Bài giảng Sinh thái vi sinh vật: Chương 1 - TS. Nguyễn Xuân Cảnh

Bài giảng Sinh thái vi sinh vật: Chương 1 Tổng quan về sinh thái vi sinh vật và sự đa dạng của vi sinh vật, cung cấp cho người học những kiến thức như: Giới thiệu chung; Lịch sử nghiên cứu sinh thái vi sinh vật; Sự phổ biến của vi sinh vật; Sự đa dạng của vi sinh vật. Mời các bạn cùng tham khảo!

SINH THÁI VI SINH VẬT (SH02008)

MICROBIAL ECOLOGY

• Giảng viên: TS Nguyễn Xuân Cảnh

• Email: nxcanh@vnua.edu.vn

• Microbial Ecology Larry L Barton and Diana E Northup

Wiley-Blackwell 2011

• Proccesses Microbial Ecology David L Kirchman Oxford University

Press 2012

• Microbial Biotechnology and Ecology Deepak Vyas, Paliwal G.S., Khare

P.K., Gupta R.K Daya Publishing House 2011

• Brock Biology of Microorganisms (14th edition) Micheal T Madigan, John

M Martinko, Kelly S Bender, Daniel H Buckley, David A Thomas Brock

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH

Chương 1: Tổng quan về sinh thái vi sinh vật và sự đa dạng của vi

sinh vật

Chương 2: Môi trường sống tự nhiên của vi sinh vật

Chương 3: Mối tương tác giữa các vi sinh vật

Chương 4: Các mối tương tác giữa vi sinh vật và thực vật

Chương 5: Các mối tương tác giữa vi sinh vật và động vật

Chương 6: Trao đổi thông tin ở vi sinh vật trong quá trình sống

Chương 7: Vai trò của vi sinh vật đối với các quá trình sinh địa hóa

Chương 8: Các phương pháp nghiên cứu sinh thái vi sinh vật

NỘI DUNG CHÍNH

Chương 1 Tổng quan về sinh thái vi sinh vật và

sự đa dạng của vi sinh vật

• Giới thiệu chung

• Lịch sử nghiên cứu sinh thái vi sinh vật

• Sự phổ biến của vi sinh vật

• Sự đa dạng của vi sinh vật

Giới thiệu chung

Sinh thái học vi sinh vật là gì?

Microbial ecology = Microbial + Ecology

Sinh thái học vi sinh vật nghiên cứu mối tương tác giữa vi sinh

vật với môi trường của chúng bao gồm môi trường vật lý, hóa

học và sinh học

Nghiên cứu về sinh thái học nhằm mục đích:

- Xác định thành phần loài vi sinh vật hiện có

- Vai trò của mỗi loài

- Mối tương tác xảy ra trong môi trường vi sinh vật

- Cách thức vi sinh vật thay đổi môi trường

Lịch sử nghiên cứu

Năm 1683: Antonie van Leeuwenhoek công bố hình vẽ về các dạng hình thái

của vi khuẩn

Năm 1786: Otto Friedrich Muller mổ tả đặc điểm của 379 loài khác nhau

trong cuốn “Animalcules of Infusions, Rivers and the Sea”

Năm 1823: Bartholomeo Bizio mô tả về “giọt máu” rơi ở bánh mỳ “chảy

máu”trong các nghi lễ, hiện tượng này được cho là do vi khuẩn Serratia

marcescens

Năm 1837: FriedrichTraugott Kuzing,Charles Cagniard-Latour và Theodor

Schwann trong các công bố độc lập đã xác định vai trò của vi sinh vật với

việc sản xuất ethanol

Năm 1852: Maximilian Perty mô tả một số loài vi khuẩn tự dưỡng quang năng

thuộc chi Chromatium trong đó có loài Chromatium vinosum

Năm 1866: Ernst Haeckel đề xuất thuật ngữ “sinh thái học”

Năm 1877: Theophile Schoesing và Achille Muntz mô tả sự nitrorit hóa nhờ vi

sinh vật

Năm 1878: Anton de Berry đề xuất thuật ngữ về mối quan hệ tương hỗ và cạnh

tranh

Năm 1885: A B Frank mô tả về nấm rễ Mycorrhiza

Năm 1886: H Hellriegel and H.Wilfarth mô tả về nốt sần rễ đậu có khả năng

cung cấp nitro cho cây

Năm 1889: Matrinus W Beijerinck phát triển kỹ thuật làm giàu trong môi trường

nuôi cấy cho rất nhiều vi khuẩn trong chu trình nitro-sufur

Năm 1889: Sergus N Winogradsky đề xuất khái niệm sinh trưởng hóa dưỡng và

tự dưỡng ở vi khuẩn

Năm 1904: L Hiltner nghiên cứu về sinh học vùng rễ và đề xuất khái niệm

Rhizosphere

Năm 1909: Sigurd Orla-Jensen xếp vi khuẩn hóa tự dưỡng vào nhóm vi khuẩn cổ

• Số lượng tế bào prokaryote trong sinh quyển ước tính có khoảng

6.000.000.000.000.000.000.000.000.000000 (6 x 10 30 )

• Chúng chứa 50% lượng carbon, 90% lượng nitrogen and phosphorus

trên Trái đất

• Có trên 10 8 loài khác nhau

• Trong trực tràng người có khoảng 10 12 tế bào vi khuẩn, rất nhiều trong

số chúng chưa được xác định

• Trong 1 gram đất có chứa 1000-5000 loài vi khuẩn với trên 10 9 tế bào

• Vi sinh vật có thể sống ở khắp mọi nơi, trong các điều kiện môi trường

khắc nghiệt Những sinh vật có khả năng này gọi là extremophiles

Sự phổ biến của vi sinh vật

Các kiểu extremophile khác nhau

Sự đa dạng của vi sinh vật

Đa dạng hình thái

Sự đa dạng và Sự phổ biến

Carl Woese (1990): Sáu giới, ba

lãnh giới

– Bacteria (vi khuẩn thật):

Eubacteria Eukaryota,

Prokaryota

– Archaea (Vi khuẩn cố):

Archaebacteria

– Eukarya (sinh vật nhân

thật): động vật, thực vật,

động vật nguyên sinh,

nấm

Đa dạng các nhóm vi khuẩn

Sự giống và khác nhau giữa ba nhóm Eukarya, Archaea và Bacteria

Thành tế bào Có nhiều sạng khác

nhau, không chứa peptidoglycan

Glycoprotein, protein, pseudomurein, wall-less

Lipopolysaccharide

và murein, protein, cell wall-less (few) Màng sinh chất Glycerol esters of

fatty acids

Glycerol ethers of isoprenoids

Glycerol esters of fatty acids

Vật liệu di truyền Nucleus with more

than one linear chromosome, histones present

Circular chromosome, plasmids and viruses, histones Present

Circular chomosome plasmids and viruses, no histones

RNA polymerases 3 (12–14 subunits) 1 (8–12 subunits) 1 (4 subunits)

Nhân tố phiên mã Yes Yes No

Mẫn cảm với các kháng

sinh như

Chloramphenycol,

strep., kanamycin

Sự đa dạng của các nhóm vi khuẩn thật

Vi khuẩn thật được chia vào 11 ngành bởi

Woese (1987) sau đó được tăng lên tới

52 ngành vào năm 2003 bởi Rappe và

Giovannoni bao gồm cả những loài có thể

nuôi cấy và không nuôi cấy được

Cho đến ngày nay có trên 100 ngành đã

được phân loại

Sự đa dạng của các nhóm vi khuẩn cổ

Trong suốt những năm 1970, cây phân loại cho vi khuẩn cổ chỉ gồm hai ngành là

Crenarchaeota và Euryarchaeota, sự phân loại chủ yếu dựa vào các thành viên có thể

nuôi cấy được

Đa dạng các nhóm động vật nguyên sinh

• Protist – sinh vật nguyên sinh là sinh vật nhân chuẩn đơn bào hoặc các sinh vật

nhân chuẩn đa bào những thiếu các mô chuyên hóa

• Nơi sống rất đa dạng nhưng hầu hết đòi hỏi môi trường nước

Theo Madigan và cộng sự (2009) sinh vật nguyên sinh bao gồm:

 Diplomonad: Sinh vật đơn bào di động có hai cấu trúc nhân và mitosome

 Parabasalid: sinh vật có chứa thể gốc và hydrogenosome

 Euglenozoan: sinh vật đơn bào di động có hình que

 Alveolate: sinh vật có chứa các túi trong màng tế bào chất gọi là phế nang

Nhóm sinh vật này bao gồm:

Ciliate: di chuyển nhờ lông mao, Paramecium

Dinoflagellate: tảo đơn bào hai roi có khả năng di chuyển vòng quanh

ở biển và khu vực nước sạch Chúng gây lên hiện tượng thủy triều đỏ

Apicomplexan: ký sinh trùng bắt buộc gây bệnh trên động vật, ví dụ

Plasmodium gây lên bệnh sốt rét

 Stramenopile: sinh vật nhân thực hơi giống nấm, tảo cát, tảo vàng, tảo nâu

 Cercozoan: trùng tia, trước đây chúng được gọi là amip

 Amoebozoa: sử dụng chân giả có hình xẻ thùy; chúng bao gồm nấm nhầy

Parabasalid

Alveolate

Ciliate

Dinoflagellate

Apicomplexan

Cercozoan

Đa dạng các nhóm nấm

• Các nhóm nấm tồn tại trong tự nhiên là rất phong phú và đa

dạng Ước tính số lượng các loài nấm vào khoảng > 1.5 triệu,

trong đó có khoảng 75.000 loài đã được mô tả và biết đến

(Deacon, 2006)

• Nấm có vai trò phân hủy và tái chế chất hữu cơ, phá vỡ cấu trúc

lignocellulose và các hợp chất khó phân hủy khác

• Nấm còn là tác nhân gây bệnh cho người, thực vật, động vật

• Nấm cũng có vai trò rất tích cực trong đời sống của con người:

thực phẩm, thuốc…

Phân loại nấm dựa trên một số đặc điểm quan trọng sau:

 Đặc điểm của sinh vật nhân chuẩn: có màng nhân và các bào quan

trong tế bào chất, màng chứa sterol, ribosome 80S, sự phát triển của

tế bào chất

 Trao đổi chất dị dưỡng: các enzyme được tiết ra từ đầu sợi nấm để

phá vỡ cấu trúc các chất hữu cơ phức tạp và sau đó các chất dinh

dưỡng được hấp thu từ môi trường qua thành tế bào và màng tế

bào

 Sự phát triển của nấm: được thể hiện khi sợi nấm dài ra, hoặc có thể

giống như nấm men đơn bào, hoặc cả hai

 Thành tế bào có chứa cả chitin và glucan

 Sinh sản vô tính và hữu tính, có sinh bào tử

Nấm còn được gọi là Mycota bao gồm 5 ngành:

- Basidiomycota

Các loại nấm nấm lớn và một số nấm menthuộc ngành Basidiomycota (nấm

đảm) Một số tác nhân nấm gây bệnh nghiêm trọng đó là nấm than Chúng

thường gây bệnh hại các loại cây ngũ côc

Đa dạng các nhóm tảo

• Tảo là một nhóm lớn và rất đa dạng, bao gồm các sinh vật tự dưỡng mang một

hay nhiều tế bào có cấu tạo đơn giản, có màu khác nhau, luôn có chất diệp lục

nhưng chưa có rễ, thân, lá

• Có thể dễ dàng thấy tảo ở nhiều nơi và với các vai trò khác nhau

• Tảo là sinh vật nhân chuẩn chứa chất diệp lục chính vì vậy chúng thực hiện

các quá trình quang hợp và tạo ra khí oxy Ước tính khoảng 50% lượng oxy

được tạo ra trên thế giới ngày nay là do các thực vật phù du, trong đó tảo

chiếm phần lớn

• Tảo được chia ra làm hai nhóm lớn: tảo đỏ (Rhodophyta) và tảo lục

(Chlorophyta)

• Tảo lục thường được tìm thấy ở trong môi trường nước ngọt, nhưng đôi khi

chúng lại được tìm thấy trong môi trường đất ẩm ướt hoặc trong một phần của

địa y Ngoài ra, tảo xanh còn được tìm thấy trên tuyết khiến cho tuyết co màu

hồng

• Đa số tảo đỏ sống chủ yếu ở biển, nhưng trong một số trường hợp cũng có thể

tìm thấy chúng trong môi trường nước ngọt và trên cạn Trái ngược với tảo

xanh, tảo đỏ thiếu chất diệu lục b, nhưng lại chứa chất diệp lục a và

phycobiliprotein Màu đỏ của tảo là do sắc tố phycoerythrin Hầu hết tảo đỏ

đều là đa bào

Đa dạng các nhóm virus