rải rác trong các môi trường nuôi cấy

Nang có chức năng:

Nang ựóng góp tắnh ựộc của các vi khuẩn gây bệnh

Những tế bào ựược bao bọc bởi nang có thể chống lại ựược sự thực bào

Những chất cao phân tử ngoại bào có thể giúp cho vi khuẩn hấp thu vào các bề mặt khác nhau như bám vào răng, bám vào những bề mặt nhớt nhày, ống nước

Nang bảo vệ tế bào khỏi bị khô

Chúng ựóng vai trò quan trọng trong việc tạo phức với kim loại ựặc biệt trong các công trình xử lắ nước thải

Chúng giúp cho sự tạo bông bùn trong quá trình bùn hoạt tắnh

đó là 1 nhiễm sắc thể (NST, chromosome) duy nhất dạng vòng chứa 1 sợi ADN xoắn kép

(ở Xạ khuẩn Streptomyces có thể gặp nhiễm sắc thể dạng thẳng) NST ở vi khuẩn Escherichia coli dài tới 1mm, có khối lượng phân tử là 3.109, chứa 4,6.106 cặp base Nitơ

Thể nhân là bộ phận chứa ñựng thông tin di truyền của vi khuẩn Phân tử AND có vòng ñơn, chúng tồn tại bên trong tế bào và không bao quanh màng nhân Procaryote có thể chứa một phân tử AND nhỏ vòng ñơn gọ là plasmid

Eucaryote có nhân rõ ràng và có màng nhân bao quanh Màng nhân có các lỗ rất nhỏ cho phép trao ñổi chất giữa bên trong chất nhân và nguyên sinh chất của tế bào AND liên kết với các cầu histon tồn tại ở các nhiễm sắc thể Tế bào phân chia bằng gián phân, trong ñó bắt ñầu sự nhân ñôi nhiễm sắc thể Mỗi tế bào con lại mang một bộ nhiễm sắc thể giống tế bào mẹ

Các acid di truyền gồm các ADN (acid deoxyyrribonucleic) và ARN (acid ribonucleic) Phân tử ADN là chuỗi xoắn kép gồm hàng triệu ñơn vị gọi là nucleotid Nucleotid liên kết với nhau qua các cầu nối Phospho Nhóm hydroxyl của ñường pentose [C3’] sẽ liên kết với nhóm phosphate của [C’] của pentose kế tiếp Có 4 base cơ bản của ADN, 2 purin là adenin và guamin, 2 pyrimidin là cytosin và thymin Các base sẽ bắt cặp với nhau thông qua các cầu nối hydro, guamin luôn bắt cặp với cytosin, còn adinin luôn bắt cặp với thymin

ARN thường chỉ có một sợi, (một số virus có sợi ñôi ARN) và chứa ñường ribose thay vì deoxyribose, urasil thay vì thymin

1.2 CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHỦ YẾU

1.4.1 Vi khuẩn

Vi khuẩn thuộc nhóm vi sinh vật chưa có nhân chính thức Vi khuẩn là nhóm vi sinh vật chủ yếu và có ý nghĩa lớn nhất trong ngành kỹ thuật môi trường Vi khuẩn là nhóm

vi sinh vật ñược ứng dụng nhiều nhất ñể oxi hóa các chất hữu cơ trong việc xử lý nước thải,

xử lý chất thải rắn ñem lại hiệu quả cao mà tốn ít chi phí

1.4.1.1 Hình dạng

Vi khuẩn có nhiều hình thái khác nhau: hình cầu, hình que, hình xoắn, hình dấu phẩy, hình sợi Kích thước thay ñổi tuỳ theo các loại hình và trong một loại hình kích thước cũng khác nhau So với virus, kích thước của vi khuẩn lớn hơn nhiều, có thể quan sát

vi khuẩn dưới kính hiển vi quang học Dựa vào loại hình có thể chia ra một số nhóm sau:

- Vi khuẩn hình cầu (cầu khuẩn): Các vi khuẩn hình cầu có thể tồn tại riêng lẻ (ñơn cầu khuẩn), theo nhóm 2 tế bào (song cầu chuẩn), theo nhóm 4 tế bào (tứ cầu khuẩn), hoặc dính thành từng chùm (tụ cầu khuẩn), kết thành sợi dài (liên cầu khuẩn)

ðơn cầu khuẩn (Micrococcus) Song cầu khuẩn( diplococus)

Tụ cầu khuẩn (taphylococcus) Liên cầu khuẩn (Streptococcus)

Hình 1.4: Một số vi khuẩn hình cầu

- Vi khuẩn hình que (trực khuẩn)

- Vi khuẩn hình xoắn (xoắn khuẩn)

1.4.1.2 Kích thước

Kích thước của các tế bào riêng lẻ thay ñổi tuỳ theo các giới hạn rộng nhiều hơn Giới hạn kích thước tế bào thay ñổi từ 0.3µm ñến 50µm Giới hạn cho các vi khuẩn bình thường là từ 0.5 - 3µm Hình que trung bình từ 0.5 ñến 1µm chiều rộng và 3µm chiều dài Hình cầu trung bình là từ 0.5 ñến 1 µm ñường kính, trong khi tế bào xoắn có kích thước trung bình từ 0.5 ñến 5µm chiều rộng và 6 ñến 15 µm chiều dài

1.4.1.3 Cấu tạo tế bào:

Từ ngoài vào trong cấu tạo tế bào vi khuẩn có các thành ñặc trưng phần sau

 Màng nhầy:

Màng nhầy là lớp màng ngoài cùng của tế bào vi khuẩn Mặc dù các thông tin về thành phần hóa học ñã ñược biết, người ta vẫn hiểu rất ít về chức năng của chúng Lớp màng nhầy tích tụ polysaccharide xung quanh tế bào Nó không ñóng bất kì vai trò nào trong sự tăng trưởng của tế bào, nhưng lại xuất hiện như một sản phẩm của quá trình phân hủy của thành phần vách tế bào Ban ñầu người ta cho rằng màng nhầy là chất ñược tiết từ trong tế bào nhưng kích thước phân tử ñược tìm thấy của chúng quá lớn ñể có thể thấm qua màng tế bào

Màng nhầy luôn luôn ñược xem là thành phần quan trọng trong lớp nhầy của bể lọc sinh học và trong bông bùn hoạt tính Giả thiết một số vi khuẩn tiết ra màng nhầy ñặc biệt

ñể liên kết với nhau và ñể hấp dẫn thức ăn ñã ñược chứng tỏ là hoàn toàn sai Sự tạo thành màng nhầy là kết quả thông thường của quá trình trao ñổi chất của tất cả vi khuẩn Nếu vi khuẩn di chuyển, màng nhầy bị trượt từ bề mặt tế bào Hiện tượng này làm cho nhiều người quan sát nghi ngờ vi khuẩn có màng nhầy hay không, bởi vì không thể thấy ñược màng nhầy ở các tế bào quá trẻ và quá chuyển ñộng Sự chuyển ñộng làm cho màng nhầy tạo ñược hình dạng của tế bào và xuất hiện một bề dày nhất ñịnh bao quanh tế bào Khi màng nhầy có bề dày ổn ñịnh thì nó ñược gọi là nang

Sự dễ dàng bị rửa trôi của màng nhầy từ bề mặt tế bào chứng tỏ ñộ bền vững cấu trúc của phân tử polysaccharide là yếu Khảo sát cấu trúc của polysaccharid màng nhầy cho thấy một số nhóm phản ứng hóa học gây ra tính trơ hóa học của loại chất liệu này ðiều này ñược xác nhận thêm bằng các nổ lực minh họa nhuộm màng nhầy Màng nhầy không thể ñược nhuộm bằng thuốc nhuộm acid hay thuốc nhuộm cơ bản thông thường vì có một số nhóm phản ứng hóa học trong polysaccharide của màng nhầy Polysaccharide của màng nhầy có thể ñược thấy chỉ khi xử lí với hóa chất ñể oxy hóa polysaccharide thành cấc nhóm phản ứng hoặc sử dụng thuốc nhuộm có phản ứng với nhóm hydroxyl bên trong phân tử polysaccharide Tính trơ của polysaccharide màng nhầy ngăn cản sự phân hủy chúng bởi vi sinh vật và cho phép chúng tích tụ

Khi phân tử già và giảm chuyển ñộng, màng nhầy polysaccharide tích tụ xung quanh tế bào lớn hơn Những tế bào không chuyển ñộng tích tụ rất nhiều màng nhầy ñến nỗi chúng bị xem là các zoogloea Sự hiện diện một lượng lớn màng nhầy xung quanh vi khuẩn chứng tỏ hệ thống già hoạt ñộng trao ñổi chất kém

 Vách tế bào

Vách tế bào nằm dưới lớp màng nhầy và chịu trách nhiệm qui ñịnh hình dạng tế bào Về mặt hóa học, vách tế bào là polymer của protein-polysaccharide có tính phản ứng hóa học yếu Cấu trúc phân tử của vách tế bào là những phân tử tương ñối lớn có thể xuyên ngang vách tế bào Trong trường hợp này vách tế bào hoạt ñộng như một cái rây kiểm soát kích thước các phân tử xâm nhập tế bào

 Màng nguyên sinh chất

Màng nguyên sinh chất nằm bên dưới vách tế bào Nó là phức hợp của lipoprotein kiểm soát tất cả các phần của các chất ñi vào và ñi ra khỏi tế bào Sự hiện diện của các nhóm hóa học hoạt tính cao hướng dẫn các chất ñi vào ñến các vị trí cần thiết bên trong tế bào ñể thực hiện các phản ứng tiếp theo Việc kiểm soát các chất bên trong tế bào ñược thực hiện bởi một hàng rào vật lí, cũng như ñối với các chất tải ñiện tử Màng nguyên sinh chất là

vị trí vận tải bề mặt của vi khuẩn

 Nguyên sinh chất

Khối tế bào vi khuẩn ñược tạo bởi một dung dịch keo của protein, lipid và carbonhydrat ñược gọi nguyên sinh chất Các phản ứng hóa học chủ yếu xảy trong nguyên sinh chất tại các bề mặt keo Pha lỏng là pha chuyển ñộng trong ñó các chất hóa học hòa tan chuyển ñộng Các sản phẩm cuối của quá trình trao ñổi chất ñược giải phóng từ bề mặt keo

ñi vào trong pha lỏng và sau ñó ra khỏi tế bào Có một số cấu trúc không hòa tan trong nguyên sinh chất, chủ yếu là nhân

 Nhân

Trung tâm của vi khuẩn là nhân Nhân ñược tạo ra từ nucleoprotein và chịu trách nhiệm tất cả các phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào các enzyme xúc tác tất cả các phản ứng sinh hoá trong tế bào ñều có nguồn gốc từ nhân Nhân là nơi chứa ñựng thông tin di truyền của sinh vật nói chung và vi sinh vật nói riêng Các ñặc trưng di truyền của vi khuẩn ñều từ nhân Chừng nào nhân còn nguyên vẹn, tế bào sẽ còn duy trì các chức năng cũng như vẫn còn nguyên vẹn khả năng sữa chữa các sai hỏng và tạo ra các thành phần tế bào mới

 Các thể ẩn nhập

Các thể ẩn nhập khác trong tế bào chất thay ñổi theo từng tế bào vào thay ñổi theo từng ñiều kiện môi trường khác nhau Các thể ẩn nhập thường gặp là volutin, polysaccharide, lipid, và sulfua Volutin là acid pentosenucleiccó thể ñược dùng như nguồn

dự trữ ñể tổng hợp nhân Thể ẩn nhập polysaccharide có thể là glycogen hoặc tinh bột ñược tìm thấy trong sự hiện diện dư thừa nguồn hữu cơ hay thiếu hụt nguồn Nitơ Lipid hay các thể ẩn nhập là các acid báo xuất hiện khi xuất hiện sự dư thừa thức ăn năng lượng cao như carbonhydrate Cả hai thể ăn nhập polysaccharide và lipid hoạt ñộng như nguồn thức ăn dự trữ khi cần trao ñổi năng lượng Vi khuẩn trao ñổi sulfua thường tích tụ sulfua tự do trong tế bào Không một thể ẩn nhập nào trong số này xuất hiện trong vi khuẩn trừ khi dưới những ñiều kiện dư thừa các chất dinh dưỡng năng lượng và thiếu hụt chất dinh dưỡng tổng hợp

 Tiên mao

Tiên mao (Lông roi, flagella) không phải có mặt ở mọi vi khuẩn, chúng quyết ñịnh khả năng và phương thức di ñộng của vi khuẩn Tiên mao là những sợi lông dài, dưới kính hiển vi quang học chỉ có thể thấy rõ khi nhuộm theo phương pháp riêng Dưới kính hiển vi ñiện tử có thể thấy rất rõ cấu trúc của từng sợi tiên mao ðể xác ñịnh xem vi khuẩn có tiên mao hay không còn có cách thử gián tiếp nhằm biết khả năng di ñộng của chúng Cấy bằng que cấy nhọn ñầu vào môi trường thạch ñứng chứa 0.4% thạch (agar-agar), còn gọi là môi trường thạch mềm Nếu thấy vết cấy lan nhanh ra xung quanh thì chứng tỏ là vi khuẩn có tiên mao, có khả năng di ñộng

Loại vi khuẩn chủ yếu ñược các kĩ sư môi trường quan tâm là các loại bơi tự do Cơ quan kết hợp chuyển ñộng của vi khuẩn là tiên mao, có những tranh luận về cơ chế chuyển ñộng Một số người quan sát có cảm giác tiên mao không gây ra chuyển ñộng nhưng nó là thứ ñược tạo ra do dòng màng nhầy polysaccharide Những nghiên cứu gần ñây cho thấy tiên mao gồm chủ yếu là protein, loại bỏ khả năng tiên mao là do màng nhầy polysaccharide Các ảnh hiển vi ñiện tử cho thấy tiên mao có nguồn gốc trong tế bào và có cấu trúc xác ñịnh

 Bào tử

Sự cần thiết phải tồn tại dưới những ñiều kiện khó khăn dẫn ñến sự hình thành bào

tử ở một số loài vi khuẩn Bào tử vi khuẩn ñược tạo ra chỉ khi các rế bào bình thường, khỏe mạnh, tự nó tìm thấy trong những môi trường thay ñổi bất lợi từ từ Bào tử ñược tạo ra khi nhân trở nên ñược bao bọc xung quanh bởi một lớp vỏ polysaccharide rất ñậm ñặc Vỏ polysaccharide bảo vệ nhân cho ñến khi các ñiều kiện môi trường thuận lợi ñược thiết lập, lúc ñó, nhân mở rộng ra toàn bộ tế bào và vỏ polysaccharide bị loại bỏ

Hình 1.5 : Cấu tạo tế bào vi khuẩn 1.4.1.5 Thành phần hóa học của tế bào:

Sự tăng trưởng bình thường của vi khuẩn trong ñiều kiện dinh dưỡng dư thừa làm cho vi khuẩn có thành phần hóa học xác ñịnh Khảo sát những vi khuẩn khác nhau tăng trưởng trong những ñiều kiện sống môi trường khác nhau chỉ ra rằng vi khuẩn có 80% nước, 20% chất khô Chất khô có 90% là chất hữu cơ, 10% là chất vô cơ Phần hữu cơ gồm 53%

là carbon, 296% oxy, 12%Nitơ, và 6% hydro Phần hữu cơ cho công thức kinh nghiệm gần ñúng là C5H7O2N Phần vô cơ trung bình là 50% P2O5, 6% K2O, 11% Na2O, 8% MgO, 9% CaO, 15% SO3, và 1% Fe2O3 Vi khuẩn phải dẫn xuất tất cả các nguyên tố cơ bản cho nguyên sinh chất từ môi trường lỏng Biết ñược thành phân hóa học trong tế bào vi khuẩn giúp cho chúng ta xác ñịnh hàm lượng của mỗi chất dinh dưỡng phù hợp cho vào môi cấy vi sinh vật Mặt khác, các kỹ sư môi trường có thể xác ñịnh và bổ sung thêm các chất dinh dưỡng vào nước thải ñể vi sinh vật hoạt ñộng tốt trong bể xử lý sinh học nước thải

1.4.1.6 Phân loại vi khuẩn

Việc phân loại vi khuẩn dựa vào các tiêu chí ñể phân loại khác nhau Ta có các hình thức phân loại vi khuẩn sau ñây:

 Dựa theo cách sử dụng cacbon ta chia vi khuẩn ra thành các loại:

+ Vi khuẩn tự dưỡng: Bao gồm các vi khuẩn có khả năng tổng hợp nên các chất hữu cơ từ nguồn cacbon vô cơ CO2 ðại diện: Vi khuẩn lục, vi khuẩn tía

+ Vi khuẩn dị dưỡng: Bao gồm các vi khuẩn không có khả năng tự tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ mà phải lấy nguồn cacbon từ các hợp chất hữu cơ khác ða số các vi khuẩn thuộc nhóm dị dưỡng

 Dựa theo cách hô hấp:

Theo cách sử dụng oxi ta chia vi sinh vật thành các nhóm sau ñây:

+ Vi khuẩn hiếu khí: Bao gồm những vi khuẩn chỉ có thể tồn tại ñược trong môi trường có oxi Vi khuẩn loại này có mặt với số lượng lớn trong bể aerotank, bể lọc sinh học hiếu khí,

hồ sinh học hiếu khí và tầng trên của hồ tùy tiện

+ Vi khuẩn kỵ khí: Tồn tại và phát triển tốt trong ñiều kiện không có oxi Nhóm vi khuẩn này ñược ứng dụng nhiều trong các công trình xử lý kỵ khí như bể UASB, bể lọc sinh học

kỵ khí, hồ sinh học kỵ khí…

+ Vi khuẩn tùy tiện: Nhóm vi sinh vật này có thể tồn tại trong ñiều kiện có hoặc không có oxi Ta thường gặp vi khuẩn tùy tiện nhiều trong hồ sinh thái

 Phân loại theo nhiệt ñộ:

+ Vi khuẩn ưa ấm: Các vi khuẩn này có nhiệt ñộ thích hợp cho sự phát triển của chúng là 20 – 30oC

+ Vi khuẩn ưa nóng: Nhiệt ñộ thích hợp cho sự phát triển của chúng là 50 – 60oC

 Phân loại dựa theo hình dạng

Vi khuẩn ñược chia ra thành các dạng: cầu khuẩn, trực khuẩn, xoắn khuẩn

1.4.1.7 Sinh Sản của vi khuẩn

ða số các loài vi khuẩn sinh sản vô tính cách phân ñôi, từ một tế bào mẹ tiến phân ñôi thành hai tế bào mới giống nhau và có vật chát di truyền giống với tế bào mẹ

1.4.2 Nấm

Nấm thuộc nhóm Eucaryota, tế bào nấm có nhân chính thức, loài hiếu khí, sinh sản chủ yếu bằng bào tử Nấm ít có ý nghĩa hơn vi khuẩn ñối với các nhôi trường học Trong phạm vi của bộ môn vi sinh vật chúng ta chỉ xem xét các loại nấm có kích thước hiển vi hay còn gọi là vi nấm

Chúng ta sẽ tìm hiểu ñại diện của vi nấm là nấm men:

 Hình dạng và kích thước

Nấm men thường có hình cầu hoặc hình bầu dục, một số loại có hình que và một số hình dạng khác Kích thước trung bình của nấm men là 3 - 5 x 5 - 10µm Một số loài nấm men sau khi phân cắt bằng phương pháp nảy chồi, tế bào con không rời khỏi tế bào mẹ và lại tiếp tục mọc chồi Bởi vậy nó có hình thái giống như cây xương rồng khi quan sát dưới kính hiển vi

 Cấu tạo tế bào:

Khác với vi khuẩn và xạ khuẩn, nấm men có cấu tạo tế bào khá phức tạp, gần giống như tế bào thực vật Có ñầy ñủ các cấu tạo thành tế bào, màng tế bào chất, tế bào chất, ty thể, riboxom, nhân, không bào và các hạt dự trữ

+ Thành tế bào: Giống với cấu tạo chung của tế bào vi sinh vật

+ Màng tế nào: Giống với cấu tạo chung của tế bào vi sinh vật

+ Nhân: Nhân tế bào nấm men là nhân ñiển hình, có màng nhân, bên trong là chất dịch nhân

có chứa hạch nhân Cũng như nhân tế bào của vi sinh vật bậc cao, nhân tế bào nấm men ngoài AND còn có protein và nhiều loại men Hạch nhân của tế bào nấm men không phải chỉ gồm một phân tử AND như ở vi khuẩn mà ñã có cấu tạo nhiễm sắc thể ñiển hình và có quá trình phân bào nguyên nhiễm còn gọi là gián phân Quá trình gián phân gồm 4 giai ñoạn như ở vi sinh vật bậc cao Số lượng nhiễm sắc thể trong tế bào nấm men khác nhau tuỳ loại

nấm men Ở Saccharomyces serevisiae là nhóm nấm men phân bố rộng rãi nhất, thể ñơn bội

của nó có n = 17 nhiễm sắc thể, thể lưỡng bội có 2n = 34 Ngoài nhiễm sắc thể ra, trong

nhân tế bào S serevisiae còn có từ 50 ñến 100 plasmic có cấu tạo là 1 phân tử AND hình

vòng kín có kích thước 2 µm, có khả năng sao chép ñộc lập, mang thông tin di truyền + Ty thể: Khác với vi khuẩn, nấm men ñã có ty thể giống như ở tế bào bậc cao, ñó là cơ quan sinh năng lượng của tế bào Ty thể nấm men có hình bầu dục, ñược bao bọc bởi hai lớp màng, màng trong gấp khúc thành nhiều tấm răng lược hợc nhiều ống nhỏ làm cho diện tích bề mặt của màng trong tăng lên Cấu trúc của hai lớp màng ty thể giống cấu trúc của màng nguyên sinh chất Trên bề mặt của màng trong có dính vô số các hạt nhỏ hình cầu Các hạt này có chức năng sinh năng lượng và giải phóng năng lượng của ty thể Trong ty thể còn có một phân tử AND có cấu trúc hình vòng, có khả năng tự sao chép Những ñột biến tạo ra tế bào nấm men không có AND ty thể làm cho tế bào nấm men phát triển rất yếu, khuẩn lạc nhỏ bé Trong ty thể còn có cả các thành phần cần cho quá trình tổng hợp protein như riboxom, các loại ARN và các loại enzym cần thiết cho sự tổng hợp protein Các thành phẩn này không giống với các thành phần tương tự của tế bào nấm men nhưng lại rất giống của vi khuẩn AND của ty thể rất nhỏ nên chỉ có thể mang mật mã tổng hợp cho một số protein của ty thể, số còn lại do tế bào tổng hợp rồi ñưa vào ty thể Người ta ñã chứng minh ñược quá trình tự tổng hợp protein của ty thể Quá trình này bị kìm hãm bởi Cloramfenicol giống như ở vi khuẩn, trong khi ñó chất kháng sinh này không kìm hãm ñược quá trình tổng hợp protein ở tế bào nấm men

+ Riboxom: Riboxom của tế bào nấm men có hai loại : loại 80S gồm 2 tiểu thể 60S và 40S nằm trong tế bào chất, một số khác gắn với màng tế bào chất Một số nghiên cứu ñã chứng minh rằng: các riboxom gắn với màng tế bào chất có hoạt tính tổng hợp protein cao hơn loại 70S là loại riboxom có trong ti thể Ngoài các cơ quan trên, nấm men còn có không bào

và các hạt dự trữ như hạt Volutin, hạt này không những mang vai trò chất dự trữ mà còn dùng làm nguồn năng lượng cho nhiều quá trình sinh hoá học của tế bào Ngoài hạt Volutin trong tế bào còn có các hạt dự trữ khác như glycogen và lipit Một số nấm men có khả năng hình thành một lượng lớn lipit

 Sinh sản

Nấm men có 3 hình thức sinh sản:

+ Sinh sản sinh dưỡng : Là hình thức sinh sản ñơn giản nhất của nấm men Có 2 hình thức sinh sản sinh dưỡng: nảy chồi và hình thức ngang phân ñôi tế bào như vi khuẩn Ở hình thức nảy chồi, từ một cực của tế bào mẹ nảy chồi thành một tế bào con, sau ñó hình thành vách ngăn ngang giữa hai tế bào Tế bào còn có thể tách khỏi tế bào mẹ hoặc có thể dính với tế bào mẹ và lại tiếp tục nảy chồi làm cho nấm men giống như hình dạng cây xương rồng tai nhỏ

+ Sinh sản ñơn tính: Bằng hai hình thức bào tử túi và bào tử bắn như ñã nói ở phần bào tử

+ Sinh sản hữu tính: Do hai tế bào nấm men kết hợp với nhau hình thành hợp tử Hợp tử phân chia thành các bào tử nằm trong nang, nang chín bào tử ñược phát tán ra ngoài Nếu 2

tế bào nấm men có hình thái kích thước giống nhau tiếp hợp với nhau thì ñược gọi là tiếp hợp ñẳng giao Nếu 2 tế bào nấm men khác nhau thì gọi là tiếp hợp dị giao

 Thành phần hóa học của nấm

Giống như vi khuẩn, nấm tạo ra các cấu trúc hóa học xác ñịnh mà những cấu trúc này tạo ra nguyên sinh chất của chúng Số lượng thông tin của nấm ít hơn vi khuẩn ðiều này phản ánh sự thiếu quan tâm về sinh hóa của các nhà nấm học Nấm chứa 70÷80% nước,

như vi khuẩn Phân tích Aspergillus niger cho thấy có 47,9%C; 6,7%H; 5,24%N Phần hữu

cơ cho một công thức kinh nghiệm gần ñúng là C10H17O6N So sánh công thức của nấm và

vi khuẩn cho thấy ngay sự khác nhau trong thành phần Nitơ Nấm tạo ra nguyên sinh chất bình thường chỉ với lượng Nitơ bằng phân nửa so với vi khuẩn Do ñó, không ngạc nhiên khi nấm ưu thế hơn vi khuẩn trong những môi trường thiếu hụt Nitơ Sự thiếu hụt Nitơ cho

vi khuẩn không gần với sự thiếu hụt Nitơ của nấm Do ñó thành phần hóa học của vật chất

tế bào giúp nhà vi sinh môi trường hiểu biết sự sinh trưởng của nhóm vi sinh vật khác nhau

 Ý nghĩa của nấm men:

Nấm men là nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, nó tham gia vào các quá trình chuyển hoá vật chất, phân huỷ chất hữu cơ trong ñất Hoạt tính sinh lý của nhiều loài nấm men ñược ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp và các ngành khác

Ngoài nấm men ra ta còn gặp nấm mốc, khác với nấm men, có không phải là những

tế bào riêng biệt mà là một hệ sợi phức tạp, ña bào có màu sắc phong phú Nấm mốc (hay nấm sợi) là một nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi trong thiên nhiên Chúng tham gia tích cực vào các quá trình chuyển hoá vật chất, khép kín các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên

Sự hiện diện các sắc tố quang hợp làm cho rất dễ dàng nhận dạng tảo dưới kính hiển vi Mọi sự nhận dạng, và do ñó phân loại, dựa trên các ñặc ñiểm hình thái Không như nấm, sự quan sát ñơn giản thường ñủ ñể nhận dạng tảo

1.4.3.1 Trao ñổi chất của tảo:

Tảo giống như những vi sinh vật khác ñều có liên quan ñến sinh sản của loài Tất cả các hoạt ñộng trao ñổi chất ñều hướng trực tiếp ñến sự sống và sinh sản tế bào mới ðể tăng trưởng, tảo cần có các block xây dựng, lấy từ các nguyên tố của thành phần môi trường Nhu cầu về lượng các nguyên tố khác nhau có thể ước lượng từ sự phân tích tảo Phân tích

Chorella cho công thức kinh nghiệm là C5H8O2N (Burlew) Phân tích khác (Fogg) của Chlorella cho kết quả C5.7H9.8O2.3N

Dưới ánh sáng mặt trời tảo chuyển hóa các chất vô cơ trong nước thành chất hữu cơ của nguyên sinh chất Chúng ta sẽ bị nhầm nếu cho rằng sản phẩm cuối của quang hợp là polysaccharid theo phương trình sau:

nCO2 + 2(H2O)n Ánh sáng (CH2O)n + nO2 + nH2O Phân tử nước thêm vào cả hai phía của phương trình bởi vì oxy tham gia ñược lấy

từ nước chứ không phải từ CO2 Không còn nghi ngờ cơ chế trao ñổi chất bắt ñầu với phương trình chung ở trên nhưng ñơn vị (CH2O) của carbohydrat không phải là sản phẩm cuối Phương trình tổng quát cho sự tăng trưởng của tảo có thể ñược biểu diễn theo phương

trình của Chlorella:

NH3 + 5.7 CO2 + 12.5H2O Ánh sáng C5.7H9.8O2.3N + 6.25O2 + 9.1H2O

Do ñó nguyên sinh chất tế bào là sảm phẩm cuối của sự trao ñổi chất cùng với oxy Khả năng sản sinh oxy của tảo làm cho tảo rất có ý nghĩa trong kỹ thuật môi trường Vi khuẩn liên kết với tảo ñược sử dụng trong phương pháp hồ oxy hóa cho xử lý nước thải sinh hoạt

Khi không có ánh sáng mặt trời, một số tảo có khả năng thực hiện trao ñổi chất hóa tổng hợp giống như vi khuẩn ðể làm như vậy tảo cần oxy cho quá trình oxy hóa Các tảo khác tiến hành trao ñổi chất nội bào với sự phân hủy chính nguyên sinh chất của chúng ñể cung cấp năng lượng duy trì sự sống Phương trình trao ñổi chất nội bào như sau:

C5.7H9.8O2.3N + 6.25O2 5.7CO2 + NH3 + 3.4H2O Nhu cầu oxy của tảo khi vắng mặt ánh sáng cũng quan trọng như sự sản xuất oxy của chúng khi có ánh sáng

1.4.3.2 Môi trường nuôi cấy

Tảo là sinh vật tự dưỡng sử dụng các hợp chất vô cơ cho nguyên sinh chất của chúng Nhu cầu khoáng cho nguyên sinh chất của tảo tương tự như vi khuẩn Nhu cầu carbon của tảo ñược lấy từ dạng CO2 như vi kuẩn tự dưỡng Nitơ ñược dùng ñưới dạng ammonia, nitrit hoặc nitrat Phosphorous luôn ở dạng orthophosphate, trong khi sulfur ở dạng sulphste Các nguyên tố vi lượng thông thường như natri, kali, calci, magne, sắt, cobalt

và molybden ñều cần thiết Do ñó bất kì môi trường nào cũng phải có ñầy ñủ các muối dinh dưỡng thông thường

Mỗi nhóm tảo có nhu cầu dinh dưỡng ñặc biệt của chúng Do vậy cần sử dụng môi trường tổng hợp chuyên biệt cho từng nhóm tảo Euglenophyta tăng trưởng tốt nhất trên môi trường giàu ammonia Các tảo khác như Desmids thích pH cao hoặc nước cứng Cách tốt nhất ñể chuẩn bị môi trường nuôi cấy tổng hợp là làm các phân tích khoáng của mẫu nước

mà tảo tăng trưởng tốt và chuẩn bị môi trường dựa theo ñó

1.4.3.3 Phân loại tảo

Các khóa phân loại tảo rất thay ñổi Một số nhà tảo học phân 5 nhóm, số khác phân 7 nhóm, và số khác nữa phân 9 nhóm ðây là khóa phân loại theo “Tảo Nước Ngọt của Mỹ” của Smith, gồm 7 nhóm như sau:

1 Chlorophyta – màu lục

2 Euglenophyta – màu lục, di ñộng

3 Chrysophyta – vàng-lục ñến màu vàng nâu

4 Pyrrophyta – di ñộng, màu ñồng hơi lục ñến màu vàng nâu

trong toàn bộ chu trình sinh học nước Các ñộng vật hiển vi ăn các thực vật hiển vi và ngược lại ñộng vật cao hơn sẽ ăn các ñộng vật nhỏ

1.2.4.1 Sarcodina (trùng chân giả)

ðiểm ñặc trưng quan trọng dễ nhận thấy của protozoa thuộc nhóm này ñó là sự vận chuyển bằng chân giả, nhờ sự chuyển ñộng của khối nguyên sinh chất trong tế bào về một

hướng, qua ñó giúp cơ thể di chuyển về hướng ñó Sarcodina dễ dàng ñược phân biệt bởi

nguyên sinh chất lỏng của chúng Tế bào không có vách xác ñịnh mặc dù một số có vỏ

cứng, chuyển ñộng chủ yếu bởi pseudopodia – chân giả Amoeba là Sarcodina phổ biến nhất Người ta dễ dàng quan sát ñược sự thay ñổi nguyên sinh chất cuả Amoeba khi chuyển

ñộng Trong nhóm Sarcodina có một loài gây bệnh là Endamoeba histolytica

Pelomyxa Palustris Centropyxix Aculeata

Hình 1.6 : Một số loài trùng chân giả

1.2.4.2 Mastigophora (trùng roi)

Mastigophora có vách tế bào xác ñịnh và di chuyển bằng một hoặc hai roi Roi là

cơ quan có hình dạng dài cho phép tế bào chuyển ñộng tự do Ngay trong nhóm

Mastigophora cũng có nghi vấn chúng là tảo hay protozoa Nhóm Mastigophora ñược chia làm hai nhóm phụ, Phytomastigophora và Zoomastigophora Nhóm Phytomastigophora

giống tảo nhưng không có sắc tố quang hợp Chúng trao ñổi chất hữu cơ theo cách giống

như vi khuẩn, bằng khuếch tán thức ăn hòa tan qua vách tế bào Nhóm Zoomastigophora có thực quản cho phép chúng lấy những hạt thức ăn cứng Như vậy, nhóm Zoomastigophora sử

dụng vi khuẩn, tảo và protozoa như nguồn thức ăn của chúng

Diplosiga socialis Bodo putrinus

Hình 1.7: Một số loài rùng roi

1.2.4.3 Ciliata (trùng cỏ)

Ciliata là protozoa quan trọng nhất ñối với các nhà vi sinh môi trường trong các hệ

thống xử lý nước thải và ô nhiễm dòng chảy Ciliata chuyển ñộng bằng các tiêm mao nhỏ như tóc mà chúng gắn chặt với tế bào Thuận tiện khi chia Ciliata thành dạng bơi tự do và dạng cố ñịnh Ciliata bơi tự do di chuyển nhanh trong chất lỏng, trao ñổi các chất hữu cơ

rắn cũng nhanh như chúng lấy vào Chuyển ñộng nhanh, tiêu thụ năng lượng ñáng kể và là

nguyên nhân của sự cạnh tranh khá lớn của chúng Paramecium là loài tiêu biểu của Ciliata

bơi tự do

Một số Ciliata bị gắn chặt một thân với một hạt vật chất và sử dụng tiêm mao ñể

lấy thức ăn cho chúng

Euplotes charon, Colpidium colpoda, Vorticella convallaria

Hình 1.8 : Một số loài trùng cỏ

1.2.5 Rotifer

Theo trình tự tiến hóa, ñộng vật phát triển từ ñơn bào ñến ña bào Rotifer là những

ñộng vật ña bào ñơn giản nhất Tên của chúng có từ sự chuyển ñộng xoay tròn rõ ràng của

hai bộ tiêm mao trên ñầu chúng Sự chuyển ñộng của những tiêm mao này làm cho Rotifer

có hình dạng như hai bánh xe xoay ñối nhau Tiêm mao có chuyển ñộng chính xác, linh ñộng và bắt thức ăn Chuyển ñộng bình thường của những vị trí cố ñịnh, Rotifer có một ñuôi hình chĩa ba cho phép chúng tự bám chặt vào những hạt cứng Rotifer có khả năng xáo trộn một lượng nước rất lớn ñể tìm thức ăn

1.2.6 Vi giáp xác

Thông thường, giáp xác làm người ta nghĩ ñến những ñộng vật như tôm ñất và tôm hùm Tuy vậy giáp xác cũng có những dạng giáp xác hiển vi tức là kích thước hiển vi hay là vi giáp xác Cấu trúc vỏ cứng là ñặc trưng chính của những vi sinh vật ña bào này Hai loài

giáp xác thông thường nhất ñược các kỹ sư môi trường quan tâm là Daphnia và Cyclops

Giáp xác là loài hiếu khí nghiêm ngặt, ăn vi khuẩn và tảo Chúng là nguồn dinh dưỡng cho

cá Giáp xác cũng ñược dùng ñể làm sạch ñầu ra có tảo từ các hồ oxy hóa Vì giáp xác có khả năng tăng trưởng trong các hồ và dòng chảy tương ñối ổn ñịnh

CHƯƠNG II - TRAO đỔI CHẤT VÀ SINH

TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT

2.1 GIỚI THIỆU

Sự chuyển hoá vật chất trong tế bào bao gồm tất cả các phản ứng sinh hoá diễn ra trong tế bào của cơ thể sống đó là các phản ứng phân giải các chất sống ựặc trưng của tế bào thành các chất ựơn giản ựồng thời giải phóng năng lượng và các phản ứng tổng hợp các chất sống ựặc trưng của tế bào ựồng thời tắch luỹ năng lượng Trong chương này, chúng ta

sẽ tìm hiểu ựộng học sinh trưởng và trao ựổi chất của quần thể vi sinh vật

2.2 ENZIM VÀ đỘNG HỌC CỦA ENZIM

2.2.1 Giới thiệu

Enzim là một chất xúc tác sinh học ựược tạo ra bởi cơ thể sống Enzim có bản chất

là prôtêin Ngoài ra, một số enzim còn có thêm một phần tử hữu cơ nhỏ gọi là côenzim Chất chịu tác dụng của enzim tương ứng gọi là cơ chất Trong phân tử enzim có vùng cấu trúc không gian ựặc biệt chuyên liên kết với cơ chất ựược gọi là trung tâm hoạt ựộng Cấu hình không gian này tương thắch với cấu hình không gian của cơ chất, nhờ vậy cơ chất liên

kết tạm thời với enzim và bị biến ựổi tạo sản phẩm

Nhờ enzim mà các quá trình sinh hóa trong cơ thể sống xảy ra rất nhạy với tốc ựộ lớn trong ựiều kiện sinh lắ bình thường Khi có enzim xúc tác, tốc ựộ của một phản ứng có thể tăng hàng triệu lần Nếu tế bào không có các enzim thì các hoạt ựộng sống không thể duy trì ựược vì tốc ựộ của các phản ứng sinh hoá xảy ra quá chậm.Tế bào có thể tự ựiều chỉnh quá trình chuyển hoá vật chất ựể thắch ứng với môi trường bằng cách ựiều chỉnh hoạt tắnh của các loại enzim Một trong các cách ựiều chỉnh hoạt tắnh của các enzim khá hiệu quả

và nhanh chóng là sử dụng các chất ức chế hoặc hoạt hoá enzim Các chất ức chế ựặc hiệu khi liên kết với enzim sẽ làm biến ựổi cấu hình của enzim làm cho enzim không thể liên kết ựược với cơ chất Ngược lại, các chất hoạt hoá khi liên kết với enzim sẽ làm tăng hoạt tắnh của enzim Ức chế ngược là kiểu ựiều hoà trong ựó sản phẩm của con ựường chuyển hoá quay lại tác ựộng như một chất ức chế, làm bất hoạt enzim xúc tác cho phản ứng ở ựầu của con ựường chuyển hoá

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của enzim:

2.2.2.1 Nhiệt ñộ:

Tốc ñộ của phản ứng enzim chịu ảnh hưởng của nhiệt ñộ Mỗi enzim có một nhiệt

ñộ tối ưu (tại nhiệt ñộ này enzim có hoạt tính cao nhất) Ví dụ: ña số các enzim ở tế bào của

cơ thể người hoạt ñộng tối ưu ở khoảng nhiệt ñộ 35 – 40oC, nhưng enzim của vi khuẩn suối nước nóng lại hoạt ñộng tốt nhất ở 70oC hoặc cao hơn Khi chưa ñạt ñến nhiệt ñộ tối ưu của enzim thì sự gia tăng nhiệt ñộ sẽ làm tăng tốc ñộ phản ứng enzim Tuy nhiên, khi ñã qua nhiệt ñộ tối ưu của enzim thì sự gia tăng nhiệt ñộ sẽ làm giảm tốc ñộ phản ứng và có thể enzim bị mất hoàn toàn hoạt tính

2.2.2.4 Nồng ñộ enzim:

Với một lượng cơ chất xác ñịnh, nồng ñộ enzim càng cao thì tốc ñộ phản ứng xảy

ra càng nhanh Tế bào có thể ñiều hoà tốc ñộ chuyển hoá vật chất bằng việc tăng giảm nồng

ñộ enzim trong tế bào

2.2.3 Phân loại enzim

Ta có thể chia ra hai cách phân loại enzim ñó là: Phân loại theo vị trí tác dụng của enzim trong tế bào và phân loại theo loại phản ứng mà enzim xúc tác

Phân loại theo vị trí tác dụng: enzim ñược chia thành 2 nhóm:

+ Enzim nội bào: xúc tác cho các phản ứng xảy ra bên trong tế bào

+ Enzim ngoại bào: xúc tác cho các phản ứng xảy ra trong môi trường giữa các tế bào

Phân loại theo loại phản ứng mà enzim xúc tác bao gồm 6 nhóm sau:

+ Oxidoreductase: chịu trách nhiệm các quá trình oxy hóa và khử trong tế bào

+Transferase: chịu trách nhiệm vận chuyển các nhóm hóa học từ cơ chất này sang cơ chất khác

+ Hydrolase: thủy phân hydratecarbon, protein và lipid thành những phân tử nhỏ hơn (như β

- galactosidase thủy phân lactose thành glucose và galactose)

+ Lyase: xúc tác sự thêm vào hoặc loại bỏ một nhóm phụ

+ Isomerase: xúc tác sự tạo thành isomer

+ Ligase: xúc tác sự kết nối 2 phân tử, sử dụng nguồn năng lượng như ATP

2.3 TRAO đỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT

2.3.1 Giới thiệu:

Việc trao ựổi không ngừng với thế giới xung quanh là cơ sở của sự sống và phát

triển của vi sinh vật cũng như mọi sinh vật khác Trao ựổi chất và năng lượng là ựặc ựiểm

của cơ thể sống khác nhau cơ bản giữa sinh vật và không phải sinh vật

Quá trình trao ựổi chất là tổng hợp của các chuyển hóa sinh hóa liên quan ựến các phản ứng ựồng hóa và dị hóa

Quá trình ựồng hóa tức là quá trình trao ựổi chất xây dựng Ờ chuyển hóa chất dinh dưỡng thành chất riêng của cơ thể đó là các phản ứng endergonic: thu năng lượng, sử dụng năng lượng và các chất trung gian của các phản ứng dị hóa ựể tổng hợp các phân tử mới, tế bào mới và tăng trưởng

Phản ứng dị hóa là các phản ứng axergonic: tỏa năng lượng Các quá trình oxy hóa Ờ phân tử kèm theo giải phóng năng lượng cần thiết cho hoạt ựộng sống ựược gọi là sự trao ựổi năng lượng

Năng lượng giải phóng ra từ các phản ứng oxy hóa sẽ ựược giữ lại trong một số hợp chất giàu năng lượng có mặt trong tế bào vi sinh vật Tiêu biểu nhất là ATP Ờ Adenosine Tri Phosphate Ở ựiều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử ATP giải phóng khoảng 7.500 cal

ATP ựược tái tạo bởi các cơ chế Phosphoryl hóa (Phosphorylation)

2.3.2 Quá trình dị hóa

Dị hóa là qúa trình phân hủy một phần chất sống, nhằm thu hồi năng lượng hóa học chứa trong ñó ñể sản xuất công hoặc ñể tổng hợp chất mới

Dị hóa bao gồm các quá trình: Hô hấp và Lên men

2.3.2.1 Hô hấp

Hô hấp là quá trình sinh ATP liên quan ñến sự vận chuyển ñiện tử, cơ chất sẽ ñược oxy hóa, oxy là chất nhận ñiện tử cuối cùng Chất cho ñiện tử có thể là chất hữu cơ (thí dụ oxy hóa glucose bởi vi sinh vật dị dưỡng heterotrophic) hoặc chất vô cơ (thí dụ H2, Fe2+,

NH4 do các vi sinh vật hóa tự dưỡng hemoautotrophic)

Quá trình hô hấp hiếu khí ñược thể hiện rõ trong quá trình ñường phân và cu trình Crep Thông qua con ñường này mỗi phân tử ñường ñược oxi hóa hoàn toàn thành thàng

CO2 sẽ giải phóng 38 phân tử ATP cung cấp năng lượng cho các hoạt ñộng sống của cơ thể

Những carbohydrat phức tạp như tinh bột ở thực vật và glycogen ở ñộng vật ñều ñược thủy phân thành những phân tử glucoz trước khi ñi vào quá trình hô hấp Sự hô hấp hoàn toàn một hợp chất giàu năng lượng như glucoz trải qua một chuỗi dài những phản ứng, trong ñó có những phản ứng xảy ra không cần sự hiện diện của oxy và có những chuỗi phản ứng lệ thuộc vào oxy

 Ðường phân

Hình 2.1 Các phản ứng chính của ñường phân Ðường phân là giai ñoạn ñầu tiên của quá trình hô hấp glucose xảy ra không cần sự hiện diện của O2 Ðường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tất cả tế bào sống, và là chuỗi phản ứng ñã xảy ra ở những sinh vật ñầu tiên khi mà trái ñất còn chưa có O2

Các ñiểm quan trọng cần chú ý trong sự ñường phân là:

- Mỗi phân tử glucose (C6H12O6) bị phân tách thành hai phân tử acid pyruvic (C3H4O3)

- Hai phân tử ATP sử dụng trong lúc ñầu của quá trình, sau ñó có bốn phân tử ñược tạo ra, như vậy tế bào còn ñược hai phân tử này

- Hai phân tử NADH ñược thành lập

- Vì không sử dụng oxy, quá trình có thể xảy ra dù có sự hiện diện của O2 hay không

- Các phản ứng của ñường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tế bào, bên ngoài ty thể

 Chu trình Krebs

Kế tiếp acetyl-CoA ñi vào một chuỗi phản ứng của một chu trình gọi là chu trình Krebs (do nhà khoa học người Anh, Hans Krebs, ñược giải thưởng Nobel nhờ làm sáng tỏ ñược chu trình này) hay chu trình acid citric Những ñiểm chính trong chu trình ñược trình bày trong hình 2.2 Mỗi phân tử acetyl-CoA ñược tạo ra từ phân tử glucozo ban ñầu kết hợp với một hợp chất 4C, acid oxaloacetic, ñã hiện diện trong tế bào ñể tạo ra một hợp chất 6C mới là acid citric Trong các phản ứng tiếp theo, 2C bị mất ñi dưới dạng CO2, như vậy hợp chất chỉ còn 4C và ñược biến ñổi ñể trở lại chất 4C ban ñầu và chu trình lại tiếp tục Vì mỗi phân tử glucozo tạo ra hai phân tử acetyl CoA, nên có hai vòng acid citric xảy ra và tổng cộng là có 4C ñược giải phóng dưới dạng CO2; cộng thêm 2C ñược giải phóng dưới dạng

CO2 trong giai ñoạn II, như vậy tất cả là 6C của phân tử glucozo ban ñầu ñều bị bẽ gãy thành CO2

Hình 2.2 Sơ ñồ của chu trình Krebs Trong một vòng của chu trình (Hình 2.2), một phân tử ATP ñược tổng hợp (bởi sự Phosphoryl hóa ở mức cơ chất) và 8 ñiện tử và 8 ion H+ ñược lấy ñi bởi chất nhận ñiện tử 6 ñiện tử và 6 hydro ñược dùng ñể khử 3 phân tử NAD+ (tạo ra 3 phân tử NADH và 3 ion H+)

và 2 ñiện tử và 2 hydro ñược nhận bởi hợp chất FAD (tạo ra FADH2) Vì sự oxy hóa một phân tử glucozo trải qua hai vòng chu trình Krebs nên tổng cộng có 2 ATP và 8 phân tử chất khử (6 phân tử NADH và 2 FADH2)

 Hệ thống vận chuyển ñiện tử

Là chuỗi mang ñiện tử kết hợp với màng tế bào ở procaryote và với ty thể ở eucaryote Hệ thống này chuyển năng lượng dự trữ trong NADH và FADH thành ATP Chuỗi vận chuyển ñiện tử gồm các chất mang ñiện tử như FMN, coenzyme Q, protein Fe-S

và các cytochrome Mỗi phân tử NADH và FADH tạo thành 2 ATP

Tóm tắt: Hô hấp hiếu khí giải phóng 38 ATP trên mỗi phân tử glucose, và glucose ñược

lượt bởi Sacchromyces, Lactobacillus và Propionobacterrium

Quá trình lên men ñược biết nhiều nhất là lên men rượu ethylic, ñược thực hiện bởi nấm men với phản ứng tổng quát như sau:

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2

Glucose Ethanol Tuỳ vào ñiều kiện môi trường mà nấm men có thể chuyển từ hô hấp hiếu khí sang lên men ðối với ñộng vật, trong các mô cơ, pyruvate ñược chuyển hóa thành lactate, mà lactate sẽ ñược tích tụ khi làm công việc nặng Một số lactate ñược giải phóng và ñược chuyển ñến gan, ở ñó chúng sẽ ñược chuyển hóa

2.2.4 ðồng hóa (Anobolism)

ðồng hóa, hay còn ñược gọi là sinh tổng hợp, bao gồm mọi quá trình sử dụng năng lượng ñể tạo thành tế bào mới Người ta ước lượng ñể tạo thành 100 mg sinh khối khô thì cần 3.000 µmol ATP Hơn nữa, phần lớn năng lượng ñược dùng ñể tổng hợp protein Tế bào

sử dụng năng lượng (ATP) ñể tạo thành các khối xây dựng, sinh tổng hợp các phân tử lớn, sữa chữa các sai hỏng của tế bào, và duy trì việc chuyển vận và vận chuyển tích cực (active transportation) qua màng tế bào Hầu hết ATP ñược tạo ra từ các phản ứng dị hóa ñược dùng ñể sinh tổng hợp các phân tử sinh học như protein, lipid, polysaccharid, purin và pyrimidine Hầu hết các ñơn phân của các phân tử lớn này (acid amine, acid béo, monosaccharide) ñược lấy từ các sản phẩm trung gian của quá trình glycolysis, chu trình Krebs, và các con ñường trao ñổi chất khác Những ñơn phân này sẽ liên kết với nhau bằng những liên kết ñặc trưng (liên kết peptid cho protein, liên kết glycoside cho polysaccharid

và liên kết Phosphodiester cho các acid nucleic) ñể tạo thành các polymer sinh học của tế bào

ðồng hóa ñược thể hiện trong quang tổng hợp: Quang tổng hợp là quá trình chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học, sử dụng CO2 như nguồn carbon và ánh sáng là nguồn năng lượng Ánh sáng ñược hấp thu bởi các phân tử diệp lục tố chlorophyl, hiện diện trong tảo, thực vật và vi khuẩn quang tổng hợp Phương trình tổng quát của sự quang tổng hợp như sau:

6 CO2 + 12 H2O + ánh sáng C6H12O6 +6 H2O + 6 O2

Các phản ứng quang tổng hợp bao gồm phản ứng sáng: chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học ATP và tạo thành NADPH; và phản ứng tối, trong ñó NADPH ñược sử dụng ñể khử CO2

Quá trình quang tổng hợp ñược mô tả trong hình sau:

Hình 2.3: Quá trình quang hợp 2.3.4 Phân loại trao ñổi chất của vi sinh vật

Các nguyên tố cấu tạo chính của tế bào là carbon (C), oxy (O), Nitơ (N), hydro (H), phspho (P), và lưu huỳnh (S) Những chất dinh ñưỡng khác cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp là các cation như Mg2+, Ca2+, Na+, K+, Fe+, các anion như Cl-, SO42-, các nguyên tố vi lượng như Co, Cu, Mn, Zn, Ni, Se là thành phần của một số enzyme, các yếu tố sinh trưởng

là các vitamine như riboflavin, thiamin, niacin, vitamin B12, acid folic, bitotin, vitamin B6

Tế bào E.coli có khoảng 70% nước, 3% hydratcarbon, 3% acid amin, nucleotid và lipid, 22% là các ñại phân tử (hầu hết là các protein, ARN và ADN), và 1% là các ion vô cơ

Vi sinh vật cần nguồn carbon (CO2 hoặc các hợp chất hữu cơ) và nguồn năng lượng (ánh sáng hoặc năng lượng thu ñược từ phản ứng oxy hóa các hợp chất hữu cơ và vơ cơ) Sự

phân loại trao ñổi chất của vi sinh vật ñược dựa vào hai tiêu chuẩn chính, ñó là nguồn carbon và nguồn năng lượng

2.3.4.1 Dinh dưỡng quang dưỡng

Những vi sinh vật dinh dưỡng quang năng sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng Các loài dinh dưỡng quang năng lại ñược chia thành tự dưỡng quang năng (dinh dưỡng quang năng vơ cơ) (photoautotroph) và dị dưỡng quang năng (dinh dưỡng quang năng hữu cơ) (photoheterotroph)

- Photoautotroph Nhóm này bao gồm tảo, vi khuẩn lam và vi khuẩn quang hợp

Các loài phototroph sử dụng CO2 làm nguồn carbon và H2O, H2, H2S làm chất cho ñiện tử

Vi khuẩn quang hợp thực hiện quang tổng hợp phi oxy (anoxygenic) và hầu hết chúng ñòi hỏi ñiều kiện kỵ khí Oxy là yếu tố bất lợi cho sự sinh tổng hợp các sắc tố quang hợp của loài photoautotroph, ñó là các diệp lục tố và caroten của vi khuẩn ðối với vi khuẩn lam và tảo, chất cho ñiện tử là H2O, trong khi ñó ñối với vi khuẩn quang hợp thì chất cho ñiện tử l

H2S (một số vi khuẩn lam cũng có khả năng sử dụng H2S như chất cho ñiện tử, dẫn ñến việc tích tụ lưu huỳnh tự do S0 bên ngoài tế bào của chúng Bảng 2.1 cho thấy sự phân loại tổng

quát vi khuẩn quang hợp Có khoảng 60 loài vi khuẩn quang hợp, gồm có vi khuẩn lưu

huỳnh màu tía Chromatiaceae và vi khuẩn lưu huỳnh màu lục Chlorobiaceae Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có diệp lục a (phổ hấp thu cực ñại ở 825 – 890 nm) và b (phổ hấp thu cực ñại

ở khoảng 1000 nm), trong khí ñó vi khuẩn lưu huỳnh màu lục có diệp lục c, d, và e với bước sóng hấp thu ánh sáng ở trong khoảng 705 và 755 nm Những vi khuẩn dinh dưỡng quang năng vô cơ này sử dụng CO2 như nguồn carbon, ánh sáng như nguồn năng lượng, và chúng khử các hợp chất lưu huỳnh (như H2S, S0) là nguồn cung cấp ñiện tử Quang hợp không oxy, sử dụng H2S làm nguồn khử, ñược tóm tắt trong chương trình chung như sau:

- Photoheterotroph Nhóm này bao gồm tất cả các nhóm vi sinh vật dị dưỡng, tuỳ

tiện thu năng lượng từ ánh sáng và dùng các chất hữu cơ ngoại bào làm nguồn cung cấp

Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía

Vi khuẩn lưu huỳnh tía (Chromatiaceae và Ectothiorhodospiraceae)

Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (Rhodospirillaceae)

Rhodomicrobium Hình trứng, hình thái nảy chồi thân cố ñịnh

Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục

Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (Chlorobiaceae)

Oscillochloris Chuỗi rất lốn, dài ñến 2500 mm, chứa không bào khí

electron, nguồn carbon Giống Rhodospirillaceaea, vi khuẩn phi lưu huỳnh màu tía sử dụng

các hợp chất hữu cơ làm nguồn cung cấp electron

2.3.4.2 Dinh dưỡng hóa năng (chemotroph)

Nhóm vi sinh vật này thu năng lượng qua sự oxy hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ Chúng ñược chia thành lithotroph (chemoautotroph) và heterotroph (organotroph)

 Lithotroph (chemoautotroph):

Sử dụng CO2 làm nguồn C (cố ñịnh carbon) và thu năng lượng (ATP) từ sự oxy hóa các hợp chất vô cơ như NH4, NO2, H2S, Fe2+, hoặc H2 Phần lớn chúng là hiếu khí (vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh, vi khuẩn sắt)

Vi khuẩn nitrat hóa (nitrifying bacteria) phân bố rộng rãi trong ñất, nước và nước thải, chúng oxy hóa ammpnium ñến nitrat Phương trình chung như sau:

NH4+ nitrosomomas NO2- nitrobacter NO3

-Vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh (sulfur-oxydizing bacteria) sử dụng sulfur hydro (H2S), lưu huỳnh tự do S0, hoặc thiosulphat S2O32- làm nguồn năng lượng Chúng có khả năng sống trong môi trường rất acid (pH = 2 hoặc ít hơn) Sự oxy hóa lưu huỳnh nguyên tử theo phương trình sau ñây:

S +3O2 + 2H2O Thiobacillus thiooxidans 2 H2SO4 + năng lượng

Vi khuẩn sắt (iron bacteria) bao gồm nhóm vi khuẩn chịu acid(như Thiobacillus ferrooxidnas) thu năng lượng từ sự oxy hóa Fe2+ thành Fe3+, và chúng có khả năng oxy hóa

lưu huỳnh Những vi khuẩn sắt còn lại thì oxy hóa sắt ở pH trung bình (Sphaerotillus natans, Leptothrix ochracea, Crenothrix, Clonothrix va Galionella ferruginea)

Vi khuẩn hydro (hydrogen bacteria): như Hydrogenomonas sử dụng H2 làm nguồn năng lượng và CO2 làm nguồn carbon Sự oxy hóa hydro ñược xúc tác bởi enzyme hydrogenase Những vi khuẩn này thuộc nhóm lithotroph tùy tiện, bởi vì chúng cũng có thể tăng trưởng trong môi trường có các hợp chất hữu cơ

 Heterotroph (organotroph):

Thu nhận năng lượng từ sự oxy hóa (hiếu khí hoặc kỵ khí) các chất hữu cơ ngoại bào ðây là nhóm dinh dưỡng thông thường nhất của vi sinh vật, bao gồm vi khuẩn, nấm và protozoa Vi sinh vật heterotrophic thu năng lượng từ sự oxy hóa các hợp chất hữu cơ Các hợp chất hữu cơ vừa là nguồn năng lượng vừa là nguồn C Nhóm này bao gồm hầu hết các

vi khuẩn, nấm và protozoa trong môi trường

2.4 ðỘNG HỌC SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT

Các sinh vật procaryote như vi khuẩn tăng trưởng chủ yếu bằng sự phân ñôi, nghĩa

là mỗi tế bào mẹ sinh ra hai tế bào con Sự tăng trưởng của một quần thể vi sinh vật ñược ñịnh nghĩa là sự tăng số lượng hoặc tăng sinh khối của quần thể Sự tăng số lượng hoặc sinh khối trên một ñơn vị thời gian ñược gọi là tốc ñộ tăng trưởng Thời gian ñể một quần thể vi sinh vật tăng gấp ñôi số lượng ñược gọi là thời gian thế hệ hay thời gian nhân ñôi, có thể dao ñộng từ vài phút ñến vài ngày tùy loài vi sinh vật

Quần thể vi sinh vật có thể tăng trưởng trong môi trường nuôi cấy tĩnh (hệ thống khép kín) hoặc nuôi cấy liên tục (hệ thống mở)

hình thành trong pha lag Trong pha này vi sinh vật không phân chia tức là không tăng số lượng Thời gian của pha lag phụ thuộc vào các yếu tố tiền sử của tế bào như tuổi, thành phần môi trường, khả năng chịu ñựng các yếu tố vật lý, hóa học, Chẳng hạn, người ta không quan sát ñược pha lag nếu ta chuyển những vi sinh vật ñang ở pha lag tức là pha sinh trưởng cực ñại vào cuối cùng môi trường dưới những ñiều kiện nuôi cấy như nhau Ngược lại, pha lag ñược quan sát khi người ta ñưa những tế bào yếu vào môi trường nuôi cấy

2.4.1.2 Pha log

Trong pha log luôn luôn có thức ăn dư thừa xung quanh tế bào vi sinh vật Tốc ñộ trao ñổi chất và sinh trưởng chỉ bị giới hạn do khả năng sử dụng cơ chất của vi sinh vật Số lượng tế bào sẽ tăng theo số mũ trong pha log Tốc ñộ tăng trưởng mũ phụ thuộc vào loại vi sinh vật và ñiều kiện tăng trưởng (nhiệt ñộ, thành phần môi trường) Ở ñiều kiện thích hợp,

tế bào vi khuẩn, thí dụ tế bào E.coli, sẽ nhân ñôi mỗi 15 – 20 phút Tốc ñộ sinh trưởng riêng

sẽ như sau :

µ : tốc ñộ tang trưởng riêng (h-1)

Xt : sinh khối hoặc số lượng tế bào ở thời ñiểm t

X0 : sinh khối hoặc số lượng ban ñầu

Logarit hóa phương trình, ta có :

như vậy tốc ñộ tăng trưởng riêng như sau :

lnX t lnX o t

Tế bào trong pha tăng trưởng theo cấp số mũ sẽ nhạy cảm hơn với các yếu tố lý hóa của môi trường so với tế bào trong pha ổn ñịnh

2.4.1.3 Pha ổn ñịnh (stationary)

Trong pha này tốc ñộ sinh trưởng của vi sinh vật giảm dần do sự thiếu hụt chất dinh dưỡng và chất nhận ñiện tử, cùng với sự sản sinh và tích tụ các sản phẩm trao ñổi chất ñộc hại Các sản phẩm trao ñổi chất bậc hai cũng ñược tạo ra trong giai ñoạn này (như một số enzyme, chất kháng sinh) Trong pha này số lượng tế bào mới sinh ra sẽ bằng số tế bào chết

ñi Do ñó, có sự cân bằng quần thể trong pha này

2.4.1.4 Pha chết (death)

Pha chết xảy ra khi tốc ñộ sinh trưởng giảm, nồng ñộ chất dinh dưỡng tối thiểu Trong pha này, tốc ñộ chết (tốc ñộ phân hủy) của tế bào lớn hơn tốc ñộ tăng trưởng Khi vi sinh vật ñòi hỏi chất dinh dưỡng nhiều hơn, chúng phải trao ñổi chất với chính nguyên sinh chất của chúng cùng với sự giảm dần nồng ñộ chất dinh dưỡng trong dung dịch Khi sinh khối vi sinh giảm, tốc ñộ trao ñổi chất của vi sinh giảm Hiện tượng tế bào chết cùng lúc với

tế bào bị tự phân hủy Như vậy nếu tính toán lượng tế bào bằng phương pháp ño ñộ ñục trong giai ñoạn này, ta có thể thu ñược hằng số ðộ ñục của môi trường có thể giảm do sự tự phân hủy tế bào

2.4.2 Sinh trưởng vi sinh vật trong ñiều kiện nuôi cấy liên tục

Trong nuôi cấy tĩnh, các ñiều kiện môi trường luôn thay ñổi theo thời gian, mạt ñộ

vi khuẩn tăng lên trong khi nồng ñộ cơ chất giảm xuống Trái lại, trong nuôi cấy liên tục, người ta duy trì pha log của vi sinh vật trong thời gian dài với một thiết bị thông thường là thermostat có khuấy trộn hoàn toàn và không tuần hoàn, cơ chất ñược ñưa vào liên tục ở lưu lượng Q, V là thể tích bình nuôi cấy và X là nồng ñộ vi sinh vật Tốc ñộ pha loãng D sẽ như sau :

Q : lưu lượng cơ chất (lít/thời gian)

Trong bình nuôi cấy liên tục sự tăng trưởng của vi sinh vật ñược mô tả bởi phương trình :

dX

Phương trình trên cho thấy tốc ñộ cung cấp dinh dưỡng sẽ kiểm soát tốc ñộ tăng trưởng riêng µ

Nếu D > µmax : mật ñộ vi khuẩn tăng

Nếu D < µmax : mật ñộ vi khuẩn giảm, quần thể vi sinh bị rửa trôi

Hiện tượng rửa trôi bắt ñầu ở tốc ñộ pha loãng Dc, ñược ước lượng bằng µmax

Nếu D = µmax = D : quần thể vi khuẩn ở trạng thái cân bằng ñộng học

Sự cân bằng sinh khối X ñược diễn tả bởi phương trình :

[ ] [ ]

max

.

S dX

µµ

= − = −

Ở trạng thái cân bằng,

[ ] [ ]

max

0

.

dX dt

S Q

D

V K s S

µµ

Một phương trình ñơn giản hơn biễu diễn mối tương quan giữa ba thông số này như sau :

Với µ là tốc ñộ tăng trưởng riêng (thời gian -1), Y là sản lượng tăng trưởng (bằng miligam tế bào ñược tạo thành trên miligam cơ chất ñược sử dụng), q là tốc ñộ sử dụng cơ chất (mg/L/ngày)

2.4.3.1 Hệ số sản lượng Y

Như ñã nói ở trên, sản lượng tăng trưởng là lượng sinh khối ñược tạo thành trên một ñơn vị cơ chất bị loại bỏ Nó phản ánh hiệu quả chuyển hóa chất dinh dưỡng thành chất của tế bào Hệ số sản lượng Y tính như sau :

( )

(S S)

X X Y O

ðối với môi trường nuôi cấy thuần khiết, tăng trưởng trên một loại cơ chất duy nhất, hệ số sản lượng Y sẽ không ñổi Tuy nhiên, trong môi trường tự nhiên, ñặc biệt ñối với nước thải, với rất nhiều loại vi sinh vật khác nhau, chỉ một ít trong số chúng ñạt ñến pha log, còn lại ña số chúng sẽ ở pha ổn ñịnh hoặc pha suy giảm Một phần năng lượng ñược dùng

ñể duy trì tế bào Như vậy, hệ số sản lượng Y phải ñược chỉnh sửa tương ứng với lượng tế bào suy giảm

2.4.3.2 Tốc ñộ sử dụng cơ chất q và tốc ñộ tăng trưởng µµµ

Trong ñó kd là hệ số phân hủy nội bào tính bằng ngày-1

2.4.4 ðo sinh khối vi sinh vật

Có nhiều cách ño sinh khối hoặc số lượng vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy hoặc trong mẫu môi trường (nước, ñất, không khí)

2.4.4.1 Tổng số tế bào

Tổng số tế bào (sống hoặc chết) ñược ñếm bằng phòng ñếm Petroff – Hauser cho vi khuẩn và phòng ñếm Sedgewick – Rafter cho tảo ðối với mẫu nước và nước thải có thể dùng phương pháp màng lọc, sau ñó có thể nhuộm màu và quan sát trực tiếp dưới kính hiển

vi Ngoài ra có thể dùng hạt ñiện tử ñể ñếm trực tiếp các tế bào sống

2.4.4.2 ðếm các tế bào sống trên môi trường rắn

Phương pháp này cho phép ñếm số tế bào sống thông qua sự hình thành khuẩn lạc trên các môi trường nuôi cấy thích hợp (giả thiết mỗi một khuẩn lạc ñược hình thành từ một

tế bào sống)

ðể ñiếm các tế bào sống người ta có thể dùng phương pháp ñổ ñĩa (0,1 – 1 mL dịch

vi khuẩn ñược trộn với môi trường thạch) hoặc trải ñĩa (0,1 – 1 mL ml dịch vị khuẩn ñược trải trên mặt thạch) Kết quả ñược tính bằng ñơn vị tạo thành khuẩn lạc (colony forming unit – CFU) Trong mỗi ñĩa Petri ñường kính 11 cm, số khuẩn lai nên dao ñộng trong khoảng 30 – 300

Phương pháp màng lọc có thể ñược dùng ñể xác ñịnh số lượng vi sinh ở các ñộ pha loãng khác nhau Mẫu ñược lọc và màng lọc ñược ñặt trực tiếp lên mặt môi trường thạch thích hợp Phương pháp này rất thường ñược áp dụng với các mẫu nước và nước thải

2.4.4.3 ðo ñộ ñục

ðộ ñục của dịch tế bào có thể ñược ñếm bằng quang kế và ñược biểu diễn bằng ñơn

vị hấp thụ Số lượng tế bào liên quan mật thiết với ñộ ñục của dịch vi khuẩn Tuy nhiên, tế bào phải ñược khuấy trộn kỹ trước khi ñưa vào quang phổ kế

2.4.4.4 Xác ñịnh bằng các thông số sinh hóa

Sự tăng trưởng tế bào trong môi trường nuôi cấy còn có thể ñược xác ñịnh bằng các thông số sinh hóa như ATP, AND, ARN, và protein

2.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng ñến sự tăng trưởng vi sinh vật

2.4.5.1 Nồng ñộ cơ chất

Mối tương quan giữa tốc ñộ tăng trưởng µ và nồng ñộ cơ chất ñược biểu diễn qua phương trình Monod :

[ ] [ ]

KS : hằng số bán bão hòa (mg/L), tức là nồng ñộ cơ chất tại ñó µ ñạt ½ µmax

KS ñặc trưng cho ái lực giữa vi khuẩn và cơ chất

µmax và KS chịu ảnh hưởng bởi nhiệt ñộ, nguồn carbon và một số yếu tố khác

[ ]

1 K S 1

V =V S +V (2.17) ðối với nước thải sinh hoạt, KS dao ñộng trong khoảng 0,1 – 1 mg/L (Hanel, 1988)

2.4.5.2 Nhiệt ñộ

Nhiệt ñộ là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng ñến sự tăng trưởng

và sống còn của vi sinh vật Vi sinh vật có thể sống ở nhiệt ñộ lạnh cho ñến hơn 1000C Dựa vào nhiệt ñộ tối ưu ñể sinh trưởng, người ta phân loại vi sinh trung sinh, ưa lạnh hoặc ưa nóng Loại ưa lạnh có thể sống ở nhiệt ñộ thấp vì màng tế bào của chúng có nhiều acid béo không no, duy trì ñộ lỏng của màng, trong khi những loại ưa nóng lại có hàm lượng rất cao của acid béo no trong màng tế bào giúp chúng chịu nhiệt

Sự tăng nhiệt ñộ dẫn ñến biến tính protein, ñặc biệt là enzyme, ñồng thời thay ñổi cấu trúc màng, dẫn ñến thay ñổi tính thấm của màng

2.4.5.3 pH

Xử lý nước thải thông thường ñược tiến hành ở pH trung tính Thông thường, vi khuẩn tăng trưởng ở pH khoảng 7 Mặc dù có một số loài vi khuẩn bắt buộc phải sống trong ñiều kiện acid như Thiobacillus, Sulsolobus Nấm là loài ưa acid Vi khuẩn lam tăng trưởng

ở pH kiềm Trong tăng trưởng vi khuẩn thường làm giảm pH môi trường bởi vì chúng giải phóng các sản phẩm trao ñổi chất acid như các acid hữu cơ, H2SO4 Ngược lại, một số loài lại làm tăng pH môi trường như tảo

pH ảnh hưởng ñến các enzyme Chúng ảnh hưởng ñến sự ion hóa các sản phẩm, do

ñó ñóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển các chất dinh dưỡng cũng như các chất ñộc vào tế bào

Nhờ phản ứng khử, oxy có thể tạo ra các sản phẩm ñộc như O2, H2O2, hoặc các nhóm hydroxyl Tuy vậy, vi khuẩn có thể khử các sản phẩm ñộc này thông qua các enzyme, (thí dụ: H2O2 bị phân hủy bởi catalase và các enzyme pezyme peroxydase, trong khi O2 bị khử hoạt tính bởi superoxid dismutase) Phản ứng xảy ra như sau :

2O2 + 2H+ → O2 + H2O2 (do superoxid dismutase xúc tác) (2.18)

2H2O2 → 2H2O + O2 (do catalase xúc tác) (2.19)