Giáo trình Vi sinh vật học môi trường - Trần Viết Cường

Chia sẻ: Chuheodethuong 09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:368

Thêm vào BST

Báo xấu

69
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình vi sinh vật học môi trường dùng cho sinh viên ngành Khoa học môi trường gồm hai tín chỉ lý thuyết và một tín chỉ thực hành, giới thiệu một cách khái quát về các nhóm vi sinh vật, các quá trình chuyển hóa vật chất trong môi trường tự nhiên và nhân tạo. Qua đó, người học có thể nắm bắt được các quy luật chuyển hóa chất hữu cơ và vô cơ bởi vi sinh vật nhằm điều khiển và áp dụng chúng một cách hiệu quả trong các công trình xử lý chất thải. Nghiên cứu sự tác động tương hỗ giữa các cơ thể vi sinh vật, giữa vi sinh vật và môi trường (các tác nhân lý, hóa và sinh học) nhằm kiểm soát sự sinh trưởng, phát triển và nâng cao hiệu quả xử lý chất thải của chúng khi được áp dụng. Từ đó chúng ta sẽ có những hiểu biết đúng đắn về vi sinh vật và tầm quan trọng của chúng trong môi trường tự nhiên cũng như nhân tạo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vi sinh vật học môi trường - Trần Viết Cường

TRẦN VIẾT CƯỜNG (Chủ biên) BÙI VĂN HẠT, LÊ THỊ BÍCH LAM, NGUYỄN XUÂN HUY PHẠM QUANG HÀ, BIỀN VĂN MINH GIÁO TRÌNH VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI 1
Biên mục trên xuất bản phẩm của Thư viện Quốc gia Việt Nam Giáo trình vi sinh vật học môi trường / Trần Viết Cường (ch.b.), Bùi Văn Hạt, Lê Thị Bích Lam... - H. : Bách khoa Hà Nội, 2018. - 368tr. : hình vẽ, bảng ; 27cm Thư mục: tr. 366-367 1. Vi sinh vật học 2. Môi trường 3. Giáo trình 579.0711 - dc23 BKM0072p-CIP 2
LỜI NÓI ĐẦU Vi sinh vật học môi trường là ngành khoa học nghiên cứu các đối tượng vi sinh vật tồn tại trong môi trường tự nhiên và nhân tạo. Nguồn gốc của các nghiên cứu bắt đầu từ sự quan sát của Antonie van Leeuwenhoek (1684). Ông đã sử dụng những chiếc kính hiển vi thủ công tự tay làm và là người đầu tiên quan sát thấy các vi khuẩn và động vật nguyên sinh mà ông gọi là “animalcules” (những động vật nhỏ bé), ngày nay được gọi là "vi sinh vật". Trong suốt nhiều thế kỷ tiếp theo, sự hiểu biết của chúng ta về vi sinh vật môi trường được dựa trên những quan sát chi tiết và các thí nghiệm với sự giúp đỡ của kính hiển vi và các công cụ lý, hóa, sinh cũng như toán học hiện đại. Như chúng ta đã biết, vi sinh vật hiện diện khắp nơi, trong đất, trong nước, không khí, trong cơ thể sinh vật khác, đặc biệt chúng có thể tồn tại trong những môi trường khắc nghiệt nhất. Chúng đóng vai trò quan trọng trong vòng tuần hoàn vật chất. Vì thế, chúng được xem là một mắt xích quan trọng trong quá trình chuyển hóa vật chất. Giáo trình vi sinh vật học môi trường dùng cho sinh viên ngành Khoa học môi trường gồm hai tín chỉ lý thuyết và một tín chỉ thực hành, giới thiệu một cách khái quát về các nhóm vi sinh vật, các quá trình chuyển hóa vật chất trong môi trường tự nhiên và nhân tạo. Qua đó, người học có thể nắm bắt được các quy luật chuyển hóa chất hữu cơ và vô cơ bởi vi sinh vật nhằm điều khiển và áp dụng chúng một cách hiệu quả trong các công trình xử lý chất thải. Nghiên cứu sự tác động tương hỗ giữa các cơ thể vi sinh vật, giữa vi sinh vật và môi trường (các tác nhân lý, hóa và sinh học) nhằm kiểm soát sự sinh trưởng, phát triển và nâng cao hiệu quả xử lý chất thải của chúng khi được áp dụng. Từ đó chúng ta sẽ có những hiểu biết đúng đắn về vi sinh vật và tầm quan trọng của chúng trong môi trường tự nhiên cũng như nhân tạo. Để giúp cho sinh viên tự học, tự nghiên cứu, trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã cố gắng đưa vào giáo trình những kiến thức cơ bản nhất, hiện đại nhất của vi sinh vật học môi trường, đồng thời chú ý những vấn đề gợi mở cần tiếp tục nghiên cứu. Mỗi chương đều có trình bày mục tiêu, tóm tắt chương, bài tập, câu hỏi gợi mở, giải thích thuật ngữ khó. Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thiện nội dung nhưng giáo trình chắc chắn không thể tránh khỏi những nhược điểm và thiếu sót nhất định. Vì vậy, chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc để cuốn sách được hoàn thiện hơn cho lần xuất bản sau. Chúng tôi xin chân thành tiếp thu và cảm ơn! CÁC TÁC GIẢ 3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ATP Adenosine triphosphate BOD Biochemical Oxygen demand (Nhu cầu oxy sinh hóa) CMC Carboxymethyl cellulose COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học) CFU Colony-forming unit (Đơn vị hình thành khuẩn lạc) CKS Chất kháng sinh DO Dissolved Oxygen (Lượng oxy hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật nước) DNA Deoxyribonucleic acid ĐVNS Động vật nguyên sinh F-6-P Fructose-6-phosphate FAD Flavin adenine dinucleotide G-6-P Glucose-6-phosphate GAP Glyceraldehyde phosphate KDPG 2-Keto-3-deoxy-6-phosphogluconate N Nitrogen (Nitơ) NAD+ Nicotinamide adenine dinucleotide dạng oxy hóa NADH Nicotinamide adenine dinucleotide dạng khử + NADP Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate dạng oxy hóa NADPH Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate dạng khử MT Môi trường PP Pentose phosphate RNA Ribonucleic acid TDS Total dissolved solids (Tổng chất rắn hòa tan) TSS Turbidity & suspendid solids (Tổng chất rắn lơ lửng) TOC Total Organic Carbon (Tổng carbon hữu cơ) TS Total solids (Tổng chất rắn) VOCs Volatile Organic Compounds (Các hợp chất hữu cơ bay hơi) SS Suspended solids (Chất rắn lơ lửng) VK Vi khuẩn VSV Vi sinh vật 4
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................... 3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. 4 CHƯƠNG MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 15 0.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG ..... 15 0.1.1. Khái niệm chung .......................................................................................... 15 0.1.2. Nội dung môn học vi sinh vật học môi trường............................................. 17 0.1.3. Yêu cầu môn học vi sinh vật học môi trường .............................................. 17 0.2. LỊCH SỬ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG .................................................................................................... 18 0.2.1. Lịch sử nghiên cứu ....................................................................................... 18 0.2.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 20 0.3. VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG .................................. 21 0.3.1. Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên ........................................................... 21 0.3.2. Vai trò của vi sinh vật trong đời sống và sản xuất của con người ............... 21 0.4. ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG VIỆT NAM .......................................................................................................... 22 0.4.1. Nghiên cứu cơ bản ....................................................................................... 22 0.4.2. Nghiên cứu ứng dụng và triển khai kỹ thuật ................................................ 22 0.4.3. Xúc tiến hoạt động chuyển giao công nghệ tiên tiến ................................... 23 0.5. VỊ TRÍ VI SINH VẬT TRONG SINH GIỚI ....................................................... 23 0.5.1. Một số hệ thống sinh giới ............................................................................. 23 0.5.2. Vi sinh vật là một hợp phần của môi trường sống ....................................... 26 TÓM TẮT CHƯƠNG ................................................................................................. 26 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 27 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ....................................................................................... 28 Chương 1. VI SINH VẬT NHÂN SƠ .............................................................................. 30 1.1. VI KHUẨN (Bacteria) ......................................................................................... 30 1.1.1. Hình dạng và kích thước .............................................................................. 30 1.1.2. Cấu trúc của vi khuẩn ................................................................................... 32 5
1.2. VI KHUẨN ĐẶC BIỆT ....................................................................................... 39 1.2.1. Xạ khuẩn (Actinomycetes) ........................................................................... 39 1.2.2. Niêm vi khuẩn (Myxobacteriales) ................................................................ 41 1.2.3. Xoắn thể (Spirochaetales) ............................................................................ 41 1.2.4. Mycoplasma ................................................................................................. 41 1.2.5. Rickettsia ...................................................................................................... 42 1.2.6. Chlamydia .................................................................................................... 43 1.2.7. Vi khuẩn lam (Cyanobacteria) ..................................................................... 44 1.2.8. Ý nghĩa thực tiễn của vi khuẩn..................................................................... 44 1.3. VI KHUẨN CỔ (Archaea) .................................................................................. 45 1.3.1. Các cơ thể sinh methane (methanogenes) .................................................... 45 1.3.2. Các cơ thể ưa mặn (halophiles) .................................................................... 45 1.3.3. Vi khuẩn cổ ưa nhiệt cao (hyperthermophiles) ............................................ 46 1.3.4. Các cơ thể ưa nhiệt cao, ưa acid (Thermoacidophiles) ................................ 46 1.3.5. Vai trò của vi khuẩn cổ ................................................................................ 46 TÓM TẮT CHƯƠNG ................................................................................................. 48 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 50 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ....................................................................................... 51 Chương 2. VI SINH VẬT NHÂN THỰC ........................................................................ 52 2.1. VI NẤM (Microfungi) VÀ NẤM MŨ (Crimini) ................................................. 52 2.1.1. Nấm men (Yeasts, Levures) ......................................................................... 54 2.1.2. Nấm sợi (Molds) .......................................................................................... 57 2.1.3. Nấm mũ (Crimini) ........................................................................................ 60 2.2. VI TẢO (Microalgae) .......................................................................................... 63 2.2.1. Đặc điểm chung............................................................................................ 63 2.2.2. Đời sống của vi tảo....................................................................................... 63 2.2.3. Vai trò của vi tảo trong môi trường .............................................................. 64 2.3. ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH ............................................................................. 65 2.3.1. Đặc điểm chung............................................................................................ 65 2.3.2. Các nhóm động vật nguyên sinh .................................................................. 66 2.3.3. Vai trò của động vật nguyên sinh trong môi trường .................................... 66 TÓM TẮT CHƯƠNG ................................................................................................. 67 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 68 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ....................................................................................... 69 6
Chương 3. VIRUS HỌC .................................................................................................... 70 3.1. LỊCH SỬ PHÁT HIỆN VIRUS ........................................................................... 70 3.2. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VIRUS .................................................................... 72 3.3. HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC VÀ CẤU TRÚC CỦA VIRUS .......................... 73 3.3.1. Hình dạng và kích thước .............................................................................. 73 3.3.2. Cấu trúc của virus......................................................................................... 74 3.4. SỰ NHÂN LÊN CỦA VIRUS ............................................................................. 78 3.4.1. Hấp phụ ........................................................................................................ 78 3.4.2. Xâm nhập, cởi vỏ và phiên mã ..................................................................... 79 3.4.3. Tổng hợp các thành phần của virus .............................................................. 80 3.4.4. Lắp ráp.......................................................................................................... 81 3.4.5. Giải phóng .................................................................................................... 81 3.5. BACTERIOPHAGE ............................................................................................ 81 3.5.1. Cấu trúc của phage ....................................................................................... 81 3.5.2. Sự nhân lên của phage độc trong vi khuẩn................................................... 82 3.5.3. Tính tiềm tan và phage lambda () .............................................................. 83 3.5.4. Phương pháp khảo sát phage ........................................................................ 84 3.5.5. Ứng dụng của phage..................................................................................... 85 3.6. CÁC BỆNH DO VIRUS ...................................................................................... 86 3.7. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TÁC NHÂN VẬT LÝ, HÓA HỌC ĐẾN VIRUS ... 88 3.8. CÁC THỰC THỂ DƯỚI VIRUS ........................................................................ 88 3.8.1. Viroid ........................................................................................................... 88 3.8.2. Prion ............................................................................................................. 89 TÓM TẮT CHƯƠNG ................................................................................................. 93 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 93 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ....................................................................................... 95 Chương 4. SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT ...................................................................... 96 4.1. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA VI SINH VẬT............................................... 96 4.1.1. Nước ............................................................................................................. 96 4.1.2. Protein .......................................................................................................... 96 4.1.3. Carbohydrate ................................................................................................ 97 4.1.4. Lipid và các chất tương tự (lipoid) ............................................................... 97 4.1.5. Một số chất hữu cơ có hoạt tính sinh học..................................................... 97 4.1.6. Các nguyên tố khoáng .................................................................................. 97 7
4.2. DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT .................................................................. 97 4.2.1. Nhu cầu dinh dưỡng ..................................................................................... 97 4.2.2. Chất dinh dưỡng và môi trường nuôi cấy vi sinh vật ................................... 98 4.2.3. Các kiểu dinh dưỡng ở vi sinh vật................................................................ 99 4.2.4. Vi sinh vật nguyên dưỡng và khuyết dưỡng .............................................. 101 4.3. SINH TRƯỞNG VÀ SINH SẢN CỦA VI SINH VẬT .................................... 101 4.3.1. Các nhân tố sinh trưởng ............................................................................. 101 4.3.2. Điều kiện sinh trưởng ................................................................................. 101 4.3.3. Sinh lý học sinh trưởng của vi sinh vật ...................................................... 104 4.3.4. Sinh trưởng trong môi trường tự nhiên ...................................................... 109 4.3.5. Sinh sản ở vi sinh vật ................................................................................. 111 4.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG .............................................................. 113 4.4.1. Phương pháp dùng hóa chất ....................................................................... 113 4.4.2. Khử trùng bằng các phương pháp vật lý .................................................... 115 4.4.3. Khử trùng bằng phương pháp phối hợp ..................................................... 116 4.4.4. Một số phương pháp khác .......................................................................... 117 4.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN CHỦNG GIỐNG VI SINH VẬT........... 117 4.5.1. Cấy truyền thường xuyên trên thạch nghiêng hoặc trích sâu vào thạch ............ 117 4.5.2. Các phương pháp bảo quản vi sinh vật khác .............................................. 117 4.6. HÔ HẤP, CHUYỂN HÓA VÀ LÊN MEN CỦA VI SINH VẬT ..................... 118 4.6.1. Hô hấp ở vi sinh vật ................................................................................... 118 4.6.2. Chuyển hóa của vi sinh vật ........................................................................ 120 4.6.3. Một số quá trình lên men của ví sinh vật ................................................... 120 TÓM TẮT CHƯƠNG ............................................................................................... 127 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 127 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ..................................................................................... 129 Chương 5. VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG ĐẤT .......................................................... 130 5.1. MÔI TRƯỜNG ĐẤT ......................................................................................... 130 5.1.1. Thành phần rắn ........................................................................................... 130 5.1.2. Thành phần lỏng ......................................................................................... 133 5.1.3. Thành phần không khí ................................................................................ 133 5.1.4. Thực trạng thoái hóa đất tự nhiên ở Việt Nam........................................... 134 5.2. ĐẤT LÀ MÔI TRƯỜNG SỐNG CỦA VI SINH VẬT .................................... 136 5.2.1. Các yếu tố sinh học .................................................................................... 136 5.2.2. Mối quan hệ giữa các nhóm vi sinh vật trong đất ...................................... 136 8
5.2.3. Các yếu tố lý hóa học ................................................................................. 137 5.3. VI SINH VẬT TRONG ĐẤT ............................................................................ 138 5.3.1. Vi khuẩn (Bacteria) .................................................................................... 139 5.3.2. Xạ khuẩn (Actinomycetes) ......................................................................... 141 5.3.3. Vi khuẩn cổ ................................................................................................ 141 5.3.4. Vi nấm (Microfungi) .................................................................................. 141 5.3.5. Tảo (Algae) ................................................................................................ 142 5.3.6. Động vật nguyên sinh (Protozoa) ............................................................... 143 5.4. SỰ CHUYỂN HÓA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ, VÔ CƠ TRONG ĐẤT ...... 144 5.4.1. Sự chuyển hóa các hợp chất carbon của vi sinh vật ................................... 144 5.4.2. Sự chuyển hóa các hơp chất hữu cơ chứa nitơ do vi sinh vật .................... 148 5.4.3. Sự chuyển hóa các hợp chất chứa phosphor của vi sinh vật ...................... 159 5.4.4. Khả năng chuyển hóa các hợp chất chứa lưu huỳnh của vi sinh vật .............. 162 5.5. VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG ĐẤT ................................................. 164 TÓM TẮT CHƯƠNG ............................................................................................... 164 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 165 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ..................................................................................... 166 Chương 6. VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ .......................................... 167 6.1. MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ........................................................................... 167 6.2. SOL KHÍ VÀ SOL KHÍ SINH HỌC ................................................................. 169 6.2.1. Sol khí ........................................................................................................ 169 6.2.2. Sol khí sinh học .......................................................................................... 169 6.3. CHU TRÌNH VI SINH VẬT KHÔNG KHÍ ...................................................... 169 6.3.1. Quá trình thải.............................................................................................. 169 6.3.2. Phát tán ....................................................................................................... 170 6.3.3. Lắng đọng................................................................................................... 170 6.4. VI SINH VẬT TỒN TẠI TRONG KHÔNG KHÍ ............................................. 171 6.4.1. Độ ẩm tương đối......................................................................................... 171 6.4.2. Nhiệt độ ...................................................................................................... 172 6.4.3. Tia bức xạ ................................................................................................... 172 6.4.4. Oxy, các yếu tố kết hợp không khí (AOF) và ion ...................................... 172 6.5. VI SINH VẬT KHÔNG KHÍ NGOÀI TRỜI .................................................... 173 6.5.1. Phát tán lên không khí của mầm bệnh vi sinh vật trong đất....................... 173 6.5.2. Đại dịch cúm .............................................................................................. 173 6.5.3. Vi sinh vật trong mây ................................................................................. 173 9
6.5.4. Nông nghiệp ............................................................................................... 173 6.5.5. Nước thải .................................................................................................... 174 6.5.6. Các độc tố trong không khí ........................................................................ 174 6.6. VI SINH VẬT KHÔNG KHÍ TRONG NHÀ .................................................... 175 6.7. KIỂM SOÁT SOL KHÍ SINH HỌC .................................................................. 176 6.7.1. Thông gió ................................................................................................... 176 6.7.2. Lọc khí ....................................................................................................... 176 6.7.3. Khử trùng không khí bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa chất ............ 177 6.7.4. Cách ly........................................................................................................ 178 TÓM TẮT CHƯƠNG ............................................................................................... 178 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 179 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ..................................................................................... 179 Chương 7. VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG NƯỚC ...................................................... 180 7.1. SINH CẢNH VI SINH VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ....................... 180 7.1.1. Các đặc điểm lý hóa ................................................................................... 181 7.1.2. Vi sinh vật phù du ...................................................................................... 183 7.1.3. Vi sinh vật tầng đáy.................................................................................... 184 7.2. CÁC KIỂU DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ................................................................................................................ 184 7.2.1. Sinh vật sản xuất ........................................................................................ 184 7.2.2. Sinh vật tiêu thụ ......................................................................................... 185 7.2.3. Quang dị dưỡng (Photoheterotrophy) ........................................................ 186 7.3. MÔI TRƯỜNG BIỂN ........................................................................................ 186 7.3.1. Quần xã sinh vật phù du ở đại dương......................................................... 186 7.3.2. Quần xã sinh vật phù du ở tầng đáy biển ................................................... 190 7.4. MÔI TRƯỜNG NƯỚC NGỌT ......................................................................... 190 7.5. KIỂM SOÁT VÀ NGĂN NGỪA Ô NHIỄM NƯỚC Ở VIỆT NAM ............... 191 7.5.1. Thực trạng .................................................................................................. 191 7.5.2. Nguyên nhân .............................................................................................. 192 7.5.3. Tác hại của ô nhiễm nguồn nước ............................................................... 193 7.5.4. Biện pháp khắc phục .................................................................................. 193 TÓM TẮT CHƯƠNG ............................................................................................... 194 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 195 10
Chương 8. VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG CỰC TRỊ ................................................. 197 8.1. MÔI TRƯỜNG CỰC TRỊ ................................................................................. 197 8.2. MÔI TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ THẤP ................................................................... 197 8.3. MÔI TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ CAO ..................................................................... 198 8.4. MÔI TRƯỜNG KHÔ VÀ BỨC XẠ CỰC TÍM ................................................ 201 8.5. MÔI TRƯỜNG THIẾU ÁNH SÁNG................................................................ 203 8.5.1. Các miệng phun thủy nhiệt ở đáy biển sâu ................................................ 203 8.5.2. Hang động đá vôi ở sa mạc ........................................................................ 204 TÓM TẮT CHƯƠNG ............................................................................................... 205 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 206 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ..................................................................................... 207 Chương 9. VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ PHẾ THẢI .............................................. 208 9.1. NGUỒN GỐC PHẾ THẢI VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ ....................................... 208 9.1.1. Nguồn gốc phế thải .................................................................................... 208 9.1.2. Biện pháp xử lý phế thải ............................................................................ 209 9.2. SỬ DỤNG VI SINH VẬT XỬ LÝ RÁC THẢI SINH HOẠT.......................... 210 9.2.1. Thành phần của rác thải sinh hoạt .............................................................. 210 9.2.2. Vi sinh vật phân giải rác thải sinh hoạt ...................................................... 211 9.3. SỬ DỤNG VI SINH VẬT XỬ LÝ NƯỚC THẢI ............................................. 212 9.3.1. Nguồn nước thải ......................................................................................... 212 9.3.2. Khu hệ vi sinh vật và các tác nhân gây bệnh trong nước thải .................... 213 9.3.3. Vai trò tự làm sạch nước thải của vi sinh vật ............................................. 214 9.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHẾ THẢI ...................................................... 215 9.4.1. Xử lý nước thải........................................................................................... 215 9.4.2. Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp sinh học ......................................... 228 9.5. PHÁT TRIỂN CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CHẤT THẢI THÂN THIỆN VỚI MÔI TRƯỜNG .......................................................................................... 233 9.5.1. Phát triển và thiết kế các nồi phản ứng sinh học (Bioreactor) ................... 233 9.5.2. Quản lý chất thải tích hợp (integrates waste management)........................ 234 9.5.3. Ứng dụng công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải......................................... 234 TÓM TẮT CHƯƠNG ............................................................................................... 234 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 236 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ..................................................................................... 236 11
Chương 10. CHẾ PHẨM VI SINH VẬT VÀ CÁCH SỬ DỤNG ................................ 237 10.1. CÁC DẠNG CHẾ PHẨM VI SINH VẬT....................................................... 237 10.1.1. Chế phẩm vi khuẩn................................................................................... 237 10.1.2. Chế phẩm vi nấm ..................................................................................... 240 10.1.3. Chế phẩm virus......................................................................................... 241 10.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CHẾ PHẨM VI SINH VẬT ................... 241 10.2.1. Phương pháp nhiễm vào hạt giống ........................................................... 241 10.2.2. Phương pháp hồ rễ cây ............................................................................. 242 10.2.3. Bón chế phẩm vi sinh vật vào đất ............................................................ 242 10.2.4. Phun, tưới chế phẩm vi sinh vật lên cây hoặc vào đất ............................. 242 10.3. MỘT SỐ CHẾ PHẨM VI SINH VẬT THÔNG DỤNG ................................. 243 10.3.1. Chế phẩm EM........................................................................................... 243 10.3.2. Chế phẩm cố định nitơ ............................................................................. 244 10.3.3. Phân lân vi sinh ........................................................................................ 245 10.3.4. Chế phẩm sinh học BIMA (Trichoderma) ............................................... 246 10.3.5. Chế phẩm sinh học xử lý nước thải BIO-EM .......................................... 248 10.3.6. Chế phẩm sinh học “Vườn Sinh Thái” đối với nuôi trồng thủy sản ........... 248 TÓM TẮT CHƯƠNG ............................................................................................... 249 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 249 THỰC HÀNH VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG .................................................. 250 Phần 1. NHỮNG CHỈ DẪN CHUNG ............................................................................ 250 1. QUY ĐỊNH KHI THỰC HÀNH .......................................................................... 250 2. MỘT SỐ THIẾT BỊ, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM CẦN THIẾT ........................... 251 2.1. Thiết bị .......................................................................................................... 251 2.2. Dụng cụ ......................................................................................................... 254 3. XỬ LÝ VÀ BAO GÓI DỤNG CỤ, VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM .......................... 255 3.1. Xử lý các dụng cụ thủy tinh .......................................................................... 255 3.2. Bao gói dụng cụ vật liệu................................................................................ 256 3.3. Vật liệu .......................................................................................................... 256 3.4. Các dụng cụ cần thiết .................................................................................... 257 3.5. Pha chế .......................................................................................................... 257 4. SỬ DỤNG VÀ BẢO QUẢN KÍNH HIỂN VI ..................................................... 257 4.1. Sử dụng kính hiển vi ..................................................................................... 257 4.2. Bảo quản kính hiển vi ................................................................................... 259 12
Phần 2. HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH .......................................................................... 261 Bài 1. Làm tiêu bản và nhuộm tế bào vi sinh vật ...................................................... 261 Bài 2. Pha chế môi trường dinh dưỡng ..................................................................... 276 Bài 3. Phân lập, nuôi cấy và giữ giống vi sinh vật .................................................... 282 Bài 4. Đo kích thước tế bào và đếm số lượng vi sinh vật ......................................... 290 Bài 5. Các tính chất sinh hóa của vi sinh vật ............................................................ 302 Bài 6. Lên men và phân giải các phế thải hữu cơ ..................................................... 313 Bài 7. Vi khuẩn cố định nitơ – sản xuất và sử dụng nitragin ........................................ 327 Bài 8. Xác định hoạt tính enzyme và chất kháng sinh của vi sinh vật ...................... 335 Bài 9. Phân tích vi sinh vật trong chất thải hữu cơ ................................................... 342 Bài 10. Tham quan thực tế cơ sở xử lý chất thải....................................................... 352 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ GỢI Ý TRẢ LỜI CÁC BÀI TẬP .......................................... 354 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 360 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 366 13
14
CHƯƠNG MỞ ĐẦU Mục tiêu  Nắm được một cách tổng quát về khái niệm, đặc điểm, nội dung, lịch sử nghiên cứu và vai trò của vi sinh vật học môi trường.  Hiểu được sự phân bố và vai trò của vi sinh vật trong các môi trường đất, nước, không khí…  Biết được những định hướng nghiên cứu VSV môi trường hiện nay ở Việt Nam.  Vận dụng được kiến thức về vi sinh vật học môi trường vào thực tiễn cuộc sống, góp phần bảo vệ và phát triển môi trường bền vững. 0.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 0.1.1. Khái niệm chung Vi sinh vật (Microorganisms) là tên gọi chung của những sinh vật có kích thước nhỏ bé mà mắt thường không nhìn thấy được, chỉ có thể quan sát chúng bằng kính hiển vi. Vi sinh vật (VSV) gồm rất nhiều nhóm khác nhau: virus và các thực thể dưới virus, vi khuẩn, cổ khuẩn, vi nấm, protozoa, vi tảo... Môi trường là hệ thống các yếu tố vật chất tự nhiên và nhân tạo có tác động đến sự tồn tại và phát triển của con người và sinh vật (Điều 3, Luật Bảo vệ Môi trường, 2014). Theo Luật Bảo vệ Môi trường của Việt Nam, 2014: "Ô nhiễm môi trường là sự biến đổi của các thành phần môi trường không phù hợp với quy chuẩn kỹ thuật môi trường và tiêu chuẩn môi trường gây ảnh hưởng xấu đến con người và sinh vật". Trên thế giới, ô nhiễm môi trường được hiểu là việc chuyển các chất thải hoặc năng lượng vào môi trường đến mức có khả năng gây hại đến sức khỏe con người, đến sự phát triển sinh vật hoặc làm suy giảm chất lượng môi trường. Các tác nhân gây ô nhiễm bao gồm các chất thải ở dạng khí (khí thải), lỏng (nước thải), rắn (chất thải rắn) chứa hóa chất hoặc tác nhân vật lý, sinh học và các dạng năng lượng như nhiệt độ, bức xạ. Tuy nhiên, môi trường chỉ được coi là bị ô nhiễm nếu trong đó hàm lượng, nồng độ hoặc cường độ các tác nhân trên đạt đến mức có khả năng tác động xấu đến con người, sinh vật và vật liệu. Bảo vệ môi trường là những hoạt động giữ cho môi trường trong lành, sạch đẹp, cải thiện môi trường, đảm bảo cân bằng sinh thái, ngăn chặn, khắc phục các hậu quả xấu do con người và thiên nhiên gây ra cho môi trường, khai thác, sử dụng hợp lý và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên. "Hoạt động bảo vệ môi trường là hoạt động giữ gìn, phòng ngừa, 15
hạn chế các tác động xấu đến môi trường; ứng phó sự cố môi trường; khắc phục ô nhiễm, suy thoái; cải thiện, phục hồi môi trường; khai thác, sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên nhằm giữ môi trường trong lành". (Điều 3, Luật Bảo vệ Môi trường, 2014). Vi sinh vật học môi trường (Environmental microbiology) là một môn khoa học nghiên cứu về những hoạt động sinh lý của VSV có ảnh hưởng đến chất lượng của môi trường, tìm hiểu các quy luật phát triển của VSV trong môi trường để có những biện pháp ngăn ngừa tác động tiêu cực và phát huy tác động tích cực của chúng trong quá trình bảo vệ và phát triển môi trường bền vững. Vi sinh vật học môi trường nghiên cứu về vi sinh vật trong tất cả các loại môi trường sống (đất, nước, không khí và môi trường cực trị…) và sự tác động có lợi cũng như có hại của chúng đến sức khỏe và phúc lợi của con người. Vi sinh vật học môi trường có mối liên hệ mật thiết với các môn khoa học khác (hình 0.1). Xử lý sinh học Vi sinh vật các chất thải công nghiệp độc hại Vi sinh vật An toàn môi trường đất thực phẩm Vi sinh vật Quản lý môi trường sức khỏe/bệnh không khí nghề nghiệp Vi sinh vật Vi sinh vật môi trường chẩn đoán nước Chất lượng Công nghệ nước sinh học Hình 0.1. Mối quan hệ giữa vi sinh vật học môi trường với các ngành khoa học khác. (Pepper et al., 2015). Phục hồi sinh học (Bioremediation) – đây là quá trình làm sạch nhờ sử dụng các hệ thống sinh học (chủ yếu là các VSV) đưa môi trường trở lại trạng thái ban đầu hoặc chí ít là làm cho nó ít độc hại hơn hoặc giảm nồng độ độc hại đến mức an toàn. Đối với vi sinh vật môi trường, xử lý sinh học liên quan đến việc tăng cường và tối ưu hóa quá trình phân hủy bằng vi sinh vật các chất gây ô nhiễm để mang lại môi trường trong sạch và giảm tác động tiêu cực đến sức khỏe con người. 16
0.1.2. Nội dung môn học vi sinh vật học môi trường  Tìm hiểu các quy luật về sự phát sinh, phát triển và tiến hóa của VSV, về hình thái, cấu tạo, sinh lý, sinh hóa, di truyền của các nhóm VSV thường gặp trong môi trường tự nhiên.  Nghiên cứu vai trò to lớn về nhiều mặt của các nhóm VSV trong tự nhiên, trên cơ sở tìm kiếm các giải pháp, biện pháp, các phương pháp nhằm khai thác một cách đầy đủ nhất những tác động tích cực của VSV và ngăn chặn một cách hiệu quả nhất các tác động có hại của chúng.  Nắm được nguyên lý cơ bản của công nghệ vi sinh, bản chất của từng chế phẩm vi sinh vật, quy trình công nghệ, hiệu quả tác dụng và cách sử dụng từng loại chế phẩm vi sinh vật dùng trong xử lý chất thải, phế thải chống ô nhiễm môi trường.  Định hướng trong nghiên cứu về các lĩnh vực của công nghệ vi sinh để tạo ra nhiều loại chế phẩm vi sinh vật hữu ích ứng dụng vào công tác bảo vệ, cải tạo và phát triển môi trường bền vững. 0.1.3. Yêu cầu môn học vi sinh vật học môi trường Sau khi học xong môn học này, người học phải hình thành được các năng lực cơ bản sau: 0.1.3.1. Về kiến thức Sau khi nghiên cứu học phần này, sinh viên có thể hiểu được thực trạng, những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, cơ sở khoa học và các biện pháp vi sinh vật góp phần bảo vệ và phát triển môi trường bền vững hiện nay. 0.1.3.2. Về kỹ năng  Trang bị cho sinh viên cơ sở lý luận và thực tiễn về phương pháp nghiên cứu, phân lập, nuôi cấy, định loại các vi sinh vật sống trong môi trường đất, nước, không khí, vật phẩm và môi trường cực trị.  Rèn luyện kỹ năng tư duy tổng hợp, biết lựa chọn, vận dụng những nội dung thích hợp vào bảo vệ và phát triển môi trường bền vững cũng như thực tiễn sản xuất, đời sống. 0.1.3.3. Về thái độ  Yêu thích môn vi sinh vật học môi trường với mong muốn khám phá những đặc tính còn tiềm ẩn của thế giới vi sinh vật kỳ diệu ảnh hưởng đến môi trường sống.  Có năng lực tự học, tự nghiên cứu để nâng cao hiểu biết của bản thân về lĩnh vực VSV học môi trường và ứng dụng VSV vào bảo vệ và phát triển môi trường bền vững. 17
0.2. LỊCH SỬ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 0.2.1. Lịch sử nghiên cứu Lịch sử phát triển của ngành vi sinh vật học môi trường có thể chia thành bốn giai đoạn: 0.2.1.1. Giai đoạn trước Pasteur (1865) Các quá trình chuyển hóa các chất trong tự nhiên đã được con người biết đến từ lâu, nhưng ban đầu chủ yếu là những ứng dụng ngẫu nhiên, theo kinh nghiệm. Về sau, Antonie van Leeuwenhoek (1632  1723) đã sử dụng những chiếc kính hiển vi thủ công tự tay làm và trở thành người đầu tiên quan sát thấy các “animalcules” (những động vật nhỏ bé), ngày nay được gọi là "Vi sinh vật". Từ xa xưa, con người đã biết ứng dụng một số quá trình lên men phân giải cơ chất vào đời sống: làm mắm, làm tương, muối chua rau quả, ủ phân… Cuối giai đoạn này, con người đã biết ứng dụng lên men hiếu khí để ủ phân bón, sản xuất giấm, từ đó đã phát triển một bước lớn trong lĩnh vực nuôi cấy vi sinh vật và vệ sinh môi trường. Ở giai đoạn này, con người khai thác, lợi dụng tài nguyên thiên nhiên không hợp lý làm xấu hóa chất lượng môi trường. 0.2.1.2. Giai đoạn từ 1865  1940 Những đóng góp chính cho sự phát triển của giai đoạn này tập trung nhất vào các công trình của nhà bác học người Pháp Louis Pasteur (1822  1895). Đồng thời và tiếp theo Pasteur cũng có nhiều nhà vi sinh học nổi tiếng như:  Robert Koch (1843  1910) nghiên cứu vi khuẩn gây bệnh lao (Mycobacterium tuberculosis,1882), bệnh tả (Vibrio cholerae,1883). Ông đã sáng tạo nhiều phương pháp nghiên cứu như kỹ thuật cố định, nhuộm màu vi khuẩn, nuôi cấy và phân lập vi sinh vật trên môi trường đặc.  Năm 1884, Elie Metchnikoff (1845  1916) miêu tả hiện tượng thực bào (phagocyto-sis); Hans Christian J. Gram (1853  1938) tìm ra phương pháp nhuộm Gram.  Năm 1892, Dmitri Iwanowski (1864  1920) phát hiện ra mầm bệnh nhỏ hơn vi khuẩn (virus) gây bệnh khảm ở cây thuốc lá.  Năm 1894, Alexandre Yersin (1863  1943) và Kitasato Shibasaburo (1852  1931) khám phá ra vi khuẩn gây bệnh dịch hạch (Yersina pestis). Đặc biệt trong giai đoạn này, nhiều nghiên cứu phát hiện thêm quá trình lên men lactic và ứng dụng rộng rãi quá trình này vào đời sống thực tiễn. Phát triển nuôi cấy thu sinh khối bằng cách thổi không khí vào môi trường lỏng; công nghiệp sản xuất glycerol, acetone, butanol phát triển mạnh mẽ; các thiết bị lên men được hoàn thiện dần. Trong giai đoạn này, người ta đã biết khử trùng không khí trước khi cung cấp cho các quá trình lên men hiếu khí. 18
0.2.1.3. Giai đoạn 1940  1970 Quá trình sản xuất kháng sinh được phát hiện, đặc biệt là quá trình sản xuất penicillin, sinh khối giàu protein. Bên cạnh đó đã sản xuất được vitamin B12 và riboflavin, hoàn thiện công nghệ sản xuất kháng sinh và bắt đầu công nghệ sản xuất amino acid và enzyme. Đây cũng là giai đoạn hoàn thiện toàn bộ thiết bị lên men. Quá trình lên men được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học, nông nghiệp, bảo vệ môi trường… 0.2.1.4. Giai đoạn từ năm 1970 đến nay Được đánh dấu bằng sự phát hiện ra các enzyme cắt giới hạn restrictase là loại enzyme có khả năng nhận biết đoạn trình tự nucleotide đặc hiệu trên các phân tử DNA và cắt cả hai sợi DNA bổ sung tại các vị trí đặc thù của Daniel Nathans (1928  1999), Werner Arber (1929 – ), Hamilton O. Smith (1931  ). Temin và Baltimore phát hiện các plasmid tái tổ hợp với sự gắn các gene lạ mang các thông tin tổng hợp các protein đặc biệt vào một cơ thể đã trở thành một phương pháp thông dụng và sự kiểm soát ngày càng tốt hơn sự biểu hiện của các gene này. Tuy nhiên, giai đoạn này với đặc trưng là sự tăng dân số, đô thị hóa và công nghiệp hóa phát triển nhanh đã gây ra sự ô nhiễm môi trường và phá hoại hệ sinh thái trong phạm vi rộng lớn. Môi trường sống ngày càng bị suy thoái nghiêm trọng. Các sự kiện lịch sử quan trọng của vi sinh vật học môi trường được tóm tắt như sau:  Antonie van Leeuwenhoek lần đầu tiên quan sát vi khuẩn bằng kính hiển vi thủ công vào năm 1674.  Louis Pasteur khám phá ra vai trò của vi sinh vật là tác nhân lên men vào năm 1857.  Robert Koch sử dụng đĩa thạch để đếm số lượng vi sinh vật đất vào năm 1881.  Hellriegel và Wilfarth khám phá quá trình cố định đạm trên nốt sần ở các cây họ đậu vào năm 1885.  Beijerinck và Winogradsky sử dụng các phương pháp làm giàu môi trường có chọn lọc để phân lập các chủng vi sinh vật thuần khiết có khả năng cố định đạm, oxy hóa hợp chất ammoniac thành nitric acid và cố định nitơ của các vi sinh vật cộng sinh và độc lập.  Ghi nhận các quần thể đa dạng ở trong đất như: vi khuẩn, nấm, tảo, sinh vật đơn bào, giun tròn, ấu trùng chân khớp.  Nhà khoa học người Nga Omelianskii lần đầu tiên phân lập được loài vi khuẩn Methanobacillus omelianskii có khả năng phân giải cellulose trong điều kiện kỵ khí năm 1902.  Cornelius Bernardus Van Niel và cộng sự nghiên cứu vi khuẩn có khả năng sử dụng sulfur năm 1931. 19
 Fred và cộng sự mô tả các đặc trưng của vi khuẩn nốt sần cây họ đậu vào năm 1932.  Phát hiện và phát triển kháng sinh mới.  Phương pháp quan sát trực tiếp các vi sinh vật môi trường dưới kính hiển vi nhờ quá trình nhuộm và cố định tiêu bản.  Phát triển kỹ thuật đánh dấu phóng xạ.  Đa dạng hóa các tiến bộ trong phân tích hóa học để định tính cũng như định lượng các hợp chất hóa học trong môi trường.  Phát triển phân loại sinh học phân tử bởi Woese năm 1977 và Pace năm 1997.  Áp dụng các phương pháp phân tử trong vi sinh vật môi trường bởi Olsen và cộng sự năm 1986, Pace và cộng sự năm1986; Amann và cộng sự các năm 1991 và 1995; Ward và cộng sự năm 1993; White năm 1994; van Elsas và cộng sự năm 1997; Madigan và Martinko năm 2006…. 0.2.2. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chủ yếu được sử dụng là phân tích, đánh giá môi trường các vùng lãnh thổ, sử dụng các công cụ tin học, hệ thông tin địa lý và kỹ thuật viễn thám trong nghiên cứu môi trường, đánh giá tác động môi trường các hoạt động kinh tế, xã hội; quy hoạch môi trường. Tiến hành quan sát, thu mẫu tại các điểm thực địa lựa chọn và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. Các phương pháp trên thường tạo ra các chế phẩm ở ba mức độ:  Nghiên cứu trên từng đối tượng vi sinh vật cụ thể.  Nghiên cứu tác động của vi sinh vật đến sự biến đổi môi trường tại một khu vực, vùng lãnh thổ cụ thể trong hệ sinh thái.  Nghiên cứu các đặc điểm sinh học, tạo chế phẩm vi sinh tại phòng thí nghiệm. Các đối tượng vi sinh vật thường được tiến hành nghiên cứu trong thời gian ngắn, gọi là phương pháp cấp diễn. Còn chế phẩm tiến hành nghiên cứu trong thời gian dài, gọi là phương pháp trường diễn. Phương pháp khoa học gồm các bước cơ bản. Sau khi thu mẫu và quan sát một vài hiện tượng trong môi trường tự nhiên, một giả thiết sẽ được đưa ra. Để biến giả thiết thành giả thiết khoa học, nó được chứng minh bằng các thực nghiệm và quan sát. Nếu giả thiết đưa ra phù hợp với thực nghiệm và quan sát thì sẽ có kết luận và được nêu thành một luận thuyết khoa học. Trong phương pháp khoa học, các số liệu thu được phải được lượng hóa bằng cách đo lường từ các nhóm thực nghiệm và các nhóm đối chứng. Các kết quả và số liệu thu được sẽ xử lý bằng phương pháp toán học thống kê có ý nghĩa. 20