Giáo trình Vi sinh vật học

NGUYỀN HỮU QUÂN

I J ll

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỞNG ĐẠĨ HỌC s ư PHẠM

N G U Y ỄN H ĩf u QƯÂN

GIÁO TRÌNH

VI SINH VẬT HỌC ■ ■

(Tài liệi học tập dùng cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành sinh

học, công nghệ sinh học và tài liệu tham khảo cho giáng viên và giáo viên sinh học)

NHÀ XUÁT BẢN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NĂM 2020

MÃ SÓ- P ĩ ~

Đ H T N • 2 0 2 0

MỤC LỤC

LỜI N<Ớ Đ À U ..........................................................................................................9

Chương 1. MỞ ĐÀU li

1. Đ»Ớ TƯỢNG CỦA VI SINH VẬT H Ọ C.................................................... 11

1.1 Khái niệm vi sinh vật và vi sinh vật học...............................................11

1.2 Các chuyên ngành của vi sinh vật học..................................................12

2. LỊCH SỬ NGHEÊN c ứ u CỦA VI SINH V Ậ T.........................................12

3. PH /Ơ N G PHÁP NGHEÊN c ứ u VI SINH V Ậ T ......................................16

3.1 Đơn vị đo vi sinh vật...............................................................................16

3.2 Phương pháp sử dụng kính hiền v i ....................................................... 16

3.3 Một số phương pháp khác...................................................................... 18

4. VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT..................................................................... 19

5. GIOI THIỆU CÁC HỆ THỐNG SINH G IỚ I.............................................20

CÂU HOI VÀ BÀI TẬP........................................................................................22

Chưonig2. CÁC NHÓM VI SINH VẬT 25

1. HÌNH THÁI, CẨU TẠO CỦA CÁC NHÓM VI SINH V Ậ T................. 26

ỉ . l Vi sinh vật c ổ ..........................................................................................26

t .2 Vi khuẩn...................................................................................................27

I.3. Xạ khuấn..................................................................................................36

11/. Vi khuẩn nguyên thủy............................................................................39

II.í. Vi khuấn lam............................................................................................41

1.6. Nấm men............................................................................................... 43

1 7 Nấm sợi.................................................................................................45

1.8. Vi tảo..................................................................................................... 48

2. SINH SÀN CỦA CÁC NHÓM VI SINH VẬT.........................................51

2.1. Nhóm vi khuẩn và xạ khuẩn................................................................ 51

2.2. Nấm men............................................................................................... 52

2.3. Nấm sợi..................................................................................................53

3. DI TRUYỀN - BIẾN DỊ Ờ VI SINH VẬT.............................................. 54

3.1. Vật chất di truyền của các nhóm vi sinh v ật...................................... 54

3.2. Biến dị ờ vi khuẩn và vi sinh vật nhân chuẩn.....................................55

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP...................................................................................... 59

Chương 3. VIRUS HỌC 64

1. KHÁI N Ệ M VỀ VIRUS............................................................................. 64

1.1. Định nghĩa............................................................................................. 64

1.2. Lịch sử nghiên cứu virus......................................................................65

1.3. Hình dạng và kích thước...................................................................... 6 6

1.4. Cấu trúc hình thái của virus................................................................. 6 6

1.5. Cấu tạo của virus...................................................................................70

1.6. Phân loại virus....................................................................................... 72

2. CÁC KIỂU CHU TRÌNH SỐNG CỦA VIRUS........................................73

2.1. Chu trinh sống của virus độc...............................................................73

2.2. Mối quan hệ giữa phage và tế bào ch ủ ............................................... 77

3. VIRL S VÀ BỆNH TẬT.................................................................................79

3.1. Sư lan truyền virus.................................................................................. 79

3 2. Virus và sự tạo interferon.................................................................. 82

3.3. Bệnh virus thường gặp............................................................................ 83

3.4. Các biện pháp phòng chống bệnh do virus gây r a ...............................90

CÂU HỎI VA BÀI TẠP.........................................................................................91

Chương 4. SESH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIẺN Ở VI SINH VẬT 95

1. DINH DƯỜNG Ờ VI SINH VẬT................................................................. 95

1.1. Nguồn dinh dưỡng cacbon......................................................................95

1.2. Nguồn dinh dưỡng nitơ...........................................................................98

1.3. Nguồn dinh duỡng khoáng.....................................................................99

1.4. Các nhân tố sinh trường........................................................................ 100

2. CÁC NHÀN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SINH TRUỞNG CỦA VI SINH VẬT . 100

2 . 1 . Ảnh hường của tác nhân vật lý ............................................................. 1 0 1

2 .2 . Ảnh hưởng của nhân tố hóa học..........................................................106

3. SINH THƯỞNG CỦA VI SINH VẬT........................................................109

3.1. Khù niệm về sinh trường ờ vi sinh vật............................................... 109

3.2. Các thông số của sinh truởng cấp số m ũ ............................................110

3.3. Siai trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy tính................................111

3.3. Siai trường của vi sinh vật trong nuôi cấy liên tụ c ............................116

CÂU HỎI VÀ. BÀI TẬP.......................................................................................118

Chưong 5. CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN Ở VI SINH VẬT 126

1. CÁC K ĨU HÒ HÁP ở VI SINH VẬT.....................................................126

2. CÁC CON ĐƯỜNG PHÂN GIẢI GLUXIT Ở VI SINH VẬT .... .......128

2.1. Con đường phân giãi trước pyruvat...................................................128

2.2. Sự chuyển hóa sau piruvat..................................................................130

3. S ự TỔNG HỢP CACBOHYDRAT.......................................................... 131

4. S ự TRAO ĐỔI PROTEEN..........................................................................133

4.1. Sự phân giải protein (lên men thối)................................................... 13*3

4.2. Sự tổng hợp protein..............................................................................13>5

5. LÊN MEN RƯỢU........................................................................................13 5

5.1. Định nghĩa và tác nhân lên men rượu................................................ 13 5

5.2. Cơ chế lên men rượu............................................................................13 7

5.3. ứng dụng lên men ethanol.................................................................. 13 8

6 . LÊN MEN LACTIC.....................................................................................141

6 .1. Định nghĩa và tác nhân lên men lactic................................................141

6.2. Cơ chế lên men lactic...........................................................................142

6.3. ứng dụng lên men lactic......................................................................143

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP..................................................................................... 147

Chương 6. ĐẠI CƯƠNG VÈ TRUYỀN NHIÊM VÀ MIẺN DỊCH 153

1. HỆ VI SINH VẬT PHÀN BỐ TRÊN c ơ THẺ NGƯỜI VÀ ĐỘNG VẬT . 154

1.1. Hệ vi sinh vật trên da và niêm mạc.................................................... 154

1.2. Hệ vi sinh vật trong đường tiêu hóa....................................................155

1.3. Hệ vi sinh vật trong các đuờng cơ quan sinh dục............................. 155

2. C ơ SỞ HÓA SINH CỦA QUÁ TRÌNH NHIỄM BỆNH........................156

2.1. Quá trinh nhiễm bệnh, bệnh truyền nhiễm.........................................156

2.2. Độc lực cùa vi sinh vật......................................................................... 157

3. Cơ CHÉ ĐỀ KHÁNG CỦA c ơ THẺ CHỦ, CÁC LOẠI M ÊN DỊCH 159

3.1. Cơ chế đề kháng của cơ thể chủ...........................................................159

5.2. Các loại miễn dịch................................................................................ 161

4. KHÁNG NGUYÊN, KHANG THỂ............................................................164

ị. 1. Kháng nguyên....................................................................................... 164

4.2. Kháng thể...............................................................................................166

5. VACXIN.........................................................................................................170

5.1. Khái niệm về vacxin.............................................................................170

5.2. Tiêu chuẩn của vacxin và quá trinh đáp ứng miễn dịch...................172

5.3. Các loại vacxin và đặc điểm ................................................................ 172

5.4. Nguyên tắc sử dụng vacxin.................................................................. 176

5.5. Vacxin sử dụng cho chuơng trình tiêm chủng mờ rộng quốc gia... 180

6 . IHÁNG SIN H ..............................................................................................182

5.1. Định nghĩa..............................................................................................182

5.2. Phân loại kháng sinh.............................................................................183

6.3. Cơ chế tác động của kháng sinh...........................................................184

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP...................................................................................... 186

Cbnraig 7. V] KHUẢN QUANG HỢP VÀ CÓ ĐỊNH NITƠ PHÂN TỬ 189

II. /I KHUÂN QUANG H ộ p ......................................................................... 189

1.1. Đặc điểm của vi khuẩn quang hợp...................................................... 189

1.2. Sự tiến hóa của quá trình tổng hợp gluxit...........................................191

2. v i ki í LẢ,\ CỐ ĐỊNH NITƠ PHẨN T Ử ..................................................192

2.1. Đặc điểm của vi khuẩn cố định nitơ phân t ử ...................................... 193

2.2. Cơ chế của quá trình cố định nitơ phân tử ....................................... ...195

2.3. ứng dụng của quá trình cố định nitơ phân tử .....................................197

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 198

Chương 8 CÔNG NGHỆ VI SINH TRONG x ử LÝ Ô NHIÊM

MÔI TRƯ Ờ N G ............................................................................................. . ..20)1

1. CÁC B Ệ N PHÁP BÀO VỆ ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ..20)2

1.1. Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường................................................2Ơ2

1.2. Một số biện pháp vi sinh góp phần bảo vệ ô nhiễm môi trường.....20G

2. SỪ DỤNG VI SINH VẬT D Ệ T CÔN TRỪNG, NẢM BỆNH HẠI

CÂY TRÔNG......................................................................................................20 3

2.1. Vai trò của biện pháp đấu tranh sinh học bằng vi sinh vật phòig

chống sâu bệnh hại cây trồng........................................................................20'3

2.2. Nuôi cấy và tạo chế phẩm vi sinh vật diệt côn trùng, nấm bệìh)

hại cây trồng................................................................................................... 2 0 ( 6

3. SỪ DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỪLÝ ô N H ÈM MÔI TRƯỜNG .215

3.1. Phương pháp sinh học trong xử lý rác th ải.................................. . ..215

3.2. Vi sinh vật làm sạch nguồn nước.................................................. .....21 ; 8

3.3. Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh h ọ c ........................................... 219

CÂU HỎI VÀ BÀI TẠP........................................................................................222

TÀI LIỆU THAM KHẢO 223

LỜI NÓI ĐÀU

Vi sinh vật học là môn khoa học đề cập tới các nhóm vi sinh vật gồm vi

khuẩn vi nấm, vi tào, động vật nguyên sinh và virus. Vi sinh vật học là môn

học qian trọng phục vụ trong đào tao, nghiên cứu khoa học. Vì vậy, môn Vi

sinh \ật học đang được giảng dạy trong các trường đại học, cao đẳng và các

trườni phổ thông; được sử dụng trong nghiên cứu và là học phần không thể

thiếu rong các bệnh viện và các viện nghiên cứu.

Vi sinh vật học được biên soạn từ các tài liệu và công trình nghiên cứu

cua CÍC tá c g iả trong v à n g o à i n ư ớ c , n h ằ m cung c ấ p n h ữ n g kiến thức c ơ b ả n v ề

cáu t<p, nguyên lí và ứng dụng của các nhóm vi sinh vật, làm tài liệu phục vụ

nghiêi cứu, giảng dạy và học tập ờ trường đại học sư phạm, trường phổ thông.

Cuốn sách Vi sinh vật học được cấu trúc gồm 8 chương, từ chương 1 đến

chuơrg 3 trình bày những kiến thức cơ bản về khái niệm, hình dạng, cấu tạo tế

bio - íơ thể, đặc điểm di truyền, biến dị và phương thức sinh sản của các nhóm

vi sinl vật. Chương 4 và chương 5 trình bày các kiến thức về dinh dưỡng, sinh

tìườnỊ, phát triển và các quá trình trao đổi chất ờ vi sinh vật. Chuơng 6 trình

bìy CÍC nội dung liên quan tới bệnh truyền nhiễm và miễn dịch do vi sinh vật

gìy nìn. Chương 7 trình bày về các nhóm vi sinh vật tham gia vào quá trinh

quan í hợp và cố định nitơ phân từ. Chương 8 giói thiệu khái quát về ứng dụng

cảa vi sinh vật trong xử lý ô nhiễm môi trường. Các chương được sắp xếp theo

ứú tụ như sau:

Chương 1. Mờ đầu

Chương 2. Các nhóm vi sinh vật

Chương 3. Virus học

Chương 4. Sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Chương 5. Các quá trình lên men ở vi sinh vật

Chương 6 . Đại cương về truyền nhiễm và miễn dịch

Chuơng 7. Vi khuẩn quang hợp và cố định nitơ phân tử

Chươne 8 Công nehê vi sinh trone xử lý ò nhiễm môi trườna

Tác giả trân trọng cảm ơn những đóng góp của Hội đồng nghiêm thui

đánh giá giáo trinh của Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên và

cảm ơn các ý kiến đóng góp quý báu của đông đảo các nhà khoa học. Trong

quá trình biên soạn chắc chắn có những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được

những góp ý của bạn đọc. Mọi đóng góp xin gửi về Khoa Sinh học, Trường

Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên.

Tác giả

Chu'0'ng 1

MỜ ĐÀU

Cìiương "Mở đầu" giới thiệu một số nội dung cơ bản sau:

r Một số khái niệm: Vi sinh vật học là môn khoa học nghiên cứu về các

tioạtđộng sống của các nhóm vi sinh vật Vi sinh vật là tên gọi chung để chỉ tất

:ả cic loại sinh vật vô cùng nhỏ bé mà mắt thường không thế nhìn rõ được,

:hỉ có thé quan sát dưới kính hiển vi. Gồm virus, vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm, vi

ảo và động vật nguyên sinh.

2) Lịch sử nghiên cứu và phát triển của vi sinh vật gắn liền với sự ra đời và

phát triển của hệ thống kính hiển vi từ loại kính hiển vi thô sơ đến kính hiển

vi quang học (kính hiến vi thường), kính hiển vi nền đen, kính hiển vi đối pha,

kính hiển vi huỳnh quang, kính hiển vi điện tử thường (TEM), kính hiển vi

íiệntửquét (SEM).

3) Các phương pháp cơ bản sử dụng đế nghiên cứu vi sinh vật gồm: Đo và

đếm vi sinh vật, sử dụng kính hiển vi, phương pháp siêu li tâm, đồng vị phóng

Kạ, sắc kí, điện di, phương pháp nuôi cấy trên môi trường lỏng và đặc, phương

pháp cố định và nhuộm màu.

4) Khái quát một số vai trò và tác hại do vi sinh vật gây ra, cũng như các

lĩnh vực mà sinh vật tác động tới trong tự nhiên.

11. Khái niệm vi sinh vật và vi sinh vật học

Vi sinh vật học là môn khoa học nghiên cứu về hoạt động sống cùa vi

shh vật, gồm: (1) cấu tạo và đời sống của vi sinh vật; (2) Sự đa dạng sinh học

Ví sự tiến hoá của vi sinh vật; (3) Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên và đời

stag của con người, động vật, thực vật.

Vi sinh vật là tên gọi chung để chi tất cả các loại sinh vật vô cùng nhỏ bé

rra mãt thường không thể nhìn rõ được, chỉ có thể quan sát dưới kính hiển vi.

Đm vị đo của vi sinh vật là nanomet (nm) hoặc micromet (|im). Các nhóm vi

shh vặt thường là các cơ thể đơn bào hoặc đa bào, có sự phân hóa kém; một số

lẻvô bào chưa có cấu tạo tế bào. Các vi sinh vật thường có khả nãng sống, phát

trên và sinh sản một cách độc lập trong tự nhiên, một số sống ký sinh bắt buộc

tnng :ế bào chủ.

Trong hệ thống phân loại, vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm khác nhau: (1)

nhóm chưa có cấu tạo tế bào (virus), (2 ) nhóm vi sinh vật nhân sơ (gồm vi

khuẩn, xạ khuẩn, vi khuẩn lam và vi khuẩn nguyên thủy) và (3) nhóm vi sinh

vật nhân chuẩn (gồm vi nấm, vi tảo và động vật nguyên sinh).

Đặc điểm của vi sinh vật: (1) Vi sinh vật là những cơ thể có kích thước

nhỏ bé, đơn vị đo thường sử dụng là |im hoặc nm; (2) Vi sinh vật có khả nãng

hấp thụ các chất dinh dưỡng qua bề mặt tế bào và có khả năng chuyển hóa

nhanh; (3) Vi sinh vật có khả năng sinh sản nhanh, thời gian thế hệ ngắn; (4)

Vi sinh vật có khả năng thích ứng rất cao và xuất hiện nhiều biến dị, phân bố

rộng, nhiều chủng loại; (5) Vi sinh vật là những cơ thể có phản ứng hóa sinh

học rất đa dạng và được coi là những chủng xuất hiện sớm nhất trên trái đất.

1.2. Các chuyên ngành của vi sinh vật học

Vi sinh vật học hiện đại đi sâu nghiên cứu từng nhóm đối tượng riêng

biệt và đã trờ thành những môn học chuyên sâu như: Virus học, vi khuẩn học,

nấm học, tảo học, động vật nguyên sinh học.

Mặt khác vi sinh vật học hiện đại cũng đi sâu nghiên cứu những tính chất

riêng biệt của vi sinh vật và hình thành các chuyên ngành như tế bào học, phân

loại học, sinh lý học, hóa sinh hpc, di truyền học của vi sinh vật.

v ề mặt ứng dụng ngành vi sinh vật học gồm có các chuyên ngành như:

Vi sinh vật học công nghiệp, vi sinh vật học thực phẩm, vi sinh vật học y học,

vi sinh vật học thú y, vi sinh vật đất, vi sinh vật học nước, vi sinh vật học

không khí, vi sinh vật học dầu hỏa.

2. LỊCH SỬ NGHIÊN cứu CỦA VI SINH VẬT

Lịch sử nghiên cứu và phát triển của vi sinh vật gắn liền với sự ra đời của

hệ thống kính hiển vi, cũng như việc sử dụng các phương pháp để nghiên cứu

về vi sinh vật. Các mốc lịch sử cơ bản về nghiên cứu vi sinh vật được mô tả ờ

bảng sau:

Nim Tác giả Hướng nghiên cứu

1664 Robert Hooke Ông là tác giả đầu tiên đã mô tả các tế bào nấm

mốc dưới kính hiển vi.

1684 Leeuwenhoek - ỏng đã chế tạo ra kinh hiển vi thô sơ có độ

phóng đại 270-300 lần.

- Ông đã nhìn thấy và mô tả chi tiết hỉnh thái

nhiều loại vi sinh vật xung quanh như vi khuẩn và

kí sinh trùng.

- Ông được biết đến như người khai sinh ra ngành

Nguyên sinh động vật học và ngành vi khuẩn học

1Ế62 Louis Pasteur - Ông là người đã khai sinh ra ngành vi sinh vật

hpc thực nghiệm.

- Ông đã phủ nhận thuyết tự sinh, chứng minh vi

sinh vật có trong hạt bụi ở không khí chính là bố

mẹ của các vi sinh vật trong dịch lỏng có chất

dinh dưỡng và ông đã được nhận giải thường của

Viện Hàn lâm Khoa học Pháp.

- ỏng đã giải thích được những điều đã xảy ra

trong quá trình lên men. Truớc tiên, ông quan sát

thấy nấm men sinh trưởng và nảy chồi trong dịch

nho và chúng chi xuất hiện từ các tế bào nấm men

khác, đồng thòi chứng minh được nấm men có thể

sinh truờng cả khi có mặt lẫn vắng mặt oxi. Cuối

cùng, bằng cách đưa vi khuẩn và nấm men vào

các bình khác nhau chứa dịch vô trùng, ông đã

chứng minh được vi khuẩn lên men dịch nho đề

tạo ra acid, còn nấm men lên men dịch nho để tạo

thành rượu. Bằng phát hiện vi khuẩn kị khí lên

men dịch nho thành acid đã làm xuất hiện ý tường

ngăn ngừa sự hư hỏng của rượu vang và phương

pháp khữ trùng pasteur đã được ông phát minh ra.