Tài liệu giảng dạy vi sinh vật ứng dựng trong nuôi trồng thủy sản

Virus không có khả năng sống độc lập mà phải sống ký sinh trong các tế bào khác từ vi khuẩn cho đến tế bào động vật, thực vật và người, gây các loại bệnh hiểm nghèo cho các đối tượng mà

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY

VI SINH VẬT ỨNG DỤNG TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN

Người biên soạn: Ths Trần Kim Hoàng

Tài liệu chưa công bố, lưu hành nội bộ

Chương I MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ VI SINH VẬT

I ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT

Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sát thấy bằng mắt thường Nó phân bố ở khắp mọi nơi, trong đất, trong nước, trong không khí, trong thực phẩm Nó có mặt ở dưới những độ sâu tăm tối của đại dương Bào tử của nó tung bay trên những tầng cao của bầu khí quyển, chu du theo những đám mây Nó sống được trên kính, trên da, trên giấy, trên những thiết bị bằng kim loại

Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong thiên nhiên cũng như trong cuộc sống của con người Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu cơ trong đất, nó tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên Nó là các khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của các hệ sinh thái Nó đóng vai trò quyết định trong quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên

Vi sinh vật không phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới Chúng thậm chí thuộc về nhiều giới (kingdom) sinh vật khác nhau Giữa các nhóm có thể không có quan hệ mật thiết với nhau Chúng có chung những đặc điểm sau đây:

Kích thước nhỏ bé

Mắt con người khó thấy được rõ những vật nhỏ hơn m, micrometre), virut1mm Vậy mà vi sinh vật thường được đo bằng micromet ( thường được đo bằng nanomet (nm, nanometre)

m = 10-3 mm; 1 nm = 10-6 mm, 1A (angstrom) =1 10-7 mm Vì vi sinh vật có kích thước nhỏ bé cho nên diện tích bề mặt của một tập đoàn vi sinh vật hết sức lớn Chẳng hạn số lượng cầu khuẩn chiếm thể tích 1 cm3 có diện tích bề mặt là 6m2

Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh

Vi sinh vật tuy nhỏ bé nhất trong sinh giới nhưng năng lực hấp thu và chuyển hoá của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao Chẳng hạn vi khuẩn lactic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải một lượng l O2đường lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối lượng của chúng Nếu tính số mà mỗi mg chất khô của

cơ thể sinh vật tiêu hao trong 1 giờ (biểu thị là - QO2) thì ở mô lá hoặc mô rễ thực vật là 0,5 - 4, ở tổ chức gan và thận động vật là 10 - 20, còn ở nấm men rượu (Sacharomyces cerevisiae) là 110, ở vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas là 1200, ở vi khuẩn thuộc chi Azotobacter là 2000 Năng lực chuyển hoá sinh hoá mạnh mẽ của

vi sinh vật dẫn đến những tác dụng hết sức lớn lao của chúng trong thiên nhiên cũng như trong hoạt động sống của con người

Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh

So với các sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở cực kỳ lớn Vi khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp cứ khoảng 12

- 20 phút lại phân cắt một lần Nếu lấy thời gian thế hệ (generation time) là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, 24 giờ phân cắt 72 lần, từ một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 4.722.366.500.000.000.000.000 tế bào (nặng 4711 tấn!) Tất nhiên trong thực tế không thể tạo ra các điều kiện sinh trưởng lý tưởng như vậy được cho nên

số lượng vi khuẩn thu được trong 1ml dịch nuôi cấy thường chỉ đạt tới mức độ 108

- 109 tế bào Thời gian thế hệ của nấm men Saccharomyces cerevisiae là 120 phút Khi nuôi cấy để thu nhận sinh khối (biomass) giàu protein phục vụ chăn nuôi người ta nhận thấy tốc độ sinh tổng hợp (biosynthesis) của nấm men này cao hơn của bò tới 100.000 lần Thời gian thế hệ của tảo Chlorella là 7 giờ, của vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ

Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị

Năng lực thích ứng của vi sinh vật vượt rất xa so với động vật và thực vật Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất bất lợi Người ta nhận thấy số lượng enzim thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein trong tế bào vi sinh vật Sự thích ứng của vi sinh vật nhiều khi vượt quá trí tưởng tượng của con người Phần lớn vi sinh vật có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-1960C), thậm chí ở nhiệt độ của hydro lỏng (- 2530C) Một số vi sinh vật có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 2500C, thậm chí 3000C Một số vi sinh vật có thể thích nghi với nồng độ 32% NaCl (muối ăn) Vi khuẩn Thiobacillus thioxidans có thể sinh trưởng ở pH = 0,5 trong khi vi khuẩn Thiobacillus denitrificans có thể sinh trưởng ở pH = 10,7 Vi khuẩn Micrococus radiodurans có thể chịu được cường độ bức xạ tới 750.000 rad Ở nơi sâu nhất trong đại dương (11034 m) nơi có áp lực tới 1103,4 atm vẫn thấy có vi sinh vật sinh sống Nhiều vi sinh vật thích nghi với điều kiện sống hoàn toàn thiếu oxi (vi sinh vật kị khí bắt buộc - obligate anaerobes) Một số nấm sợi có thể phát triển thành váng dày ngay trong bể ngâm xác có nồng độ phenol rất cao

Vi sinh vật rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống Tần số biến dị ở vi sinh vật thường là 10-5 - 10-10 Hình thức biến dị thường gặp là đột biến gen (genemutation) và dẫn đến những thay đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính đề kháng

Phân bố rộng, chủng loại nhiều

Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất Chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm cho đến nước biển Trong đường ruột của người thường có không dưới 100 - 400 loài sinh vật khác nhau, chúng chiếm tới 1/3 khối lượng khô của phân

II CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH

Vi sinh vật vô cùng phong phú cả về thành phần và số lượng Chúng bao gồm các nhóm khác nhau có đặc tính khác nhau về hình dạng, kích thước, cấu tạo và đặc biệt khác nhau về đặc tính sinh lý, sinh hoá

Dựa vào đặc điểm cấu tạo tế bào, người ta chia ra làm 3 nhóm lớn:

- Nhóm chưa có cấu tạo tế bào bao gồm các loại virus

- Nhóm có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu trúc nhân rõ ràng (cấu trúc nhân nguyên thuỷ) gọi là nhóm Prokaryotes, bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn và tảo lam

- Nhóm có cấu tạo tế bào, có cấu trúc nhân phức tạp gọi là Eukaryotes bao gồm nấm men, nấm sợi (gọi chung là vi nấm) một số động vật nguyên sinh và tảo đơn bào

1 Virus

1a Đặc điểm chung

Virus là nhóm vi sinh vật chưa có cấu tạo tế bào, có kích thước vô cùng nhỏ bé, có thể chui qua màng lọc vi khuẩn Nhờ có sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật hiển vi điện tử, siêu ly tâm, nuôi cấy tế bào những thành tựu nghiên cứu về virus đã được đẩy mạnh, phát triển thành một ngành khoa học gọi là virus học Virus không có khả năng sống độc lập mà phải sống ký sinh trong các tế bào khác

từ vi khuẩn cho đến tế bào động vật, thực vật và người, gây các loại bệnh hiểm nghèo cho các đối tượng mà chúng ký sinh

Virus là nhóm vi sinh vật được phát hiện ra sau cùng trong các nhóm vi sinh vật chính vì kích thước nhỏ bé và cách sống ký sinh của chúng Người phát hiện ra virus lần đầu tiên là nhà bác học người Nga - Ivanôpski Ông là một chuyên gia nghiên cứu về bệnh khảm cây thuốc lá Khi nghiên cứu về bệnh này ông đã phát hiện ra rằng: Dịch lọc của lá cây bị bệnh khi cho qua màng lọc vi khuẩn vẫn có khả năng gây bệnh Từ đó ông rút ra kết luận: Nguyên nhân gây bệnh đốm thuốc

lá phải là một loại sinh vật nhỏ hơn vi khuẩn Phát hiện này được công bố năm

1892, 6 năm sau, năm 1898, nhà khoa học người Hà Lan Beijerinck cũng nghiên cứu về bệnh khảm thuốc lá và có những kết quả tương tự, ông đặt tên mầm gây bệnh khảm thuốc lá là virus Tiếp đó người ta phát hiện ra một số virus khác gây

bệnh cho động vật và người Đến năm 1915 đã phát hiện ra virus ký sinh trên vi khuẩn, gọi là thực khuẩn thể (Bacteriophage)

1b Hình thái và cấu trúc của virus

Hình thái và kích thước

Virus có kích thước rất nhỏ bé, có thể lọt qua màng lọc vi khuẩn, chỉ có thể quan sát chúng qua kính hiển vi điện tử Kích thước từ 20 x 30 đến 150 x 300 nanomet (1 nm = 10-6 mm)

Nhờ kỹ thuật hiển vi điện tử, người ta phát hiện ra 3 loại hình thái chung nhất của virus Đó là hình cầu, hình que và hình tinh trùng

Hình que điển hình là virus đốm thuốc lá (virus VTL), chúng có hình que dài với cấu trúc đối xứng xoắn Các đơn vị cấu trúc xếp theo hình xoắn quanh 1 trục, mỗi đơn vị gọi là capxome

Loại hình cầu điển hình là một số virus động vật Các đơn vị cấu trúc xếp teo kiểu đối xứng 4 mặt, 8 mặt hoặc 20 mặt

Loại có hình dạng tinh trùng phổ biến hơn cả là các virus ký sinh trên vi khuẩn gọi

là thực khuẩn thể hoặc Phage Loại hình dạng này phần đầu có cấu trúc đối xứng khối phần đuôi là có cấu trúc đối xứng xoắn

Cấu trúc điển hình của thực khuẩn thể T4

Kiểu cấu trúc phức tạp nhất của virus là cấu trúc của thực khuẩn thể (Phage) Sau đây ta nghiên cứu cấu trúc của thực khuẩn thể T4 ký sinh trên vi khuẩn E Coli Thực khuẩn thể T4 có 3 phần: đầu, cổ và đuôi Đầu có dạng lăng kính 6 cạnh, đường kính 65 nm dài 95 nm, cấu tạo bởi protein tạo thành vở capsit, vỏ capsit được cấu tạo bởi 212 đơn vị capsome Bên trong phần đầu có chứa một phân tử AND 2 sợi có phân tử lượng 1,2.108

Cổ là một đĩa 6 cạnh đường kính 37,5 nm có 6 sợi tua gọi là tua cổ Đuôi là một ống rỗng được bao bọc bởi bao đuôi, bao đuôi có cấu tạo protein tạo thành vỏ

Capxit, kích thước 8 x 95 nm Phần rỗng trong đuôi gọi là trụ có đường kính 2,5 - 3,5 nm

Phần cuối cùng của đuôi là một đĩa gốc hình 6 cạnh giống như đĩa cổ từ đó mọc ra

6 sợi gai gọi là chân bám

Dựa trên cấu trúc cơ bản đó, thiên nhiên đã tạo ra hàng trăm hàng nghìn loại virus khác nhau Ví dụ như phần lõi không phải là tất cả các virus đều chứa AND, có rất nhiều loại chứa ARN, chủ yếu là các virus thực vật Chính từ loại này người ta đã phát hiện ra quá trình sao chép ngược thông tin di truyền : ARN - ADN

Bảng: Đặc điểm kích thước và cấu trúc của một số virus điển hình

Virus Axit nucleic Kiểu đối xứng Kích thước (nm)

VR đậu mùa AND Khối 230 x 300

VR đốm thuốc lá ARN Xoắn 200 x 300

VR khoai tây ARN Xoắn 480 x 500

TKT T4 AND Khối và xoắn Đầu : 65 x 95Đuôi : 8 x 95

1c Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của virus

- Ý nghĩa khoa học

Virus có cấu tạo vô cùng đơn giản, điển hình cho sự sống ở mức độ dưới tế bào Bởi thế mà nó trở thành mô hình lý tưởng của sinh học phân tử và di truyền học hiện đại Rất nhiều thành tựu của sinh học phân tử và di truyền học hiện đại dựa trên mô hình virus Ví dụ như việc dùng virus để chuyển các gen cần thiết từ tế bào này sang tế bào khác, tạo nên các đặc tính di truyền mong muốn

- Ý nghĩa thực tiễn

Rất nhiều bệnh tật của con người, động vật, thực vật mà nguyên nhân gây ra là virus Đặc điểm sống của virus là ký sinh trên tế bào, bởi vậy chữa bệnh do virus gây ra là rất khó khăn và phức tạp Đối với người một trong những căn bệnh nguy hiểm nhất hiện nay là AIDS do virus HIV gây ra Loại virus này làm suy giảm khả năng miễn dịch làm cho người bị bệnh AIDS có thể chết bởi bất cứ một bệnh thông thường nào khác mà bình thường cơ thể có thể chống chịu được Đối với nông nghiệp, hầu hết các bệnh nguy hiểm cho cây trồng đều do virus gây ra làm giảm năng suất mùa màng, nhiều khi bị thất thu hoàn toàn

Tuy nhiên, có thể ứng dụng hiện tượng Interference để chế các vacxin chống virus gây bệnh Vacxin này ưu việt hơn vacxin chế từ vi khuẩn ở chỗ một loại vacxin có thể phòng nhiều bệnh virus khác nhau

Ngoài ra, người ta còn dùng các virus gây bệnh côn trùng để tiêu diệt côn trùng có hại mà vẫn giữ được các loại côn trùng khác trong mối cân bằng sinh thái Đó là một ưu điểm đáng kể so với các thuốc hoá học diệt côn trùng có khả năng tiêu diệt nhiều loại côn trùng một lúc, cả có ích lẫn có hại Điều đó ảnh hưởng không nhỏ đến cân bằng sinh thái trong thiên nhiên

2 Vi khuẩn (Bacteria)

Vi khuẩn là nhóm vi sinh vật có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu trúc nhân phức tạp, thuộc nhóm Prokaryotes Nhân tế bào chỉ gồm một chuỗi AND không có thành phần protein không có màng nhân

2a Hình thái và kích thước

Vi khuẩn có nhiều hình thái khác nhau: hình cầu, hình que, hình xoắn, hình dấu phẩy, hình sợi Kích thước thay đổi 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:

- Cầu khuẩn (Coccus - từ tiếng Hy Lạp Kokkos - hạt quả): là loại vi khuẩn có

hình cầu Nhưng có nhiều loại không hẳn hình cầu thí dụ như hình ngọn nến như

phế cầu khuẩn - Diplococcus pneumoniae hoặc hạt cà phê (lậu cầu khuẩn Neisseria gonorrhoeae)

- Trực khuẩn

Là tên chung chỉ tất cả các vi khuẩn có hình que Kích thước của chúng thường từ 0,5 - 1,0 x 1 - 4 m

- Phẩy khuẩn: Là tên chung chỉ các vi khuẩn hình que uốn cong giống như dấu

phẩy Giống điển hình là giống Vibro (Từ chữ La tinh Vibrare - dao động nhanh) Một số giống phẩy khuẩn có khả năng phân giải xenluloza (Cellvibrio, Cellfalcicula) hoặc có khả năng khử sunfat (Desulfovibrio)

- Xoắn khuẩn

Spirillum - Từ chữ Spira - Hình cong, xoắn gồm tất cả các vi khuẩn có hai vòng xoắn trở lên Là loại gram dương, di động được nhờ có một hay nhiều tiên mao mọc ở đỉnh

Đa số chúng thuộc loại hoại sinh, một số rất ít có khả năng gây bệnh, có kích thước thay đổi 0,5 - 3,0 - 5 - 40m

2c Ý nghĩa thực tiễn của vi khuẩn

Vi khuẩn chiếm đa số trong các vi sinh vật, có những mẫu đất vi khuẩn chiếm tới 90%, bởi vậy nó đóng vai trò quyết định trong các quá trình chuyển hoá vật chất

Vi khuẩn tham gia vào hầu hết các vòng tuần hoàn vật chất trong đất và trong thiên nhiên Tuy vậy, rất nhiều vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật, thực vật, gây nên những tổn thất nghiêm trọng về sức khoẻ con người cũng như sản xuất nông nghiệp Ngày nay với những thành tựu của khoa học hiện đại, người ta đã tìm ra những biện pháp hạn chế tác hại do vi khuẩn gây ra, ví dụ như việc chế vacxin phòng bệnh, sử dụng chất kháng sinh v.v

3 Xạ khuẩn (Actinomycetes)

Xạ khuẩn thuộc nhóm Prokaryotes, có cấu tạo nhân đơn giản giống như vi khuẩn Tuy vậy, đa số tế bnào xạ khuẩn lại có cấu tạo dạng sợi, phân nhánh phức tạp và

có nhiều màu sắc giống như nấm mốc

3a Hình thái và kích thước

Đa số xạ khuẩn có cấu tạo dạng sợi, các sợi kết với nhau tạo thành khuẩn lạc có nhiều màu sắc khác nhau: trắng, vàng, nâu, tím, xám v.v Màu sắc của xạ khuẩn

là một đặc điểm phân loại quan trọng Đường kính m Có thể phân biệt được hai loại sợi khác sợi của xạ khuẩn khoảng từ 0,1 - 0,5m nhau

Sợi khí sinh là hệ sợi mọc trên bề mặt môi trường tạo thành bề mặt của khuẩn lạc

xạ khuẩn Từ đây phát sinh ra bào tử Sợi cơ chất là sợi cắm sâu vào môi trường làm nhiệm vụ hấp thu chất dinh dưỡng Sợi cơ chất sinh ra sắc tố thấm vào môi trường, sắc tố này thường có màu khác với màu của sợi khí sinh Đây cũng là một đặc điểm phân loại quan trọng

Một số xạ khuẩn không có sợi khí sinh mà chỉ có sợi cơ chất, loại sợi này làm cho

bề mặt xạ khuẩn nhẵn và khó tách ra khi cấy truyền Loại chỉ có sợi khí sinh thì ngược lại, rất dễ tách toàn bộ khuẩn lạc khỏi môi trường

Khuẩn lạc xạ khuẩn thường rắn chắc, xù xì, có thể có dạng da, dạng phấn, dạng nhung, dạng vôi phụ thuộc vào kích thước bào tử Trường hợp không có sợi khí sinh khuẩn lạc có dạng màng dẻo Kích thước khuẩn lạc thay đổi tuỳ loài xạ khuẩn

và tuỳ điều kiện nuôi cấy Khuẩn lạc thường có dạng phóng xạ (vì thế mà gọi là xạ khuẩn), một số có dạng những vòng tròn đồng tâm cách nhau một khoảng nhất định Nguyên nhân của hiện tượng vòng tròn đồng tâm là do xạ khuẩn sinh ra chất

ức chế sinh trưởng, khi sợi mọc qua vùng này chúng sinh trưởng yếu đi, qua được vùng có chất ức chế chúng lại sinh trưởng mạnh thành vòng tiếp theo, vòng này lại sinh ra chất ức chế sinh trưởng sát với nó khiến khuẩn ty lại phát triển yếu đi Cứ thế tạo thành khuẩn lạc có dạng các vòng tròn đồng tâm

- Ý nghĩa thực tiến của xạ khuẩn

Xạ khuẩn là nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi trong đất, chúng tham gia vào các quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong đất như xenluloza, tinh bột v.v góp phần khép kín vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên Đặc tính này còn được ứng dụng trong quá trình chế biến phân huỷ rác v.v Nhiều xạ khuẩn có khả năng sinh chất kháng sinh Đặc điểm này được sử dụng trong nghiên cứu sản xuất các chất kháng sinh dùng trong y học, nông

4 Vi nấm

Vi nấm là nhóm nấm có kích thước hiển vi Vi nấm khác với vi khuẩn và xạ khuẩn, chúng có cấu tạo nhân điển hình, vì vậy chúng được xếp vào nhóm Eukaryotes Vi nấm gồm 2 nhóm lớn - Nấm men và nấm sợi, nấm men có cấu trúc đơn bào, nấm sợi có cấu trúc đa bào Nấm sợi còn gọi là nấm mốc Vi nấm được xếp loại trong giới nấm (Fungi) bao gồm cả các nấm lớn

4a Nấm men

- Hình thái 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 - 10 m 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

- Ý nghĩa thực tiễn 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 đất Hoạt tính sinh

lý của nhiều loài nấm men được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp và các ngành khác Đặc biệt trong quá trình sản xuất các loại rượu, cồn, nước giải khát lên men, làm thức ăn gia súc Ngoài hoạt tính sinh lý, bản thân tế bào nấm men có rất nhiều loại vitamin và các axit amin, đặc biệt là axit amin không thay thế Đặc tính này được dùng để chế tạo thức ăn gia súc từ nấm men, thậm chí thức ăn dùng cho người cũng có thể chế tạo từ nấm men

4b Nấm mốc (nấm sợi)

Nấm mốc cũng thuộc nhóm vi nấm, có kích thước hiển vi Khác với nấm men, có không phải là những tế bào riêng biệt mà là một hệ sợi phức tạp, đa bào có màu sắc phong phú

Hình thái và kích thước

Nấm mốc có cấu tạo hình sợi phân nhánh, tạo thành một hệ sợi chằng chịt phát triển rất nhanh gọi là khuẩn ti thể hay hệ sợi nấm Chiều ngang của khuẩn ti thay

đổi từ 3 - 10m Nấm mốc cũng có 2 loại khuẩn ti: khuẩn ti khí sinh mọc trên bề mặt môi trường, từ đây sinh ra những cơ quan sinh sản Khuẩn ti cơ chế mọc sâu vào môi trường

Khuẩn lạc của nấm mốc cũng có nhiều màu sắc như khuẩn lạc xạ khuẩn Khuẩn lạc nấm mốc khác với xạ khuẩn ở chỗ nó phát triển nhanh hơn, thường to hơn xạ khuẩn ở chỗ nó phát triển nhanh hơn, thường to hơn khuẩn lạc xạ khuẩn nhiều lần Dạng xốp hơn do kích thích khuẩn ti to hơn Thường thì mỗi khuẩn lạc sau 3 ngày phát triển có kích thước 5 - 10 mm, trong khi đó khuẩn lạc xạ khuẩn chỉ khoảng 0,5 - 2 mm

- Ý nghĩa thực tiễn của nấm mốc

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 Khả năng chuyển hoá vật chất của chúng được ứng dụng trong nhiều ngành, đặc biệt là chế biến thực phẩm (làm rượu, làm tương, nước chấm v.v ) Mặt khác, có nhiều loại nấm mốc mọc trên các nguyên, vật liệu, đồ dùng, thực phẩm phá hỏng hoặc làm giảm chất lượng của chúng Một số loài còn gây bệnh cho người, động vật thực vật (bệnh lang ben, vẩy nến ở người, nấm rỉ sắt ở thực vật v.v )

Ngoài các nhóm vi sinh vật chính đã mô tả ở trên, thuộc về các vi sinh vật có kích thước hiển vi có thể xếp vào đối tượng của vi sinh vật học còn có các nhóm tảo đơn bào gọi là vi tảo, các nhóm nguyên sinh động vật như trùng roi, amip v.v Tất cả những sinh vật nhỏ bé nói trên tạo thành thế giới vi sinh vật vô cùng phong phú, chúng phân bố ở khắp mọi nơi trên hành tinh chúng ta Chúng tham gia vào các quá trình chuyển hoá vật chất, khép kín các vòng tuần hoàn vật chất trong thiên nhiên, làm cho sự cân bằng vật chất được ổn định và từ đó bảo vệ sự cân bằng sinh thái Người ta có thể sử dụng nhiều nhóm vi sinh vật vào mục đích bảo

vệ môi trường Ví dụ như nhóm vi sinh vật phân huỷ chất hữu cơ trong rác thải, nhóm vi sinh vật phân huỷ các chất độc hại thành chất không độc Trong công nghệ xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học có sử dụng rất nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau Vi sinh vật còn được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất như chế tạo phân bón sinh học, thuốc bảo vệ thực vật sinh học nhằm mục đích thay thế các chất hoá học độc hại với môi trường Sự phân bố rộng rãi của vi sinh vật trong các môi trường tự nhiên đóng vai trò quyết định vào khả năng tự làm sạch môi trường đó, cùng với những yếu tố lý học, hoá học và sinh học khác Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc làm nên khả năng chịu tải của môi trường, đó

chính là khả năng tự làm sạch môi trường, giữ cho môi trường tự nhiên không bị ô nhiễm

Tuy nhiên, bên cạnh những nhóm vi sinh vật có khả năng làm sạch môi trường, lại

có những nhóm gây ô nhiễm môi trường Đó chính là nhóm các vi sinh vật gây các bệnh vô cùng nguy hiểm cho người, động vật và thực vật

III Một số đặc điểm sinh lý vi sinh vật

1 Sự dinh dưỡng của vi sinh vật

1a Các chất dinh dưỡng cần thiết

Có hai nhóm vật chất cần thiết cho sự sống của vi sinh vật, nhóm thứ nhất là nước, là yếu tố quyết định sự dinh dưỡng của vi sinh vật; nhóm thứ hai gồm các vật chất cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, P, S, K, Na, Ca các nguyên tố này cũng có thể chia ra các nguyên tố tối cần cho vi sinh vật và các nguyên tố thứ yếu

- Nguyên tố tối cần: C, H, O, N, P, S và K Các nguyên tố này hiện diện trong tất cả các hợp chất (như chất protein, chất béo, đường bột, ) và ở dưới dạng cấu trúc giống nhau trong tất cả các loài vi sinh vật, ngay cả trong siêu vi khuẩn

Một số nguyên tố khác cũng là nguyên tố tối cần như Ca, Na, Fe, Mg, tuy nhiên là các nguyên tố tối cần cho từng nhóm vi sinh vật Thí dụ: Fe rất cần thiết cho vi khuẩn hiếu khí, các vi sinh vật có quang hợp rất cần Mg

- Các chất vi lượng: Gồm các nguyên tố mà vi sinh vật rất cần thiết cho sự tăng trưởng, nhưng với số lượng rất ít, như Fe, Mn, Ca Ngoài ra các vitamin là những chất phức tạp, cũng dự phần như những chất vi lượng vì chỉ cần một lượng nhỏ cũng kích thích được sự tăng trưởng Bên cạnh các vitamin, một số acid amin ( Amino acids ) cũng là chất vi lượng cần thiết cho vi sinh vật Thí dụ:

Khi nuôi vi khuẩn Salmonella typhi, gây bệnh thương hàn, nếu thiếu một tí

tryptophan thì vi khuẩn không mọc tốt được

1b Các cách dinh dưỡng

Các vi sinh vật thuộc nhóm nguyên sinh động vật có thể tiêu thụ được các vật rắn khác, thí dụ như ăn vi khuẩn hoặc nguyên sinh động vật nhỏ hơn Lối dinh dưỡng này được gọi là dinh dưỡng theo lối động vật (holozoic nutrition) hay thực bào

Các vi sinh vật khác, như vi khuẩn chẳng hạn không thể ăn các vật rắn được, mà chỉ tiêu thụ được các phân tử tương đối nhỏ hòa trong nước, các chất này có thể chui qua màng tế bào bởi sự khuếch tán hoặc bởi các cơ nguyên khác;

Đây là cách dinh dưỡng theo lối thực vật (holophytic) Cách dinh dưỡng của siêu

vi khuẩn về cơ bản có khác hơn các vi sinh vật khác

1c Sự tiêu hóa

Phần lớn vi sinh vật tiêu hóa thức ăn bằng cách dùng enzym thủy phân thức ăn Nhờ các enzym tương ứng, thức ăn như chất đường bột, chất béo và chất đãn bạch được phân ra thành các phân tử nhỏ hơn có thể tan được trong nước Đường bột được cắt ra thành các dạng đường đơn (monosaccharide); chất béo được thủy phân thành glycerol hoặc các acid béo, còn chất đãn bạch (protein) được thủy phân thành các acid amin (amino acid) Các phân tử này thường có kích thước nhỏ tan được trong nước nên có thể chui qua màng tế bào để vào trong tế bào chất của vi sinh vật Sau đó, bên trong tế bào còn có hệ thống enzym khác, biến các chất đơn giản này để biến chúng thành năng lượng hay các vật chất của tế bào

Các nấm, vi khuẩn và một số rong tiêu hóa thức ăn do các enzym tiết ra bên ngoài môi trường sống của chúng, enzym tiếp xúc với thức ăn và phân giải chúng

để có thể hấp thu được

1d Phân loại vi sinh vật theo nguồn gốc cung cấp C và năng lượng

Tùy theo cách sử dụng thực phẩm cũng như nguồn cung cấp C của thức ăn chúng ta có thể chia vi sinh vật ra các nhóm chính:

- Vi sinh vật tự dưỡng (autotrophs): gồm các vi sinh vật có khả năng tiết ra các enzym làm xúc tác cho các phản ứng tổng hợp C từ CO2 thành ra một chất hữu cơ phức tạp đáp ứng được nhu cầu của tế bào Gồm một số vi sinh vật quan trọng trong nông nghiệp và công nghiêp Lối dinh dưỡng này giống như cây xanh

- Vi sinh vật dị dưỡng (heterotrophs): nhóm này không có khả năng tổng hợp được chất hữu cơ từ nguyên tử C Nhóm này chiếm đại đa số trong vi sinh vật Cách dinh dưỡng này giống như ở động vật

- Vi sinh vật quang dưỡng (phototrophs): Là các vi sinh vật cần được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời (hoặc ánh sáng nhân tạo) mới sống được, chúng cần lấy năng lượng từ ánh nắng hoặc ánh sáng nhân tạo Nhóm vi sinh vật quang dưỡng còn có thể chia ra làm hai: vi sinh vật quang khoáng dưỡng (photolithotrophs) lấy H từ nước trong quá trình quang hợp để khử O của CO2; và

vi sinh vật quang hữu cơ dưỡng (photoorganotrophs) lấy H từ H2S thay vì từ nước

- Vi sinh vật hóa dưỡng (chemotrophs): Là các vi sinh vật không cần ánh sáng vẫn sống được Chúng lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học xảy ra bên trong tế bào Các vi sinh vật trong nhóm hóa dưỡng, nếu phản ứng lấy năng lượng căn cứ trên các chất vô cơ (thí dụ: oxyt hóa chất vô cơ để sinh ra năng lượng) được

gọi là hóa khoáng dưỡng hóa năng vô cơ (chemolithotrophs) (litho = đá, chất vô cơ) Thí dụ như:

NaNO2 + 1/2 O2 → NaNO3 + năng lượng

H2S + 2 O2 → H2SO4 + năng lượng

CO+ 1/2 O2 → CO2+ năng lượng

Các sinh vật khác, lại lấy năng lượng từ phản ứng oxyt hóa chất hữu cơ được gọi là hóa khoáng dưỡng năng hữu cơ (hóa hữu cơ dưỡng = chemoorganotrophs)

- Vi sinh vật hoại sinh (saprophytes): Gồm các nấm dị dưỡng và các vi khuẩn, chúng lấy carbon từ chất hữu cơ còn nguyên vẹn ở chung quanh nó hoặc từ nước cống rãnh hoặc từ một vi sinh vật đã chết

- Vi sinh vật ký sinh (parasites): Các vi sinh vật vừa có thể lấy C từ chất hữu cơ trong cơ thể sinh vật còn sống hoặc chỉ có thể lấy C từ sinh vật còn sống

lá, thân cây còn sống và không thể sống được trên môi trườmg nuôi cấy nhân tạo

Ký sinh tùy ý là những vi sinh vật vừa có thể ký sinh trên mô sống của một sinh vật khác, nhưng cũng có thể sống hoại sinh trên mô đã chết cũng như trên vật chất thích hợp Thí dụ: vi khuẩn gây bệnh cho người, gia súc và cây trồng vừa sống được trong mô của ký chủ, vừa có thể nuôi cấy được (sống được) trên môi trường nuôi cấy nhân tạo (vật chất, không sống)

2 Sự tăng trưởng của vi sinh vật

Trong một mẻ nuôi cấy thích hợp vi sinh vật thường tăng trưởng theo 4 giai đoạn chính:

- Giai đoạn chuẩn bị (latent phase): Trong giai đoạn này, tức là ngay sau khi nuôi cấy, vi sinh vật chưa gia tăng mật số, có thể đây là giai đoạn vi sinh vật làm quen với môi trường nuôi cấy mới và chuẩn bị cho sự tăng trưởng vượt bậc sau đó

- Giai đoạn tăng trưởng nhảy vọt (logarithmic phase, exponential phase):

Vi sinh vật sau khi đã am hợp với môi trường mới và chuẩn bị cho sự tăng trưởng vượt bậc sau đó, bắt đầu nhân mật số lên với tốc độ rất nhanh theo cấp số nhân Trong giai đoạn này mật số tổng cộng và mật số vi sinh vật sống không chênh lệch nhau nhiều vì trong giai đoạn này còn nhiều chất dinh dưỡng cung ứng đủ nhu cầu, nên số vi sinh vật chết chưa tăng cao

- Giai đoạn an định (stationary phase): Đây là giai đoạn mà mật số vi sinh vật không tăng thêm mà giữ an định ở một mức Lúc này mật số vi sinh vật chết có tăng nên mật số tổng cộng đã chênh lệch so với mật số vi sinh vật sống Giai đoạn này có thể do vi sinh vật thu hút và làm cạn dần một vài thành phần dinh dưỡng hoặc là do tác động của vài chất đối kháng do chính vi sinh vật ấy tiết ra trong quá trình tăng trưởng

- Giai đoạn chết (death phase): mật số vi sinh vật sống giảm dần trong khi

đó mật số vi sinh vật tổng cộng có hơi tăng nhẹ Đây là giai đoạn trùng hợp vào lúc mà dưỡng chất trong môi trường bị hao mòn dần hoặc là do sự tích lũy các chất đối kháng ngày càng nhiều

Sơ đồ mô tả sự phát triển của Escherichia Coli được nuôi cấy theo phương

pháp nuôi cấy liên tục

1: giai đoạn chuẩn bị

2, 3, 4: giai đoạn tăng trưởng nhảy vọt

Do đó, đối với mỗi sinh vật chúng ta có thể có 3 mức độ về nhiệt độ:

- Nhiệt độ tối đa hay nhiệt độ thấp nhất (minimum temperature): dưới nhiệt độ này, vi sinh vật không hoạt động được

- Nhiệt độ tối hảo (optimum temperature): Ở nhiệt độ này, hoạt đông của

vi sinh vật đạt mức cao nhất

- Nhiệt độ tối đa (maximum temperature): Trên nhiệt độ này, vi sinh vật không hoạt động được

Sơ đồ mô tả các mức giới hạn về nhiệt độ đối với sự tăng trưởng của VSV

Ba mức nhiệt độ trên là đặc tính của từng loài vi sinh vật Ngoài ra ba mức này cũng không cứng nhắc cho từng loài vì nó có thể thay đổi tùy theo một số tác nhân khác tác động vào, thí dụ như pH của môi trường nuôi cấy và dưỡng chất trong môi trường ấy

Do có ba mức nhiệt độ khác biệt nhau trên chúng ta có thể chia vi sinh vật

ra làm ba nhóm: nhóm vi sinh vật chịu nóng (thermophiles), nhóm vi sinh vật chịu lạnh (psychrophile) và nhóm vi sinh vật chịu ấm (mesophiles) (hình 3-8) Ở những

vùng lạnh thuộc hàn đới, chúng ta vẫn gặp được sự sống của vi sinh vật trong đất, trong nước và trong không khí Ở vùng này, nhiệt độ thường xuyên dưới 0oC

Sơ đồ mô tả mức am hợp với từng khoảng nhiệt độ của 3 nhóm vi sinh vật

chịu lạnh, chịu ấm và chịu nóng

- Vi sinh vật chịu lạnh có khả năng sống được ở 0oC và có thể chia làm hai nhóm nhỏ: vi sinh vật chịu lạnh bắt buộc (obligate psychrophiles) và vi sinh vật chịu lạnh tùy ý (facultative psychrophiles) Vi sinh vật chịu lạnh bắt buộc chỉ

có thể sống ở môi trường lạnh cố định và chúng thường chết mau lẹ khi đưa ra nhiệt độ bình thường trong phòng, nhiệt độ tối hảo của chúng vào khoảng 15oC và nhiệt độ tối đa vào khoảng 20oC Còn vi sinh vật chịu lạnh tùy ý, dù có thể sống được ở 0oC nhưng nhiệt độ tối hảo trong khoảng 25 - 30oC và nhiệt độ tối đa từ

35oC trở lên

- Vi sinh vật chịu ấm: là các vi sinh vật thích nhiệt độ trung bình (mesophiles) có nhiệt độ tối hảo trong khoảng từ 25 - 40oC Nhiệt độ này trùng vào nhiệt độ do ánh nắng mặt trời cung cấp cho thực vật, động vật máu lạnh và đất Trong cơ thể động vật máu nóng, nhiệt độ vào khoảng 37oC cũng thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật trong nhóm này Do đó tất cả vi sinh vật lây bệnh cho người, động vật và thực vật đều thuộc nhóm này Đối với vi sinh vật gây bệnh cho người và gia súc khi nuôi cấy cần được úm ở nhiệt độ 37oC Còn đối với vi sinh vật gây bệnh cho thực vật, nhiệt độ 28 - 30oC thích hợp hơn cả

- Vi sinh vật chịu nóng (thermophiles) có nhiệt độ tối hảo trong khoảng

từ 45 - 50oC Trong thiên nhiên nhiệt độ trong khoảng này, có thễ gặp trong đất bị ánh nắng chiếu trực tiếp, trong khu vực của suối nước nóng, trong các đống rác đang lên men,

Sau đây là một số nhiệt độ giới hạn cao nhất của một số nhóm vi sinh vật:

- Phiêu sinh vật ( protozoa ) 45 - 50oC

Nước là một yếu tố tối quan trọng đối với sự tăng trưởng và sinh sản của

vi sinh vật Nhu cầu về nước của vi sinh vật khác nhau nhiều tùy theo đặc tính ngoại hấp của vi sinh vật và các yếu tố hòa tan của môi trường Mỗi vi sinh vật có khả năng chịu đựng được một mức độ hoạt tính của nước thấp nhất khác nhau, tùy loài

3 Áp suất của môi trường

Vi sinh vật có khả năng chịu được áp suất bên ngoài khác nhau tùy loài

Vi sinh vật sống trong không khí chịu được áp suất thông thường, khi bị đưa xuống đáy hồ sâu, chúng không hoạt động được vì áp suất môi trường đã tăng lên Trong khi đó, các vi sinh vật sống dưới đáy đại dương, tùy theo độ sâu, có thể chịu được những áp suất rất lớn, áp suất ở đây có thể lên đến hàng ngàn lần hơn áp suất nơi mặt biển Nếu đưa chúng lên mặt biển, chúng không thể sống được

4 Ảnh hưởng của pH môi trường

Mỗi vi sinh vật chỉ có thể hoạt động được trong môi trường có pH giới hạn bởi pH thấp nhất và pH cao nhất Đồng thời vi sinh vật ấy hoạt động mạnh nhất trong môi trường có pH tối hảo Phần lớn môi trường ngoài thiên nhiên có pH

từ 2,5 - 9 , và phần lớn vi sinh vật có pH tối hảo trong khoảng này Có rất ít vi sinh vật có thể sống được trong môi trường có pH nhỏ hơn 2 hoặc lớn hơn 10

Phần lớn vi khuẩn hoạt động mạnh ở môi trường trung hòa hoặc hơi kiềm, ngoại trừ một số có thể sống ở môi trường rất chua

Mặt khác, vi sinh vật có khả năng làm thay đổi pH của môi trường Thí dụ như một số vi khuẩn lên men glucoz và cho ra acid lactic nên làm giảm pH của môi trường chúng sống xuống đến hai đơn vị hoặc hơn nữa

Phần lớn vi sinh vật làm giảm pH của môi trường chúng sống hơn là làm tăng lên Tuy nhiên cũng còn tùy thuộc loại môi trường và loài vi sinh vật Thí dụ: Khi vi sinh vật được nuôi cấy trong môi trường chứa đạm amoniac (NH4Cl) để tăng trưởng, sẽ làm giãm pH của môi trường ấy vì chúng lấy đi NH4 và Cl còn lại

sẽ chuyển thành HCl Trong khi đó nếu được nuôi cấy trong môi trường muối

Nitrat (như NaNO3) chúng sẽ làm tăng pH của môi trường vì chúng sẽ lấy NO3−

để hoạt động, Na còn lại sẽ thành NaOH

5 Ảnh hưởng của ánh sáng

Ánh sáng mặt trời đến được mặt đất chứa rất nhiều tia có độ dài sóng thay đổi, trong đó mắt của loài người chúng ta chỉ nhận ra được các tia có độ dài sóng từ 400- 800 nm, trên 800nm có tia hồng ngoại, còn tia cực tím (còn gọi là tia

tử ngoại) có độ dài sóng từ 300 - 400nm, trong khi phổ của tia cực tím trải rộng từ 13,6 - 400nm

Ngoài ra, trong quang phổ của tia cực tím có một khoảng giết được vi sinh vật, nằm trong phạm vi 200 - 300nm Trong đó, các tia trong phạm vi 230 - 280nm

có khả năng sát khuẩn mạnh hơn Trong phạm vi sát khuẩn, tia có bước sóng 253,7 nm có tác dụng diệt vi sinh vật mạnh nhất Như vậy trong ánh sáng của mặt trời đến được bề mặt trái đất có chứa một số ít tia cực tím giết được vi sinh vật

6 Các chất diệt khuẩn

- Phenol (crezol, hexachlorophen,…) tác dụng lên màng tế bào phá hoại tính bán thấm của màng tế bào, làm đông tụ protein

- Alcohool (70%, 90%) gây đông tụ protein và làm mất nước tế bào

- Halogen (cloramin, cloran, Iode,…) gây độc cho VSV

- Ag, Hg, Cu,… cũng là những chất diệt khuẩn tốt làm rối loạn protein tế bào

- Các loại thuốc nhuộm, xà phòng,… cũng là những chất diệt khuẩn

CHƯƠNG 2 PHÂN BỐ VÀ VAI TRÒ CỦA VSV

Vi sinh vật có mặt ở khắp nơi trong các nguồn nước Sự phân bố vi sinh vật trong một vùng nước là kết quả của sự tác động tổng hợp của các nhân tố sinh học và không sinh học Các yếu tố môi trường quan trọng quyết định sự phân bố của vi sinh vật là hàm lượng muối, chất hữu cơ, pH, nhiệt độ và ánh sáng Nguồn nhiễm

vi sinh vật cũng rất quan trọng vì ngoài những nhóm chuyên sống ở nước ra còn

có những nhóm nhiễm từ các môi trường khác Tuy nhiên thường thì một nhân tố hay một nhóm nhỏ các nhân tố có vai trò ưu thế Tuỳ theo loại thủy vực mà nó có vai trò khác nhau, khiến cho sự phân bố vi khuẩn và nấm trong các sông, hồ, biển

có một số khác biệt đặc trưng Trong nước vi sinh vật được phân bố nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nông (limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthic zone)

Số lượng và số loại vi sinh vật trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhất là hàm lượng chất hữu cơ có trong nước, các hóa chất độc hại, tia tử ngoại, pH môi trường, những yếu tố có tính chất quyết định đến sự tăng khối lượng vi sinh vật như các chất dinh dưỡng Trong nước có nhiều loại vi sinh vật: vi khuẩn, nấm men, xoắn thể, nhưng chủ yếu vẫn là vi khuẩn

Nói chung, trong nước số vi khuẩn không bào tử chiếm ưu thế, còn trong bùn thì

số vi khuẩn có bào tử lại chiếm ưu thế

Vi sinh vật trong nước được xâm nhập từ nhiều nguồn khác nhau:

- Có thể do đất do bụi bay lên, nguồn nước này chủ yếu bị nhiễm vi sinh vật trên

bề mặt

- Có thể do nước mưa sau khi chảy qua những vùng đất khác nhau cuốn theo nhiều vi sinh vật nơi nước chảy qua

- Do nước ngầm hoặc nguồn nước khác qua những nơi nhiễm bẩn nghiêm trọng

- Số lượng và thành phần vi sinh vật thấy trong nước mang đặc trưng vùng đất bị nhiễm mà nước chảy qua

I Phân bố của vi sinh vật trong môi trường nước

a Sự phân bố trong các suối và sông

Ở các vùng suối và sông do dòng chảy luôn thay đổi, vì vậy hệ vi sinh vật và số lượng vi sinh vật luôn thay đổi Ở gần thành phố nước sông có số lượng và thành phần vi khuẩn phong phú, hầu hết các nhóm vi sinh vật trong đất đều có mặt ở đây, còn ở phía xa thành phố thì số lượng của chúng giảm Khi sông chảy xa vùng đông dân cư nó có khả năng tự làm sạch Điều này sẽ làm giảm đáng kể số lượng

vi sinh vật Trong nước suối nói chung vì thiếu chất dinh dưỡng nên hàm lượng vi khuẩn rất thấp Tổng số vi sinh vật ít khi vượt quá vài nghìn/ml, còn số hoại sinh dao động từ 10 đến vài trăm Trong các suối có hàm lượng Fe cao thường chứa các

vi khuẩn Fe như Leptothrix ochracea Ở các suối chứa lưu huỳnh thường có mặt nhóm vi khuẩn lưu huỳnh màu lục hoặc màu tía Những nhóm này thuộc loại tự dưỡng hoá và quang năng Ở các suối nước nóng chỉ tồn tại các vi khuẩn ưa nhiệt như Leptothrix thermalis Cho đến nay vẫn có tương đối ít công trình xác định tổng số vi sinh vật trong các dòng sông nhờ cách đếm trực tiếp Số lượng vi khuẩn cao hơn đáng kể trong mùa lạnh do điều kiện sống và điều kiện dinh dưỡng thuận lợi hơn, nhất là đối với vi sinh hoại sinh bắt nguồn từ nước thải Điều tương tự cũng xảy ra đối với số lượng vi khuẩn gây thối cũng như đối với vi khuẩn dạng coli và số lượng tế bào nấm men, là những vi sinh vật cũng thường xâm nhập vào sông thông qua nước thải, trong khi đó thì vi khuẩn nitrát hóa đạt cực đại về mùa

hè Tại những vùng sông bị nhiễm nước thải, số lượng tế bào nấm men tương đối lớn

b Sự phân bố trong các hồ

Ở các tầng hồ khác nhau sự phân bố của vi sinh vật cũng khác nhau Ở tầng mặt nhiều ánh sáng hơn thường có những nhóm vi sinh vật tự dưỡng quang năng Dưới đáy hồ giàu chất hữu cơ thường có các nhóm vi khuẩn dị dưỡng phân giải chất hữu

cơ Ở những tầng đáy có sự phân huỷ chất hữu cơ mạnh tiêu thụ nhiều ôxy tạo ra những vùng không có ôxy hoà tan thì chỉ có mặt nhóm yếm khí bắt buộc không có khả năng tồn tại khi có oxy Lượng vi sinh vật cũng thay đổi theo chiều sâu của ao, hồ: Ở những hồ sâu số lượng vi sinh vật nhiều nhất không phải trên bề mặt mà ở lớp nước sâu từ 5 – 20 m, điều này có thể giải thích dễ dàng là do trên bề mặt bị ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp, nhiệt độ nước tăng,… Các nghiên cứu về sự phân bố vi khuẩn trong các hồ đã tìm thấy trong các hồ nghèo dinh dưỡng từ

50000 – 200000 vi khuẩn/ml, và trong các hồ giàu dinh dưỡng thì vài trăm đến vài triệu Trái lại số vi sinh vật hoại sinh được xác định đồng thời thấp hơn nhiều, trong các hồ giàu dinh dưỡng nó dao động từ vài trăm đến vài nghìn và trong các

hồ nghèo dinh dưỡng thì thậm chí dưới một trăm Trong các hồ sạch, số lượng vi khuẩn lớn nhất thường đạt vào thời gian mà chất dinh dưỡng sinh ra là lớn nhất, tức là vào mùa xuân hoặc đầu mùa thu, hoặc cuối hè Nói chung hàm lượng vi sinh vật càng xa bờ càng giảm Ở các tầng hồ khác nhau sự phân bố vi sinh vật cũng khác nhau

c Sự phân bố trong biển

Ở môi trường biển, sự phân bố của vi sinh vật khác hẳn so với môi trường nước ngọt do nồng độ muối ở những nơi này cao Tùy thuộc vào thành phần và nồng độ muối, thành phần và số lượng vi sinh vật cũng khác nhau rất nhiều Tuy nhiên tất

cả đều thuộc nhóm ưa mặn ít có mặt ở môi trường nước ngọt Các vi sinh vật sống trong môi trường nước mặn nói chung có khả năng sử dụng chất dinh dưỡng có nồng độ rất thấp Chúng phát triển chậm hơn nhiều so với vi sinh vật đất Chúng thường bám vào các hạt phù sa để sống Vi sinh vật ở biển thường thuộc nhóm ưa lạnh, có thể sống được ở nhiệt độ từ 0 đến 40 C Chúng thường có khả năng chịu được áp lực lớn nhất là ở những vùng biển sâu Nước biển có số lượng vi sinh vật nhỏ hơn nước ao hồ và nước sông Số lượng vi khuẩn gần bờ thường nhiều hơn ở

xa bờ Do những điều kiện dinh dưỡng thuận lợi mà hàm lượng vi sinh vật ở vùng nước gần bờ lớn hơn đáng kể so với ngoài khơi, và nói chung càng xa bờ thì số lượng vi sinh vật hoại sinh càng giảm nhanh Theo chiều thẳng đứng thì những trị

số vi khuẩn cao nhất thường được thấy trong vùng đủ ánh sáng có sức sinh sản Tuy nhiên nếu loại trừ các vi sinh vật sống ở mặt nước thì cực đại không nằm trong vùng bề mặt, mà thường mãi ở độ sâu từ 10 - 50 m Sự phát tán nấm men trong các vùng biển khác nhau cho thấy số lượng chúng thường khá cao tại vùng gần bờ bị nhiễm nước thải và giảm nhanh theo hướng ra biển Tuy nhiên vẫn có thể tìm thấy hàng loạt nấm men chịu muối ở những vùng biển khơi

d Sự phân bố trong phần lắng đọng trong các thuỷ vực nội địa

Nước trong thủy vực mở (ao, hồ, sông ngòi, đầm, vực,…) khác nhau rất lớn về số lượng cũng như thành phần hệ vi sinh vật có trong đó, vì rằng thành phần hóa học của các loại thủy vực này luôn luôn không ổn định và khác nhau rất xa Số lượng

vi khuẩn trong thủy vực tăng mạnh trong thời gian sau những cơn mưa lớn hoặc

lũ, có lẽ do bị nhiễm bẫn nước trên bờ chảy xuống kéo theo vi sinh vật Những ngày nắng thì số lượng vi sinh vật cũng giảm đi Tại các lớp bùn trên cùng trong các thủy vực, đặc biệt là trong các hồ, vì có hàm lượng cao về dinh dưỡng hữu cơ nên nói chung có rất nhiều vi sinh vật Tổng số vi sinh vật được xác định bằng cách đếm dươi kính hiển vi của mỗi gam bùn ướt từ vài trăm đến vài triệu tỷ

II Vai trò của vi sinh trong quá trình chuyển hóa các chất

1 Chu trình cacbon

a Quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ trong thủy vực

Chu trình cacbon bắt đầu từ phản ứng quang hợp của thực vật trong thủy vực, thực hiện dưới tác động của ánh sáng Mặt trời với chất xúc tác là các hạt diệp lục (clorophyll) và kết thúc bằng việc tạo ra các hợp chất hữu cơ Thực vật ở nước hấp

thu nguồn năng lượng này thực hiện quá trình quang hợp tổng hợp C6H12O6, quá trình quang hợp còn tạo ra oxy cần thiết để duy trì sự sống

Nguồn chất vô cơ ban đầu được thực vật ở nước sử dụng để tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ là khí CO2 và H2O và các muối khoáng của N, P, K, S, Si, Fe, Mn,

Ca, Mg, Zn, Cu, các chất này luôn luôn được bổ sung vào thủy vực từ các quá trình phân hủy xác bã sinh vật hay do sự tác động của con người

Các hợp chất cacbon hữu cơ chứa trong động vật, thực vật, vi sinh vật, khi các sinh vật này chết sẽ để lại một lượng chất hữu cơ khổng lồ trong đất Cùng với giới thực vật, các vi khuẩn quang tự dưỡng và hóa tự dưỡng cũng có khả năng góp phần vào việc tổng hợp các chất hữu cơ trong thủy vực Ngoài ra, chúng cần có đủ ánh sáng và có thể cho hydro thích hợp: đối với vi khuẩn màu lục và vi khuẩn lưu huỳnh màu tía thì đó là sulfurhydro (H2S), còn đối với các vi khuẩn quang hợp khác thì đó là axít hữu cơ hoặc các chất hữu cơ khác b Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong thủy vực Trong thủy vực, các sinh vật sau khi chết đi không ngừng bị phân hủy bởi vi khuẩn dị dưỡng và nấm mốc Các vi sinh vật này cần các hợp chất hữu cơ để làm thức ăn Khi ấy, hợp chất hữu cơ được vi sinh vật biến đổi thành các chất vô cơ ban đầu Vô cơ hóa các hợp chất hữu cơ là chức năng chủ yếu của vi khuẩn và nấm trong việc biến đổi vật chất trong thủy vực Sự phân hủy các chất hữu cơ diễn ra với tốc độ rất khác nhau Tùy thuộc vào thành phần của chúng và điều kiện của môi trường, sự phân hủy có thể diễn ra rất nhanh hay rất chậm Sự phân hủy vật chất hữu cơ xảy ra rất nhanh trong thủy vực ở những vùng gần bề mặt nước, nhiệt độ nước mùa hè Nhìn chung, không phụ thuộc vào địa điểm, thứ tự bị phân hủy là đường và protein, sau đó là tinh bột, chất béo và cuối cùng là chất cao phân tử như xenlulozơ Quá trình phân giải đường nhờ 2 nhóm vi sinh vật: nhóm hiếu khí và nhóm lên men * Quá trình lên men êtylic Dưới tác dụng của hệ thống enzym sinh ra bởi vi sinh vật (Saccaromyces, Sac vinii, Sac uvarum,…), glucoza được chuyển hóa sang pyruvat decacboxylaza →axetaldehit

→ rượu êtylic

* Quá trình lên men Lactic:

- Quá trình lên men đồng hình: Tham gia quá trình này có nhóm vi sinh khuẩn: Lactobacterium, Thermobacterium, Streptobacterium và Streptococcus

* Quá trình phân giải lignhin

Tham gia quá trình này có nhóm vi sinh vật: Polysitctus versicolor;, Stereum hisutum, Pholiota, … nấm Ascomycetes, Gyrophana, Ascomycetes, …

Tóm lại, các nhóm VSV tham gia trong quá trình chuyển hóa cacbon – là quá trình quang hợp cây xanh hoặc quá trình VSV tự dưỡng quang năng - đã góp phần khép

kín vòng tuần hoàn vật chất, giữ mối cân bằng vật chất trong thiên nhiên Từ đó giữ được cân bằng sinh thái trong môi trường tự nhiên

2 Chu trình nitơ

a Vòng tuần hoàn của Nitơ

Nitơ chiếm khoảng 78% thể tích không khí (tương đương 3,9×1015 tấn N2) Nó

bị tách ra khỏi không khí do sấm chớp Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng không thể thiếu đối với động thực vật và ngay cả đối với loài vi sinh vật - Cây trồng không thể đồng hóa nitơ hữu cơ mà phải nhờ vi sinh vật phân huỷ và chuyển hóa nguồn nitơ bền vững thành nitơ dạng dễ tiêu (NH4 + hoặc NH3), quá trình này gọi là quá trình amon hóa - Tiếp nối là quá trình vi sinh vật chuyển hóa tiếp

từ NH3 thành NO3 - được gọi là quá trình nitrát hoá

- Dưới tác dụng của các loại vi sinh vật, nitơ không khí được chuyển vào các chất hữu cơ chứa nitơ được gọi là quá trình cố định nitơ phân tử Trong môi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng N2, hay dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ hòa tan hay không hòa tan Các hợp chất vô cơ hòa tan quan trọng của nitơ là NH3, NH4 + , NO2 - , NO3 -

Vi khuẩn cố định đạm có thể sống tự do hay cộng sinh Các loài tự do như Azotobacter ( hiếu khí) và Clostridium (hiếm khí) hay tự dưỡng như Rhodospirillum Trong môi trường nước, cũng có nhiều vi khuẩn cố định đạm, nhưng vai trò của chúng ít quan trọng hơn các thanh tảo, như Anabaena, Nostoc, Trichodesmum Ngoài ra, núi lửa mang đến một lượng nitơ để bù đắp sự mất đi do nitơ thoát ra khỏi chu trình bởi trầm tích ở đáy biển sâu Tóm lại, chu trình N khá phức tạp nhưng ổn định Các quá trình khử và cố định N làm cho nó có đủ sức đáp ứng được nhu cầu cao cho sản xuất của các hệ sinh thái b Quá trình cố định nitơ phân tử Các loại vi sinh vật đồng hóa nitơ từ không khí một cách dễ dàng và thường xuyên xảy ra Bao gồm:

* Quá trình cố định nitơ phân tử tự do: Nhờ nhóm vi khuẩn: - Azotobacter: có

các loài chủ yếu: Azotobacter chrococcum; Azotobacter beijerinskii; Azotobacter vinelandii; Azotobacter agiillis Azotobacter có khả năng đồng hóa mannít, ramno, tinh bột, benzoat natri,… - Clostridium: có khả năng đồng hóa tất cả các nguồn thức ăn vô cơ và hữu cơ - Beijerinskii: có khả năng đồng hóa tất cả các loại đường đơn và kép, đồng hóa yếu tinh bột và axít hữu cơ

* Quá trình cố định nitơ phân tử cộng sinh: Quá trình đồng hóa nitơ của không

khí dưới tác dụng của hệ cộng sinh tạo thành các hợp chất chứa nitơ (axít amin) được gọi là quá trình cố định nitơ cộng sinh Tiêu biểu là nhóm vi khuẩn Bacterium radicicola (cuối 1989 Frank đề nghị đổi tên là Rhizobium)