07/10/2011 LOG O NỘI DUNG CHƯƠNG II ĐẠI CƯƠNG VỀ VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Đại cương VSV học Đặc điểm chung vi sinh vật Giới thiệu số nhóm vi sinh vật chủ yếu Dinh dưỡng vi sinh vật Sự tăng trưởng vi sinh vật môi trường Sự phân bố VSV môi trường Môi trường đất phân bố vi sinh vật môi trường đất Môi trường nước phân bố vi sinh vật môi trường nước Mơi trường khơng khí phân bố vi sinh vật khơng khí Đặc điểm chung vi sinh vật Đặc điểm chung vi sinh vật Kích thước nhỏ bé Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh Sinh trưởng phát triển nhanh Năng lực thích ứng mạnh dễ phát sinh biến dị Phân bố rộng, chủng loại nhiều Có vai trị quan trọng hệ sinh thái Kích thước nhỏ bé 07/10/2011 Đặc điểm chung vi sinh vật Đặc điểm chung vi sinh vật Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh 0,5 – 4,0 - Vi khuẩn lactic phân hủy lượng đường lactose nặng 1000 – 10.000 lần khối lượng chúng vòng 10 - 20 µl CHẤT KHÔ (mg) 110 1200 2000 Đặc điểm chung vi sinh vật Đặc điểm chung vi sinh vật Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh Năng lực thích ứng mạnh, dễ phát sinh biến dị VI SINH VẬT E Coli khoảng 12 – 20 phút phân cắt lần Nếu lấy thời gian hệ (generation time) 20 phút phân cắt lần, 24 phân cắt 72 lần, từ tế bào ban đầu sinh 4.722.366.500.000.000.000.000 tế bào (nặng 4711 tấn!) Nhiệt độ khắc nghiệt Nồng độ Nitơ muối cao lỏng Hydro 32% NaCl lỏng Điều kiện pH: Acid (0,5),Kiềm (10,7) Chịu cường độ xạ cao (750.000 rad) Thiobacillus Thiobacillus Micrococcus thioxidans denitrificans Chịu áp lực nước lớn (1103,4 atm) radiodurans 07/10/2011 Đặc điểm chung vi sinh vật Đặc điểm chung vi sinh vật Năng lực thích ứng mạnh, dễ phát sinh biến dị Phân bố rộng, chủng loại nhiều Biến dị có lợi (Penicillium chrysogenum) Penicillin (20 đơn vị/ml) Mutation Penicillin 100.000 đơn vị/ml Biến dị có hại (Staphylococcus aureus) Sử dụng kháng sinh Mutation MRSA Vi sinh vật phân bố khắp nơi trái đất Chúng có mặt thể người, động vật, thực vật, đất, nước, khơng khí, đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm nước biển Trong đường ruột người thường có khơng 100 - 400 lồi sinh vật khác nhau, chiếm tới 1/3 khối lượng khô phân Ở độ sâu 10.000 m Đơng Thái Bình Dương, nơi hồn tồn tối tăm, lạnh lẽo có áp suất cao người ta phát thấy có khoảng triệu - 10 tỉ vi khuẩn/ml (chủ yếu vi khuẩn lưu huỳnh) Đặc điểm chung vi sinh vật Vai trò vi sinh vật hệ sinh thái - Vi khuẩn vi nấm sinh vật phân giải chất hữu thành chất vơ chu trình chuyển hố vật chất hệ sinh thái - Một số vi khuẩn, vi nấm số động vật nguyên sinh tác nhân gây nhiều bệnh cho trồng, vật nuôi người - Một số vi khuẩn vi nấm phá huỷ lương thực thực phẩm, vật liệu xây dựng, kiến trúc, công nghiệp, mỹ thuật - Vi sinh vật mang lại lợi ích cho người nhiều lĩnh vực công nghệ chế biến thực phẩm, dược phẩm, công nghệ sinh học môi trường Giới thiệu số nhóm VSV chủ yếu Virus Vi khuẩn Vi nấm 07/10/2011 Giới thiệu số nhóm VSV chủ yếu Cấu trúc virus Virus Đặc điểm cấu trúc chung Cấu trúc chung virus Ý nghĩa khoa học thực tiễn virus - Bên vật chất di truyền - Có lõi nucleocapsid – chứa vật chất di truyền - Bên bao bọc vỏ protein Cấu trúc virus Đặc điểm cấu trúc chung - Một số capsid có cấu trúc khối 20 mặt (icosahedral) – khối đa diện với 20 mặt hình tam giác 12 đỉnh - Một số có cấu trúc xoắn ốc (helical) với trụ protein rỗng không cứng hay mềm - Các virus phức tạp có capsid đối xứng Chúng có hay cấu trúc khác hay có lớp vách bao quanh … 07/10/2011 Cấu trúc virus Cấu trúc virus Nucleic acid - Thường có kiểu vật chất di truyền: DNA sợi đơn, DNA sợi đôi, RNA sợi đơn, RNA sợi đôi - Hầu hết DNA virus mạch đơi: thẳng dạng vịng Cấu trúc virus Cấu trúc virus Vỏ virus enzyme - Là lớp màng bên virus - Vỏ virus chứa thành phần: - Hầu hết RNA virus dạng thẳng, gồm loại: - Sợi (+): có trình tự giống với mRNA virus - Sợi (-): có trình tự bổ sung với mRNA virus Từ nhân tế bào chủ lipid carbohydrate Từ gene virus spike gắn kết tế bào chủ (liên quan đến gắn lên tế bào chủ) - Lớp vỏ mềm virus thay đổi hình dạng - Đóng vai trị trình xâm nhập virus vào tế bào chủ 07/10/2011 Cấu trúc virus Giới thiệu số nhóm VSV chủ yếu Ý nghĩa khoa học thực tiễn virus Ý nghĩa khoa học Virus có cấu tạo vơ đơn giản, điển hình cho sống mức độ tế bào Bởi mà trở thành mơ hình lý tưởng sinh học phân tử di truyền học đại Rất nhiều thành tựu sinh học phân tử di truyền học đại dựa mơ hình virus Ví dụ việc dùng virus để chuyển gen cần thiết từ tế bào sang tế bào khác, tạo nên đặc tính di truyền mong muốn Giới thiệu số nhóm VSV chủ yếu Giới thiệu số nhóm VSV chủ yếu Ý nghĩa khoa học thực tiễn virus Interference Ý nghĩa thực tiễn - Ứng dụng tượng Interference để tạo vaccine chống lại virus gây bệnh - Thuốc trừ sâu sinh học từ virus (ví dụ virus NPV – nuclear polyhedrosis virus) Là tượng gây nhiễm loại virus cho tế bào việc gây nhiễm virus khác bị hạn chế Hiện tượng khong có tính đặc hiệu virus lại có tính đặc hiệu theo lồi thuộc tế bào chủ Ở tế bào vật chủ sau nhiễm virus sinh interferon ức chế trình tổng hợp RNA virus virus lạ không phát triển Cường độ phụ thuộc vào số lượng virus gây nhiễm lần 1, thời gian gây nhiễm từ lần đến lần 07/10/2011 Giới thiệu số nhóm VSV chủ yếu Giới thiệu số nhóm VSV chủ yếu Vi khuẩn Xạ khuẩn Vi khuẩn chiếm đa số vi sinh vật, có mẫu đất vi khuẩn chiếm tới 90%, đóng vai trị định q trình chuyển hố vật chất Vi khuẩn tham gia vào hầu hết vịng tuần hồn vật chất đất thiên nhiên Tuy vậy, nhiều vi khuẩn gây bệnh cho người động vật, thực vật, gây nên tổn thất nghiêm trọng sức khoẻ người sản xuất nông nghiệp Ngày với thành tựu khoa học đại, người ta tìm biện pháp hạn chế tác hại vi khuẩn gây ra, ví dụ việc chế vaccine phòng bệnh, sử dụng chất kháng sinh v.v Xạ khuẩn nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi đất, chúng tham gia vào trình phân giải hợp chất hữu đất cellulose, tinh bột v.v góp phần khép kín vịng tuần hồn vật chất tự nhiên Đặc tính cịn ứng dụng q trình chế biến phân huỷ rác v.v Nhiều xạ khuẩn có khả sinh chất kháng sinh Đặc điểm sử dụng nghiên cứu sản xuất chất kháng sinh dùng y học, nông nghiệp bảo quản thực phẩm Giới thiệu số nhóm VSV chủ yếu Giới thiệu số nhóm VSV chủ yếu Vi nấm Vi nấm Nấm men Nấm men nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi thiên nhiên, tham gia vào q trình chuyển hố vật chất, phân huỷ chất hữu đất Hoạt tính sinh lý nhiều lồi nấm men ứng dụng cơng nghiệp thực phẩm, nông nghiệp ngành khác Đặc biệt trình sản xuất loại rượu, cồn, nước giải khát lên men, làm thức ăn gia súc Ngồi hoạt tính sinh lý, thân tế bào nấm men có nhiều loại vitamin acid amin, đặc biệt acid amin không thay Đặc tính dùng để chế tạo thức ăn gia súc từ nấm men, chí thức ăn dùng cho người chế tạo từ nấm men Nấm mốc Nấm mốc (hay nấm sợi) nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi thiên nhiên Chúng tham gia tích cực vào q trình chuyển hố vật chất, khép kín vịng tuần hồn vật chất tự nhiên Khả chuyển hoá vật chất chúng ứng dụng nhiều ngành, đặc biệt chế biến thực phẩm (làm rượu, làm tương, nước chấm v.v ) Mặt khác, có nhiều loại nấm mốc mọc nguyên, vật liệu, đồ dùng, thực phẩm phá hỏng làm giảm chất lượng chúng Một số lồi cịn gây bệnh cho người, động vật thực vật (bệnh lang ben, vẩy nến người, nấm rỉ sắt thực vật v.v ) 07/10/2011 Dinh dưỡng vi sinh vật Yêu cầu dinh dưỡng chung Dinh dưỡng vi sinh vật Yêu cầu dinh dưỡng chung Các yếu tố tăng trưởng Môi trường nuôi cấy vi sinh vật Phân lập VSV khiết 95% Chất khơ Phân tích Thành phần đa lượng u cầu dinh dưỡng chung C Cần cho hoạt động+của K enzyme O H N C O H N S P K Ca Mg Fe Yêu cầu dinh dưỡng chung S P - Là cofactor Thành phần: Giúp bào tử 2+ 2- Tạo phức với ATP 2+/3+Cytochrome chịu nhiệt Mg + Ca Fe +/3 - Ổn định ribosome - Ổn định màng tế bào - Cofactor - Protein v/c electron Thành phần vi lượng Mn Zn Co Mo Cu Ni Chức - Cấu trúc enzyme cofactor - Giúp xt cho phản ứng - Duy trì cấu trúc protein 07/10/2011 Dinh dưỡng vi sinh vật Yêu cầu dinh dưỡng chung Zn2+ diện vị trí hoạt động số enzyme; điều hòacác tiểu đơn vị xúc tác aspartate carbamoyl transferase E Coli Mn2+ giúp enzyme thực phản ứng chuyển nhóm phosphat Mo2+ trình cố định đạm Co thành phần vitamin B12 Yếu tố tăng trưởng Amino acid Purine pyrimidine Vitamin Yếu tố tăng trưởng Vitamin: - Là phân tử hữu cấu trúc nên tất phần enzyme hay cofactor - Cần số lượng nhỏ để trì tăng trưởng 07/10/2011 Dinh dưỡng vi sinh vật Mơi trường ni cấy VSV Gồm có loại: - Môi trường xác định - Môi trường phức hợp Môi trường đơn giản Là môi trường chứa thành phần xác định Môi trường sử dụng rộng rãi nuôi cấy vi sinh vật Môi trường phức hợp Là môi trường chứa số thành phần có cấu tạo hóa học chưa xác định Đáp ứng đầy đủ nhu cầu dinh dưỡng VSV khác Chứa thành phần peptone, cao thịt, cao nấm men 10 07/10/2011 Dinh dưỡng vi sinh vật Các loại môi trường Môi trường Môi trường phân lập Môi trường khẳng định Phương pháp cấy trang Phân lập chủng Phương pháp cấy trải cấy ria Phương pháp đổ đĩa Hình thái tăng trưởng khuẩn lạc Phương pháp cấy ria 11 07/10/2011 Hình thái tăng trưởng VSV Phương pháp đổ đĩa Hình dáng Dạng điểm Dạng vịng Dạng sợi Dạng bất định Dạng rễ Dạng trục quay Hình chiếu Dạng phẳng Dạng Dạng lồi Dạng hình gối Dạng bướu Rìa Rìa phẳng Rìa lượn sóng Rìa phân thùy Rìa mịn Khó khăn phân lập VSV quan tâm mẫu q Rìa dạng sợi Rìa xoăn Khó khăn phân lập VSV quan tâm mẫu nhiều 12 07/10/2011 Sự tăng trưởng VSV môi trường Đường cong tăng trưởng Xác định tăng trưởng VSV Ảnh hưởng mơi trường đến tăng trưởng Phương pháp pha lỗng mẫu Sự tăng trưởng VSV môi trường Đường cong tăng trưởng Phase ổn định Phase tăng trưởng Phase tử vong Phase tiềm phục - Là khoảng thời gian mà VSV đưa vào mơi trường chưa có tăng trưởng - Trong giai đoạn VSV tiến hành tổng hợp thành phần Phase tiềm phục 13 07/10/2011 Phase lag Nguyên nhân Các tế bào già, ATP, cofactor quan trọng ribosome Môi trường khác VSV bị tổn thương cần thời gian phục hồi Phase lag Yếu tố ảnh hưởng Phase lag dài - Cấy từ tế bào già - Từ chủng bảo quản lạnh - Cấy sang môi trường khác loại Phase lag ngắn - Cấy từ tế bào phase log - Cấy sang môi trường loại Phase log Phase ổn định - Giai đoạn VSV bắt đầu tăng trưởng số lượng - Mức độ phân chia cao VSV tùy thuộc vào khả di truyền, nguồn gốc môi trường điều kiện cho chúng phát triển - Xảy mật độ tế bào đạt 109/ml - Trong phase ổn định, tổng số lượng tế bào VSV trì số - Kích cỡ dựa vào phù hợp dinh dưỡng, chủng vi sinh vật sô nhân tố khác 14 07/10/2011 Phase ổn định Nguyên nhân - Phase tử vong Giới hạn mặt dinh dưỡng Thiếu O2 Tích lũy chất thải mang độc tố Quần thể VSV đạt đến mức tới hạn - Do điều kiện bất lợi môi trường thiếu dinh dưỡng … VSV vào phase chết - Số lượng quần thể VSV giảm nhanh chóng Sự tăng trưởng VSV môi trường Định lượng tăng trưởng VSV Định lượng số lượng tế bào Định lượng sinh khối tế bào NGHÈO GIÀU 15 07/10/2011 Sự tăng trưởng VSV môi trường Ảnh hưởng yếu tố môi trường đến tăng trưởng Chất tan nước pH Nhiệt độ Nồng độ O2 - Nước ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu - Một số VSV chịu đựng điều kiện nước thấp VSV chịu mặn - VSV ưa mặn sống điều kiện ưu trương với nồng độ muối cao (Halobacterium) Chất tan nước - Ảnh hưởng đến nồng độ thẩm thấu tế bào VSV (trong dung dịch nhược trương hay ưu trương) - Chất tan thích hợp chất tan phù hợp với trình trao đổi chất tăng trưởng nồng độ nội bào cao pH - Mỗi loại VSV thích hợp với khoảng pH khác - VSV ưa acid - VSV trung tính - VSV ưa kiềm 16 07/10/2011 Nhiệt độ Nhiệt độ VSV ưa lạnh bắt buộc: từ – 200C, gồm Pseudomonas, Vibrio, Alcaligenes, Bacillus, Arthrobacter, Moritella, Photobacterium Shewanella VSV ưa lạnh tùy nghi: có chế chống lại lạnh VSV ưa ấm: từ 20 đến 450C VSV chịu nhiệt: từ 45 – 650C VSV siêu chịu nhiệt: lên đến 1000C Pyrococcus abyssi Pyrodictium occultum Nồng độ O2 17 07/10/2011 LOG O Sự phân bố VSV môi trường Môi trường đất phân bố VSV môi trường đất Đất mơi trường thích hợp vi sinh vật, đất có lượng lớn chất hữu Đó nguồn thức ăn cho nhóm vi sinh vật dị dưỡng Các chất vơ có đất nguồn dinh dưỡng cho nhóm vi sinh vật tự dưỡng Mơi trường đất phân bố vi sinh vật môi trường đất Môi trường nước phân bố vi sinh vật mơi trường nước Mơi trường khơng khí phân bố vi sinh vật môi trường khơng khí Các chất dinh dưỡng khơng tập trung nhiều tầng đất mặt mà phân tán xuống tầng đất sâu tầng đất khác nhau, phân bố vi sinh vật khác phụ thuộc hàm lượng chất dinh dưỡng Mức độ thống khí đất ảnh hưởng đến phân bố vi sinh vật Độ ẩm nhiệt độ đất ảnh hưởng đến phát triển vi sinh vật đất Đất vùng nhiệt đới thường có độ ẩm 70 - 80% nhiệt độ 200C – 300C Đó nhiệt độ độ ẩm thích hợp với đa số vi sinh vật 18 07/10/2011 Sự phân bố VSV môi trường đất Sự phân bố VSV môi trường đất Trong đất nơi tồn nhiều vi sinh vật so với môi trường khác Sự phân bố vi sinh vật đất gọi khu hệ vi sinh đất Các nhóm vi sinh vật cư trú đất bao gồm: vi khuẩn, vi nấm, xạ khuẩn, virus, tảo, nguyên sinh động vật Trong vi khuẩn nhóm chiếm nhiều số lượng Vi khuẩn chiếm 90%, xạ khuẩn 8%, vi nấm 1%, tảo nguyên sinh động vật 1% Phân bố theo chiều sâu Tập trung nhiều tầng canh tác Số lượng vi sinh vật giảm dần theo tầng đất, xuống sâu vi sinh vật Thành phần vi sinh vật thay đổi theo tầng đất Vi khuẩn hiếu khí xạ khuẩn, vi nấm Vi khuẩn hiếu khí xạ khuẩn, vi nấm Vi khuẩn kỵ khí tùy nghi Vi khuẩn kỵ khí bắt buộc Sự phân bố VSV môi trường đất Sự phân bố VSV môi trường đất Phân bố theo loại đất Phân bố theo loại đất Đất trồng hoa màu Đất trồng lúa Do tình trạng ngập nước độ thơng khí, chế độ nhiệt, chất dinh dưỡng Q trình oxy hóa tầng mặt (0 – cm) Vi khuẩn kỵ khí phát triển mạnh vi khuẩn amon hóa, vi khuẩn phản nitrate Tình trạng thơng thống cao khơng khí lưu thơng tốt, chế độ nhiệt, chất dinh dưỡng cao Quá trình oxy hóa xảy mạnh VK hiếu khí phát triển tốt Vi khuẩn kỵ khí phát triển yếu 19 07/10/2011 Sự phân bố VSV môi trường đất Phân bố theo trồng Vi sinh vật phát triển mạnh vùng rễ vì: Cung cấp lượng lớn chất hữu Làm đất thống khí, giữ độ ẩm Mối quan hệ nhóm VSV đất Quan hệ ký sinh Quan hệ cộng sinh Quan hệ hỗ sinh Quan hệ kháng sinh Mối quan hệ nhóm VSV đất Mối quan hệ nhóm VSV đất Quan hệ ký sinh Quan hệ cộng sinh Quan hệ ký sinh tượng vi sinh vật sống ký sinh vi sinh vật khác, hoàn toàn ăn bám gây hại cho vật chủ Là quan hệ hai bên có lợi, bên khơng thể thiếu bên trình sinh sống 20 07/10/2011 Mối quan hệ nhóm VSV đất Mối quan hệ nhóm VSV đất Quan hệ hỗ sinh Quan hệ kháng sinh Là quan hệ hai bên có lợi khơng thiết phải có sống quan hệ cộng sinh VSV phân giải P Quan hệ kháng sinh mối quan hệ đối kháng lẫn hai nhóm vi sinh vật Loại thường tiêu diệt loại hạn chế q trình sống VSV phân giải Protein Mối quan hệ đất, VSV, thực vật Mối quan hệ đất, VSV, thực vật Quan hệ đất VSV đất Mối quan hệ VSV thực vật Quan hệ đất VSV đất Đóng vai trò gắn kết hạt đất với tạo thành thành phần mùn acid humic acid humic + Ca2+ chất dẻo gắn kết hạt đất với Các chất kết dính gọi mùn hoạt tính tích lũy chất hữu nhân tố tạo nên kết cấu đất 21 07/10/2011 Mối quan hệ đất, VSV, thực vật Quan hệ đất VSV đất Mối quan hệ đất, VSV, thực vật Quan hệ thực vật VSV đất Tác động phân bón đến VSV đất Tác động chế độ nước VSV đất Tác động chế độ canh tác VSV Môi trường nước phân bố VSV Môi trường nước phân bố VSV Vi sinh vật có mặt khắp nơi nguồn nước Sự phân bố chúng hồn tồn khơng đồng khác tuỳ thuộc vào đặc trưng loại môi trường Các yếu tố môi trường quan trọng định phân bố vi sinh vật độ mặn, chất hữu cơ, pH, nhiệt độ ánh sáng Môi trường nước Hệ VSV từ đất với tỷ lệ khác biệt Nước ngầm nước suối thường nghèo vi sinh vật nơi nghèo chất dinh dưỡng 22 07/10/2011 Môi trường nước phân bố VSV Môi trường nước phân bố VSV Môi trường nước Môi trường nước Ở ao, hồ, sơng Ở nơi có nước thải xả vào Mơi trường khơng khí phân bố VSV Sự phân bố vi sinh vật khơng khí khác tuỳ vùng Nguồn gốc vi sinh vật từ đất, từ nước, từ người, động vật, thực vật, theo gió, theo bụi phát tán khắp nơi khơng khí 23 ... tri? ?u - 10 t? ?? vi khuẩn/ml (chủ y? ?u vi khuẩn l? ?u huỳnh) Đ? ?c ? ?i? ? ?m chung vi sinh v? ? ?t Vai trò vi sinh v? ? ?t h? ?? sinh th? ?i - Vi khuẩn vi n? ?m sinh v? ? ?t phân gi? ? ?i ch? ?t h? ? ?u thành ch? ?t v? ? chu trình chuyển hoá... Virus Vi khuẩn Vi n? ?m 07/10/2011 Gi? ? ?i thi? ? ?u số nh? ?m VSV chủ y? ?u C? ? ?u tr? ?c virus Virus Đ? ?c ? ?i? ? ?m c? ? ?u tr? ?c chung C? ? ?u tr? ?c chung virus Ý ngh? ?a khoa h? ? ?c th? ?c tiễn virus - Bên v? ? ?t ch? ?t di truyền - C? ?... đ? ?t, VSV, th? ?c v? ? ?t M? ? ?i quan h? ?? đ? ?t, VSV, th? ?c v? ? ?t Quan h? ?? đ? ?t VSV đ? ?t M? ? ?i quan h? ?? VSV th? ?c v? ? ?t Quan h? ?? đ? ?t VSV đ? ?t Đóng vai trị gắn k? ?t h? ? ?t đ? ?t v? ? ?i t? ??o thành thành phần m? ?n acid humic acid humic