You are on page 1of 344

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀ TĨNH

TRẦN VIẾT CƯỜNG, 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


0
Giáo trình
VI SINH VẬT HỌC
MÔI TRƯỜNG

1
TS.TRẦN VIẾT CƯỜNG (Chủ biên)
ThS.BÙI VĂN HẠT, ThS. LÊ THỊ BÍCH LAM, TS.NGUYỄN XUÂN HUY
PGS.TS.PHẠM QUANG HÀ, PGS.TS. BIỀN VĂN MINH

Giáo trình

VI SINH VẬT HỌC


MÔI TRƯỜNG

NHÀ XUẤT BẢN

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 Antony van Leeuwenhoek (1684). Ông đã sử dụng những chiếc kính hiển vi
thủ công tự tay làm và là người 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 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 trong 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 2 tín chỉ lý thuyết và 1 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 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 khi biên soạn chúng tôi cố gắng
đưa vào tài liệu 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 tâp, câu hỏi gợi mở, giải thích thuật ngữ khó.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thiện nội dung nhưng chắc chắn vẫn còn những
nhược điểm và thiếu sót nhất định. Vì vậy chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp để nội dung cuốn sách được hoàn thiện hơn cho lần tái bản sau.
Chúng tôi xin chân thành tiếp thu và cảm ơn!
CÁC TÁC GIẢ

3
NHỮNG CHỮ 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
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 (Nito)
+
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)
VSV Vi sinh vật

4
MỤC LỤC

BÀI MỞ ĐẦU ............................................................................................................8


1. Đối tượng và nhiệm vụ của vi sinh vật học môi trường..........................................8
2. Lịch sử và phương pháp nghiên cứu vi sinh vật học môi trường..........................10
3. Vai trò của vi sinh vật trong môi trường...............................................................13
4. Định hướng nghiên cứu vi sinh vật học môi trường Việt Nam ............................15
5. Vị trí vi sinh vật trong sinh giới ............................................................................16
Chương 1.VI SINH VẬT NHÂN SƠ.....................................................................22
1. Vi khuẩn (Bacteria)...............................................................................................22
2. Vi khuẩn đặc biệt ..................................................................................................31
3. Vi khuẩn cổ (Archaea) ..........................................................................................37
Chương 2. VI SINH VẬT NHÂN THỰC .............................................................43
1. Vi nấm (Microfungi) và nấm mũ (Cremini) .........................................................43
2. Vi tảo (Microalgae)...............................................................................................53
3. Động vật nguyên sinh (Protozoa) .........................................................................56
Chương 3. VI RUS HỌC ........................................................................................61
1. Lịch sử phát hiện virus..........................................................................................61
2. Đặc điểm chung của virus.....................................................................................63
3. Hình dang, kích thước và cấu trúc của virus.........................................................64
4. Sự nhân lên của virus ...........................................................................................69
5. Bacteriophage .......................................................................................................72
6. Các bệnh do virus .................................................................................................76
7. Ảnh hưởng của tác nhân vật lí, hóa học đến virus ................................................77
8. Các thực thể dưới virus .........................................................................................79
Chương 4. SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT............................................................86
1. Thành phần hóa học của vi sinh vật......................................................................86
2. Dinh dưỡng của vi sinh vật ...................................................................................87
3. Sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật.................................................................91
4. Các phương pháp khử trùng................................................................................103
5. Các phương bảo quản chủng giống vi sinh vật ...................................................107
6. Hô hấp , chuyển hóa và lên men của vi sinh vật.................................................109
Chương 5. VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG ĐẤT ...............................................119
1. Môi trường đất ....................................................................................................119
2. Đất là môi trường sống của vi sinh vật ...............................................................125

5
3. Vi sinh vật trong đất ...........................................................................................127
4. Sự chuyển hóa các hợp chất hữu cơ, vô cơ trong đất .........................................132
5. Vai trò của vi sinh vật trong đất .........................................................................152
Chương 6. VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ................................155
1. Môi trường không khí .........................................................................................155
2. Sol khí và sol khí sinh học ..................................................................................157
3. Chu trình vi sinh vật không khí...........................................................................157
4. Vi sinh vật tồn tại trong không khí .....................................................................159
5. Vi sinh vật không khí ngoài trời .........................................................................161
6. Vi sinh vật không khí trong nhà..........................................................................163
7. Kiểm soát sol khí sinh học ..................................................................................164
Chương 7.VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG NƯỚC.............................................168
1. Sinh cảnh vi sinh vật trong môi trường nước......................................................168
2. Các kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật trong môi trường nước .............................172
3. Môi trường biển ..................................................................................................174
4. Môi trường nước ngọt .........................................................................................177
5. Kiểm soát và ngăn ngừa ô nhiễm nước ở Việt Nam ...........................................179
Chương 8.VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG CỰC TRỊ........................................184
1. Môi trường cực trị ...............................................................................................184
2. Môi trường nhiệt độ thấp ....................................................................................184
3. Môi trường nhiệt độ cao......................................................................................185
4. Môi trường khô và bức xạ cực tím......................................................................188
5. Môi trường thiếu ánh sáng ..................................................................................190
Chương 9. ỨNG DỤNG VSV TRONG XỬ LÝ PHẾ THẢI .............................194
1. Nguồn gốc phế thải và biện pháp xử lý ..............................................................194
2. Sử dụng vi sinh vật xử lí rác thải sinh hoạt.........................................................196
3. Sử dụng vi sinh vật xử lý nước thải ...................................................................198
4. Các phương pháp xử lý phế thải .........................................................................201
5. Phát triển các quá trình xử lý chất thải thân thiện với môi trường .....................220
Chương 10. CHẾ PHẨM VI SINH VẬT VÀ CÁCH SỬ DỤNG .....................223
1. Các dạng chế phẩm vi sinh vật ...........................................................................223
2. Các phương pháp sử dụng chế phẩm vi sinh vật ................................................226
3. Một số chế phẩm vi sinh vật thông dụng ...........................................................228
THỰC HÀNH ........................................................................................................236
Phần 1. NHỮNG CHỈ DẪN CHUNG .................................................................236
6
1. Quy định khi thực hành.......................................................................................236
2. Một số thiết bị, dụng cụ thí nghiệm cần thiết .....................................................236
3. Xử lý và bao gói dụng cụ, vật liệu thí nghiệm ...................................................241
4. Sử dụng và bảo quản kính hiển vi.......................................................................243
Phần 2. HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH................................................................246
Bài 1. Làm tiêu bản và nhuộm tế bào vi sinh vật....................................................246
Bài 2. Pha chế môi trường dinh dưỡng ...................................................................260
Bài 3. Phân lập, nuôi cấy và giữ giống vi sinh vật..................................................265
Bài 4. Đo kích thước và đếm số lượng vi sinh vật..................................................272
Bài 5. Các tính chất sinh hóa của vi sinh vật ..........................................................283
Bài 6. Lên men và phân giải phế thải hữu cơ..........................................................293
Bài 7. Vi khuẩn cố định nitơ – Sản xuất và sử dụng nitragin .................................307
Bài 8. Xác định hoạt tính enzyme và chất kháng sinh của vi sinh vật ....................314
Bài 9. Phân tích vi sinh vật trong chất thải hữu cơ................................................. 321
Bài 10.Tham quan thực tế cơ sở xử lý chất thải .....................................................330
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ GỢI Ý TRẢ LỜI CÁC BÀI TẬP ...............................331
PHỤ LỤC ẢNH MÀU ..........................................................................................336
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................342

7
BÀI 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 và
góp phần bảo vệ và phát triển môi trường bền vững.

1. ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG

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 đối với
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 khoẻ 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, 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).
8
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 1).

Hình 1. Mối quan hệ giữa vi sinh vật học môi trường với các ngành khoa học khác
(Pepperet 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 chúng 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.

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.
9
 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.

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:
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.
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.
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.

2. LỊCH SỬ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG

2.1. Lịch sử nghiên cứu


Lịch sử phát triển của ngành vi sinh vật học môi trường có thể chia thành 4 giai đoạn:
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,
chủ yếu chỉ là những ứng dụng ngẫu nhiên, theo kinh nghiệm. Mãi sau này khi Antoni van
10
Leeuwenhoek (16321723) sử dụng những chiếc kính hiển vi thủ công tự tay làm và là
người 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.

2.2.2. Giai đoạn từ 18651940


Những đóng góp chính cho sự phát triển của giai đoạn này tập trung nhất là các công
trình của nhà khoa học người Pháp Louis Pasteur (18221895). Đồng thời và tiếp theo
Pasteur cũng có nhiều nhà vi sinh học nổi tiếng:
Robert Koch (18431910) đã 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.

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…

11
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 Nathans Daniel (1928 1999),
Arber Werner (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 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:
 Antoni 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.
 Omelianskii nhà khoa học người Nga lần đầu tiên phân lập được loài vi khuẩn
Methanobacillus omelianskii có khả năng phân giải cellulose trong điều kiện kị khí năm
1902.
 Cornelius Bernardus Van Niel và cộng sự nghiên cứu vi khuẩn có khả năng sử
dụng sulfur năm 1931.
 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.

12
 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….

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 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.

3. VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG

3.1. Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên


Vật chất trong tự nhiên luôn tuần hoàn: chuyển từ dạng vô cơ sang dạng hữu cơ và
ngược lại. Trong quá trình tuần hoàn ấy các cơ thể sống được chia thành ba nhóm tùy theo
vai trò của chúng:
Toàn bộ cây xanh và các vi sinh vật quang dưỡng tổng hợp các chất hữu cơ từ
carbon dioxide nhờ sử dụng năng lượng mặt trời, nên được gọi là sinh vật sản xuất.

13
Toàn bộ động vật sử dụng phần lớn sinh khối sơ cấp vào việc tạo ra năng lượng và
một phần nhỏ vào việc tổng hợp sinh khối của chúng, nên được gọi là sinh vật tiêu thụ.
Nấm và vi khuẩn có vai trò tích cực trong sự phân hủy chất hữu cơ của mọi động
vật, thực vật thành chất vô cơ (sự vô cơ hóa hay sự khoáng hóa, mineralization), do đó
được gọi là sinh vật phân hủy. Nấm đóng vai trò này trong môi trường đất, còn vi khuẩn
trong cả môi trường đất và môi trường nước.
Như vậy, các cơ thể sống tham gia vào sự tuần hoàn vật chất trong tự nhiên bằng
cách làm cho vật chất ấy tuần hoàn từ dạng vô cơ sang dạng hữu cơ và ngược lại, thông
qua các phản ứng khử và phản ứng oxy hóa. Các phản ứng khử và oxy hóa do các cơ thể
sống thực hiện ấy cùng các quá trình không sinh học dẫn đến chu trình sinh địa hóa
(biogeochemical cycles) là sự tuần hoàn của toàn bộ các nguyên tố trong nội bộ một phần
hoặc giữa các phần của hệ sinh thái khổng lồ của chúng ta (trái đất), gồm khí quyển, thủy
quyển, thạch quyển, và sinh quyển.

3.2. Vai trò của vi sinh vật trong đời sống và sản xuất của con người
Chính nhờ sự vô cơ hóa chất hữu cơ mà các nguyên tố trong chất hữu cơ được trở về
dạng vô cơ để trả về cho khí quyển và cho đất hay nước, do đó, sự sống không bị ngừng
trệ: nhiều khí vô cơ được trả về khí quyển, trong đó CO2 được dùng cho cây xanh thực
hiện quang hợp, nhiều chất vô cơ được trả về đất và nước như N, P, S được cơ thể sống
hấp thụ để tổng hợp trở lại các chất hữu cơ.
Cũng chính bằng sự vô cơ hóa mà vi sinh vật tham gia vào sự tự làm sạch các thủy
vực bị ô nhiễm hữu cơ ở mức vừa phải, cũng như tham gia vào sự phân hủy xác sinh vật
và chất hữu cơ vẫn luôn xảy ra trong đất, làm cho mặt đất chúng ta đang sống nói chung
không bị ngập tràn trong xác động vật thực vật thậm chí không còn chỗ cho chúng ta sống.
Mặt khác, sự vô cơ hóa nhờ VSV là cơ sở của hầu hết các quá trình phục hồi sinh học
(bioremediations) đối với các môi trường nước và đất.
Khi chúng ta tiếp xúc với môi trường mang vi sinh vật gây bệnh hoặc độc tố của
chúng sẽ gây ra nhiều bệnh cho cơ thể người và động vật và có thể để lại hậu quả nghiêm
trọng thậm chí dẫn đến tử vong. Các bệnh thường gặp là thương hàn do vi khuẩn
Salmonella, tả do V. cholerae, lỵ do Shigella, lao do Mycobacterium... Ngoài ra còn có thể
dẫn đến các triệu chứng ngộ độc nghiêm trọng nếu chúng ta ăn phải độc tố của vi khuẩn
như độc tố botulinum của vi khuẩn độc thịt Clostridium botulinum, độc tố enterotoxin của
vi khuẩn tụ cầu vàng Staphylococcus aureus…
Trong thực tế đời sống hiện nay người ta đã biết lợi dụng những biến đổi có lợi của
vi sinh vật để tạo ra những sản phẩm, chế phẩm có chất lượng và phù hợp hơn cho nhu cầu
ngày càng cao của con người. Như sử dụng sinh khối vi sinh vật làm nguồn thức ăn giàu
dinh dưỡng, ứng dụng các quá trình lên men rộng rãi trong việc sản xuất các loại thực

14
phẩm quan trọng như: rượu, bia, nước giải khát, bánh mì, nước mắm, mì chính… cũng
như làm tăng giá trị dinh dưỡng của các loại thực phẩm như tempeh, natto… được lên men
từ đậu nành.
Sản xuất các loại phân bón vi sinh, thuốc trừ sâu vi sinh thay thế cho các loại phân
bón, thuốc trừ sâu hóa chất độc hại.

4. ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG VIỆT NAM

Lĩnh vực vi sinh vật học môi trường hiện đang tập trung nghiên cứu theo 3 nhóm
định hướng chính:

4.1. Nghiên cứu cơ bản


 Phân lập và tuyển chọn chủng giống vi sinh vật môi trường.
 Lưu giữ và bảo quản các chủng giống có năng suất, chất lượng tốt.
 Nghiên cứu cấu trúc vi sinh vật, di truyền và cải biến chủng giống vi sinh vật.
 Nghiên cứu cơ chế lên men của vi sinh vật làm cơ sở cho nghiên cứu công nghệ
lên men sản xuất chế phẩm vi sinh vật.
 Nghiên cứu sàng lọc các chất có hoạt tính sinh học từ vi sinh vật để áp dụng vào
xử lý, cải tạo môi trường.
 Nghiên cứu đa dạng và sinh thái của vi sinh vật nhằm ứng dụng trong lĩnh vực
quan trắc và xử lý ô nhiễm môi trường

4.2. Nghiên cứu ứng dụng và triển khai kỹ thuật


 Nghiên cứu xây dựng các quy trình lên men phát triển sinh phẩm và công nghệ từ
vi sinh vật môi trường chất lượng cao thay thế các công nghệ và sinh phẩm nhập ngoại
(như enzyme, probiotic cho người và vật nuôi, chế phẩm vi sinh vật khác) phục vụ nông
ngư nghiệp và môi trường.
 Phát triển, tiếp cận và ứng dụng công nghệ cao về protein, enzyme, công nghệ
gene và kỹ thuật nano nhằm tạo ra các sinh phẩm cao cấp phục vụ trong y – dược, bảo vệ
môi trường.
 Kết hợp thành tựu nghiên cứu vi sinh vật, công nghệ lên men, sinh học phân tử để
phát triển các chế phẩm vi sinh mới phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu như: màng
sinh học, nhựa sinh học, nhiên liệu sinh học và các dung môi hữu cơ có giá trị khác.

4.3. Xúc tiến hoạt động chuyển giao công nghệ tiên tiến
Xúc tiến hoạt động chuyển giao công nghệ sản xuất và ứng dụng các chế

15
phẩm vi sinh vật phục vụ cho xử lý ô nhiễm môi trường, sản xuất nông lâm ngư nghiệp…
mang lại hiệu quả kinh tế và xã hội.

5. VỊ TRÍ VI SINH VẬT TRONG SINH GIỚI

5.1. Một số hệ thống sinh giới


Giới (Regnum) là đơn vị phân loại hiện nay bao gồm những sinh vật có chung những
đặc điểm nhất định. Các hệ thống phân loại sinh vật là kết quả của hơn 200 năm nghiên
cứu về hệ thống học.
Hệ thống các cơ thể ngày càng hợp lý nhờ những hiểu biết sâu sắc về sinh học phân
tử. Ngày nay nhờ các phương pháp phân loại hiện đại như: Hóa phân loại (Chemotaxo-
nomy), phân loại số (Numerical taxonomy), phân loại chủng loại phát sinh (Phylogeney
taxonomy)... mà khoa học đã xác định vị trí khá chính xác của các nhóm cơ thể và mối liên
hệ chủng loại phát sinh giữa chúng.

Bảng 1. Một số hệ thống phân loại

Đặc điểm
Hệ thống Giới Sinh vật bao gồm
phân loại
Linnaeus Vegetabilia Nấm, tảo, thực vật
(1735) Animalia ĐVNS, động vật bậc cao
Hình thái,
Plantae Tảo đa bào, thực vật
Haeckel cấu tạo,
Animalia Động vật sinh sản
(1865)
Protista Vi khuẩn, ĐVNS, nấm men, nấm sợi
Plantae Tảo đa bào, thực vật

Whittaker Animalia Động vật


(1969) Fungi Nấm Kiểu dinh
(Hình 2) Protista ĐVNS, sinh vật nhân chuẩn đơn bào dưỡng

Monera Vi khuẩn và vi khuẩn lam


Bacteria VK thường gặp sống trong tự nhiên
Woese Trình tự
Archaea VK sống trong môi trường đặc biệt: kị khí, muối
(1977) rRNA
cao hay nhiệt độ cao, pH thấp
(Hình 3)
Eucarya ĐVNS, nấm, tảo, thực vật, động vật

Đa số vi sinh vật là đơn bào và ít phân hóa về hình thái. Do đó, theo Linnaeus chúng
nằm phần lớn trong giới Vegetabilia (giới thực vật), phần nhỏ trong Animalia (giới động
vật) (Bảng 1). Theo Haeckel chúng lại được xếp trong giới Protista (giới nguyên sinh).

16
Whittaker với hệ thống phân loại 5 giới thì tách VSV vào 3 giới: Monera (giới khởi sinh),
Protista và Fungi (Hình 2). Còn theo Woese chia VSV vào hai giới vi khuẩn và vi khuẩn
cổ và một phần trong giới Eukaryote (ĐVNS, nấm và tảo).
Các đặc điểm căn cứ để phân loại ở các hệ thống phân loại là không giống nhau:
Linnaeus, Haeckel dựa chủ yếu vào đặc điểm hình thái, Whittaker thì lấy kiểu dinh dưỡng,
Woese dựa vào trình tự rRNA.
Theo đề nghị của nhà bác học Thụy Điển C. Linnaeus (1707–1778), hội nghị quốc tế
các nhà sinh vật học đã thông qua hệ thống các đơn vị phân loại sinh vật từ thấp lên cao
như sau:
Loài (Species), Chi (Genus), Họ (Familia), Bộ (Ordo), Lớp (Classis), Ngành (Phylum)
và Giới (Regnum). Hiện nay trên giới còn có một mức phân loại nữa gọi là lĩnh giới
(Domain). Đấy là chưa kể đến các mức phân loại trung gian thấp hơn có tiền tố (Sub-) hay
cao hơn (Super-) … Nhờ có hệ thống phân loại sinh vật mà người ta có thể biết vị trí của
mỗi cá thể trong cây phát sinh từng nhóm sinh vật.

Hình 2. Hệ thống phân loại 5 giới của R.H. Whittaker (1920–1981)

Loài: là đơn vị cơ bản của hệ thống các đơn vị phân loại kể trên. Nó tập hợp các cá thể
sinh sống trong một khoảng không gian xác định, giống nhau về các dấu hiệu hình thái,
sinh học và sinh thái. Các cá thể của loài này cách biệt về phương diện sinh sản với các cá
thể của loài khác.

17
Giống:bao gồm một hoặc là tập hợp của một số loài có nhiều đặc điểm chung và có điều
kiện sống gần giống nhau. Tương tự như vậy, một giống hoặc tập hợp của một số giống
gần gũi tạo thành một họ; một hoặc tập hợp của một số họ gần gũi–một bộ; một hoặc tập
hợp của một số bộ gần gũi–một lớp; một hoặc một tập hợp của một số lớp gần gũi–một
ngành; tập hợp của một số ngành gần gũi–một giới.
Để tránh nhầm lẫn người ta đặt tên loài theo nguyên tắc dùng tên kép (theo tiếng
Latinh). Tên thứ nhất là tên chi (viết hoa), tên thứ 2 là tên loài (viết thường) Ví dụ:
Escherichia coli. Khi cần viết tắt ta chỉ viết tắt tên chi, tên loài viết đầy đủ (bằng chữ
thường). Ví dụ: E. coli . Một loài bất kỳ chưa được định tên thì thường viết tắt là "sp." còn
số nhiều là "spp.". Thông thường tên chi và loài in chữ nghiêng.
Vào những năm 1970, các kỹ thuật sinh học phân tử phát triển cho phép phân tích
trình tự nucleic acid, bao gồm các RNA ribosome với các cấu trúc bảo toàn cao được sử
dụng trong tổng hợp protein của sinh vật. Dựa vào kết quả phân tích trình tự rRNA 16S,
Carl Woese đã phân ra một giới sinh vật mới là vi khuẩn cổ  Archaea, từ đó đưa ra hệ
thống phân loại hiện đại gồm 3 giới: Bacteria, Archaea và Eukarya (Hình 3). Hiện tại, các
tài liệu về phân loại tại Hoa Kỳ sử dụng hệ thống 6 giới: Animalia – Động vật, Plantae –
Thực vật, Fungi – Nấm, Protista – Sinh vật Nguyên sinh, Archaea–Vi khuẩn cổ, Bacteria –
Vi khuẩn. Trong khi đó, các tài liệu tương tự tại Anh và Australia lại sử dụng hệ thống 5
giới: Animalia – Động vật, Plantae –Thực vật, Fungi – Nấm, Protista –Sinh vật Nguyên
sinh, Monera – Giới Khởi sinh.

Hình 3. Cây phát sinh chủng loại chung của sinh giới dựa vào trình tự rRNA
(Woese, 1977) (Jeffrey et al., 2011)

5.2. Vi sinh vật là một hợp phần của môi trường sống
Vi sinh vật do có kích thước hiển vi và do có nhiều khả năng sinh học rất đặc biệt
mà tồn tại ở hầu khắp mọi nơi trên trái đất: ngay xung quanh chúng ta (đất, nước, không
18
khí, đồ dùng, thực phẩm…), và ngay trên bề mặt cơ thể, trong cơ thể chúng ta (trên da,
trong xoang miệng, xoang ruột…)
Trong tự nhiên, ở những môi trường bình thường – nơi có các điều kiện thuận lợi
cho hầu hết cơ thể sống (về chất dinh dưỡng, nhiệt độ, pH, oxy…) – thì có một khu hệ vi
sinh vật phong phú về chủng loại và đông đúc về số lượng. Ví dụ: trong 1gam đất ở tầng
canh tác có thể có tới khoảng hơn 20 tỷ vi khuẩn, vài chục triệu vi nấm, vài chục nghìn vi
2
tảo; trên cơ thể chúng ta, trong 1cm da của vùng trán có thể có tới bốn mươi nghìn vi
khuẩn Staphylococcus epidermidis, còn ở vùng các ngón chân thì số vi khuẩn này là hơn
một triệu; đó là chưa kể các vi sinh vật khác.
Đặc biệt ở những môi trường khắc nghiệt (extreme environments), nơi mà mọi động
vật và thực vật không thể tồn tại vẫn có một số vi sinh vật sinh trưởng. Các môi trường
cực trị ấy là những nơi có một hay nhiều điều kiện rất khắc nghiệt như nhiệt độ rất cao
hoặc rất thấp, pH rất acid hoặc rất kiềm, độ mặn cao, áp suất cao, nghèo dinh dưỡng,
không có oxy…
Riêng về nhiệt độ, những giới hạn trên về nhiệt độ đối với vi khuẩn cổ (Archaea),
vi khuẩn (Bacteria), và vi sinh vật có nhân thực (eukaryotic microorganisms) là 113, 95,
o
và 62 C, theo thứ tự, trong khi đó hầu hết động vật và thực vật không thể sinh trưởng ở
o
trên 50 C.

TÓM TẮT CHƯƠNG


Vi sinh vật học môi trường (Environmental microbiology) là một ngành khoa học
nghiên cứu về những hoạt động sinh lý của VSV có ảnh hưởng đến chất lượng của môi
trường.
Vi sinh vật học môi trường nghiên cứu về vi sinh vật trong tất cả các loại môi trường
sống (đất, nước, không khí, sinh vật 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 như công nghệ sinh học, an toàn thực
phẩm, xử lý sinh học các chất thải độc hại, vi sinh vật chẩn đoán...
Người ta chia lịch sử nghiên cứu ngành vi sinh vật học môi trường ra bốn giai đoạn:
– Giai đoạn trước Pasteur (1865): Con người khai thác, lợi dụng tài nguyên thiên
nhiên không hợp lý làm xấu hóa chất lượng môi trường,
– Giai đoạn từ 1865 đến 1940: Biết phát triển kỹ thuật nuôi cấy VSV môi trường.
– Giai đoạn từ 1940 – 1970: Ứng dụng các quá trình sản xuất lên men tạo chế phẩm
ứng dụng trong bảo vệ, cải tạo môi trường.
– Giai đoạn từ 1970 đến nay: Dân số tăng nhanh, đô thị hóa và công nghiệp hóa gây
ô nhiễm môi trường, phá hoại hệ sinh thái trong phạm vi rộng lớn. Môi trường sống ngày
càng suy thoái nghiêm trọng; các phương pháp nghiên cứu phân tử trong vi sinh vật môi
19
trường được nhiều nhà khoa học thực hiện như Olsen và cộng sự năm 1986; 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….
Vi sinh vật môi trường là một ngành khoa học mới phát triển, nhưng do ý nghĩa
quan trọng của nó về lý luận cũng như thực tiễn nên sẽ phát triển hết sức nhanh chóng
trong thế kỉ XXI.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP


1. Vi sinh vật môi trường là gì? Yêu cầu, nội dung của môn học?
2. Lịch sử phát triển của vi sinh vật học môi trường?
3. Những tác động của vi sinh vật trong môi trường tự nhiên?
4. Tại sao nói vi sinh vật là một hợp phần của môi trường?
5. Một số định hướng hiện nay trong nghiên cứu vi sinh vật học môi trường?
* Chọn đáp án đúng nhất
6. Các nhóm vi sinh vật chủ yếu trong môi trường tự nhiên gồm:
a. Virus và các thực thể dưới virus;
b. Vi khuẩn (Bacteria) và vi khuẩn cổ (Archaea)
c. Vi nấm (Microfungi);
d. Vi tảo (Microalgae);
f. Động vật nguyên sinh (Protozoa)
j. Tất cả các nhóm trên.
7. Lĩnh vực vi sinh vật học môi trường Việt Nam hiện đang tập trung nghiên cứu theo các
định hướng:
a. Nghiên cứu cơ bản về vi sinh vật môi trường.
b. Nghiên cứu ứng dụng và triển khai kỹ thuật.
c. Xúc tiến hoạt động chuyển giao công nghệ tiên tiến sản xuất và ứng dụng các chế
phẩm vi sinh vật phục vụ cho xử lý ô nhiễm môi trường, sản xuất nông nghiệp…
d. Cả 3 ý trên.
* Điền vào các chỗ trống
8. Dựa vào trình tự các nucleotide của 16S rRNA và 18S rRNA mà Woese C.R và cộng sự
đã xếp toàn bộ các cơ thể sống vào 3 lãnh giới (Domains). Đó là…….
9. Các vi sinh vật hoạt động trong các địa điểm vật lí được gọi là……. của chúng.

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ


1. Môi trường là gì? Môi trường là hệ thống các yếu tố vật chất tự nhiên và nhân
20
tạo có tác động đối với sự tồn tại và phát triển của con người. (Luật BVMT Việt Nam,
2014).
2. Môi trường sống? Môi trường sống là phần bao quanh sinh vật mà ở đó các yếu
tố cấu tạo nên môi trường trực tiếp hay gián tiếp tác động lên sự sinh trưởng, phát triển và
những hoạt động khác của sinh vật.
3. Sinh khối là gì? "Sinh khối là tổng trọng lượng của sinh vật sống trong sinh
quyển hoặc số lượng sinh vật sống trên một đơn vị diện tích, thể tích vùng".
4. Suy thoái môi trường là gì? "Suy thoái môi trường là sự làm thay đổi chất lượng
và số lượng của thành phần môi trường, gây ảnh hưởng xấu cho đời sống của con người
và thiên nhiên".
5. Chủng (Strain): chỉ một vi sinh vật của một loài mới phân lập. Nó mang theo kí
hiệu chi, loài và chủng. Ví dụ Staphylococcus aureus ATCC 1259.
6. Loài :(Species) Theo nghĩa rộng, loài là một nhóm các cá thể sinh vật mà có
những đặc điểm sinh học tương đối giống nhau và có khả năng giao phối với nhau cho con
cái hữu thụ.
7. Chi (Genus) một đơn vị phân loại sinh học dùng để chỉ một hoặc một nhóm loài
có kiểu hình tương tự và mối quan hệ tiến hóa gần gũi với nhau.
8. Họ (Familia) Là tập hợp của các CHI gần nhau nhất. Họ có thể chia nhỏ thành
các phân họ, các tộc, các phân tộc. Tên họ các vi sinh vật thường có tận cùng là ceae, còn
các l.ài động vật là idae.
9 Bộ (Ordo): Bậc phân lọai trên HỌ trong hệ thống thang bậc phân lọai sinh vật. Là
tập hợp của các họ gần nhau nhất. Tên bộ của các vi sinh vật có phần đuôi là –les.
10. Lớp (Classis):Tập hợp những BỘ có quan hệ gần nhất.
11. Ngành (Phylum) Bậc phân lọai trên LỚP trong hệ thống thang bậc phân lọai
sinh vật. Là tập hợp của các lớp gần nhau nhất. những ngành có đặc điểm chung nhất được
xếp vào một giới.
12. Giới (Regnum): Sự phân chia các giới có sự thay đổi rất lớn trong lịch sử phát
triển của sinh học. Đầu tiên Linnaeus (1735) chia thế giới này thành hai giới Động vật và
Thực vật. Haeckel (1866) chia thành ba giới giới Động vật, Thực vật và Sinh vật nguyên
sinh (protista) bao gồm các sinh vật có đặc điểm chung là cơ thể có một tế bào nhân chuẩn
(động vật nguyên sinh và tảo đơn bào). Năm 1969 Whittaker chia giới sinh vật ra làm năm
giới: giới khởi sinh (monera), nguyên sinh (protista), nấm (fungi), động vật (animalia) và
thực vật (plantae). Năm 1985, Hội các nhà động vật nguyên sinh quốc tế đề nghị tá́ch
Động vật nguyên sinh (protozoa) ra khỏi Sinh vật nguyên sinh và thành một giới của động
vật –phân giới động vật đơn bào (protozoa). Carl R. Woese và cộng sự, 1977 đã đề nghị
chia thành ba lĩnh giới (Bacteria, Archaea và Eukarya).

21
Chương 1
VI SINH VẬT NHÂN SƠ

Mục tiêu
– Nắm được các dạng hình thái cơ bản, cấu tạo chung và cấu tạo đặc biệt của các
nhóm vi sinh vật nhân sơ.
– Hiểu được vai trò của các nhóm vi sinh vật nhân sơ trong đời sống, sản xuất và bảo
vệ môi trường.
– Phân biệt vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Ý nghĩa thực tiễn của các nhóm vi khuẩn và vi
khuẩn cổ.

1. VI KHUẨN (Bacteria)

Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào, không có màng nhân (procaryote). Thành tế
bào chứa peptidoglycan (hay murein), sinh sản chủ yếu theo hình thức phân đôi, Chúng có
cấu trúc và hoạt động đơn giản hơn nhiều so với các tế bào có màng nhân (eukaryote).
Tuy có cấu trúc đơn giản nhất nhưng có khả năng trao đổi chất linh hoạt và có độ đa dạng
cao nhất. Vi khuẩn chiếm ưu thế về số lượng trong môi trường. Dựa vào phân tích trình tự
vùng bảo toàn của rRNA 16S, 50 ngành vi khuẩn được đánh giá. Gần một nữa số ngành
đó chưa được nuôi cấy. Vì vậy, chúng ta nghiên cứu các ngành vi khuẩn môi trường đã
được nuôi cấy thành công như: vi khuẩn (Bacteria), vi khuẩn đặc biệt gồm xạ khuẩn
(Actinomycetes), niêm vi khuẩn (Myxobacteriales), xoắn thể (Spirochaetales), Rickettsia,
Mycoplasma và vi khuẩn lam (Cyanobacteria).

1.1. Hình dạng và kích thước


Mỗi loại vi khuẩn có hình dạng và kích thước nhất định. Các hình dạng và kích
thước này là do thành tế bào quyết định. Bằng các phương pháp nhuộm và soi kính hiển
vi, người ta có thể xác định được hình dạng và kích thước của các vi khuẩn…Để xác định
vi khuẩn, hình thái là một tiêu chuẩn rất quan trọng, mặc dù phải kết hợp với các yếu tố
khác (tính chất sinh hóa, kháng nguyên, khả năng gây bệnh…)
Kích thước của vi khuẩn được đo bằng micromet 1m = 10–3 mm. Kích thước của
các loại vi khuẩn khác nhau thì không giống nhau và kích thước của một loại vi khuẩn
cũng phụ thuộc vào điều kiện tồn tại của chúng.
Về hình thái, người ta chia vi khuẩn làm 3 loại chính: các cầu khuẩn, trực khuẩn và
xoắn khuẩn (Hình 1–1).

22
a– Cầu
(a)khuẩn b–Trực khuẩn
(b) c– Xoắn
(c) khuẩn

Hình 1–1. Hình dạng một số loại vi khuẩn thường gặp

Hình 1–2. Tương quan kích thước của các vi sinh vật
Tế bào hồng cầu người kích thước 7– 10 µm, Staphylococcus 1 µm, E.coli 1 × 5 µm;
Poliovirus 30 nm, Herpesvirus 100 nm

1.1.1. Cầu khuẩn


Là những vi khuẩn hình cầu, mặt cắt của chúng có thể là những hình tròn, hình trứng
hay hình hạt cà phê. Đường kính trung bình 1m. Cầu khuẩn được chia làm nhiều loại:
– Micrococcus (Đơn cầu): đây là những cầu khuẩn xếp hàng đều hoặc không đều, đó
là những tạp khuẩn tìm thấy trong đất, trong không khí và nước.
 Diplococcus (Song cầu): là những cầu khuẩn xếp từng đôi phân chia trong một
mặt phẳng. Một số gây bệnh cho người như phế cầu, lậu cầu, cầu khuẩn màng não.
 Streptococcus (Liên cầu): là những cầu khuẩn xếp thành chuỗi ngắn hoặc dài. Một
số lọai gây bệnh cho người như Streptococcus pyogenes thuộc nhóm A của Lancefield.
 Tetracoccus (Tứ cầu): các cầu khuẩn Gram dương hợp thành 4, phân chia theo hai
mặt phẳng, rất ít khi gây bệnh.
 Sarcina (Bát cầu): các cầu khuẩn Gram dương xếp thành 8 16 tế bào, phân chia
theo ba mặt phẳng, thường tìm thấy trong không khí.
23
 Staphylococcus (Tụ cầu): các cầu khuẩn Gram dương hợp thành đám như chùm
nho, phân chia theo mặt phẳng, một số loại gây bệnh cho người và và động vật. Chúng
thường phát triển nhanh chóng tính đề kháng với nhiều loại kháng sinh.
1.1.2. Trực khuẩn
Là những vi khuẩn có hình que đầu tròn hay vuông kích thước bề rộng 1m chiều
dài 2 – 5 m bao gồm các nhóm:
Bacteria: Là những trực khuẩn hiếu khí, không tạo bào tử như vi khuẩn đường ruột
E. coli, vi khuẩn bạch hầu Corynebacterium diphtheriae, vi khuẩn lao Mycobacterium
tuberculosis...
Bacillus: Là những trực khuẩn hiếu khí tuyệt đối Gram dương tạo bào tử, ví dụ trực
khuẩn bệnh than Bacillus anthracis, trực khuẩn cỏ khô Bacillus subtilis.
Clostridium: Là những trực khuẩn kị khí Gram dương tạo bào tử, ví dụ trực khuẩn
uốn ván Clostridium tetani, trực khuẩn ngộ độc thịt Clostridium botulinum.
1.1.3. Xoắn khuẩn
Xoắn khuẩn là những vi khuẩn hình sợi lượn sóng và di động. Chiều dài của các vi
khuẩn loại này có thể tới 30 m. Trong loại này có 3 chi gây bệnh quan trọng là
Treponema (Ví dụ, xoắn khuẩn giang mai Treponema pallidum), Leptospera và Borrelia.
Ngoài những vi khuẩn có hình dạng điển hình trên còn có những loại vi khuẩn có
hình dạng trung gian: Trung gian giữa cầu và trực khuẩn là cầu – trực khuẩn như vi khuẩn
dịch hạch (Yersinia pestis); Trung gian giữa trực khuẩn và xoắn khuẩn là phẩy khuẩn mà
điển hình là phẩy khuẩn tả Vibrio cholerae.
Cách sắp xếp của các loại vi khuẩn củng khác nhau: đứng từng con, từng chuỗi, từng
chùm hoặc hình chữ V, chữ N... là do các trục phân bào của chúng.

1.2. Cấu trúc của vi khuẩn


Dưới kính hiển vi điện tử cấu trúc của vi khuẩn gồm các bộ phận sau:
1.2.1.Vỏ nhầy (Capsule)
Nhiều vi khuẩn được bao bọc bên ngoài bằng một lớp vỏ nhầy (lớp glycocalyx) có
bản chất hóa học là polysaccharide, protein và thậm chí có cả DNA ngoài (eDNA), ngoại
trừ vi khuẩn than là polypeptide. Khi làm khô, người ta xác định được 90  98% trọng
lượng của vỏ nhầy là nước. Vi khuẩn Acetobacter xylinum có vỏ nhầy cấu tạo bởi
cellulose. Người ta dùng vi khuẩn này nuôi cấy trên nước dừa để chế tạo ra thạch dừa
(Nata de coco).
Khi vi khuẩn mọc trên môi trường đặc (thạch 20%), thường tạo thành các dạng
khuẩn lạc: Dạng S (Smooth)trơn bóng; Dạng R (Rough)xù xì và dạng M

24
(Mucoid)nhầy nhớt.
Ý nghĩa sinh học của vỏ nhầy là:
 Bảo vệ vi khuẩn trong điều kiện khô hạn, tránh bị thực bào (trường hợp phế cầu
khuẩnDiplococcus pneumoniae).
– Cung cấp chất dinh dưỡng cho vi khuẩn khi thiếu thức ăn.
 Là nơi tích lũy một số sản phẩm trao đổi chất (dextran, xantan...).
 Giúp vi khuẩn bám vào giá thể (trường hợp các vi khuẩn gây sâu răng như
Streptococcus salivarrius, Streptococcus mutans...).
Các loại vỏ nhầy hay giáp mạc (Capsule):
 Vỏ nhầy lớn (Macrocapsule) có bề dày > 0,2 m. Ví dụ: Leuconostoc
mesenteroides.
 Vỏ nhầy bé (Microcapsule) có bề dày < 0,2 m. Ví dụ: Pseumococcus
denitrificans.
 Khối nhầy (Zooglea) dùng trong xử lý nước thải.
 Có những vi khuẩn chỉ hình thành vỏ nhầy trong điều kiện nhất định. Ví dụ B.
anthracis tạo vỏ nhầy trong môi trường có chứa protein động vật. Streptococcus
pneumoniae chỉ tạo vỏ nhầy khi xâm nhập vào cơ thể người hay động vật.
Muốn quan sát vỏ nhầy thường làm tiêu bản âm với mực nho, bao nhầy có màu
trắng hiện lên trên nền tối.

Hình 1–3. Sơ đồ cấu tạo một tế bào vi khuẩn (Pearson Prentice Hall, 2008)

1.2.2. Thành (hay vách) tế bào (cell wall)


Sự hiện diện của thành tế bào ở vi khuẩn được phát hiện bằng cách nhuộm Gram và
bằng phân lập trực tiếp. Tác dụng cơ học như siêu âm phối hợp với ly tâm cho phép thu
25
hoạch thành tế bào ròng, tách rời khỏi sinh chất.
1.2.2.1. Thành tế bào vi khuẩn Gram dương
Kính hiển vi điện tử cho thấy thành tế bào vi khuẩn Gram dương dày từ 15 đến 50
nm. Thành phần chủ yếu là peptidoglycan gọi là murein, một chất trùng hợp mà những
đơn vị hóa học là những đường amine. N–acetyl glucosamine và acid N–acetyl muramic
và những chuỗi peptide ngắn chứa alanine, acid glutamic và acid diaminopimelic hoặc
lysine. Ngoài ra thành tế bào của một số vi khuẩn Gram dương còn chứa acid teichoic. Ở
một vài loại vi khuẩn, acid teichoic chiếm tới 30% trọng lượng khô của thành tế bào.
1.2.2.2. Thành tế bào vi khuẩn Gram âm
Lớp peptidoglycan mỏng hơn khoảng 10 nm và hai lớp lipoprotein và
lipopolysaccharide ở bên ngoài, lớp lipoprotein chứa tất cả những amino acid thông
thường. Không có teichoic acid, thành tế bào vi khuẩn Gram âm chứa một lượng lipid
đáng kể, khoảng 20 % trọng lượng khô của thành tế bào.

Hình 1–4. Sơ đồ minh họa cấu trúc thành tế bào vi khuẩn Gram âm và Gram dương
( Pepper et al. 2015, vẽ bởi Wayne L. Miller, McGill University) (xem hình màu 1–4 trang 336)
1.2.2.3. Chức năng của thành tế bào
Thành tế bào vi khuẩn có nhiều chức năng:
 Duy trì hình thể của vi khuẩn: Thành tế bào thường cứng tạo nên bộ khung, làm
cho vi khuẩn có hình thể nhất định.
 Quyết định tính bắt màu Gram của vi khuẩn: Sự bắt màu Gram khác nhau ở vi
khuẩn Gram dương và Gram âm là do tính thẩm thấu khác nhau đối với cồn của hai nhóm
vi khuẩn đó. Nếu dùng lysozyme cắt dây nối 1–4 glycoside của peptidoglycan thì sẽ biến
đổi vi khuẩn Gram dương thành dạng cầu gọi là protoplast (tế bào trần) không có thành tế
bào. Ở dạng protoplast tế bào mất luôn kháng nguyên bề mặt và thụ thể dành cho virus. Tế
26
bào không chết nhưng không sinh sản được. Dưới tác dụng của lysozyme tế bào Gram âm
chỉ mất từng phần thành tế bào, tế bào có dạng cầu gọi là spheroplast. Tế bào vẫn còn
kháng nguyên bề mặt và thụ thể của virus nên vẫn sinh sản được và bị virus tấn công.
 Tạo nên kháng nguyên thân O của vi khuẩn đường ruột, để điều chế kháng nguyên
O của vi khuẩn đường ruột cần xử lý vi khuẩn không di động bằng nhiệt và cồn.
 Tạo nên nội độc tố của vi khuẩn đường ruột. Nội độc tố chỉ được giải tỏa lúc vi
khuẩn bị phân giải. Ở vi khuẩn đường ruột, nội độc tố là những phức hợp
lipopolysaccharide dẫn xuất từ thành tế bào.
1.2.3. Màng sinh chất (Cytoplasmic membrane)
Là màng bán thấm dày khoảng 10 nm nằm sát thành tế bào. Người ta có thể chứng
minh sự hiện diện của nó bằng hiện tượng ly tương hoặc nhuộm với xanh Victoria 4R. Nó
chứa 60 – 70% lipid, 20 – 30% protein và một lượng nhỏ carbohydrate. Màng sinh chất có
chức năng rào cản thẩm thấu của tế bào, ngăn cản không cho nhiều phẩm vật vào bên
trong tế bào nhưng lại xúc tác việc chuyên chở họat động của nhiều phẩm vật khác vào
bên trong tế bào. Ngày nay khoa học với các thiết bị nghiên cứu hiện đại đã biết khá rõ
cấu trúc màng sinh chất (xem hình màu 1–5 trang 336)

Hình 1–5. Mô hình cấu trúc màng sinh chất (Peter Raven et al., 2017)
Màng sinh chất có nhiệm vụ thẩm thấu chọn lọc vì là nơi chứa enzyme đặc biệt là
enzyme chuyển hóa, hô hấp và đóng vai trò kháng nguyên thân đặc hiệu. Màng sinh chất
giữ cho vi khuẩn có hình dạng nhất định và giúp vi khuẩn không bị ly giải do áp lực thẩm
thấu. Màng sinh chất còn thu nhận thông tin và tham gia điều khiển sự phân chia của tế
bào vi khuẩn
27
1.2.4. Tế bào chất (Cytoplasm)
Tế bào chất của vi khuẩn chứa đựng tới 80% nước dưới dạng gel. Bao gồm các
thành phần hòa tan như protein, peptid, các amino acid, vitamine, RNA, ribosomes, các
muối khoáng (Ca, Na, P...) và cả một số nguyên tố hiếm.
Protein chiếm tới 50% trọng lượng khô của vi khuẩn và khoảng 90% năng lượng của
vi khuẩn để tổng hợp protein. Các enzyme nội bào được tổng hợp đặc hiệu với từng loại
vi khuẩn.
Tế bào chất chứa dày đặc những hạt hình cầu đường kính 18 nm gọi là ribosome.
Ribosome có chức năng dịch mã mRNA thành các protein. Ribosome của vi khuẩn gồm
tiểu phần lớn (50S) và tiểu phần bé (30S). Ngoài ra còn có thể tìm thấy những hạt dự trữ
glycogen, polymetaphosphate. Quá trình nhân đôi của tế bào và tổng hợp protein diễn ra
tập trung ở tế bào chất.
Nếu so sánh với tế bào có nhân thực (eucaryote) ta thấy trong tế bào chất của vi
khuẩn không có: ti thể, lạp thể, lưới nội chất, bộ máy Golgi và cơ quan phân bào nào.
1.2.5. Thể nhân (Nuclear body)
Thể nhân (Nuclear body) ở vi khuẩn là dạng nhân nguyên thuỷ, chưa có màng nhân
nên không có hình dạng cố định, và vì vậy còn được gọi là vùng nhân. Khi nhuộm màu tế
bào bằng thuốc nhuộm Feulgen hoặc Shiff có thể thấy thể nhân hiện màu tím. Đó là 1
nhiễm sắc thể (NST, chromosome) duy nhất dạng vòng chứa 1 sợi DNA xoắn kép (ở Xạ
khuẩn Streptomyces có thể gặp nhiễm sắc thể dạng thẳng). NST ở vi khuẩn Escherichia
coli dài tới 1mm, tức là gấp 500 đến 1000 lần chính chiều dài của vi khuẩn, được định vị
tại một điểm trên màng tế bào chất lúc sắp phân chia và có khối lượng phân tử là 3.109
dalton, chứa 4,6.106 pb (cặp base nitơ). Thể nhân là bộ phận chứa đựng thông tin di truyền
của vi khuẩn.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy ở một số vi khuẩn cổ ưa nhiệt như
Thermoplasma đã tìm thấy histol.
1.2.6. Plasmid
Plasmid là trình tự DNA ngoài NST có cấu tạo vòng mã hóa các sản phẩm protein
giúp tế bào có lợi thế cạnh tranh trong môi trường sống như kháng kháng sinh, kháng kim
loại nặng, 2,4–D và một số mã hóa cho các gen gây độc tố trên vi khuẩn gây bệnh.
Plasmid được tìm thấy ở nhiều loại vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Plasmid thường chỉ được duy
trì dưới áp lực chọn lọc, ví dụ như có mặt của kháng sinh để duy trì plasmid mã hóa kháng
kháng sinh. Mối liên hệ giữa plasmid và NST rất phức tạp bởi vì một số plasmid có thể
chèn (cài xen) vào NST trong quá trình nhân đôi và có chức năng như là một phần của
NST.

28
Hình 1–6. Một tế bào vi khuẩn có chứa plasmid và ảnh kính hiển vi điện tử phóng đại hệ gen của
plasmid. Đó là một vòng DNA khép kín và thường xoắn cuộn vào nhau
(Nguồn: http://biology.kenyon.edu/)

Vi khuẩn có thể mang một hoặc nhiều loại plasmid với số lượng khác nhau. Chiều
dài plasmid từ 1 đến 1000 kbp. Lợi dụng sự xâm nhập và nhân lên dễ dàng của các
plasmid gần đây người ta đã thực hiện được ghép gene và chuyển gene nhờ plasmid.
1.2.7. Mezosome
Mezosome là cấu tạo chỉ xuất hiện ở màng sinh chất của tế bào nhân sơ khi sắp phân
chia, chính ở vị trí này DNA được cố định. Ở vi khuẩn Gram dương thì mezosome rất phát
triển. Ở vi khuẩn Gram âm mezosome chỉ là một nếp nhăn đơn giản. Trong mezosome
chứa nhiều enzyme, đặc biệt là các enzyme xúc tác hình thành ATP.
1.2.8. Roi (flagellum), tiêm mao (fimbriae), nhung mao (pili)
Một số vi khuẩn có các cấu trúc phụ kéo dài từ lớp màng tế bào ra môi trường xung
quanh của tế bào giúp cho vi khuẩn chuyển động hoặc kết dính bề mặt, bao gồm: roi, tiêm
mao và nhung mao.
Roi (flagellum): là cấu trúc phụ phức tạp giúp cho vi khuẩn chuyển động. Nhờ roi vi
khuẩn có thể di chuyển một khoảng cách ngắn (µm) hướng đến nơi có chất dinh dưỡng
(tính hướng hóa dương tính) cũng như tránh xa hóa chất có hại (tính hướng hóa âm tính).
Roi xuất phát từ hạt cơ bản ở tế bào chất qua màng ra ngoài. Về cấu tạo hóa học, roi được
cấu tạo bởi protein gọi là flagelin. Các flagelin mang tính chất kháng nguyên gọi là kháng
nguyên H. Cách sắp xếp roi là một tiêu chuẩn trong phân loại hình thái (Morphology
taxonomy) vi khuẩn.
Trong công tác nuôi cấy vi khuẩn, xác định roi cũng là một điểm để phân biệt giữa
các loại vi khuẩn. Khi cấy trên mặt thạch, khuẩn lạc của vi khuẩn có roi thường có mép
răng cưa hoặc có thùy.

29
Hình 1–7. Hình chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
của vi khuẩn đất với nhiều roi (Raven et al., 2017)
Tiêm mao (Fimbriae): là cấu trúc phụ, ngắn và có số lượng lớn nằm trên bề mặt tế
bào và không giúp cho vi khuẩn chuyển động. Thường có ở vi khuẩn Gram dương (như S.
pyogenes) và có thể ở một số vi khuẩn Gram âm. Chúng tham gia vào việc bám vào bề
mặt tế bào hình thành màng sinh học để bắt đầu quá trình lây nhiễm.
Nhung mao (Pili): thường có số lượng ít hơn tiêm mao nhưng dài hơn tiêm mao.
Nhung mao chỉ có ở vi khuẩn Gram âm và nó liên quan đến quá trình tiếp hợp của vi
khuẩn. Trong quá trình này DNA được trao đổi thông qua cầu nối nhung mao giữa 2 tế
bào. Tiếp hợp vi khuẩn trong môi trường giúp tăng cường đa dạng vi khuẩn cũng như
thích ứng tốt hơn với môi trường.
+ Pili giới tính (F): Ngoài roi, qua kính hiển vi điện tử còn thấy ở vi khuẩn Gram âm
có một sợi dài cứng xuất phát từ thành tế bào và tận cùng là một nút. Pili là chỗ bám của
phage để phage bơm vật liệu di truyền vào vi khuẩn. Mỗi vi khuẩn có từ 1– 4 pili giới tính.
+ Pili chung: là những sợi ngắn và thẳng cũng xuất phát từ thành tế bào. Mỗi vi
khuẩn có từ 100 – 200 pili chung. Ở một số vi khuẩn nhờ có pili mà có tính chất gây bệnh,
làm cho hồng cầu bị ngưng kết.
1.2.9. Nội bào tử vi khuẩn (Bacterial Endospores)
Một số vi khuẩn Gram dương khi gặp điều kiện không thích nghi, chúng hình thành
nội bào tử. Nó là một cấu trúc “tạm nghỉ” gồm nhiều lớp màng dày khó thấm, bao ngoài
bởi hợp chất calci dipicolinate (DPA–Ca) có tính bền nhiệt, chịu được ánh sáng tử ngoại,
chất phân giải và nguồn dinh dưỡng thấp (Hình 1–8). Một tế bào vi khuẩn chỉ tạo một nội
bào tử nên loại bào tử này không phải là bào tử sinh sản.
Một hợp chất khác của vỏ bào tử mới tìm thấy là acid L–N–succinyl–glutamic
không có trong tế bào sinh dưỡng và chỉ được tổng hợp khi hình thành bào tử, ngay giai
đoạn đầu khi hình thành vách ngăn DNA mới với một ít nguyên sinh chất, hợp chất này
giúp cho bào tử bền nhiệt.
30
Tùy theo từng loại vi khuẩn mà nội bào tử nằm ở giữa thân (vi khuẩn than Bacillus
anthracis), ở một đầu như trực khuẩn uốn ván (Clostridium tetani). Khi vi khuẩn bị phân
giải thì nội bào tử trở thành tự do, nếu gặp điều kiện thuận lợi bào tử mọc mầm trở thành
trạng thái vi khuẩn sinh dưỡng hoạt động như trước.
Những vi khuẩn có khả năng hình thành nội bào tử gồm nhiều loài thuộc các chi
Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacillus, Thermoactinomyces... Khi
hình thành bào tử tế bào có thể mất đi 70% nước và kích thước bé lại. Bào tử có thể tồn tại
rất lâu trong tự nhiên, ví dụ B. anthracis có thể sống tiềm sinh trong nhiều năm, trong một
số chất độc, trong kháng sinh mà bình thường tế bào sinh dưỡng bị chết rất nhanh.
Khi đưa bào tử vào môi trường thuận lợi để phát triển, bào tử sẽ có hàng loạt thay
đổi tích cực và mọc mầm, trải qua 3 giai đoạn chủ yếu: hoạt hóa, nứt vỏ và mọc ra.
Muốn quan sát được bào tử người ta dùng phương pháp nhuộm bào tử của Schaefera
và Fulton, M.A. Peskov hoặc phương phương pháp Ziehl do Muller cải tiến...

Hình 1–8. Nội bào tử vi khuẩn (Manisha, 2013)


A–Vị trí nội bào tử trong tế bào mẹ, B–Cấu trúc của một nội bào tử,
C–Quá trình mọc mầm của nội bào tử

2. VI KHUẨN ĐẶC BIỆT

2.1. Xạ khuẩn (Actinomycetes)


2.1.1. Đặc điểm của xạ khuẩn
Xạ khuẩn là tên chung để chỉ nhóm VSV đơn bào có hình sợi phân nhánh như nấm
nhưng kích thước và cấu trúc giống với vi khuẩn Gram dương. Thành tế bào không chứa
cellulose và chitin mà có glucopeptide dày khoảng 50 µm. Nhân chưa có màng, chất nhân
phân tán, chưa có ti thể, lưới nội chất và bộ máy Golgi.
Xạ khuẩn phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Số lượng đơn vị sinh khuẩn lạc (CFU:
Colony–forming unit) xạ khuẩn trong 1g đất thường có 106 108 CFU.
Xạ khuẩn có cấu tạo dạng sợi phân nhánh không có thành ngăn, thường gọi là khuẩn ti,

31
tập hợp nhiều khuẩn ti gọi là khuẩn ti thể, đường kính khuẩn ti từ 0,4 0,6 µm (Hình 1–9).
Xạ khuẩn sinh sản vô tính bằng một đoạn sợi; bằng bào tử (cắt khúc hay kết đoạn)
sinh sản cận hữu tính bằng cách thành lập cầu tiếp hợp.
2.1.2. Vai trò của xạ khuẩn
Xạ khuẩn tham gia vào nhiều quá trình chuyển hóa trong tự nhiên của nhiều hợp
chất trong đất. Khoảng 80% thuốc kháng sinh thu nhận từ xạ khuẩn. Xạ khuẩn còn có khả
năng sinh ra các enzyme, một số vitamin thuộc nhóm B và acid hữu cơ. Đặc điểm này
được sử dụng trong nghiên cứu sản xuất các chất kháng sinh dùng trong y học, nông
nghiệp, bảo quản thực phẩm.
Sau khi Waskman, 1943, phát hiện ra kháng sinh chống lao Streptomycin từ loài xạ
khuẩn Streptomyces streptomycini thì nhóm này trở thành trung tâm của các cuộc tìm
kiếm những loại kháng sinh mới.

Hình 1–9. Xạ khuẩn chi Streptomyces. 1–Hình dạng khuẩn ti xạ khuẩn, 2– Bào tử xạ khuẩn nẩy mầm,
3– cuống sinh bào tử và chuỗi bào tử (Nguyễn Lân Dũng và CS, 2002)

2.2. Niêm vi khuẩn (Myxobacteriales)


Chúng là những vi khuẩn Gram âm tạo khuẩn lạc nhầy nhớt, kí sinh hoặc hoại sinh.
Chu trình sinh sản gồm hai giai đoạn:
 Giai đoạn tế bào sinh dưỡng
 Giai đoạn bào tử, hình thành quả thể.
Một số loài niêm vi khuẩn đã có nhân phân hóa khá phát triển. Chúng phân bố rất
rộng rãi trong đất, trong phân chuồng, trong rác rưởi… Rất nhiều niêm vi khuẩn có khả
năng phân giải mạnh mẽ các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như cellulose, chitin… Chúng
góp phần tích cực vào những quá trình chuyển hóa vật chất trong tự nhiên. Theo
32
Krassilnicov, niêm vi khuẩn bao gồm 5 họ và 13 chi. Trong đó các chi phân giải cellulose
được tìm thấy thuộc chi Promyxobacteria, Cytophyta, Sporocytophyta, Sorangium.
Vai trò: Niêm vi khuẩn là những vi sinh vật sống hoại sinh, hiếu khí, tiết enzyme
phân hủy cellulose, chitin và nhiều chất hữu cơ phức tạp khác. Phân bố rộng rãi trong đất,
rác thải hữu cơ, phân chuồng. Chúng góp phần tích cực vào những quá trình chuyển hóa
vật chất trong tự nhiên.

2.3. Xoắn thể (Spirochaetales)


Chúng là những VSV đơn bào hình sợi xoắn không phân nhánh, chất nhân
(nucleoid), tế bào xoắn có thể đi qua các lỗ màng lọc rất nhỏ (0,20,5 µm). Kích thước
xoắn thể khác nhau (0,10,6)  (5100) µm.
Xoắn thể sinh sôi nảy nở theo lối phân cắt ngang, nhưng đôi khi có thể phân cắt theo
chiều dọc, một số có thể tạo thành thể qua lọc di động bằng uốn vặn cơ thể. Khi gặp điều
kiện thuận lợi thể qua lọc phát triển thành xoắn thể bình thường.
Xoắn thể không sinh bào tử, không hình thành vỏ nhầy và không chứa sắc tố, không
có thành tế bào vững chắc, khó nuôi cấy trên môi trường thông thường. Xoắn thể thường
gây bệnh cho người và động vật: xoắn thể giang mai (Treponema pallidum), sốt hồi quy
(Borrella recurrentis). Theo Bergey xoắn thể gồm 2 họ và 6 chi.

2.4. Mycoplasma
Đây là loại VSV nhỏ nhất trong sinh giới có đời sống dinh dưỡng độc lập. khó
nhuộm với thuốc nhuộm kiềm, hình thể khác nhau tùy thuộc vào thời gian nuôi cấy, người
ta có thể quan sát bằng kính hiển vi nền đen, nhuộm Giemsa. Mycoplasma có thể phát
triển trên môi trường có hoặc không có tế bào sống, hiếu khí hoặc kỵ khí tuyệt đối, nhiệt
độ thích hợp 35 – 370C, pH 7 - 7,8. Trên môi trường lỏng khó quan sát vi khuẩn mọc vì
canh khuẩn trong suốt. Trên môi trường đặc mọc thành khuẩn lạc, mọc lấn xuống thạch,
rìa khuẩn lạc mỏng và bẹt. Chứa DNA và RNA, tỷ lệ RNA/DNA nhỏ hơn 1. Thuộc loại
hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc. Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên, có đời
sống hoại sinh, nhiều loại có thể gây bệnh viêm màng phổi (Pleuro–Pneumonia Like
Organisms – PPLO) cho người, gia súc, gia cầm. Mycoplasma có hình hạt nhỏ riêng lẻ hay
tập trung từng đôi, từng chuỗi ngắn, hình vòng nhẫn, vòng khuyên, là loại Gram âm, có
kích thước khoảng 150 – 300 nm. Mycoplasma không có thành tế bào, chỉ có màng
nguyên sinh chất dày 70 – 100 Å, trong tế bào có các hạt ribosome và thể nhân (Hình 1–
10). Mycoplasma sinh sản theo phương thức cắt đôi. Hiện nay người ta đã biết khoảng
80 loài.
Theo hệ thống phân loại của Bergey (1994) chúng thuộc bộ Mycoplasmatales và
có 3 họ là Mycoplasmataceae, Acholeplasmataceae và Spiroplasmataceae.

33
Hình 1–10. Tế bào Mycoplasma chụp dưới kính hiển vi điện tử
(Kamran Afzan, 2010) và sơ đồ cấu tạo tế bào Mycoplasma fermentans (phải)

2.5. Rickettsia
Rickettsia được Ricketts và Wilder phát hiện năm 1910. Rickettsia có cấu trúc giống
với tế bào vi khuẩn. Chúng là loài bắt buộc ký sinh trong nội bào, nên sự tồn tại của
Rickettsia phụ thuộc vào sự tồn tại, phát triển và nhân lên trong tế bào chủ.
Ricketts (1909) phát hiện ra mầm bệnh của bệnh sốt thương hàn phát ban và ông
đã mất năm 1910 trong khi nghiên cứu bệnh này, vì vậy để ghi nhớ công lao của nhà khoa
học này, người ta đã đặt tên ông cho nhóm vi khuẩn này là Rickettsia (Hình 1–11).

Vi khuẩn Rickettsia prowazekii Kí chủ Dermacentor andersoni


Hình 1–11. a. Howard Taylor Ricketts (1871–1910) (Andersson et al., 2000)

Khác với Mycoplasma, Rickettsia có nhân, tế bào chất và màng tế bào chất, có hai
loại acid nucleic là DNA và RNA nhưng hệ thống enzyme nghèo nàn, vì vậy không phát
triển được ở môi trường dinh dưỡng nhân tạo. Tế bào có kích thước khá thay đổi, loại
nhỏ nhất chỉ là 0,25 1,0 µm, có loại có kích thước 0,61,2 µm, loại lớn nhất đạt
0,82,0 µm. Tế bào có hình thái biến hóa, có thể có hình que, hình cầu, hình song cầu,
hình sợi. Trong tế bào chủ Rickettsia thuộc nhóm vi khuẩn Gram âm, thường tụ tập thành
từng khối dày đặc. Sinh sản bằng cách phân cắt thành 2 phần bằng nhau. Dưới kính
hiển vi điện tử, Rickettsia có thành tế bào, màng nguyên sinh chất và các thể trung

34
tâm hình sợi gọi là chất nhân.
Rickettsia chứa khoảng 30% protein, ngoài ra còn có khá nhiều lipid trung tính,
phospholipid và carbohydrate. Hàm lượng DNA chiếm khoảng 9% so với khối lượng
khô của tế bào. Hàm lượng RNA thay đổi tùy theo loài nhưng thường gấp 2–3 lần so với
DNA. Rickettsia có khả năng dự trữ năng lượng trong ATP và có hệ thống enzyme
cytochrome nhưng không tự tổng hợp và tích lũy được amino acid cần thiết cho chúng.

Vật chủ của Rickettsia là các động vật chân đốt như ve, bét, bọ, rận, các động vật
nhỏ bé này sẽ truyền mầm bệnh qua động vật và người như bệnh sốt phát ban, bệnh sốt
hồi quy.
Theo hệ thống phân loại của Bergey (1994) thì Rickettsia thuộc bộ Rickettsiales,
trong bộ này có 3 họ với 14 chi: họ Rickettsiaceae có 8 chi, họ Bartonellaceae có 2 chi và
họ Anaplasmataceae có 4 chi.

2.6. Chlamydia
Chlamydia là loại vi khuẩn nhỏ bé, Gram âm, chúng vừa có một số đặc tính giống vi
khuẩn vừa có đặc tính giống virus. Giống vi khuẩn vì chúng có cấu tạo tế bào, có chứa cả
hai loại acid nucleic DNA và RNA, có thành tế bào chứa peptidoglycan… nhưng lại kí
sinh trong tế bào vật chủ, hay nói một cách khác chỉ nhân lên trong tế bào chủ nhân thực
(điều này giống virus).
Chlamydia có cấu tạo tế bào ở hai dạng: một dạng là tế bào hình cầu có khả năng
chuyển động, kích thước nhỏ (0,15– 0,2 µm), khi nhiễm vào vật chủ, thể này tấn công và
bám chắc vào mặt ngoài của tế bào chủ, loại tế bào này gọi là thể cơ bản. Thể cơ bản này
xâm nhập tế bào chủ và nhờ tác dụng của thực bào ở tế bào vật chủ mà thể cơ bản này lọt
vào trong tế bào, phần màng bao quanh thể cơ bản biến thành không bào, thể cơ bản dần
dần lớn lên trong không bào và trở thành dạng gọi là thể lưới. Thể lưới này có tế bào hình
cầu lớn, với màng bao bọc mỏng. Dạng hình cầu này có kích thước 0,8 – 1,5 µm, ở trong
tế bào vật chủ dạng này có thể phân cắt chia đôi và tạo thành nhiều tế bào vi khuẩn trong
vật chủ. Đây chính là hình thức sinh sản của Chlamydia. Sau khi đạt đến số lượng lớn thì
các tế bào này lại phân hóa thành các thể cơ bản màng dày và có tính lây nhiễm cao. Tế
bào vật chủ vỡ ra sẽ giải phóng hàng loạt những thể cơ bản và rồi vi khuẩn lại gây nhiễm
vào các tế bào khác.
Chlamydia khi gây bệnh đường sinh dục chúng thường gây viêm cổ tử cung, viêm
hố chậu, niệu đạo, đặc biệt chủng C. trachomatis còn gây đau mắt ở trẻ sơ sinh, đau mắt
hột, viêm kết mạc, viêm phổi người lớn và trẻ em.
Theo hệ thống phân loại của Bergey (1994) thì Chlamydia chỉ là 1 chi thuộc họ
Chlamydiaceae, bộ Chlamydiales.

35
2.7. Vi khuẩn lam (Cyanobacteria)
Vi khuẩn lam là nhóm vi sinh vật nhân sơ, có cấu tạo gần giống với cấu tạo của vi
khuẩn Gram âm. Vi khuẩn lam có kích thước khoảng 1 – 30 µm (Hình 1–12). Chúng có
khả năng tự dưỡng quang năng nhờ chứa sắc tố quang hợp α–carotene và các sắc tố phụ.
Vi khuẩn lam là thành phần của thực vật phù du sống trong nước ngọt, một số sống trong
vùng nước mặn giàu chất hữu cơ. Vi khuẩn lam có khả năng cố định nitơ và đề kháng cao
với điều kiện bật lợi.

Hình 1–12. Hình dạng vi khuẩn lam Nostoc ( Ashish Dhakal – October 02, 2012) (trái);
Hiện tượng nước nở hoa ở Hồ Xuân Hương – Đà Lạt (phải) Ảnh: Khắc Dũng, 2012.
Một số vi khuẩn lam sống trong ao hồ thường phát triển mạnh quá mức làm nước bị
đục và tạo ra hiện tượng “nước nở hoa”. Khi đó nước có màu xanh xỉn và có mùi vị khó
chịu, làm giảm lượng oxi trong nước, gây hại cho cá, nhiều khi ảnh hưởng
tới nguồn nước cung cấp cho các đô thị, các khu công nghiệp…

2.8. Ý nghĩa thực tiễn của vi khuẩn


Vi khuẩn chiếm hơn 90% vi sinh vật đất, bởi vậy nó đóng vai trò quyết định trong
các quá trình chuyển hóa trong đất. Vi khuẩn tham gia vào hầu hết các vòng tuần hoàn
trong tự nhiên. Nhiều vi khuẩn có ích được ứng dụng vào sản xuất, chế biến nhiều sản
phẩm có giá trị như mì chính, nước chấm, các loại phân bón vi sinh, thuốc trừ sâu sinh
học. Ngược lại, cũng có rất nhiều loài vi khuẩn gây bệnh cho người, động thực vật như
bệnh uốn ván (tetanus), sốt thương hàn (typhoid fever), giang mai (syphilis), tả (cholera),
bệnh lây qua thực phẩm (foodborne illness) và lao (tuberculosis). Ở thực vật, vi khuẩn gây
mụn lá (leaf spot), fireblight và héo cây… và gây hư hỏng quân trang vật dụng.
Ngày nay với những thành tựu khoa học hiện đại, người ta đã tìm ra những biện
pháp hạn chế những tác hại do vi khuẩn gây ra, ví dụ như việc dùng chất kháng sinh,
vaccine phòng bệnh.

36
3. VI KHUẨN CỔ (Archaea)

Vi khuẩn cổ (Archaea) là nhóm cơ thể nhân sơ có sớm nhất (khoảng 4 tỷ năm trước
đây), thành tế bào chứa pseudomurein, có intron và exon trong DNA được Carl R. Woese
tách ra thành một nhánh tiến hóa riêng. Những cơ thể còn lại hiện nay thường sống trong
các điều kiện khác thường.
Những nghiên cứu gần đây về nhiệt độ và pH tối ưu của vi khuẩn ưa nhiệt và
Archaea cho phép chia VSV cổ thành 2 nhóm: Crenarchaeota và Euryarchaeota. Nhóm
Crenarchaeota là những VSV cổ kị khí bắt buộc, ưa nhiệt và ưa acid (Thermoacidophiles,
Thermophiles anaerobies stricts). Nhóm Euryarchaeota là những VSV cổ ưa mặn, sinh
methane (methanogenes) và một vài loài kị khí ưa nhiệt.
Có các nhóm sinh lý và sinh thái quan trọng là:

3.1. Các cơ thể sinh methane (methanogenes)


Đây có lẽ là nhánh cổ xưa nhất, ở các lớp nước sâu ở đáy, kị khí, các thuỷ vực nước
ngọt, nước lợ và nước mặn, trong đường ruột của động vật nhai lại và trong các nguồn
chất thải động vật. Vi khuẩn methane có khả năng sử dụng H2 làm nguồn năng lượng và
CO2 làm nguồn carbon để thực hiện quá trình trao đổi chất điển hình là Methanobacterium
ivanovii, M. Thermoautotrophicum... Sản phẩm của quá trình trao đổi chất là khí methane
được tích tụ trong môi trường. Vi khuẩn sinh khí methane có nhiều tiềm năng được sử
dụng để tạo năng lượng sinh học từ chất thải nông, công nghiệp.

3.2. Các cơ thể ưa mặn (halophiles)


Các cơ thể ưa mặn như Haloarcula, Halobacterium. Những cơ thể này sống trong
môi trường có nồng độ muối cao (ở biển, ở các mỏ muối), hấp thu chất dinh dưỡng chủ
yếu là do chênh lệch gradient nồng độ muối tạo ra, quá trình quang hợp ở đây khá đặc biệt
nhờ Bacteriorhodopsine, hợp chất liên kết trong màng tế bào chất chứ không phải là
khuẩn diệp lục (bacteriochlorophyll).

Hình 1–13. Hình thái một vài đại diện vi khuẩn cổ ưa mặn (Tortora et al.,1997)

37
3.3. Vi khuẩn cổ ưa nhiệt cao (hyperthermophiles)
Vi khuẩn cổ ưa nhiệt cao là những sinh vật có khả năng sống ở điều kiện nhiệt độ
cao hơn cả trong giới sinh vật, chúng đều có nhiệt độ sinh trưởng tối ưu trên 80°C, nhiều
loài có thể sinh trưởng ở nhiệt độ nước sôi hoặc cao hơn nữa. Ngoại trừ một vài trường
hợp, đa số vi khuẩn cổ ưa nhiệt cao sinh trưởng kị khí bắt buộc và thực hiện dinh dưỡng
theo phương thức hóa dưỡng hữu cơ hoặc hóa dưỡng vô cơ. Hầu hết các loài đều có nhu
cầu về lưu huỳnh, hoặc làm chất nhận điện tử trong hô hấp kị khí, hoặc làm chất cho điện
tử trong hô hấp hiếu khí. Các loài kị khí có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ và vô cơ (như
H2) để khử lưu huỳnh S0 thành H2S. Ngược lại, các loài hiếu khí oxy hóa H2S, S0 thành
acid sulfuric. Ngoài ra, một số loài có khả năng thực hiện hô hấp kị khí sử dụng các chất
nhận điện tử khác ngoài S0 như là nitrate (Pyrolobus, Pyrobaculum), sulfate
(Archaeoglobus) hay sinh methane (Methanopyrus).
Về hình thái, vi khuẩn cổ ưa nhiệt cao tương đối đa dạng, nhiều loại có hình dạng tế
bào đặc biệt. các loài sống ở những vùng núi lửa dưới đáy đại dương với nhiều đại diện
sinh trưởng ở trên 100°C nhờ áp lực của nước biển

3.4. Các cơ thể ưa nhiệt cao, ưa acid (Thermoacidophiles)


Chúng là những cơ thể sống ở nguồn đất – nước nóng, ở vùng núi lửa, chúng là
những cơ thể hiếu khí hoặc hiếu kị khí.
Ví dụ: Sulfolobus acidocaldaricus có nhiệt độ sinh trưởng tối đa là 900C và tối ưu là
750C, ở pH tối ưu là 2,5. Thermoplasma acidophilum có nhiệt độ sinh trưởng tối đa là
650C và tối ưu là 600C, ở pH tối ưu là 1,5.

3.5. Vai trò của vi khuẩn cổ


Vi khuẩn cổ là một nhóm vi sinh vật phân bố khắp mọi nơi, chúng sống ở những
môi trường rất khắc nghiệt, như suối nước nóng hay hồ mặn, những nơi có pH thấp, trong
các vùng sình lầy, và đặc biệt tập trung nhiều trong các đại dương. Các vi khuẩn cổ trong
cộng đồng sinh vật phù du có thể là một trong những nhóm các sinh vật có số lượng đông
đảo nhất trên Trái Đất. Chúng được ghi nhận như một phần quan trọng của sự sống trên
hành tinh và có thể đóng vai trò ở cả chu trình carbon, chu trình nito và chu trình các chất
khoáng. Chưa phát hiện thấy các mầm bệnh hay ký sinh là vi khuẩn cổ, chúng thường là
những sinh vật hỗ sinh hoặc hội sinh. Nhiều loài sinh methane cư trú trong ruột người
và động vật nhai lại, có số lượng lớn trợ giúp tốt cho tiêu hóa. Các vi khuẩn cổ sinh
methane thường được ứng dụng trong sản xuất biogas và xử lý nước thải, và các enzyme
từ các vi khuẩn cổ sống nơi khắc nghiệt, có thể chịu được độ mặn cao, nhiệt độ cao và
các dung môi hữu cơ, được khai thác trong ngành công nghệ sinh học. Bên cạnh đó cũng
có một số vi khuẩn cổ sinh metan là nguồn chính của methane khí quyền và là nguyên
nhân làm tăng phát thải khí nhà kính và gây ra hiện tượng ấm lên toàn cầu.

38
Bảng 1–1. So sánh một số tính chất giữa vi khuẩn (Bacteria) và vi khuẩn cổ (Archaea)

Tính chất Bacteria Archaea


Thành phần thành tế bào Murein Pseudomurein, protein,
polysaccharide
Lipid của màng Glycerol, acid béo, ester Glycerol, ester isopropanol
Hình dạng tế bào có loại hình – + (hoặc không)
vuông và dẹt
Nội bào tử (endospore) + (hoặc không) –
Chất "ở nhánh" của RNAt Ribothymidin Pseudouridine hoặc
L-methylpseudouridine
Hình thành chất kích thích + –
methionyl RNAt
Các intron trong gen – +
Có Polymerase– RNA loại nhân – +
thực
Có coenzyme đặc biệt – +
Nhiệt độ sinh trưởng tối đa 900C 0
110 C hoặc hơn
Có quang hợp phức tạp Có thể –
Có thể sinh methane – +
Chu trình Calvin được sử dụng Có thể –
khi cố định CO2

TÓM TẮT CHƯƠNG


Vi sinh vật nhân sơ là các sinh vật có cấu trúc đơn giản nhất, nhân chưa có màng
(thường gọi là thể nhân – nucleoid) chưa có ty thể, lưới nội chất và bộ máy Golgi. Sinh vật
nhân sơ bao gồm vi khuẩn và vi khuẩn cổ (Archaea). Đặc tính cấu trúc của sinh vật nhân
sơ được tóm tắt ở (Bảng 1–2).
Vi khuẩn thật (Bacteria) là một nhóm sinh vật đơn bào, có kích thước nhỏ nhân
chưa có màng, 1 NST trần, chưa có hiện tượng xoang hóa, sinh sản chủ yếu theo hình thức
phân đôi. Chúng thường có thành tế bào với thành phần cấu tạo là murein (peptidoglycan).
Xạ khuẩn (Actinomycetes) là tên chung để chỉ nhóm VSV đơn bào có hình sợi phân
nhánh như nấm nhưng kích thước và cấu trúc giống với vi khuẩn Gram dương, có vai trò
quan trọng nuôi trồng thủy sản, trong y học, thú ý học, trong bảo vệ thực vật.
Vi khuẩn lam (Cyanobacteria) có chứa sắc tố quang hợp tilacoid, nên có khả năng
quang hợp. Chúng có giá trị dinh dưỡng cao, chứa nhiều protein, amino acid, vitamin và
nhiều yếu tố sinh trưởng khác. Chúng có ý nghĩa quan trọng trong quá trình hình thành và
cải tạo đất, là nguồn thức ăn tốt cho thủy sản.
Các vi khuẩn cổ (Archaea) mà trước đây gọi là (Archaebacteria) là nhóm cơ thể nhân
sơ có sớm nhất (khoảng 3,5 – 4 tỷ năm trước đây), thành tế bào chứa pseudomurein, có
intron và exon trong DNA. Vi khuẩn cổ là một nhóm VSV đa dạng, không những về hình

39
thái và sinh lý, mà còn về môi trường sống, cung cấp nguồn gene quý và có vai trò rất quan
trọng trong hệ sinh thái trên trái đất mà hiện nay con người còn chưa hiểu rõ được.

Bảng 1–2. Cấu trúc và chức năng tế bào sinh vật nhân sơ
Vị trí Cấu trúc Chức năng
Tế bào Nhiễm sắc thể – Chứa thông tin di truyền và quá trình nhân đôi (DNA)
chất
Plasmid – DNA ngoài nhiễm sắc thể cung cấp các lợi thế cạnh tranh cho
tế bào như kháng kháng sinh…
Ribosome – Tổng hợp protein (rRNA và protein)
Vỏ bọc tế Màng tế bào – Màng thấm chọn lọc có ở các loại vi khuẩn cho phép hấp thụ
bào và đào thải chất dinh dưỡng, độc tố và các sản phẩm đào thải
của tế bào, được cấu trúc bởi 2 lớp phospholipid và protein tạo
thành các kênh trao đổi ion, bơm proton và các thu thể.
Thành tế bào – Cứng, cấu trúc bán thấm nhằm tạo hình và bảo vệ tế bào.
Khoang chu chất – Chứa các chất dinh dưỡng đạt được, vận chuyển điện tử, biến
(periplasmic space) đổi các độc chất đối với tế bào.
Màng ngoài – Màng bán thấm thứ hai chỉ được tìm thấy ở các tế bào Gram
âm. Lớp ngoài cùng chứa các phân tử lipopolysaccharide (LPS)
– nôi đôc tố.
Lipopolysaccharide – Nằm ở lớp ngoài của màng ngoài tế bào Gram âm. Các phân
(LPS) tử mang điện tích âm giúp tế bào tương tác gián tiếp với môi
trường. Các phân tử này là nội độc tố và kháng nguyên.
Teichoic acid – Nằm chèn vào thành peptidoglycan của các tế bào Gram
dương. Các phân tử mang điện tích âm giúp tế bào tương tác
gián tiếp với môi trường, bám dính... Acid teichoic là kháng
nguyên.
Lớp S – Lớp protein đơn phân ở bề ngoài của tế bào, bảo vệ tế bào
chống lại các thể ăn khuẩn (phage), đống vai trò bảo vệ sự xâm
nhập của các đại phân tử, giúp ổn định tế bào và cũng có vai trò
điểm bám dính cho các protein bên ngoài. Lớp S kết hợp với
LPS ở vi khuẩn Gram âm, với peptidoglycan ở vi khuẩn Gram
dương, với Pseudomurein hay Methanochondroitin ở Archaea
Mặt ngoài Glycocalyx – Một lớp hỗn hợp polysaccharide, protein và DNA ngoài bao
tế bào bọc bên ngoài màng tế bào, bảo vệ tế bào khỏi bị thực bào và
khô. Một lớp khuyếch tán không đều vai trò như lớp chất nhờn
và một lớp phân biệt khác như là giáp mạc.
Phần phụ Roi – Phần phụ dài ra giúp cho việc di chuyển của tế bào.
Tiêm mao hay vi – Cấu trúc protein mảnh và rỗng giúp cho việc bám dính giữa
nhung các tế bào cũng như các bề mặt.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

40
1. Các loại vi sinh vật nhân sơ? Vi khuẩn phân bố ở đâu?
2. Đặc điểm của các loại vi sinh vật nhân sơ?
3. Vai trò của các loại vi sinh vật nhân sơ?
4. Xạ khuẩn giống và khác nấm sợi ở những đặc điểm nào?
5. Khuẩn lạc của xạ khuẩn giống và khác với khuẩn lạc nấm sợi ở những đặc điểm nào?
6. Vai trò của vi khuẩn cổ? Archaea khác với Bacteria ở những đặc điểm nào?
* Chọn đáp án đúng nhất
7. Đặc điểm chung của vi khuẩn và xạ khuẩn là:
(1). Chưa có nhân phân hóa;
(2). Chưa có bào quan có màng bao
(3). Thành tế bào chứa peptidoglycan
(4). Chưa có sinh sản hữu tính
(5). Ribosome 70S
A. 1– 2– 3 –4;
B. 2–3–4–5;
C. 1–2–3–5;
D.1– 2– 4 –5.
E. Tất cả các ý trên.
8. Peptidoglycan gặp ở thành (vách ) tế bào vi khuẩn chứa tất cả các phân tử sau đây, trừ:
a. NAM; b. Các tetrapeptide; c. NAG; d. Các phospholipid
9. Mục đích sau đây của thành tế bào vi khuẩn là mục đích chủ yếu?
a. Nó cho phép tế bào di động;
b. Nó giúp tế bào thu nhận chất dinh dưỡng.
c. Nó tạo cho tế bào một hình dạng đặc thù;
d. Nó bảo vệ tế bào khỏi lực thẩm thấu.
10. So sánh một số tính chất giữa vi khuẩn và vi khuẩn cổ
Đặc điểm so sánh Bacteria Archaea
a. Tế bào có dạng hình vuông hoặc hình sao
b. Không hình thành nội bào tử
c. Không có intron trong gene (hệ gene không phân
mãnh, gene liên tục)
d. Nhiều loài sinh methane và dinh dưỡng methane
e. Sống trong điều kiện sinh thái đặc biệt
f. Lipid màng có glycerol, acid béo mạch thẳng và liên
kết ester
j. Có thymine trong tRNA

41
*Điền vào các chỗ trống
11. Sự khác biệt cơ bản giữa tế bào Prokaryote với tế bào Eukaryote là ở chỗ:
a. Nguyên liệu di truyền của chúng...................... không được bao bọc bởi........
b. Thiếu các bào quan như:....................................được bao bọc bởi màng.
c. Thành tế bào luôn luôn chứa phức hệ....................hay còn gọi là..........
d. Ribosome của các tế bào prokaryote thuộc loại............................
12. Nội bào tử là thể.......(a)........ của các tế bào vi khuẩn, không phải là phương tiện sinh
sản, khi gặp điều kiện thuận lợi, bào tử sẽ nảy mầm và mỗi bào tử chi cho....(b)....tế bào
sinh dưỡng.

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ


1. Angstrom (Å): Đơn vị đo chiều dài tương ứng 10–10 m
2. Archaea: Vi khuẩn cổ trước đây dùng là Archaebacteria
3. Bào tử đính (Conidiospore): Bào tử vô tính được sinh ra từ đầu của cuống bào tử.
4. Bộ gen của vi khuẩn là một phân tử DNA dạng vòng gấp khúc và tự xoắn nằm
trong tế bào chất (còn gọi là nhiễm sắc thể vi khuẩn hay nucleoid). Chiều dài 1mm nhưng
gấp khúc để nằm trong tế bào có đường kính 2–3m. Không gian chật hẹp còn buộc DNA
tạo nên cấu trúc siêu xoắn (supercoil). DNA được chuyển đổi trong quần thể nhờ: tiếp
hợp, tải nạp và biến nạp.
5. Cuống bào tử (Conidiophore): Sợi khí sinh mang các đính bào tử.
6. Intron là những đoạn DNA bên trong một gene nhưng không tham gia vào việc
mã hóa protein. Chúng thường xuất hiện trong các sinh vật eukaryote và không được tìm
thấy trong các sinh vật prokaryote (Đôi lúc được tìm thấy trong các loài vi khuẩn cổ).
7. Khuẩn lạc (Colony): Một dòng tế bào được sinh ra trên môi trường đặc nhờ sinh
sản vô tính phân đôi từ tế bào ban đầu, có thể nhìn thấy khuẩn lạc bằng mắt thường.
8. Nội bào tử (endospore) là dạng nghỉ của tế bào khi gặp điều kiện không thích
nghi. Nội bào tử có lớp vỏ dày và chứa Calcium dipicolinate (C12H8CaN2O4).
9. Nucleoid: Thể nhân, nhân sơ chưa có màng nhân bao bọc.
10. Plasmids:(thường) là các phân tử DNA mạch đôi dạng vòng nằm ngoài DNA
nhiễm sắc thể chứa thông tin cho môt đặc điểm nào đó, ví dụ tính kháng thuốc). Chúng
thường hiện diện trong vi khuẩn, đôi khi cũng có ở sinh vật có nhân thực (eukaryote) (ví
dụ như vòng 2 micrometre ở S. cerevisiae). Chúng có kích thước khoảng từ 1 đến hơn 400
kilobase pairs (kbp). Chúng có thể hiện diện chỉ một bản sao, đối với plasmid lớn, cho tới
vài trăm bản sao trong cùng một tế bào.
11. Xạ khuẩn (Actinomycetes): Vi khuẩn Gram dương, trong chu trình sống hình
thành hệ sợi phân nhánh không vách ngăn, đầu cuống bào tử có thể hình thành bào tử
riêng lẻ hoặc chuỗi. Các xạ khuẩn hình thành bộ xạ khuẩn (Actinomycetales, Bergay’s
Manual, 1989).

42
Chương2
VI SINH VẬT NHÂN THỰC

Mục tiêu
 Nắm được đặc điểm đặc trưng của các nhóm vi sinh vật nhân thực
 Hiểu được chức năng của các nhóm vi sinh vật nhân thực
 Vận dụng những hiểu biết về đặc điểm của vi sinh vật nhân thực để ứng dụng trong
xử lý chất thải, nước thải cải tạo và bảo vệ môi trường.

Vi sinh vật nhân thực bao gồm các vi sinh vật nhân có màng nhân, tế bào có hiện
tượng xoang hóa, có các bào quan có màng bao quan như ti thể, lưới nội chất, bộ máy
Golgi. Các nhóm vi sinh vật có nhân thật bao gồm vi nấm (nấm men, nấm sợi), vi tảo và
một số nguyên sinh động vật.

1. VI NẤM (Microfungi) VÀ NẤM MŨ (Cremini)

Vi nấm gồm nấm nem và nấm sợi (hay nấm mốc) là những sinh vật nhân
thực có thành tế bào bằng chitin. Phần lớn vi nấm phát triển dưới dạng các sợi đa
bào được gọi là sợi nấm (hyphae) tạo nên hệ sợi (mycelium), một số vi nấm khác lại phát
triển dưới dạng đơn bào, phần lớn, không có lục lạp, không có lông và roi. Sống dị dưỡng
hoại sinh, kí sinh, hay cộng sinh. Sinh sản chủ yếu bằng bào tử.
Nấm mũ là các loài nấm thuộc ngành Basidiomycota và Agaricomycetes.
Các cơ thể nấm với cấu tạo thành tế bào, kiểu trao đổi chất và hệ enzyme khác biệt
với các cơ thể nhân thực khác (thực vật, động vật) và khác xa với cơ thể nhân sơ nên từ
lâu đã được xếp thành một giới riêng  đó là giới nấm (Regnum fungi).
Có 4 đặc tính khác biệt giữa nấm và thực vật:
+ Nấm thiếu chlorophyll, trong khi thực vật có chứa chlorophyll
+ Thành tế bào nấm chứa carbohydrate được gọi là chitin, thành tế bào thực
vật chứa cellulose
+ Phần lớn nấm không có dạng đa tế bào thực như ở thực vật
+ Nấm là loài dị dưỡng, thực vật tự dưỡng
Theo phương pháp truyền thống, định danh loài nấm thường dựa vào hình thái, cấu
trúc bào tử và cấu tạo màng acid béo. Có khoảng 75 000 loài được miêu tả trong số 1,5
triệu loài nấm có thể tồn tại. Tuy nhiên, với việc sử dụng phương pháp giải trình tự DNA
hiện đại (High–throughput sequencing) thì số lượng loài có đến 5,1 triệu loài.
Dựa vào đặc điểm hình thái vi nấm được phân thành 2 nhóm chính: nấm men
(Levures, Yeasts) và nấm sợi (Moisissures).

43
Trong đất vi nấm có vai trò quan trọng trong việc phân hủy các chất hữu cơ thành
các chất dinh dưỡng cho thực vật. Cấu trúc nên lớp mùn màu mở của đất, tham gia vào
sực chuyển hoá các chất vô cơ trong đất. Một số loài nấm có khả năng lên men thực phẩm
như lên men rượu (Saccharomyces cerevisiae), một số có khả năng sinh chất kháng sinh
(Penicillium sp.), enzyme, các acid hữu cơ và nhiều chất khác.

Hình 2–1. Một số chi vi nấm (M.H. Cениюкова, 2015)


a– Rhizopus; b– Mucor; c–Aspergillus; d– Penicillium, 1–túi bào tử, 2–cuống bào tử, 3–rễ giả,
4–bào tử đính, 5–thể bình, 6–cuống sinh bào tử đính, 7–sợi bò lan

Màng nấm và thành tế bào nấm là cấu trúc phức tạp có vai trò thẩm thấu chọn lọc và
bảo vệ. Như sinh vật nhân thực, nấm có màng bao quanh các bào quan và được cấu tạo bởi
2 lớp phospholipid bên ngoài và lớp protein chèn ở giữa. Thêm vào lớp phospholipid,
màng nấm còn chứa sterol, glycolipid và sphingolipid, có thể dùng làm khóa để phân loại
nấm. Thành tế bào nấm là cấu trúc nhiều lớp bao gồm chitin, N–acetylglucosamine gốc
đường, cellulose, galactosan, chitosan và mannan. Một số thành tế bào còn chứa protein
và lipid (Xem hình màu 2–2 trang 337)

Hình 2–2. Cấu trúc thành tế bào nấm (Pepper et al., 2015)

44
Vi nấm không có một chu trình phát triển chung. Tùy loài mà có một trong 5 kiểu
chu trình phát triển: (1) chu trình lưỡng bội; (2) chu trình hai thế hệ; (3) chu trình đơn bội;
(4) chu trình đơn bội – song nhân và (5) chu trình vô tính.
Vi nấm có nguồn gốc chưa rõ ràng và có nhiều ý khiến khác nhau, các ngành, thậm
chí các lớp trong một ngành đã bắt nguồn từ các tổ tiên khác nhau. Người ta cho rằng nấm
cổ có tổ tiên từ trùng roi nào đó. Các dạng nấm hiện nay đã xuất hiện rất lâu. Các bào tử
của chúng rất giống với bào tử của những loài nấm trong lớp đất của các kỷ xa xưa. Trong
đất thuộc Mezozoi (cách đây 70 – 185 triệu năm) tìm thấy di tích của nấm rất giống với
nấm thuộc bộ Mốc nước của nấm noãn và nấm túi chưa hoàn chỉnh thuộc chi Diplodia…
Vi nấm là những loài sinh vật hóa dị dưỡng, phân giải đường đơn tạo thành carbon
và năng lượng, tuy nhiên, nguồn đường đơn giản trong môi trường hạn chế. Vì vậy, nhiều
loại nấm tiết ra enzyme ngoại bào để phân hủy các đại phân tử phức tạp thành các hợp
chất carbon đơn giản cho tế bào sử dụng. Nấm đóng vai trò quan trọng trong việc phân
hủy và tuần hoàn xác thực vật, côn trùng và động vật, đặc biệt là các đại phân tử cấu thành
nên chúng như cellulose và lignin ở thực vật, chitin ở côn trùng. Nhờ khả năng phân hủy
các đại phân tử, các chất thải trong môi trường được phân hủy và tuần hoàn. Loài nấm
men Aureobasidium pullulans có khả năng phân hủy nhựa PVC. Sợi nấm Penicillium,
Stachybotrys,Allescheriella và Phlebia có khả năng phân hủy các hydrocarbon thơm trong
sản phẩm dầu mỏ và thuốc trừ sâu.
Nấm Mycorrhizae hay nấm vùng rễ (khuẩn căn) sống cộng sinh ở nhiều thực vật làm
tăng bề mặt hấp thụ của rễ lên hàng trăm đến hàng nghìn lần, giúp cho rễ cây tăng khả
năng hấp thụ nước và chất dinh dưỡng, đặc biệt phosphate. Ngược lại, rễ cây cung cấp
đường từ quá trình quang hợp cho nấm. Một số loài nấm sống cộng sinh ở thực vật có khả
năng tạo ra hợp chất hữu cơ có thể tiêu diệt được các mầm bệnh ở thục vật như: Pythium
ultimum và ở người như: Mycobacterium tuberculosis và Staphylococcus aureus.

1.1. Nấm men (Yeasts, Levures)


1.1.1. Đặc điểm hình thái, cấu trúc và sinh sản của nấm men
Nấm men là tên gọi thông dụng để chỉ một nhóm vi nấm cơ thể đơn bào, nhân có
màng, sinh sản chủ yếu theo kiểu nảy chồi. Nấm men không phải là một nhóm nấm riêng
biệt mà thuộc nhiều nhóm khác nhau trong giới nấm. Nấm men có thể thuộc về 3 lớp nấm
là nấm túi (Ascomycetes), nấm đảm (Basidiomycetes) và nấm bất toàn (Deuteromycetes).
Tế bào nấm men có nhiều hình dạng khác nhau, có thể hình cầu, hình bầu dục, hình
elip, hình ống. Kích thước tế bào thay đổi từ 1,5 – 12 m. Nếu tế bào dạng sợi thì chiều
dài có thể tới 20 m hay hơn nữa, thường là sợi nấm giả gồm nhiều tế bào dính lại với
nhau theo chiều dài một cách lỏng lẻo.
Trong số 75.000 loài nấm hiện đã biết có hơn 500 loài nấm men thuộc khoảng 50 giống.
Thành tếbào nấm men thường dày khoảng 100 – 250 nm, cấu tạo chủ yếu bằng hợp

45
chất mannan – glucan hay mannan – chitosan. Bên dưới thành tế bào là màng sinh chất có
cấu tạo không khác gì mấy so với ở tế bào sinh vật khác.
Màng tế bào chất nấm men thường chứa 39% lipid, 49% protein, 5% carbohydrate
và 7% nucleic acid.
Khác với vi khuẩn, nấm men đã có nhân phân hóa, nhân có màng nhân, lổ thủng và
nhân con. Trong tế bào nấm men có các cơ quan nhỏ như ti thể, lưới nội chất, bộ máy
Golgi…
Ti thể nấm men có dạng hình cầu, hình bầu dục hay hình sợi được bao bởi hai lớp
màng, giữa hai lớp màng là cơ chất bán lỏng. Từ lớp màng trong lại tạo ra vô số những
vách nối vào phía trong gọi là vách ngang để tăng diện tích bề mặt của màng. Ti thể là
trung tâm tạo năng lượng của tế bào. Trong ti thể còn gặp cả một lượng nhỏ DNA, gọi là
DNA của ti thể.
Bộ máy Golgi gồm những túi, những không bào cấu tạo bởi các lớp màng xếp song
song hình cung. Bộ máy Golgi tham gia vào hoạt động bài tiết các chất cặn bã, các chất
độc hại ra khỏi tế bào.
Lưới nội chất là hệ thống các ống, các xoang phân nhánh với cấu trúc màng tương tự
như màng sinh chất. Trên màng lưới nội chất có rất nhiều ribosome cơ quan tổng hợp
protein của tế bào. Nấm men sinh sản vô tính bằng đâm chồi hoặc phân chồi, giữa quá
trình này có thể sinh sản hữu tính.
Nấm men có 3 dạng chu trình sinh học:
Chu trình đơn bội –lưỡng bội như loài Saccharomyces cerevisiae.
Chu trình ưu thế lưỡng bội như loài Saccharomycodes ludgyzii.
Chu trình ưu thế đơn bội như ở loài Schizosaccharomyces octosporus.
Nhờ kính hiển vi điện tử, các nhà nghiên cứu đã thấy có sự khác nhau về thời gian
hình thành thoi vô sắc trong sinh sản vô tính ở nấm men phân đôi và nấm men nảy chồi.

Hình 2–3. Nảy chồi (trái) và cấu trúc của tế bào nấm men (phải)

1.1.2. Đặc điểm của nấm men loài Saccharomyces cerevisiae


Tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae có dạng hình cầu hay hình trứng, có
46
kích thuớc nhỏ, từ 5–6 đến 10–14 µm, sinh sản bằng cách tạo chồi và tạo bào tử.
Nguồn dinh dưỡng chủ yếu của chúng là sử dụng đường glucose, galactose,
saccharose, maltose như nguồn carbon, chúng sử dụng amino acid và muối ammonium
như nguồn nitơ.
Sinh sản hữu tính bằng cách hình thành nang bào tử. Nang bào tử có 4– 8 bào tử.
Khi nuôi cấy trong môi trường lỏng, nấm men phát triển bằng cách tạo cặn lắng ở đáy.
Có khả năng lên men đường saccharose, glucose, fructose, maltose, không lên men
lactose.
1.1.3. Vai trò sinh học của nấm men
Nấm men có giá trị dinh dưỡng cao vì giàu protein (45 – 55% khối lượng khô) và
vitamin (tiền vitamin D và các loại vitamin nhóm B). Nấm men lại có tốc độ phát triển
nhanh, có thể đồng hóa trực tiếp muối vô cơ (N, P, K) và hầu như các hợp chất carbon hữu
cơ đều có thể (trực tiếp hoặc gián tiếp) dùng làm thức ăn nuôi cấy nấm men (rỉ đường,
farafin, dầu mỏ...

Bảng 2–1. Bảng phân nhóm đơn giản các nấm men

Lớp
Bộ Họ Họ phụ Chi
(Classes)
Saccharomycetaceae Schizosaccharum– Schizosaccharomyces
vcetoideae
Nấm túi (Ascomycetes)

Hanseniaspora
Nadsonioideae Lipomyces
Endomycetales

Lipomycetoideae Debaryomyces
Saccharomycetoideae Hansenula
Kluyveromyces
Pichia
Sacharomyces
Spermophthoraceae Coccidiascus
Ustilagi– Filobasidiaceae Filobasidium
(Basidiomy–
Nấm đảm

nales– Leuvures Leucospiridium


cetes)

Tremell– Sirobasidiaceae Sirobasidium


ales Tremellaceae Tremalla
Cryptococcaceae Cryptococcoideae Brettanomyces
(Deuteromy–cetes)

Candida
Blastomycetales
Nấm bất toàn

Cryptococcus
Torulopsis
Rhodotoruloideae Rhodotorula
Sporobolomycetaceae Trichospororoideae Trichosporon
Sporobolomyces

47
Nấm men chiếm một vị trí đặc biệt trong công nghiệp thực phẩm: làm nở bột mì,
nấu rượu, làm rượu vang, làm pho mát, sản xuất sinh khối để tinh chế protein. Riêng sản
xuất bánh mì hằng năm thế giới đã tiêu thụ 1,7 triệu tấn nấm men bánh mì.
Một số nấm men khác là nguyên nhân gây hư hỏng thực phẩm. Trong số này có cả
những loài nấm men có thể phát triển được cả trong môi trường có nồng độ đường rất cao,
chúng làm hỏng mứt hoa quả, mật ong, xirô, một số khác gây bệnh ở người, động vật và
cây trồng.

1.2. Nấm sợi (Molds)


Nấm sợi (hay còn gọi là nấm mốc) là tên để chỉ các nhóm nấm không phải là nấm
men, cũng không phải là nấm lớn có quả thể (nấm mũ).
1.2.1. Cấu tạo của nấm sợi
Nấm sợi thường tạo thành những khối sợi có nhánh gọi là khuẩn ti hay là sợi nấm.
Sợi nấm là một ống hình trụ dài, thường phân nhánh, có loại có vách ngăn ngang như các
lớp nấm bậc cao (Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes) hoặc không vách ngăn
thuộc về các nấm bậc thấp như Oomycetes và Zygomycetes.
Một số loại nấm sợi thường dùng trong thực phẩm như Mucor, Rhizopus..., sợi nấm
thường không có vách ngăn. Toàn bộ hệ sợi có thể coi là một tế bào phân nhánh, người ta
gọi đấy là cơ thể đa nhân. Phần lớn sợi nấm sợi có vách ngăn tạo nên cơ thể đa bào.
Đường kính sợi nấm vào khoảng 0,3–5m, cũng có khi đạt tới 10m hay lớn hơn
(mắt thường có thể nhìn thấy). Trên cơ chất tự nhiên hoặc trên môi trường nuôi cấy đặc
(thạch đĩa, thạch nghiêng...), sợi nấm phát triển thành một hệ sợi (khuẩn ti thể) có dạng
hình tròn và được gọi là khuẩn lạc nấm sợi.

Nhân

Thành tế
bào
Lỗ thông
Vách ngăn

Sợi nấm có vách ngăn Sợi nấm không có vách ngăn

Hình 2–4. Hình dạng sợi nấm có vách ngăn và không có vách ngăn (Jeffrey et al., 2011)

48
Nấm sợi chỉ tăng trưởng ngọn. Điều đáng chú ý là các vách ngăn không ngăn ngang
(ở các nấm có vách ngăn) không làm cho sợi nấm có cấu tạo đa bào hoàn chỉnh, vì các
vách ngăn này đều có lỗ thông (một hay nhiều lỗ). Qua các lỗ thông này sinh chất có thể
qua lại dễ dàng mà ngay cả nhân cũng có thể thót nhỏ lại để chui qua. Kết quả là có những
tế bào có nhiều nhân (thường ở phần ngọn) và ngược lại cũng có những tế bào không có
nhân. Ngoài ra trong hệ sợi nấm, khi có hai đầu sợi nấm tiếp cận sát với nhau, thì thành ở
chỗ tiếp cận này có thể hóa nhầy, kết quả là hai sợi liên thông với nhau (Hình 2–4). Chính
vì vậy, có thể nói cả hệ sợi nấm là một ống thông suốt và chất dinh dưỡng cũng như chất
nguyên sinh có thể lưu chuyển dễ dàng trong ống đó.
Thành tế bào nấm sợi có cấu trúc khác nhau tùy từng nhóm, đa số chứa chitin,
glucan, chitosan... Tế bào nấm sợi có chứa các thành phần tương tự như ở tế bào nấm
men: Nhân, ti thể, bộ máy Golgi, lưới nội chất…
1.2.2. Đời sống của nấm sợi
Nấm sợi không chứa sắc tố quang hợp, vì vậy chúng chỉ có thể có đời sống hoại sinh
(trên chất hữu cơ chết), kí sinh (trên cơ thể người, động vật, thực vật) hoặc cộng sinh (với
tảo trong địa y, với rễ cây trong nấm rễ).
Nấm sợi sinh sôi nảy nở bằng cách đứt đoạn sợi nấm, vừa bằng cách tạo ra rất nhiều
bào tử vô tính hay hữu tính (xem hình màu 2–5 trang 337)

Hình 2–5. Hình ảnh chụp dưới kính hiển vi điện tử quét màu sợi nấm mang bào tử.
(A), nấm mốc Rhizopus; (B), Penicillium roquefortii (Jeffrey et al., 2011)

Bào tử vô tính như: Bào tử kín, bào tử màng dày, bào tử trần, bào tử đốt, bào tử
phấn....
Bào tử hữu tính (tạo thành sau quá trình sinh sản hữu tính) như: bào tử noãn, bào tử
tiếp hợp, bào tử đảm.
49
Một số nấm có thể sinh ra các động bào tử một roi (chytridiomycetes) hoặc hai roi
(Oomycetes) trong chu trình sinh sản của mình. Các nấm bậc cao như loài Aspergillus và
Penicillium có thể hình thành cầu tiếp hợp giữa hai tế bào của hai sợi (+ và –), đó là hiện
tượng sinh sản cận tính (Hình 2–6).

Hình 2–6. Nấm Rhizopus (trái) bào tử tiếp hợp ởRhizopus2 sợi (+) và (–) (phải)

1.2.3. Vai trò của nấm sợi


Nấm mốc phân bố rộng rãi trong tự nhiên như đất, nước, không khí nguyên vật liệu,
lương thực, thực phẩm. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc khép kín các vòng tuần
hoàn vật chất trong tự nhiên, chúng có khả năng phân giải mạnh mẽ các chất hữu cơ phức
tạp.
Có một số loại nấm thường có trong bùn như Geotrichum, Penicillium,
Cephalosporium, và Alternaria và chúng chỉ sống ở điều kiện độ pH thấp, độc chất, chất
thải thiếu nito. Trong bung bùn người ta thấy có rất nhiều Geotrichum khi ở điều kiện độ
pH thấp trong nước thải acid.
Hầu hết nấm sợi có đời sống dị dưỡng. Một số sống cộng sinh với thực vật, khi cộng
sinh với tảo đơn bào hoặc tập hợp đơn bào thì hình thành địa y (Lichens).
Nấm sợi đã được ứng dụng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân. Trong công nghiệp
dược phẩm nấm sợi được sử dụng để sản xuất các thuốc kháng sinh như penicillin,
cephalosporin, nhiều loại vitamin như B2... Trong công nghiệp hóa chất và công nghiệp
thực phẩm, nấm sợi được sử dụng để sản xuất formage, citric acid, nucleic acid,
gibberellin, indoleacetic acid.
Nhiều nấm sợi được ứng dụng trong quá trình chuyển hóa các hợp chất steroid và
alkaloid (dùng để làm thuốc). Nhiều loài nấm sợi là sinh khối rẻ tiền và có thể sản xuất dễ
dàng ở quy mô công nghiệp tạo ra nguồn thức ăn bổ sung giàu protein và vitamin cho
người, cho gia súc, gia cầm.
Nấm sợi thường có những enzyme phân giải rất mạnh như hệ enzyme phân giải
cellulose, phân giải pectin, các enzyme amylase, protease, lipase... Từ xa xưa nhiều loài

50
nấm sợi đã được nhân dân ta sử dụng để sản xuất tương, chao, nước chấm, tạo các
enzyme...
Tuy nhiên, có rất nhiều loài nấm sợi kí sinh gây nên nhiều bệnh khó chữa ở người và
gia súc, nhiều loại nấm gây tổn thất lớn lao cho cây trồng và cây rừng. Các bệnh nấm ở
người như hắc lào, lang ben, nấm tóc... ở lúa như đạo ôn, đốm nâu, mốc sương, khô vằn...
Phân loại nấm sợi chủ yếu dựa vào các tính trạng hình thái: cấu tạo sợi mang bào tử,
cấu tạo bào tử và một số tính trạng sinh lý sinh hóa.

Bảng 2–2. Bảng phân loại đơn giản một số giống nấm sợi

Ngành Ngành phụ Lớp Bộ Chi


Zygomycotina Zygomycetes Mucorales Mucor
(Zygomycetes) Rhizopus
Ascomycotina Plectomycetes Eurotiales Emericella
(A. nidulans)
Pyenomycetes Spahaeriales Neurospora
(N. grassa)
Hemiascomycetes Endomycetales Eremothecium
Amastigomycota

Basidiomycotina Hemibasidiomycetes Urenidales Puccinia


(Basidiomycetes) Ustilaginales Ustilago
Candida
Geotrichum
Deuteromycotina Hyphomycetes Aspergillus
(Deuteromycetes) (dạng nấm men = (A. flavus, A. niger)
Blastomycetes) Penicillium
Hyphomycetes Moniliales P. votatum,
P. camenbertii,
P. roquefortii)

1.3. Nấm mũ (Crimini)


Nấm mũ hay nấm quả thể thường để chỉ những loại nấm thuộc ngành Basidiomy-
cota và Agaricomycetes. Nấm quả thể được biết đến với hai dạng: nấm ăn được và nấm
độc. Nấm ăn được sử dụng rộng rãi làm thực phẩm, chúng có thể sử dụng trong rất nhiều
món ăn, ở nhiều nền ẩm thực khác nhau. Nấm là thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, có
độ đạm cao và ít chất béo, chứa nhiều vitamin nhóm B và C
Các loài nấm đảm ăn được như các giống nấm mỡ (Agaricus bisporus), nấm rơm
(Volvariella volvacea), mộc nhĩ (Auricularia), nấm hương (Lentinus), ngân nhĩ
(Tremella)… đang trở thành đối tượng chủ yếu trong công nghệ nuôi trồng nấm ăn.
51
1.3.1. Đăc điểm sinh học của nấm mũ
Nấm mũ là vi sinh vật nhưng không gọi là vi nấm. Phần mũ là cơ quan sinh sản,
phần thân dạng sợi có kích thước như sợi nấm mốc.
Nấm nói chung và nấm mũ nói riêng có nhiều đặc điểm khác với thực vật
+ Nấm không có khả năng quang hợp, nghĩa là nấm không tự tổng hợp các chất
hữu cơ từ nước và khí CO2 nhờ ánh nắng mặt trời. Nấm lấy chất hữu cơ từ các nguồn
hữu cơ khác.
+ Vách tế bào nấm chủ yếu là chitin và glucan
+ Nấm dự trữ đường dưới dạng glucogen thay vì tinh bột
Vì lý do đó, người ta tách nấm ra khỏi giới thực vật và thành lập một giới riêng, gọi
là giới nấm
Thực tế, nấm sinh trưởng gồm 2 giai đoạn:
a) Hệ sợi nấm hay "thân, rễ" của nấm
Các sợi nấm mảnh, nhỏ, dễ nhìn thấy ở bịch giống nấm. Khi cấy giống nấm vào
nguyên liệu, những sợi nấm mọc dài mãi và phân nhánh. Trong lúc mọc dài các nhánh
ngang gặp nhau nối lại thành mạng nổi, đó là hệ sợi nấm (tương ứng với thân của cây).
Nhờ tạo mạng nổi mà hệ sợi nấm thành một khối thống nhất, các chất dinh dưỡng bên
trong khối hệ sợi nấm có thể vận chuyển từ chỗ này tới chỗ khác, ví như cây trồng có thể
hút nước và muối khoáng từ đất đưa lên ngọn.
b) Quả thể nấm và bào tử nấm
Khi nấm trường thành dưới mũ nấm có các phiến mỏng (phiến nấm) hay ống tròn
nhỏ li ti. Các phiến nấm hay ống nhỏ là phần để sinh ra các bào tử, bào tử tương tự như
hạt cùa cây trồng. Bào tử là những hạt nhỏ tròn hay bầu dục có đường kính vài phần nghìn
millimét giữ vai trò sinh sản giống như hạt của cây. Nấm có vô số bào tử, một quả thể nấm
trưởng thành có hàng tỉ bào tử. Khi nấm già mà không được hái, cây nấm sẽ nứt bao, xòe
ô và phát tán bào tử, các bào tử rơi vào không khí hay bay đi xa, bám vào rơm rạ, gỗ, đất.
Gặp điều kiện thuận lợi như độ ẩm, nhiệt độ thích hợp chúng nảy mầm tạo nên sợi tơ nấm.
Sợi tơ nấm mọc thành hệ sợi, có đủ dinh dưỡng và điều kiện môi trường tốt sẽ mọc
ra nấm. Điều nàỵ giải thích vì sao nấm mọc ngoài tự nhiên mà không cần cấy giống nấm.
Sau khi tìm hiểu các vấn đề nêu trên, có thể nói như sau: Nấm là một sinh vật,
phần mà chúng ta thường nhìn thấy được gọi là "cây nấm" thì chính là quả thể của nấm.
Nó tương đương với hoa, quả ở các loài thực vật thượng đẳng; trong quả thể có bào tử;
các bào tử tương đương với hạt; còn thân, rễ là hệ sợi nấm. Chu kỳ và các giai đoạn sống
của nấm rơm được thể hiện (Hình 2–7) là chu kỳ điển hình của nấm ăn (nấm lớn có quả
thể ăn được).

52
Hình 2–7. Chu kỳ sống của (Volvariella volvacea –nấm Rơm)

1.3.2. Ý nghĩa của việc trồng nấm với bảo vệ môi trường
Hoạt động sản xuất nói chung và sản xuất nông nghiệp nói riêng thường gây ô
nhiễm môi trường do sử dụng phân bón hóa học, sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, đốt bỏ
sản phẩm phụ... dẫn đến môi trường ô nhiễm, khí hậu biến đổi. Việc tận dụng những phế
phụ liệu của ngành nông nghiệp để nuôi trồng nấm ăn và nấm dược liệu có ý nghĩa góp
phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, giảm biến đổi khí hậu.
Nguồn phế thải của nông nghiệp rất lớn gồm: rơm rạ, thân, lõi ngô, thân cây lạc, bã
mía... những thứ này nếu thải ngay ra môi trường thì phải cần một thời
gian khá dài để phân hủy, nếu đốt sẽ tạo ra nhiều khí CO2 và một lượng lớn tro ngấm
xuống đất cũng gây bất lợi cho cây trồng. Phần lớn lượng phế phụ phẩm sau khi thu hoạch
ở một số địa phương đều bị đốt bỏ ngoài đồng ruộng hoặc ném xuống kênh rạch, sông
ngòi gây tắc nghẽn dòng chảy. Đây là nguồn tài nguyên rất lớn nhưng chưa được sử dụng
hết, nếu đem trồng nấm không những tạo ra loại sản phẩm có giá trị cao mà phế liệu sau
khi thu hoạch nấm chuyển sang làm phân bón hữu cơ tạo thêm độ phì cho đất.

2. VI TẢO (Microalgae)

2.1. Đặc điểm chung


Vi tảo (Microalgae) là tên gọi để chỉ tất cả các loài tảo có kích thước hiển vi có sắc
tố quang hợp chlorophyll a, quang tự dưỡng, sống chủ yếu ở trong nước và những nơi có

53
độ ẩm của nước, có ánh sáng. Chúng thuộc về nhiều nhóm phân loại khác nhau; tảo mắt,
tảo vàng ánh, tảo lục, tảo silic, tảo giáp. Vi tảo có khả năng sinh sản vô tính lẫn hữu tính
và với tốc độ hết sức nhanh.

2.2. Đời sống của vi tảo


Nhiều loài vi tảo có đời sống trôi nổi. Chúng là thành phần chủ yếu của thực vật phù
du. Chúng trôi nổi được trên bề mặt lớp nước, và là mắt xích thức ăn đầu tiên của mọi sinh
vật sống trong nước.
Có những loài vi tảo suốt đời bám vào các hòn đá, các cành cây dưới đáy nước. Rất
nhiều loài sống trên mặt đất (tảo silic, tảo mắt, tảo lục...). Chúng một mặt làm giàu thêm
chất hữu cơ cho đất nhưng cũng có khi trở thành những kẻ canh tranh chất khoáng đối với
cây trồng.
Vi tảo đơn giản nhất là cơ thể đơn bào, hoặc tập hợp đơn bào, có thể có roi như
Clamydomonas, Peridinium và Euglena (tảo mắt), hoặc không có roi như Chlorella (tảo
lục), Diatomia (tảo silic) (Hình 2–8).

Peridinium Euglena Ectocarpus

Hình 2–8. Hình dạng một số loài vi tảo


(Peridinum, US public Health pool# 657, 1959
Ectocarpus, http://pr–energy.info/usa/ectocarpus–life–cycle.usa)

Các vi tảo thường gặp hơn là các cơ thể đa bào hoặc tập hợp đơn bào, như các tập
đoàn Volvox, Pediastrum, Scenendesmus (thuộc nhóm Archethalle) hoặc phức tạp hơn
có bộ phận đính bám và bộ phận dựng đứng như các sợi mảnh phân nhánh hoặc không
(có thể có vách ngăn tạo thành các tế bào tương đối độc lập hoặc không có vách ngăn
như một ống cộng bào (coenocytic). Những tảo này sinh sản bằng cách phân chia những
tế bào lạ ở giữa hoặc bằng cách rụng tế bào ở đầu cùng (Sphacelaria, Ectocarpus…),
chúng sinh sản hữu tính bằng tiếp hợp đẳng giao (hai giao tử bằng nhau) hoặc dị giao
(hai giao tử khác nhau).
Các sắc tố quang hợp và hỗ trợ ở các nhóm tảo khác nhau thì khác nhau, hiện nay

54
người ta đã biết 6 nhóm tảo với các sắc tố đã được nghiên cứu tương đối kỹ. Bốn giống
tảo lục là Clamydomonas (đơn bào 2 roi), Gonium (tập hợp đơn bào 2 roi), Pandorina (tập
hợp đơn bào, phía ngoài còn có 2 roi, phía trong mất roi) và Volvox (tập hợp đơn bào, phía
ngoài có 2 roi làm chức năng di động cho cả tập đoàn, phía trong tế bào mất roi làm chức
năng quang hợp, hô hấp) là một ví dụ rõ nét chứng minh sự tiến hóa từ tổ chức đơn bào
lên tổ chức đa bào phân hóa thô sơ.
Theo phân loại của Robert Edward Lee, 1999, tảo được phân thành nhiều ngành do
sự khác nhau về sắc tố (pigment), chất dự trữ, cấu trúc đặc điểm của roi (flagella) và các
dấu hiệu khác. Riêng ngành tảo lam (Cyanophyta hay vi khuẩn lam (Cyanobacteria) gồm
những cơ thể tế bào chưa có cấu trúc nhân hoàn chỉnh, vì vậy hiện nay khoa học xếp vào
nhóm cơ thể tiền nhân (Procaryote).

2.3. Vai trò của vi tảo trong môi trường


Lợi dụng tốc độ phát triển đặc biệt nhanh của các loài vi tảo và giá trị dinh dưỡng
cao của chúng (giàu protein và vitamin) từ lâu người ta đã tìm cách cấy nuôi vi tảo theo
quy trình công nghiệp và thủ công nghiệp.
Các loài vi tảo được tuyển chọn vào sản xuất sinh khối làm thức ăn cho tôm cá có
nhiều loài song đáng chú ý là các loài thuộc chi Chlamydomonas, Pinnularia và chi
Scenedesmus (Hình 2–9). Người ta cho rằng trên “các cánh đồng vũ trụ” dành cho các
chuyến bay dài ngày, cây trồng lí tưởng nhất chắc chắn phải là vi tảo. Khả năng quang hợp
của vi tảo vượt gấp 5–6 lần so với cây trồng (sau 24 giờ có thể tăng sinh khối lên 1 000
lần). Chúng có thể thải ra một lượng oxy mỗi ngày gấp 200 lần thể tích của chúng. Chỉ cần
50 lít dịch nuôi cấy tảo Chlorella có thể cung cấp đủ oxy cho một nhà du hành vũ trụ, mặt
khác sinh khối Chlorella có thể coi là bổ hơn tất cả các loại thực phẩm thông thường khác.
Một số vi tảo sống ở biển có độc tính cao và có thể gây chết hàng loạt động vật thủy sinh.

a–Chlamydomonas reinhardtii b–Pinnularia opulenta c–Scenedesmus quadricauda


Hình 2–9. Hình thái một số vi tảo dùng để sản xuất sinh khối protein
( Join Parltrees et al., 2013)

Vi tảo sinh trưởng trong điều kiện thích hợp tích lũy đến 50% lipid trong sinh khối.

55
Trong công nghiệp, sinh khối tảo được sản xuất bằng sử dụng các bình nuôi sinh khối sử
dụng ánh sáng mặt trời (Hình 2–10). Lipid được chiết xuất và tinh chế để sản xuất nguyên
liệu sinh học.
Tảo là sinh vật tự dưỡng tạo ra oxy đầu tiên, mặc dù một số loài vẫn duy trì dị
dưỡng hóa học bằng cách sử dụng các hợp chất hữu cơ đơn giãn để giúp quá trình trao đổi
chất của tế bào. Quá trình quang hợp tạo ra oxy và năng lượng không những giúp cho tảo
phát triển mà còn đóng vai trò như sinh vật sản xuất ở môi trường nước. Sinh vật sản xuất
này là mắt xích trong lưới thức ăn ở môi trường nước như vai trò của thực vật.

Hình 2–10. Sản xuất nguyên liệu sinh học từ nuôi sinh khối vi tảo (Raven et al., 2017)

Một số loài trùng tảo ở vùng duyên hải có khả năng sản xuất hợp chất thứ cấp tạo
thành độc chất và tiết ra môi trường. Hai loài trùng tảo Gymnodinium và Gonyaulax tạo ra
độc chất sacidoxin tác động đến hệ thần kinh làm bại liệt cơ ở hệ hô hấp động vật có
xương sống. Với nồng độ thấp (µg) độc chất không ảnh hưởng đến các loài tôm, cua và
hai mãnh vỏ, nhưng lại có hại khi tiêu thụ chúng. Bệnh Ciguatera gây ra bởi tiêu thụ các
loài hải sản trên đã tích lũy độc tố từ trùng tảo Gambierdiscus toxicus. Độc tố vẫn tồn tại
sau khi nấu chín hải sản và gây bệnh rối loạn hệ thần kinh trung ương. Tích lũy độc tố ở
hải sản thường xảy ra trong quá trình “tảo nở hoa”, “thủy triều đỏ”. Tảo nở hoa và thủy
triều đỏ đang là vấn nạn của nhiều quốc gia và thế giới. Có nhiều nguyên nhân trong đó
việc tăng chất dinh dưỡng, đặc biệt là N và P, từ nước thải và từ hoạt động sản xuất nông
nghiệp.

3. ĐỘNG VẬT NGUYÊN SINH

3.1. Đặc điểm chung


Động vật nguyên sinh(ĐVNS) Protozoa là những sinh vậtđơn bào có khả năng
chuyển động. Động vật nguyên sinh có khoảng 20.000 đến 25.000 loài, trong đó một số có
cả khả năng quang hợp.
Hình thái của Protozoa rất đa dạng do không có thành tế bào bao quanh. Độ cứng
của tế bào do cấu tạo gelatin nằm bên ngoài màng tế bào. Màng tế bào kết hợp với màng
56
gelatin tạo thành một lớp da mõng bao quanh tế bào. Bên trong lớp da mõng là dịch nội
bào chứa các cấu tử.
Protozoa là một dạng sống đơn giản, mặc dù cơ thể chỉ có một tế bào, nhưng có khả
năng thực hiện đầy đủ các hoạt động sống như một cơ thểđa bàohoàn chỉnh, chúng có thể
thu lấy thức ăn, tiêu hóa, tổng hợp, hô hấp, bài tiết, điều hòa ion và điều hòa áp suất thẩm
thấu, chuyển động và sinh sản. Sở dĩ chúng có thể thực hiện được các hoạt động sống đó
là vì trong cơ thể cũng có những cấu tử giống với các cấu tử ở tế bào của cơ thể đa bào
như nhân, ty thể, mạng nội chất, hệ Glogi, không bào co bóp và không bào tiêu hóa. Một
số nguyên sinh động vật còn có bào hầu nối liền bào khẩu với túi tiêu hóa, tiêm mao hoặc
roi hoạt động được nhờ thể gốc. Động vật nguyên sinh thường có kích thước 0,01 –
0,05mm.
Những ĐVNS đầu tiên đã được Leeuwenhoek A.V phát hiện ra ngay từ thế kỷ XVII
nhưng được nghiên cứu vào thế kỷ XVIII bởi Joblot L. và nhiều tác giả khác.

3.2. Các nhóm động vật nguyên sinh


Theo hệ thống phân loại hiên nay thì ĐVNS được chia làm 4 nhóm:
(1). Sarcomastigophora với các nhánh Sarcodina hay Rhizopodes (Rhizopodes và
Actinopodes), nhánh Mastigophora hay Flagelles, nhánh Opalinata (cũng có tài liệu hợp
nhất Rhizopodes và Flagelles vào dạng Rhizoflagelles). Chúng di chuyển và bắt mồi bằng
cách tạo ra các giả túc. Điển hình của nhóm này làAmoeba proteus. Chúng dinh dưỡng
bằng cách thực bào và phân bố rộng rãi trong đất và trong nước.
(2). Sporzoa (ký sinh trên động vật, một hoặc nhiều vật chủ).
(3). Cnidospora (ký sinh trên động vật có xương và không xương).
(4). Ciliophora hay cilie (roi ngắn –cils, có hai loại nhân: nhân to và nhân bé).
Với hơn 30.000 loài được mô tả, động vật nguyên sinh sống ở đất và nước, nhiều
động vật nguyên sinh có vai trò quan trọng ở các lớp bùn hoạt tính tại các trạm lọc nước
thải (Hình 2–11).

3.3. Vai trò của động vật nguyên sinh trong môi trường
Động vật nguyên sinh có nhiều vai trò quan trọng trong hệ sinh thái. Nhiều động vật
nguyên sinh hóa tự dưỡng bằng cách hô hấp hiếu khí hoặc lên men. Điều ngạc nhiên mặc
dù động vật nguyên sinh hô hấp hiếu khí nhưng không sở hữu ty thể thực như sinh vật
nhân thực. Vì vậy, chúng sử dụng cấu trúc màng bao được gọi là thể hydro
(hydrogenosome) để tạo năng lượng. Thể hydro sử dụng proton như chất nhận điện tử để
tạo nên phân tử H2 thay cho H2O.
Động vật nguyên sinh có vai trò quan trọng trong phân hủy và tuần hoàn các hợp

57
chất hữu cơ trong môi trường. Chúng tiết ra enzyme ngoại bào để phân hủy các hợp chất
như cellulose của thực vật, peptidoglycan của thành tế bào vi khuẩn. Một số ĐVNS thực
bào vi khuẩn tiết enzyme giúp cho việc tiêu hóa vi khuẩn. Một số khác sau khi thực bào vi
khuẩn sau đó phân hủy bằng các enzyme tiêu hóa có trong không bào thực bào. Khả năng
phân hủy đại phân tử đóng vai trò quan trọng trong mối quan hệ giữa ĐVNS và động vật
khác. Thực tế, ĐVNS tiêu hóa 1/3 chất xơ ở động vật nhai lại và cung cấp sinh khối vi
sinh cho dạ cỏ. Trong môi trường kị khí của dạ cỏ, ĐVNS thực hiện quá trình lên men để
tạo ra acid hữu cơ và cồn.

Hình 2–11. Một số loại động vật nguyên sinh


Giardia muris (trái) và Blepharisma japonicum (phải)–(Raeky, 2009)

ĐVNS đóng vai trò quan trọng liên quan đến chất lượng nước. ĐVNS gây ra các đại
dịch thông qua nước uống và nước dành cho ngành giải trí. Các ĐVNS thường ảnh hưởng
đến chất lượng nước bao gồm: Giardia (Mastigophora), Cryptosporidium (Apicomplexa)
và Toxoplasma (Apicomplexa). Nguồn gốc là do các bao nang và noãn bào của những loài
này có thể chống lại được nhiệt độ cũng như độ mặn của nước và có thể tồn tại dài ngày.
Một số khác tồn tại trong đất và gây ra chứng viêm não ở người có thể dẫn đến tử vong
như Naegleria fowleri và Balamuthia mandrillaris.

TÓM TẮT CHƯƠNG


Vi sinh vật nhân thực có cấu trúc phức tạp hơn vi sinh vật nhân sơ, có nhân thực và
xoang hóa (màng bao quanh các bào quan), có cấu tạo tế bào hoàn chỉnh, nhân có màng
nhân, có ti thể, có bộ máy Golgi và lưới nội chất tạo nên các ống và xoang dẹp thông với
nhau ở bên trong tế bào. Nhóm này gồm: vi nấm, vi tảo và động vật nguyên sinh, thực vật
và động vật.
Vi nấm là những sinh vật nhân thực, hệ sợi, phần lớn có thành tế bào chứa chitin,
không có lục lạp, không có lông và roi. Sống dị dưỡng hoại sinh, kí sinh, cộng sinh. Sinh
sản chủ yếu bằng bào tử. Các cơ thể vi nấm có kiểu trao đổi chất và hệ enzyme khác biệt
so với các cơ thể nhân thực khác (thực vật, động vật) và khác xa với cơ thể nhân sơ nên từ
58
lâu đã được xếp thành một giới riêng  đó là giới nấm (Regnum Fungi).
Nấm men là tên gọi thông dụng để chỉ một nhóm vi nấm đơn bào, nhân có màng
nhân, sinh sản chủ yếu theo kiểu nảy chồi. Thường tồn tại trong các môi trường có nồng
độ đường cao, pH thấp. Nấm men không phải là một nhóm nấm riêng biệt mà thuộc nhiều
nhóm khác nhau trong giới nấm: Nấm túi (Ascomycetes), Nấm đảm (Basidiomycetes) và
Nấm bất toàn (Deuteromycetes). Nấm men được dùng nhiều trong công nghệ chế tạo các
hợp chất hữu cơ quan trọng và để sản xuất sinh khối giàu protein làm thức ăn trong nuôi
trồng thủy sản.
Nấm sợi gồm những sinh vật nhân thực, dạng sợi, không có lục lạp, không có lông
và roi, có đời sống dị dưỡng: hoại sinh, kí sinh hoặc cộng sinh. Nhiều nấm sợi có khả năng
tiết kháng sinh, enzyme, chất kích thích sinh trưởng… Bên cạnh đó nhiều nấm sơi gây
bệnh, sinh độc tố gây ngộ độc thức ăn như Aspergillus flavus, gây tổn thất trong nuôi
trồng thủy sản.
Vi tảo (Microalgae) là tên gọi để chỉ tất cả các loài tảo có kích thước hiển vi có sắc
tố quang hợp. Chúng thuộc về nhiều nhóm phân loại khác nhau; tảo mắt, tảo vàng ánh, tảo
lục, tảo silic, tảo giáp. Vi tảo có khả năng sinh sản vô tính lẫn hữu tính và với tốc độ hết
sức mạnh. Lợi dụng tốc độ phát triển đặc biệt nhanh của các loài vi tảo và giá trị dinh
dưỡng cao của chúng (giàu protein và vitamin) từ lâu người ta đã tìm cách cấy nuôi vi tảo
theo quy trình công nghiệp và thủ công nghiệp, tuy nhiên cũng có một số loài tảo khi gặp
điều kiện thuận lợi phát triển quá nhanh do phú dưỡng hóa nguồn nước gây hiện tượng
“nước nở hoa” độc hại, thủy triều đỏ khiến cá chết hàng loạt ở nhiều quốc gia trên thế giới
như Mỹ, Mexico, Canada, Trung Quốc và Việt Nam... có thể sản sinh các độc tố tự nhiên,
làm suy giảm oxy và gây ra các tác hại khác.
Nguyên sinh động vật là một dạng sống đơn giản, chỉ có một tế bào; sống dị dưỡng,
có đầy đủ các bào quan như nhân, ty thể, lưới nội chất, bộ máy Golgi, không bào co bóp
và không bào tiêu hóa. Nhiều loài được dùng làm thức ăn cho động vật nhỏ, chúng là sinh
vật chỉ thị về độ sạch của môi trường nước. Một số trong chúng là tác nhân gây bệnh ở
người và động vật như bệnh sốt rét, bệnh lỵ…

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP


1. Các nhóm vi sinh vật nhân thực? Phân biệt vai trò của nấm men và nấm sợi?
2. Đặc điểm chung của các vi sinh vật nhân thực?
3. Vai trò của các loại vi sinh vật nhân thực trong bảo vệ môi trường?
4. Nêu một số nấm sợi có lợi và gây hại cho môi trường và con người?
5. Các nhóm tảo? Hiện tượng “nước nở hoa”?
6. Vai trò của động vật nguyên sinh trong xử lý và bảo vệ môi trường?

59
7. So sánh tổng quát sự khác biệt của nấm men và nấm sợi.
* Chọn một đáp án đúng nhất
8. Đặc điểm có ở giới nấm (fungi) và không có ở giới nguyên sinh (protista)
a. Cơ thể đơn bào
b. Thành tế bào có chứa chất chitin
c. Cơ thể đa bào
d. Có lối sống dị dưỡng.
9. Protista gồm:
a. Các VSV là tảo đơn bào, tập hợp đơn bào
b. Những VSV nhân thực
c. Không bao giờ là tác nhân gây bệnh
d. Những VSV có chân giả (pseudopods)
10. Điền vào bảng so sánh một số đặc điểm giữa vi khuẩn, vi nấm và vi tảo
Đặc điểm so sánh Vi khuẩn Vi nấm Vi tảo
a. Loại ribosome tế bào chất
b. Chất đặc trưng ở thành tế bào
c. Dạng dự trữ glucose
d. Quan hệ với oxy

* Điền vào các chỗ trống


11. Nấm là sinh vật thuộc dạng tế bào.....(a)......Cơ thể có thể đơn hay đa bào dạng sợi, có
thành.......(b).......(một số ít có thành........(c).......), không có......(d)......sống dị dưỡng theo
kiểu.......(e)....... Sinh sản bằng....(f)......không có.....(j)........và...........(i)...........

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ


1. Nhân tế bào (Nucleus): là bào quan tối quan trọng trong tế bào sinh vật nhân
thực. Nó chứa các nhiễm sắc thể của tế bào, là nơi diễn ra quá trình nhân đôi DNA và
tổng hợp RNA.
2. Sinh vật nhân thực (eukaryote), còn gọi là sinh vật nhân điển hình – nhân có
màng nhân gồm có động vật, thực vật và nấm  hầu hết chúng là sinh vật đa bào  cũng
như các nhóm đa dạng khác được gọi chung là nguyên sinh vật (đa số là sinh vật đơn bào).
Sinh vật nhân thực có cùng một nguồn gốc và thường được xếp thành một siêu giới hoặc
vực (domain). Eukaryote là chữ Latinh có nghĩa là có nhân thực sự.
3. Vỏ polysaccharide: một số chủng VSV có thể tạo vỏ polysaccharide. Vỏ này
cùng với protein A có chức năng bảo vệ vi khuẩn chống lại hiện tượng thực bào.

60
Chương 3
VIRUS HỌC

Mục tiêu
- Nắm vững tính chất, hình thái cấu trúc của hạt virus
- Hiểu được lịch sử phát hiện virus và các thực thể dưới virus
- Trình bày được cấu tạo, đặc điểm, quá trình nhân lên của virus, phage
- Nắm được những lợi ích của các nhóm virus đã học để có thể vận dụng những hiểu
biết này vào thực tế đời sống và bảo vệ môi trường

1. LỊCH SỬ PHÁT HIỆN VIRUS

Trước đây virus được coi là một chất độc luôn gắn liền với bệnh tật. Thuật ngữ
“virus” cũng bắt nguồn từ tiếng Latinh “Virus” có nghĩa là chất độc. Vào năm 1883 nhà
khoa học người Đức Adolf Mayer(1843–1942)khi nghiên cứu bệnh khảm cây thuốc lá đã
nhận thấy bệnh này có thể lây nếu phun dịch ép lá cây bị bệnh sang cây lành, tuy nhiên
ông không phát hiện được tác nhân gây bệnh.
Năm 1884 Charles Chamberland đã sáng chế ra màng lọc bằng sứ để tách các vi
khuẩn nhỏ nhất (Hình 3–1).
Năm 1892 nhà thực vật học người Nga Dmitri Iwanowski đã dùng màng lọc
Chamberland để nghiên cứu bệnh khảm thuốc lá. Ông nhận thấy dịch ép lá cây bị bệnh đã
cho qua màng lọc vẫn có khả năng nhiễm bệnh cho cây lành. Mặc dù không nhìn thấy bất
kì VSV nào nhưng ông cũng thông báo rằng chính “virus qua lọc” là tác nhân gây bệnh.

Hình 3–1. Dmitri Iwanowski (18641920); Màng lọc bằng sứ; Bệnh khảm thuốc lá

Giả thuyết về độc tố qua màng lọc đã bị bác bỏ vào năm 1898 khi nhà khoa học
người Hà Lan Martinus Beijerinck chứng minh được rằng tác nhân lây nhiễm là chất độc
sống (a contagious, living fluid) và có thể nhân lên được. Ông tiến hành phun dịch ép lá
cây bệnh cho qua lọc rồi phun lên cây và khi cây bị bệnh lại lấy dịch ép cho qua lọc để

61
phun vào các cây khác. Qua nhiều lần phun đều gây được bệnh cho cây. Điều đó chứng tỏ
tác nhân gây bệnh phải nhân lên được nên không phải là chất đôc vì nếu là độc tố thì năng
lực gây bệnh sẽ phải dần mất đi. Chất độc sống không thể gây bệnh khi bị đun nóng.
Năm 1901 Walter Reed và cộng sự của ông ở Cuba đã phát hiện tác nhân gây bệnh
sốt vàng cũng là virus qua lọc. Tiếp sau đó các nhà khoa học khác phát hiện ra tác nhân
gây bệnh dại và đậu mùa. Tác nhân gây bệnh đậu mùa có kích thước lớn, không dễ qua
lọc, do đó các tác nhân gây bệnh chỉ đơn giản gọi là “virus”.
Năm 1915 nhà vi khuẩn học người Anh Frederick Twort và năm 1917 nhà khoa học
người PhápCanada Felix d'Herelle thuộc viện Paster (Paris) đã phát hiện ra virus kí sinh
vi khuẩn và đặt tên là Bacteriophage gọi tắt là phage (thể thực khuẩn).
Năm 1935 nhà khoa học người Mỹ Wendell Stanley đã kết tinh được các hạt virus
gây bệnh đốm thuốc lá (TMV). Đến năm 1941, TMV và nhiều loại virus khác đều có thể
quan sát được dưới kính hiển vi điện tử. Như vậy nhờ có kỹ thuật màng lọc đã đem lại
khái niệm ban đầu về virus và sau đó nhờ có kính hiển vi điện tử đã có thể quan sát được
hình dạng của virus, tìm hiểu được bản chất và chức năng của chúng.
Cuối những năm 1950, Jonas Salk và Albert Sabin đã phát triển kỹ thuật để nhân số
lượng lớn virus gây bệnh bại liệt dùng sản xuất vaccine bại liệt.
Năm 1952, Herrskey đã chứng minh vật chất di truyền ở thể thực khuẩn là DNA.
Năm 1955 Fraenkel Conrat lắp ráp thành công lõi acid nucleic vào vỏe capsid của virus
khảm thuốc lá và 10 năm sau, năm 1965 Spiegelman lắp ráp thành công chuỗi DNA của
thể thực khuẩn φX174, năm 1970 Baltimore và Temin phát hiện enzyme phiên mã ngược
ở virus Retro chứa RNA chuỗi đơn.
Ngày nay virus được coi là thực thể chưa có cấu tạo tế bào, có kích thước siêu nhỏ và
có cấu tạo rất đơn giản, chỉ gồm một loại acid nucleic, được bao bởi vỏ protein. Muốn nhân
lên virus phải nhờ bộ máy tổng hợp của tế bào, vì thế chúng là ký sinh nội bào bắt buộc.
Virus có khả năng gây bệnh ở mọi cơ thể sống từ vi khuẩn đến con người, là thủ
phạm gây thiệt hại nặng nề cho ngành chăn nuôi, gây thất bát mùa màng và cản trở đối với
ngành công nghiệp vi sinh vật.
Từ những thập kỷ cuối của thế kỷ XX trở lại đây ngày càng xuất hiện các dạng virus
mới lạ ở người, động vật mà trước đó y học chưa hề biết tới, đe doạ mạng sống của con
người. Sau HIV, SARS, Ebola, cúm A H5N1 sẽ còn bao nhiêu loại nữa sẽ xuất hiện để
gây tai hoạ cho con người.
Mặt khác, do có cấu tạo đơn giản và có bộ gene nhiều kiểu với cơ chế sao chép khác
hẳn ở các cơ thể khác nên virus được chọn là mô hình lý tưởng để nghiên cứu nhiều cơ
chế sinh học ở mức phân tử dẫn đến cuộc cách mạng sinh học cận đại: Sinh học phân tử,
di truyền học phân tử. Vì những lý do trên việc nghiên cứu virus đã được đẩy mạnh và trở
thành một ngành khoa học độc lập rất phát triển.

62
2. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VIRUS

Virus là một kết cấu đại phân tử vô bào, không có hệ thống sinh sản năng lượng,
không có ribosome, không sinh trưởng cá thể, không phân cắt và không mẫn cảm với các
chất kháng sinh, chỉ chứa một trong hai loại nucleic acid (DNA hoặc RNA), sống kí sinh
nội bào bắt buộc. Ngày nay có khoảng 5000 loài virus được định danh, nhưng các nhà
khoa học nghĩ rằng có khoảng 400.000 loài tồn tại.
Các đặc điểm của virus:
 Không có cấu trúc tế bào, sống kí sinh nội bào bắt buộc ở vi khuẩn, ĐVNS, nấm,
tảo, thực vật và động vật. Mỗi virus nhất định có một tế bào chủ đặc hiệu và gây ra một
bệnh nhất định trong quá trình nhân lên.
 Mỗi một virus chỉ chứa một loại acid nucleic, hoặc là DNA (sợi đôi hoặc sợi đơn)
hoặc RNA (sợi đôi hoặc sợi đơn) mà không bao giờ chứa cùng một lúc cả hai loại acid
nucleic như vi khuẩn.
 Virus không có khả năng tự phát triển và tự nhân lên mà chỉ có thể nhân lên khi
xâm nhập vào tế bào sống. Trong quá trình nhân lên chỉ có acid nucleic là có vai trò quyết
định, còn các thành phần khác có vai trò hỗ trợ.
 Virus không chứa những thông tin truyền cho việc tổng hợp ra những chất chuyển
hóa cơ bản và năng lượng cần thiết cho nó. Chính vì vậy mà virus phải phụ thuộc vào các
sinh vật khác, nhân lên bằng cách dùng hệ thống enzyme của tế bào, còn acid nucleic của
virus điều khiển việc tổng hợp của tế bào để tạo ra những virus mới.
 Chịu lạnh tốt, không chịu nhiệt, hóa chất và tia tử ngoại. Hầu hết virus không bị
kháng sinh tác động đến.
 Khi ở ngoài tế bào virus ở trạng thái không hoat đông đươc gọi là virion.

Hình 3–2. Cấu trúc của virion HIV1 (trái) và HIV2 (phải)
(HIV có dạng cầu là vì có vỏ ngoài, còn capsid là hình khối không đều, giống hình nón cụt).

63
3. HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC VÀ CẤU TRÚC CỦA VIRUS

3.1.Hình dạng và kích thước


Virus có hình que, hình sợi, hình cầu, hình khối,... Một số virus trong quá trình phát
triển hình thành trong tế bào mà chúng ký sinh những khối gọi là thể bao hàm (tập đoàn
virus) có thể dùng kính hiển vi thưởng cũng quan sát được.

Hình 3–3. Kích thước và hình dạng một số virus động vật điển hình
64
Virus là một dạng sống đơn giản nhất hiện nay và có kích thước nhỏ bé so với tế bào
chủ và chỉ quan sát được trên kính hiển vi điện tử. Virus có thể lọt qua lọc vi khuẩn. Hơn
2000 virus kí sinh vi khuẩn có thể chứa trong một tế bào chủ vi khuẩn và hơn 50 triệu
virus bại liệt có thể chứa trong tế bào người. Virus động vật có kích thước nhỏ là
parvovirus với đường kính chỉ 20 nm, bacteriophage MS2 chỉ 24 nm. Virus RNA
Picoviridae có kích thước cỡ 20 – 30 nm, Retroviridae kích thước 100 – 120 nm,
Parvoviridae kích thước 18 – 26 nm, Poxviridae 130–300 nm (Hình 3–3).

3.2. Cấu trúc của virus


Virus có cấu tạo rất đơn giản, bao gồm lõi là acid nucleic, tức genome nằm ở phía
trong còn phía ngoài được bao bọc bởi vỏ capsid. Capsid và acid nucleic được gọi là
nucleocapsid.
3.2.1. Vỏ capsid
Tất cả các loài virus được cấu tạo bởi vỏ capsid bao quanh lõi acid nucleic tạo thành
cấu trúc nucleocapsid. Capsid được cấu tạo bởi các đơn vị hình thái gọi là capsomer.
Capsomer lại được cấu tạo từ 5 hoặc 6 đơn vị cấu trúc gọi là protomer. Protomer được cấu
tạo bởi đa phức hợp protein.
Vỏ capsid bảo vệ bộ gene của virus bên trong bởi được cấu tạo bởi các amino acid
chịu được nhiệt độ, pH và sự bất thường của môi trường. Ở một số loài virus có cấu trúc
vỏ capsid đặc biệt chứa các phân tử glicoprotein được gọi là gai (spike) giúp virus gắn vào
thụ thể đặc hiệu trên măt tế bào vật chủ và thâm nhập vào trong tế bào.

Virus không có vỏ ngoài Virus có vỏ ngoài


Gai
Spike
Capsid (Spike)
Gai
(Spike)
Vỏ ngoài

Bộ gen

Capsid
Nucleocapsid
Bộ gen
Capsomer

Capsid Vỏ ngoài
Bộ gen

Capsomer

Hình 3–4. Cấu trúc cơ bản của virus không có vỏ ngoài (trần) và virus có vỏ ngoài
(Jeffrey et al., 2011)

65
Virus chỉ có lớp nucleocapsid gồm vỏ capsid và hệ gene được gọi là virus trần tức
không có vỏ ngoài.
Lớp nucleocapsid của một số loại virus có lớp protein mềm dẻo bao quanh được gọi là
virus có vỏ ngoài. Vỏ ngoài được cấu tạo bởi lipid và protein như màng tế bào vật chủ. Loại
virus này mất khả năng xâm nhiễm vào tế bào chủ khi vỏ ngoài bị phá hủy.
 Trên vỏ capsid có pentamer (penton) tạo bởi 5 protomer nằm trên các đỉnh của
khối đa diện, còn hexamer (hexon) tạo thành các cạnh và bề mặt hình tam giác.
 Trên mặt capsid chứa các thụ thể đặc hiệu, hay là các gai glycoprotein, giúp cho
virus bám vào các thụ thể trên bề mặt tế bào. Đây cũng chính là các kháng nguyên kích
thích cơ thể tạo đáp ứng miễn dịch.
 Virus được lắp ráp hoàn chỉnh để xâm nhiễm vào tế bào vật chủ gọi là Virion.
 Vỏ capsid có kích thước và cách sắp xếp khác nhau khiến cho virus có hình dạng
khác nhau. Có thể chia ra ba loại cấu trúc: hình trụ có đối xứng xoắn, hình khối đa diện và
cấu trúc phức tạp (phối hợp) (Hình 3–5).
+ Cấu trúc hình trụ đối xứng: các capsomer liên kết với nhau tạo thành khối trụ rỗng
chứa bộ gene ở bên trong. Ví dụ virus không có vỏ ngoài: virus khảm thuốc lá; virus có có
vỏ ngoài: virus gây gây bệnh cúm, sởi và dại.
+ Cấu trúc khối: vỏ capsid cấu trúc hình khối 20 mặt tam giác đều. Sắp xếp của các
protomer tạo thành vỏ capsid biến đổi tùy từng loại virus, có thể được tạo thành từ một
đến nhiều loại capsomer khác nhau. Ví dụ: polyvirus có 32 loại, adenovirus có 252 loại.
Capsid có cấu trúc hình khối đa diện (virus bại liệt) và khối cầu (HIV).
+ Cấu trúc phối hợp: vừa có dạng khối và dạng xoắn, thường thấy ở thực
khuẩn thể (phage). Ví dụ phage T4 có đầu dạng khối và đuôi dạng xoắn.
3.2.2. Bộ gene của virus
Bộ gene (genome) của virus rất đa dạng về cấu trúc, kích thước và thành phần
nucleotide. Chúng có thể là DNA hoặc RNA, chuỗi đơn hoặc kép, thẳng hoặc khép vòng
(Bảng 3–1).
Dựa vào kiểu bộ gene và dạng mạch, virus được chia thành 2 lớp: virus DNA và
virus RNA.
Kích thước genome có thể từ 3500 nucleotide (ở phage nhỏ) đến 560.000 nucleotide
(ở virus herpes). Các trình tự genome virus phải được đọc mã bởi tế bào chủ, cho nên các
tín hiệu điều khiển phải được các yếu tố của tế bào chủ nhận biết. Các yếu tố này thường
liên kết với protein virus. Do có kích thước nhỏ nên genomevirus đã tiến hóa để sử dụng
tối đa tiềm năng mã hóa của mình. Vì thế hiện tượng gene chồng lớp và hiện tượng cắt nối
(splicing) mRNA ở virus là rất phổ biến.

66
Cấu trúc hình trụ Cấu trúc khối đa diện
Bộ gen

Nucleocapsid Capsomer
Chóp đỉnh

Sợi gai

Virus không có vỏ ngoài: khảm thuốc lá Cấu trúc khối đặc trưng virus không có vỏ
ngoài
Nhân DNA

Màng bao
Nucleocapsid
Màng bao Capsid

Virus có vỏ ngoài: cúm, sởi, dại Virus có vỏ ngoài: Viêm gan B (trái) và
Herpes (phải)
Cấu trúc phối hợp

Acid nucleic

Vỏ capsid ở
phần đầu
Cổ
Màng bao

Ghim Đĩa
đuôi gốc
Lông

Bacteriophage T4
Hình 3–5. Ba loại cấu trúc thường gặp ở virus
(Marjorie Kelly Cowan et al., 2014)
67
Bảng 3–1. Các dạng genome virus

Loại acid
Cấu trúc Ví dụ
nucleic
Chuỗi đơn, dạng thẳng Virus parvo
DNA đơn
Chuỗi đơn, khép vòng Phage ФX174, M13, fd
Herpes, adeno, coliphage T, phage l.
Chuỗi kép, dạng thẳng
Coliphage T5
Chuỗi kép, dạng thẳng, trên một
Vaccinia, Smallpox
mạch có những chỗ đứt ở cầu
DNA kép nối phosphodieste.

Chuỗi kép với hai đầu khép kín


Polioma (SV40), papiloma, phage

Chuỗi kép khép vòng kín PM2, virus đốm hoa lơ

Chuỗi đơn, dương dạng thẳng Picorna (polio, rhino), toga, phage
Chuỗi đơn, âm, dạng thẳng RNA, MTV và hầu hết virus thực vật.
Chuỗi đơn, dương, dạng thẳng,
Rhabdo, paramyxo, (sởi, quai bị)
nhiều đoạn.
Virus đốm cây kiều mạch (Bromus)
Chuỗi đơn, dương genome phân
(mỗi phần được bao bởi 1 capsid
đoạn là 3 phân tử RNA (+)
RNA đơn riêng).
Retro (HIV, Sarcoma Rous)
Chuỗi đơn, âm dạng thẳng, phân
Orthomyxo (cúm) – gennom phân đoạn
đoạn
là 3 phân tử RNA (-).
Reo (rota), một số virus gây u ở thực
Chuỗi kép, dạng thẳng, phân vật, NPV ở côn trùng, phage j6 và
RNA kép
đoạn nhiều virus ở nấm (mycovirus),
Reoviridae

Kích thước genome thay đổi rất nhiều ở các virus khác nhau. Các genome nhỏ nhất
(ví dụ Bacteriophage MS2,Q) có kích thước 1106 Da đủ để mã hóa cho 34 protein.
Một số virus khác tận dụng tối đa không gian của genome bằng cách sử dụng các gene
chồng lớp, tức là các gene gối lên nhau trên cùng khung đọc, chỉ khác nhau ở diểm khởi
đầu hoặc kết thúc.

68
Các genome của coliphage T chẵn, herpes, vaccinia có kích thước1,6108 Dacó thể
mã hóa cho 100 protein.
Một số đặc điểm của genome virus cần lưu ý:
 Genome DNA kép (ví dụ ở virus pox, herpes và adeno) thường có kích thước
lớn nhất.
 Genome DNA kép khép vòng (siêu xoắn hoặc không siêu xoắn) thường thấy ở phage
 Genome DNA kép ở virus vaccinia có hai đầu khép kín
 DNA đơn dạng thẳng (ví dụ virus parvo) có kích thước rất nhỏ.
 Các DNA dạng thẳng thường có trình tự lặp lại ở đầu.
 Tất cả genome RNA kép đều phân đoạn (chứa một số đoạn không giống nhau,
mang thông tin di truyền tách biệt).
 Genome RNA đơn được phân thành RNA dương (genome+) và RNA âm
(genome–) dựa vào trình tự nucleotide của mRNA.Phần lớn genome RNA đơn đều không
phân đoạn trừ virus orthomyxo (virus cúm).
 Virus retro có genome là hai phân tử RNA đơn giống nhau, nối với nhau ở đầu 5
nhờ cầu nối hydro.
 Virus đốm cây Alfalfa (AMV) có genome gồm 4 đoạn RNA đơn, dương, dạng
thẳng, được gói vào 4 vỏ capsid khác nhau nên còn gọi là virus dị capsid (heterocapsidic)
để phân biệt với virus mà tất cả các đoạn đều được gói trong một hạt–virus đồng capsid
(isocapsidic).

4. SỰ NHÂN LÊN CỦA VIRUS

Virus không có hoạt tính trao đổi chất độc lập mà sử dụng bộ máy trao đổi chất của
tế bào chủ để tổng hợp các thành phần thiết yếu của mình, sau đó lắp ráp tạo ra các hạt
virus con giống như nguyên bản. Vì vậy người ta thường sử dụng thuật ngữ nhân lên
(nhân bản) của virus thay cho từ sinh sản.
Sự nhân lên của virus có thể làm tan tế bào gọi là chu trình sinh tan hoặc có thể gắn
genome của virus vào nhiễm sắc thể của tế bào chủ, tồn tại lâu dài dưới dạng tiềm ẩn mà
không làm chết tế bào gọi là chu trình tiềm tan.
Quá trình nhân lên của ở tất cả các virus độc đều diễn ra theo 5 giai đoạn:

4.1. Hấp phụ


Gắn thụ thể đặc hiệu của virus lên thụ thể nằm trên màng sinh chất của tế bào. Vì
có tính đặc hiệu cao của các gai (spike) hay protein trên vỏ ngoài của virus nên chỉ virus
nhất định mới gắn lên được các tế bào nhất định.

69
4.2. Xâm nhập, cởi vỏ và phiên mã
4.2.1. Xâm nhập
Sự hấp phụ được tăng cường khi có mặt của ion Mg2+ hoặc Ca2+
Virus không có vỏ bên ngoài: Màng tế bào lõm vào bao lấy virus tạo không bào
tạm thời endosome. Tiếp đó không bào dung hợp với lizosome. Bơm proton bơm H+ vào
lizosome hạ pH 5 – 5,5. Enzyme trong lizosome hoạt động hóa phân giải nucleocapsid,
giải phóng genome vào tế bào chất.

Hình 3–6. Các phương thức xâm nhập của virus vào tế bào (Jeffrey et al., 2011)
A. Virus có vỏ ngoài: B.Virus không có vỏ ngoài.

 Virus có vỏ bên ngoài: vỏ bên ngoài của virus dung hợp với màng sinh chất rồi
đẩy nucleocapsid vào tế bào. Vỏ bên ngoài virus hòa với màng sinh chất mà không chui
vào tế bào chất. Ví dụ virus HIV virus paramyxo, herpes.
 Màng tế bào lõm vào bao lấy virus tạo thể nội bào (endosom), Endosom dung hợp
với lisosome. Bơm proton bơn H+ vào lisosome, tạo pH 5–5,5. Ở pH này enzyme trong
lisosome hoạt hóa phân giải vỏ capsid giải phóng acid nucleic vào tế bào chất.. Ví dụ
adenovirus reovirus và influenza virus.
4.2.2. Cởi vỏ
Enzyme tiêu hóa của tế bào từ lysosome tiến hành phân giải vỏ protein của virus để
giải phóng acid nucleic hoặc genome vào tế bào chất.

70
4.2.3. Phiên mã
Tạo thành mRNA của virus hoặc phân tử dạng sao chép của genome.
4.3. Tổng hợp các thành phần của virus
4.2.4. Tổng hợp protein của virus
mRNA của virus được phiên mã trên ribosome của tế bào tạo ra 2 loại protein
Protein cấu trúc là protein capsid, protein vỏ ngoài và protein trong lõi.
Protein không cấu trúc là enzyme cần cho sao chép genome. Protein không cấu trúc
tìm thấy trong hạt virus, trừ một số trường hợp đặc biệt ví dụ enzyme phiên mã ngược có
trong virus HIV hoặc virus viêm gan B chứa DNA polymerase, một số virus RNA chứa
RNA polymerase.

Hình 3–7. Các hình thức phiên mã và giải mã ở virus (Marjorie Kelly Cowoan et al., 2014)

4.2.5. Tổng hợp acid nucleic của virus


Genome của virus con được sao chép từ genome của virus mẹ. Trong trường hợp
genome là mạch đơn thì khuôn là mạch bổ sung mới tạo thành của genome mẹ.
Phần lớn quá trình sao chép được thực hiện nhờ polymerase (replicase) do virus mã
71
hóa. Đối với một số virus DNA thì quá trình tổng hợp được thực hiện nhờ enzyme của tế
bào.

4.4. Lắp ráp


Genome và protein mới được tạo thành lắp ráp với nhau tạo nên hạt virus mới. Đa
số trường hợp protein capsid lắp ráp tạo thành cấu trúc rỗng gọi là tiền capsid (procapsid)
sau đó do chuyển động brown, acid nucleic chui vào cấu trúc này rồi hàn kín lại.
Lắp ráp có thể xảy ra trong nhân tế bào, trong tế bào chất hoặc ngay sát màng sinh
chất (đối với đa số virus màng bao). Virus nẩy chồi, màng sinh chất bao lấy nucleocapsid
tạo vỏ ngoài.

4.5. Giải phóng


Virus có thể làm tan tế bào để được phóng thích ồ ạt ra ngoài hoặc đối với virus có
vỏ ngoài thì phóng thích ra từ từ theo lối nảy chồi.

5. BACTERIOPHAGE
Bacteriophage là một loại virus đặc biệt, tên gọi tắt là phage hay còn được gọi là thể
thực khuẩn. Đây là nhóm virus phân bố rộng rãi trong tự nhiên, lần đầu tiên được nhà
khoa học người Anh Frederick Twort (18771950) phát hiện ở tụ cầu năm 1915, sau đó là
ông Felix d'Hérelle (18731949), nhà vi sinh học mang quốc tịch Pháp–Canada đã xác
định được virus ký sinh trên vi khuẩn lỵ và gọi chúng là Bacteriophage. Hiện nay người ta
đã biết vài ngàn phage khác nhau, ví dụ: MS2, f2, Q, ×174, T3, T7, T2, T4, T6 vật chủ là
E. coli; PM2–Pseudomonas...
Phage không gây bệnh cho người mà chỉ gây bệnh cho vi khuẩn. Mỗi vi khuẩn có
thể là vật chủ của một hoặc nhiều phage. Hiện nay phage được sử dụng để nghiên cứu
định loại prokaryote, vận chuyển các yếu tố di truyền trong nghiên cứu sinh học phân tử,
điều trị các bệnh do vi khuẩn, điều tra dịch tễ học...

5.1. Cấu trúc của phage


 Cấu trúc: phage có 3 dạng cơ bản: cấu trúc hình khối không đuôi, cấu trúc hình
khối có đuôi và cấu trúc dạng sợi hay dạng que. Dạng có đuôi (chẳng hạn phage T2 –
Hình 3–8) gồm đầu hình khối đa diện; cổ; đuôi có dạng hình trụ gồm bao đuôi và ống trục,
cuối đuôi có các sợi lông như chân để bám vào vi khuẩn và đĩa gốc với 6 sợi lông đuôi.
 Thành phần hóa học gồm:
+ DNA: có hầu hết ở các phage, thường có 2 chuỗi xoắn vào nhau, một số có DNA
một chuỗi, những phage không chứa DNA thì chứa RNA và thường RNA một chuỗi.
+ Protein: vỏ capsid được cấu tạo bằng những đơn phân gọi là capsomer chính là

72
những hạt protein.
+ Enzyme: ở đuôi của phage có chứa một số loại enzyme.

Hình 3–8. Ảnh hiển vi điện tử các phage bám trên bề mặt tế bào vi khuẩn (trái);
hình mặt cắt (giữa) và hình dạng ngoài phage T2 (Hershey và Chase, 1952)

Phage độc: phage sau khi nhân lên trong vi khuẩn thì vi khuẩn sẽ chết và phage
mới hình thành.
Phage ôn hòa: sau khi xâm nhập vào tế bào vi khuẩn sẽ xảy ra một trong hai
trường hợp:
+ Theo cách nhân lên của phage độc và giết chết tế bào vi khuẩn.
+ Các DNA của phage gắn vào DNA của vi khuẩn tạo prophage cho nên không có
quá trình nhân lên. Khi vi khuẩn nhân lên thì các DNA của phage nhân lên theo.
–Tính miễn dịch của phage
Phage cũng có tính kháng nguyên đặc hiệu cho từng loại. Các huyết thanh miễn dịch
có thể trung hòa phage tương ứng. Khi phage hấp phụ vào thành tế bào vi khuẩn thì huyết
thanh miễn dịch không còn tác dụng.

5.2. Sự nhân lên của phage độc trong vi khuẩn


Sự nhân lên của phage độc trong vi khuẩn thường diễn ra theo các giai đoạn sau:
Giai đoạn hấp phụ và xâm nhập: Muốn xâm nhập và nhân lên trong vi khuẩn,
trước hết phage phải tìm thấy chỗ tiếp nhận đặc hiệu trên bề mặt tế bào vi khuẩn. Nhiều
nghiên cứu cho thấy khi vi khuẩn biến dị, thay đổi tính chất bề mặt thì phage không có khả
năng xâm nhập vào vi khuẩn. Khi đã bám vào bề mặt tế bào vi khuẩn, lizozyme ở đuôi của
phage sẽ làm tan vách (thành) tế bào vi khuẩn, sau đó đuôi co bóp đẩy lõi của đuôi vào vi
khuẩn, tiếp theo ADN của phage sẽ được bơm vào tế bào vi khuẩn. Vỏ capsid sẽ ở lại
ngoài vi khuẩn.
Giai đoạn sinh tổng hợp các thành phần: Sau 23 phút, enzyme deoxyribonuclease
của phage xuất hiện phá hủy DNA của tế bào vi khuẩn, mARN và kèm theo hàng loạt

73
enzyme cần thiết cho phage được tổng hợp. DNA của phage được hình thành cùng với
protein (tạo vỏ capsid) của phage được tổng hợp ở ribosome của tế bào chủ.
Giai đoạn lắp ghép và giải phóng: Các thành phần DNA lắp ghép với protein tạo
thành phage. Các phage mới được hình thành sau thời gian khoảng 12 phút và sự giải
phóng phage mới thường xảy ra ở phút thứ 25. Trung bình mỗi vi khuẩn có thể giải phóng
từ 100 đến vài trăm phage.

5.3. Tính tiềm tan và phage lamda ()


Quá trình tan và tiềm tan chỉ dành cho bacteriophage (phage) lần đầu tiên được phát
hiện ở vi khuẩn E. coli K12/phage .
Sau khi phage  xâm nhập vào tế bào vi khuẩn chủ (E. coli K12), chúng gắn phân tử
DNA vào NST của vi khuẩn và tiến hành sao chép như một phần của NST vi khuẩn. Các
hạt phage không được tạo thành. Phân tử DNA của phage khi gắn vào bộ gene của vi
khuẩn được gọi là prophage. Tế bào vi khuẩn mang prophage được gọi là tế bào tiềm tan
(lysogen). Khi có tác nhân gây đột biến (ví dụ như như tia UV) tác động vào prophage, lập
tức chúng chuyển sang dạng gây độc và thực hiện chu trình sinh tan. Mối quan hệ này
được hiểu theo sơ đồ sau (Hình 3–9):

Hình 3–9. Chu trình tan và tiềm tan ở phage  (Jeffrey et al., 2011)

Chu trình tan


(1) Phage tấn công tế bào chủ và bơm DNA vào
(2) Tái tạo vòng DNA phage
(3) DNA và protein của phage được tổng hợp và lắp ghép tạo thành phage mới
(4) Tế bào bị phân giải, giải phóng phage

74
Chu trình tiềm tan
(5) DNA của phage tích hợp vào NST vi khuẩn tạo thành dạng prophage
(6) Tế bào vi khuẩn phân chia bình thường, sao chép prophage và truyền cho thế hệ sau
(7) Nhiều tế bào phân chia tạo ra khuẩn lạc vi khuẩn có chứa prophage
(8) Một số prophage tồn tại trên NST vi khuẩn khởi đầu cho chu trình sinh tan mới.
Khi tách ra chúng có thể đem theo một số gene liền kề ở NST. Nếu các gene này mã
hóa cho một tính trạng nào đó thì tế bào mới cũng mang tính trạng đó. Viêc truyền vật liệu
di truyền từ tế bào này sang tế bào khác nhờ virus gọi là tải nạp.
Prophage chứa gene mã hóa protein ức chế quá trình tan. Nếu gene này bất hoạt chất
ức chế không được tạo thành thì sẽ tiến hành chu trình sinh tan.

5.4. Phương pháp khảo sát phage


5.4.1. Sự hình thành vệt tan
“Plaque” vệt tan: phage chỉ nhân lên ở tế bào vi khuẩn sống nhạy cảm. Vì kích
thước không cho phép quan sát trực tiếp nếu không có kính hiển vi điện tử nên chúng ta
chỉ theo dõi hoạt động của chúng bằng phương tiện gián tiếp. Thông thường người ta cho
một hạt phage vào một lớp vi khuẩn đang phân chia ở trên đĩa thạch dinh dưỡng sẽ tạo nên
một vùng phân giải sáng mờ đục của vi khuẩn đang phát triển (Hình 3–10). Vùng phân
giải này gọi là một vệt tan hay còn gọi là đốm tan – “plaque”; nó được tạo thành do tế bào
vi khuẩn bị nhiễm phage phân giải và phóng thích nhiều hạt phage mới, những phage này
liền xâm nhiễm những tế bào vi khuẩn kế cận. Quá trình này lặp lại tuần tự cho đến khi sự
phát triển của vi khuẩn ở trên đĩa thạch ngừng lại do hết thức ăn và tích tụ phẩm vật độc.
Nếu thao tác khéo léo mỗi hạt phage tạo nên một plaque. Mọi vật liệu chứa phage có thể
định lượng như thế bằng cách pha loãng thích hợp và cho vào đĩa thạch dinh dưỡng mọc
dày đặc vi khuẩn nhạy cảm. Đếm plaque (PFU– Plaque forming unit) cũng tương tự như
đếm khuẩn lạc (CFU) trong định lượng vi khuẩn.

Vệt tan Phage lambda


Hình 3–10. Vệt tan “plaque”của phage  đối với vi khuẩn E. coli

75
5.4.2. Phân lập và tinh chế
Dể khảo sát những tính chất vật lý và hóa học của phage cần phải điều chế một
lượng đầy đủ phage tinh chế không chứa vật liệu tế bào. Thông thường người dùng môi
trường lỏng nuôi cấy vi khuẩn vật chủ được tiếp chủng phage và ủ cho đến khi môi trường
nuôi cấy chứa các vi khuẩn mẫn cảm hoàn toàn ly giải. Lúc này dịch thủy phân chỉ chứa
hạt phage và mảnh vụn vi khuẩn, chúng được tách riêng bằng li tâm phân biệt. Phần phage
li tâm có thể sử dụng để khảo sát những tính chất vật lý và hóa học hoặc soi kính hiển vi
điện tử.

5.5. Ứng dụng của phage


 Ứng dụng trong nghiên cứu sinh học phân tử: nhiều phage được dùng làm phương
tiện chuyển gene trong nghiên cứu sinh học phân tử và di truyền vi khuẩn. Sự tải nạp là
quá trình vận chuyển gene ở vi khuẩn qua trung gian của phage. Một vài chủng phage ví
dụ phage P22 có thể vận chuyển bất cứ gene nào của vi khuẩn, đó là sự chuyển nạp tổng
quát. Trong sự chuyển nạp đặc hiệu, một số phage đặc hiệu, ví dụ phage  (lambda) chỉ
vận chuyển một số gene của vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận.
Phòng và điều tri bệnh do vi khuẩn: trong một số bệnh do vi khuẩn gây ra, ví dụ
như bệnh lỵ, người ta đã cho bệnh nhân uống phage đặc hiệu của vi khuẩn có nguy cơ gây
bệnh hoặc đang gây bệnh để phòng và điều trị. Hiện nay nhiều công ty dược phẩm của
Mỹ, Ấn Độ... đang nghiên cứu phage để điều trị nhiều căn bệnh vi khuẩn như: lao, vi
khuẩn gây nhiễm độc thức ăn, cùng những vũ khí sinh học, trong đó có bệnh than.
Phương pháp này có hiệu quả cao nhưng khó thực hiện và tốn kém.
-Chẩn đoán và phân loại vi khuẩn : Phage kí sinh đặc hiệu đối với vi khuẩn. Trong
chẩn đoán và phân loại một số vi khuẩn như tụ cầu, vi khuẩn lam… người ta dùng phage
đã biết tên trước cho tiếp xúc với vi khuẩn đang cần xác định, nếu đặc hiệu (cùng tên)
thì tế bào vi khuẩn sẽ bị phage gây bệnh và làm tan tế bào đó. Đây là cách chẩn đoán,
phân loại nhanh và đặc hiệu cao.
-Phát hiện phóng xạ: Những tế bào vi khuẩn tiềm tan thường bị phân giải khi có
tác dụng của chất phóng xạ, bởi vậy người ta dùng những tế bào tiềm tan đó cho tiếp xúc
với môi trường hoặc những chất nghi bị nhiễm phóng xạ, nếu tế bào vi khuẩn bị phân
giải có nghĩa là môi trường hoặc những chất đó đã nhiễm phóng xạ.

6. CÁC BỆNH DO VIRUS

Virus là tác nhân gây bệnh quan trọng cho người, động vật, cây trồng và vi sinh vật.
Đa số các bệnh thường gặp ở người là do virus. Hầu hết chúng gây bệnh ở thể nhẹ, bệnh
nhân tự bình phục sau một thời gian nhất định. Nhiều loại tồn tại thầm lặng trong cơ thể.

76
Chúng nhân lên nhưng không gây bất kỳ triệu chứng nào. Tuy nhiên việc nhiễm virus
thường ở thể nhẹ, nhưng đôi khi có thể gây bệnh trầm trọng ở những người mẫn cảm bất
thường. Một số do virus gây bệnh rất nặng và thường có tỷ lệ tử vong cao. Sau đây là một
số virus gây bệnh (Bảng 3–2, 3–3).

Bảng 3–2. Virus gây bệnh chứa genome DNA

Nhóm virus Tên virus Tên bệnh


Pox Variola Đậu mùa
Molluscum (u mềm) U mềm lây
Herpes Herpes simplex Herpes
Varicella zoster Thủy đậu zona (shingles)
Cytomegalo Nhiễm trong thỏa hiệp miễn dịch
Bệnh bạch cầu đơn nhân lây nhiễm
EB (Epstein– Barr), Bệnh ngoại ban đột ngột
HH6
Adeno Virus adeno Viêm họng
Viêm kết mạc
Hepadna Viêm gan B Viêm gan
Papova Papiloma Mụn cóc
Virus JC Viêm chất trắng não nhiều ổ tiến triển
Parvo B19 Ban đỏ truyền nhiễm, cơn bất sản

7. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TÁC NHÂN VẬT LÍ, HÓA HỌC ĐẾN VIRUS
Nhiệt độ cao: Đa số virus bị bất hoạt ở 560C trong vòng 30 phút, hoặc ở 1000C
trong vài giây.
Nhịêt độ thấp: Đa số virus bền ở nhịêt độ lạnh nên có thể bảo quản lâu ở âm 700C.
Một số virus bị bất hoạt trong quá trình làm đông lạnh hoặc tan băng.
Khô hạn: Khả năng chịu khô hạn của virus khác nhau tùy loài. Một số sống sót,
một số bị bất hoạt nhanh ở điều kiện khô hạn
Bức xạ tử ngoại: Virus bị bất hoạt bởi tia tử ngoại
Chloroform, ether và các dung môi khác: Các virus có vỏ ngoài chứa lipid sẽ bị bất
hoạt, còn không chứa lipid sẽ bền vững.

Các chất oxy hóa và chất khử. Virus bị bất hoạt bởi dưới tác dụng của
formaldehyde, chlor, iod và H 2O2. β–Propiolactone và formaldehyde là các hóa chất
được dùng để bất hoạt virus trong sản xuất vaccine, song đa số virus không bị bất hoạt
bởi phenol.

77
Chất khử trùng virus: Tốt nhất là dùng dung dịch hypochloruria (một chất ăn mòn)
và glutaraldehyde (là chất có thể gây mẫn cảm và kích thích gây khó chịu chảy nước mắt
cho người dùng).

Bảng 3–3. Virus gây bệnh chứa genome RNA

Nhóm virus Tên virus Tên bệnh


Orthomyxo Virus cúm Cúm
Paramyxo Á cúm; Hợp bào hô hấp Viêm nhiễm đường hô hấp
Sởi Sởi
Quai bị Quai bị
Corona Virus corona Gây nhiễm đường hô hấp SARS
Rhabdo Virus dại Bệnh dại
Picorna Entero Viêm não, bại liệt
Rhino Cảm lạnh
Viêm gan A Viêm gan
Calici SRSV (virus có cấu trúc dạng Viêm dạ dày, ruột
tròn nhỏsmall round structure
virus)
Toga Alpha (virus arbo nhóm A) Viêm não
Rubi Sốt xuất huyết Rubeon (sởi Đức)
Flavi Flavi (virus arbo nhóm B) Viêm não
Sốt xuất huyết
Viêm gan C Viêm gan
Bunya Một số virus arbo Viêm não
Sốt xuất huyết
Sốt, viêm thận
Reo Rota Bệnh đường tiêu hóa
Arena Viêmmàng não đám rối màng Viêmmàng não
mạch lympho bào
Virus Machupo; Virus Junin
Virus Lassa Sốt xuất huyết
Retro HTLV–I, II Ung thư tế bào T
U lympho; Liệt
HIV– 1, 2 AIDS
Filo Virus Marburg Sốt Marburg
Virus E bola Sốt xuất huyết Ebola

78
8. CÁC THỰC THỂ DƯỚI VIRUS

Các thực thể dưới virus hiện được nghiên cứu đó là viroid và prion.

8.1. Viroid
Các viroid là các thực thể dưới virus với các phân tử RNA cảm nhiễm, mạch vòng,
sợi đơn dài từ 250 đến 400 ribonucleotide được phát hiện năm 1971. Chúng có khả năng
nhân đôi trong tế bào chủ và truyền từ vật chủ này đến vật chủ khác thông qua các phương
tiện cơ học, các vùng tổn thương hay truyền qua các hạt phấn và noãn bị nhiễm. Viroid là
tác nhân gây bệnh nhỏ nhất mà con người đã biết (Bệnh củ khoai tây hình thoi, bệnh lùn ở
thực vật, bệnh hại cây dừa...). Viroid không có vỏ capsid và thậm chí không mã hóa bất kì
mộtprotein nào và sự nhân lên của chúng phụ thuộc hoàn toàn vào sự hoạt động cuả
enzyme tế bào chủ (Hình 3–11).

(a) (b)
Hình 3–11. a– Phân tử viroid và b–củ khoai tây bị bệnh có dạng hình thoi

8.2. Prion
Chỉ chứa thành phần protein và không chứa một loại acid nucleic nào. Trong cơ thể
bình thường có thể có sẵn các prion nhưng chúng không gây bệnh. Trong điều kiện nào đó
prion có thể thay đổi cấu trúc và gây bệnh.
Prion gây nhiều bệnh nguy hiểm ở động vật và người, gây thóai hóa hệ thần kinh
trung ương và giảm sút trí tuệ như bệnh BSE (xốp não – bò điện)...
Năm 1981, Stanley B. Prusiner chứng minh nguyên nhân gây ra căn bệnh trên có
bản chất là protein và được gọi là prion, có nghĩa là protein gây nhiễm. Ông là người đầu
tiên phân lập được prion và nhờ công trình này ông nhận giải Nobel Y học năm 1997.
8.2.1. Khái quát về prion
Protein prion, viết tắt là PrP, là sản phẩm bình thường của gene protein prion, gọi tắt
là PRNP (normal product of prion gene) được biểu hiện ở hầu hết các động vật có vú, đặc
biệt được biểu hiện mức cao trong các tế bào mô não.

Có hai loại PrP: loại bình thường không gây bệnh của tế bào được kí hiệu là PrPc (c–
79
cell) và loại gây bệnh được kí hiệu là PrPSc (sc–scrapie). PrPSc có khối lượng phân tử
27.000 – 30.000 Da nên gọi là Pr27–30. Còn các thuật ngưz khác để chỉ prion có cấu trúc
khác với PrPc và PrPSc, ví dụ khi PrP bị cắt mất đầu và đuôi hoặc ở dạng tổ hợp của hai
loại trên, đó là PrPres và PrPSens. Chữ res (resistance) thể hiện tính kháng lại sự phân giải của
protease còn chữ sens (sensitivity) thể hiện tính mẫm cảm với enzyme này (Bảng 3–4)

Bảng 3–4. So sánh PrPc và PrPSc

Đặc điểm PrPc PrPSc


Cấu trúc Dạng cầu Dạng kéo dài
Kháng protease Có Không
Có mặt trong sợi Scrapie Có Không
Nằm trong hoặc trên tế bào Trong bọng sinh chất Trên màng sinh chất
Thời gian quay vòng (chu kỳ) Nhiều ngày Nhiều giờ

PrPc có cấu trúc bậc hai chủ yếu là dạng xoắn  (thường có 3 chuỗi như vậy)
cònPrPsc chủ yếu có cấu trúc phiến gấp nếp . PrPc có thể gây nhiễm từ cá thể này sang cá
thể khác. Khi ở trong cơ thể nó có thể biến đổi cấu trúc bậc hai PrPcPrPSc và gây bệnh
(Hình 3–12).

Hình 3–12. Prion và cơ chế gây bệnh BSE (xốp não – bò điện)

Các đột biến làm thay đổi cấu hình PrPc làm cho nó ngẫu nhiên trở thành PrPSc. Đặc
biệt một số được hình thành sẽ biến đổi PrPc xung quanh thành PrPSc.
Có trường hợp biến đổi PrPc thành PrPSc một cách tình cờ mà không cần có đột biến.
Điều này có thể lý giải vì sao bệnh prion có thể là do lây nhiễm, do di truyền hay xuất hiện
một cách tình cờ.

80
Đặc điểm đặc trưng nhất của prion là vẫn giữ được khả năng gây bệnh sau khi bị
chiếu tia phóng xạ, UV, dưới tác dụng của hơi dung dịch 70% ethanol và formaldehyte.
Prion có thể chui qua màng lọc cỡ 0,1m (màng lọc vi khuẩn là 2,2m), chỉ bị bất
hoạt với dung dịch NaOH 1M ở 550C hay chất tẩy rửa 20.000 ppm (nồng độ bột giặt gia
đình thường là 5.000 ppm).
8.2.2. Cấu trúc của prion
PrPclà một protein gồm 4 chuỗi ký hiệu là H1, H2, H3 và H4 chứa khoảng 40% chuỗi
 và 45% dải nếp gấp .
Vùng đầu –NH2 của PrPc tạo ra bề mặt chung nối với PrPSc. Đầu –NH2 rất linh
động, cấu trúc bậc ba của đầu –NH2 liên quan đến sự thay đổi cấu trúc trong quá trình hình
thành PrPSc.
Vùng ở đầu – COOH của PrPc là vị trí gắn với protein.
PrPSc được tạo thành do sự tháo xoắn ở đầu –NH2 của PrPc tạo thành dải gấp nếp .
Giải gấp nếp này nhiều (45%) nên cấu trúc ổn định hơn so với PrPc, ngăn cản sụ phân giải
của protein. PrPSc gây bệnh ở dạng dimer.
Bước đầu PrPc kết hợp với protein X để tạo thành phức hợp PrP*/Protein. Tiếp đến
là PrPc liên kết PrP trong phức hợp PrP*/Protein. Khi PrP* được chuyển dạng thành phân
tử mới, protein X sẽ rời khỏi phức hệ, chỉ còn lại dạng dimer (hoặc oligomer).
8.2.3. Sự nhân lên của prion
Trong các tế bào không bị nhiễm PrPc với trình tự kiểu dại WT (wild type) tồn tại
trong trạng thái cân bằng dạng monomer xoắn , mẫn cảm với protease hoặc gắn với
protein X (Hình 3–13).

PrPSc
Protein X

PrPc PrP*/Protein X PrPSc/PrP*/Protein X (PrPSc)2 + Protein X

Hình 3–13. Sơ đồ sự tạo thành PrPc nhờ khuôn có sẵn

Trong cơ thể bình thường, prion được tạo thành bởi tế bào thần kinh và một số tế
bào nhất định. Việc tạo raPrPc bắt đầu từ nhân, mRNA dùng để dịch mã cho PrPc được tạo
thành trong nhân, xuyên qua lỗ màng nhân ra tế bào chất gắn vào ribosome tạo phức đính
vào màng lưới nội chất hạt (RER– rough endoplasmid reticulum), sau đó PrPc được tổng
hợp và vận chuyển thông qua bộ máy Golgi. Ở phía đỉnh bộ máy này các bọng (kiểu
không bào) chứa PrPc nảy chồi và vận chuyển đến bề mặt tế bào. Ở đây chúng dung hợp
với màng sinh chất và phân tử hình que chui ra ngoài tế bào.

81
Neuron

PrP c
PrP Sc 1. Protein prion gây bệnh (PrP Sc)
kết hợp với prion bình thường
(PrP c)

2. PrP c chuyển thành PrP Sc

3. Nhiều PrP Sc sẽ chuyển nhiều


PrP c thành PrP Sc

4. Toàn bộ PrP c được chuyển


thành P rP Sc . Sau khi tế bào thần
kinh chết, vùng xốp hình thành
trong vùng chất xám

Hình 3–14. Sự nhân lên của prion (Jeffrey et al., 2011)

Tình trư amino acid của protein prion PrPc và prion PrPSc là như nhau nhưng cấu
hình không gian thì khác nhau. PrPc chủ yếu ở dạng α còn PrPSc chủ yếu là dạng dải .
Chúng nhân lên ở gian bào mô thần kinh, chèn ép làm tế bào thần kinh não bị hoại tử tạo
các hốc nên gọi là bệnh xốp não.
Prion có thể đi vào não dọc theo sợi trục (axon) của tế bào thần kinh. Prion có thể
nhân lên trong tế bào lympho do đó di chuyển được trong máu. Chúng có thể nhân lên
trong các tế bào sao (aster) và các tế bào thần kinh đệm khác.
Sau khi ăn phải thức ăn nhiễm prion, chúng được tế bào lympho hấp thụ rồi đi vào
các mô bạch huyết, mảng payer, amidan. Tại đây có các dây thần kinh qua đó prion có thể
xâm nhập vào hệ thần kinh trung ương. Các PrPSc bám vào các PrPc liên gây nên thay đổi
cấu hình của PrPc tạo nên các PrPSc là nguyên nhân gây chết tế bào thần kinh (Hình 3–14).
8.2.4. Nghiên cứu biện pháp chống bệnh prion
Hiện nay khoa học đang đưa ra các phương án thiết kế các loại thuốc nhằm ngăn cản
sự tạo thành prion gây bệnh từ prion bình thường:
Tạo dược phẩm có cấu trúc giống như protein X để cạnh tranh gắn vào PrPc làm ổn
định cấu trúc của PrPc và không cho nó chuyển hóa thành PrPSc.
Tìm kháng thể gắn vào PrPc.

82
Bảng 3–5. So sánh giữa virus và prion

Đặc điểm Virus Prion


Qua được màng lọc vi khuẩn Có Có
Không hoặc rất ít (~50 nucleotide không
Chứa acid nucleic Có đủ mã hóa cho bất kỳ protein nào của
prion)
Có hình dạng đặc trưng dưới Có Không
kính hiển vi điện tử
Chứa protein Có Có
Bị bất hoạt bởi:
+ Formaldehyde Có Không
+Protease Ít Không
+Nhiệt độ (800C) Phần lớn Không
+Ion hóa và tia UV Ít Không
Bệnh lý:
+Thời gian ủ bệnh Tùy thuộc loại virus Dài
+Phản ứng miễn dịch Có Không
+Tạo interferon Có Không
+Gây phản ứng viêm Có Không

Tạo ra các chất hóa học có thể chuyển PrPc thành PrPSc. Một số chất có hoạt tính
này như dimethylsulfocide, oxid trimethylamine N, một số polyol khác và một số loại
đường.
Ngăn cản sự thạo thành PrPSc nhờ acid nucleic.
Sử dụng các hợp chất, ví dụ chất dẫn xuất của 1,2–hydroquinone sẽ bảo vệ tế bào
khỏi bị phá hủy.
Tạo ra các động vật chuyển gene không mang gene PrP, do đó có thể kháng được
bệnh prion.

TÓM TẮT CHƯƠNG


Virus là những thực thể gây nhiễm chưa có cấu tạo tế bào, có thể chui qua màng lọc
vi khuẩn, có khả năng gây bệnh cho người, động vật và thực vật. Virus có thành phần
chính là lõi acid nucleic nằm ở giữa hạt virus, mỗi loại virus chỉ chứa một trong hai loại
acid nucleic là DNA hoặc RNA, bao quanh lõi acid nucleic là lớp protein capsid. Sự tập
hợp của những lớp protein này quyết đinh hình dạng virus. Một số virus ở dạng trần hay
có thêm màng bao ngoài.
Do virus có đời sống kí sinh bắt buộc nên phải nuôi cấy virus trên các tế bào hay tổ
chức sống.
83
Quá trình nhân lên của virus độc thường gồm 5 giai đoạn: Giai đoạn hấp phụ, giai
đoạn xâm nhập, giai đoạn tổng hợp các thành phần của virus, giai đoạn lắp ráp hạt virus
mới và giai đoạn giải phóng virus ra khỏi tế bào để tiếp tục xâm nhập vào các tế bào lành.
Các thực thể dưới virus (viroid, prion) mới được phát hiện gần đây, chúng gây nhiều
bệnh đặc hiệu cho người, động vật (prion), thực vật (viroid).

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP


1. Đặc điểm hình dạng và cấu tạo của virus?.
2. Các giai đoạn nhân lên của virus?
3. Những sai khác cơ bản giữa virus trần và virus có màng bao ngoài?
4. Các đặc điểm chính của virion, viroid và prion?
5. Trình bày các phương thức xâm nhập của virus vào tế bào chủ.
* Chọn đáp án đúng nhất
6. Sự sai khác nhau về thành phần cấu tạo giữa virus cúm và virus khảm thuốc lá:
a. Vật chất di truyền là RNA
b. Vỏ capsid được cấu tạo từ các đơn vị hình thái (capsome)
c. Có màng bọc bên ngoài vỏ capsid, có lông dính kết hồng cầu
d. Có cấu trúc đối xứng hình trụ xoắn
7. Đặc điểm đặc trưng của prophage?
a. Có thể chuyển từ tế bào này sang tế bào khác nhờ quá trình tiếp hợp, biến nạp
hay tải nạp
b. Không có vỏ protein bao bọc
c. DNA có khả năng nhân lên
d. Không tồn tại ngoài tế bào
8. So sánh một số đặc điểm (có (+)/Không (–) của virus với một số loại VSV khác:

Đối tượng Nuôi cấy được trên Có Có DNA và Kí sinh mức


Phân đôi
so sánh MT nhân tạo ribosomes RNA độ
Virus
Mycoplasma
Rickettsia
Clamydia

* Điền vào các chỗ trống


9. Ở một số virus, lớp vỏ bọc được phủ bởi các.........(a).... có bản chất
là......(b)........hoặc....(c)......mà vai trò của chúng là để nhận biết (về mặt hóa học)
các...(d).... và gắn vào tế bào mà chúng gây nhiễm.

84
10. Các hạt tương tự virus song chỉ chứa ARN thuần khiết được gọi là....(a).....là
bọn gây bệnh ở thực vật có nghĩa kinh tế như.....(b)........….
11. Các hạt protein thuần khiết gây bệnh thần kinh ở động vật có tên là........
12. Các bacteriophage được nhân lên trong...(a)..... và làm tan nó, đó là quá
trình....(b)....., tuy nhiên cũng có những phage không làm tan ngay tế bào, genome của
phage xen vào genome tế bào và biến tế bào thành....(c)......
13. a. Virus phát triển bằng cách....................
b. Trong quá trình nhân lên của virus................là có vai trò quyết định
c. Virus nhân lên bằng cách dùng.................của tế bào
d. Cấu tạo của virus gồm hai thành phần chính là....................

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ


1. Capsid: Vỏ protein của virus
2. Capsomer: Đơn vị hình thái cấu tạo nên vỏ capsid của virus.
3. Dalton (kí hiệu Da): Đơn vị đo khối lượng tương đương khối lượng nguyên tử
hydro (1,66 × 10–24).
4. Envelope (vỏ ngoài): Vỏ bao quanh capsid, có nguồn gốc từ màng sinh chất hoặc
màng nhân.
5. Genom: Bộ gen của một cơ thể.
6. Plaque: Vệt tan
7. PFU: (PFU– Plaque forming unit): Đơn vị hình thành vệt tan
8. Prophage: Genom của phage cài xen vào nhiễm sắc thể của tế bào vi khuẩn.
9. Prion là những phân tử protein và không chứa một loại acid nucleic nào. khi cô
lập protein này, người ta thu được cấu hình căn bản của nó là một dây protein gồm 263
amino acid.
10. SARS (severve acute respiratory syndrome): Hội chứng viêm đường hô hấp cấp
nặng.
11. Tiềm tan hay (lysogeny) là một pha (phase) trong chu kỳ nhân lên của virus.
Pha này bổ sung với pha tan (lytic phase), xảy ra sau khi gene của virus gắn vào NST của
tế bào.
12. Thực khuẩn thể (bacteriophage hay phage) được dùng để chỉ các virus kí sinh
sinh vật nhân sơ (vi khuẩn hoặc vi khuẩn cổ).
13. Viroid là những phân tử RNA khép vòng cỡ 150 ribonucleotit, ở dạng trần
không có vỏ capsid được phát hiện năm 1971.
14. Virion là virus ở trạng thái không hoạt động.

85
Chương 4
SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT

Mục tiêu
– Nắm được nhu cầu của các chất dinh dưỡng đối với vi sinh vật
– Hiểu được các chất dinh dưỡng, các kiểu dinh dưỡng và cơ chế hoạt động của các
nhóm vi sinh vật
– Phân biệt được các nhóm vi sinh vật theo các nguồn dinh dưỡng khácnhau
– Vận đụng được lý thuyết sinh sản và phát triển của vi sinh vật vào thực tiễn bảo vệ
môi trường.
– Nắm chắc các kiểu hô hấp, sự chuyển hóa các chất và các quá trình lên men ở vi
sinh vật.

1. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA VI SINH VẬT

Nhìn chung thành phần tế bào VSV cũng gồm những hợp chất tương tự thành phần
sinh vật bậc cao. Nó thay đổi tùy từng loài, tùy tuổi và môi trường dinh dưỡng.
Thường người ta chia các hợp chất trong tế bào làm 2 loại: Phần nước và phần khô
gồm: protein, carbohydrate, lipid, các nguyên tố khoáng và một số chất hoạt động sinh học.

1.1. Nước
Nước có tỷ lệ lớn trong tế bào vi khuẩn, chiếm từ 75–85% trọng lượng nguyên sinh
chất; chất khô chỉ chiếm 15–25%.
Trong tế bào vi sinh vật phần lớn nước ở dạng tự do, có tác dụng hòa tan các chất
vô cơ và hữu cơ. Thành phần nước tự do trong tế bào có thể thay đổi tùy theo điều kiện
môi trường bên ngoài, trạng thái tế bào và lứa tuổi. Sự mất nước tự do làm rối loạn sự
trao đổi chất.
Ngoài nước tự do còn một phần nước ở dạng liên kết với các hợp chất thể keo của tế
bào bằng hấp phụ hoặc nối hóa học ta gọi là nước cấu tạo. Nước cấu tạo khó tách khỏi tế
bào, và khi mất thì làm vỡ cấu tạo tế bào, tế bào sẽ bị chết.

1.2. Protein
Protein là thành phần chủ yếu của phần khô trong tế bào vi sinh vật, thường thường
chiếm 80% trọng lượng khô. Tuy nhiên thành phần protein cao không phải là đặc điểm
của tất cả tế bào VSV. Một số VSV chỉ có 13–14% protein. Sự chênh lệch này là do chỉ
một phần protein trong tế bào là protein cấu tạo có vai trò cơ bản trong quá trình sống,

86
ngoài ra là những protein dự trữ. Lượng protein dự trữ này nhiều hay ít là tùy thuộc nhiều
điều kiện, đặc biệt là thành phần thức ăn.
Protein đơn giản trong VSV bao gồm 3 loại: albumin, globulin và glutelin. Protein
phức tạp là lipoprotein và nucleoprotein, ở nhiều VSV nucleoprotein chiếm từ 1/3–1/2
tổng số protein.

1.3. Carbohydrate
Carbohydrate chiếm khoảng 10–30% chất khô, ở nấm thành phần này đến 40–60%.
Trong số đó thì 2–5% là ribose (trong thành phần acid nucleic). Còn phần lớn là những
polysacchride thường gặp: hemicllulose, glycogen, glicerol, destran... carbohydrate có giá
trị lớn trong tế bào VSV, nó được dùng để tổng hợp protein và lipid, để làm vật liệu xây
dựng tế bào và vật liệu năng lượng trong quá trình hô hấp.

1.4. Lipide và các chất tương tự (lipoid):


Lipid trong VSV rất phụ thuộc vào thành phần môi trường thức ăn, đa số VSV chứa
từ 1–3% lipid, nhưng một số dạng vi khuẩn trong môi trường nhiều carbohydrate, ít hợp
chất có nitơ thì lượng lipid có thể lên tới 50%. Chất béo trong tế bào có thể ở dạng tự do
hoặc dạng kết hợp. Chất béo tự do được sử dụng làm vật liệu năng lượng và chất dự trữ.

1.5. Một số chất hữu cơ có hoạt tính sinh học:


Thường chúng chỉ chiếm một tỉ lệ trọng lượng rất nhỏ, nhưng chúng rất quan trọng.
Đáng chú ý nhất là các enzyme, vitamin, sắc tố, một số acid hữu cơ, độc tố, chất kháng
sinh có tác dụng quan trọng trong quá trình trao đổi chất. Các chất sinh trưởng thường bao
gồm các vitamin và một số amino acid đặc biệt. Các sắc tố cũng thường gặp ở VSV, chính
nó mang lại cho VSV có màu sắc. Một số sắc tố đóng vai trò rất quan trọng trong sự đồng
hóa khí CO2.

1.6. Các nguyên tố khoáng:


Ngoài các nguyên tố hữu cơ C, H, O, N, trong tế bào VSV còn có các nguyên tố tro:
P, S, K, Ca, Mg, Fe, Na, Mn, và các nguyên tố vi lượng B, Mo, Zn, Cu, Br ...
Lượng nguyên tố tro, và nhất là nguyên tố vi lượng nói chung đều ít nhưng vô cùng
quan trọng.
Thành phần các chất này cũng thay đổi tùy theo đặc tính sinh lý của từng loài VSV.
Ví dụ vi khuẩn lưu huỳnh nhiều S, vi khuẩn sắt nhiều Fe, vi khuẩn ở biển nhiều Na và Cl.

2. DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT

2.1. Nhu cầu dinh dưỡng


Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, VSV đòi hỏi có nhiều thức ăn với tỷ lệ
tương đối cao so với trọng lượng của cơ thể. Người chỉ cần một lượng thức ăn bằng 1%

87
trọng lượng cơ thể, còn vi sinh vật cần một lượng bằng trọng lương cơ thể nó, VSV sinh
sinh trưởng và phát triển rất nhanh, chúng cần những thức ăn để tạo ra năng lượng và
những thức ăn để tổng hợp các thành phần tế bào. Những thức ăn này bao gồm các nito
hóa hợp (amino acid hoặc muối amonia), carbon hóa hợp thường là các ose nước và các
muối khoáng ở dạng ion như PO4H–, Cl–, SO, K+, Ca++, Na+ và một số ion kim loại hiếm
ở nồng độ rất thấp (Mn++, Fe++, Co++).
Rất nhiều VSV phân lập trong tự nhiên có thể tổng hợp được mọi enzyme từ một
hợp chất carbon độc nhất để hình thành những chất chuyển hóa cần thiết tham gia trong
quá trình chuyển hóa.

2.2. Chất dinh dưỡng và môi trường nuôi cấy vi sinh vật
2.2.1. Chất dinh dưỡng
Các chất dinh dưỡng đối với VSV là những chất được VSV hấp thụ từ môi trường
xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho các quá trình tổng
hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho các quá trình trao đổi năng
lượng.
Không phải mọi thành phần của MT nuôi cấy VSV đều được coi là chất dinh dưỡng.
Chất dinh dưỡng thường là những chất có tham gia vào trao đổi chất nội bào gồm các hợp
chất được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp những vật liệu mới của tế bào: Hợp chất
chứa nitơ để tạo nên nhóm amine và imine (–NH2, =NH).
Các hợp chất cung cấp năng lượng chủ yếu là các chất carbon, đường glucose...
Muối khoáng: đó là những yếu tố như Ca, P, Mg, Fe, S... Hàm lượng chất khoáng
thay đổi tùy theo từng loại VSV.
Nhờ sự hấp thu và đào thải các chất qua màng. Vi sinh vật có một số enzyme ngoại
bào như enzyme amylase, protease, cellulase, pectinase..., chúng có tác dụng phân cắt các
đại phân tử hữu cơ thành các phân từ nhỏ để dễ dàng vận chuyển qua màng.
2.2.2. Các loại môi trường nuôi cấy vi sinh vật
1) Phân loại môi trường dựa vào thành phần chất dinh dưỡng
a) Môi trường tự nhiên: gồm các hợp chất tự nhiên, chưa xác định rõ thành phần, ví
dụ môi trường sữa, nước chiết thịt bò, nước chiết các loại rau, quả...để nuôi cấy vi khuẩn
người ta sử dụng môi trường canh thịt có thành phần như sau: Thịt bò–500g; Peptone
trypsine–10g; NaCl–5g; Nước cất 1000 ml.
b) Môi trường tổng hợp hay là môi trường đã biết thành phần hóa học. Ví dụ môi
trường dưới đây dùng để nuôi cấy Diplococus desulfuricans có thành phần như sau:
Glucose–50g; K2HPO4–1g; NH4Cl–1g; CaSO4–1g; MgSO4.7H2O–2g và nước cất 1000ml.
c) Môi trường bán tổng hợp: trong môi trường này có chứa một số hợp chất từ
nguồn gốc tự nhiên, và một số chất hóa học đã biết rõ thành phần hóa học, đây là loại môi

88
trường hay sử dụng, ví dụ môi trường EMB: Peptone trypsine–10g; K2HPO4–2g; Eosin–
0,4g; Xanh methylene –0,065g; Thạch –15g, nước cất 1000ml.
d) Môi trường đặc biệt: Dùng để nuôi cấy một số VSV đặc biệt có tính kí sinh bắt
buộc. Ví dụ: Đối với virus gây bệnh đậu mùa, người ta nuôi cấy chúng trên con bò còn
sống và sau đó thu thập virus trên con bò ấy để làm thuốc chủng bệnh đậu mùa. Phần lớn
các virus kí sinh trên động vật chúng ta phải nuôi cấy trong phôi của trứng gà lộn hoặc
trên chuột, thỏ...
2) Phân loại dựa vào trạng thái vật lý của môi trường
+ Môi trường lỏng (hay dịch thể): thành phần chỉ có các chất dinh dưỡng và nước.
+ Môi trường đặc (hay cứng): là môi trường dịch thể có bổ sung 1,5 – 2% thạch (agar).
+ Môi trường bán lỏng là môi trường dịch thể chứa 0,35–0,75% thạch.
+ Môi trường xốp là môi trường có các nguyên liệu để làm xốp (cám, trấu, cơm,
bánh mỳ...) thấm dung dịch chất dinh dưỡng.

2.3. Các kiểu dinh dưỡng ở vi sinh vật


Căn cứ vào dạng năng lượng sử dụng người ta có thể phân chia các kiểu dinh dưỡng
ở vi sinh vật: xem (Hình 4–1).
Các cơ thể quang tự dưỡng (Photoautotrophic) hay quang dưỡng vô cơ
(photolithotrophic) có thể chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng trao đổi chất
(ATP) và chất có tính khử (NADPH). CO2 là nguồn carbon chủ yếu, H2O hay H2S là chất
cho điện tử.
Có thể gặp những vi khuẩn quang hợp thải oxy giống như cây xanh, đại diện là các
loài vi khuẩn lam (Spirulina, Anabaena, Nostoc…). Các tảo đơn bào quang hợp không thải
oxy như các vi khuẩn lục thuộc họ Chlorobacteriaceae (Chlorobium, Thiosulfatophi-
lum...), đây là những vi khuẩn quang dưỡng vô cơ kị khí với H2S hoặc S2O32 làm chất cho
điện tử. Các vi khuẩn lưu huỳnh màu tía thuộc bộ Thiorhodobacteriales như Chromatium,
những vi khuẩn này có khả năng phát triển trên môi trường muối vô cơ như nhiều loại cây
xanh, đây là những vi khuẩn kị khí quang dưỡng vô cơ khi có mặt trong môi trường S
hoặc H2S.
Các vi khuẩn quang dị dưỡng (Photoheterotrophic) hay quang dưỡng hữu cơ
(photoorganotrophic), sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng và hợp chất hữu cơ làm
nguồn carbon, như các vi khuẩn màu tía không lưu huỳnh thuộc bộ Athiorhodobacteriales,
họ Athiorhodaceae, các loài thuộc giống Rhodospirillum.Những vi khuẩn này thiên về vi
hiếu khí, là những vi khuẩn quang dưỡng hữu cơ, không có khả năng phát triển với H2S là
chất cho điện tử độc nhất, chất cho điện tử của chúng là acetate, succinate hay hydro.
Các vi khuẩn hóa dưỡng vô cơ (Chemolithotrophic) hay hóa tự dưỡng (Chemoau-
totrophic) sử dụng năng lượng được tạo thành từ các phản ứng hóa học và CO2 làm nguồn
carbon.

89
TÊt c¶ c¸c c¬ thÓ

Nguån n¨ng luîng

Hãa häc ¸nh s¸ng

Hãa duìng Quang duìng

Nguån carbon Nguån carbon

ChÊt hòu c¬ CO2 ChÊt hòu c¬ CO2

Hãa dÞ duìng Hãa tù duìng Quang dÞ duìng Quang tù duìng

ChÊt nhËn e C¸c VK hydro, s¾t, VK lôc/tÝa Sö dông nuíc lµm


luu huúnh, nitrate kh«ng luu huúnh
cuèi cïng nguån cho e

lµ O2 Kh«ng ph¶i O2 Cã Kh«ng


(H« hÊp hiÕu khÝ)

Hîp chÊt ChÊt v« c¬


hòu c¬ (H« hÊp kÞ khÝ)
Quang hîp Quang hîp
gi¶i phãng kh«ng gi¶i
§éng vËt, hÇu Lªn men Chuçi vËn oxy (c©y phãng oxy
hÕt nÊm, VÝ dô: ruîu, xanh, t¶o, (VK luu
NS§V, VK chuyÓn e VK lam) huúnh
acid lactic
thùc VD: Clostridium lôc/tÝa)

Hình 4–1. Sơ đồ tóm tắt các kiểu dinh dưỡng ở vi sinh

Năng lượng có được là nhờ oxy hóa các hợp chất vô cơ như NH4+, NO2, H2, H2S, S,
S2O32, Fe2+... Chúng hình thành một nhóm VSV rất hạn chế tham gia vào các chu trình
vật chất sống ở trong đất và nước như Hydrogenomeonas oxy hóa hydro, Nitrosomonas
oxy hóa NH3, Nitrobacter oxy hóa nitrite, Thiobacillus oxy hóa các hợp chất khử của lưu
huỳnh...
Các cơ thể hóa dị dưỡng (Chemoheterotrophic) hay hóa dưỡng hữu cơ
(Chemoorganotrophic) bao gồm các vi khuẩn, vi nấm, động vật nguyên sinh, động vật,
chúng sử dụng năng lượng hóa học và cơ chất hữu cơ làm nguồn carbon chủ yếu. Một

90
nhóm lớn các vi khuẩn hóa dưỡng hữu cơ là những vi sinh vật gây bệnh rất được chú ý
trong y học, các vi khuẩn tạp nhiễm vào thức ăn, các vi khuẩn được sử dụng trong công
nghiệp để tổng hợp các chất kháng sinh, các loại vitamin, các amino acid...

2.4. Vi sinh vật nguyên dưỡng và khuyết dưỡng


Tùy thuộc vào nhu cầu của các chất này mà người ta thường chia VSV thành hai
nhóm:
 Nguyên dưỡng (prototrophes) là những vi sinh vật không nhất thiết cần các nhân
tố sinh trưởng, những yếu tố của môi trường nuôi cấy thường là đầy đủ đối với chúng.
 Khuyết dưỡng (auxotrophes) là những VSV đòi hỏi các chất hữu cơ nhất định cần
cho sự sinh trưởng của chúng.

3. SINH TRƯỞNG VÀ SINH SẢN CỦA VI SINH VẬT

3.1. Các nhân tố sinh trưởng


Một số VSV mất khả năng tổng hợp một vài hợp chất và đòi hỏi được cung cấp ở
trong môi trường nuôi cấy. Đó là những nhân tố sinh trưởng, chúng được chia làm 2 loại:
+ Một loại cần được cung cấp từng lượng nhỏ và đảm nhận nhiệm vụ xúc tác như
một thành phần của enzyme, ví dụ vitamin nhóm B
+ Một loại cần được cung cấp với lượng lớn hơn và được dùng làm nguyên liệu cấu
tạo tế bào như amino acid, purine, pyrimidine.
Mỗi loại VSV cần những nhân tố sinh trưởng khác nhau. Hầu như không có chất nào
là chất sinh trưởng chung đối với các loại VSV. Ví dụ liên cầu khuẩn (Streptococcus)
dung huyết nếu thiếu vitamin B1 sẽ không nhân lên được, nấm men và vi khuẩn lactic cần
biotin.

3.2. Điều kiện sinh trưởng


Sinh trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật liên quan chặt chẽ với các điều kiện của
môi trường bên ngoài. Các điều kiện này bao gồm hàng loạt các yếu tố khác nhau, tác
động qua lại với nhau. Đa số các yếu tố đó đều có một đặc tính tác dụng chung biểu hiện ở
ba điểm hoạt động là tối thiểu, tối thích và cực đại.
3.2.1. Cơ chế tác dụng của các yếu tố bên ngoài lên vi sinh vật
Các yếu tố của môi trường bên ngoài tác dụng lên tế bào thuộc ba loại là yếu tố vật lí
(độ ẩm, nhiệt độ, áp lực, tia bức xạ...), yếu tố hóa học (pH môi trường, thế năng oxy hóa
khử, các chất diệt khuẩn...) và yếu tố sinh học (chất kháng sinh, kháng thể...). Tác dụng có
hại của các yếu tố bên ngoài tế bào thể hiện chủ yếu ở những biến đổi sau đây:
– Phá hủy thành tế bào: một số chất như enzyme lysozyme (chứa trong lá lách, bạch
cầu, lòng trắng trứng, đuôi thực khuẩn thể...) có khả năng phân hủy thành tế bào vi khuẩn.

91
– Biến đổi tính thấm của màng tế bào
– Thay đổi đặc tính keo của nguyên sinh chất: Chẳng hạn nhiệt độ cao làm biến tính
protein và làm chúng đông tụ do khả năng khử nước.
– Kìm hãm hoạt tính: một số chất tác động vào các hệ thống sinh năng lượng của tế
bào, cyanide kìm hãm cytochrome oxydase, fluoride ngăn cản quá trình đường phân, các
hợp chất hóa trị ba của asenic bao vây chu trình Krebs, dinitrophenol kìm hãm quá trình
phosphoryl hóa oxy hóa. Các chất oxy hóa mạnh (H2O2, halogen) phá hủy các hệ thống tế
bào làm tổn hại đến chức phận trao đổi chất. Các enzyme khác có thể bị bất hoạt khi liên
kết với các yếu tố kim loại như thủy ngân.
– Hủy hoại các quá trình tổng hợp
3.2.2. Các nhân tố ảnh hưởng
1) Các yếu tố vật lí
– Độ ẩm: Nước cần thiết cho hoạt động sống của VSV. Làm mất nước VSV sẽ chết.
Tốc độ chết phụ thuộc vào môi trường của VSV. Trong hỗn dịch nước thường khi làm mất
nước VSV chết nhanh hơn là trong hỗn dịch keo. Nếu đem môi trường làm đóng băng
trước rồi mới làm mất nước thì tỉ lệ chết của VSV rất thấp. Phương pháp này được được
áp dụng để làm đông khô.
Do VSV cần độ ẩm nhất định để sinh trưởng nên bằng cách phơi khô hoặc sấy khô
ta có thể bảo quản được lâu dài nhiều loài sản phẩm (hoa quả khô, cá, thịt khô...).
– Nhiệt độ: hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật có thể coi là kết quả của các phản
ứng hóa học. Vì các phản ứng này phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ nên yếu tố nhiệt rõ
ràng ảnh hưởng sâu sắc đến các quá trình sống của tế bào.
Nhiệt độ thấp (dưới vùng sinh động học) có thể làm bất hoạt quá trình vận chuyển
các chất hòa tan qua màng tế bào do thay đổi cấu hình không gian của một số permease
chứa trong màng hoặc ảnh hưởng đến việc hình thành và tiêu thụ ATP cần cho quá trình
vận chuyển chủ động các chất dinh dưỡng.
– Áp lực: áp suất thẩm thấu và áp suất thủy tĩnh có thể ảnh hưởng đến cấu trúc của
tế bào vi khuẩn. Đa số vi khuẩn sinh trưởng tốt trong môi trường chứa ít hơn 2% muối,
nồng độ muối cao hơn có hại cho tế bào. Nhưng cũng có một số vi khuẩn lại sinh trưởng
tốt nhất trong môi trường chứa tới 30% muối, ta gọi là các vi khuẩn ưa muối (halophilic).
Nhiều vi khuẩn ở biển thuộc nhóm này, chúng không có khả năng phát triển ở những nồng
độ đường cao.
– Các tia bức xạ: Các tia có thể gây những biến đổi hóa học là ánh sáng mặt trời, tia
tử ngoại, tia X, tia gamma và tia vũ trụ. Ánh sáng mặt trời có thể gián tiếp tác động lên tế
bào do làm biến đổi môi trường. Tia tử ngoại có tác dụng mạnh nhất ở bước sóng 260 nm,
đây là vùng hấp thụ cực đại của acid nucleic và nucleoprotein gây dimer hóa thymine, dẫn
đến ức chế sự nhân đôi của DNA. Nhưng sau khi chiếu tia tử ngoại, nếu đưa vi khuẩn ra

92
ánh sáng ban ngày thì vi khuẩn có thể phục hồi khả năng sinh trưởng và phân chia. Hiện
tượng này gọi là quang tái hoạt (photoreac–tivation).
 Âm thanh: sóng âm thanh, đặc biệt trong vùng siêu âm (trên 20 kHz) có ảnh
hưởng lớn đến sinh trưởng của vi khuẩn, các tế bào sinh dưỡng bị chết nhanh chóng.
2) Các yếu tố hóa học
 Ảnh hưởng của pH môi trường: pH của môi trường có ý nghĩa quyết định đối với
sinh trưởng của nhiều vi sinh vật. Đa số vi khuẩn sinh trưởng tốt nhất ở pH trung tính (7,0)
như nhiều vi khuẩn gây bệnh (môi trường tự nhiên là máu và bạch huyết của cơ thể động
vật có pH khoảng 7,4). Các vi khuẩn nitrate hóa, vi khuẩn nốt sần, xạ khuẩn, vi khuẩn
phân giải urea lại ưa môi trường hơi kiềm. Một số vi khuẩn chịu acid (vi khuẩn lactic,
Acetobacter, Sarcina ventriculi), một số khác ưa acid như Acetobacter acidophilus,
Thiobacillus thiooxydans (oxy hóa lưu huỳnh thành H2SO4) có thể sinh trưởng ở pH <1.
Nấm mốc và nấm men ưa pH acid (pH 46). pH môi trường không những ảnh
hưởng mạnh mẽ đến sinh trưởng mà còn tác động sâu sắc đến các quá trình trao đổi chất.
– Ảnh hưởng của oxy: Tùy thuộc vào nhu cầu đối với oxy mà người ta chia vi sinh
vật thành các nhóm sau:
+ Hiếu khí bắt buộc: thuộc nhóm này là các vi sinh vật chỉ có thể sinh trưởng được
khi có mặt oxy phân tử (O2), chúng có chuỗi hô hấp hoàn chỉnh, dùng O2 làm chất nhận
hydro cuối cùng. Trong các tế bào có chứa enzyme SOD (superoxide dismutase), catalase
và peroxidase có tác dụng chuyển hóa các gốc O 22 và O 2 để giải độc cho tế bào. Tuyệt
đại đa số vi nấm và số đông vi khuẩn thuộc nhóm này.
+ Hiếu khí không bắt buộc: thuộc nhóm này là các vi sinh vật có thể sinh trưởng
được cả trong điều kiện có oxy lẫn không có oxy. Khi có oxy chúng tiến hành hô hấp tế
bào. Khi không có oxy chúng tiến hành lên men. Ví du nấm men rượu, vi khuẩn lactic.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra trong tế bào có chứa chứa enzyme SOD (superoxid dismutase)
và peroxidase, khi có oxy chúng sinh trưởng tốt hơn. Phần lớn nấm men và nhiều vi khuẩn
thuộc nhóm này. Có thể kể đến các loài như Saccharomyces cerevisiae, E. coli,
Enterobacter aerogenes, Proteus vulgaris.
+ Vi hiếu khí: thuộc nhóm này là các vi sinh vật chỉ có thể sinh trưởng được ở điều
kiện áp lực oxy rất thấp. Chúng cũng thông qua chuỗi hô hấp và dùng oxy làm chất nhận
hydro cuối cùng. Có thể kể đến các loài như Vibrio cholerae, Hydrogenomeonas spp,
Zymononas spp, Bacteroides spp...
+ Kị khí: với các vi sinh vật thuộc nhóm này sự có mặt của oxy phân tử là có hại.
Chúng không sinh trưởng được trên môi trường đặc hoặc bán đặc khi để trong không khí
hay trong không khí có chứa khoảng 10% CO2. Chúng chỉ sinh trưởng được ở lớp thể dịch
sâu, nơi không có oxy, có các quá trình lên men, quá trình phosphoryl hóa quang hợp, quá
trình methane hóa... Trong tế bào của các vi sinh vật này không có enzyme SOD,

93
cytochromeoxidase, phần lớn không có hydrogenperoxidase. Có thể kể đến rất nhiều loài
trong các chi Clostridium, Fusobacterium, Butyrivibrio, Desulfovibrio, Veillonella...
 Các chất diệt khuẩn (sát trùng): thường sử dụng là phenol và các dẫn xuất của
phenol, alcohol, halogen, kim loại nặng, H2O2, xà phòng, thuốc nhuộm và các chất tẩy rửa
tổng hợp của các muối ammonium.
3) Các yếu tố sinh học
Trong các yếu tố sinh học ảnh hưởng có hại lên các quá trình sống của vi sinh vật
cần kể đến kháng thể và kháng sinh. Chất kháng sinh có thể có từ nhiều nguồn gốc khác
nhau như tổng hợp hóa học, chiết xuất từ thực vật, động vật nhưng chủ yếu là được tổng
hợp từ vi sinh vật. Đây là các chất đặc hiệu mà ở nồng độ thấp cũng có khả năng ức chế
hoặc tiêu diệt vi sinh vật một cách chọn lọc.
Kháng thể là những chất có sẵn trong máu hoặc được xuất hiện khi có kháng nguyên
xâm nhập vào cơ thể, có khả năng liên kết đặc hiệu với các kháng nguyên để làm mất hoạt
lực của kháng nguyên.

3.3. Sinh lí học sinh trưởng của vi sinh vật


3.3.1. Các phương pháp xác định số lượng và sinh khối vi khuẩn
1) Xác định sinh khối vi khuẩn
a) Các phương pháp trực tiếp gồm có:
 Xác định sinh khối tươi hoặc sinh khối khô bằng cách cân (phương pháp này kém
chính xác).
 Xác định hàm lượng nitơ tổng số (phương pháp Kjelhdal) hay hàm lượng carbon
tổng số (theo Vslike–Folch), các phương pháp này cho độ chính xác cao.
b) Các phương pháp gián tiếp để đo sinh khối vi khuẩn:
 Đo độ đục của dịch treo tế bào, đây là phương pháp rất thuận lợi. Trong thực tế ta
thường đo mật độ quang học của dịch treo, trong một số trường hợp người ta cũng xác
định sự khuếch tán ánh sáng.
 Đo các chỉ số cường độ trao đổi chất như hấp thụ O2, tạo thành CO2 hay acid, vì
các chỉ số này liên quan trực tiếp với sinh trưởng. Dĩ nhiên ta chỉ dùng các phương pháp
này trong trường hợp không sử dụng được các phương pháp khác, ví dụ khi mật độ sinh
khối rất nhỏ.
2) Xác định số lượng tế bào
Đếm số khuẩn lạc (CFU) tạo thành bởi các vi khuẩn sống trong điều kiện sinh
trưởng thuận lợi. Số khuẩn lạc cũng rất phụ thuộc vào thành phần môi trường. Tế bào mọc
thành khuẩn lạc trên môi trường này không nhất thiết cũng cho xuất hiện khuẩn lạc trên
môi trường khác.
Với một số loại vi khuẩn khó phát triển trên môi trường thạch người ta có thể kiểm tra

94
số lượng bằng phương pháp pha loãng liên tiếp sau đó cấy từ mỗi độ pha loãng 1ml vào
từng ống đựng môi trường chỉ thị (nếu có 1 vi khuẩn đưa vào cũng đủ cho phản ứng dương
tính sau khi nuôi cấy). Phương pháp này gọi là phương pháp kiểm tra số lượng VSV bằng
cách pha loãng tìm giới hạn phát triển (MPN = Most Probable Number). Có thể cấy vào 5
ống và lấy số liệu ở 3 độ pha loãng cuối (có phản ứng dương tính) rồi tra bảng để tìm ra số
lượng gần đúng mật độ vi khuẩn.
Hoặc có thể lọc mẫu qua màng lọc vi khuẩn rồi đặt màng lọc lên đĩa môi trường
thạch để kiểm tra số khuẩn lạc mọc và suy ra mật độ vi sinh vật trong mẫu.
Nếu kích thước của tế bào khá lớn có thể đếm trực tiếp trên phòng đếm (thường hay
dùng các loại phòng đếm Thomas hay Goriaev).
3.3.2. Lý thuyết về sinh trưởng lũy thừa và thời gian thế hệ
Sinh trưởng và phát triển là thuộc tính cơ sở của vi sinh vật. Sinh trưởng là sự tăng
kích thước và khối lượng tế bào, còn phát triển (sinh sản) là sự tăng số lượng tế bào. Giả
sử trong một bình kín chứa một lượng lớn môi trường dinh dưỡng, ta cấy vào đó một tế
bào vi khuẩn. Nếu thành phần môi trường hoàn toàn phù hợp với nhu cầu của tế bào vi
khuẩn sẽ sinh trưởng, tăng khối lượng và thể tích, tổng hợp các thành phần của tế bào
(thành tế bào, màng tế bào chất, DNA, RNA, protein...) cho đến khi kích thước lớn gấp
đôi và vi khuẩn sẽ phân chia cho 2 tế bào. Hai tế bào này lại tiếp tục sinh trưởng và phân
chia để cho 4, 8, 16 tế bào…
a) Tính số lượng tế bào vi khuẩn sau số lần phân chia thế hệ n
Nếu số tế bào ban đầu không phải là 1 mà là No thì sau n lần phân chia ta sẽ có số tế
bào tổng cộng là N:
N = N0. 2n (1)
Các giá trị N và N0 có thể xác định nhờ phòng đếm hoặc tính số khuẩn lạc mọc trên
môi trường đặc. Còn giá trị n (số thế hệ) có thể tính nhờ logarithm thập phân:
Logarithm cả 2 vế ta có:
lgN= lgN0+ n lg2
lgN  logN o
Từ đó  n = (2)
log2
b) Tính thời gian thế hệ g
Số lần phân chia trong 1giờ hay hằng số tốc độ phân chia là:

t t 2  t1
g= = log2 (3)
n logN  logN o
Ở đây t2–t1 biểu thị sự sai khác giữa thời gian đầu (t1) và thời gian cuối (t2) tính
bằng giờ, trong đó số tế bào được xác định.

95
c) Hằng số tốc độ phân chia (c)
Số lần phân chia trong một đơn vị thời gian (tức 1 giờ) gọi là hằng số tốc độ phân
chia c

t n 1 logN  logN o
c= = = = (4)
g t log2 t2  t1
Thời gian thế hệ càng ngắn, vi khuẩn sinh trưởng và sinh sản càng nhanh

Vì c = n nên n = ct
t
Thay giá trị n vào phương trình (1) ta có N = N0. 2ct
Hằng số tốc độ phân chia (c) phụ thuộc vào một số điều kiện: loài vi khuẩn, nhiệt độ
nuôi cấy, môi trường nuôi cấy.
3.3.3. Sự phát triển của vi khuẩn trong môi trường nhân tạo
Vi khuẩn muốn sinh trưởng phát triển phải có môi trường và điều kiện thích hợp.
Một tế bào vi khuẩn riêng rẽ thì rất nhỏ, nhưng vi khuẩn sinh trưởng và phát triển rất
nhanh. Tính chất phát triển này cho phép ta nghiên cứu cả quần thể vi khuẩn chứ không
phải từng vi khuẩn riêng lẻ.
3.3.3.1. Đường cong sinh trưởng của vi khuẩn khi nuôi cấy không liên tục trong môi
trường lỏng
Nuôi cấy không liên tục là phương pháp nuôi cấy mà trong suốt thời gian đó ta không
thêm vào chất dinh dưỡng cũng không loại bỏ đi các sản phẩm cuối cùng của trao đổi chất
(quần thể tế bào bị giới hạn trong một khoảng không gian nhất định). Sự sinh trưởng trong
một “hệ thống đóng” hay “hệ kín” như vậy tuân theo những quy luật bắt buộc.
Đồ thị biểu diễn đường cong sinh trưởng của vi khuẩn khi nuôi cấy không liên tục
sự phụ thuộc của nồng độ sinh khối theo thời gian (Hình 4–2).
Trong điều kiện nhân tạo như nuôi cấy vi khuẩn trên môi trường lỏng trong chai tam
giác hay bình lên men theo mẻ quá trình sinh trưởng diễn ra qua 4 pha:
a. Pha tiềm phát (phalag)
Vi khuẩn thích nghi với môi trường, số lượng tế bào trong quần thể chưa tăng.
Enzyme cảm ứng được hình thành để phân hủy cơ chất.
b. Pha lũy thừa (log)
Vi khuẩn sinh trưởng với tốc độ lớn nhất và không đổi, số lượng tế bào trong quần
thể tăng lên rất nhanh. Thông thường pha này gồm 2 giai đoạn (giai đoạn tăng tốc và giai
đoạn lũy thừa)
Nếu số tế bào ban đầu là No thì sau n lần phân chia sẽ có số tế bào tổng cộng là hay
N = No.2ct

96
Hình 4–2. Đồ thị sinh trưởng của vi khuẩn trong nuôi cấy không liên tục
a. Pha tiềm phát (lag phase); b. Pha lũy thừa  pha log (exponential phase); c. Pha cân
bằng (stationary phase); d. Pha suy vong (death phase)

c. Pha cân bằng động


Số lượng vi khuẩn trong quần thể đạt đến cực đại và không đổi theo thời gian, số
lượng tế bào sinh ra tương đương số lượng tế bào chết đi. Thông thường pha này gồm 2
giai đoạn (giai đoạn tặng chậm và giai đoạn cân bằng động)
d. Pha suy vong
Số tế bào sống trong quần thể giảm dần do tế bào trong quần thể bị phân hủy ngày
càng nhiều, chất dinh dưỡng cạn kệt, chất độc hại tích lũy quá nhiều.
Toàn bộ quá trình nuôi gắn liền với sự thay đổi kéo dài của các điều kiện nuôi. Chất
dinh dưỡng giảm đi, số lượng tế bào tăng lên rồi giảm dần, đồng thời hoạt tính trao đổi
chất cũng thay đổi.
Trong lên men, các pha log và ổn định có vai trò quyết định để tạo sản phẩm. Sẽ có
lợi hơn khi giảm thiểu pha lag, bằng bổ sung giống mạnh hay tăng lượng giống, để tăng
năng suất. Thường tốc độ chết của tế bào có ý nghĩa trong công nghiệp thực phẩm và xử lý
nước thải.
3.3.3.2. Sự phát triển của vi khuẩn trên môi trường đặc
Thành phần hóa học của môi trường đặc giống như môi trường lỏng, chỉ khác là có
thêm chất để cho rắn lại (thường dùng là thạch – agar). Nếu ria cấy vi khuẩn trên môi
trường đặc để vi khuẩn nọ đủ cách xa vi khuẩn kia thì mỗi vi khuẩn sẽ hình thành một
khuẩn lạc riêng rẽ, mỗi khuẩn lạc là 1 CFU thuần khiết, gồm những tế bào từ một tế bào
mẹ sinh ra
Các loại vi khuẩn khác nhau thì có khuẩn lạc khác nhau về hình dạng, kích thước, độ
đục, màu sắc... Có ba dạng khuẩn lạc chính:

97
– Dạng S (Smooth – nhẵn nhụi): Khuẩn lạc xám nhạt hoặc trong, bờ đều, mặt lồi
và bóng.
– Dạng R (rough – xù xì): Khuẩn lạc thường dẹt, bờ đều hoặc nhăn nheo, mặt xù xì,
khô (dễ tách thành mãng hay cả khối).
– Dạng M (mucoid– nhầy nhớt): khuẩn lạc đục, lồi ít hơn khuẩn lạc S, quánh
hoặc dính.
3.3.4. Sinh trưởng thêm và sinh trưởng kép
a) Sinh trưởng thêm
Trong pha suy vong các vi khuẩn không phân chia rất nhiều vi khuẩn chết và tự thủy
phân chính bởi các enzyme do chúng giải phóng ra. Tuy nhiên, có một số nhỏ vi khuẩn
sống sót và có thể thóat chết và lại có thêm vài lần nhân lên nữa, hiện tượng này gọi là
sinh trưởng thêm.
Nếu trong môi trường có hỗn hợp gồm hai hay nhiều hợp chất carbon, nitơ, lúc đầu vi
khuẩn tổng hợp enzyme phân giải hợp chất dễ đồng hóa, sau đó khi chất này đã cạn; vi
khuẩn lại được chất tiếp theo cảm ứng để tổng hợp loại enzyme phân giải hợp chất tiếp theo.
b) Sinh trưởng kép
Đặc trưng của hiện tượng sinh trưởng kép là đường cong sinh trưởng gồm hai pha
lag và hai pha log. Sau khi kết thúc pha log thứ nhất tế bào lại mở đầu pha lag thứ hai và
tiếp tục pha log thứ hai (Hình 4–3).

Hình 4–3. Đường cong sinh trưởng kép của E. coli trong môi trường hỗn hợp glucosesorbitol
(trái) Aerobacter aerogenes trong môi trường hỗn hợp muối ammonium và nitrate (phải)

Hiện tượng sinh trưởng kép thường gặp khi nuôi cấy vi khuẩn trong môi trường
chứa nguồn carbon gồm một hỗn hợp của hai hay nhiều chất hữu cơ khác nhau. Khi sinh
trưởng tế bào sẽ đồng hóa trước tiên nguồn carbon nào mà chúng “ưa thích” nhất. Đồng
thời cơ chất thứ nhất này đã kìm hãm các enzyme cần cho việc đồng hóa cơ chất thứ hai.
Chỉ sau khi nguồn carbon thứ nhất đã cạn thì nguồn carbon thứ hai mới có thể cảm ứng
tổng hợp nên các enzyme cần trong việc chuyển hóa nó.

98
Hiện tượng sinh trưởng kép không chỉ hạn chế ở các nguồn carbon và năng lượng
mà thấy ở các nguồn nitơ và phosphor. Chẳng hạn Aerobacter aerogenes có thể sử dụng
nguồn nitơ là amino acid, muối ammonium và nitrate. Nếu khi cấy chuyển vi khuẩn từ
môi trường nước thịt sang môi trường chứa muối ammonium hoặc nitrate thì pha lag sẽ
biểu hiện. Nếu từ môi trường nước thịt sang môi trường chứa hỗn hợp cả hai loại muối sẽ
thấy có hiện tượng sinh trưởng kép. Các ion NH4+ được đồng hóa trước đồng thời kiềm
chế việc tổng hợp cảm ứng enzymenitrate reductase. Chỉ sau khi hết muối ammonium
trong môi trường thì muối nitrate mới được sử dụng.
Sinh trưởng kép là hiện tượng phổ biến và có thể giải thích bằng cơ chế kiềm chế
nói chung và đặc biệt bằng hiệu ứng glucose.
Trong nuôi cấy không liên tục, không có sự bổ sung chất dinh dưỡng mới, cũng
không rút bỏ các chất thải và sinh khối của tế bào dư thừa. Do đó pha log thường chỉ kéo
dài qua vài thế hệ. Vì vậy, để thu được sinh khối hoặc sản phẩm của VSV trong công nghệ
người ta sử dụng phương pháp nuôi liên tục.
3.3.5. Sinh trưởng trong nuôi cấy liên tục
Nuôi cấy liên tục các điều kiện
môi trường duy trì ổn định nhờ việc bổ
sung thường xuyên chất dinh dưỡng và
loại bỏ không ngừng các chất thải.
Trong một hệ thống mở như vậy, quần
thể VSV có thể sinh trưởng ở pha log
trong một thời gian dài, mật độ VSV
tương đối ổn định. Yếu tố thời gian ở
đây trong phạm vi nhất định bị loại trừ.
Tế bào được cung cấp những điều kiện
môi trường không đổi nhờ việc điều
chỉnh tự động (Hình 4–4). Nuôi liên tục
được sử dụng để sản xuất sinh khối
Hình 4-4. Nuôi cấy liên tục trong bioreactor
VSV, các enzyme, vitamin…
Thông thường sản phẩm của VSV chia thành 2 loại. Sản phẩm bậc I (sản phẩm sơ
bioreactortronbioreactor
cấp) và sản phẩm bậc II (thứ cấp). Sản phẩm bậc I đươc tạo thành ở pha log ví dụ enzyme,
amino acid, vitamin… Sản phẩm bậc hai đươc tạo thành ở pha cân bằng ví dụ chất kháng
sinh, độc tố nấm…

3.4. Sinh trưởng trong môi trường tự nhiên


Sergei Winogradsky (1856 – 1953) là cha đẻ của vi sinh vật đất, đã đưa ra hệ thống
phân loại sinh thái bản địa với 2 dạng chính. Dạng thứ nhất các vi sinh vật chuyển hóa vật
chất rất chậm trong đất, sử dụng các chất dinh dưỡng giải phóng từ các nguồn hữu cơ làm

99
cơ chất. Dạng thứ hai, các vi sinh vật ở trạng thái ngủ khi cơ chất cần thiết nghèo nàn và
sinh trưởng rất nhanh khi các chất dinh dưỡng được bổ sung. Bổ sung 2 dạng trên là các
VSV nhập cư, chỉ tồn tại trong thời gian ngắn.
Ngày nay thuật ngữ vi sinh vật đất được chia thành vi sinh vật khuyết dưỡng
(oligotroph) thích môi trường có hàm lượng cơ chất thấp và vi sinh vật ưa dưỡng
(copiotroph) yêu cầu môi trường có hàm lượng cơ chất cao. Vi sinh vật khuyết dưỡng có các
pha sinh trưởng không giống như các pha sinh trưởng của vi khuẩn được nuôi cấy trong
phòng thí nghiệm và nuôi cấy liên tục. Các vi sinh vật này chuyển hóa vật chất rất chậm nên
thời gian mỗi thế hệ dài. Chúng sử dụng năng lượng từ quá trình trao đổi chất để duy trì hoạt
động tế bào. Trái với vi sinh vật khuyết dưỡng, sinh vật ưa dưỡng có quá trình trao đổi chất
xảy ra rất nhanh nên pha log xảy ra với khoảng thời gian ngắn sau đó chuyển qua trạng thái
ngủ với khoảng thời gian rất dài trong môi trường. Các vi khuẩn thường thay đổi linh hoạt
giữa trạng thái sinh trưởng và không sinh trưởng tùy thuộc vào dưỡng chất trong môi
trường. Tế bào ở trạng thái ngủ thường tròn và có kích thước nhỏ (0,3 µm) so với tế bào
sinh trưởng (1–2 µm). Các pha sinh trưởng của vi sinh vật trong đất gồm có:
a) Pha tiềm phát (pha lag)
Pha tiềm phát ở trong môi trường tự nhiên thường kéo dài hơn trong môi trường
nuôi cấy.
Trong nhiều trường hợp, pha tiềm phát kéo dài do số lượng tế bào của quần thể ban
đầu có thể thực hiện quá trình trao đổi chất ít. Những chất hữu cơ gây ô nhiễm cho con
người thường là nguồn cơ chất cho vi sinh vật phát triển bằng cách tiết các enzyme để
phân hủy các chất ô nhiễm. Trong môi trường nuôi cấy, chuyển tiếp giữa pha tiềm phát và
pha lũy thừa được định nghĩa bằng số lượng tế bào tăng gấp đôi so với số lượng gốc đem
nuôi cấy. Tuy nhiên, trong tự nhiên việc xác định chính xác tế bào rất khó, vì chỉ một số
lượng nhỏ VSV trong quần xã có thể sử dụng các chất dinh dưỡng bổ sung hay các nguồn
chất gây ô nhiễm. Hơn nữa, quần thể có khả năng trao đổi cơ chất có thể ở trạng thái ngủ
đông hoặc đòi hỏi thời gian để thích ứng hoạt động trao đổi chất. Thời gian sinh trưởng
mỗi thế hệ cũng dài hơn nhiều so với trong môi trường nuôi cấy. Điều này tùy thuộc vào
hạn chế nguồn dinh dưỡng hiện hữu và các điều kiện môi trường như nhiệt độ và độ ẩm
không thích ứng với mỗi loại vi sinh vật.
Cách giải thích khác cho quá trình kéo dài pha tiềm phát là do quần xã vi sinh vật
trong môi trường thường sử dụng nguồn carbon đặc thù nhưng không có trong quần xã đó.
Để tồn tại thì yêu cầu phải có đột biến hoặc quá trình chuyển gene có khả năng phân hủy
các hợp chất tương ứng để các vi sinh vật trong quần xã chuyển hóa. Ví dụ, chuyển
plasmid pJIP4 mang gene mã hóa enzyme phân hủy thuốc diệt cỏ 2,4–D từ Ralstonia
eutrophus JMP134 được đưa vào đất cho các vi sinh vật bản địa Pseudomonas glathei và
Burkholderia caryophylli. Plasmid được chuyển vào vi sinh vật bản địa giúp phân hủy
nhanh và hoàn toàn thuốc diệt cỏ 2,4D.

100
b) Pha lũy thừa – pha log
Trong tự nhiên quãng thời gian của pha log sinh trưởng xảy ra rất nhanh sau khi bổ
sung cơ chất. Các cơ chất dinh dưỡng có thể là các phần còn lại sau khi thu hoạch, rơm rạ,
phần rễ cây hay các chất ô nhiễm được thải ra môi trường. Sau khi bổ sung các vi sinh vật
sản sinh enzyme được hoạt hóa từ trạng thái ngủ để chuyển hóa các nguồn dinh dưỡng.
Sau khi hoạt hóa, vi sinh vật chuyển qua pha log cho đến khi cơ chất được sử dụng hoặc
đến khi xuất hiện một số yếu tố giảm cơ chất. Vi sinh vật ở trong tự nhiên xen kẽ giữa pha
log và pha cân bằng.
Trong môi trường tự nhiên nồng độ các chất dinh dưỡng, nhiệt độ và độ ẩm thường
không lí tưởng như môi trường nuôi cấy trong điều kiện phòng thí nghiệm nên tốc độ sinh
trưởng thường thấp hơn môi trường nuôi cấy.
c) Pha cân bằng
Ở môi trường nuôi cấy pha cân bằng biểu thị số lượng tế bào sinh trưởng bằng số
lượng tế bào chết. Trong môi trường tự nhiên pha cân bằng xảy ra rất ngắn giống như pha
log. Các tế bào sinh trưởng để sử dụng nhanh các chất dinh dưỡng được bổ sung.
d) Pha suy vong
Pha suy vong trong môi trường được xác định bằng cách đếm số lượng tế bào có thể
nuôi cấy được. Cả tế bào sống và chết đều trở thành con mồi cho động vật nguyên sinh.
Phage có thể xâm nhiễm và làm tan một phần lớn vi khuẩn trong quần xã. Các tế bào chết
trở thành nguồn cung cấp cơ chất carbon và nitơ cho các vi sinh vật trong không gian sống.

3.5. Sinh sản ở vi sinh vật


3.5.1. Sinh sản ở vi khuẩn (Bacteria) và vi khuẩn cổ (Archaea)
a) Sinh sản phân đôi:Vi khuẩn và vi khuẩn cổ sinh sản bằng cách chia đôi từ một tế
bào mẹ tách thành hai tế bào con. Sự phân chia bắt đầu từ NST của vi khuẩn, sau đó màng
sinh chất và thành (vách) tiến sâu vào, phân chia tế bào thành hai phần, hình thành hai tế
bào con. Thời gian phân chia của các vi khuẩn thường là 20 phút đến 30 phút, riêng vi
khuẩn lao là 30 giờ một thế hệ.
b) Sinh sản bằng bào tử nảy chồi:Ở một số vi khuẩn còn có hình thức sinh sản bằng
ngoại bào tử (exospora) như ở vi khuẩn dinh dưỡng methane (Methylosinus) hay bằng bào
tử đốt như ở xạ khuẩn Streptomyces craterifer. Vi khuẩn quang dưõng màu đỏ
(Rhodomicrobium vannielii) có hình thức phân nhánh và nảy chồi (Hình 4–5).
Tất cả các bào tử sinh sản đều chỉ có các lớp màng, không có vỏ và không tìm thấy
hợp chất calci dipicolinate.
 Biến nạp (transformation): chuyển DNA trần từ một tế bào vi khuẩn sang tế bào
khác thông qua MT lỏng bên ngoài, hiện tượng này gồm cả vi khuẩn chết.

101
 Tải nạp (transduction): chuyển DNA của virus, vi khuẩn, hay cả virus lẫn vi
khuẩn, từ một tế bào sang tế bào khác thông qua thể thực khuẩn (bacteriophage).
 Tiếp hợp (conjugation): chuyển DNA từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác thông
qua cấu trúc protein gọi là pilus (lông giới tính  pili).

a b c d
Hình 4–5. Một số hình thức sinh sản ở vi sinh vật nhân sơ
a. Bào tử nảy chồi ở Rhodomicrobium sp.; b. Bào tử đốt ở Streptomyces; c. Sinh sản
phân đôi ở Bacteria; d. Sinh sản bằng tiếp hợp ở vi khuẩn E.coli.

Vi khuẩn, sau khi nhận được DNA từ một trong những cách trên, sẽ tiến hành phân
chia và truyền bộ gene tái tổ hợp cho thế hệ sau. Nhiều vi khuẩn còn có plasmid chứa
DNA nằm ngoài nhiễm sắc thể (extrachromosomal DNA). Dưới điều kiện thích hợp, vi
khuẩn có thể tạo thành những khúm thấy được bằng mắt thường, dưới dạng khuẩn lạc S, R
hay M.
3.5.2. Sinh sản ở vi sinh vật nhân thực
a) Sinh sản vô tính
 Sinh sản sinh dưỡng: Một khúc sợi nấm đặt vào MT thích hợp có thể phát triển rất
nhanh. Phương pháp này được dùng để cấy các giống nấm.
 Bằng nảy chồi: tế bào chín tạo thành những chồi ở bên (1 hoặc 2, 3). Chồi lớn dần
và sau đó thành một tế bào riêng. Kiểu sinh sản này điển hình cho các loài nấm men.

a a b b c c
Hình 4–6. Một số hình thức sinh sản ở vi sinh vật nhân thực
a–Bào tử nảy chồi ở S. cerevisiae.; b– Phân đôi ở Schizosaccharomyces;
c– Sinh sản cận hữu tính bằng hình thức tiếp hợp ở Rhizopus.

102
 Sinh sản bằng bào tử: Khác với nội bào tử vi khuẩn, bào tử nấm là loại tế bào sinh
sản, rất đa dạng. Chúng được cấu tạo chủ yếu bởi 2 lớp màng dày hemicellulose và chitin,
không có acid dipicolinic.
 Sinh sản phân đôi như Schizosaccharomyces, tảo lục đơn bào (Chlorophyta), tảo
mắt (Euglenophyta), trùng đế dày (Paramecium)...
b) Sinh sản hữu tính: Các tảo đơn bào: tảo lục (Chlorophyta), tảo mắt, trùng đế giày
(Paramecium caudatum) sinh sản hữu tính bằng cách hình thành bào tử chuyển động hay
hợp tử nhờ kết hợp giữa 2 tế bào.
3.5.3. Khai thác và phòng ngừa của con người đối với vi sinh vật
Tốc độ sinh sản nhanh của vi sinh vật mang lại lợi ích to lớn, đồng thời cũng gây ra
nhiều thảm họa cho con người.
a) Với vi sinh vật có ích:con người đã sử dụng để:Sản xuất sinh khối giàu dinh
dưỡng (protein, amino acid…); Sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau (bia, rượu, dấm,
bột ngọt, thuốc chữa bệnh (chất kháng sinh, vitamin…), chất xúc tác (enzyme amylase,
protease…); Chế biến và bảo quản một số thực phẩm như tương, dưa, cà muối, nem chua,
sữa chua cũng như thức ăn gia súc (rau, cỏ, củ quả ủ chua).
2) Với vi sinh vật có hại: gây hư hỏng thực phẩm, các đồ dùng hàng hóa hoặc gây
bệnh cho người, gia súc và cây trồng, người ta phải tìm cách phát hiện sớm để có biện
pháp phòng trừ, điều trị kịp thời.

4. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG

Khử trùnglà để loại trừ hoặc tiêu diệt tất cả các hình thái sự sống bao gồm các tác
nhân gây truyền nhiễm như nấm, vi khuẩn, virus, các dạng bào tử... hiện diện trên bề mặt,
hay tồn tại trong canh trường, dung dịch thuốc, hay các hợp chất dùng trong nuối cấy sinh
học; môi trường (khu vực sản xuất), mẫu vật (nguyên liệu sử dụng), các dụng cụ thiết bị
dùng trong (nhân giống, sản xuất thử, sản xuất chính và thu hồi sản phẩm)… bằng cách sử
dụng các tác nhân lý – hóa nhằm ức chế hay giết chết, cuối cùng là loại bỏ các VSV không
mong muốn.
Yêu cầu quan trọng nhất đối với phương pháp là phải đảm bảo vô trùng và càng ít
hủy hoại vật liệu định khử trùng càng tốt.

4.1. Phương pháp dùng hóa chất


Đặc điểm của phương pháp này là dung dịch khử trùng tấn công vào cơ thể vi sinh
vật sống để tiêu diệt chúng. Vì vậy, điều quan trọng là nồng độ thuốc khử trùng và thời
gian ngâm phải đúng nếu không sẽ không có hiệu quả.
Để khử trùng có hiệu quả, thuốc sử dụng được trộn phải:

103
 Tiêu diệt hoặc ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật có hại.
 Không có hại cho dụng cụ, không khử hoạt tính các chất hữu cơ cần khử trùng.
 Pha đúng nồng độ.
a) Chlorhóa
Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào. Khi tác dụng với nước tạo ra
nhiều phân tử acid hypochlorous HOCl có tác dụng khử trùng rất mạnh. Quá trình diệt vi
khuẩn xảy ra qua 2 giai đoạn. Đầu tiên chất khử trùng khuếch tán xuyên qua lớp vỏ tế bào
vi sinh, sau đó phản ứng với lớp men bên trong tế bào và phá hoại quá trình trao đổi chất
dẫn dến sự diệt vong của tế bào.
Tốc độ của quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng và nhiệt độ
nước tăng đồng thời phụ thuộc vào dạng không phân ly của chầt khử trùng, vì quá trình
khuếch tán qua vỏ tế bào xảy ra nhanh hơn quá trình phân ly. Tốc độ khử trùng bị chậm đi
rất nhiều khi trong nước có các chất hữu cơ, cặn lơ lững và các chất khử khác.
Để đảm bảo cho quá trình khử trùng đạt được hoàn toàn, sau khi khử trùng cần giữ
lại một lượng chlor dư thích hợp. Do khả năng diệt trùng khác nhau của chlor tự do và
chlor kết hợp, lượng chlor dư cần thiết cũng khác nhau. Lượng chlor đưa vào nước được
xác định theo thực nghiệm.
b) Khử trùng bằng kali permanganate
Thuốc tím (Kali permanganate) là một chất oxy hóa có tác dụng oxy hóa chất hữu
cơ, vô cơ và trong chừng mực có khả năng diệt khuẩn, vì vậy nó đồng nghĩa với sự giảm
tiêu thụ oxy trong nước do quá trình hóa học và sinh học
Các nhà sinh học thỉnh thoảng khuyến cáo việc sử dụng thuốc tím với liều lượng 2 –
6 mg/l đối với các ao nuôi có tình trạng thiếu oxy trầm trọng. Một số bệnh của cá được
chữa bằng cách sử dụng thuốc tím đối với cá trong các bể nhốt hoặc trong ao nuôi. Nồng
độ thuốc tím ít khi vượt 4 – 8 mg/l trong ao nuôi, có thể cao hơn nhưng với thời gian tiếp
xúc ngắn trong bể nhốt. Thuốc tím được dùng để khử rotenone (thuốc diệt cá) và
antimycin là chất độc cho cá.
c) Ozone hóa
Ozone là một chất khí màu xanh nhạt (ở điều kiện chuẩn). Ở trong nước ozone phân
hủy rất nhanh thành oxy phân tử và nguyên tử. Ozone có khả năng hoạt hóa mạnh hơn
chlor nên diệt trùng mạnh hơn.
Độ hòa tan của ozone gấp 13 lần của oxy. Khi vừa cho vào trong nước khả năng tiệt
trùng là rất ít, khi ozone đã hòa tan đủ liều lượng, ứng với hàm lượng đủ oxyhóa hữu cơ
và vi khuẩn trong nước, lúc đó tác dụng khử trùng mạnh gấp 3100 lần so với chlor, thời
gian tiệt trùng xảy ra trong khoảng 3 – 8 giây.
Liều lượng cần thiết cho nước ngầm là 0,75 – 1mg/l; 1,0 – 3,0 mg/l nước mặt; sau bể

104
lắng 2 trong xử lý nước thải từ 5 – 15mg/l.
Hiện nay có nhiều máy tạo khí ozone gọn nhẹ tiện lợi cho việc khử trùng phòng học,
phòng ngủ, phòng bảo quản thức ăn tươi sống.
d) Khử trùng bằng hydrogen peroxide
Hydrogen peroxide là một acid rất yếu: H2O2 = (đảo ngược) = H HO2(Ka = 2,4 ×
1012). Hydrogen peroxide có thể giết chết vi khuẩn đường ruột, vi khuẩn sinh mủ, nấm
men gây bệnh, thường được sử dụng để khử trùng bề mặt. Quá trình oxy hóa với hydrogen
peroxide, nhưng nồng độ hydrogen peroxide y tế ≤ 3%, lau bề mặt vết thương, sẽ có cảm
giác nóng, bề mặt bị oxy hóa màu trắng và có ga, rửa với nước vào nó, hơn 35 phút khôi
phục lại màu sắc ban đầu!
Trong việc chuẩn bị phòng thí nghiệm hydrogen peroxide có thể được sử dụng để
chuẩn bị oxy nhanh chóng và thuận tiện, nhưng chi phí cao hơn, không được sử dụng
trong việc chuẩn bị sản xuất công nghiệp hàng loạt.
e) Các hóa chất thông dụng khác
– Iod (iodine) trong cồn 70%: Sử dụng sát trùng da trước khi mổ, trước khi tiêm và
làm các thủ thuật.
– Hibitan 0,05% trong cồn 70% để khử trùng da: Hibitan 1% để khử trùng dụng cụ.
– Chloramine
+ Dùng trong khi có bệnh nhân viêm gan virus hoặc bại liệt.
+ Chloramine 5% khử trùng phòng và dụng cụ; Chloramine 0,5% khử trùng da.
– Phenol: Có tác dụng chống lại hầu hết các loại vi khuẩn, đối với virus hiệu quả
không chắc chắn.Phenol 1% khử trùng phòng và trang thiết bị từ các ca nhiễm khuẩn bởi
virus viêm gan B; Phenol 2% để khử trùng dụng cụ.Phenol gây ăn mòn kim loại, không
dùng cho các vật thể sống và dụng cụ cấu tạo bằng cao su.
 Dùng hypochloritecalci dạng bột Ca(ClO)2: hòa tan thành dung dịch 3 5%, rồi
định lượng cho vào bể tiếp xúc.
 Dung dich chloramine 0,02% có thể ngăn cản được tụ cầu vàng và trực khuẩn
đường ruột phát triển. Các vi khuẩn này có thể chết ở dung dịch 0,5% trong 1 phút. Bào tử
trực khuẩn than sau một giờ ở dung dịch 3% cũng bị tiêu diệt.
Hiệu quả khử khuẩn của chloramine cũng giống như trường hợp dùng khí clo khí,
nghĩa là cũng phụ thuộc vào pH, nhiệt độ, tạp chất có trong nước. Sử dụng viên rất tiện lợi
và dễ dùng. Các viên này thường có 2040% lượng clo hoạt động. Thời gian khử khuẩn
khoảng 20 – 30 phút. Các viên này cất giữ ở điều kiện khô và mát.Dùng thuận lợi trong
các điều kiên khẩn cấp như lũ lụt, chiến tranh, phòng chống dịch bệnh v.v...Tuy nhiên, chi
phí cao hơn khi dùng chlor bình thường và nước cũng có dư vị mùi (mùi chlor), dễ hình
thành chlor hữu cơ.

105
4.2. Khử trùng bằng các phương pháp vật lý
Để khử trùng, tiệt trùng bằng phương pháp vật lý người ta sử dụng các hình thức
sau đây:
a)Phương pháp sấy khô
 Phương pháp sấy khô thường được áp dụng tiệt khuẩn cho các dụng cụ chịu được
nhiệt độ cao.
 Nguyên lý: trong tủ sấy nhiệt độ cao và khô làm oxy hóa màng tế bào VSV.
 Nhiệt độ và thời gian tiệt khuẩn:
+ Nhiệt độ 1800C, thời gian 60 phút.
+ Nhiệt độ 1700C, thời gian 2 giờ.
Ưu điểm: dụng cụ sắc nhọn không bị cùn, tiệt khuẩn được các dụng cụ bằng thủy
tinh, dầu mỡ, phấn bột.
Nhược điểm: thời gian tiệt khuẩn dài, không áp dụng được cho dụng cụ bằng vải và
cao su, nhựa.
b) Khử trùng bằng hơi nước bão hòa ở nhiệt độ và áp suất cao
Theo phương pháp này, người ta tạo ra một môi trường có nhiệt độ cao từ
115 C 135oC với áp suất dư từ 0,5 2,0 bar để nén và tăng va đập vào vi khuẩn, virus
o

nhằm tiêu diệt chúng nhanh.


Đây là phương pháp có ưu điểm hơn cả, hiệu quả tiệt trùng cao, không làm hủy hoại
vật hấp, thời gian khử trùng ngắn...
Nhược điểm là do thiết bị chịu áp lực nên vận hành phức tạp đòi hỏi người vận hành
thiết bị phải thực hiện đúng quy trình kỹ thuật và quy phạm an toàn của Nhà nước quy định.
c) Khử trùng bằng tia và sóng điện từ
Ở phương pháp này người ta dùng tia và sóng điện từ thích hợp để kìm hãm sự phát
sinh và phát triển của vi khuẩn, với cường độ đủ lớn có thể tiêu diệt chúng.
Thông dụng người ta sử dụng đèn cực tím tạo ra chùm tia có bước sóng quanh bước sóng
260 nm ta vẫn quen gọi là đèn khử trùng.
Hiệu quả tiệt trùng bị hạn chế, nó chịu ảnh hưởng của nguồn điện, nhiệt độ, độ ẩm
môi trường và thể tích khối không khí cần khử trùng.
d) Dùng nến lọc vi khuẩn hoặc màng lọc
Một số chất hữu cơ như huyết thanh, albumin trong môi trường dễ bị biến tính khi khử
trùng bằng nhiệt độ cao nên phải khử trùng bằng cách lọc qua các dụng cụ lọc vi khuẩn.

4.3. Khử trùng bằng phương pháp phối hợp


Đây là phương pháp phối hợp giữa hai phương pháp hóa học và phương pháp vật lý
để nâng cao hiệu quả tiệt trùng. Ví dụ: Để khử trùng trong các phòng mổ ta có thể kết hợp

106
vừa sử dụng phương pháp hóa học và vừa dùng đèn khử trùng. Hoặc với những dụng cụ
không chịu được nhiệt độ cao trên 80oC người ta dùng nồi hấp ở nhiệt độ thấp kết hợp hóa
chất là formaldehyde. Do mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng, phương pháp
nọ hỗ trợ phương pháp kia nên hiện nay các phương pháp này vẫn đang được sử dụng để
khử trùng, tiệt trùng các vật dụng trong bệnh viện và vì vậy chúng ta cần nghiên cứu và sử
dụng chúng để phát huy hiệu quả của từng loại thiết bị. Tùy đối tượng cần tiệt trùng mà
chọn phương pháp thích hợp để hiệu quả tiệt trùng cao.

4.4. Một số phương pháp khác


a) Khử trùng bằng hấp Paster
Năm 1860 Louis Pasteur đề xuất phương pháp khử trùng mà ngày nay được gọi là
cách khử trùng Pasteur (pasteurization). Đun nóng môi trường lên 63°C
(145°F) trong 30 phút hoặc 73oC (163°F) trong 15 giây trong điều kiện không có không
khí. Nhờ phương pháp này, các thực phẩm có thể lưu trữ được lâu hơn mà không bị hư
thối.Cách này có tác dụng khử trùng các vi sinh vật không có bào tử và chỉ áp dụng cho
các nguyên liệu dễ biến tính ở nhiệt độ cao như sữa, bia, rượu, nước trái cây…
b) Khử trùng theo phương pháp Tuyndall
Các môi trường dinh dưỡng, nước, các ống bằng cao su và một số dụng cụ... dễ bị
hỏng khi khử trùng bằng sức nóng khô ở nhiệt độ cao. Vì vậy cần phải khử trùng bằng
cách đun cách thủy ở nhiệt độ 70800C mỗi lần 3060 phút lặp lại 3 lần trong 3 ngày kế
tiếp nhau.
Giải thích: Lần đun thứ nhất trong 3060 phút, làm chết các tế bào sinh dưỡng,
nhưng bào tử còn sống. Sau đó để môi trường đã khử trùng vào tủ ấm 28300C, ở điều
kiện này lại có môi trường tốt, các bào tử sẽ nảy mầm. Trong lần khử trùng thứ hai này
các tế bào nảy mầm lại bị tiêu diệt. Để đảm bảo hoàn toàn vô trùng ta tiếp tục khử trùng
lần thứ ba trong ngày thứ ba kế tiếp.

5. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN CHỦNG GIỐNG VI SINH VẬT

5.1. Cấy truyền thường xuyên trên thạch nghiêng hoặc trích sâu vào thạch.
Sau khi đã sinh trưởng vi khuẩn được giữ trong tủ lạnh +4°C.
Phương pháp này đơn giản nhất và thường được dùng nhưng kém hiệu quả nhất
nhưng bộc lộ nhiều nhược điểm sau:
 Dễ bị tạp nhiễm và dễ dẫn đến mất chủng giống gốc.
 Mất hay nhầm lẫn nhãn hiệu giữu các chủng trong quá trình bảo quản.
 Phải nghiên cứu và theo dõi thời gian cấy truyền thích hợp đối với các chủng
bảo quản.
107
 Tốn nhiều công sức để cấy truyền.
 Giống gốc có thể mất do sai sót khi dùng môi trường cấy truyền không thích hợp.
 Chủng vi sinh vật cấy truyền dễ bị thay đổi các đặc điểm sinh học do đột biến xuất
hiện sau mỗi lần cấy truyền.

5.2. Các phương pháp bảo quản vi sinh vật khác


– Bảo quản dưới dầu vô trùng: dầu paraffin vừa ngăn cản môi trường khô vừa làm
giảm trao đổi chất gây cản trở sự xâm nhập của oxy.
– Bảo quản trong cát hoặc đất sét vô trùng: do cấu trúc lýhóa cát và đất sét đều là
những vật chất tốt mang các tế bào vi sinh vật, chủ yếu là các bào tử.
– Đông khô: là phương pháp hoàn thiện và có hiệu quả nhất. Vi khuẩn được trộn với
môi trường thích hợp (sữa, huyết thanh...) rồi làm lạnh và làm khô nhờ băng khô.
– Bảo quản trong glycerol (10%) và giữ trong tủ lạnh sâu (–60ºC hay – 80°C): đây là
phương pháp rất thích hợp nhưng cần mua được loại ống nhựa chịu nhiệt (khi khử trùng).

Hình 4–7. Đông khô vi sinh vật.

– Bảo quản trong nitơ lỏng là phương pháp vạn năng hơn cả. Phương pháp này thích
hợp với nhiều đối tượng vi sinh vật khác nhau như vi khuẩn, nấm sợi, nấm men, virus, tảo
và cả các dòng tế bào động vật. Tuy nhiên, phương pháp này cũng bộc lộ một số nhược
điểm như đầu tư kinh phí cho thiết bị và điện, nitơ lỏng hoặc rủi ro như cháy nổ... Đặc biệt
phương pháp này không thích hợp với các chủng vi sinh vật thường xuyên dùng đến. Nói
chung phương pháp này thường được dùng với các chủng vi sinh vật có những đặc tính
quí mà không thích hợp với phương pháp đông khô.

108
6. HÔ HẤP, CHUYỂN HÓA VÀ LÊN MEN CỦA VI SINH VẬT

6.1. Hô hấp ở vi sinh vật


Hô hấp là sự oxy hóa các chất hữu cơ để tạonăng lượng dưới dạng ATP. Tùy từng
chủng giống VSV khác nhau mà oxy hóa, phân hủy các hợp chất khác nhau. Đối với VSV
hiếu khí chúng sử dụng oxy không khí để oxy hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ đến CO2
và H2O.
Đối với các chủng giống VSV kị khí, quá trình oxy hóa sinh năng lượng không kèm
theo việc liên kết với oxy của không khí mà là oxy phân tử mà là oxy liên kết: NO3, CO2,
SO3… Trong điều kiện kị khí nếu là hợp chất hữu cơ, thì chất hữu cơ vừa làm nhiệm vụ
chất nhận vừa làm nhiêm vụ chất cho electron. Kết quả một phần cơ chất bị khử và một
phần khác bị oxy hóa.
Khác với các sinh vật khác, (1) quá trình hô hấp ở VSV không có bộ máy hô hấp
chuyên trách, sự hô hấp diễn ra trên toàn bộ tế bào; (2) hô hấp có thể cần oxy như động
vật nhưng có thể không cần oxy (hô hấp kị khí); (3) cơ chất để oxy hóa có thể là chất hữu
cơ và cũng có thể là chất vô cơ; (4) một phần năng lượng của quá trình oxy hóa được
chuyển thành nhiệt năng làm nóng môi trường. Tùy từng loài VSV mà chúng sử dụng các
hình thức hô hấp khác nhau.
6.1.1. Cơ chế của hô hấp hiếu khí ở vi sinh vật
Hô hấp hiếu khí là quá trình hô hấp xảy ra nơi có oxy, sản phẩm cuối cùng là CO2 và
nước, năng lượng giải phóng được tích lũy trong ATP.

N2 + 8H + + 8e+ 16ATP + 16O2NH3 +16 ADP + 16 P + Q


VSV hô hấp hiếu khí: Azotobacter, Bacillus, Rhizobium, Micrococcus...
6.1.2. Cơ chế của hô hấp kị khí ở vi sinh vật
Hô hấp kị khí là quá trình hô hấp xảy ra nơi không có oxy, sản phẩm cuối cùng là
các sản phẩm trao đổi chất (ethanol, acid lactic...) CO2 và nước, ATP.

C6H12O6 C2H5OH + CO2 + Q


C6H12O6 CH3CHOHCOOH + CH3COOH + Q
Vi sinh vật: Saccharomyces, Lactobacillus, Streptococcus...

109
HNO3  HNO2  HNO  N2O  N2 
Vi sinh vật: Nitrosomonas, Nitrobacter, Spirillum denitrficans...

SO4
H« hÊp sulfate
H2 S
C6H12O6 + H2SO4  3H2S + 6 CO2 + H2O + Q
Vi sinh vật: Vibrio denitrificans, Chlorobium, Spirillum denitrificans...

6.2. Chuyển hóa của vi sinh vật


Vi sinh vật rất nhỏ bé nhưng sinh sản phát triển nhanh chóng, do chúng có hệ thống
emzyme phức tạp. Mỗi loại vi sinh vật có một hệ thống enzyme riêng, nhờ có hệ thống
enzyme này mà VSV có thể dinh dưỡng, hô hấp và chuyển hóa để sinh sản và phát triển.
– Sự chuyển hóa đường: Đường là một chất vừa cung cấp năng lượng vừa cung cấp
nguyên liệu để cấu tạo. Chuyển hóa đường tuân theo một quá trình phức tạp từ polyozid
đến ozid qua glucose đến pyruvate: lactose → glucose → esteglucose–6–phosphoric →
pyruvate. Pyruvate đóng vai trò trung tâm trong quá trình chuyển hóa các chất đường.
– Chuyển hóa chất đạm: Các chất đạm cũng được chuyển hóa theo một quá trình
phức tạp từ albumin đến amino acid.
Albumin → protein → peptone → polypeptid → amino acid
–Các chất được hợp thành: Ngoài những sản phẩm chuyển hóa trong quá trình
đồng hóa trên và ngoài các chất là thành phần của bản thân VSV, còn có một số chất
được tạo thành:
+ Độc tố: Phần lớn các VSV gây bệnh trong quá trình sinh sản và phát triển đã tổng
hợp nên độc tố.
+ Kháng sinh: Một số VSV tổng hợp được chất kháng sinh, chất này có tác dụng ức
chế hoặc tiêu diệt chọn lọc các VSV khác loại.
+ Sắc tố: Một số VSV có khả năng sinh ra các sắc tố như màu vàng của tụ cầu, màu
xanh của trực khuẩn mủ xanh, màu đen của nấm Aspergillus niger..
+ Vi tamin: Nhiều loại VSV tổng hợp được các loại vitamin E, K...

6.3. Một số quá trình lên men của ví sinh vật


Lên men là sự oxy hóa không trọn vẹn các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí mà
chất cho và nhận điện tử đều là chất hữu cơ.

110
6.3.1. Quá trình lên men rượu
Dưới tác dụng của một số loại VSV có enzyme zymase, trong điều kiện kị khí
đường glucose chuyển hóa thành rượu ethylic và CO2, đồng thời giải phóng năng lượng.
Quá trình này gọi là quá trình lên men rượu ethylic.
Các vi sinh vật chủ yếu: Saccharomyces cerevisiae, Sac. vini, Sac. Carlsbergensis,
Sac. uvarum, Schizosaccharomyces pombe, vi khuẩn Zygomonas mobilis...
1) Cơ chế
Lên men rượu là quá trình phân giải kị khí đường dưới tác dụng của enzyme vi sinh
vật đặc hiệu.
Trong sự lên men rượu, đầu tiên pyruvic acid được tạo thành qua sơ đồ
EmbdenMayerhoffParnas, bị decarboxyl hóa tạo thành acetaldehyde và CO2 nhờ xúc
tác của pyruvate decarboxylase.
Pyruvate decarboxylase
CH3 C COOH CH3 CHO + CO2
O
Acid pyruvic
Sau đó acetaldehyte bị khử thành rượu ethylic dưới tác dụng xúc tác của
alcoholdehydrogenase của nấm men:

CH3CHO + NADH + H+ Alcohol dehydrogenase CH3CH2OH + NAD+ (2)


Ở đây NADHtạo thành trong phản ứng oxy hóa glyceraldehyde–3–P của quá trình
đường phân đóng vai trò chất cho hydro, còn acetaldehyde là chất nhận.
Tùy điều kiện của môi trường, sự lên men rượu có thể tiến hành theo các kiểu sau:
2) Các kiểu lên men rượu
a) Sự lên men rượu trong điều kiện bình thường:
Xảy ra khi pH 45, và có thể chia làm hai thời kỳ:
– Thời kỳ cảm ứng: Trong thời kỳ này, lượng acetaldehyde tạo thành theo phản ứng
(1) còn ít, khi đó glyceraldehyde–3–P tạo thành được chuyển từ NADH tới aetaldehyde
glycero–3–P. Chất này bị khử gốc P nhờ enzyme phosphatase tạo thành glycerol:
CHO NADH NAD+ CHOH CH 2OH
C6H12 O6 CHOH CHOH CHOH
CH2 O P CH2 O P CH 2OH
P
Glyceraldehyde-3-P Glycerol-3-P Glycerol
Vậy glycerol là sản phẩm phụ của quá trình lên men rượu trong môi trường acid.
– Thời kỳ tĩnh
Khi lượng acetaldehyde đã đạt tới mức nào đó thì chất này tiếp nhận hydro từ
NADH để chuyển thành rượu etylic theo phản ứng (2):

111
C6H12O6 CH3CHO + NADH CH3CH2OH + NAD+
Phương trình tổng quát của sự lên men rượu bình thường như sau:
C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ADP + 2Pi = 2CH3CH2OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O
b) Lên men rượu và sự tạo thành glycerol
Để tăng cường sự tạo thành glycerol (để sản xuất glycerol hoặc tạo vị cho đồ uống
có rượu), trong môi trường có bisulfate
Nguyên tắc của phương pháp này là chuyển acetaldehyde thành acetaldehyde
hydrosulfonate khó tan bằng cách bổ sung NaHSO3 vào môi trường. Khi đó, NADH cho
dihydroxyacetone–P tạo thành glycerol–3–P, chất này bị khử phosphate để tạo thành
glycerol dưới tác dụng của enzyme phosphatase:
SO3 Na
CH 3CHO + NaHSO4 CH3 CH OH
Acetaldehyde hydrosulfonate

CH2 OH NADH NAD+ CHOH CH 2OH


C O CHOH CHOH
CH2 O P CH2 O P CH 2OH
P
Dihydroxyacetone-P Glycerol-3-P Glycerol
c) Sự lên men rượu trong môi trường kiềm
Trong quá trình lên men kiểu này acetaldehyde được loại bỏ nhờ phản ứng tạo thành
ethanol và acid acetic trong điều kiện môi trường kiềm:
2CH3CH=O + H2O  CH3CH2OH + CH3COOH
Khi đó NADH chuyển hydro cho dihydroxyacetone–P tạo thành glycerol–3–P, chất
này bị khử phosphate để tạo thành glycerol nhờ enzyme phosphatase:
CH2OH NADH2 NAD+ CH OH CH2OH
2

C O CHOH CHOH
CH2O P CH2O P P CH2OH
Dihydroxyacetone-P Glycerine-3-P Glycerine

* Sự ức chế lên men rượu khi có mặt oxy


Sự lên men xảy ra mạnh mẽ trong điều kiện kị khí. Khi có oxy, quá trình lên men bị
ức chế và chuyển sang cơ chế hô hấp. Sự ức chế lên men khi có mặt oxy gọi là hiệu ứng
Pasteur. Trong quá trình này, ATP được tổng hợp mạnh mẽ nhờ phosphoryl hóa oxy hóa
kết hợp với quá trình vận chuyển proton và electron qua dãy hô hấp tới oxy. Kết quả là
trạng thái tích lũy năng lượng của tế bào tăng lên, vi sinh vật chỉ cần một lượng glucose
không nhiều cũng đủ duy trì sự sống và phát triển của chúng.

112
Hiệu ứng Pasteur là một cơ chế điều hòa quan trọng đối với quá trình lên men.
Trong thực tế khi sản xuất sinh khối thì người ta cho nấm men phát triển trong điều kiện
thoáng khí, còn khi cần thúc đẩy sự lên men thì cần giữ môi trường trong điều kiện kị khí.
d) Sự tạo thành dầu khét (dầu fusel)
Dầu khét là sản phẩm phụ của quá trình lên men. Thành phần chủ yếu là các rượu
cao phân tử như rượu propylic, amylic, isoamylic, butylic, isobutylic, tyrosol... Chúng là
những cấu tử tạo nên mùi thơm đặc trưng cho các sản phẩm lên men. Ngoài rượu cao phân
tử, các sản phẩm khác của quá trình như amino acid, acid béo... là chất dinh dưỡng và
nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp của tế bào vi sinh vật.
3) Ứng dụng quá trình lên men rượu
Sản xuất rượu, bia, các loại nước giải khát, lên men làm nở bột mì; sản xuất
glycerol, ủ men thức ăn gia súc, ….
6.3.2. Quá trình lên men lactic
Quá trình chuyển hóa từ đường glucose dưới tác dụng của enzyme VSV trong điều
kiện kị khí thành acid lactic và một số acid hữu cơ khác, đồng thời giải phóng năng lượng
được gọi là quá trình lên men lactic.
Cơ chế: Có hai quá trình lên men lactic khác nhau là lên men lactic đồng hình và lên
men lactic dị hình.
1) Lên men lactic đồng hình
Trong quá trình lên men lactic đồng hình glucose sẽ được chuyển hóa theo dường
phân (EmbdenMayerhorfParnas (EMP). Sau đó acid pyruvic sẽ biến đổi thành acid
lactic dưới tác dụng của enzyme lactatedehydrogenase. Lượng acid lactic tạo thành chiếm
90%  98% trong tổng số các sản phẩm lên men, Sư lên men đồng hình ở vi khuẩn thường
găp ở các chi: Streptococcus (S. cremoris, S. lactis, S. thermophillus) và Lactobacillus (L.
bulgaricus, L. acidophillus, L. cucumerris, L. plantarum...)
C6 H12 O6

2NAD+
2NADH
2 CH3 COCOOH 2 CH3 CHOHCOOH
2) Lên men lactic dị hình
Vi khuẩn lên men lactic dị hình thiếu các enzyme chủ yếu của đường phân là
alđolase và triose phosphateisomerase. Đoạn phân giải glucose đầu tiên chỉ xảy ra qua con
đường pentose phosphate, tức là qua glucose–6–phosphate, 6–phosphogluconate và
ribulose–5–phosphate. Chất này nhờ epimerase được chuyển thành xilulose–5–phosphate
và nhờ transketolase được biến đổi thành glyceraldehyde–3–phosphate.

113
Khi lên men các vi khuẩn nhóm này chỉ tạo ra 60% acid lactic, phần còn lại là acid
acetic, rượu ethylic, glycerol và một vài sản phẩm khác... Gồm các loài: L. brasicar
fermentatae, Leuconostoc mesenteroides, E. coli...
Các tế bào Leuconostoc mesenteroides không sinh trưởng và được rửa sạch đã lên
men glucose thành lactate, ethanol và CO2 theo một tỉ lệ gần như tương đương.
C6H12O6 CH3CHOHCOOH + CH3CH2OH + CO2
Ở các cơ thể này acetyl–phosphate bị khử thành acetyl–CoA, acetaldehyde bị
khửthành ethanol. Các vi khuẩn lên men dị hình khác chuyển một phần hoặc toàn bộ
acetylphosphate thành acetate, trong đó liên kết phosphate giàu năng lượng được chuyển
sang ADP để tạo thành ATP.
Dihydro thừa trong trường hợp này được chuyển cho glucose làm xuất hiện
mannitol. Glyceraldehyde–3–phosphate được biến đổi thành piruvate rồi thành lactate.
Ribose được L.mesenteroides lên men thành lactate và acetate.
* Lên men lactic dị hình ở Bifidobacterium. Vi khuẩn lactic dị hình Bifidobacterium
bifidum có dạng chữ V hay chữ Y (bifidus tiếng Hy Lạp có nghĩa là bị chia đôi, bị phân
cắt), là thành viên trong khu hệ đường ruột của trẻ sơ sinh, trước hết là các trẻ nuôi bằng
sữa mẹ. Vi khuẩn này cần N–acetylglucosamine chỉ có trong sữa người mà không có trong
sữa bò. Các đại diện thuộc chi Bifidobacterium là những vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt,
không chịu khí và cần một khí quyển chứa CO2 (10% CO2) để sinh trưởng.
Bifidobacterium chuyển hóa glucose theo phương trình.
2 C6H12O6 2 CH3CHOHCOOH + 3 CH3–COOH + CO2
3) Ứng dụng của lên men lactic
Sản xuất acid lactic, chế biến sữa chua, ủ chua thức ăn cho gia súc…
6.3.3. Lên men butyric
Trong tự nhiên dưới tác dụng của một số VSV kị khí đường glucose được chuyển
hóa để cho acid butyric gọi là quá trình lên men butyric.
Cơ chế:
C6H12O6 CH3CH2CH2COOH + CO2+… + Q
Vi sinh vật lên men butyric: Chủ yếu thuộc chi Clostridium. Đây là loại vi khuẩn
Gram dương, kị khí bắt buộc có khả năng sinh bào tử khi môi trường sống bất lợi. Khi
mang bào tử tế bào thường có hình thoi, hay hình dùi trống. Phần lớn các loài Clostridium
butyricum, Clos. pasteurianum, Clos. lactoacetophilum đòi hỏi cao với điều kiện kị khí,
trừ một số loài như Clos. pecctinovorum, Clos. hystolyticum.
Ứng dụng: Vi khuẩn lên men butyric tham gia tích cực vào quá trình phân giải xác
hữu cơ trong tự nhiên. Nhiều loài Clostridium được ứng dụng trong công nghiệp để sản
xuất các loại hóa chất quan trọng như acetone, butanol, acid butyric, isopropanol...

114
6.3.4. Lên men methane
Dưới tác dụng của một số VSV kị khí, một số hợp chất hữu cơ sẽ bị phân hủy, đồng
thời giải phóng khí CH4 gọi là quá trình lên men methane.

Hình 4–8. Sơ đồ quá trình vi sinh hóa lên men methane

a) Sơ đồ quá trình vi sinh hóa lên men methane (Hình 4–8)


Phương trình phản ứng hóa sinh trong điều kiện kị khí có thể biểu diễn như sau:

Chất hữu cơ Lªn men CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới
kÞ khÝ
b) Quá trình các phản ứng sinh hóa
Quá trình các phản ứng sinh hóa xảy ra trong quá trình sản xuất biogas (CH4) có thể
được phân làm 4 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: (Giai đoạn thủy phân) Phân mới nạp vào bể phân hủy, bắt đầu quá
trình lên men vi sinh. Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều loại vi sinh vật
tiết ra (vi khẩn Clostridium, bipiclobacterium, trực khuẩn Gram âm không sinh bào tử,
Staphylococcus...), các chất hữu cơ phức tạp như carbohydrate, protein, lipid dễ dàng bị
phân hủy thành các chất hữu cơ đơn giản, dễ bay hơi như ethanol, các acid hữu cơ như
acid acetic, acid butyric, acid propionic, acid lactic.... và các khí CO2, H2 và NH3.
Khi phân tươi mới nạp vào, sự lên men kị khí được diễn ra nhanh chóng, các “túi
khí” được tạo thành, như là chiếc phao, làm cho nguyên liệu nhẹ và nổi lên, thành váng ở
lớp trên.
+ Giai đọan 2: (Giai đoạn acid hóa) là giai đoạn lên men, hay giai đoạn đầu của quá
trình bán phân hủy, nhờ các vi khuẩn Acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp acetate),
chuyển hóa các carbohydrate và các sản phẩm của giai đoạn 1 như albumoz pepide,
glycerol và các acid hữu cơ thành các acid có phân tử lượng thấp hơn như C2H5COOH,
C3H7COOH, CH3COOH, một ít khí hydro và khí CO2.

115
Quá trình này sản sinh các sản phẩm lên men tạo mùi hôi thối như H2S, indole,
scatol… pH của môi trường dịch phân hủy < 5.
+ Giai đoạn 3: (Giai đoạn acetate hóa) Các vi khuẩn tạo methane chưa thể sử dụng
được các sản phẩm của các giai đoạn trước (1 và 2) để tạo thành methane, nên phải phân
giải tiếp tục để tạo thành các phân tử đơn giản nhỏ hơn nữa (trừ acid acetic), nhờ các vi
khuẩn acetate hóa. Sản phẩm của quá trình phân giải này gồm acid acetic, H2, CO2.
CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO + H+ + 2H2
CH3CH2COO (propionate) + 3H2O → CH3COO+ HCO3 + H+ + 3H2
CH3(CH2)2COO (butyrate) +H2O → 2CH3COO + H+ + 2H2
Giai đoạn này nhờ các vi khuẩn acetate hóa phân giải các sản phẩm của giai đoạn
trước tạo nhiều sản phẩm H2, và nó được vi khuẩn methane sử dụng làm chất cho điện tử
để khửCO2 hình thành methane (CH4), bắt đầu giai đoạn phân hủy. Lúc này các chất bã
hữu cơ phân hủy mủn ra thành các phần tử nhỏ, lơ lửng trong dịch thải. pH của môi
trường dịch bể phân hủy chuyển sang kiềm và tối ưu ở khoảng 6,8 – 7,8.
+ Giai đoạn 4: hình thành khí methane. Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình
phân giải kị khí tạo thành hỗn hợp sản phẩm, trong đó khí methane chiếm phần lớn. Quá
trình hình thành khí methane xảy ra đồng thời, bằng 3 con đường:
) Nhờ vi khuẩn Hydrogenotrophic methanogen sử dụng cơ chất cho điện tử là
hydro để khử CO2 thànhCH4:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
) Nhờ vi khuẩn acetotrophic methanogen chuyển hóa acetate thành methane và
CO2. Khoảng 70% lượng methane sinh ra bằng con đường này.
CH3COOH → CO2 + CH4
4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2
Vi sinh vật lên men methane:
) Nhờ vi khuẩn methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm methyl:
CH3OH + H2 → CH4 + 2H2O
4(CH3)3N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3
Trong các nghiên cứu người ta thấy rằng trong 3 giai đoạn đầu (thủy phân, acid hóa
và acetic hóa) thì:
(1) lượng COD hầu như không giảm. COD chỉ giảm trong giai đoạn methane hóa,
giai đoạn cuối cùng của quá trình phân giải kị khí;
(2) ngoài các sản phẩm chính là methane, còn có các sản phẩm NH3, H2S, indole,
scatol... gây mùi thối.
Như vậy, các sản phẩm gây mùi thối chỉ tạo ra trong quá trình lên men và bán phân
hủy chất hữu cơ, nếu bị đẩy ra ngoài bể phân hủy, kéo mùi thối ra cùng, là nguyên nhân
gây thối và ô nhiễm môi trường thứ cấp.

116
Vi sinh vật lên men methane: Methanobacter và Synthrophobacter, Saricina metha-
nica, Methanoplanus endosymbiosus, các loài Methanobrevibacter, và Methanobacterium
formicicum....
Ứng dụng: Điều chế khí methane làm khí đốt thắp sáng, chạy máy phát điện. Môt số
vi khuẩn lên men methane có khả năng tích lũy khá nhiều vitamin B12.

TÓM TẮT CHƯƠNG


Trong hoạt động sống, vi sinh vật luôn luôn hấp thụ các chất từ môi trường đồng thời
luôn thải ra các chất không cần thiết ra ngoài môi trường. Công viêc này do màng tế bào đảm
nhận.
Nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật chủ yếu là C, N và các chất dinh dưỡng khoáng,
chúng thực hiện theo hai kiểu dinh dưỡng đó là dinh dưỡng quang năng và dinh dưỡng
hóa năng. Tùy thuộc vào nguồn carbon mà vi sinh vật được chia thành tự dưỡng hay dị
dưỡng. Nếu nguồn carbon là chất vô cơ thì gọi là tự dưỡng, còn nếu nguồn carbon là
chất hữu cơ thì gọi là dị dưỡng.
Nghiên cứu sự sinh trưởng, sinh sản của vi sinh vật giúp chúng ta có cơ sỏ lý luân
để vận dụng vào thực tiễn sản xuất các chế phẩm sinh học, nhằm góp phần cải tạo và bảo
vệ môi trường.
Vi sinh vật có hai kiểu hô hấp, đó là hô hấp hiếu khí và hô hấp kị khí, tùy thuộc vào
từng chủng giống khác nhau, mà có kiểu hô hấp khác nhau.
Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong lên men, tùy theo sản phẩm tích lũy chủ
yếu và điển hình được dùng để gọi tên. Ví dụ sản phẩm lên men chủ yếu là rượu ethylic
thì gọi là lên men rượu ethylic.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP


1. Các kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật?
2. Các cơ chất dinh dưỡng cần thiết cho hoạt động sống của vi sinh vật?
3. Cơ chế và tác dụng của các yếu tố bên ngoài lên sinh trưởng của vi sinh vật?
4. Ý nghĩa của việc nghiên cứu đồ thị sinh trưởng, hiện tượng sinh trưởng kép?
5. Các kiểu hô hấp của VSV và cơ chế hoạt động?
6. Bản chất hóa học và sinh học của các quá trình lên men rượu, lactic, butyric và lên men
methane?
7. Ứng dụng lên men lactic trong đời sống, sản xuất và trong công tác bảo vệ môi trường?
* Chọn đáp án đúng nhất:
8. Tất cả vi khuẩn quang tổng hợp:
a. Sử dụng diệp lục làm sắc tố quang tổng hợp;
b. Giải phóng O2 phân tử trong quang hợp;
117
c. Hình thành các hạt lưu huỳnh trong tế bào;
d. Là những cơ thể quang tự dưỡng carbon.
9. Nghiên cứu các chất nhận điện tử phổ biến trong quá trình hô hấp được các VSV sử
dụng, kết quả được tổng kết vào bảng sau:

Kiểu hô hấp Chất nhận e‾ Sản phẩm khử Ví dụ nhóm VSV


Hiếu khí O2 H2O (1)
NO3 NO3 (2)
NO3 NO2, N2O, N2 (3)
SO H2S (4)
Kị khí
CO2 CH4 (5)
S0 H2S (6)
Fe Fe (7)

Hãy điền các số (1).....(7) các nhóm VSV chủ yếu.


10. Nấm men S. cerevisiae thường sống trong môi trường có O2, còn khi kị khí thì nấm
men đơn bào này lên men rượu. Hãy viết sơ đồ các bước chính hoạt động của nấm men
phân giải glucose.
a. Khi có O2 phân tử; b. Khi không có O2 phân tử.
* Điền vào các chỗ trống:
11. Trong kỹ thuật xác định số lượng tế bào bằng phương pháp nuôi cấy trên môi trường
đặc, người ta gọi khuẩn lạc là.....(a).....(là chữ viết tắt của........(b)......) vì rằng không phải
bao giờ nó cũng được mọc lên từ một tế bào.....(c)........
12. Khi xác định sinh khối tế bào bằng phương pháp đo độ đục hay là phương pháp sử
dụng....(a)...., nó dựa trên cơ sở....(b)....ánh sáng bởi canh trường nuôi cấytế bào, trị số
này....(c)....với số lượng tế bào có mặt trong dịch huyền phù.
13. Trong một hệ thống.....(a)....Tiếng Anh gọi là......(b).... người ta đưa vào một lượng
chất dinh dưỡng xác định và trong suốt quá trình nuôi cấy không loại đi cái gì, còn trong
hệ thống......(c).... người ta đưa vào một thể tích môi trường mới tương đương với lượng
bị........(d).........

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ


1. Bioreactor: Lò phản ứng sinh học (nồi lên men)
2. Ultraviolet radiation: Bức xạ tử ngoại
3. VSV nguyên dưỡng (Prototrophes) là những VSV không nhất thiết cần các nhân
tố sinh trưởng, những yếu tố của môi trường nuôi cấy thường là đầy đủ dối với chúng.
4. VSV khuyết dưỡng (Auxotrophes) là những VSV đòi hỏi các chất hữu cơ nhất
định cần cho sự sinh trưởng của chúng.

118
Chương 5
VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG ĐẤT

Mục tiêu
– Nắm vững môi trường đất, các thành phần cấu thành đất và tác động của chúng đến
vi sinh vật.
– Hiểu được cơ chế tác động của các yếu tố sinh học và lý hóa đối với vi sinh vật, các
mối quan hệ giũa các nhóm vi sinh vật trong đất.
– Biết ứng dụng các biện pháp tiêu độc, khử trùng... bằng hóa chất và nhiệt độ.
– Hiểu được vai trò của vi sinh vật trong chuyển hóa các hợp chất hữu cơ, vô cơtrong
môi trường đất.

1. MÔI TRƯỜNG ĐẤT

Đất là lớp vật chất nằm trên bề mặt của trái đất, có khả năng hỗ trợ sự sinh trưởng
của thực vật và là môi trường sinh sống tự nhiên của vi sinh vật tới các loài động vật. Có 5
yếu tố tác động vào quá trình hình thành đất: đá mẹ, khí hậu, sinh vật (thực vật, động vật
và vi sinh vật), địa hình và thời gian. Quá trình hình thành đất xảy ra trong thời gian dài từ
hàng chục đến hàng nghìn năm phụ thuộc vào các yếu tố trên. Đất có thể được chia thành
2 tầng tổng quát: tầng bề mặt và tầng đất cái. Lớp đất cái không chịu tác động của quá
trình phong hóa đất mẹ bởi khí hậu và có số lượng vi sinh vật ít hơn lớp đất bề mặt.
Môi trường tất cả các loại đất được cấu thành bởi 3 thành phần: (1) thành phần rắn
hay các hạt vô cơ thường kết hợp với các vật chất hữu cơ; (2) thành phần lỏng hay hòa tan
và (3) thành phần không khí.

1.1. Thành phần rắn


1.1.1. Các hạt căn bản và kết cấu đất
Thành phần rắn thường chiếm 45  50% về thể tích và thường chứa các thành phần
khoáng. Silic (47%) và oxy (27%) là 2 nguyên tố chiếm tỷ lệ cao trong thành phần
khoáng. Hai nguyên tố này kết hợp với các nguyên tố khác tạo thành nhiều loại khoáng
khác nhau, ví dụ: thạch anh SiO2; mica K2Al2O5[Si2O5]3Al(OH)4. Kết quả của quá trình
phong hóa đá mẹ tạo ra các hạt đất Soil particles). Dựa vào đường kính các hạt, hạt đất
được chia thành đất cát, đất thịt và đất sét. Đường kính hạt đất cát từ 0, 05 – 2, 0 mm,
chiếm khoảng 50% về khối lượng. Đường kính hạt đất thịt từ 0, 0020, 05 mm, chiếm
khoảng 20%. Đường kính hạt đất sét nhỏ hơn 0, 0002 mm và chiếm khoảng 20%. Các
thành phần keo trong đất bao gồm các chất hữu cơ (thường khoảng 3%) và vô cơ (thường

119
khoảng 5%). Sự phân bố và gắn kết của các phần tử cát, thịt và sét được gọi là kết cấu đất.
Giữa các thành phần khoáng của đất chứa các lỗ thông tạo độ xốp của đất. Lỗ thông này
phụ thuộc vào kết cấu và cấu trúc của đất. Không khí, nước và các vi sinh vật lưu thông
trong đất qua các lỗ thông. Lỗ thông giữa 2 hạt khoáng kết dính được gọi là lỗ thông liên
hạt và trong mỗi hạt khoáng gọi là lỗ thông nội hạt (Hình 5–1). µm đến mm

Lỗ thông liên hạt


(kích thước: µm – mm) Lỗ thông nội hạt
(kích thước: nm-µm)
Phóng to

Hạt kết dính


Lỗ thông

Hình 5–1. Lỗ thông giữa các hạt khoáng kết dính

Lỗ thông này tăng lên nhờ hoạt động của rễ thực vật, giun và động vật nhỏ. Kết cấu
và cấu trúc của đất rất quan trọng trong việc chi phối dòng nước di chuyển, các chất và
quần thể vi sinh vật. Kích thước lỗ thông tùy vào kích thước của 3 loại hạt khoáng cát, thịt
hay sét. Kính thước lỗ thông được so sánh với kích thước các loài vi sinh vật (Hình 5–2).
1.1.2. Khả năng trao đổi cation
Khả năng trao đổi cation xảy ra nhờ các chất tích điện âm kết hợp với các hạt sét.
Các hạt sét luôn mang điện tích âm vì:
+ Sự thay thế đồng hình: các hạt sét tồn tại như lưới vô cơ được cấu tạo bởi silic và
nhôm oxide. Việc thay thế Mg2+ thành Al3+ làm mất 1 điện tích dương và tích 1 điện tích
âm. Việc thay thế liên tục sẽ làm tăng khả năng tích điện.
+ Sự ion hóa: các gốc (OH) ở trên rìa mắt lưới có thể ion hóa trở thành gốc mang
điện tích âm: AlOH = AlO+ H+. Khi pH tăng thì sự ion hóa cũng tăng lên, được gọi là
tích điện phụ thuộc pH.
Trong đất thường tồn tại các cation như: Ca2+, Mg2+, K+, Na+ và H+. Trao đổi cation phụ
thuộc vào nồng độ các cation trong dung dich đất và ái lực của các cation ở điểm trao đổi.
Hút thấm bề mặt ảnh hưởng đến sự di chuyển và khả năng sinh học của các hợp chất
cũng như chất ô nhiễm trong đất. Hút thấm bề mặt được định nghĩa bởi liên kết của các
phân tử hữu cơ và vô cơ với thành phần rắn của đất.
Độ pH của đất ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của các chất hóa học trong đất. Ở
những vùng có lượng mưa cao, đất có độ pH < 5, 5 mang tính acid. Ở những vùng đất khô

120
>400 µm 400-12 µm 12-0,4 µm
Sỏi Cát Bùn

ĐVNS, nấm (100-0,5 µm)


Vi khuẩn (5-0,3 µm)

Rickettsiae, Chlamydiae(500-200 nm)


Virus (250-20 nm)
Đại phân tử (10-1 nm)
Phân tử (1 nm)
Nguyên tử

Lỗ lớn Lỗ trung bình Lỗ nhỏ


Cát 70% 15% 15%
Đất mùn 33% 33% 33%

mm 10 1,0 0,1 0,01 0,001


µm 100 10 1
nm 1000 100 10 1 0,1 0,01

Hình 5–2. So sánh kích thước của các vi sinh vật với kích thước
các lỗ giữa các hạt khoáng trong đất.

cằn, hơi nước bốc hơi làm tăng nồng độ muối. Đất ở đây có độ pH > 8, 5 mang tính kiềm.
Đất trung tính có độ pH từ 6  8.
1.1.3. Vật chất hữu cơ
Vật chất hữu cơ trong đất bao gồm: (1) sinh khối sống của sinh vật gồm động vật, vi
sinh vật và rễ thực vật; (2) vật chất sinh học chết và đang phân hủy và (3) chất mùn từ
phân hủy sinh khối động, thực vật và vi sinh vật (Hình 5–3). Vật chất hữu cơ trong đất có

Xác thực vật

Chất hữu cơ
tồn tại trong
đất Rễ
thực
Vi sinh vật
vật

Sản phẩm của Dịch tiết từ


vi sinh vật rễ thực vật

Hình 5–3. Các nguồn vật chất hữu cơ trong đất

121
khí hậu khắc nghiệt cằn chiếm dưới 1% và đất có khí hậu ẩm chiếm 5%. Ở tầng đất dưới
bề mặt, vật chất hữu cơ chỉ chiếm dưới 0.1%. Bởi vì tầng đất này không có xác thực vật và
số lượng vi sinh vật rất ít.
Chất mùn từ các vật hữu cơ cung cấp nguồn dinh dưỡng ổn định cho vi sinh vật bản
địa trong đất. Chất mùn có cấu trúc rất phức tạp nó phản ánh độ đa dạng và phức tạp của
các chất hữu cơ trong từng loại đất. Khối lượng phân tử biến động từ 700 đến 300.000 Da.

1.2. Thành phần lỏng


Dung dịch đất luôn thay đổi, bao gồm các chất hữu cơ và vô cơ hòa tan trong nước.
Thành phần của dung dịch đất rất quan trọng cho các hoạt động sinh học vì vi sinh vật
chứa gần 70% nước và yêu cầu nồng độ nước cao cho các hoạt động trao đổi chất. Thực
tế, tất cả vi sinh vật đều được bao quanh bởi màng nước, chúng hấp thụ các chất dinh
dưỡng cũng như bài tiết các chất thải của tế bào. Vì vậy, số lượng và thành phần các chất
trong dung dịch đất ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cả vi sinh vật và thực vật. Thành
phần của dung dịch đất phản ánh các chất hóa học có trong đất và dòng nước chảy vào
cũng như chảy ra. Thành phần này bị ảnh hưởng bởi các hoạt động của con người như
thủy lợi, phân bón, thuốc trừ sâu và các loại thuốc hóa học. Các chất hóa học không những
ảnh hưởng đến thành phần dung dịch đất và còn ảnh hưởng đến các chất dinh dưỡng cần
thiết cho sự sống trong đất.
Nước là dung môi hòa tan các chất hóa học trong hệ thống xốp của đất. Việc di
chuyển của nước trong đó kéo theo việc di chuyển của các hóa chất và vi sinh vật đất.
Nước di chuyển trong thể xốp của đất phụ thuộc vào thế nước trong đất.
Thế nước trong đất (soil water potential) là số đơn vị công cần thiết để chuyển một
lượng nước nhỏ từ độ cao và áp suất đặc trưng đến một điểm khác trong hệ thống xốp của đất.
Môi trường tối ưu cho sự sinh trưởng VSV hiếu khí trong các lỗ thông của đất là
môi trường mà nước luôn có sẵn nhưng môi trường không bão hòa. Vi sinh vật hấp thụ
các chất dinh dưỡng từ môi trường lỏng bao quanh chúng. Thông thường, hoạt động sinh
trưởng của vi sinh vật trong đất lớn nhất tại áp suất 0, 1 atm. Ở trạng thái nước bão hòa
hoàn toàn, hàm lượng oxy hòa tan bị hạn chế làm ảnh hưởng đến hoạt động vi sinh vật.

1.3. Thành phần không khí


Không khí trong đất và khí quyển tiếp xúc trực tiếp với nhau nên môi trường không
khí trong đất giống môi trường khí quyển như nitơ, oxy và khí carbon dioxide. Nhưng có
sự khác nhau về tỷ lệ các khí giữa môi trường khí quyển, môi trường đất thóang khí bề
mặt và đất ngập nước (Bảng 5–1).
Lượng O2 trong đất có vai trò quan trọng trong phân hủy hiếu khí các vật chất hữu
cơ. Khi thiếu O2, các vật chất hữu cơ được phân hủy kị khí tạo thành CO2 qua quá trình
lên men hoặc hô hấp kị khí, nhưng quá trình này kém hiệu quả so với hô hấp hiếu khí. Vì

122
vậy, O2 là thành phần sống của hoạt động hiếu khí, O2 là chất nhận điện tử cuối cùng trong
quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ.

Bảng 5–1. Thành phần không khí trong môi trường đất

Thành phần không khí (% về thể tích)


Vị trí
N2 O2 CO2
Không khí 78, 1 20, 9 0, 03
Đất bề mặt thóang khí 78, 1 18 – 20, 5 0, 3 – 3
Đất sét mịn hoặc đất bão hòa >79 ~ 0 – 10 Có thể đến 10

Độ ẩm của đất ảnh hưởng đến hàm lượng khí oxy hòa tan trong đất. Đất có lượng
nước bão hòa, tất cả các lỗ thông bị ngập nước nên hàm lượng oxy rất thấp. Ở đất khô, các
lỗ thông chứa đầy không khí nên độ ẩm rất thấp. Vi sinh vật hiếu khí yêu cầu lượng nước
và oxy tối ưu cho hoạt động trao đổi chất.
Các hoạt động sống ở tầng đất dưới bề mặt rất thấp vì nguồn cơ chất hữu cơ rất thấp.

1.4. Thực trạng thoái hóa đất tự nhiên ở Việt Nam


1.4.1. Thoái hóa đất
Số liệu thống kê của Bộ TN&MT tổng hợp, 2015 tổng diện tích đất tự nhiên cả nước
khoảng 33, 1 triệu ha. Theo mục đích sử dụng, đất được phân thành 3 nhóm chính: đất
nông nghiệp, đất phi nông nghiệp và đất chưa sử dụng. Trong đó, diện tích nhóm đất nông
nghiệp (nông, lâm, thủy sản) ước khoảng 26, 8 triệu ha, chiếm khoảng 81% diện tích đất
tự nhiên cả nước.
Tình hình thoái hóa đất ở nước ta có xu hướng tăng do các tác động tiêu cực của
BĐKH và hoạt động phát triển KT–XH. Ô nhiễm đất gia tăng chủ yếu do hoạt động phát
triển công nghiệp, sản xuất nông nghiệp, sinh hoạt, dịch vụ..., do chất thải, nước thải chưa
được xử lý và phân bón hóa học, hóa chất BVTV chưa được quản lý, kiểm soát, xả thải
vào môi trường đất.
Các dạng thoái hóa đất tự nhiên ở nước ta bao gồm: hoang mạc đá –hoang mạc đất
khô cằn: gồm các núi đá và đất trống đồi núi trọc, thể hiện rõ nhất ở các vùng có lượng
mưa thấp, đất phát triển trên các loại đá mẹ khó phong hóa, nghèo dinh dưỡng (khu vực
miền Trung và Tây Nguyên). Hoang mạc cát (cát bay, cát chảy, cát trượt lở): gồm các dải
cát hẹp trải dài dọc theo bờ biển, tập trung nhiều nhất ở dải ven biển miền Trung, ĐBSCL
và một phần diện tích nhỏ dọc theo ven biển các tỉnh phía Bắc như Nam Định, Nghệ An,
Thanh Hóa... đất có độ phì nhiêu tự nhiên thấp, phần lớn là cấp hạt cát nên khả năng giữ
nước, giữ phân kém, ... Hoang mạc đất nhiễm mặn: tập trung chủ yếu ở ĐBSCL, các tỉnh
duyên hải miền Trung như Quảng Bình, Hà Tĩnh, Ninh Thuận… đất thường có hàm lượng

123
tổng số muối tan và độ dẫn điện (EC) cao. Hoang mạc đất nhiễm phèn: phân bố tại các
khu vực Tứ giác Long Xuyên, Đồng Tháp Mười (đất phèn), bán đảo Cà Mau (đất phèn
mặn). Ở miền Bắc, đất phèn chủ yếu tập trung ở vùng Kiến An – Hải Phòng, Thái Bình,
Hải Dương và Quảng Ninh. Đất nhiễm phèn được đặc trưng bởi độ chua cao, nồng độ độc
tố nhôm tiềm tàng cao và thiếu lân.
1.4.2. Ô nhiễm môi trường đất Việt Nam
Ô nhiễm môi trường đất Việt Nam có nhiều nguyên nhân, song nguyên nhân chính
được xác định là do sử dụng không hợp lý phân bón hóa học và thuốc BVTV trong nông
nghiệp, do các chất thải từ hoạt động công nghiệp, xây dựng và sinh hoạt, do các chất độc
hóa học tồn lưu.
Bên cạnh phân bón hóa học, tình trạng lạm dụng thuốc BVTV phòng trừ sâu bệnh
dịch hại đối với cây trồng diễn ra ở hầu hết các địa phương, việc không tuân thủ các quy
trình kỹ thuật, không đảm bảo thời gian cách ly của từng loại thuốc, sử dụng các loại
thuốc trôi nổi trên thị trường không được đăng ký, hàng giả, đóng gói không đúng khối
lượng... đã dẫn đến hậu quả mất an toàn vệ sinh thực phẩm và làm ô nhiễm môi trường
đất. Hóa chất BVTV tác động đến môi trường đất thông qua nhiều con đường khác nhau
như nước thải từ kho chứa thuốc khi có sự cố xảy ra, nước mưa chảy tràn qua các kho
chứa đã bị xuống cấp, lượng thuốc còn dư đọng lại trong chai bị quăng xuống ao, hồ, sông
hay lượng thuốc dư thừa trong quá trình sử dụng quá liều lượng ngấm vào đất cũng như
mạch nước ngầm... Dư lượng hóa chất BVTV ở một số vùng nông thôn đã có những dấu
hiệu gia tăng. Ví dụ: tại Lâm Đồng kết quả nghiên cứu hơn 200 mẫu đất trồng rau bón
phân vô cơ của tỉnh Lâm Đồng cho thấy hàm lượng lân và kali dễ tiêu cao hơn so với các
mẫu đất khác. Đất trồng vừa giảm năng suất do nghèo kiệt chất hữu cơ và mất cân đối
dinh dưỡng, vừa gây độc cho sản phẩm nông nghiệp. Bà con nông dân gọi hiện tượng đất
chỉ được bón phân vô cơ là đất bị chai và bị chua hóa. (Nguồn: Viện Môi trường nông
nghiệp, 2014)
Các điểm ô nhiễm chất độc hóa học tồn lưu được phân làm hai loại chính là các khu
vực đất bị nhiễm dioxin do ảnh hưởng chiến tranh (khu vực bị phun rải chất độc hóa học
và các sân bay quân sự) và các kho thuốc BVTV.
Tại Việt Nam các khu vực bị nhiễm dioxin do bị phun rải (chiếm khoảng 2,63 triệu
ha, phân bố trên toàn miền Nam) và các sân bay quân sự. Ước tính khoảng 15% tổng diện
tích đất khu vực miền Nam còn chịu ảnh hưởng ở mức độ khác nhau từ các chất độc hại sử
dụng trong chiến tranh, trong đó diện tích bị phun rải các chất có hoạt tính 2, 4, 5 – T
chiếm 9, 7% tổng diện tích. Ở một số sân bay trước kia tàng trữ, vận chuyển chất độc hóa
học/dioxin thì hàm lượng dioxin trong đất có nơi lên đến 365.000 ppt TEQ (tiêu chuẩn đất
cần xử lý của Việt Nam). Đặc biệt ba điểm nóng về dioxin ở Việt Nam Tại sân bay Biên
Hòa các khu vực ô nhiễm rộng và nằm rải rác tại các vị trí phía Bắc và phía Tây Nam của

124
sân bay. Trong đó, đáng chú ý nhất là 5 khu vực có hàm lượng dioxin cao trên 1.000 ppt
TEQ với tổng diện tích đất ô nhiễm lên đến 163.000 m2. Tại sân bay Đà Nẵng đã phát hiện
3 khu vực có hàm lượng dioxin trong đất vượt quá 1.000 ppt TEQ. Các khu vực này nằm
ở phía Bắc sân bay và có tổng diện tích lên đến 88.000 m2 . Đây là khu vực rất cần được
xử lý ô nhiễm triệt để vì chúng nằm trong thành phố Đà Nẵng và gần với các khu dân cư.
Tại sân bay Phù Cát, diện tích đất bị ô nhiễm khoảng 4.000 m2 trong sân bay (Nguồn: Văn
phòng BCĐ 33, Bộ TN&MT, 2015).

2. ĐẤT LÀ MÔI TRƯỜNG SỐNG CỦA VI SINH VẬT

2.1. Các yếu tố sinh học


Trong môi trường đất có rất nhiều nhóm sinh vật tồn tại, các vi sinh vật nhóm này
phải cạnh tranh với các vi sinh vật nhóm khác. Chúng cạnh tranh về cơ chất, H2O và các
yếu tố để phát triển. Một số vi sinh vật tiết ra các chất ức chế hoặc độc tố như kháng sinh
sẽ gây độc cho các vi sinh vật liền kề. Thêm vào đó, một số sinh vật ăn vi sinh vật như
động vật nguyên sinh ăn vi khuẩn hoặc vi sinh vật kí sinh như virus gây nhiễm cả vi khuẩn
và nấm. Khi một vi sinh vật không phải là bản địa được di nhập vào môi trường đất
thường tồn tại trong thời gian ngắn, trừ khi đã được chọn lựa môi trường đặc thù. Ảnh
hưởng này rất quan trọng trong sự tồn tại của vi sinh vật gây bệnh hay vi sinh vật phân
hủy sinh học khi được ứng dụng để phân hủy sinh học hoặc kiểm soát sinh học (Biological
control).

2.2. Mối quan hệ giữa các nhóm vi sinh vật trong đất
Sự phân bố của vi sinh vật trong đất vô cùng phong phú cả về số lượng cũng như
thành phần loài. Trong quá trình sống chung như thế, chúng có một mối quan hệ tương hỗ
vô cùng chặt chẽ. Dựa vào tính chất của các loại quan hệ giữa các nhóm vi sinh vật, người
ta chia ra làm 4 loại quan hệ: ký sinh, cộng sinh, hỗ sinh và đối kháng.
2.2.1. Quan hệ ký sinh
Quan hệ ký sinh là hiện tượng vi sinh vật này sống ký sinh trên vi sinh vật khác,
hoàn toàn ăn bám và gây hại cho vật chủ. Ví dụ như các loại virus sống ký sinh trong tế
bào vi khuẩn hoặc một vài loài vi khuẩn sống ký sinh trên vi nấm. Các loại vi khuẩn cố
định nitơ cộng sinh thường hay bị một loại thực khuẩn thể ký sinh, trên môi trường dịch
thể có hiện tượng môi trường đang đục trở nên trong. Nguyên nhân là do thực khuẩn thể
xâm nhập và làm tan tất cả các tế bào vi khuẩn – gọi là hiện tượng sinh tan. Khi nuôi cấy
vi khuẩn trên môi trường đặc cũng có hiện tượng như vậy. Các thực khuẩn thể này tồn tại
ở trong đất trồng cây họ đậu làm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hình thành nốt sần ở cây
đậu.

125
2.2.2. Quan hệ cộng sinh
Là quan hệ hai bên cùng có lợi, bên này không thể thiếu bên kia trong quá trình sinh
sống. Ở vi sinh vật người ta ít quan sát thấy quan hệ cộng sinh. Có một số giả thiết cho
rằng: ty thể – cơ quan hô hấp của tế bào vi nấm chính là một vi khuẩn cộng sinh với vi
nấm. Giả thiết đó dựa trên cấu tạo của ty thể có cả bộ máy DNA riêng biệt, có thể tự sao
chép như một cơ thể độc lập. Giả thiết này chưa được công nhận hoàn toàn. Lại có giả
thiết cho rằng các plasmid có trong vi nấm và vi khuẩn chính là sự cộng sinh giữa virus và
vi nấm hay vi khuẩn đó. Ví dụ như các plasmid mang gene kháng thuốc đã mang lại mối
lợi cho vi khuẩn chủ là kháng được thuốc kháng sinh vì thế mà hai bên cùng có lợi và gọi
là quan hệ cộng sinh.
2.2.3. Quan hệ hỗ sinh
Là quan hệ hai bên cùng có lợi nhưng không nhất thiết phải có nhau mới sống được
như quan hệ cộng sinh. Quan hệ này thường thấy trong sự sống của vi sinh vật vùng rễ. Ví
dụ như mối quan hệ giữa nấm mốc phân hủy tinh bột thành đường và những nhóm vi
khuẩn phân giải loại đường đó. Mối quan hệ giữa nhóm vi khuẩn phân giải phosphor và
nhóm vi khuẩn phân giải protein cũng là quan hệ hỗ sinh, trong đó nhóm thứ nhất cung
cấp P cho nhóm thứ hai và nhóm thứ hai cung cấp N cho nhóm thứ nhất.
2.2.4. Quan hệ đối kháng
Quan hệ đối kháng lẫn nhau giữa hai nhóm vi sinh vật. Loại này thường tiêu diệt
loại kia hoặc hạn chế quá trình sống của nó. Ví dụ điển hình là xạ khuẩn sinh kháng sinh
và nhóm vi khuẩn mẫn cảm với chất kháng sinh do xạ khuẩn sinh ra. Khi nuôi cấy 2 nhóm
này trên môi trường thạch đĩa, ta có thể thấy rõ hiện tượng đối kháng: xung quanh nơi xạ
khuẩn mọc có một vòng vô khuẩn, tại đó vi khuẩn không mọc được. Người ta căn cứ vào
đường kính của vòng vô khuẩn đó mà đánh giá khả năng tạo ra kháng sinh của xạ khuẩn.
Tất cả các mối quan hệ trên đây của khu hệ vi sinh vật đất tạo nên những hệ sinh thái vô
cùng phong phú trong từng loại đất. Chúng làm nên độ màu mỡ của đất, thay đổi tính chất
lý hóa của đất và từ đó ảnh hưởng đến cây trồng.

2.3. Các yếu tố lý hóa học


* Ánh sáng
Ánh sáng thường xuyên qua vài cm đất bề mặt, vì vậy vi sinh vật quang dưỡng
thường tồn tại ở lớp đất bề mặt. Các chỉ tiêu lý hóa như nhiệt độ và độ ẩm của đất bề mặt
thường biến động theo thời gian trong ngày và theo mùa. Vì vậy một số vi sinh vật bao
gồm cả tảo thường chuyển đổi giữa quang dưỡng và hô hấp dị dưỡng các chất chuyển hóa
khi thiếu ánh sáng. Địa y là dạng sống kêt hợp giữa tảo lục hay vi khuẩn lam Nostoc và
nấm để thích ứng với các môi trường khắc nghiệt. Nấm bảo vệ mất nước, sinh vật quang
dưỡng cung cấp năng lượng từ quá trình quang hợp.

126
* Độ ẩm đất
Nước cần thiết cho các hoạt động của vi sinh vật. Thường, áp suất nước tối ưu cho
các hoạt động là 0, 1 atm giữa nước mao quản và nước tự do. Khả năng chịu mất nước cao
nhất là nấm đến nấm mốc và cuối cùng là vi khuẩn.
* Nhiệt độ đất
Nhiệt độ biến thiên rất lớn đặc biệt là đất bề mặt. Các quần thể sinh vật đất chịu
được sự biến thiên lớn của nhiệt độ bề mặt và thường chia ra các loại sau: ưa lạnh (nhiệt
độ <20oC), ưa ẩm (20 – 45 oC) và ưa nhiệt (45 – 90 ºC) và đặc biệt ưa nhiệt cực trị
(> 90ºC). Phần lớn các vi sinh vật đều ưa ẩm bởi vì ảnh hưởng của các dung môi trong đất
lên nhiệt độ đất.
* pH đất
Đất tự nhiên thường có giá trị pH từ 6– 8 và đây là pH tối ưu cho các vi sinh vật đất.
Tuy nhiên, có một số loài thích pH thấp, như Thiobacillus thiooxidans có khả năng oxy
hóa lưu huỳnh thành sulfite với pH tối ưu từ 2– 3.
* Kết cấu đất
Kết cấu đất ảnh hưởng đến quần xã vi sinh vật trong đất. Đất pha cát, thịt và sét
thường là môi trường lý tưởng cho các vi sinh vật vì chứa nhiều chất dinh dưỡng, nước và
không khí. Đất cát và sét chứa số lượng vi sinh vật ít.
* Dinh dưỡng đất
Carbon và nitơ thường là nguồn dinh dưỡng định ra mức giới hạn quan trọng nhất
cho các hoạt động của vi sinh vật. Nếu carbon và nitơ có hàm lượng thấp thì sinh trưởng
và hoạt động của vi sinh vật đất cũng rất chậm. Một số vi sinh vật đất chuyển sang trạng
thái ngủ khi nguồn dinh dưỡng cạn kiệt. Tuy nhiên, các sinh vật cố định đạm thường có số
lượng lớn và hoạt động mạnh nhờ rễ cây tiết ra chất dinh dưỡng.
* Thế năng oxy hóa–khử của đất
Thế năng oxy hóa khử (Eh) là đại lượng đo mức độ oxy hóa hay khử cơ chất trong
môi trường tính bằng volt hoặc millivolt (V hoặc mV). Vi sinh vật hiếu khí thường thích
môi trường oxy hóa nên có thế khử +800 mV. Vi sinh vật kị khí thích môi trường khử có
thế khử –300 mV. Oxy trong đất có thế khử +800 mV.

3. VI SINH VẬT TRONG ĐẤT


Đất bề mặt có nhiều quần thể vi sinh vật như vi khuẩn, xạ khuẩn, vi khuẩn cổ, nấm,
tảo, động vật nguyên sinh, phage và virus. Thêm vào đó còn có các vi sinh vật di nhập vào
đất bởi con người và các hoạt động của động vật. Con người đưa các vi khuẩn vào đất mục
đích phân hủy sinh học hoặc kiểm soát sinh học. Vi sinh vật còn du nhập vào đất nhờ ứng
dụng các loại phân từ chất thải động vật hoặc phân chim hay chất thải từ động vật khác.
Các vi sinh vật này làm phong phú thêm các quần thể vi sinh vật trong đất.

127
Tóm lai, đất chứa nhiều vi sinh vật gọi là đất sống (living soil). Đất càng màu mỡ
càng chứa nhiều vi sinh vật.

3.1. Vi khuẩn (Bacteria)


Trong đất vi khuẩn thường có số lượng nhiều nhất. Số lượng vi khuẩn tùy thuộc vào
từng loại môi trường, đặc biệt nhiều trong đất ẩm giàu chất mùn ở nhiệt đới. Số lượng vi
khuẩn có thể nhìn thấy được (khuẩn lac) dưới điều kiện nuôi cấy từ 107 đến 108 CFU/g đất
trong tổng số 1010 tế bào/g đất (Bảng 5–2). Trong đất chưa bão hòa, vi khuẩn hiếu khí có
số lượng gấp 2 đến 3 lần vi khuẩn kị khí. Số lượng vi khuẩn kị khí tăng theo chiều sâu của
đất. Hệ VSV đất đóng vai trò rất lớn trong quá trình hình thành đất, làm tăng độ phì nhiêu
cho đất (các vi khuẩn cố định nitơ, vi khuẩn phân giải cellulose) và có vai trò quan trọng
trong tuần hoàn vật chất trong tự nhiên (Bảng 5–3).

Bảng 5–2. Vi khuẩn chiếm ưu thế trong đất

Loài Đặc tính Chức năng


Arthrobacter Hiếu khí, dị dưỡng, Gram dương hoặc âm, Tuần hoàn vật chất và phân hủy
chiếm đến 40% số lượng vi khuẩn đất được sinh học.
nuôi cấy.
Streptomyces Xạ khuẩn hiếu khí, dị dưỡng, Gram dương, Tuần hoàn vật chất và phân hủy
chiếm đến 5 –20% số lượng vi khuẩn đất sinh học. Sinh kháng sinh, ví dụ:
được nuôi cấy. Streptomyces scabies...
Pseudomonas Dị dưỡng, Gram âm, Hiếu khí hoặc kị khí Tuần hoàn vật chất và phân hủy
không bắt buộc. Sử dụng hệ thống nhiều sinh học, đặc biệt vật chất hữu cơ.
loại enzyme khác nhau, chiếm 10 – 20% số Tác nhân khống chế sinh học.
lượng vi khuẩn đất được nuôi cấy.
Bacillus Dị dưỡng hiếu khí, Gram dương, tạo nội bào Tuần hoàn vật chất và phân hủy
tử, chiếm 2–10% số lượng vi khuẩn đất sinh học. Tác nhân khống chế
được nuôi cấy. sinh học, như: Bacillus
thuringiensis.

Trước đây vi khuẩn được phân loại dựa vào kỹ thuật nuôi cấy. Ngày nay vi khuẩn
được phân loại dựa vào dựa theo phương pháp phân tử. Phương pháp này dựa trên sự so
sánh các thông tin di truyền chứa đựng trong DNA của các nhóm VSV khác nhau. Vì các
thông tin di truyền được mã hóa bởi DNA, mà các cặp base (của purin với pyrimidin) tạo
thành các gene và để làm khuôn mẫu tổng hợp nên các polypeptid. Kiểu phân loại này bao
gồm nhiều loại kỹ thuật:
- Dựa theo tỉ lệ các base của các DNA (hoặc theo sự cấu thành của các DNA)
- Lai DNA (DNA hybridisation)

128
- Lai sinh học (biological hybridisation)
- Phân loại dựa trên cấu trúc phân tử protein kết hợp với phương pháp thống kê.
Theo phương pháp này, vi khuẩn rất đa dạng với hơn 10.000 loài trong 1g đất. Không phải
tất cả các loài vi khuẩn này đều có thể nuôi cấy được ở phòng thí nghiệm.

Bảng 5–3. Vi khuẩn đất tự dưỡng quan trọng

Loài Đặc tính Chức năng


Nitrosomonas Gram âm, hiếu khí Chuyển hóa NH4+thành NO2
(bước đầu tiên cố định đạm)
Nitrobacter Gram âm, hiếu khí Chuyển hóa NO2thành NO3
(bước thứ hai cố định đạm)
Thiobacillus thiooxidans Gram âm, hiếu khí Oxy hóa S thành SO42
Thiobacillus denitrificans Gram âm, kị khí không bắt buộc Oxy hóa S thành SO42
Thiobacillus ferrooxidans Gram âm, hiếu khí Oxy hóa Fe2+ thành Fe3+

Bảng 5–4. Vi khuẩn đất dị dưỡng quan trọng

Loài Đặc tính Chức năng


Actinomycetes, e.g., Hiếu khí, Gram Tạo mùi trong đất và kháng sinh.
Streptomyces dương, dạng sợi
Bacillus Hiếu khí, Gram Tuần hoàn carbon, sản xuất thuốc trừ côn
dương, tạo bào tử trùng và kháng sinh.
Clostridium Kị khí, Gram Tuần hoàn carbon, sản sinh độc tố E, F tùy
dương, tạo bào tử loài. C. thermocellum lên men Ethanol
Methanotrophs, e.g., Hiếu khí Oxy hóa methane và đồng trao đổi chất
Methylosinus trichloroethene (TCE) sử dụng enzyme
methanemonooxygenase.
Cuprivadus necator Hiếu khí, Gram âm Phân hủy 2,4–D nhờ plasmid pJP4
Rhizobium Hiếu khí, Gram âm Cố định đạm, cộng sinh ở cây họ đậu
Frankia (xạ khuẩn) Hiếu khí, hoặc vi Cố định đạm cộng sinh trong nốt rễ ở cây
hiếu khí, Gr dương phi lao (Casuarina equisetifolia)
Agrobacterium Hiếu khí, Gram âm Tác nhân gây bệnh khối u ở thực vật

3.2. Xạ khuẩn (Actinomycetes)


Xạ khuẩn là vi khuẩn với đặc tính khác biệt nên được xếp vào nhóm riêng. Xạ khuẩn
trong đất có vai trò quan trọng trong quần xã vi khuẩn. Chúng có thể tồn tại ở điều kiện
pH và nhiệt độ cao hay áp lực nước. Về mặt hình thái, xạ khuẩn giống vi nấm vì tế bào
129
kéo dài và phân nhánh dạng sợi gọi là khuẩn ti thể, hiếu khí và Gram dương. Hệ sợi của xạ
khuẩn nhỏ hơn nhiều so với sợi nấm. Số lượng xạ khuẩn trong nước biển khoảng 5 – 40
CFU/ml. Xạ khuẩn có khả năng sử dụng các cơ chất trong đất, đặc biệt là các đại phân tử
từ côn trùng và thực vật bị phân hủy không hoàn toàn như chitin, cellulose và
hemicellulose (Bảng 5–5).

Bảng 5–5. Đặc tính và chức năng của xạ khuẩn


Đặc tính Chức năng
Cấu trúc Sinh vật nhân sơ (prokaryote) - Nguồn tạo các sản phẩm tự
Kích thước Đường kính 1 – 2 µm nhiên như kháng sinh:
Hình thái Các sợi dài của cầu khuẩn streptomycin...
Nhuộm Gram Gram dương - Tạo các hợp chất có mùi trong
Hô hấp Phần lớn hiếu khí, cũng có thể kị đất hoặc nước
khí - Khả năng phân hủy các phân
Sinh cảnh Đất hoặc biển tử hữu cơ phức tạp
Số lượng 5 – 40 CFU/ml - Xạ khuẩn Frankia có khả năng
(Biển) cố định đạm cộng sinh trong nốt
Đất 6 8
10 – 10 /g rễ cây phi lao

3.3. Vi khuẩn cổ

Vi khuẩn cổ phân bố rộng với số lượng lớn trong tự nhiên, có thể tìm thấy ở trong
đất ở suối nước nóng hay vùng đất môi trường “cực trị” rất mặn, kị khí tuyệt đối hay acid
rất thấp, nhiệt độ rất cao... Vi khuẩn cổ có vai trò trong tuần hoàn C, N và S, ví dụ như cố
định đạm và tạo khí methane. Có nhiều quần thể vi khuẩn cổ có khả năng oxy hóa
ammonia. Ở lớp đất dưới bề mặt, oxy hóa ammonia có vai trò rất quan trọng vì lớp đất này
có mức độ dinh dưỡng và pH thấp.

3.4. Vi nấm (Microfungi)


Vi nấm là những vi sinh vật hệ sợi không có diệp lục hiếu khí phân bố chủ yếu trên
bề mặt đất với số lượng từ 105 đến 106 CFU trong 1g đất. Mặc dù số lượng vi nấm ít
nhưng sinh khối của nó lớn hơn vi khuẩn trong đất. Bởi vì kích thước của vi nấm lớn: sợi
vi nấm có đường kính từ 2 đến 10 µm. Vì kích thước lớn nên vi nấm hạn chế phân bố
trong các lỗ thông kết cấu đất. Riêng nấm men có dạng đơn bào, có khoảng 103 CFU trong
1g đất.
Vi nấm đóng vai trò trong các vòng tuần hoàn các chất trong đất, đặc biệt là phân giải
các vật chất hữu cơ đơn giản (đường) và phức tạp (cellulose và lignin). Vai trò phân giải của
vi nấm càng quan trọng hơn trong môi trường pH thấp vì có khả năng chịu được pH thấp
hơn vi khuẩn. Một số chi vi nấm trong đất liên quan đến vòng tuần hoàn vật chất như
Penicillium và Aspergillus. Vi nấm cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành

130
cấu trúc đất bởi vì sợi của vi nấm bám vào các hạt đất (Hình 5–4). Nhờ khả năng phân hủy
các hợp chất của nấm nên nấm được sử dụng để phân hủy các chất gây ô nhiễm như:
Phanerochaete chrysosporium. Một số loài vi nấm gây bệnh cho thực vật như Fusarium
spp., Pythium spp., Rhizoctonia spp. Một số khác gây bệnh cho người và động vật. Ví dụ
như loài vi nấm Coccidioides immitis gây bệnh phổi mạn tính ở người. Vi nấm Mycorrhiza
kết hợp với rễ cây tạo thuận lợi cho rễ thực vật hấp thụ chất dinh dưỡng khoáng.

Dịch tiết giống chất mùn


vùng kị nước
Dịch tiết polysaccharide – vùng kị nước
Các khuẩn lạc Điểm bám hạt sét

Dịch tiết polysaccharide


Điểm bám hạt sét

Nấm
Keo tụ đất

Điểm uốn vật lý


Cắt ngang

Hạt sét
Dịch chiết
polysaccharide
Màng tế bào
Khe
Sợi nấm nứt

Vi môi trường = Hạt sét tự do


hạt sét được sắp
xếp và kết dính
1 µm

Hình 5–4. Sự hình thành keo tụ nhờ vi sinh vật đất

3.5. Tảo (Algae)


Tảo thường có hình thức quang dưỡng nên để tồn tại và trao đổi chất chúng cần
nguồn năng lượng mặt trời và CO2. Vì vậy tảo thường phân bố ở nơi có ánh sáng trên bề
mặt đất. Tuy nhiên, một số loài tảo có thể tìm thấy ở độ sâu 1 m nhờ khả năng sinh trưởng
dị dưỡng cũng như quang dưỡng, ví dụ: tảo lục và tảo cát. Thường thì tảo phát triển mạnh
trong 10 cm lớp đất bề mặt và có số lượng từ 5.000 đến 10.000 tế bào trong 1 g đất, nhưng
khi có hiện tượng tảo nở hoa số lượng lên đến hàng triệu tế bào trong 1 g đất.
Trao đổi chất của tảo quan trọng trong quá trình hình hình đất nhờ: (1) tảo cung cấp
nguồn dinh dưỡng carbon qua quá trình quang dưỡng và thải carbonic acidgiúp quá trình
phong hóa các hạt khoáng trong đất liền kề. (2) Tảo tạo ra một lượng lớn polysaccharide
ngoại bào giúp kết dính các hạt đất.

131
Số lượng tảo phát triển theo mùa, mạnh nhất vào mùa xuân và mùa thu, bởi vì khô
nước vào mùa hè ức chế phát triển của tảo.
Bốn nhóm tảo chính được tìm thấy trong đất:
– Tảo lục hay Chlorophyta: thường thấy trong đất acid, ví dụ: Chlamydomonas
– Tảo cát: thường thấy ở đất trung tính hoặc kiềm, ví dụ: Navicula
– Tảo lục–vàng: ví dụ Botrydiopsis
– Khuẩn tảo lục: chúng được phân loại thuộc vi khuẩn nhưng có nhiều đặc điểm
giống tảo. Chúng có khả năng cố định đạm.
Ở vùng đất ôn đới số lượng tảo lần lượt như sau: tảo lục, tảo cát, vi khuản lam, tảo
lục và tảo lục–vàng. Ở vùng đất nhiệt đới, vi khuẩn lam và khuẩn tảo lục chiếm đa số.

3.6. Động vật nguyên sinh (Protozoa)


Động vật nguyên sinh là sinh vật nhân thật có cấu tạo đơn bào, chiều dài có thể đến
5, 5 mm. Phần lớn động vật nguyên sinh là dị dưỡng, tồn tại bằng cách tiêu thụ vi khuẩn,
nấm, tảo hoặc phân giải các hợp chất hữu cơ trong đất. Chúng có kích thước lớn nên tiêu
thụ số lượng lớn các sinh vật nhỏ hơn làm nguồn thức ăn.
Động vật nguyên sinh phân bố trong lớp đất bề mặt dày 15 đến 20 cm, thường tập
trung gần bề mặt rễ cây nơi có nhiều nguồn thức ăn. Hình dạng có thể thay đổi linh hoạt để
di chuyển qua các màng nước bao quanh các hạt đất cũng như qua các lỗ thông trong đất.
Có 3 loại động vật nguyên sinh chính: có roi, amíp và có lông rung.
– Động vật nguyên sinh có roi: có chứa diệp lục, ví dụ: Euglena hoặc không có diệp
lục, ví dụ: Oicomonas.
– Động vật nguyên sinh amíp hay còn gọi trùng chân giả, có số lượng lớn nhất so
với các loại động vật nguyên sinh khác.
– Động vật nguyên sinh có lông: di chuyển bằng cách cử động các lông bao phủ
quanh cơ thể. Số lượng quần thể động vật nguyên sinh có lông thay đổi theo số lượng vi
khuẩn trong đất, nguồn thức ăn chính của chúng.
Số lượng động vật nguyên sinh trong đất ở đất phi nông nghiệp ôn đới khoảng
30.000 trong 1 g đất. Ở đất trồng ngô ở vùng nhiệt đới khoảng 1, 6 106 trong 1 g đất.

4. SỰ CHUYỂN HÓA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ, VÔ CƠ TRONG ĐẤT

4.1. Sự chuyển hóa các hợp chất carbon của vi sinh vật
4.1.1. Vòng tuần hoàn carbon
Cacbon là các thành phần thiết yếu cho mọi sự sống đã biết, và không có nó thì sự
sống mà chúng ta đã biết không thể tồn tại. Carbon đươc con người sử dụng chủ yếu là
các carbohydrate và nhiên liệu hóa thạch như than, khí methane và dầu mỏ (xăng dầu).

132
Sự luân chuyển của nguyên tố carbon giữa cơ thể và môi trường nhờ hoạt động sống
của các sinh vật trong hệ sinh thái. Carbon dioxide (CO2) trong khí quyển hay trong nước
được sinh vật tự dưỡng hấp thụ và biến đổi thành các hợp chất hữu cơ phức tạp như carbo-
hydrate, protein, lipid ... thông qua quá trình quang hợp và những phản ứng sinh hóa. Một
phần các chất được tạo thành cấu trúc nên cơ thể thực vật. Thực vật được động vật hay các
sinh vật dị dưỡng sử dụng, sau đó, các chất bài tiết cũng như xác chết của sinh vật bị vi
khuẩn, vi nấm phân hủy đến giai đoạn cuối cùng (giai đoạn khoánghóa) trả lại carbon
dioxide cho môi trường.

Hình 5–5. Chu trình carbon trong môi trường tự nhiên


(Carbon trong tự nhiên luôn luân chuyển và được cân bằng nhờ:– Quá trình quang
hợp của cây xanh, một số VSV; – Quá trình hô hấp của người – động vật, sự đốt
cháy; – Quá trình phân hủy carbon, quá trình lên men của các vi sinh vật.

4.1.2. Vai trò của vi sinh vật trong vòng tuần hoàn carbon
Carbon trong tự nhiên nằm ở rất nhiều dạng hợp chất khác nhau, từ các hợp chất vô
cơ đến các hợp chất hữu cơ. Các dạng này không bất biến mà luôn luôn chuyển hóa từ
dạng này sang dạng khác, khép kín thành một chu trình chuyển hóa hoặc vòng tuần hoàn
carbon trong tự nhiên. VSV đóng một vai trò quan trọng trong một số khâu chuyển hóa
của vòng tuần hoàn này.
Các hợp chất carbon hữu cơ chứa trong động vật, thực vật, VSV, khi các VSV này
chết đi sẽ để lại một lượng chất hữu cơ khổng lồ trong đất. Nhờ hoạt động của các nhóm
VSV dị dưỡng carbon sống trong đất, các chất hữu cơ này dần dần bị phân hủy tạo thành
CO2. CO2 được thựcvật và VSV sử dụng trong quá trình quang hợp lại biến thành các hợp
chất carbon hữu cơ của cơ thể thực vật. Động vật và con người sử dụng carbon hữu cơ của
thực vật biến thành carbon hữu cơ của động vật và người. Người, động vật, thực vật đều
thải ra CO2 trong quá trình sống, đồng thời khi chết đi để lại trong đất một lượng chất hữu
cơ, VSV lại bị phân hủy. Cứ thế trong tự nhiên các dạng hợp chất carbon được chuyển hóa

133
liên tục. Dưới đây ta xét đến các quá trình chuyển hóa chính mà VSV tham gia.
4.1.3. Sự phân giải một số các hợp chất carbon do vi sinh vật
1) Sự phângiải cellulose
a) Cellulose trong tự nhiên
Cellulose là thành phần chủ yếu của màng tế bào thực vật. Ở cây bông, cellulose
chiếm tới 90% trọng lượng khô, ở các loại cây gỗ nói chung cellulose chiếm 40 –50%. Hàng
ngày, hàng giờ, một lượng lớn cellulose được tích luỹ lại trong đất do các sản phẩm tổng
hợp của thực vật thải ra, cây cối chết đi, cành lá rụng xuống. Một phần không nhỏ do con
người thải ra dưới dạng rác rưởi, giấy vụn, phoi bào, mùn cưa v.v.... Nếu không có quá trình
phân giải của VSV thì lượng chất hữu cơ khổng lồ này sẽ tràn ngập trái đất.
Cellulose có cấu tạo dạng sợi, có cấu trúc phân tử là 1 polimer mạch thẳng, mỗi đơn
vị là một disaccharide gọi là cellobiose. Cellobiose có cấu trúc từ 2 phân tử D–glucose.
Cấu trúc bậc 2 và bậc 3 rất phức tạp thành cấu trúc dạng lớp gắn với nhau bằng lực liên
kết hydro. Lực liên kết hydro trùng hợp nhiều lần nên rất bền vững, bởi vậy cellulose là
hợp chất khó phân giải. Dịch tiêu hóa của người và động vật không thể tiêu hóa được
chúng. Động vật nhai lại tiêu hóa được cellulose là nhờ khu hệ VSV sống trong dạ cỏ.
b) Cơ chế của quá trình phân giải cellulose nhờ vi sinh vật
Cellulose là một cơ chất không hoà tan, khó phân giải. Bởi vậy VSV phân hủy
cellulosephải có một hệ enzyme gọi là hệ enzyme cellulasebao gồm 4 enzyme khác nhau.
Enzyme C1 có tác dụng cắt đứt liên kết hydro, biến dạng cellulose tự nhiên có cấu hình
không gian thành dạng cellulose vô định hình, enzyme này gọi là cellobiohydrolase.
Enzyme thứ hai là Endoglucanase có khả năng cắt đứt các liên kết β – 1, 4 bên trong
phân tử tạo thành những chuỗi dài. Enzyme thứ 3 là Exo – gluconase tiến hành phân giải
các chuỗi trên thành disaccharide gọi là cellobiose. Cả hai loại enzyme Endo và Exo –
gluconase được gọi là Cx. Enzyme thứ 4 là β –glucosidease tiến hành thủy phân cellobiose
thành glucose.
Cellulose C1 Cellulose C x -glucosida se
Cellobiose Glucose
tù nhiªn v« ®Þnh h×nh
c) Vi sinh vật phân hủy cellulose
Trong thiên nhiên có nhiều nhóm VSV có khả năng phân hủy cellulose nhờ có hệ
enzyme cellulase ngoại bào. Trong đó vi nấm là nhóm có khả năng phân giải mạnh vì nó
tiết ra môi trường một lượng lớn enzyme đầy đủ các thành phần. Các vi nấm có hoạt tính
phân giải cellulose đáng chú ý là Tricoderma. Hầu hết các loài thuộc chi Tricoderma sống
hoại sinh trong đất và đều có khả năng phân hủy cellulose. Chúng tiến hành phân hủy các
tàn dư của thực vật để lại trong đất, góp phần chuyển hóa một lượng chất hữu cơ khổng lồ.
Tricoderma còn sống trên tre, nứa, gỗ tạo thành lớp mốc màu xanh phá huỷ các vật liệu
trên. Trong nhóm vi nấm ngoài Tricoderma còn có nhiều giống khác có khả năng phân

134
giải cellulose như Aspergillus, Fusarium. Mucor ...
Nhiều loài vi khuẩn cũng có khả năng phân hủy cellulose, tuy nhiên cường độ không
mạnh bằng vi nấm. Nguyên nhân là do số lượng enzyme tiết ra môi trường của vi khuẩn
thường nhỏ hơn, thành phần các loại enzyme không đầy đủ. Thường ở trong đất có ít loài
vi khuẩn có khả năng tiết ra đầy đủ 4 loại enzyme, trong hệ enzyme cellulase. Nhóm này
tiết ra một loại enzyme trong hệ enzyme cellulase. Nhóm khác lại tiết ra một loại enzyme
khác, chúng phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối quan hệ hỗ sinh.
Nhóm vi khuẩn hiếu khí bao gồm Pseudomonas, Cellulomonas, Achromobacter.
Nhóm vi khuẩn kị khí bao gồm Clostridium và đặc biệt là nhóm vi khuẩn sống trong
dạ cỏ của động vật nhai lại. Chính nhờ nhóm vi khuẩn này mà trâu, bò có thể sử dụng
được cellulose có trong cỏ, rơm rạ làm thức ăn. Đó là những cầu khuẩn thuộc chi
Ruminococcus có khả năng phân hủy cellulose thành đường và các acid hữu cơ.
Ngoài vi nấm và vi khuẩn, xạ khuẩn và niêm vi khuẩn cũng có khả năng phân hủy
cellulose. Người ta thường sử dụng xạ khuẩn đặc biệt là chi Streptomyces trong việc phân
hủy rác thải sinh hoạt. Những xạ khuẩn này thường thuộc nhóm ưa nhiệt, sinh trưởng, phát
triển tốt nhất ở nhiệt độ 45–500C rất thích hợp với quá trình ủ rác thải.
2) Sự phân giải tinh bột
a) Tinh bột trong tự nhiên
Tinh bột là chất dự trữ chủ yếu là của thực vật, bởi vậy nó chiếm một tỉ lệ lớn trong
thực vật, đặc biệt là trong những cây có củ. Trong tế bào thực vật, nó tồn tại ở dạng các
hạt tinh bột. Khi thực vật chết đi, tàn dư thực tích luỹ ở trong đất một lượng lớn tinh bột.
Nhóm VSV phân hủy tinh bột sống trong đất sẽ tiến hành phân hủy chất hữu cơ này thành
những hợp chất đơn giản, chủ yếu là đường và acid hữu cơ.
Tinh bột gồm 2 thành phần amylose và amylopectin. Amylose là những chuỗi không
phân nhánh bao gồm hành trăm đơn vị glucose liên kết với nhau bằng dãy nối 1,4-glyco-
side. Amylopectin là các chuỗi phân nhánh; các đơn vị glucose liên kết với nhau bằng liên
kết 1,4- và 1,6-glycoside (liên kết 1,6-glycosideở những chỗ phân nhánh). Amylopectin
chính là dạng liên kết của các amylose thường chiếm 10–30%, amylopectin chiếm 30–
70%. Đặc biệt có một số dạng tinh bột ở một vài loại cây chỉ chứa một trong hai thành
phần amylose hoặc amylopectin.
b) Cơ chế của quá trình phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật
Vi sinh vật phân giải tinh bột có khả năng tiết ra môi trường hệ enzyme amylase bao
gồm 4 enzyme:
* α-Amylase có khả năng tác động vào bất kỳ mối liên kết 1,4-glycoside nào trong
phân tử tinh bột. Bởi thế α-amylase còn được gọi là endoamylase. Dưới tác động của
α-amylase phân tử tinh bột được cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi là sự dịch hóa tinh bột.
Sản phẩm của sự dịch hóa thường là các đường 3 carbon gọi là mantotriose.

135
* β-Amylase chỉ có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,4-glycoside ở cuối phân tử tinh
bột bởi thế còn gọi là exoamylase. Sản phẩm của β-amylase thường là đường disaccharide
maltose.
* Amylo-1,6-glycosidase có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,6-glycoside tại những
chỗ phân nhánh của amylopectin.
* Glucoamylase phân giải tinh bột thành glucose và các oligosaccharide. Enzyme
này có khả năng phân cắt cả hai loại liên kết 1,4- và 1,6-glycoside.
Dưới tác động của 4 loại enzyme trên, phân tử tinh bột được phân giải thành đường
glucose.

Hình 5–6. Sơ đồ minh họa quá trình phân giải tinh bột bằng enzyme

c) VSV phân giải tinh bột


Trong đất có nhiều loại VSV có khả năng phân giải tinh bột. Một số VSV có khả
năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzyme trong hệ enzyme amylase. Ví dụ như một
số vi nấm bao gồm một số loài trong các chi Aspergillus, Fusarius, Rhizopus...
Trongnhóm vi khuẩncó một số loài thuộcchi Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas... Xạ
khuẩn cũng có một số chi có khả năng phân hủy tinh bột.
Đa số các VSV không có khả năng tiết đầy đủ hệ enzyme amylase phân hủy tinh
bột. Chúng chỉ có thể tiết ra môi trường một hoặc một vài enzyme trong hệ đó. Ví dụ như
các loài AspergillusCandida, A.niger, A.oryzae, Bacillussubtilis, B. mesentericus,
Clostridium pasteurianum, Clos. butyricum ... chỉ có khả năng tiết ra môi trường một loại
enzyme α-amylase. Các loài Aspergillus oryzae, Clostridium acetobutilicum... chỉ tiết ra
môi trường β-amylase. Một số loài khác chỉ có khả năng tiết ra môi trường enzyme gluco-
amylase. Các nhóm này cộng tác với nhau trong quá trình phân hủy tinh bột thành đường.
Trong sản xuất người ta thường sử dụng các nhóm VSV có khả năng phân hủy tinh
bột. Ví dụ như các loại nấm mốc thường được dùng ở giai đoạn đầu của quá trình làm
rượu, tức là giai đoạn thủy phân tinh bột thành đường. Trong chế biến rác thải hữu cơ
người ta cũng sử dụng những chủng VSV có khả năng phân hủy tinh bột để phân hủy tinh
bột có trong thành phần rác hữu cơ.

136
4.1.4. Sự cố định CO2
Vi sinh vật có thể cố định CO2 hoặc chuyển phân tử vô cơ này thành carbon hữu cơ
và đồng hóa nó theo ba con đường chủ yếu. Hầu như tất cả các VSV tự dưỡng đều cố định
CO2 qua con đường trao đổi chất đặc biệt được gọi là chu trình Calvin–Benson hoặc chu
trình pentosephosphate khử. Mặc dù hoạt động trong các cơ thể quang hợp có nhân thật và
hầu hết cơ thể quang hợp có nhân nguyên thủy nhưng chu trình Calvin lại vắng mặt
ở Archaea (vi khuẩn cổ), một số vi khuẩn kị khí bắt buộc và một số vi khuẩn hiếu khí.
Những vi khuẩn này thường sử dụng một trong hai con đường khác. Một số Archaea
(Thermoproteus, Sulfolobus) và các vi khuẩn Chlorobium và Desulfobacter sử dụng con
đường acid tricarboxylic khử. Ở các vi khuẩn sinh methane, vi khuẩn khử sulfate và các vi
khuẩn sinh acetate (các vi khuẩn tạo thành acetate từ CO2 trong quá trình lên men) lại tồn
tại con đường Acetyl-CoA. Chu trình Calvin gặp trong chất nền (stroma) của lục lạp của
các VSV nhân thật tự dưỡng. Vi khuẩn lam, một số vi khuẩn nitrate hóa và các
Thiobacillus chứa các thể vùi, đa diện gọi là cacboxysom. Cacboxysom chứa enzyme
ribulo-1, 5-bisphosphate carboxylase, có thể là vị trí cố định CO2 hoặc vị trí dự trữ
carboxylase và các protein khác.
Các nhóm VSV tham gia trong quá trình chuyển hóa các hợp chất carbon đã góp phần
khép kín vòng tuần hoàn vật chất, giữ mối cân bằng vật chất trong thiên nhiên. Từ đó giữ
được sự cân bằng sinh thái trong các môi trường tự nhiên. Sự phân bố rộng rãi của các nhóm
VSV chuyển hóa các hợp chất carbon còn góp phần làm sạch môi trường, khi môi trường bị
ô nhiễm các hợp chất hữu cơ chứa carbon. Người ta sử dụng những nhóm VSV này trong
việc xử lý chất thải có chứa các hợp chất carbon hữu cơ như cellulose, tinh bột v.v...

4. 2. Sự chuyển hóa các hơp chất hữu cơ chứa nitơ do vi sinh vật
Tác dụng chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ do vi sinh vật có thể chia làm 4 loại
quá trình chính: ammonium hóa, nitrate hóa, phản nitrate hóa và cố định nitơ phân tử.
4.2.1. Quá trình ammonium hóa
1) Quá trình ammonium hóa urea
Trong quá trình trao đổi protein trong cơ thể người và động vật có hình thành một
lượng lớn urea. Nó được thải ra trong nước tiểu. Trong nước tiểu của người có khoảng 2,
4% urea. Số urea mà tất cả mọi người thải ra trong một ngày là trên 15.000 tấn. Nếu kể cả
động vật thì con số đó gấp trên 10 lần. Ngoài ra để làm phân người ta còn sản xuất urea
theo phương pháp hóa tổng hợp.
Thực vật không sử dụng được urea. Nó phải được chuyển thành muối ammonium thì
mới là thức ăn cho cây.
Vi khuẩn phân giải urea có nhiều loại. Chúng được gọi chung là Urobacterium. Hầu
hết chúng thuộc hai họ Coccaceae và Bacillaceae. Chúng là vi khuẩn hiếu khí, phát triển
tốt trên môi trường có phản ứng kiềm. Chúng có thể sử dụng các loại carbohydrate như
137
đường, tinh bột và các muối của các acid hữu cơ như acetate, citrate... làm nguồn carbon,
còn nguồn nitơ thì chúng có thể sử dụng tốt NH3 hoặc muối ammonium, do thủy phân
urea tạo thành.
Cơ chế phản ứng của quá trình phân giải urea do vi khuẩn rất đơn giản. Có thể xem
đó là sự khử amide tiến hành dưới tác dụng của enzyme urease:
O O
H2N C NH2 + 2H2 O HO C OH + 2NH3 (NH4 )2CO3
Muối ammonium carbonate không bền, dễ bị phân giải theo phương trình sau:
(NH4)2CO3  2NH3 + CO2 + H2O
2) Quá trình ammonium hóa protein (sự thối rữa protein)
Protein là hợp chất hữu cơ phức tạp nhất, có mặt trong tất cả các cơ thể sống. Nó
cũng có nhiều trong xác sinh vật, trong các thức ăn và nhiều hàng hóa công nghiệp khác.
Quá trình thối rữa protein tiến hành thường xuyên trong tự nhiên: không khí, đất, nước,
trong điều kiện hiếu khí cũng như kị khí.
a) Vi sinh vật gây thối rữa
Vi sinh vật gây thối rữa còn gọi là VSV ammonium hóa protein rất phổ biến trong tự
nhiên. Chúng bao gồm nhiều vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm. Trong vi khuẩn có nhiều loài có
tính chất hô hấp khác nhau. Sau đây ta kể những loài chủ yếu:
(1) Vi khuẩn hiếu khí
 Bacillus mycoides
Rất phổ biến trong đất. Nó là loại trực khuẩn không lớn lắm (tế bào 5– 10 x 0, 8– 1,
2m), cho bào tử hình bầu dục (1, 0– 1, 5 0, 8– 1, 0 m) nằm lệch tâm. Khi phân hủy
protit không tạo thành H2S. Trên MT đặc chúng tạo thành những khuẩn lạc đặc biệt giống
như khuẩn ti thể của nấm (vì vậy nó có tên là mycoides, nghĩa là giống nấm).
 Bacillus mesentericus
Khuẩn lạc thường bám chặt vào MT thạch, có khi dính vào MT, mỏng, nhăn nheo.
màu xám nhạttrắng, màu kem hay màu vàngnâu. Chúng là những trực khuẩn có bào tử
hình bầu dục và kéo dài, có tiên mao chung quanh, thường xếp thành chuỗi. Có hình thành
H2S khi phân giải protein.
 Bacillus subtilis: rất phổ biến trong tự nhiên và gây nên sự phân giải protein rất
mạnh. Khuẩn lạc khô, vô màu hay có màu xám nhạt trắng, hơi nhăn hay tạo ra lớp màng
mịn, lan trên bề mặt thạch có mép nhăn, mép lồi lõm nhiều hay ít, bám chặt vào MT thạch.
Chúng là những trực khuẩn ngắn và nhỏ (3 5  0, 6 m), bào tử hình bầu dục. Chúng
phát triển trên xác thực vật, rơm rạ nên còn có tên là trực khuẩn cỏ khô.
 Pseudomonas fluorescens: trực khuẩn không bào tử. Di động nhờ tiên mao ở đầu.
Chúng có thể hình thành sắc tố vàng lục.
 Chromobacterium prodigiosum: trực khuẩn không bào tử, có thể hình thành sắc tố
138
đỏ. Khuẩn lạc của vi khuẩn này trông giống như vết máu.
(2) Vi khuẩn hô hấp tùy tiện
 Proteus vulgaris: trực khuẩn nhỏ Gram âm, không bào tử, chuyển động rất mạnh.
Chúng có khả năng thay đổi hình dạng kích thước khi phát triển trên những môi
trườngthức ăn khác nhau. Khi phân giải protein chúng làm kiềm hóa môi trường và sinh
nhiều H2S, indole...
 Escherichia coli: (còn gọi là trực khuẩn đại tràng) luôn luôn có trong ruột người
và động vật, chúng đi vào đất, nước cùng với phân. Chúng là trực khuẩn ngắn, chuyển
động không bào tử. Chúng không có khả năng phân giải protein mà chỉ phát triển được
trên những sản phẩm thủy phân protein. Trong điều kiện kị khí chúng gây nên sự lên men
lactic đặc biệt.
(3) Vi khuẩn kị khí
Pseudomonas putrificans: rất thường gặp, trực khuẩn nhỏ và dài 5–6 m. Bào tử
tương đối lớn ở một đầu. Không có khả năng lên men carbohydrate. Khi phân giải protein
tạo thành nhiều khí.
Clostridium sporogenes: khác loài trên là lên men được carbohydrate. Khi phân giải
protein tạo thành nhiều H2S.
(4) Các vi sinh vật khác phân giải protein
 Xạ khuẩn: Streptomyces griseus, Str. rimosus, Str. fradiae, Micromonospora...
 Nấm mốc: nhiều loài thuộc chi Penicillium, Aspergillus (Asp. oryzae, Asp. flavus,
Asp. niger...), Mucor (Mucor mucedo), Rhizopus....
b) Cơ chế phản ứng của quá trình phân giải protein.
Quá trình phân giải protein do VSV có thể chia làm 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Quá trình phân giải protein bắt đầu bằng sự thủy phân dưới tác dụng
của những enzyme protease do VSV tiết ra ngoài môi trường (enzyme ngoại bào). Chỉ có
những VSV có loại enzyme này mới có thể tác dụng trực tiếp lên các protein tự nhiên.
Sự thủy phân tiến hành dần dần và tạo thành nhiều sản phẩm trung gian. Các
aminoacid là sản phẩm cuối cùng của sự thủy phân đó. Sơ đồ thủy phân như sau:
Protein  polypeptide  peptide  aminoacid
Còn nucleoprotein, dưới tác dụng của VSV gây thối rữa sẽ bị phân giải thành protein
đơn giản và acid nucleic. Protein đơn giản sẽ bị thủy phân như trên, còn acid nucleic sẽ
phân giải thành H3PO4, đường pentose và một hỗn hợp các base hữu cơ.
Giai đoạn 2: Các amino acid được tạo thành do quá trình thủy phân, sẽ khuếch tán vào tế
bào vi sinh vật và bị deamine hóa để hình thành NH3 và các chất hữu cơ tương ứng.
Quá trình khử amin có thể tiến hành theo nhiều cách khác nhau dưới tác dụng của

139
các enzyme khác nhau:
 Khử amine bằng thủy phân có kèm decarboxyl hóa hoặc không. Hình thành NH3
oxy, acid hoặc rượu:
RCHNH2 + H2O  RCHOHCOOH+NH3
RCHNH2 + H2O  RCH2OH + CO2 + NH3
 Khử amine do oxy hóa: có kèm decarboxyl hóa hoặc không.
RCHNH2+ 1/2O2  RCOCOOH + NH3
RCHNH2 + O2 RCOOH + CO2 + NH3
 Khử amine do khử: thường gặp ở các vi khuẩn kị khí. Có kèm decarboxyl hóa
hoặc không.
RCHNH2 + 2H  RCH2COOH + NH3
RCHNH2 + 2H  RCH3 + CO2 + NH3
 Khử amine do mất NH3 trực tiếp:
R CH CH COOH R CH CH COOH + NH 3
H NH 2
Xem các phản ứng trên ta thấy ngoài NH3 còn hình thành nhiều phân tử acid hoặc
rượu khác nhau tùy theo gốc R của amino acid. Các acid được tạo thành là acid formic,
acetic, propionic, butyric và isoamylic...(chính hỗn hợp các rượu này là dầu khét trong sản
xuất rượu ethylic).
Cùng với các amino acid trong protein còn có các diamino acid. Khi phân giải trước
hết các diamino acid sẽ bị decarboxyl hóa để tạo thành các diamine. Ví dụ:
NH2(CH2)4CHNH2COOH  NH2(CH2)5NH2 + CO2
Lysine Cadaverine

Cadaverine cũng như nhiều base hữu cơ tương tự khác tạo thành khi thối rữa protein
đều có tính độc mạnh, thường được gọi chung là các chất độc xác chết.
 Khi phân hủy các amino acid có lưu huỳnh thì H2S sẽ được hình thành. Ví dụ:
HSCH2CHNH2COOH + 2H  H2S + CH3CHNH2COOH
Cysteine Alanine

Nhiều trường hợp có tạo thành dẫn xuất của H2S là các mercaptan RSH (thường là
metyl mercaptan CH3SH), có mùi tanh thối ghê tởm ngay cả khi chỉ có một lượng nhỏ.
Trong các sản phẩm thủy phân protein luôn luôn có các amino acid thơm (có vòng
benzene). Sự phân giải những amino acid thơm này sẽ cho những sản phẩm rất đặc trưng
cho quá trình thối rữa protein. Ví dụ từ phenylalanine ta được acid benzoic, tyrosine được
phenol; từ tryptophan có thể thành indole và scatol.
Indole và scatol là những sản phẩm thường gặp khi phân giải protein, nó làm cho

140
protein thối rữa có mùi hôi thối rất khó chịu (trong phân). Còn acid indoleacetic lại là một
chất sinh trưởng.
Giai đoạn 3: Các hợp chất hữu cơ được tạo thành do sự phân giải sơ bộ amino acid
như trên sẽ được tiếp tục chuyển hóa. Sự chuyển hóa này tùy theo loài VSV và điều kiện
môi trường mà rất khác nhau.
Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất đó được oxy hóa và có thể được vô cơ hóa
hoàn toàn. Trong trường hợp này sản phẩm cuối cùng của sự phân giải sẽ là các cấu tử cơ
bản của protein: NH3, CO2, H2O, H2S, H3PO4.
Trong điều kiện kị khí các sản phẩm phân giải amino acid không được oxy hóa hoàn
toàn. Trong môi trường sẽ tích tụ nhiều acid hữu cơ, rượu, amine trong đó có nhiều chất
độc và mùi hôi thối.

Hình 5–7. Chu trình sinh hóa địa nitơ

4.2.2. Quá trình nitrate hóa


Các muối ammonium được tạo thành trong quá trình ammonium hóa protein, urea,
chitin... có thể được cây trực tiếp hấp thụ, hoặc sẽ được chuyển thành các muối nitrate.
Quá trình ammonium hóa muối ammonium thành nitrate gọi là quá trình nitrate hóa.
Nitrate hóa được thực hiện do nhiều loại vi khuẩn dinh dưỡng vô cơ đặc biệt gọi chung là
vi khuẩn nitrate hóa.
1) Vi khuẩn nitrate hóa
Người đầu tiên nghiên cứu vi khuẩn nitrate hóa và hoạt động sinh lý của chúng là
nhà khoa học Nga Vinogradsky. Ông chứng minh vi khuẩn nitrate hóa cũng như vi khuẩn
lưu huỳnh và vi khuẩn sắt là những loài VSV dinh dưỡng vô cơ bằng tổng hợp hóa học.

141
Ông cũng khẳng định quá trình nitrate hóa gồm hai giai đoạn: oxy hóa muối ammonium
thành nitrite và oxy hóa nitrite thành nitrate. Hai giai đoạn này được thực hiện do hai loại
vi khuẩn khác nhau:
a) Vi khuẩn nitrous oxide (N2O)
Oxy hóa muối ammonium thành nitrite có hai chi vi khuẩn chính là Nitrosomonas và
Nitrosospira. Nitrosomonas có hình cầu hoặc hình bầu dục ngắn, Gram âm, không sinh
bào tử. Di động được bằng một tiên mao dài. Nitrosospira là loại biến đổi nhiều hình thái,
nhưng dạng điển hình là trực khuẩn gần giống dấu phẩy.
b) Vi khuẩn oxy hóa nitrite thành nitrate
Gồm một chi là Nitrobacter. Chúng là trực khuẩn nhỏ không có bào tử, Gram âm.
Vi khuẩn nitrate hóa có thể sử dụng được CO2 làm nguồn C. Chúng không cần hợp chất
hữu cơ có sẵn. Không những thế hợp chất hữu cơ còn làm ức chế sự phát triển của chúng.
Trong phòng thí nghiệm muốn nuôi cấy vi khuẩn nitrate phải dùng môi trường chỉ chứa
những chất vô cơ (để có môi trường đặc có thể dùng gel–silice thay cho thạch).
pH của môi trường cũng có ảnh hưởng đến vi khuẩn và quá trình nitrate hóa. pH
thích hợp nhất là 8, 5 đối với giai đoạn thứ nhất và 8, 39, 3 đối với giai đoạn thứ hai. Khi
pH = 6 quá trình nitrate hóa không tiến hành, do đó trong đất chua sẽ không xảy ra quá
trình này. Nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn nitrate hóa là 30370C.
2) Cơ chế phản ứng của quá trình nitrate hóa.
Quá trình oxy hóa muối ammonium đến nitrate thực hiện qua hai giai đoạn:
 Giai đoạn oxy hóa muối ammonium thành nitrite, có thể biểu thị bằng phương
trình tóm tắt như sau:
2NH3 + 3O2  2HNO2 + 2H2O + 158 kcal
Thực ra quá trình có qua nhiều chặng trung gian, NH3 mất H và nhận thêm oxi dần dần.
NH3  NH2OH  HNO  HN(OH)2  HNO2
 Giai đoạn oxy hóa nitrite thành nitrate:
2HNO2 + O2  2HNO3 + 48kcal
Trong quá trình trung gian có tạo thành hydrate của acid nitrite:
OH O
HO N O HO N HO N
OH O
Trong cả hai giai đoạn của quá trình nitrate hóa đều có giải phóng nhiều năng lượng.
Vi khuẩn nitrate hóa đã sử dụng năng lượng này để tiến hành phản ứng khử CO2 thành
hợp chất hữu cơ song song với các phản ứng oxy hóa NH3 và HNO2. Quá trình khử có thể
viết như sau:
CO2 + 4H + xkcal  HCHO + H2O

142
3) Ý nghĩa của quá trình nitrate hóa
Quá trình nitrate hóa quan trọng trong nông nghiệp và trong môi trường vì nó biến
muối ammonium thành nitrate là nguồn thức ăn N tốt nhất cho cây. Do khả năng dinh
dưỡng vô cơ nên vi khuẩn nitrate hóa sống được ở những chỗ tưởng như không thể có sự
sống như đá granit, đá tảng ở núi. Nó tham gia vào việc xâm thực đá núi do tác dụng ăn
mòn của acid nitric được tạo thành. Chúng phát triển và làm phá hủy một phần tường gạch
và kiến trúc bê tông cũng như các phế thải cứng.
4.2.3. Quá trình phản nitrate hóa
Phản nitrate hóa theo nghĩa rộng là bao gồm tất cả những quá trình khử nitrate để tạo
thành những hợp chất N có hóa trị nhỏ hơn (như HNO2, N2, NH3...). Theo nghĩa hẹp phản
nitrate chỉ bao gồm quá trình khử nitrate đến sản phẩm cuối cùng là N2. Quá trình phản
nitrate hóa trong tự nhiên có hai loại: trực tiếp và gián tiếp.
1) Phản nitrate hóa trực tiếp
Xảy ra dưới tác dụng trực tiếp của vi sinh vật. Có thể có 3 trường hợp:
Khử acid nitric thành acid nitrite: nhiều vi khuẩn và nấm hoại sinh có thể khử acid
nitric nhưng chỉ đến acid nitrite:
HNO3 + 2H  HNO2 + H2O
 Một số vi khuẩn có thể tiến hành quá trình khử nitrate đến tận NH3:
HNO3 + 8H  NH3 + 3H2O
 Nhiều loại vi sinh vật khác có khả năng khử HNO3 thành N2. Hai loài vi khuẩn hoạt
động nhất trong số này là Bact. denitrificans và Pseudomonas fluorescens. Chúng là những
trực khuẩn chuyển động mạnh, không có bào tử, dinh dưỡng hữu cơ và hô hấp tùy tiện.
Những quá trình khử nitrate đều có ý nghĩa năng lượng. Vi khuẩn phản nitrate hóa
đều là VSV hô hấp tùy tiện. Trong điều kiện thóang khí chúng dùng O2 để làm chất nhận
H cuối cùng. Trong điều kiện kị khí chúng sẽ sử dụng nitrate làm nhiệm vụ này. Ví dụ quá
trình hô hấp kị khí của chúng kết hợp với sự khử nitrate thành N2như sau:
C6H12O6 + 6H2O  6CO2 + 24H
24H + 4NO312H2O + 2N2

C6H12O6 + 4NO3 6CO2 + 6H2O + 2N2 + Qc
Quá trình phản nitrate hóa làm tổn thất đáng kể lượng thức ăn N trong đất, làm thiệt
hại cho sản xuất nông nghiệp. Trong đất xốp thóang khí hoặc hơi chua quá trình phản
nitrate hóa không đáng kể. Nhưng trong những ruộng kị khí và khi ủ phân kín thì quá trình
này xảy ra mạnh, pH thích hợp của quá trình này là trung tính hoặc kiềm yếu 7 8, 2.
2) Phản nitrate gián tiếp
Cũng làm tổn thất lượng thức ăn N trong đất vì các hợp chất của N bị chuyển thành

143
N2. Giai đoạn cuối của quá trình này là những phản ứng hóa học thuần túy xảy ra giữa
acid nitrous và các hợp chất amino acid và amide:
RCHNH2COOH + O = NOH  RCHOHCOOH + N2 + H2O
RCONH2 + O = NOH  RCOOH + N2 + H2O
Trong quá trình này, vi sinh vật chỉ có tác dụng gián tiếp làm hình thành acid nitrous
(phần lớn là do khử nitrate, các amino acid và amide).
Đối với nông nghiệp, quá trình phản nitrate hóa gián tiếp không có tầm quan trọng
lớn lắm, vì tác dụng này phải tiến hành trong môi trường acid mà hầu hết đất trồng trọt có
phản ứng kiềm.
4.2.4. Quá trình cố định nitơ phân tử
Trong không khí có rất nhiều N phân tử, nhưng tuyệt đại đa số sinh vật không sử
dụng được nguồn N này. Chỉ có một số VSV là có thể hấp thụ được N2. Qua hoạt động
sống của chúng N2 sẽ được chuyển thành N hợp chất (protein và các sản phẩm thủy phân
protein). Hoạt động này được gọi là sự cố định nitơ phân tử.
Quá trình cố định N2 có tác dụng rất lớn đến đời sống các sinh vật trên trái đất. Trên
cơ bản trong nham thạch không chứa hợp chất nitơ. Cho nên nguồn nitơ trong đất hầu như
hoàn toàn do tác dụng cố định N2 của VSV mà hình thành. Hàng năm cây trồng lại lấy đi
một lượng N đáng kể. Hợp chất N được hình thành trong quá trình cố định này lại chính là
nguồn nitơ chủ yếu bổ sung cho đất.
Các loại VSV cố định N không nhiều lắm, có thể chia làm hai loại lớn như sau:
1) Vi sinh vật cố định N sống tự do (không cộng sinh): bao gồm một số vi khuẩn,
nấm và tảo. Trong số này quan trọng nhất là các loài thuộc chi Azotobacter và loài
Clostridium pasteurianum.
a)Azotobacter: đây là vi khuẩn cố định N sống tự do, hiếu khí, không có bào tử.
Chúng đã được phân lập và nuôi cấy thuần khiết từ năm 1901 bởi nhà VSV Hà Lan
Beijerinck. Đại diện điển hình của chi này là Azotobacterchroococcum.
Do điều kiện nuôi cấy và lứa tuổi khác nhau mà Azotobacter có hình thái thay đổi.
Lúc còn non Azotobacter là những trực khuẩn mập, khi già thì trở thành tế bào hình cầu có
giáp mạc xung quanh. Chỉ khi còn non chúng mới di động được nhờ tiên mao, khi tế bào
lớn lên khả năng di động mất dần. Chúng không có bào tử.
Azotobacter có thể sử dụng nhiều loại hợp chất hữu cơ làm nguồn thức ăn C. Chúng
cũng cần nhiều nguyên tố khoáng, đặc biệt là 2 nguyên tố vi lượng bor (B) và molybden
(Mo)(molybden cần cho tác dụng cố định N).
Khi sống trong điều kiện không có N hợp chất, Azotobacter sẽ dùng N2 của không khí
để biến thành hợp chất N của cơ thể sống. Khi sống trong môi trường đủ thức ăn N hữu cơ
hoặc vô cơ thì tác dụng cố định N2 sẽ rất thấp hoặc không có. Azotobacter thích hợp với

144
điều kiện hiếu khí vừa phải và pH trung tính hoặc hơi kiềm. Trong điều kiện thích hợp cứ
mỗi khi tiêu thụ 1gam carbohydrate Azotobacter có thể cố định được 1015mg N2.
Vì Azotobacter có khả năng cố định N2 mạnh mẽ như vậy nên từ cuối thế kỷ XVIII
đã có nhiều nước nghiên cứu sử dụng chúng làm phân vi khuẩn (gọi là phân
azotobacterin). Việc sử dụng azotobacterin cũng đang phát triển mạnh ở nhiều nước và thu
được kết quả. Tuy nhiên sử dụng azotobacterin không phải là vấn đề tiếp giống đơn giản,
mà còn phải tạo điều kiện để chúng phát triển mạnh cố định được nhiều N2, nghĩa là sử
dụng kỹ thuật liên hoàn.
Để chế tạo azotobacterin trước hết ta nuôi thật nhiều Azotobacter trên môi trườngđặc
hoặc lỏng có bơm không khí. Sau đó đem trộn chúng với than bùn hoặc các chất nuôi
dưỡng khác để chế thành bột azotobacterin.
b) Clostridium pasteurianum và một số VSV cố định nitơ khác
Clos. pasteurianum là trực khuẩn kị khí bắt buộc, có bào tử, bào tử nằm ở giữa làm
tế bào phình lên như hình thoi.
Clos. pasteurianum là một loại vi khuẩn butyric, chúng có thể sử dụng các
carbohydrate thông thường và làm lên men sinh ra acid butyric, acetic, CO2 và H2. Chúng
có thể sử dụng hợp chất N vô cơ và hữu cơ làm nguồn thức ăn N, khi những hợp chất này
đầy đủ thì tác dụng cố định N2 của chúng hạ thấp hoặc hoàn toàn không có.
Tác dụng cố định N2 của Clos. pasteurianum thấp hơn Azotobacter. Cứ mỗi khi tiêu
thụ 1g carbohydrate thì chúng cố định được 23 mg N2. Tuy nhiên Clos. pasteurianum rất
nhiều và phân bố rộng rãi hơn Azotobacter nên nguồn N2mà chúng cố định cho đất là rất
quan trọng. Chúng lại phát triển được ở ruộng ngập nước, yêu cầu pH không gắt gao nên
thích hợp cho các loại ruộng của ta.
Ngoàihai loài trên, trong các VSV cố định N2 còn có một số vi khuẩn thuộc chi
Clostridium, Bacillus và Azotomonas; nấm thuộc các chi Phoma, Macroporum,
Cladosporum và một số loài tảo. Tuy nhiên, vì những loài này phân bố không nhiều và
hiệu lực cố định N2 cũng thấp nên tác dụng thực tế không lớn lắm.
2)Vi khuẩn cố định N cộng sinh
Phần lớn các cây thuộc họ đậu không cần thức ăn hợp chất, chúng có thể sử dụng
được N không khí. Nhưng khả năng này không phải bản thân cây họ đậu có mà do những
vi khuẩn nốt sần cộng sinh với cây họ đậu mang lại.
a) Vi khuẩn nốt sần
Người đầu tiên chứng minh rằng các cây họ đậu có thể sinh trưởng trong đất không
chứa nitơ là H.Hellrigel và H. Wilfarth (1886).
Năm 1886 M.W.Beijerinck đã phân lập được vi khuẩn từ nốt sần một số cây đậu.
Chi Rhizobium (Franck, 1889) là loại vi khuẩn đơn bào ở đất, rất dễ nhầm với
Pseudomonas, trực khuẩn tự do có kích thước 0, 5  1, 2 m chuyển động nhờ nhung mao

145
và roi ở cực, hiếu khí. Khi hình thành nốt sần thì trực khuẩn biến dạng (có hiện tượng đa
hình thái), nó thay đổi hình dạng tùy theo lứa tuổi và điều kiện sống. Khi còn non chúng là
trực khuẩn nhỏ bé, không có bào tử, di động nhờ tiên mao. Trong quá trình phát triển,
chúng sẽ chuyển thành những vi khuẩn hình cầu và những dạng phân nhánh hình chữ Y,
chữ V gọi là giả khuẩn thể (Bacteroides). Khi sống riêng lẻ trong đất hoặc trong môi
trường nuôi cấy chúng không có khả năng cố định N2.
Rhizobium có nhiều loài và có tính chất chuyên tính, nghĩa là mỗi loài chỉ có thể
xâm nhập và tạo thành nốt sần trong một số cây họ đậu nhất định. Khi gặp cây họ đậu
thích hợp sẽ xâm nhập vào tế bào rễ, kích thích rễ tạo thành những nốt rễ. Nốt sần thường
thường bằng hạt gạo, nốt sần to bằng hạt đậu nhỏ, trong nốt sần chứa đầy vi
khuẩnRhizobium. Sau khi hình thành nốt sần giữa vi khuẩn Rhizobium và cây họ đậu làm
thành một thể cộng sinh có lợi cho cả hai bên.
Ngoài các cây họ đậu, một số rễ cây khác cũng có thể cộng sinh với vi khuẩncố định
N2. Gần đây người ta còn thấy nốt sần ở lá một vài loài cây nhiệt đới. Trong nốt sần đó
cũng chứa vi khuẩn cố định N2 gần giống ở rễ.

Hình 5–8. Sự hình thành nốt sần ở rễ cây họ đậu


b) Phức enzyme nitrogenase cố định nitơ
Sự cố định nitơ tạo ra ammonia (NH3) từ nitơ phân tử nhờ phức hệ enzyme
nitrogenase xúc tác. Phản ứng tổng quát là:

146
N2 + 8e– + 8 H+ + 16 ATP  2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
Phức enzyme nitrogenase có thể được tách thành hai phần – protein Fe và protein
MoFe – cả hai không phần nào tự nó có hoạt tính xúc tác (Hình 5–9).
– Protein Fe là thành phần nhỏ hơn và có hai tiểu đơn vị giống nhau từ 30 đến 72
kDa/tiểu đơn vị tùy thuộc vào cơ thể. Mỗi tiểu đơn vị chứa một cụm/nhóm (clusster) sắt–
lưu huỳnh (4 Fe và 4 S2–) tham gia các phản ứng oxy hóa khử trong quá trình biến đổi N2
thành NH3. Protein Fe bị bất hoạt không thuận nghịch bởi O2 với thời gian bán phân hủy
điển hình là 30 đến 45 giây.
– Protein MoFe có bốn tiểu đơn vị, tổng KLPT từ 180 đến 235 kDa tùy thuộc vào
loài. Mỗi tiểu đơn vị có hai nhóm Mo–Fe–S. Protein MoFe cũng bị bất hoạt bởi oxy, với
thời gian bán phân hủy trong không khí 10 phút.

Hình 5–9. Phản ứng do nitrogenase xúc tác. Ferredoxin khử protein Fe. Sự gắn và
thủy phân ATP với protein Fe được cho là làm thay đổi hình dạng của protein Fe tạo
điều kiện cho phản ứng oxy hóa khử. Protein Fe khử protein MoFe, và protein MoFe
khử N2 (Taiz, 2002).

Trong phản ứng khử nitơ tổng quát (xem hình 5–9), ferredoxin đóng vai trò chất cho
điện tử đối với protein Fe, đến lượt nó thủy phân ATP và khử protein MoFe. Sau đó
protein MoFe có thể khử nhiều chất mặc dù trong điều kiện tự nhiên nó chỉ phản ứng với
N2 và H+. Một trong các phản ứng do nitrogenase xúc tác là khử acetylene thành ethylene
được sử dụng để đánh giá hoạt tính của nitrogenase.
c) Phân bón nốt sần (nitragin)
Vi khuẩn nốt sần có ý nghĩa hết sức to lớn trong nông nghiệp. Cường độ cố định N2
cộng sinh lớn hơn nhiều so với cường độ cố định N2 không cộng sinh. Sau khi trồng các

147
cây họ đậu đất giàu thêm N rất nhiều. Chính vì vậy, từ đầu thế kỷ XX người ta nghiên cứu
sử dụng phân bón với mục đích là để tiếp giống nhân tạo, làm cho đất không chứa vi
khuẩn nốt sần thích ứng sẽ có vi khuẩn thích ứng, làm cho cây họ đậu không sinh nốt sần
sẽ có thể sinh nốt sần và những cây có thể sinh nốt sần thì càng sinh nhiều hơn, cố định N2
càng mạnh mẽ hơn.
Cách sử dụng phân bón ntraginlà đem trộn phân với hạt giống, rồi để khô, sau đó
đem gieo. Cũng có thể dùng nốt sần tốt, nghiền nát để trộn với hạt giống. Khi sử dụng có
thể tăng sản lượng cây họ đậu lên 1520%.

4.3. Sự chuyển hóa các hợp chất chứa phosphor của vi sinh vật
4.3.1. Vòng tuần hoàn phosphor trong tự nhiên
Trong tự nhiên, P nằm trong nhiều dạng hợp chất khác nhau. P hữu cơ có trong cơ
thể động vật và thực vật, được tích luỹ trong đất khi động vật và thực vật chết đi. Những
hợp chất phosphor hữu cơ này được VSV phân giải tạo thành các hợp chất phosphor vô cơ
khó tan, một số ít được tạo thành dạng dễ tan. Các hợp chất phosphor vô cơ khí tan còn có
nguồn gốc từ những quặng thiên nhiên như apatit, phosphorit, phosphor sắt, phosphate
nhôm ... Những hợp chất này rất khó hoà tan và cây trồng không thể hấp thụ trực tiếp

C©y xanh §éng vËt


3
Ion PO 4 trong dung dÞch ®Êt

Ion PO 43 bÞ hÊp phô

Qu¸ tr×nh kho¸ng Hßa tan Qu¸ tr×nh cè ®Þnh

Phosphor v« c¬

Cè ®Þnh t¹m thêi

ChÊt h÷u c¬ tu¬i & tÕ bµo sinh vËt


ChÊt h÷u c¬ mïn hãa

Hình 5–10. Vòng tuần hoàn phosphor trong tự nhiên

được. Cây trồng chỉ có thể hấp thu được khi chúng được chuyển hóa thành dạng dễ tan.
Quá trình này được thực hiện một phần quan trọng là nhờ nhóm VSV phân hủy lân vô cơ.
Các muối của acid phosphoric dạng dễ tan được cây trồng hấp phụ và chuyển thành các
hợp chất phosphor hữu cơ trong cơ thể thực vật. Động vật và người sử dụng các sản phẩm

148
thực vật làm thức ăn lại biến phosphor hữu cơ của thực vật thành P hữu cơ của động vật và
người. Người, động vật và thực vật chết đi để lại P hữu cơ trong đất. Vòng tuần hoàn của
các dạng hợp chất phosphor trong tự nhiên cứ thế diễn ra. VSV đóng một vai trò quan
trọng trong vòng tuần hoàn đó. Nếu như thiếu sự hoạt động của một nhóm VSV nào đó thì
sự chuyển hóa của vòng tuần hoàn sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Vòng tuần hoàn của các
dạng phosphor trong tự nhiên được biểu diễn trong sơ đồ hình 5–10.
4.3.2. Sự phân giải lân hữu cơ do vi sinh vật
1) Các dạng lân hữu cơ thường gặp trong đất
Trong đất các dạng lân hữu cơ thường gặp là: Phytin, acidnucleic, nucleoprotein,
phosphorlipid.
a) Phytin và các chất họ hàng
Phytin là muối Ca vàMg của acid phytic. Trong đất những chấtcó họ hàng với
phytin là inositol, inositolmonophosphate, inositoltriphosphate. Tất cả đều có nguồn
gốc thực vật. Phytin và những chất có cùng họ hàng chiếm trung bình từ 40–80%
phosphor hữu cơ trong đất.
b) Acid nucleic và nucleoprotein
Những acid nucleic và nucleoprotein trong đất đều có nguồn gốc thực vật hoặc
thực vật và nhất là vi sinh vật. Hàm lượng của chúng trong đất khoảng < 10%.
c) Phospholipid: Sự kết hợp giữa lipid và phosphate không nhiều trong đất.
2) Vi sinh vật
Chi Bacillus: B. megaterium, B. subtilis, B. malaberensis.
B. megaterium không những có khả năng phân giải hợp chất lân vô cơ mà còn có
khả năng phân giải hợp chất lân hữu cơ. Người ta còn dùng B. megaterium làm phân vi
sinh vật.
Ngoài ra còn các chi Serratia, Proteus, Arthrobscter... Nấm: Aspergillus,
Penicillium, Rhizopus, Cunnighamella... Xạ khuẩn: Streptomyces.

Nucleoprotein

Acid nucleic Protein

Amino acid

4C5 H10 O5 C6H5O5 C5H5 O5 O C5 H5 O5 O2 C4 H5 O5 O 4H3PO 4

NH 3 CO2 H 2O H 2S ChÊt kh¸c

Hình 5–11. Cơ chế phân giải nucleoprotein

149
3) Cơ chế phân giải
Nucleprotein nuclein acid nucleic nucleotid H3PO4
Nhiều vi sinh vật đất có men dephosphorylase phân giải phytin theo phản ứng
(hình 5–11).
4.3.3. Sự phân giải lân vô cơ do vi sinh vật
Các hợp chất lân vô cơ được hình thành do quá trình phân giải lân hữu cơ (còn gọi
là quá trình khoánghóa lân hữu cơ) phần lớn là các muối phosphate khó tan. Cây trồng
không thể hấp thu được những dạng khó tan này. Các hợp chất lân khó tan còn nằm trong
các chất khoáng thiên nhiên như các mỏ Apatit, phosphoric ... Nếu không có quá trình
phân giải các hợp chất phosphor khó tan biến thành dạng dễ tan thì hàm lượng phosphor
tổng số trong đất dẫu có nhiều cũng trở thành vô dụng.
Về cơ chế của quá trình phân giải phosphor vô cơ do VSV cho đến nay vẫn còn
nhiều tranh cãi. Nhưng đại đa số các nhà nghiên cứu đều cho rằng: sự sản sinh acid trong
qúa trình sống của một số nhóm VSV đã làm cho nó có khả năng chuyển các hợp chất
phosphor từ dạng khó tan sang dạng có thể hoà tan. Đa số các VSV có khả năng phân giải
lân vô cơ đều sinh CO2 trong quá trình sống, CO2 sẽ phản ứng với H2O có trong môi
trường tạo thành H2CO3. H2CO3sẽ phản ứng với phosphate khó tan tạo thành phosphate
dễ tan theo phương trình sau:
Ca(PO4)2 + 4H2CO3 + H2O → Ca(H2PO4)2 + H2O + 2 Ca(HCO3)2
Dạng khó tan Dạng dễ tan Dạng dễ tan

Các vi khuẩn nitrat hóa sống trong đất cũng có khả năng phân giải lân vô cơ do nó
có khả năng chuyển NH3 thành NO2‾rồi NO3‾. NO3‾ sẽ phản ứng với phosphate khó tan
tạo thành dạng dễ tan:
Ca3(PO4)2 + 4 HNO3 → Ca(H2PO4)2 + 2 Ca(NO3)2
Các vi khuẩn sulfate hóa cũng có khả năng phân giải phosphate khó tan do sự tạo
thành H2SO4 trong quá trình sống.
Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4 → Ca(H2PO4)2 + 2 CaSO4
Ngoài ra các nhóm VSV có khả năng tạo thành các acid hữu cơ trong quá trình
sống cũng có thể làm cho dạng phosphate khó tan chuyển thành dạng dễ tan.
Tuyệt đại đa số các VSV phân hủy lân vô cơ trong quá trình sống đều làm giảm pH
của môi trường. Tuy nhiên, gần đây có một vài tác giả đã công bố tìm ra một vài chủng vi
khuẩn phân giải lân mà trong quá trình nuôi cấy không làm giảm pH môi trường.
Rất nhiều VSV có khả năng phân giải lân vô cơ, trong đó nhóm vi khuẩn được
nghiêncứu nhiều hơn cả. Các loài có khả năng phân giải mạnh là Bacillus megatherium,
B.butyricus, B.mycoides, Pseudomonasradiobacter, P.gracilis... Trong nhóm vi nấm thì
Aspergillus niger có khả năng phân giải mạnh nhất. Ngoài ra một số xạ khuẩn cũng có
khả năng phân giải lân vô cơ.

150
4.4. Khả năng chuyển hóa các hợp chất chứa lưu huỳnh của vi sinh vật
4.4.1. Vòng tuần hoàn lưu huỳnh trong tự nhiên
Cũng như phosphor, lưu huỳnh là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng
của cây trồng. Trong đất nó thường ở dạng các hợp chất muối vô cơ như CaSO4,
Na2SO4, FeS2, Na2S... một số ở dạng hữu cơ. Trong cơ thể sinh vật, S nằm trong thành
phần của các amino acid chứa lưu huỳnh như methionine, cysteine và trong nhiều loại
enzyme quan trọng. Thực vật hút các hợp chất S vô cơ trong đất chủ yếu dưới dạng
SO42‒và chuyển sang dạng S hữu cơ của tế bào. Động vật và người sử dụng thực vật làm
thức ăn và cũng biến S của thực vật thành S của động vật và người. Khi động thực vật
chết đi để lại một lượng lưu huỳnh hữu cơ trong đất. Nhờ sự phân giải của VSV, S hữu
cơ sẽ được chuyển hóa thành H2S. H2S và các hợp chất vô cơ khác có trong đất sẽ được
oxy hóa bởi các nhóm vi khuẩn tự dưỡng thành S và SO42‾, một phần được tạo thành S
hữu cơ của tế bào sinh vật. SO42‾ lại được thực vật hấp thụ, cứ thế vòng chuyển hóa các
hợp chất lưu huỳnh diễn ra liên tục. Trong đó các nhóm VSV đóng một vai trò quan
trọng không thể thiếu được.
4.4.2. Sự oxy hóa các hợp chất lưu huỳnh
1) Sự oxy hóa các hợp chất lưu huỳnh do vi khuẩn tự dưỡng hóa năng
Trong nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng có một số loài có khả năng oxy hóa các
hợp chất lưu huỳnh vô cơ như Thiosulfate, khí sulfur hydro và lưu huỳnh nguyên chất
thành dạng SO42‾ theo các phương trình sau:
2H2S + O22 H2O + 2S + Q
2S + 3O2 + 2H2O2H2SO4 + Q
5Na2S2O3 + H2O + 4O25Na2SO4 + 2S2 + H2SO4 + Q
H2SO4 sinh ra làm pH đất hạ xuống (diệt trừ được bệnh thối do Streptomyces gây ra
và bệnh ghẻ khoai tây do pH thấp vi khuẩn không sống được).
Năng lượng sinh ra trong quá trình oxy hóa trên được VSV sử dụng để đồng hóa
CO2 tạo thành đường. Đồng thời một số ít hợp chất dạng S cũng được đồng hóa tạo thành
S hữu cơ của tế bào vi khuẩn. Các loài vi khuẩn có khả năng oxy hóa các hợp chất lưu
huỳnh theo phương thức trên là Thiobacillus thioparus và Thiobacillus thioxidans. Cả 2
loài này đều sống được ở pH thấp, thường là pH = 3, đôi khi ở pH = 1 – 1, 5 hai loài này
vẫn có thể phát triển. Nhờ đặc điểm này mà người ta dùng 2 loài vi khuẩn trên để làm
tăng độ hoà tan của apatit.
Ngoài 2 loài vi khuẩn trên còn có 2 loài vi khuẩn khác có khả năng oxy hóa các hợp
chất S vô cơ, đó là Thiobacillus denitrificans và Begiatra minima. Thiobacillus
denitrificans có khả năng vừa khử nitrat vừa oxy hóa S theo các phương trình sau:
5S + 6KNO3 + 2CaCO3 → 3K2SO4 + 2CaSO4 + 2CO2 + 2N2 + Q
Vi khuẩn Begiatra minima có thể oxy hóa H2S hoặc S. Trong điều kiện có nhiều
H2S nó sẽ oxy hóa H2S tạo thành S tích lũy trong tế bào. Trong điều kiện thiếu H2S các hạt
S sẽ được oxy hóa đến khi S dự trữ hết thì vi khuẩn chết hoặc ở trạng thái tiềm sinh.

151
2) Sự oxy hóa các hợp chất S do vi khuẩn tự dưỡng quang năng
Một số nhóm vi khuẩn tự dưỡng quang năng có khả năng oxy hóa H2S tạo thành
SO42‾. H2S đóng vai trò chất cho điện tử trong quá trình quang hợp của vi khuẩn. Các vi
khuẩn Thiodaceae chlorobacteriae thường oxy hóa H2S tạo C6H12O6, H2SO4 và S.
Ở nhóm vi khuẩn trên, S được hình thành không tích luỹ trong cơ thể mà ở ngoài
môi trường.
4.4.3. Sự khử các hợp chất lưu huỳnh vô cơ do vi sinh vật
Ngoài quá trình oxy hóa, trong đất còn có quá trình khử các hợp chất S vô cơ thành
H2S. Quá trình này còn gọi là quá trình phản sulfate hóa. Quá trình này được tiến hành ở
điều kiện kị khí, ở những tầng nước sâu. Nhóm VSV tiến hành quá trình này gọi là nhóm
vi khuẩn phản sulfate hóa:
C6H12O6 + 3H2SO4 → 6CO2 + 6H2O + 3H2S + Q
Ở đây chất hữu cơ đóng vai trò cung cấp hydro trong quá trình khử SO4 có thể là
đường hoặc các acid hữu cơ hoặc các hợp chất hữu cơ khác. H2SO4 sẽ bị khử dần tới H2S
theo sơ đồ (Hình 5–12)
Quá trình phản sulfate hóa dẫn đến việc tích luỹ H2S trong môi trường làm ô nhiễm
môi trường, ảnh hưởng đến đời sống của thực vật và động vật trong môi trường đó. Lúa
mọc trong điều kiện kị khí có quá trình phản sulfate hóa mạnh sẽ bị đen rễ và ảnh hưởng
xấu đến sinh trưởng và phát triển.

Hình 5–12. Vòng tuần hoàn lưu huỳnh trong tự nhiên

5. VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG ĐẤT


Trong môi trường đất các VSV thường tổng hợp các chất cần thiết cho sự phát triển
của cây trồng và tăng thêm nguồn dinh dưỡng cho đất. Ví dụ các vi khuẩn trong đất như
Azotobacter, Rhizobium, vi khuẩn lam Cyanobacteria, xạ khuẩn Frankia… tổng hợp chất
đạm hữu cơ từ nitơ của khí quyển, góp phần cung cấp chất dinh dưỡng N hữu cơ cho cây
và hợp chất N hữu cơ, vô cơ cho đất.

152
Tăng cường sự phân giải các hợp chất hữu cơ trong đất, góp phần hình thành chất
mùn trong đất để tăng độ phì nhiêu cho đất.
Tăng cường sự chuyển hóa các hợp chất vô cơ trong đất. Ví dụ vi khuẩn nitrate hóa
Nitrosomonas, hay vi khuẩn nitrite hóa Nitrobacter tạo thành các muối nitrite và nitrate.
Các vi khuẩn tự khác trong môi trường đất tham gia vào chuyển hóa các chất P, S và các
chất khoáng khác.
Tác dụng chuyển hóa trên có lợi cho sự hấp thụ chất dinh dưỡng khoáng của cây,
đồng thời cũng tạo nên những biến đổi về mặt lý hóa của đất như độ pH, độ thóang khí…
Trong đất có nhiều lọai VSV gây bệnh như: vi khuẩn uốn ván (Clostridium tetani),
vi khuẩn gây bệnh than (Bacillus anthracis)… Đất dễ bị nhiễm các VSV gây bệnh từ chất
thải của người và động vật. Khi VSV gây bệnh vào đất chúng phát tán nhờ nước, nhờ
gió… Do đó, đất là môi trường truyền bệnh rất nguy hiểm nếu như không có biện pháp xử
lý ngăn ngừa thích hợp.

TÓM TẮT CHƯƠNG


Đất là môi trường sống tự nhiên của vi sinh vật, các loài động vật và hỗ trợ sự sinh
trưởng của thực vật. Đất được cấu thành bởi 3 thành phần: rắn; lỏng và không khí.
Vi sinh vật trong đất vô cùng phong phú cả về số lượng và thành phần loài. Các yếu
tố sinh học và lý hóa học ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật đất.
Vi sinh vật đất có quá trình thích nghi cao để đáp ứng tốt các điều kiện trong đất.
Vi sinh vật đất bao gồm: vi khuẩn, xạ khuẩn, vi khuẩn cổ, nấm, tảo, động vật nguyên
sinh, phage và virus. Chúng đóng vai trò quan trọng trong chu trình chuyển hóa các chất
trong tự nhiên, tăng nguồn dinh dưỡng, phân giải các hợp chất hữu cơ, tăng độ phì cho đất,
chuyển hóa chất vô cơ. Một số vi sinh đất là mầm bệnh cho người, động và thực vật như:
vi khuẩn uốn ván (Clostridium tetani), vi khuẩn gây bệnh than (Bacillus anthracis)…
Có thể nói VSV đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy, chuyển hóa các
hợp chất hữu cơ, vô cơ khó tan thành các chất đễ tan (quá trình chuyển hóa carbon,
nitrogen, phospho, lưu huỳnh, mangan, sắt, …) cung cấp dinh dưỡng cho cây, cải tạo và
nâng cao độ phì nhiêu của đất
Chính những lợi ích to lớn của VSV, con người đã sử dụng các nguồn VSV này để
sản xuất ra các chế phẩm như phân bón, các chất kích thích, thuốc bảo vệ thực vật…

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP


1. Trình bày hệ vi sinh vật đất và vai trò của chúng trong bảo vệ môi trường?
2. Thế nào là sự ammonium hóa protein? Vi sinh vật tham gia vào quá trình đó có đặc
điểm gì chung không?
3. Những điểm giống và khác nhau giữa hai quá trình nitrate hóa và phản nitrate hóa? Ý
nghĩa thực tiễn của hai quá trình trên ?.
4. Các nhóm vi sinh vật cố định đạm? Ý nghĩa thực tiễn của việc nghiên cứu vi sinh vật
cố định đạm?.
5. Các loại phân bón vi sinh vật? Cơ sở khoa học của việc sản xuất và sử dụng các loại
153
phân bón vi sinh vật?
6. Vai trò của vi khuẩn cố định đạm sống tự do Azotobacter và Clostridium đối với sản
xuất nông nghiệp? Khi sử dụng Azotobacterin, Nitragin cần lưu ý những điểm gì? Vì
sao?
7. Các dạng lân ở trong đất ? Vai trò của vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa
lân trong tự nhiên?
8. Các dạng lưu huỳnh ở trong đất ? Vai trò của VSV tham gia vào quá trình chuyển hóa
S trong đất ?
* Chọn một đáp án đúng nhất
9. Yếu tố nào sau đây không được các vi sinh vật đất sử dụng để hỗ trợ sinh trưởng của
chúng:
a. Độ ẩm chứa trong các lỗ của đất
b. Các chất dinh dưỡng hòa tan liên kết với các hạt đất hoặc trong các lỗ
c. Các chất hữu cơ được giải phóng từ rễ thực vật
d. Tất cả các yếu tố trên đều được sử dụng để trợ giúp sinh trưởng của các VSV đất.
10. Đất bao quanh rễ thực vật được gọi là:
a. Tầng đất có nhiệt độ biến đổi; b. Vùng rễ; c. Tầng đất xốp; d. Tầng đất biến nhiệt
11. Vi sinh vật đất nào sau đây tác động lên khí quyển?
a. Nguyên sinh động vật ăn vi sinh vật
b. Các ezyme được giải phóng khỏi vi sinh vật bị dung giải
c. Cả a và b đều đúng
d. Cả a và b đều không đúng
* Điền vào chỗ trống
12. Đất lúc đầu được bắt nguồn từ sự phong hóa đá hoặc các nguyên liệu hữu cơ khác
được gọi là…............
13. …….….......là một hỗn hợp phức tạp của các nguyên liệu hữu cơ chết thường gặp
trong các loại đất

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ


1. Kiểm soát sinh học (Biological control): hiện tượng số lượng cá thể của một
quần xã bị số lượng cá thể của quần xã khác kìm hãm.
2. Thế năng oxy hóa khử (Eh): đại lượng đo mức độ oxy hóa hay khử cơ chất trong
môi trường, tính bằng volt hoặc millivolt (V hoặc mV).
3. Thế nước trong đất (Soil water potential): là số đơn vị công cần thiết để chuyển
một lượng nước nhỏ từ độ cao và áp suất đặc trưng đến một điểm khác trong hệ thống xốp
của đất.
4. Thiobacillus thiooxidans có khả năng oxy hóa lưu huỳnh thành sulfite với pH tối
ưu từ 2–3.

154
Chương 6
VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ

Mục tiêu
– Nắm được môi trường không khí, sự phân bố và tác hại của ô nhiễm không khí
– Phân biệt được sol khí và sol khí sinh học.
– Hiểu được chu trình vi sinh vật trong không khí.
– Nêu được các yếu tố ảnh hưởng đến vi sinh vật không khí.
– Hiểu được các biện pháp kiểm soát vi sinh vật không khí.

1. MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ

Không khí là môi trường gần như không cỏ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật phát
triển, thêm vào đó lại có ánh sáng mặt trời càng làm cho vi sinh vật ít có khả nàng nhân
lên và tồn tại lâu trong không khí. Trong không khí ngoài bụi ra còn có vi khuẩn, vi nấm,
virus, ký sinh trùng… các thành phần này liên quan mật thiết với nhau. Bụi càng nhiều thì
số lượng và chủng loại vi sinh vật càng phong phú. Tuy có nhiều chủng loại nhưng số vi
sinh vật sóng sót rất ít chỉ có vi khuân có bào tử vi khuẩn có sinh sắc tố nấm… có thể tồn
tại một thời gian.
Số lượng vi sinh vật có trong không khí tùy thuộc vào môi sinh ở từng khu vực:
không khí ở thành thị có nhiều vi sinh vật hơn nông thôn, không khí ở bệnh viện có nhiều
vi sinh vật gây bệnh hơn ở các nơi khác … Một số vi sinh vật gây bệnh đưòng hô hấp như
vi khuẩn lao, trực khuẩn bạch hầu, liên cầu tan máu nhóm A, tụ cầu vàng, virus cúm, virus
sởi… từ bệnh nhân, từ người nhiễm bệnh không triệu chứng bài tiết ra không khí và làm
lây lan từ người này sang người khác.
Sự phân bố của vi sinh vật trong môi trường không khí phụ thuộc vào 3 yếu tố sau:
– Phụ thuộc khí hậu trong năm:
Thường vào mùa đông, lượng vi sinh vật hầu như ít nhất so với các mùa khác trong
năm. Ngược lại lượng vi sinh vật nhiều nhất vào mùa hè. Có lẽ do độ ẩm không khí, nhiệt
độ cao, gió mưa, do các hoạt động khác của thiên nhiên.
– Phụ thuộc vùng địa lý
+ Lượng vi sinh vật gần khu quốc lộ có nhiều xe qua lại bao giờ cũng nhiều vi sinh
vật trong không khí hơn vùng khác.
+ Không khí vùng núi và vùng biển bao giờ cũng ít vi sinh vật hơn vùng khác. Đặc
biệt trong không khí ngoài biển lượng vi sinh vật rất ít.
+ Ngoài ra nó còn phụ thuộc chiều cao lớp không khí. Không khí càng cao so với
mặt đất, lượng vi sinh vật càng ít,

155
– Phụ thuộc hoạt động sống của con người
Con người và động vật là một trong những nguyên nhân gây nạn ô nhiễm không khí.
Ví dụ như trong giao thông, vận tải, trong chăn nuôi, trong sản xuất công nông nghiệp, do
bệnh tật hoặc do các hoạt động khác của con người và động vật mà lượng vi sinh vật tăng
hay giảm.
Trong những năm qua, với xu thế đổi mới và hội nhập, Việt Nam đã tạo được những
xung lực mới cho quá trình phát triển, vượt qua tác động của suy thóai toàn cầu và duy trì tỷ
lệ tăng trưởng kinh tế hàng năm với mức bình quân 5, 7%/năm. Tuy nhiên, nước ta vẫn
đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, trong đó có vấn đề ô nhiễm môi trường không
khí (MTKK). Ô nhiễm MTKK có tác động tiêu cực đến sức khỏe con người, đẩy nhanh quá
trình lão hóa, suy giảm chức năng hô hấp, gây các bệnh như: hen suyễn, ho, viêm mũi, viêm
họng, viêm phế quản, viêm phổi, thậm chí gây ung thư phổi; suy nhược thần kinh, tim mạch
và làm giảm tuổi thọ con người. Nguy hiểm nhất là có thể gây ra các bệnh ung thư.
Bên cạnh đó, các chất gây ONKK chính là thủ phạm gây ra hiện tượng lắng đọng và
mưa acid, gây hủy hoại các hệ sinh thái, làm giảm tính bền vững của các công trình xây
dựng và các dạng vật liệu. Ô nhiễm môi trường còn ảnh hưởng đến các hệ sinh thái tự
nhiên và đẩy nhanh biến đổi khí hậu. Sự gia tăng nồng độ các chất gây ô nhiễm như: CO2,
CH4, NOx… trong MTKK gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính và làm tăng nhanh quá
trình biến đổi khí hậu.

Hình 6–1. Sự hình thành mưa acid (trái) (Nguồn hoahocngaynay.com, 2010);
Mưa acid xuất hiện bất thường ở Bắc Giang Việt nam (24/10/2014) (Ảnh Quốc Cường)

Chất lượng môi trường không khí chịu ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu, thời tiết,
độ che phủ cây xanh và các hoạt động kinh tế –xã hội. Để giải quyết vấn đề ONKK, cần
xây dựng các giải pháp, lựa chọn các ưu tiên và thực hiện có lộ trình chặt chẽ. Các giải
pháp cần được xây dựng đồng bộ và toàn diện để giải quyết nhu cầu quản lý và bảo vệ
MTKK về lâu dài.

156
2. SOL KHÍ VÀ SOL KHÍ SINH HỌC

2.1. Sol khí


Sol khí – hay là aerosol – là hệ keo của các hạt chất rắn hoặc các giọt chất lỏng lơ
lững trong không khí hoặc chất khí khác. Sol khí gây nguy hiểm cho sức khỏe con người
do được hấp thụ qua đường hô hấp và tích tụ trong đường mũi hoặc cuống phổi. Các sol
khí nhỏ dễ dàng di chuyển sâu trong hệ hô hấp gây nguy hiểm hơn các hạt lớn. Cơ quan
bảo vệ môi trường Mỹ (USEPA) đã chia các hạt bụi trong không khí thành 2 loại: (1)
PM10 gồm những hạt có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10 µm và (2) MP2,5 gồm những
hạt có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 2, 5 µm.
Trong không khí nồng độ các hạt được tính bằng µg/m3. Cơ quan bảo vệ môi trường
Mỹ cũng đưa ra tiêu chuẩn không khí quốc gia như sau: PM10 có nồng độ 150 µg/m3 trong 24
giờ và 50 µg/m3 trong năm, PM2,5 có nồng độ 65 µg/m3 trong 24 giờ và 15 µg/m3 trong năm.

2.2. Sol khí sinh học


Sol khí sinh học: sol khí kết hợp với các độc tố, các phần của tế bào hoặc các mầm
bệnh gồm virus hoặc vi khuẩn. Thành phần sol khí sinh học phụ thuộc vào các loại nhân tố
kết hợp khác nhau, phụ thuộc loại vi sinh vật, loại độc tố hay loại hạt kết hợp với sương
hoặc hạt bụi. Thành phần của sol khí sinh học có thể lỏng, rắn hoặc kết hợp cả hai thể trên.
Sol khí sinh học có kích thước luôn thay đổi, thường có đường kính từ 0,02 đến 100
µm. Căn cứ vào kích thước, có 3 loại sol khí sinh học: (1) thể hạt nhân: có đường kính nhỏ
hơn 0,1 µm; (2) thể tích tụ: có đường kính từ 0,1 đến 0,2 µm và (3) thể lớn: có đường kính
lớn hơn 0,2 µm.

3. CHU TRÌNH VI SINH VẬT KHÔNG KHÍ

Chu trình vi sinh vật không khí gồm:


 Thải các sol khí sinh học vào trong không khí
 Phát tán các sol khí sinh học
 Lắng đọng các sol khí sinh học

3.1. Quá trình thải


Thời điểm các sol khí được hòa lẫn vào trong không khí được gọi là quá trình thải. Các
sol khí sinh học được thải vào không khí chủ yếu từ đất và nước. Bằng tính toán mô hình (in
silico), số lượng các hạt có mang vi khuẩn trên toàn cầu từ 7,6 1023 đến 3,5 1024.
Cơ chế thải các hạt vào trong không khí bao gồm: sự nhiễu loạn không khí gây ra
bởi người, động vật và máy móc; quá trình tạo, lưu và xử lý chất thải; quá trình tự nhiên
như dòng chảy của nước, gió thổi trên bề mặt chất ô nhiễm rắn hoặc lỏng và sự phóng

157
thích bào tử nấm trong chu trình sống tự nhiên.
Các hạt bụi không khí có thể thải ra từ các nguồn khác nhau: từ một điểm, một dãy
hay một khu vực.

3.2. Phát tán


Sự di chuyển của không khí phát tán các sol khí sinh học từ điểm này sang điểm
khác. Phát tán sol khí sinh học được phân loại theo thời gian và khoảng cách.
 Phát tán cực nhỏ: thời gian phát tán dưới 10 phút và khoảng cách dưới 100 m.
Thường xảy ra trong một tòa nhà hoặc một không gian xác định.
 Phát tán nhỏ: thời gian phát tán dưới từ 10 đến 60 phút và khoảng cách dưới 100
m đến 1 km.
 Phát tán lớn: thời gian phát tán hàng ngày và khoảng cách lên đến 100 km (Hình 6–2).

Hình 6–2. Bụi không khí từ Mông Cổ phát tán trên biển Nhật Bản (trái), Người dân
Malaysia và Singapore đang phải trải qua những ngày tồi tệ vì ô nhiễm không khí do
khói bụi từ những đám cháy rừng Indonesia bay sang ngày 24/06/2013 (phải)

3.3. Lắng đọng


Lắng đọng là bước cuối cùng trong chu trình vi sinh vật trong không khí. Cơ chế quá
trình lắng đọng: lắng đọng trọng lực; khuếch tán phân tử từ trên xuống; tiếp xúc bề mặt;
lắng đọng nhờ mưa và lắng đọng tĩnh điện.
Lắng đọng trọng lực: cơ chế chính của lắng đọng trọng lực nhờ lực hút của trái đất
lên các sol khí sinh học trong không khí kéo chúng xuống đất và hạn chế sự phân tán theo
không gian cũng như thời gian. Trong điều kiện không có sự di chuyển của không khí,
lắng đọng trọng lực phụ thuộc vào lực hút, tỷ trọng và kích thước của hạt và độ nhớt
không khí.
Khuếch tán phân tử từ trên xuống: quá trình diễn ra tự do do dòng không khí tự
nhiên và lốc xoáy làm tăng chuyển động hướng xuống của các hạt bụi trong không khí. Sự
di chuyển thường hướng xuống do trọng lực. Tốc độ lắng xuống do khuyếch tán phân tử

158
trong không khí tăng khi tốc độ gió và nhiễu động không khí tăng.
Tiếp xúc bề mặt: là quá trình hạt bụi tiếp xúc bề mặt như lá, cây, bề mặt vật chất. Khi
tiếp xúc bề mặt xảy ra thì làm mất động năng. Trong tự nhiên, rất khó để có bề mặt phẳng và
nhẵn để dòng không khí không bị cản trở. Vì vậy, tiếp xúc bề mặt là yếu tố ảnh hưởng đến
sự phân bố và lắng đọng của bụi trong không khí đặc biệt là các sol khí sinh học.
Lắng đọng nhờ mưa: xảy ra do phản ứng cô đặc giữa hạt mưa và sol khí sinh học tạo
cho sol khí sinh học có khối lượng lớn hơn và lắng xuống nhanh hơn. Lắng đọng nhờ mưa
phụ thuộc vào lượng mưa. Với lượng mưa lớn thì tốc độ và số lượng các hạt cô đặc càng
nhiều kéo theo càng nhiều sol khí sinh học lắng xuống.
Lắng đọng nhờ tĩnh điện: là do phản ứng cô đặc nhờ vào lực hấp dẫn tĩnh điện giữa
các hạt. Các hạt thường có xu hướng mang điện tích trái dấu. Vi sinh vật thường tích điện
âm kết hợp với bề mặt trung tính pH. Những điện tích âm này có thể kết hợp với các hạt
bụi mang điện tích dương tạo ra thể cô đặc tĩnh điện. Khi hiện tượng này xảy ra làm tăng
khối lượng các sol khí sinh học và dẫn đến tăng sự lắng đọng.

4. VI SINH VẬT TỒN TẠI TRONG KHÔNG KHÍ

Không khí không phải là môi trường trú ngụ và phát triển của các vi sinh vật không
có chất dinh dưỡng và vi sinh vật dễ bị mất nước. Vì vậy thời gian tồn tại của chúng rất
hạn chế. Tuy nhiên, vi sinh vật có những cơ chế đặc trưng giúp cho chúng kháng lại được
các yếu tố bất lợi của môi trường và giữ được các đặc tính sinh học. Bào tử của vi khuẩn,
nấm mốc và nấm và nang của động vật nguyên sinh có những cơ chế đặc biệt để sống sót
trong môi trường không khí. Thời gian sống sót của những cấu trúc này trong không khí là
vô hạn định. Thời gian sống sót của những vi sinh vật không có cấu trúc đặc trưng trong
không khí được tính bằng giây.
Khả năng tồn tại của VSV trong không khí thường phụ thuộc vào môi trường,
khoảng thời gian và loài vi sinh vật. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tồn tại của vi
sinh vật như độ ẩm, nhiệt độ, tia bức xạ....

4.1. Độ ẩm tương đối


Độ ẩm tương đối của không khí là yếu tố quan trọng tác động đến sự tồn tại của vi
sinh vật không khí.
Khi độ ẩm tương đối không khí tăng lên 100% thì tỉ lệ chết của E. coli tăng lên.
Thông thường vi khuẩn Gram âm kết hợp với sol khí sinh học tồn tại ở mức không khí có
độ ẩm tương đối thấp hoặc trung bình. Khi độ ẩm tương đối tăng lên trên 80% làm tăng tỉ
lệ chết.
Vi khuẩn Gram (+) thì ngược lại, khi độ ẩm tương đối tăng thì thời gian tồn tại càng dài.

159
Virus cúm cũng có ảnh hưởng bất lợi khi độ ẩm tương đối tăng lên. Virus có vỏ bọc
protein bên ngoài lớp nucleocapsid tồn tại lâu hơn trong không khí có độ ẩm tương đối
dưới 50%. Trong khi đó virus không có vỏ bọc ổn định trong không khí có độ ẩm tương
đối lớn hơn 50%. Thường thì virus có vỏ bọc tồn tại tốt hơn virus không có vỏ bọc khi
chúng được kết hợp với sol khí sinh học trong không khí.

4.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ là yếu tố chính gây bất hoạt vi sinh vật không khí. Thông thường, nhiệt độ
cao gây bất hoạt do kết hợp mất nước và làm biến tính protein. Nhiệt độ ôn hòa tăng thời
gian tồn tại của vi sinh vật không khí. Nhiệt độ băng giá làm mất khả năng sống sót của
một số vi sinh vật vì tạo lớp tinh thể bao quanh cơ thể. Tác động của nhiệt độ lên vi sinh
vật thường kết hợp với các yếu tố môi trường khác như độ ẩm tương đối.

4.3. Tia bức xạ


Tia cực tím và bức xạ ion gây tổn hại đến vi khuẩn, virus, nấm và động vật nguyên
sinh. Tác động của tia cực tím gây tổn hại đến thành phần nucleotide trong DNA. Bức xạ
ion và tia X gây tổn hại DNA như bẻ gãy sợi đơn và sợi đôi DNA và làm thay đổi cấu trúc
các base cấu tạo nên DNA. Cuối cùng gây ức chế các hoạt động sinh học như sao chép bộ
gene, sao mã và dịch mã.
Vi sinh vật có nhiều cơ chế để chống lại tia bức xạ: kết hợp với các hạt bụi không
khí lớn hơn, có chứa các sắc tố hay carotenoid, bao bọc bởi độ ẩm cao nhằm kháng lại các
tia bức xạ. Một số vi sinh vật có khả năng sửa sai tổn hại DNA gây ra bởi tia bức xạ. Vi
sinh vật đất Dienococcus radiodurans có chứa enzyme sửa sai DNA nhiễm sắc thể.

4.4. Oxy, các yếu tố kết hợp không khí (AOF) và ion
Oxy, các yếu tố kết hợp không khí (AOF) và ion là thành phần tạo nên không khí. Tác
động kết hợp của 3 thành phần này gây bất hoạt một số loài vi sinh vật trong không khí.
Độc tính của gốc chứa oxy trong oxy già, các gốc peroxide hay hydroxyl gây bất
hoạt các vi sinh vật.
Các yếu tố kết hợp không khí (AOF): thường kết hợp với các gốc độc tính chứa oxy.
Hỗn hợp các yếu tố này được tạo ra khi phản ứng xảy ra giữa ozone và hydrocarbon. Khi
nồng độ của ozone và hydrocarbon tăng có thể ảnh hưởng đến enzyme và acid nucleic và
cuối cùng tác động mạnh đến sự tồn tại của vi sinh vật.
Sự hình thành các ion, ví dụ như Cl, NO , hay S2-, thường xảy ra trong tự nhiên
dưới tác động của nhiều quá trình. Ánh sáng, phân ly nước và các tia bức xạ làm thay đổi
điện tử của các phân tử khí tạo nên các anion và cation. Ion dương làm giảm hoạt động
sinh lý của vi sinh vật như bất hoạt protein màng tế bào và có thể ảnh hưởng đến DNA.

160
5. VI SINH VẬT KHÔNG KHÍ NGOÀI TRỜI

5.1. Phát tán lên không khí của mầm bệnh vi sinh vật trong đất
Mầm bệnh vi sinh vật trong đất là những vi sinh vật có khả năng trao đổi chất, sinh
trưởng và sinh sản trong đất, bao gồm vi sinh vật nhân sơ và nhân thật. Một số vi sinh vật
tạo bào tử có thể phát tán lên không khí và gây bệnh cho người. Bacillus anthracis là vi
khuẩn gây bệnh từ đất gây ra bệnh than ở người và động vật lây nhiễm qua đường hô hấp,
tiêu hóa và qua da. Một số bào tử của vi sinh vật có thể tồn tại trong đất nhiều năm.
Một số mầm bệnh từ nấm có nguồn gốc từ đất, ví dụ Coccidioides immitis và
Histoplasma capsulatum, Coccidioides immitis gây bệnh hô hấp cho người và động vật, sinh
trưởng ở trong đất vùng khô hạn. Histoplasma capsulatum gây nhiễm trùng đường hô hấp.

5.2. Đại dịch cúm


Đại dịch cúm dùng để nói đến dịch bệnh do virus cúm thường xảy ra trên diện rộng
khắp thế giới với tỷ lệ người nhiễm cao. Dịch cúm là bệnh truyền nhiễm từ chim hoặc thú
gây ra bởi virus RNA của họ Orthomyxoviridae.
Bệnh cúm có nguồn gốc từ chim liên quan đến một nhóm lớn virus gây bệnh cúm
trên chim goi là “cúm gia cầm” có loài chỉ gây bệnh cho gia cầm mà không gây bệnh cho
người, có loài vừa gây bệnh cho cả gia cầm và người. Đại dịch cúm xảy ra khi một chủng
cúm trên chim lây nhiễm trên người và từ người này sang người khác.
Virus cúm lây truyền giữa người với người qua 4 cơ chế: tiếp xúc trực tiếp với người
bệnh; tiếp xúc gián tiếp qua các vật dụng như quần áo, giường bệnh; qua đường hô hấp khi
hít thở giọt chứa virus hoặc các sol khí sinh học chứa virus.

5.3. Vi sinh vật trong mây


Vi sinh vật có khả năng bị tác động của các quá trình khí tượng. Đặc biệt, một số vi
sinh vật xúc tác sự hình thành đá và kết tủa trong mây. 95% nhân đá là các hạt sinh học và
ít nhất 45% có nguồn gốc từ vi khuẩn.
Vi sinh vật hiện diện trong mây và sương mù. Số lượng vi khuẩn và nấm trong mây
biến thiên theo mùa với số lượng nhiều nhất vào mùa hè và mùa thu.
Số lượng vi khuẩn trong mây chiếm từ 103 đến 104 CFU/ml, nấm từ 102 đến 104
CFU/ml.

5.4. Nông nghiệp


Rất nhiều mầm bệnh gây bệnh cho thực vật lây nhiễm qua vi sinh vật không khí.
Các sol khí sinh học lây bệnh cho cây trồng và động vật gây thiệt hại kinh tế lớn. Lúa và
lúa mì là hai cây lương thực chính có tầm quan trọng lớn trong an ninh lương thực thế
giới. Nguồn gây bệnh chính cho loại cây này là nấm gây bệnh đốm lá lúa mì. Các bào tử
161
nấm gây bệnh tàn phá lúa mì và các cây ngũ cốc khác.
Bào tử nấm gây bệnh đốm lá lúa mì có thể lan truyền đi hàng trăm đến hàng ngàn
km qua không khí. Thực vật nhiễm bệnh tạo ra hàng ngàn bào tử và giải phóng ra không
khí nhờ nhiễu động không khí tự nhiên hay quá quá trình thu hoạch mùa màng. Các bào tử
này được truyền đi trong không khí, bám và sinh trưởng trên những loài thực vật mẫn cảm
với mầm bệnh. Thời gian để tạo nên bào tử mới chỉ cần vài tuần và bào tử mới lại được
truyền đi trong không khí.
Mầm bệnh vi sinh vật lây truyền qua không khí gây ảnh hưởng lớn đến ngành chăn
nuôi. Bệnh lở mồm long móng là ví dụ về mầm bệnh lây lan qua không khí được tạo bởi
các sol khí sinh học. Các sol khí sinh học thường liên quan đến lây lan các mầm bệnh
đường hô hấp, ví dụ Salmonella typhimurium giữa các con bò giữa 2 trang trại cách biệt
nhau. S. typhimurium có thể sống sót trong không khí thời gian dài, sau đó lây nhiễm và
gây bệnh viêm phổi ở bò, gà. Vì vậy, chu trình vi sinh vật không khí có thể đóng vai trò
trong lây lan mầm bệnh này.

5.5. Nước thải


Có rất nhiều nguy cơ liên quan đến xử lý và xả thải nước thải. Xử lý nước thải tạo ra
các sản phẩm phân bón gồm những chất hữu cơ giàu chất dinh dưỡng (biosolid). Nước
thải mang các mầm bệnh vi khuẩn, virus, động vật nguyên sinh và giun sán. Dùng hệ
thống dòng chảy nước thải và các sản phẩm từ nước thải hoặc sau khi xử lý nước thải tưới
cho thực vật tiềm ẩn khả năng tạo các sol khí sinh học mang mầm bệnh.
Phương pháp thải các biosolid đầu tiên sau khi xứ lí nước thải dùng làm phân bón
cho nông nghiệp. Vấn đề quan tâm lớn nhất là nó liên quan đến tạo thành các sol khí sinh
học có mang mầm bệnh. Những mầm bệnh này phát tán trong không khí và có nguy cơ
gây ảnh hưởng cho người và động vật sống gần đó.

5.6. Các độc tố trong không khí


Một số độc tố có thể truyền đi trong không khí. Ví dụ độc tố A botulinum từ
Clostridium botulinum có thể sử dụng để tạo vũ khí sinh học. Độc tố A botulinum là chất
độc đối với hệ thần kinh thường liên quan đến tiêu thụ thức ăn nhiễm bệnh. Tuy nhiên, chỉ
cần một liều lượng nhỏ (0,3 µg) được hít vào sẽ gây chết sau 12 giờ. Nguyên nhân chết là
do ngạt khí vì chất độc làm bất hoạt cơ của hệ hô hấp.
Nội độc tố từ vi khuẩn Staphylococcus có thể gây chết người do hít thở một lượng
25 µg. Các triệu chứng bao gồm chứng chuột rút, nôn và tiêu chảy thường xuất hiện sau
khi hít các sol khí sinh học khoảng 1 giờ.
Độc tố từ vi sinh vật trong không khí là lipopolysaccharide (LPS) có nguồn gốc từ
màng ngoài vi khuẩn Gram âm. Độc tố là tác nhân gây dị ứng mạnh khi kết hợp với hạt bụi

162
không khí gây ra các triệu chứng hô hấp cấp tính như tức ngực, ho, thở dốc, sốt và khò khè.
LPS có 3 thành phần chính: lớp lipid A có 2 chuỗi đường cấu tạo bởi glucosamine
phosphoryl hóa kết hợp với acid béo; lớp nhân polysaccharide và chuỗi kháng nguyên O
thay đổi tùy loài vi khuẩn (Hình 6–3). LPS được giải phóng khi vi khuẩn Gram âm bị phân
giải hoặc khi chúng sinh trưởng.
Trong đất có khoảng 108 vi khuẩn/g đất có thể tạo thành sol khí sinh học và là nguồn
tạo ra các nội độc tố.

Mannose......bequose
Chuçi kh¸ng Rhamnose
nguyªn O
Galactose n
Glucose......GlcN

Galactose
Glucose......Galactose
Nh©n
Heptose O O
polysaccharide
Heptose P O P O CH 2 CH 2 NH 3
O O
2-Keto-3-deoxyoctanoate (KDO)
O
2-KD O P O CH 2 CH 2 NH 3
O

O O
O P O GlcN GlcN O P O
O O

Lipid A

MAFA MAFA

Hình 6–3. Cấu trúc lipopolysaccharide (LPS)

6. VI SINH VẬT KHÔNG KHÍ TRONG NHÀ

Không khí trong nhà và nơi làm việc là môi trường lây nhiễm các vi sinh vật trong
không khí gây ra mối quan tâm cho sức khỏe con người. Môi trường không khí trong nhà
thường hạn chế lưu thông và ít được tiếp xúc trực tiếp với các tia bức xạ như không khí
ngoài trời. Nhiệt độ và độ ẩm trong nhà thường thích hợp cho các vi sinh vật tồn tại và
163
phát triển.
Một số mầm bệnh thích nghi tồn tại và truyền nhiễm ở môi trường trong nhà.
Legionella pneumophila gây bệnh viêm phổi Lê dương và sốt.
Không khí trong nhà lành mạnh hay dễ mắc bệnh phụ thuộc vào nhiều yếu tố: các
thiết bị lọc không khí, hệ thống thông gió, sức khỏe và vệ sinh của các thành viên, hệ
thống cửa chính và cửa sổ, ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm.
Bệnh viện là nơi tiềm ẩn các vi sinh vật gây bệnh có thể kết hợp với các sol khí sinh học.
Phòng thí nghiệm có các nghiên cứu về mầm bệnh phải đặt dưới điều kiện nghiêm
ngặt. Các mầm bệnh có thể phát tán lên không khí và gây ra đại dịch. Năm 1988, tám
người làm việc trong phòng thí nghiệm nghiên cứu về Brucella sp. ở Mỹ đã bị bệnh
Brucella cấp tính. Nguyên nhân do rã đông và nuôi cấy Brucella sp. không dùng phòng
nuôi cấy đúng quy định về an toàn. Các biện pháp để kiểm soát các sol khí sinh học rất
quan trọng trong phòng thí nghiệm nghiên cứu về các mầm bệnh, bởi vì chúng rất dễ phát
tán và gây ra dịch bệnh.

7. KIỂM SOÁT SOL KHÍ SINH HỌC

Có nhiều phương pháp để kiểm soát sol khí sinh học. Chúng ta có thể kiểm soát các
giai đoạn của chu trình vi sinh vật không khí: thải các sol khí sinh học vào trong không
khí; phát tán và lắng đọng. Các phương pháp bao gồm: thông gió, lọc khí, xử lý tia cực
tím, chất diệt khuẩn và cách ly vật lý.

7.1. Thông gió


Thông gió là phương pháp thường được sử dụng để chống lại sự tập trung của các
hạt trong không khí. Cơ chế của phương pháp này là tạo ra dòng không khí chuyển động
qua các vùng không khí bị nhiễm. Cách đơn giản nhất là mở cửa sổ hoặc bật điều hòa để
không khí bên ngoài lưu chuyển vào bên trong nhà.
Thông khí là phương pháp kém hữu hiệu để kiểm soát các mầm bệnh trong không
khí nhưng nó rất quan trọng. Phương pháp này dựa trên quá trình trộn lẫn giữa không khí
trong nhà và ngoài trời. Vì vậy, ở các tòa nhà công cộng, nhất là bệnh viện, cần thực hiện
các phương pháp hữu hiệu hơn để kiểm soát sol khí sinh học.

7.2. Lọc khí


Lọc khí là phương pháp đơn giản và hữu hiệu, sử dụng hệ thống lọc cho không khí
lưu thông một chiều để loại bỏ các hạt nhiễm trong không khí.
Trong các tủ cấy vô trùng màng lọc các hạt không khí hiệu suất cao (HEPA) thường
được sử dụng (xem ảnh màu và chú thích hình 6–4 trang 338).

164
Hình 6-3. Tủ cấy vô trùng (trái) và dòng không khí trong tủ cấy
vô trùng mặt cắt trước và bên (phải).

Dòng không khí chưa được lọc (2) khi được bơm không khí vào và qua màng lọc HEPA
thành không khí sạch trước khi được thổi vào trong buồng làm việc tránh cho mẫu bị nhiễm bởi
không khí bên ngoài. Không khí sạch ở trong buồng làm việc trở nên bị nhiễm (3) từ mẫu vật sẽ
được thổi qua màng lọc trước khi thải ra ngoài MT.
Các lỗ trên màng lọc có kích thước rất nhỏ để loại bỏ các hạt bị nhiễm trong không
khí. Nhưng do giá thành rất cao nên không được sử dụng trong các tòa nhà.
Trong các tòa nhà hệ thống lọc khí dạng túi (baghouse: cơ chế hoạt động như máy
hút bụi) thường được sử dụng.
Hiệu suất lọc khí thường được biểu thị bằng phần trăm các hạt bụi được lọc, phần
trăm càng cao thì chỉ khả năng lọc càng hiệu quả. Hệ thống lọc trong các tòa nhà có chỉ số
này từ 30–50 % với các lỗ trên màng lọc từ 1–5 µm. Để lọc được virus cần chỉ số 97%.
Trong nuôi cấy vi sinh vật, bông được dùng có tác dụng giữ VSV với bụi bẩn trong
không khí. Ví dụ làm nút bông các ống môi trường.

7.3. Khử trùng không khí bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa chất
Xử lý bằng các chất diệt khuẩn để trừ các vi sinh vật trong không khí để chắc chắn
chúng không thể tồn tại và gây nhiễm.
Có nhiều cách để trừ các vi sinh vật trong không khí như gia nhiệt, các hóa chất siêu
khử nước, dùng ozone hay tia cực tím. Xông hơi bằng acid lactic, hơi formaldehyde pha
trong thuốc tím... Dùng phương pháp nung nóng cục bộ bằng đèn cồn như trong cấy
truyền VSV, hấp khử trùng bằng nhiệt theo phương pháp Tyldan hay phương pháp
Pasteur...
Tia cực tím thường được sử dụng để kiểm soát nhiều loại mầm bệnh. Cơ bản, tia cực
165
tím có thể tiêu diệt gần hết các mầm bệnh gây nhiễm trong không khí, nó chỉ phụ thuộc
vào thời gian và cường độ sử dụng.
Nhiều yếu tố như độ ẩm tương đối, nhiệt độ, ozone và tia cực tím có thể được sử
dụng để kiểm soát không khí bị nhiễm mầm bệnh.

7.4. Cách ly
Cách ly là phương pháp đóng gói tránh tác động của môi trường bên ngoài bằng
cách sử dụng áp suất không khí âm hoặc dương và vòng đệm kín.
Áp suất không khí âm tồn tại khi dòng không khí được lũy tích và đưa vào vùng
cách ly. Phương pháp này được sử dụng trong bệnh viện để bảo vệ mọi người ở bên ngoài
tránh khỏi mầm bệnh từ bệnh nhân ở trong khu vực cách ly. Không khí trong phòng được
thải ra bầu khí quyển sau khi được đi qua màng lọc và xử lý hóa chất.
Áp suất không khí dương có nguyên lí ngược lại, không khí được hút ra ngoài khu
vực cách ly vì vậy bảo vệ những người phía trong khu vực khỏi mầm bệnh từ bên ngoài.
Không khí bên ngoài được lọc qua hệ thống lọc và tạo ra không khí sạch các tác nhân gây
bệnh trước khi đưa vào bên trong khu vực cách ly.

TÓM TẮT CHƯƠNG


Không khí không phải là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Tuy nhiên
trong không khí vẫn có vi sinh vật do cuốn theo bụi đất và sự hô hấp và bài tiết của người
và động vật.
Đa số vi sinh vật trong không khí là loại hoại sinh như cầu khuẩn, trực khuẩn có bào
tử, bào tử nấm mốc, nấm men. Nhiều khi trong không khí cũng có vi sinh vật gây bệnh
như trực khuẩn lao (Mycobacterium tuberculosis), trực khuẩn bạch hầu (Corynebacterium
diphtheria), liên cầu tan máu, tụ cầu gây bệnh, trực khuẩn ho gà, virus cúm, sởi, quai bị...
từ bệnh nhân hay người lành mang mầm bệnh tiết ra.
Mặc dù rằng vi sinh vật trong không khí không nhiều lắm, không sinh sản và phát
triển, nhưng cũng cần hết sức chú ý, vì không khí là phương tiện truyền vi sinh vật từ chỗ
này sang chỗ khác. Không khí cũng là nguồn nhiễm bẩn thực phẩm và gây nên một số
bệnh truyền nhiễm.
Trong không khí các sol khí sinh học mang các độc tố, các phần của tế bào hoặc các
mầm bệnh gồm virus hoặc vi khuẩn.
Chu trình vi sinh vật không khí gồm 3 quá trình: thải các sol khí vào trong không
khí, phát tán và lắng đọng.
Không khí không phải là môi trường trú ngụ và phát triển của các vi sinh vật không
có chất dinh dưỡng và vi sinh vật dễ bị mất nước. Các yếu tố độ ẩm tương đối, nhiệt độ,
tia bức xạ, oxy, các yếu tố kết hợp không khí và ion tác động đến sự tồn tại và phân bố của
vi sinh vật trong không khí.
Có nhiều phương pháp để kiểm soát sol khí sinh học: thông gió, lọc khí, xử lý tia
cực tím, chất diệt khuẩn và cách ly vật lý.

166
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. So sánh sol khí và sol khí sinh học?
2. Nêu chu trình của vi sinh vật không khí? Các biện pháp kiểm soát dựa trên chu trình
của chúng?
3. Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật không khí?
4. Các phương pháp kiểm soát khí sol khí sinh học?
* Chọn đáp án đúng nhất
5. Sự phân bố của vi sinh vật trong môi trường không khí phụ thuộc vào:
a. Khí hậu trong năm b. Vùng địa lý
c. Hoạt động sống của con người d. Cả ba ý trên
6. Phương pháp thông dụng để xác định số lượng VSV trong không khí là:
a. Đếm khuẩn lạc hình thành (CFU) trong 1m3 không khí: (CFU/m3).
b. Đếm số khuẩn lạc hình thành (Colony forming unit– CFU) trên các đĩa.
c. Khảo sát thành phần hóa học của các tế bào vi khuẩn trong 1m3 không khí.
d. Đếm vi sinh vật dưới kính hiển vi.
7. Biện pháp làm sạch không khí:
a. Phương pháp lọc b. Khử trùng bằng tác nhân vật lý
c. Khử trùng bằng hóa chất d. Tất cả phương pháp trên.
* Điền vào các chỗ trống:
8. Vi sinh vật được tung vào không khí chủ yếu là do.......(a), ..... hay......(b)...... của
người và súc vật mang mầm bệnh.
9. Sol khí hay là aerosol là hệ keo của các hạt chất rắn....(a)............. hoặc ........(b).....
..........khác. Sol khí gây nguy hiểm cho sức khỏe con người do....(c).......qua đường hô
hấp và tích tụ trong đường mũi hoặc cuống phổi.

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ


1. Dienococcus radiodurans: Vi khuẩn có khả năng tồn tại trong các loại môi
trường cực trị và có khả năng khôi phục bộ gene bị nứt nhờ enzyme sửa sai DNA.
2. Legionella pneumophila: Vi khuẩn Gram (), hiếu khí, có roi và gây bệnh viêm
phổi Lê Dương và sốt.
3. Lipopolysaccharide (LPS): có nguồn gốc từ màng ngoài vi khuẩn Gram () và
có 3 thành phần chính: lớp lipid A có 2 chuỗi đường cấu tạo bởi glucosamine phosphoryl
hóa kết hợp với acid béo; lớp nhân polysaccharide và chuỗi kháng nguyên O.
4. Sol khí hay là aerosol: Hệ keo của các hạt chất rắn hoặc các giọt chất lỏng lơ
lững trong không khí hoặc chất khí khác.
5. Sol khí sinh học: Sol khí kết hợp với các độc tố, các phần của tế bào hoặc các
mầm bệnh gây bệnh cho người bao gồm virus hoặc vi khuẩn.

167
Chương 7
VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Mục tiêu
– Hiểu được sự phân bố của vi sinh vật phù hợp với điều kiện lý hóa của môi trường
nước.
– Phân biệt các kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật trong môi trường nước.
– Nắm được vai trò của vi sinh vật đại dương, biển, sông hồ ao...
– Hiểu được các biện pháp kiểm soát vi sinh vật môi trường nước.

1. SINH CẢNH VI SINH VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Tất cả những nơi có chứa nước trên bề mặt hay dưới lòng đất đều được coi là môi
trường nước. Ví dụ như ao, hồ, sông, biển, nước ngầm... Những địa điểm chứa nước đó
còn gọi là các thủy vực. Trong các thủy vực khác nhau tính chất hóa học và vật lý rất khác
nhau. Bởi vậy môi trường sống ở từng thủy vực đều có đặc trưng riêng biệt và sự phân bố
của vi sinh vật phụ thuộc vào những đặc trưng riêng biệt đó.
– Nước ngầm có trong những lớp đất nằm dưới mặt đất do các nguồn nước khác
thấm vào. Nước ngầm có hàm lượng muối khoáng khác nhau tùy từng vùng, có vùng chứa
nhiều CaCO3 gọi là nước cứng, có vùng chứa ít CaCO3 gọi là nước mềm. Nói chung nước
ngầm rất nghèo chất dinh dưỡng do đã được lọc qua các tầng đất.
– Nước bề mặt bao gồm suối, sông, hồ, biển. Suối được tạo thành ở những nơi nước
ngầm chảy ra bề mặt đất hoặc từ khe của các núi đá. Tùy theo vùng địa lý nước suối có thể
rất khác nhau về nhiệt độ và thành phần hóa học. Có những suối nước nóng chảy ra từ các
vùng núi lửa hoặc từ độ sâu lớn. Có những suối có thành phần chất khoáng điển hình có
tác dụng chữa bệnh. Tùy theo thành phần và hàm lượng chất khoáng mà người ta phân
biệt suối mặn, suối chua, suối sắt, suối lưu huỳnh... Sông có lượng nước nhiều hơn suối.
Tính chất lý học và hóa học của sông cũng khác nhau tùy thuộc vào vùng địa lý. Sông ở
vùng đồng bằng thường giàu chất dinh dưỡng hơn vùng núi nhưng lại bị ô nhiễm hơn do
chất thải công nghiệp và sinh hoạt.
Hồ là những vùng trũng ngập đầy nước trong đất liền. Tính chất lý học và hóa học
của các loại hồ cũng rất khác nhau. Hồ ở các vùng núi đá có nguồn nước ngầm chảy ra và
hồ ở vùng đồng bằng khác nhau rất lớn về nhiệt độ cũng như thành phần chất dinh dưỡng.
Ngay ở trong một hồ cũng có sự phân tầng, ở mỗi tầng lại có một điều kiện môi trường
khác nhau. Có những hồ có nồng độ muối cao gọi là hồ nước mặn, nồng độ muối có thể
lên tới 28%.

168
Biển bao phủ gần 3/4 bề mặt trái đất, khác với các thủy vực trong đất liền điển hình
về hàm lượng muối cao tới 35%. Ngoài ra biển còn có thành phần các chất khoáng khác
với các thủy vực trong đất liền. Các vùng biển và các tầng của biển cũng có các đặc trưng
môi trường khác nhau. Thí dụ như về nhiệt độ, áp lực thủy tĩnh, ánh sáng, pH, thành phần
hóa học... Tất cả những yếu tố khác nhau đó đều ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố của
vi sinh vật trong các môi trường nước.

1.1. Các đặc điểm lý hóa


Căn cứ vào độ mặn, nước được chia thành nước ngọt (0, 5 %), nước mặn (33 – 37
‰) và nước quá mặn (290 ‰) như biển chết (Hình 7–1).
Nước bề mặt được sưởi ấm nhờ ánh sáng mặt trời. Sự thay đổi nhiệt độ đột ngột của
nước thường xảy ra khi nhiệt độ bề mặt thay đổi.

Nước ngọt bề nặt


và dạng khác Khí quyển Các dạng sống
Nước ngọt 2,5% 1,3% 0,22% 0,22%
Sông 0,46%
Nước mặn Nước
Hồ Đầm lầy
khác 1,0% ngầm
20,1% 2,5 %
30,1%

Độ ẩm
Nước biển trong đất
96,5 % 3,5%
Tuyết và
Băng hà bang
68,6% 73,1%

Tổng lượng Nước ngọt Nước ngọt bề mặt và


nước toàn cầu các dạng khác

Hình 7–1. Phân bố của nước trên trái đất


(Nguồn: https://water.usgs.gov/edu/earthwherewater.html.)

Nước bề mặt có nồng độ oxy hòa tan cao do không khí được khuyếch tán và trộn lẫn
trực tiếp vào nước. Vi sinh vật sản xuất tập trung nhiều ở tầng nước này vì dễ dàng tiếp
xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời.
Tầng mặt có độ dày vài cm đến vài m, nơi đây có các đặc trưng riêng về hóa học
cũng như các hoạt động sinh học diễn ra rất mạnh.
Thực tế, hệ thống nước luôn chuyển động theo không gian và thời gian. Sự phân
tầng của nước bị trộn lẫn bởi hoạt động của gió, dòng chảy, thủy triều, các chất ở đáy nổi

169
lên bề mặt, nhiệt độ và sự thay đổi độ mặn. Sự trộn lẫn mang oxy và chất dinh dưỡng đến
những vùng nước nghèo chất dinh dưỡng.
Nhiệt độ của nước thay đổi theo mùa: nước bề mặt ấm vào mùa hè và lạnh vào mùa
thu và mùa đông.
Ánh sáng có vai trò quan trọng tạo ra các sinh cảnh khác nhau trong môi trường
nước. Ánh sáng có khả năng xuyên qua nước có độ sâu 200 m hoặc sâu hơn, tùy thuộc độ
đục của nước. Vùng mà ánh sáng có thể xuyên qua gọi là vùng có ánh sáng. Ở hồ hoặc
vùng bờ biển có vật chất trộn lẫn trong nước cao, vùng có ánh sáng dưới 1m. Vùng mà
ánh sáng không thể chiếu đến được gọi là vùng tối.
Lối sống, độ đa dạng và hoạt động của vi sinh vật phụ thuộc vào sựu hiện diện của
ánh sáng.
Cấu trúc nước còn được chia thành các sinh cảnh dựa vào độ sâu từ bề mặt xuống.
Lớp màng nước trên bề mặt tiếp xúc với không khí được gọi là tầng vi sinh vật bề mặt
Neuston. Sinh cảnh Neuston chứa nồng độ cao các hợp chất hóa sinh, dinh dưỡng và tia
cực tím ở mức độ cao. Neuston có cấu tạo bởi thể keo của các phân tử sinh học như lipid,
protein và polysaccharide (Hình 7–2).

Không khí

0
Lớp nước-Lipid
10 nm
Lớp protein-polysaccharide
0,1 µm

Lớp vi khuẩn

1 µm

Lớp neuston ở dưới

Sâu đến 10 µm

Hình 7–2. Cấu tạo lớp neuston (Pepper et al., 2015)

Nước biển được chia thành 4 vùng: vùng nước tầng mặt, vùng nước tầng sâu trung
bình, vùng nước biển sâu và vùng nước tầng sát đáy biển. Độ sâu nhất của biển là 11 km.
Nước ở hồ được chia thành 2 vùng: vùng nước ngọt bề mặt và vùng sâu.
Trong sinh cảnh ở nước, vi sinh vật thường kết hợp với đại sinh vật. Mối quan hệ
này được chia thành 2 sinh cảnh: ngoại sinh (epibiotic) là sống bám bên ngoài bề mặt của
sinh vật khác và nội sinh (endobiotic) là sống kí sinh bên trong một sinh vật khác.

170
1.2. Vi sinh vật phù du
Sinh vật phù du (plankto: tiếng Hy Lạp nghĩa là lang thang hay phù du) là những
sinh vật huyền phù trong môi trường nước và trôi theo dòng chảy, rất ít hoặc không thể
kiểm soát được vị trí theo phương ngang của chúng.
Có 3 nhóm chức năng sinh vật phù du:
+ Thực vật phù du: bao gồm cả vi khuẩn lam và tảo
+ Vi khuẩn phù du: bao gồm vi khuẩn và vi khuẩn cổ
+ Động vật phù du: sinh vật phù du dị dưỡng, bao gồm: động vật nguyên sinh, động
vật thuộc bộ chân chèo (copepod).
Thực vật phù du: là sinh vật sản xuất, sử dụng quá trình quang hợp để cố định CO2 để tạo
ra các hợp chất hữu cơ. Đây là nguồn hợp chất carbon và năng lượng chính, nó được
chuyển đến các sinh vật tiêu thụ khác trong lưới thức ăn.

Chaetoceros debilis (tảo cát) Oocystis sp. Volvox sp.

Ceratium sp. Calanoida sp. Hyperia macrocephala


Hình 7–3. Sinh vật phù du (xem hình màu trang 338)

1.3. Vi sinh vật tầng đáy


Tầng đáy (trầm tích) là vùng chuyển tiếp giữa nước và bề mặt khoáng. Ở tầng này
các hợp chất hữu cơ từ tầng trên lắng xuống nằm gần sát môi trường đất.
171
Tại bề mặt tầng đáy, dinh dưỡng và nguồn carbon dồi dào nên số lượng vi sinh vật
rất nhiều và hoạt động mạnh hơn sinh vật phù du. Vì các hoạt động xảy ra mạnh nên lượng
oxy thường được sử dụng rất nhanh, nên oxy thường được thay thế bởi các nguyên tố nhận
điện tử khác như sulfate, nitrate hoặc sắt.
Sinh vật tầng đáy tạo ra đa dạng quần xã ở môi trường nước. Ở tầng mặt, vi sinh vật
tự dưỡng chiếm ưu thế về số lượng và số loài. Ở tầng đáy thiếu ánh sáng, các sinh vật dị
dưỡng và/hoặc hóa tự dưỡng chiếm ưu thế. Chu trình các chất dinh dưỡng như carbon,
nitơ và lưu huỳnh phụ thuộc vào các hợp chất được kết hợp chuyển hóa hiếu khí và kị khí.
Chuyển hóa carbon
Các hợp chất hữu cơ được phân hủy hiếu khí để tạo ra các hợp hữu cơ nhỏ hơn và
CO2 và phân hủy kị khí qua trình lên men tạo ra acid hữu cơ và CO2. Acid hữu cơ đóng
vai trò chất cho điện tử cho các vi khuẩn kị khí sử dụng CO2 là chất nhận điện tử trong hô
hấp kị khí tạo ra CH4. Vi khuẩn oxy hóa methane và các hợp chất chứa một carbon tạo
năng lượng và thải CO2. Oxy hóa methane kị khí thường xảy ở vi khuẩn cổ.
Chuyển hóa nitơ
Phân hủy các chất cặn hữu cơ ở tầng đáy thường tạo ra NH3. Các vi sinh vật tầng
đáy thường sử dụng NH3 cho 2 mục đích:
Sinh khối: NH3 được đồng hóa như là nguồn nitơ cho các sinh vật phù du và vi
sinh vật tầng đáy.
Năng lượng: NH3 được oxy hóa như là nguồn năng lượng cho các vi sinh vật hóa
tự dưỡng.

2. CÁC KIỂU DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG
NƯỚC

2.1. Sinh vật sản xuất


Sinh vật sản xuất trong đại dương khoảng 50–60 petagram (1Pg = 1015 g) và trong
môi trường nước ngọt từ 1 đến vài Pg, chiếm 50% sinh khối toàn cầu. Khối lượng của vi
sinh vật sản xuất trong nước phụ thuộc nhiều vào sự biến động của của các yếu tố môi
trường. Các yếu tố bao gồm: sự tồn tại của các chất vô cơ, đặc biệt là N và S; nhiệt độ
nước, độ đục của nước liên quan đến ánh sáng truyền trong nước, mức độ trộn lẫn của các
tầng nước từ trên xuống. Nồng độ của vi sinh vật sản xuất trong nước từ 100 vi sinh vật/
ml ở tầng đáy đến 108 vi sinh vật/ml ở tầng mặt.
Ở biển có dòng hải lưu hoạt động mạnh thường có vi sinh vật sản xuất thấp bởi vì
nồng độ các chất vô cơ thấp, đặc biệt là N và S. Ngoại lệ những vùng biển có dòng hải lưu
cuộn từ tầng đáy di chuyển lên tầng mặt mang theo các hợp chất vô cơ từ tầng đáy lên.
Vùng biển duyên hải có vi sinh vật sản xuất cao vì dòng chảy các chất vô cơ từ sông ra

172
biển, cũng như từ bề mặt đất chảy xuống biển.
Ở những vùng nước ngọt nhỏ và cạn có chất dinh dưỡng dồi dào hoặc trung tính
thường có sản lượng vi sinh vật sản xuất cao. Ngược lại, nước ngọt ở hồ rộng và sâu có
chất dinh dưỡng thấp nên sản lượng vi sinh vật sản xuất thấp.
Các hoạt động của con người góp phần làm tăng nguồn dinh dưỡng cho môi trường
nước như dòng nước chảy từ khu vực sản xuất nông nghiệp và các nguồn phân bón cho
cây trồng.
Quang dưỡng: là các VSV sử dụng năng lượng từ ánh sáng. Chúng là các vi sinh vật
sản xuất trong nước được chú ý và định lượng nhờ nguồn ánh sáng mặt trời trong nước.
Quang dưỡng sử dụng các sắc tố hấp thụ quang phổ như các chlorophyll (Hình 7–4).
Hóa dưỡng: khả năng cố định C sử dụng năng năng lượng từ các liên kết hóa học.
Hóa dưỡng xảy ra ở tất cả các tầng nước, đặc biệt nhiều ở vùng có lượng oxy ít ở tầng đáy.
Vi khuẩn cổ có hình thức hóa dưỡng cố định NH3. Crenarchaeota chiếm 3540% vi
sinh vật ở vùng ngoài khơi có độ sâu dưới 1000m. Với các nghiên cứu về gene và hệ gene
đã chỉ ra rằng, hóa dưỡng bằng cách sử dụng oxy hóa NH3 hiếu khí chiếm ưu thế.
Phyco erythrin Phyco cyanin
Chlorophyll a
Lượng ánh sáng hấp thụ

Chlorophyll b

Carotenoid

Sóng ánh sáng (nm)

Hình 7–4. Sự hấp thụ quang phổ các sắc tố của tế bào (Nguồn NASA)

2.2. Sinh vật tiêu thụ


Với cách chung nhất, vi khuẩn phù du và động vật phù du tiêu thụ thực vật phù du
và chúng lại được các sinh vật lớn hơn tiêu thụ trong chu trình chuyển hóa vật chất và
năng lượng trong lưới thức ăn.
Lưới thức ăn thực tế của sinh vật ở môi trường nước rất phức tạp, các sinh vật dị
dưỡng (vi khuẩn phù du và động vật phù du) tiêu thụ lẫn nhau. Các động vật phù du bị cá
và các động vật khác tiêu thụ. Ở biển, lưới thức ăn thường có 5 mắt xích để tạo ra những
con cá lớn. Ở các vùng duyên hải, lưới thức ăn thường có từ 1, 5 đến 3, 5 mắt xích.

173
2.3. Quang dị dưỡng (Photoheterotrophy)
Dị quang dưỡng là hình thức dinh dưỡng cần có ánh sáng để cung cấp năng lượng.
Quang dị dưỡng không diễn ra quá trình quang hợp bởi vì không liên quan đến quá trình
cố định C. Có 2 đặc điểm chính của sinh vật quang dị dưỡng.
 Quang dưỡng hiếu khí không có oxy (aerobic anoxyic phototrophy: AanP): sử
dụng các sắc tố chlorophyll vi khuẩn (goinlaf khuẩn diêp luc) để thu nhận năng lượng ánh
sáng mặt trời vì chất cho điện tử không phải là nước nên không tạo ra oxy. Hình thức này
xảy ra với nhiều loài vi sinh vật biển. Tế bào vi sinh vật tầng mặt mang gene AanP chiếm
từ <1% đến 10% quần xã.
Phân tử sắc tố thu nhận ánh sáng ở dạng đơn giản được gọi là rhodopsin. Ở
Proteobacteria, phân tử sắc tố protein rhodopin đóng vai trò như bơm proton hoạt hóa ánh
sáng để tạo ra ATP (Hình 7–5 xem ảnh màu trang 339). Gene mã hóa protein rhodopin được
tìm thấy 13 – 80% vi khuẩn và vi khuẩn cổ ở biển.
Quang dị dưỡng mới được phát hiện gần đây và còn nhiều vấn đề chúng ta chưa có
những hiểu biết sâu.

Proton

ADP + Pi
ATP

Hình 7–5. Cấu trúc protein rhodopsin ở màng tế bào (Delong et al., 2010)
Vi khuẩn phù du (trái) và cấu trúc protein rhodopsin (phải). (1) Protein rhodopsin sử
dụng ánh sáng mặt trời để chuyển proton xuyên qua màng tế bào; (2) proton ngoài tế
bào; (3) Enzyme ATPase chuyển proton sử dụng lực vận chuyển proton để tổng hợp
ATP (5) từ ADP + Pi (4).

3. MÔI TRƯỜNG BIỂN

3.1. Quần xã sinh vật phù du ở đại dương


Đại dương có sinh cảnh đa dạng cả về cột nước từ trên xuống cũng như theo chiều
ngang từ bờ ra đến ngoài khơi. Theo quy luật chung, mật độ vi sinh vật tập trung nhiều ở
tầng nước mặt với 108 vi sinh vật/ml, giảm dần theo độ sâu với 107 vi sinh vật/ml ở 100 m
sâu tính từ mặt nước biển (Hình 7–6).

174
Log tế bào/cm3

Độ sâu từ mặt nước biển (km)

Hình 7–6. Mật độ tế bào theo cột nước và bề mặt trầm tích tại trạm Biotrans
ở biển Đông Bắc Atlantic. (Jorgencen et al., 2007)

Biển khơi Tần suất (%) Tầng đáy Tần suất (%)

Hình 7–7. Phân bố quần xã vi khuẩn trong sinh cảnh biển khơi và tầng đáy(Zinger et al., 2011)

Mật độ vi sinh vật ở vùng duyên hải cao gấp 10 lần ở vùng biển khơi, vì ở đây có
nguồn dinh dưỡng từ bờ tràn xuống biển.
Theo thống kê quốc tế về vi sinh vật biển (IcoMM), các quần xã chiếm ưu thế ở tầng
mặt biển khơi là vi khuẩn lamCyanobacteria. Gammaproteobacteria,
Alphaproteobacteria có mặt ở tầng đáy (Hình 7–7).
Theo thống kê quốc tế về vi sinh vật biển (IcoMM) với 10 lớp vi khuẩn có tần suất
nhiều nhất
* Thực vật phù du
Thực vật phù du ở biển tạo ra 50% oxy cho chúng ta. Trong đó tỉ lệ đóng góp của vi
khuẩn lam (Hình 7–8) và tảo là 50: 50.
Vi khuẩn lam Prochlorococcus và Synechococcus chiếm ưu thế tạo ra ¼ sản lượng
của sinh vật sản xuất. Synechococcus tập trung ở nhiều ở vùng duyên hải, trong khi
Prochlorococcus tập trung ở những khu vực rộng lớn có ít chất dinh dưỡng ở trung tâm
biển cả. Prochlorococcus được phát hiện năm 1988 và loài quang dưỡng có số lượng

175
chiếm ưu thế trên hành tinh.

Hình 7–8. Vi khuẩn lam Lyngbya (A) và Oscillatoria (B)

Vi khuẩn lam có khả năng cố định N bao gồm: Trichodesmium, Crocosphaera và


Anabaena. Trichodesmiumcố định một nửa lượng N ở biển cả. Các loài vi khuẩn lam cố
định N có vai trò chính thực hiện việc cố định N ở môi trường biển.
Các loài thực vật phù du nhân thật tạo ra một nữa sinh khối sinh vật sản xuất ở biển
và chiếm ¼ toàn hành tinh. Các loài này tạo ra chu kỳ phát quang thường thấy ở bề mặt
biển vào buổi tối. Các 3 nhóm chính: Tảo cát (Diatom);Tảo cầu đá (Coccolithophore) và
Trùng tảo (Dinoflagellate).
+ Tảo cát: đóng góp 20% sản lượng quang hợp toàn cầu. Chúng còn tham gia tuần
hoàn silica (SiO2) ở biển, silica chiếm 450% vật chất khô của tế bào. Chúng có cấu tạo
đơn bào hoặc tạo thành một chuỗi dài các tế bào tùy thuộc vào loài và điều kiện sống.
+ Tảo cầu đá: là nhóm chính thứ hai của thực vật phù du. Cơ thể được bao bọc bởi
màng CaCO3 nên có tên “đá”. Chúng là sinh vật sản xuất có kích thước nhỏ nhưng đóng
góp 5% sản lượng sinh vật sản xuất toàn cầu.
+ Trùng tảo: bao gồm cả các loài không có khả năng quang hợp (sống dị dưỡng) và
loài sống cộng sinh như san hô. Hiện tượng phát sáng về đêm có chu kỳ ở biển do trùng
tảo gây ra.
Thành phần loài và số lượng thực vật phù du phụ thuộc vào điều kiện và theo mùa.
Hiện tượng tảo nở hoa xảy ra khi nước thiếu oxy, ấm và tĩnh tạo điều kiện cho một số loài
tảo và vi khuẩn lam sinh sôi nhanh tạo thành tảo nở hoa. Hiện tượng tảo nở hoa theo chu
kỳ tự nhiên hàng năm của hệ sinh thái biển và hồ. Tuy nhiên, thiếu oxy trầm trọng và tảo
nở hoa ảnh hưởng đến chất lượng nước. Thủy triều đỏ ở vùng duyên hải có chứa một số
loài tảo tạo ra độc tố tiềm ẩn, phần lớn từ sắc tố của trùng tảo. Độc tố này có thể gây bệnh
ở người, độc với cá và gây chết chim và động vật khi ăn phải. Biến đổi khí hậu toàn cầu
gây nên thiếu oxy trong nước và tạo điều kiện cho tảo nở hoa, thủy triều đỏ.
* Vi sinh vật dị dưỡng
Có nhiều loài vi sinh vật dị dưỡng thường gặp ở biển, trong đó Pelagibacter ubique

176
thuộc họ Alphaproteobacteria, là loài vi khuẩn thường gặp ở vùng biển khơi.Loài này có
thể tồn tại trong môi trường có nguồn dinh dưỡng thấp.
Vi khuẩn Deltaproteobacteria chiếm ưu thế ở vùng nước sâu.
Vi khuẩn Euryarchaoeta có số lượng ít hơn nhưng thường gặp theo mùa và rất quan
trọng trong quần xã nước mặt.
Vi khuẩn quang dị dưỡng sở hữu các tế bào proteorhodopsin để hấp thụ ánh sáng
mặt trời và nguồn C từ protein hoặc lipid.
Động vật nguyên sinh như trùng roi, virus và nấm cũng đóng vai trò quan trọng ở
tầng nước mặt.
Nấm trong hệ sinh thái biển xuất hiện ở dạng gắn vào đá, mãnh vỏ các loài sinh vật
biển, bọt biển và san hô. Chúng cũng được tìm thấy ở vùng nước giàu Ca và đáy biển. Sự
phân bố của nấm trong hệ sinh thái biển ít được nghiên cứu. Tuy nhiên ngày nay nấm biển
được chú ý đến bởi chúng tạo ra các hợp chất thứ cấp hữu dụng. Nấm cũng được tìm thấy
ở độ sâu 5000 m ở biển Basin, Ấn Độ.
* Virus
Virus có số lượng nhiều trong mỗi thực thể sinh học trên trái đất và có số lượng
thường nhiều gấp 10 lần so với vi khuẩn.
Trước năm 1989, người ta nghĩ rằng virus ở biển không tồn tại. Ngày nay virus ở
biển được nghiên cứu nhiều và chúng đóng nhiều vai trò trong hệ sinh thái biển. Chúng
liên quan đến hoạt động sinh tan của vi sinh vật, chuyển gene ngang và hoạt hóa quá trình
trao đổi chất của vật chủ.
Virus gây nhiễm trên thực vật phù du giúp tuần hoàn các chất, gây sinh tan của thực
vật phù du giúp cung cấp nguồn dinh dưỡng cho sinh vật tiêu thụ.
Virus biển còn gây nhiễm động vật lớn như cá, cua và có thể gây thiệt hại kinh tế
cho ngành thủy sản.
Virus chứa các gene của vật chủ và được biểu hiện trong quá trình xâm nhiễm làm
thay đổi quá trình trao đổi chất của tế bào bị nhiễm để tạo ra virus mới. Virus kí sinh vi
khuẩn lam có chứa các gene liên quan đến quá trình quang hợp. Những gene này biểu hiện
trong quá trình virus xâm nhiễm vào vi khuẩn lam tạo cho tế bào chủ kéo dài quá trình
quang hợp để tạo nhiều năng lượng giúp hình thành virus thế hệ mới. Một phần lớn quang
hợp của khuẩn lam ở biển được thực hiện bởi các protein quang hợp được mã hóa bởi
phage khuẩn lam.
Trước kia chúng ta chỉ phát hiện virus sau khi chúng gây bệnh ở người, động vật
hoặc cây cối. Nhưng bây giờ chúng ta chỉ cần tới các hồ, biển, đại dương và lấy nước. Sau
đó chúng ta lọc nước và phân lập virus.
Gần đây các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra trong nước thải chứa một số lượng
lớn virus chưa từng được biết đến lên tới 234 loại, trong số đó có thể tiềm ẩn nguy cơ có
hại cho con người.
177
3.2. Quần xã sinh vật phù du ở tầng đáy biển
Đáy biển có sinh cảnh đa dạng và được chia thành: trầm tích đáy biển mềm, đáy
biển đá cứng và các miệng phun thủy nhiệt.
Trầm tích biển
Đáy biển là nơi lắng xuống của các hợp chất hữu cơ trong nước cũng như xác của
các loại sinh vật lớn, chúng cung cấp nguồn thức ăn cho các vi sinh vật dị dưỡng ở đáy
biển. Nhiệt độ và các điều kiện hóa lý ở đáy biển gần như không đổi qua năm tháng. Tỉ lệ
phân hủy các chất giảm dần theo độ sâu.
Quần xã vi sinh vật ở môi trường đáy biển:
+ Gammaproteobacteria: chiếm 25%
+ Deltaproteobacteria: chiếm 16%
+ Planctomycetales, Actinobacteria và Acidobacteria là ba ngành chiếm vị trí nhiều
thứ 3. Chúng có hình thức dinh dưỡng hóa tự dưỡng, dị dưỡng kị khí hoặc cần ít oxy
(microaerophic heterotroph).
+ Vi khuẩn cổ và Eukarya là thành phần quan trọng ở đáy biển mềm.
+ Crenarchaeota và Euryarchaeota có số lượng nhiều ở lớp trầm tích.
+ Tảo cát ở đáy, trùng lỗ và radioladiaran đóng góp quan trọng vào lưới thức ăn ở
đáy biển.
Đáy biển cứng
Đáy biển còn được cấu tạo bởi đá bazan trải dài nhiều chỗ.
Vi sinh vật tự dưỡng đá hóa học: tự dưỡng bằng cách cố định C từ đá dùng năng
lượng hóa học.

4. MÔI TRƯỜNG NƯỚC NGỌT

Môi trường nước ngọt bao gồm môi trường nước chảy: sông, suối và môi trường
nước tĩnh: ao, hồ và đầm lầy.
Sông, suối
Vi sinh vật, đặc biệt là vi khuẩn và tảo thường trú ngụ ở suối. Tảo và vi khuẩn quang
dưỡng thường chiếm số lượng ưu thế ở môi trường suối với mật độ 102 đến 108 vi sinh
vật/ml. Các vi sinh vật sản xuất này có mật độ nhiều hơn từ 106 đến 109 vi sinh vật/ml ở
vùng nước cạn của suối có đá ở dưới đáy, nơi có ánh sáng mặt trời và nguồn dinh dưỡng
vô cơ nồng độ cao.
Vi sinh vật dị dưỡng ở suối có mật độ thấp hơn từ 101 đến 106 vi sinh vật/ml. Vi sinh
vật dị dưỡng ở sông có mật độ 104 đến 109 vi sinh vật/ml.
Hồ
Quần xã vi sinh vật trong hồ và các mối tương tác giữa chúng rất phức tạp và đa

178
dạng. Mối quan hệ giữa sinh vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ luôn diễn ra rất mạnh.
Các sinh vật sản xuất ở khu vực nước cạn gần bờ thường chiếm ưu thế với tảo chiếm
số lượng lớn nhất, sau đó khuẩn lam.
Thực vật phù du chiếm ưu thế ở khu vực giữa hồ. Tùy thuộc vào cường độ và bước
sóng ánh sáng xuyên qua độ sâu nước mà hình thành các quần xã vi sinh vật riêng biệt.
Các vi sinh vật dị dưỡng ở trong hồ phân hóa theo độ sâu. Có 3 tầng từ trên xuống:
 Tầng vi sinh vật bề mặt – neuston: nơi chứa nồng độ các chất dinh dưỡng và vật
chất hữu cơ cao.
 Tầng dị biệt nhiệt thermocline: tầng giữa hồ có sự phân tầng về nhiệt và nơi các
vật chất hữu cơ có khuynh hướng lắng xuống và tích lũy.
 Tầng trên của đáy hồ: nơi có các quần thể sinh vật dị dưỡng hiếu khí.
Ngoài các quần thể tảo và vi khuẩn lam, trong hồ, sông và suối còn có nấm, động
vật nguyên sinh và virus. Chúng tương tác với nhau và đóng góp một phần quan trọng vào
lưới thức ăn.
Nấm sống kí sinh trên tảo phù du hạn chế tảo sinh trưởng với số lượng lớn và giúp
ánh sáng mặt trời xuyên qua các cột nước sâu. Một số loài nấm sống trên bề mặt và tạo
thành thảm nấm. Zoophagus insidians bám vào sợi tảo lục sống ở sông và hồ. Các sợi nấm
dài trải dọc theo cột nước tạo thành các sợi dây bắt mồi. Khi con mồi, ví dụ trùng bánh xe,
chạm vào sợi nấm, sợi nấm tiết ra chất nhầy để bẫy con mồi. Sợi nấm sẽ mọc nhanh trong
miệng của con mồi và tạo thành hệ sợi nấm hấp thụ các chất dinh dưỡng trong cơ thể con
mồi.
Động vật nguyên sinh là loài ăn các vi sinh vật quan trọng trong môi trường nước.
Chúng ảnh hưởng đến số lượng của tảo và vi khuẩn vì mỗi động vật nguyên sinh tiêu thụ
hàng trăm vi khuẩn hoặc tảo hàng ngày.
Quần thể virus và vật chủ của chúng luôn biến động cùng chiều. Số lượng virus
trong môi trường nước ngọt có số lượng nhiều hơn môi trường nước mặn.Vật chủ của
virus môi trường nước ngọt rất đa dạng: vi khuẩn, vi tảo, động vật nguyên sinh và đại sinh
vật. Như virus trong môi trường nước mặn, virus nước ngọt làm chết 20–60% số lượng vi
khuẩn.
Quần thể virus và động vật nguyên sinh góp phần điều hòa mật độ và sinh khối của
các quần xã vi khuẩn và tảo trong môi trường nước.

5. KIỂM SOÁT VÀ NGĂN NGỪA Ô NHIỄM NƯỚC Ở VIỆT NAM

5.1. Thực trạng


Hiện nay, ở nước ta có 108 lưu vực sông, với khoảng 3.450 sông, suối tương đối lớn
(chiều dài khoảng 10 km trở lên). Tổng lượng nước mặt trung bình khoảng từ 830 –840 tỷ
m3, trong đó có hơn 60% lượng nước được bắt nguồn từ nước ngoài, chỉ có khoảng từ
179
310–320 tỷ m3 được sản sinh trên lãnh thổ Việt Nam. Cùng với sự đô thị hóa nhanh và
phát triển công nghiệp, các vấn đề môi trường như rác thải, nhất là tình trạng ô nhiễm
nước ngày càng trở nên trầm trọng, ảnh hưởng tới hiệu quả và tính cạnh tranh sản phẩm;
ảnh hưởng tới sức khỏe của người dân.
Theo số liệu thống kê của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên và Môi trường (TN và MT),
trung bình mỗi năm có tới 9000 người tử vong vì nguồn nước ô nhiễm; có tới 200 nghìn
trường hợp được phát hiện ung thư, mà một trong những nguyên nhân là do sử dụng nước
bị ô nhiễm.
Hiện tại hầu hết các sông chính ở Việt Nam đều bị ô nhiễm, trong đó ô nhiễm chủ
yếu các vùng trung và hạ lưu; trong đó khu vực tập trung đông dân cư và các khu công
nghiệp hiện tượng ô nhiễm diễn ra nghiêm trọng hơn. Đặc biệt, mức độ ô nhiễm tăng cao
vào mùa khô, khi lượng nước chảy vào các con sông giảm. Ngoài ô nhiễm nguồn nước
mặt, thì nguồn nước dưới đất cũng đang phải đối mặt với những vấn đề, như: Nhiễm mặn,
nhiễm thuốc trừ sâu, các chất có hại khác. Bên cạnh đó, trong những năm gần đây, nước
biển Việt Nam cũng đã có dấu hiệu bị ô nhiễm do sự ô nhiễm từ các lưu vực sông, do các
hoạt động phát triển kinh tế vùng cửa sông, ven biển…
Việt Nam hiện có hơn 774 đô thị, trong đó có hai đô thị đặc biệt; 15 đô thị loại một;
14 đô thị loại hai; 53 đô thị loại ba; 65 đô thị loại bốn và còn lại là đô thị loại năm. Tuy
nhiên, tỷ lệ số dân đô thị hưởng dịch vụ thoát nước mới chiếm khoảng 60% và tỷ lệ nước
thải sinh hoạt được xử lý mới đạt 12%. Điển hình như tại hai thành phố lớn Hà Nội và TP
Hồ Chí Minh, phần lớn nước thải sinh hoạt (khoảng 600 nghìn m3/ngày) và công nghiệp
(khoảng 240 nghìn m3/ngày) không được xử lý, đổ thẳng vào các ao, hồ, sau đó chảy ra
các con sông lớn tại vùng châu thổ sông Hồng và sông Mê Công. Ngoài ra, nhiều nhà máy
và cơ sở sản xuất, các lò mổ cũng không được trang bị hệ thống xử lý nước thải. Ngay cả
các bệnh viện thải khoảng bảy nghìn m3/ngày, thì chỉ có 30% là được xử lý.

5.2. Nguyên nhân


Nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước, chủ yếu do ô nhiễm nước thải
sinh hoạt, vì hiện nay việc thu gom, xử lý nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình còn hạn
chế, chỉ có một số thành phố lớn mới có hệ thống công trình thu gom, xử lý tập trung được
một phần nhỏ, còn lại hầu hết nước thải từ các hộ dân đều xả trực tiếp vào hệ thống cống,
rãnh, sông ngòi. Tại các khu công nghiệp, việc đầu tư và áp dụng công nghệ xử lý nước
thải chưa đáp ứng yêu cầu, với 70% các khu công nghiệp không có hệ thống xử lý nước
thải tập trung, hoặc một số cơ sở sản xuất có xử lý nước thải nhưng không đạt quy chuẩn
cho phép. Ngoài ra, việc sử dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, phân bón hóa học trong
sản xuất nông nghiệp; hoạt động nuôi trồng thủy sản ồ ạt, thiếu quy hoạch, không tuân thủ
quy trình kỹ thuật trong nhiều năm qua, đã gây nhiều tác động tiêu cực tới chất lượng
nguồn nước; môi trường nước bị ô nhiễm chất hữu cơ, phát triển một số loài sinh vật gây
bệnh và xuất hiện một số tảo độc…

180
5.3. Tác hại của ô nhiễm nguồn nước
Hậu quả chung của tình trạng ô nhiễm nước là tỉ lệ người mắc các bệnh cấp và mạn
tính liên quan đến ô nhiễm nước như viêm màng kết, tiêu chảy, ung thư… ngày càng tăng.
Người dân sinh sống quanh khu vực ô nhiễm ngày càng mắc nhiều loại bệnh tình nghi là
do dùng nước bẩn trong mọi sinh hoạt. Ngoài ra ô nhiễm nguồn nước còn gây tổn thất lớn
cho các ngành sản xuất kinh doanh, các hộ nuôi trồng thủy sản.
Các nghiên cứu khoa học cũng cho thấy, khi sử dụng nước nhiễm asen để ăn uống,
con người có thể mắc bệnh ung thư trong đó thường gặp là ung thư da. Ngoài ra, asen còn
gây nhiễm độc hệ thống tuần hoàn khi uống phải nguồn nước có hàm lượng asen 0, 1mg/l.
Vì vậy, cần phải xử lý nước nhiễm asen trước khi dùng cho sinh hoạt và ăn uống.
Người nhiễm chì lâu ngày có thể mắc bệnh thận, thần kinh, nhiễm Amoni, Nitrat,
Nitrit gây mắc bệnh xanh da, thiếu máu, có thể gây ung thư. Metyl tert–butyl ete (MTBE)
là chất phụ gia phổ biến trong khai thác dầu lửa có khả năng gây ung thư rất cao. Nhiễm
Natri (Na) gây bệnh cao huyết áp, bệnh tim mạch, lưu huỳnh gây bệnh về đường tiêu hóa,
Kali, Cadimi gây bệnh thoái hóa cột sống, đau lưng. Hợp chất hữu cơ, thuốc trừ sâu, thuốc
diệt côn trùng, diệt cỏ, thuốc kích thích tăng trưởng, thuốc bảo quản thực phẩm, phốt
pho... gây ngộ độc, viêm gan, nôn mửa.
Tiếp xúc lâu dài sẽ gây ung thư nghiêm trọng các cơ quan nội tạng. Chất tẩy trắng
Xenon peroxide, sodium percarbonate gây viêm đường hô hấp, oxalate kết hợp với
calcium tạo ra calcium oxalate gây đau thận, sỏi mật. Vi khuẩn, ký sinh trùng các loại là
nguyên nhân gây các bệnh đường tiêu hóa, nhiễm giun, sán. Kim loại nặng các loại: Titan,
Sắt, chì, cadimi, asen, thủy ngân, kẽm gây đau thần kinh, thận, hệ bài tiết, viêm xương,
thiếu máu.

5.4. Biện pháp khắc phục


Để ngăn chặn, khắc phục và xử lí có hiệu quả những hành vi gây ô nhiễm môi
trường nước, cần thực hiện đồng bộ một số giải pháp chủ yếu sau đây:
Giữ sạch nguồn nước: Thúc đẩy người dân nhằm nâng cao ý thức cộng đồng để giữ
sạch nguồn nước bằng cách không được vứt rác bừa bãi, không thải trực tiếp vào nguồn
nước sạch, không dùng phân tươi làm phân bón; và nên sử dụng thuốc trừ sâu theo đúng
hướng dẫn. Cần hạn chế tối đa việc sử dụng các hóa chất gây ô nhiễm môi trường hơn biệt
là môi trường nước rất quan trọng đối với con người .
Tiết kiệm nước sạch: Nhằm giảm sự lãng phí khi sử dụng nước thì bạn nên tắt vòi
nước khi đang đánh răng, kiểm tra và bảo dưỡng cải tạo lại những đường ống dẫn nước
hay những bể chứa nước nhằm chống sự thất thoát của nước.Nên sử dụng những nguồn
nước từ thiên nhiên như nước mưa vào việc cọ rửa , tưới cây tránh sử dụng nguồn nước
kia rất lãng phí.
Xử lý phân thải: Cần cón những kế hoạch thu gom với hố ủ vệ sinh hợp lý tránh
tình trạng xả tràn lan trực tiếp ra môi trường xung quanh gây ô nhiễm.
Xử lý rác sinh hoạt và chất thải khác: Nên có những phương tiện chứa rác có nắp
đậy kín, đủ sức chứa nhất là những rác hữu cơ ở gia đình, khu tập thể cũng như nơi công
181
cộng, đồng thời cần có những biện pháp sinh học xử lý hợp vệ sinh tránh tình trạng gây ô
nhiễm nguồn nước.
Xử lý nước thải: Cần có hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt (cống ngầm kín) rồi đổ
ra hệ thống cống chung tránh tình trạng xả tràn lan gây ô nhiễm .Nước thải công nghiệp, y
tếcần phải xử lý theo qui định môi trường trước khi thải ra cộng đồng (Hình 7–9).
Việc cung cấp nước sạch và đầy đủ là một trong những điều kiện cần thiết nhất bảo
vệ sức khỏe cho con người. Ngoài ra thì bảo đảm nguồn nước sạch và vệ sinh môi trường
cũng đã góp phần khống chế được 80% bệnh tật. Để sử dụng được nguồn nước sạch tinh
khiết nhất mỗi gia đình nên sử dụng máy lọc nước mang tới cho bạn và gia đình tránh
được những bệnh tật do nguồn nước gây ra.

Hình 7–9. Nước sông ô nhiễm vì rác thải (trái) Nước thải được xử lý theo kỹ thuật “Màng
vi sinh tầng chuyển động – MBBR” (http://doctorhouses.com/xu-ly-nuoc-thai-benh-vien)

Tóm lại, tình trạng ô nhiễm môi trường nước ở Việt Nam tuy nghiêm trọng nhưng
vẫn còn có thể cứu vãn nếu mỗi người dân biết góp sức của mình, chung tay bảo vệ môi
trường nước. Hãy hô vang khẩu hiệu "Vì môi trường xanh – sạch – đẹp" và cũng là vì
cuộc sống của chính chúng ta cũng như các thế hệ sau.

TÓM TẮT CHƯƠNG


Cũng như đất, nước tự nhiên là một môi trường rất thuận lợi cho vi sinh vật tồn tại
và phát triển. Sự phát triển của vi sinh vật trong nước phụ thuộc vào một số yếu tố như
nhiệt độ, pH, nồng độ O2..., trong đó quan trọng hơn cả là thức ăn trong nước. Nước càng
bị bẩn do các bã hữu cơ – nghĩa là càng nhiều thức ăn – thì càng chứa nhiều vi sinh vật.
Điều này ta sẽ thấy rõ khi nghiên cứu từng loại nước.
– Nước ngầm (nước mạch) có ít vi sinh vật là do nước đã được thấm qua các lớp đất
dày, vi sinh vật và các thức ăn hữu cơ được giữ lại trong lớp đất này. Nước ngầm càng sâu
thì càng sạch. Các giếng mạch nếu tìm được nguồn mạch tốt, sâu và có bảo vệ để tránh
nhiễm bẩn ở bờ thì sẽ cho ta nước rất tốt cho việc ăn uống.
– Nước ao, hồ trường hợp bị nhiễm phân, rác rưỡi có nhiều chất hữu cơ thì số lượng
chủng loại vi sinh vật tăng nhiều.

182
– Nước ở trong những hồ, biển lớn bụi bị lắng chìm nên số lượng vi sinh vật ít hơn.
– Nước ở những vùng sông, ngòi gần dân cư thì số lượng vi sinh vật nhiều hơn vùng
xa dân cư.
Nước trong tự nhiên có khả năng tự làm sạch do tác dụng của ánh sáng mặt trời và
do sự cạnh tranh sinh tồn mà hủy diệt lẫn nhau, hoặc là do chất kháng sinh của các thực
vật thủy sinh tiết ra.
Nước cũng là môi trường thích hợp cho nhiều loại VSV phù du và tầng đáy, vì nước
có đầy đủ các chất hữu cơ, không khí, nhiệt độ thích hợp, chất sinh trưởng, phát triển của
VSV và các sinh vật khác.
Các sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ, sinh vật dị quang dưỡng trong môi trường
nước (đại dương, biển, sông, suối, hồ...) có các kiểu dinh dưỡng phức tạp, đa dạng và
phong phú. Chúng là tác nhân làm biến đổi thành phần nước.
Nước cũng là nguồn truyền bệnh nguy hiểm như vi khuẩn thương hàn (Salmonella
typhi, trực khuẩn lỵ (Shigella spp.), phẩy khuẩn tả (Vibrio cholerae)..., ngoài những vi
sinh vật sống trong nước, còn có những vi sinh vật gây bệnh do người và động vật làm ô
nhiễm. Các vi sinh vật gây bệnh này chỉ tồn tại trong nước một thời gian nhất định. Chúng
tồn tại trong nước lâu hay mau tùy theo nguồn nước, tính chất, nhiệt độ, pH... của nước.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP


1. Sự phân bố cuả nước trên trái đất? Vai trò của các VSV bề mặt?
2. Cho biết mối quan hệ chủ yếu giữa VSV với các sinh vật khác trong tầng neustron?
3. Quần xã vi sinh vật ở môi trường đáy biển? Chức năng chính của các sinh vật đáy
biển?
4. Cơ sở khoa học của sự phân giải các hợp chất hữu cơ trong nước ngọt?
5. Vai trò của VSV trong các vòng tuần hoàn C, N trong môi trường nước?
* Chọn một đáp án đúng nhất
6. Trong loại thủy vực nào sau đây những sự thay đổi về nhiệt độ khí hậu theo mùa sẽ
dẫn đến sự phân tầng rõ rệt về hóa học và về vi sinh vật:
a. Các đại dương;b. Các hồ phú dưỡng
c. Các hồ nghèo chất dinh dưỡng; d. Các dòng sông chảy nhanh.
7. Vi sinh vật nào chịu trách nhiệm đối với tính acid của hệ thống nước acd từ mỏ
a. Clostridium botulinum; b. Salmonella typhimurium
c. Themus aquaticus;d. Thiobacillus thiooxidans
f. Pseudomonas aeruginosa.
* Điền vào chỗ trống
8. Thuật ngữ …..được sử dụng để mô tảđặc tính tiêu thụ oxy của một mẫu nước đặc
trưng.
9. Tảo trôi nổi hoặc lơ lững tự do trong nước được gọi là……
10. Quần xã VSV biển bị chiếm ưu thế, nếu nói về số lượng và sinh khối, bởi rất nhiều vi
khuẩn nhỏ được gọi là….. hoặc ……

183
Chương 8
VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG CỰC TRỊ

Mục tiêu
 Nêu được những thích ứng của vi sinh vật để tồn tại trong các môi trường cực trị.
 Tầm quan trọng nghiên cứu vi sinh vật trong môi trường cực trị.

1. MÔI TRƯỜNG CỰC TRỊ

Trong tự nhiên, ở những môi trường bình thường – nơi có các điều kiện thuận lợi
cho hầu hết cơ thể sống (về chất dinh dưỡng, nhiệt độ, pH, oxy…) – thường có một khu hệ
vi sinh vật phong phú về chủng loại và đông đúc về số lượng. Ví dụ: trong 1gam đất ở
tầng canh tác có thể có khoảng hơn 20 tỷ vi khuẩn, vài chục triệu vi nấm, vài chục nghìn
vi tảo; trên cơ thể chúng ta, trong 1 cm2 da của vùng trán có thể có tới 40.000 vi khuẩn
Staphylococcus epidermidis, còn ở vùng các ngón chân thì số vi khuẩn này là hơn một
triệu; đó là chưa kể các vi sinh vật khác.
Mặt khác, ở những môi trường cực trị (extreme environments) với điều kiện rất khắc
nghiệt như nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp, pH rất acid hoặc rất kiềm, độ mặn cao, áp suất
cao, nghèo dinh dưỡng, không có oxy…, nơi mà mọi động vật và thực vật không thể tồn
tại, vẫn có một số vi sinh vật sinh trưởng. Ví dụ: Pyrobacterium brockii ưa nhiệt sinh
trưởng từ 80 đến 1150C, ngược lại loài Planococcus halocryophilus OR1 ở khu vực bị
đóng băng vĩnh cửu trên đảo Ellesmere Canada sinh trưởng được ở âm 15 độ C, trong môi
trường nước mặn, loài Halobacterium salinarium ưa mặn có thể phát triển được trong các
dung dịch có nồng độ muối NaCl cao đến 17–23%, Thiobacillus thiooxidans phát triển
ngay ở pH=0 thích hợp ở pH=2,0–2,5 thuộc nhóm tự dưỡng nhờ năng lượng oxi hóa S,
H2S thành SO4, hiếu khí bắt buộc.

2. MÔI TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ THẤP

* Thung lũng khô McMurdo, ở châu Nam Cực: Nhiệt độ không khí ở bề mặt trung
bình hàng năm là 27, 6 ºC và nhiệt độ đất bề mặt trung bình hàng năm là 26, 1 ºC. Hệ
sinh thái của các hồ ở đây được bao phủ bởi lớp băng dày từ 35 m (Hình 8–1).
Vi sinh vật ở hồ Fryxell thuộc thung lũng khô McMurdo ở Nam cực:
 Số lượng vi khuẩn oxy hóa S đạt 200 tế bào/ml tại độ sâu 9, 5 m, phần lớn liên
quan đến Thiobacillus thioparus. Vi khuẩn khử sulfate cũng được tìm thấy ở các cột nước
bằng phân tích gene mã hóa enzyme reductase dị hóa sulfite.
 Vi sinh vật tạo khí methane (methanogens) và vi sinh vật chuyển hóa methane như
là nguồn năng lượng (methanotrops) cũng được tìm thấy.

184
Hình 8–1. Lớp băng bao phủ ở hồ Vanda thuộc thung lũng khô
McMurdo, Nam cực.

* Ứng dụng các chất hoạt tính sinh học từ vi sinh vật sống môi trường nhiệt độ thấp:
 Các vi sinh vật sống ở môi trường khí hậu lạnh có những biệt hóa để thích ứng với
điều kiện. Chúng ta có thể khai thác các lợi ích tiềm năng để phục vụ cho cuộc sống của loài
người. Các vi sinh vật này tổng hợp các enzyme thích ứng với điều kiện lạnh nên có các đặc
tính cấu trúc đặc hiệu làm cho chúng có tính linh hoạt cao ở nhiệt độ thấp khi so sánh với
các enzyme của các loài vi sinh vật sống ở điều kiện nhiệt độ thường. Các enzyme này hoạt
động với hiệu suất cao ở nhiệt độ thấp, khi tăng nhiệt độ chúng sẽ bất hoạt.
Ứng dụng các enzyme này trong công nghệ sinh học với 2 đặc tính: hoạt hóa mạnh ở
nhiệt độ thấp và tính ổn định thấp khi tăng nhiệt độ. Nhiệt độ thấp thường ổn định cho các
chất phản ứng không bền, các phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp thường yêu cầu ít năng
lượng đưa vào nên hạ giá thành. Để tắt phản ứng chỉ cần tăng nhiệt độ.
Các loại enzyme đã được sử dụng trong công nghiệp: α–amylase; cellulase;
β –galactosidase; lipase; protease và xylanase.

3. MÔI TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ CAO

* Vi khuẩn Thermus aquaticus


 Thomas Dale Brock và cộng sự đã phân lập được vi khuẩn Thermus
aquaticus trong suối nước nóng tại công viên quốc gia Yellowstone, Montana, Hoa Kỳ.
Chúng đươc dùng để sản xuất Taq DNA polymerase (Taq) là enzyme xúc tác cho phản
ứng tổng hợp DNA đã được nghiên cứu khá kỹ về tính chất. Thậm chí gene của Taq đã
được nhân dòng và biểu hiện thành công trong E. coli. Nhờ tính chất bền với nhiệt, hoạt
tính polymerase và khả năng bổ sung gốc adenosin (A) vào đầu 3’ của chuỗi DNA dạng

185
sợi kép nên sau khi được phát hiện, Taq đã trở thành công cụ hết sức hữu ích của các
nghiên cứu sinh học phân tử.
 Thermus aquaticus có thể sinh trưởng trong điều kiện từ 40 đến 79 ºC, nhiệt độ lý
tưởng 70 ºC.
 Enzyme bền nhiệt DNA polymerase từ loài vi khuẩn này được sử dụng trong phản
ứng khuyếch đại gene – PCR.
* Các chi vi khuẩn ở suối nước nóng có nhiệt độ lên đến 100 ºC: Thermus,
Methanobacterium, Sulfolobus, Pyrodictium và Pyrococcus. Loài vi khuẩn cổ Pyrolobus
fumarii có thể tồn tại đến nhiệt độ 113 ºC.
Môi trường ở suối nước nóng Dragon thuộc công viên quốc gia Yellowstone, Mỹ
– Nguồn nước mang tính acid với pH: 3, 1.
– Nhiệt độ: từ 66 – 73 ºC.
– Chứa 80 µM carbon hữu cơ hòa tan.
– Các nguyên tố S từ các dòng địa nhiệt tạo thành các kết tủa keo tụ tạo ra đặc điểm
phân biệt của các dòng kênh chảy ra từ suối nước nóng (Hình 8–2).

Hình 8–2. Suối Dragon, Công viên Quốc gia Yellowstone, Hoa Kỳ

– Các lớp keo tụ này là nền tảng cho các quần xã vi sinh vật tuần hoàn lưu huỳnh.
– Có 2 nhóm vi sinh vật chính:
+ Hai quần thể vi khuẩn cổ hô hấp lưu huỳnh: Caldisphaera draconis và Acidilobus
sulfurireducens.
+ Chi Hydrogenobaculum: vi khuẩn hóa tự dưỡng oxy hóa lưu huỳnh.
Có nhiều cơ chế giúp vi sinh vật sống sót ở nhiệt độ cao mà không làm phân hủy
protein, màng tế bào và vật chất di truyền. Mấu chốt ở đây là chức năng enzyme được duy
trì ở trạng thái cân bằng giữa tính ổn định phân tử và tính mềm dẽo chức năng ở môi
trường lạnh cũng như nóng. Một trong những cơ chế đáp ứng chung liên quan đến các
186
protein ổn định với nhiệt độ giúp cho các protein khác được gập lại và lưu trữ với hình
thái chức năng sau khi bị phân hủy bởi nhiệt độ. Các vi khuẩn có những đáp ứng đặc hiệu
để tăng tính ổn định của protein ở nhiệt độ cao bao gồm:
+ tăng số lượng các cầu nối disulfide
+ tăng mối tương tác giữa các peptide thơm
+ tăng liên kết hydro giữa các peptide
Các vi sinh vật tồn tại ở môi trường nhiệt độ cực trị phần lớn thuộc vi khuẩn cổ.
Màng tế bào của vi khuẩn cổ khác màng tế bào của vi khuẩn (Hình 8–3). Màng tế bào vi
khuẩn cổ bền với nhiệt độ hơn màng tế bào vi khuẩn. Đối với acid nucleic, các vi sinh vật
bền với nhiệt sản xuất enzyme DNA gyrase đặc biệt. Enzyme này giúp DNA cuộn xoắn
dương tính vì vậy ổn định với nhiệt.

Liªn kÕt ether O

Chuçi ph©n nh¸nh isoprene H2 C O P O

C O C H O

C O CH2

L-glycerol
Liªn kÕt ester
O D-glycerol
Acid bÐo kh«ng ph©n nh¸nh
C O CH2

C O C H O
O
H2 C O P O

O

Hình 8–3. So sánh màng phosphorlipid của vi khuẩn cổ (trên)


và vi khuẩn (dưới) (Pepper et al., 2015)

Vi khuẩn Thermus thermophilus HB27 được phân lập ở suối nước nóng ở Nhật. Vi
khuẩn này có hệ thống hóan vị DNA cho phép nó tiếp nhận DNA từ vi khuẩn, vi khuẩn cổ
và sinh vật có nhân. Hệ thống này có khả năng tiếp nhận DNA với tốc độ cao, khoảng 40
kbp/giây. Hệ thống hóan vị DNA giúp vi sinh vật đáp ứng nhanh với môi trường cực trị.
Hơn thế nữa, hóan vị DNA có thể là một trong những công cụ hữu hiệu để chuyển các tính
trạng sinh lý và chịu nhiệt của các sinh vật trong môi trường cực trị.
Có rất nhiều ứng dụng trong công nghệ sinh học của các enzyme được phân lập từ
sinh vật chịu nhiệt. Ứng dụng được kể đến đầu tiên là enzyme DNA polymerase được sử

187
dụng trong kỹ thuật khuyếch đại gene – PCR. Các ứng dụng khác bao gồm các enzyme
protease, lipase, amylase và xylanase được sử dụng trong nông nghiệp, sản xuất giấy,
ngành dược, tinh sạch nước, xử lý môi trường sinh học, khai thác khoáng và công nghiệp
dầu mỏ.

4. MÔI TRƯỜNG KHÔ VÀ BỨC XẠ CỰC TÍM

Các sa mạc trên thế giới có khí hậu điển hình nóng và lạnh, nửa khô hạn đến khô
hạn cực trị. Ở đây có điều kiện cực trị nên hạn chế tối đa sinh vật sản xuất và đa dạng của
sự sống. Các yếu tố hạn chế sự sống vi sinh vật ở sa mạc khô hạn bao gồm lượng nước có
thể dùng được, nhiệt độ và cường độ tia bức xạ cực tím. Các sa mạc khô hạn và nửa khô
hạn thường đặc trưng bởi giá trị lượng mưa trung bình hàng năm từ 25200 mm, trong khi
đó sa mạc khô hạn cực trị có lượng mưa trung bình hàng năm nhỏ hơn 25 mm. Lượng
nước có thể dùng được ở sa mạc không những được xác định bởi lượng mưa trung bình
hàng năm mà còn kết hợp với các ảnh hưởng của lượng giáng thủy (P) và khả năng bốc
hơi nước (PET). Các khu vực siêu khô hạn có tỉ lệ P/PET nhỏ hơn 0, 05.

Hình 8–4. Các mẫu thạch cao với vi khuẩn lam. (A) mẫu thạch cao AT326b từ sa
mạc Atacama Desert; (B) mầu thạch cao DG từ sa mạc Mojave; (C) Sợi thạch cao
mẫu JB1 từ Al–Jafr Basin, Jordan; (D) Hình ảnh từ kính hiển vi quang học của vi
khuẩn lam Chroococcidiopsis mẫu AT326b từ sa mạc Atacama.

Sa mạc Atacama, Chi Lê là một trong những sa mạc khô nhất trên thế giới. Tại khu
vực trung tâm siêu khô hạn của sa mạc không có mưa xảy ra với chu kỳ hàng năm đến
hàng chục năm. Bởi vì không có độ ẩm nên thực vật ở đây thưa thớt hay hoàn toàn không

188
có, tạo nên môi trường đất có lượng carbon hữu cơ cực kỳ thấp. Lượng carbon hữu cơ
trong đất ở các sa mạc: 0, 7% ở sa mạc Mojave, Mỹ; 0, 17% ở sa mạc Sahara gần Abu
Simbel, Ai Cập và từ 0, 02 đến 0, 09% ở mẫu đất dọc theo đường cắt ngang qua trung tâm
khô hạn cực trị của sa mạc Atacama Desert. Trong khi đó lượng carbon hữu cơ trong đất
vùng ôn đới chiếm từ 1 đến 5%.
Ở các sa mạc, các quần xã vi sinh vật đá sinh học sống trên bề mặt đá và các khe đá
ở phía dưới được nghiên cứu. Đây là các vi khuẩn dị dưỡng được duy trì bởi các vi sinh
vật tự dưỡng cố định nitơ, bao gồm các vi khuẩn lam và tảo lục (Hình 8–4).
Vi khuẩn lam Chroococcidiopsis có ưu thế trong chịu khô hạn và bức xạ. Vi khuẩn
lam Nostoc sp. có khả năng sống sót trong điều kiện khô trong thời gian vài tháng hay vài
năm. Sự thích nghi với điều kiện khô là đặc trưng duy nhất trong các thích nghi với điều
kiện cực trị như nhiệt độ, pH, áp suất. Bởi vì tế bào không sinh trưởng trong điều kiện khô
và phần lớn của vòng đời có thể trãi qua trạng thái khử nước. Vì vậy, các tế bào có các
phương thức tồn tại trong điều kiện khô hạn hơn khả năng thực hiện các chức năng dưới
điều kiện cực trị. Các phương thức để tồn tại bao gồm:
+ Có khả năng bảo vệ và sửa sai DNA khi bị phơi nhiễm bức xạ cực tím UV
+ Duy trì sự ổn định của protein trong trạng thái khử nước
+ Duy trì tính toàn vẹn của màng tế bào.
Cơ chế thích ứng đầu tiên của vi khuẩn lam là tạo ra màng bọc polysaccharide ngoại
bào (EPS). Màng bọc này điều hòa thu nhận và mất nước, đóng vai trò như ma trận để ổn
định các thành phần được tạo bởi tế bào đáp ứng điều kiện khô và có thể bảo vệ màng tế
bào trong quá trình co rút và trương lên. Tế bào tạo ra một số phân tử để đáp ứng điều kiện
khô hạn và phơi nhiễm phóng xạ. Nostoc commune có các protein có tính ổn định cao
trong điều kiện khô hạn chiếm 70% tổng protein hòa tan. Tế bào N. commune chứa
trehalose và saccharose có khả năng ổn định protein và bảo vệ tính toàn vẹn của màng tế
bào trong quá trình mất nước.
Các quần xã vi sinh vật trong môi trường khô cằn không phụ thuộc nguồn C và N
ngoại sinh vì sự hiện diện của vi sinh vật sản xuất quang tự dưỡng cố định nitơ.
Tầm quan trọng của nghiên cứu sinh vật có khả năng tồn tại trong môi trường khô
hạn cực trị:
– Cung cấp những hiểu biết về những địa điểm mà cuộc sống có thể tồn tại trong
những khu vực khô hạn cực trị trên trái đất từ đó giúp chúng ta thu hẹp và tập trung tìm
kiếm sự sống ngoài trái đất.
– Mở rộng những hiểu biết về đa dạng vi sinh vật trong các khu vực khô hạn cực trị
có thể sử dụng để đánh giá lịch sử về lượng mưa.
– Hi vọng xác định được các vi sinh vật oxy hóa khoáng có khả năng chịu được
nhiệt độ và khô hạn trong các quần thể mới hiện diện ở các sa mạc khô hạn để có thể lợi
dụng chúng cho các nhà máy khai thác khoáng để tách chiết các khoáng chất như đồng từ
quặng có nồng độ thấp.

189
5. MÔI TRƯỜNG THIẾU ÁNH SÁNG

5.1. Các miệng phun thủy nhiệt ở đáy biển sâu


Các miệng phun thủy nhiệt ở đáy biển sâu lần đầu tiên được mô tả vào năm 1977 bởi
các nhà địa chất. Các khu vực này nằm trên nền đại dương có sự đối lưu nhiệt được tạo
bởi magma, dòng nước nóng đan quyện với các dòng khoáng phun lên từ các đường nứt
hay còn gọi là miệng phun thủy nhiệt. Nhiệt độ lên đến 400 ℃ được tỏa ra từ các miệng
phun với tốc độ 15m/giây. Thêm vào đó, các dòng từ miệng phun không chứa oxy, thế
năng khử cao, pH 24 và giàu CO2, H2S, CH4, H2, Fe2+, Zn2+, Cu2+ và các kim loại chuyển
tiếp khác.
Dòng thủy nhiệt từ các miệng phun rất nóng chứa nhiều khoáng thế năng khử nên có
nhiều biến thiên của chất nhận điện tử tạo nền tảng cho các quần xã vi sinh vật hóa tự
dưỡng phát triển. Chúng duy trì sự sống cho toàn bộ quần xã dị dưỡng ở miệng phun từ vi
sinh vật đến động vật. Vì vậy, mạng lưới thức ăn của quần xã ở miệng phun dựa vào hóa
tự dưỡng, không giống quang tự dưỡng ở môi trường bề mặt.
Có ít nhất 3 cơ chế để chuyển nguồn C và năng lượng từ các quần thể vi khuẩn hóa
tự dưỡng đến các sinh vật tiêu thụ kế tiếp.

Hình 8–5. Quần thể giun ống Riftia pachyptila trưởng thành

– Mối quan hệ nội cộng sinh giữa các vi khuẩn ở miệng phun với động vật không
xương sống: loài giun ống Riftia pachyptila có hình dạng ống lớn và phát triển ở đáy biển
(Hình 8–5). Loài giun này không có miệng, ruột hay hệ thống tiêu hóa. Thay vì tiêu thụ vi
khuẩn, loài giun này có bề mặt bên trong là nơi ở của của vi khuẩn hóa tự dưỡng oxy hóa
lưu huỳnh. Cơ thể loài giun chứa đầy máu có chứa lượng lớn hemoglobin có thể bám H2S.
Dòng máu này vận chuyển H2S đến vi khuẩn. Vi khuẩn oxy hóa H2S và cố định CO2 tạo
thành các hợp chất hữu cơ để nuôi sống loài giun ống.

190
– Mối quan hệ nuôi dưỡng vi khuẩn. Vi khuẩn được nuôi dưỡng bởi loài trai hoặc
các loài động vật không xương sống trong phần phụ biệt hóa như xúc tu và mang. Những
động vật không xương sống này thu hoạch và tiêu thụ vi khuẩn theo định kỳ, giữ lại một ít
để bắt đầu mùa thu hoạch mới.
– Các sinh vật tiêu thụ bậc cao tiêu thụ trực tiếp các tế bào vi khuẩn tự do, chỉ nhị.
Cua, giáp xác, cá ăn thịt hay các loài vi khuẩn khác tiêu thụ trực tiếp các sinh vật sản xuất
tự dưỡng hóa học hoặc dị dưỡng hóa học.
Hang động đá vôi đại diện cho hệ sinh thái ngầm mà hoàn toàn không có sinh vật
sản xuất quang hợp. Hang động thường có tính đặc trưng của địa hình đá vôi. Không có
ánh sáng, hang động thường nhận nguồn C từ mặt đất nhờ dòng nước nhỏ giọt tạo nên sự
phát triển thạch nhủ rất đẹp hoặc từ dòng chảy xuyên qua hang động ổn định hoặc tức
thời. Tuy nhiên, đối với hang động ở sa mạc, các nguồn C hữu cơ từ ngoài vào theo giọt
nước hoặc dòng chảy rất hạn chế gây ra môi trường rất hạn chế dinh dưỡng.
Hang động Kartchner Caverns nằm ở sa mạc Sonoran, Arizona, Mỹ (Hình 8–5).
Phân tích pyrotag hoặc giải mã thế hệ mới với gần 2000 đơn vị phân loài (OTUs)/thạch
nhũ chỉ ra rằng không hi vọng có độ đa dạng cao của vi khuẩn trên bề mặt thạch nhũ trong
hang động Kartchner Caverns. Các đơn vị phân loài này được phân loại thành 21 ngành và
12 ngành khác đang tiếp tục nghiên cứu chúng là các sinh vật phát triển dị dưỡng chiếm
ưu thế. Bằng chứng của vi khuẩn tự dưỡng hóa thạch xuất phát từ quan sát thư viện tạo
dòng với trình tự đầy đủ của 16S RNA. Vi khuẩn Nitrospira lấy năng lượng từ oxy hóa
nitrite và vi khuẩn Leptospirillum lấy năng lượng từ oxy hóa sắt.

5.2. Hang động đá vôi ở sa mạc


Phân tích Metagenome được thực hiện để làm rõ cấu trúc quần xã và tìm kiếm bằng
chứng động năng tiềm tàng duy trì độ đa dạng các quần xã vi sinh vật ở thạch nhũ. Vi
khuẩn cổ đóng vai trò trong động lực học năng lượng ở hang động Kartchner Caverns
(Hình 8–6). Phân tích pyrotag 16S rRNA của các mẫu đất từ khắp thế giới cho thấy độ
phong phú của vi khuẩn cổ là 2%. Độ phong phú của vi khuẩn cổ tỷ lệ nghịch với tỷ lệ C:
N, có nghĩa là vi khuẩn cổ kháng lại hay thậm chế sinh sôi trong các điều kiện có dinh
dưỡng thấp như được tìm thấy trong hang động Kartchner.
Lợi ích của nghiên cứu hệ sinh thái hang động như Kartchner Caverns mang lại:
– Môi trường ở hang động dưới mặt đất nghèo chất dinh dưỡng là nguồn sinh sống
với một quần xã vi sinh vật tự dưỡng thạch hóa sinh sống theo chu trình tuần hoàn chất
chất dinh dưỡng không bình thường.
– Quan sát vi sinh vật đặc trưng ở đây cho ta những hiểu biết về phương thức tồn tại
của sự sống trong các hệ sinh thái khác nghèo chất dinh dưỡng như: đất dưới bề mặt hay
tầng đất ngậm nước, các sa mạc khô hạn hay thậm chí các hệ sinh thái ngoài trái đất. Ví dụ
191
như Kartchner cung cấp hình mẫu cho đánh giá vai trò của vi khuẩn cổ trong hệ sinh thái
đất nghèo chất dinh dưỡng.

Hình 8–6. Thạch nhũ ở hang động Kartchner Caverns, Mỹ

TÓM TẮT CHƯƠNG


Môi trường cực trị (extreme environments), nơi mà mọi động vật và thực vật không
thể tồn tại, vẫn có một số vi sinh vật sinh trưởng. Các môi trường cực trị ấy là những nơi
có một hay nhiều điều kiện rất khắc nghiệt như nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp, môi trường
khô và bức xạ cực tím, môi trường thiếu ánh sáng...
Nghiên cứu môi trường cực trị cung cấp những hiểu biết về những địa điểm mà sự
sống có thể tồn tại trong những môi trường cực trị trên trái đất từ đó giúp chúng ta thu hẹp
và tập trung tìm kiếm sự sống ngoài trái đất, cũng như ứng dụng chúng trong kỹ thuật di
truyền.

Giải thích thuật ngữ


1. Pyrolobus fumari là loại vi khuẩn cổ có khoảng nhiệt độ sinh trưởng từ 90 đến
113 C, trong đó nhiệt độ tối ưu ở 1050C, sống tại các “cột khói đen” ở các vùng biển sâu
0

trên 1000 m.
2. Cenarchacum symbiosum thuộc nhóm ưa lạnh (psychrophiles) sinh trưởng nhanh
nhất ở nhiệt độ 150C hoặc thấp hơn – được phân lập ở ngoài khơi bờ biển California.
3. Thermoplasma volcanium sinh trưởng tối ưu ở 550C và pH 2, được phân lập từ
các vùng có núi lửa ở nhiều nơi trên thế giới.

192
4. Picrophilus oshimae và P. toridus thuộc nhóm ưa acid (extreme acidophile) – có
pH tối ưu cho sinh trưởng là 3 hoặc thấp hơn nữa –đă được phân lập từ những vùng có núi
lửa ở miền bắc Nhật Bản.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP


1. Ý nghĩa của việc nghiên cứu hệ vi sinh vật trong môi trường cực trị đối với sản xuất và
đời sống?
2. Ứng dụng của việc nghiên cứu VSV trong môi trường khô hạn và bức xạ cực tím?
3. Đặc điểm của khu hệ sinh vật trong môi trường thiếu ánh sáng?
Chọn đáp án đúng nhất
4. Đặc tính nào sau đây không phải là đặc tính của Thiomargarita namibiensis?
a. Nó được coi là vi khuẩn lớn nhất thế giới
b. Nó tận dụng nitrate làm chất nhận điện tử trong một thời gian ngắn với
sunfuahydro (được sử dụng làm chất cho điện tử) bằng cách sử dụng một không bào lớn
để tập trung nitrate
c. Nó chuyển động trườn và chuyển động lên xuống bên trong một cái bao chứa các
chất dinh dưỡng mà nó cần
d. Tất cả các đặc điểm trên đều là đặc điểm của VSV lạ thường này.
5. Xét về các đặc điểm sinh lý, sinh thái vi khuẩn cổ có thể phân thành:
a. Vi khuẩn cổ sinh methane (methanogens)
b. Vi khuẩn cổ ưa nhiệt cao (hyper–thermophiles)
c. Vi khuẩn cổ ưa mặn (halophiles) và
d. Vi khuẩn cổ ưa acid (acidophiles)
f. Vi khuẩn cổ ưa nhiệt độ cao và ưa acid cao.
j. Cả 5 nhóm trên.
* Điền vào các chỗ trống
6. Các nhân tố gây sốc như nhiệt độ cao và độ muối cao có thể tạo ra các môi trường
…(a)……..không thuận lợi với nhiều sinh vật. Các cơ thể tồn tại được trong những
môi trường như vậy được gọi là……(b)...…
7. Các vi khuẩn sinh methane sẽ sử dụng…(a)…….và …(b)……để tạo ra methane.
8. Các môi trường nước được gọi là môi trường…..(a)...... vì rằng oxy khuếch tán chậm
chạp theo nước. Hơn nữa, độ hòa tan oxy trong nước bị hạn chế. Điều này có thể dẫn
đến sự tạo thành......(b)......(nồng độ oxy thấp) và các vùng.....(c)....(không có oxy, các
vùng này cho phép các VSV đặc thù phát triển.

193
Chương 9
VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ PHẾ THẢI

Mục tiêu
– Hiểu được một cách đầy đủ những tác hại to lớn của rác thải sinh hoạt, phế thải,
nước thải sinh hoạt và công, nông nghiệp.
– Trang bị kiến thức cho người học về bản chất của từng loại chất thải, nước thải.
– Nắm và vận dụng được những hiểu biết vào thực tiễn sản xuất và đời sống các biện
pháp, quy trình xử lý chất thải, nước thải bằng công nghệ sinh học chống ô nhiễm
môi trường và có thể tái sử dụng.

1. NGUỒN GỐC PHẾ THẢI VÀ BIỆN PHÁP XỬ LÝ

1.1. Nguồn gốc phế thải


Phế thải là gì? Phế thải là sản phẩm loại bỏ được thải ra trong quá trình hoạt động
sản xuất, chế biến của con người.
Phế thải có nhiều nguồn khác nhau: Rác thải sinh hoạt;rác thải đô thị;tàn dư thực
vật; phế thải do quá trình sản xuất, chế biến nông công nghiệp; phế thải từ các nhà máy
công nghiệp như nhà máy giấy, khai thác chế biến than, nhà máy đường, nhà máy thuốc
lá, nhà máy bia, nước giải khát, các lò mổ, các nhà máy xí nghiệp chế biến rau quả đồ
hộp...
Việt Nam là nước nông nghiệp có nguồn phế thải sau thu hoạch rất lớn, rất đa dạng.
Chương trình 1 triệu tấnđường đã để lại hàng chục vạn tấnbã mía, mùn mía và tàn dư phế
thải từ sản xuất, chế biến mía ra đường. Ngành công nghiệp chế biến xuất khẩu cà phê đã
thải ra môi trường hơn 20 vạn tấn vỏ/năm. Trên đồng ruộng, nương rẫy hàng năm để lại
hàngtriệu tấn phế thảilà rơm rạ, lõi ngô, cây sắn, thânlá thực vật... Ngoài ra còn có tới
hàng triệu tấn rác thải sinh hoạt. Tấtcảnguồn phế thải này một phần bị đốt, còn lạitrở
thànhrác thải, phế thải gây ônhiễm nghiêm trọng môi trường và nguồn nước, trong khi đất
đai lại thiếu trầm trọng nguồn dinh dưỡng cho cây và hàng năm chúng ta phải bỏ ra hàng
chục triệu USD để mua phân hóa học ở nước ngoài.
Phế thải được phân thành 3 nhóm sau:
+ Phế thải hữu cơ
+ Phế thải rắn
+ Phế thải lỏng

194
1.2. Biện pháp xử lý phế thải
Hiện nay nước ta có 4 biện pháp xử lý phế thải sau:
a) Biện pháp chôn lấp
Chôn lấp là phương pháp xử lý lâu đời, cổ điểnvà đơn giảnnhất. Phương pháp này
đòi hỏi nhiều diện tích đất, và thời gian xử lý lâu, có mùi hôi thối, sinh ra các khí độc như
CH4, H2S, NH3 rò rỉ, làm ô nhiễm đất, ô nhiễm nguồn nước. Ở nhiều nước để chống rò rỉ
người ta xây bể lớn, nhưng rất tốn kém và thời gian sử dụng bể khôngđược lâu. Biện pháp
này ngày càng bộc lộ nhiều khiếm khuyết.
b) Biện pháp đốt
Đây làbiện pháp tạm thời khi lượng phế thải quá nhiều. Biện pháp này gây ônhiễm
môi trường không khí rấtnhiêm trọng, gây hiệu ứng nhà kính và cácloạibệnh đường hô
hấp, mặt khác biện pháp này rất tốn nguyên liệu đốt. Đốt rác cũng sinh ra dioxin.
c) Biện pháp thải ra hồ, sông ngòi và đổ ra biển
Đây là biện pháp rất nguy hiểm, gâyô nhiễm không khí, nguồn nước, tiêu diệt sinh
vật sống dưới nước, gây ô nhiễm toàn cầu.

Hình 9–1. Biện pháp chôn lấp (trái), đốt (phải) gây ô nhiễm môi trường

d) Biện pháp sinh học


Hiện nay biện pháp sinh học để xử lý chất thải là biện pháp tối ưu nhất đang được tất
cả các nước sử dụng.
Biện pháp sinh học là dùng công nghệ VSV để phân hủy chất thải. Muốn thực hiện
được biện pháp này, điều quan trọng nhất là phải phân loại được phế thải, vì trong chất
thải còn nhiều phế liệu khó phân giải như túi polyethylene, vỏ chai lọ bằng thủy tinh và
nhựa, các loại phế liệu rắn, bền phân giải lâu.

195
2. SỬ DỤNG VI SINH VẬT XỬ LÝ RÁC THẢI SINH HOẠT

2.1. Thành phần của rác thải sinh hoạt


Khác với rác thải, phế thải công nghiệp, rác thải sinh hoạtlà một tập hợp không đồng
nhất. Tính không đồng nhất biểu hiện ngay ở sự không kiểm soát được của các nguyên
liệu ban đầu dùng cho sinh hoạt và thương mại. Sự không đồng nhất này tạo ra một số đặc
tính rất khác biệt trong các thành phần của rác thải sinh hoạt.
Một trong những đặc điểm rõ nhất ở phế thải đô thị Việt Nam là thànhphần các chất
hữu cơ chiếm tỷ lệ rất cao 55 –65%. Trong phế thảiđô thịcác cấu tử phi hữu cơ (kim loại,
thủy tinh, rác xây dựng...) chiếm khoảng 12 –15%. Phần còn lại là các thành phần khác.
Cơ cấu thành phần cơ học trên của phế thải đô thị khôngphải là những tỷ lệ bất biến mà
biến động theo các tháng trong năm và thay đổi theo mức sống của cộng đồng.
Ở các nước phát triển, do mức sống của người dân cao cho nên tỷ lệ thành phần hữu
cơ trong rác thải sinh hoạt thường chỉ chiếm 3540%. So với thế giới thì rác thải đô thị có
tỷ lệ hữu cơ cao hơn rất nhiều nên việc xử lý rác thải sinh hoạt ở Việt Nam bằng công
nghệ VSV để sản xuất phân hữu cơ vi sinh là rất thuận lợi.
Trong các thành phần hữu cơ của rác sinh hoạt, thành phần hóa học của chúng chủ
yếu là C, H, O, N, S và các chất tro (Bảng 9–1).

Bảng 9–1.Thành phần hữu cơ của rác thải đô thị (*)

Thành phần Hàm lượng %


hữu cơ C H O N S Tro
Thực phẩm 48, 0 6, 4 37, 6 2, 6 0, 4 5, 0
Giấy 43, 5 6, 0 44, 0 0, 3 0, 2 6, 0
Cartoon 44, 0 5, 9 44, 6 0, 3 0, 2 5, 0
Chất dẻo 60, 0 7, 2 22, 8   10, 0
Vải 55, 0 6, 6 31, 2 1, 6 0, 15 
Cao su 78, 0 10, 0  2, 0  10, 0
Da 60, 0 8, 0 11, 6 10, 0 0, 4 10, 0
Gỗ 49, 5 6, 0 42, 7 0, 2 0, 1 1, 5

(*) Nguồn: Đề tài cấp Nhà nước KHCN 02 – 04.

Từ bảng trên cho thấy rác thải đô thị nếu để phân hủy một cách vô tổ chức thì môi
trường, đặc biệt là nguồn nước sẽ bị ô nhiễm một cách trầm trọng. Ngược lại, nếu được xử
lý tốt sẽ tạo ra nguồn dinh dưỡng khổng lồ trả lại cho đất, cung cấp dinh dưỡng cho cây,
tạo ra được sự cân bằng về sinh thái.

196
2.2. Vi sinh vật phân giải rác thải sinh hoạt
2.2.1. Vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ chứa cellulose
Trong tự nhiên VSV phân giải cellulose vô cùng phong phú bao gồm vi khuẩn; nấm;
xạ khuẩn; nguyên sinh động vật...
+ Vi khuẩn: Là nhóm VSV lớn nhất và cũng được nghiên cứu nhiều nhất. Từ thế kỷ
XIX các nhà khoa học đã pháthiện thấy một số loại vi khuẩn kị khí có khả năng phân giải
cellulose. Những năm đầu thế kỷ XX người ta phân lập được các vi khuẩn hiếu khí cũng
có khả năng này. Trong các vi khuẩn hiếu khí phân giải cellulose thì niêm vi khuẩn có vai
trò lớn nhất, chủ yếu là các chi Arzotobacter, Achromobacter, Pseudomonas, Cellulomo-
nas, Vibrio, Cellvibrio, Bacillus, Cytophaga, Angiococcus, Polyangium, Sorangium… (vi
khuẩn hiếu khí).
Nhiều tác giả còn phân lập tuyển chọn trong đống ủ phế thải có Clostririum, Pseu-
domonas chứa phức hệ enzyme cellulose. Acteromobacter, Cytophaga, Sporocytophaga
và Sorangium, Sporocytophaga.
+ Nấm sợi: Nấm sợi (hay nấm mốc) phân giải cellulose mạnh hơn vi khuẩnvì chúng
tiết vào môi trường lượng enzyme ngoại bào nhiều hơn vi khuẩn. Vi khuẩn thường tiết vào
môi trường phức hệ enzyme cellulase không hoàn chỉnh chỉ thủy phân được cơ chất như
giấy lọc và CMC, còn nấm tiết vào môitrườnghệ thống cellulase hoàn chỉnh nên có thể
thủy phân cellulose hoàn toàn. Cácloạinấmphân hủy cellulose mạnh là Trichoderma,
Penicillium, Phanerochate, Sporotrichum, Sclerotium.
Nấm ưa nhiệt có thể tổng hợp các enzyme bền nhiệt hơn, sinh trưởng và phân giải
nhanh cellulose. Nấm có thể phát triển ở pH = 3, 5 –6, 6.
Nguồn carbon giúp cho nấm phân giải mạnhcellulose. Trong phế thải chứa nhiều
nitrate cũng khích thích nấm phân giải cellulose, nguồn nitơ hữu cơ cũng giúp cho nấm
phân giải cellulose mạnh hơn.
+ Xạ khuẩn: Xạ khuẩn có tác dụng phân giải phế thải khá mạnh.Người ta chia xạ
khuẩn thành 2 nhóm: Xạ khuẩn ưa ấm, chúng phát triển mạnh ở nhiệt độ 28 –30oC, và
xạkhuẩnưa nhiệt, chúng có thể phát triển mạnh ở nhiệt độ 50 –55oC.
Trong đống ủ phế thải người ta tìm thấynhiềuloạixạkhuẩn, đó làActinomyces,
Streptomyces, Frankia, Nocardia, Actinopolyspora, Actinosynoema.
2.2.2. Vi sinh vật phân giải hemicellulose
Vi sinh vật phân giải hemicellulose thường có trong dạ dày của động vật nhai lại
như trâu bò, chủ yếu là cácgiống Ruminococcus, Bacillus, Bacteroides, Butyvibrio,
Clostridium và nhiều loại nấm sợi như Aspegillus, Penicillium, Trichoderma.
2.2.3. Vi sinh vật phân giải lignin
Vi sinh vật phân giải lignin là những giống có khả năng tiết ra enzyme ligninase,
gồm có nấm Basidiomycetes, Acomycetes, nấmbất hoàn. Vi khuẩngồm Pseudomonas,
Xanthomonas, Acinebacter. xạ khuẩn Streptomyces.

197
3. SỬ DỤNG VI SINH VẬT XỬ LÝ NƯỚC THẢI

3.1. Nguồn nước thải


Nước thải từ nhiều nguồn khác nhau: nước thải sinh hoạt; nước thải từ các nhà máy
công nghiệp (nhà máy giấy, nhà máy dệt, nhà máy hóa chất, các nhà máy khai thác quặng,
than, nhà máy đường, nhà máy bia...); nhà máy chế biến thực phẩm (các lò giết mổ, đông
lạnh, đồ hộp xuất khẩu, hoa quả...).
Theo thống kê của Trung tâm Môi trường vệ sinh thủy sản, cứ 100 nghìn tấn nguyên
liệu chế biến thủy hải sản xuất khẩu thì có 50 nghìn tấn phế thải rắn, 10 nghìn tấn thịt vụn
kèm với 3 triệu m3nước thải, ngoài ra còn nhiều hóa chất độc hại được thải ra môi trường
trong quá trình chế biến sản xuất (Dự án TTM.TS 1998). Chỉ tính riêng vùng Đồng bằng
sông Hồng, tổng sản lượng thịthơiđạt 450 480 nghìn tấn, sản lượng thủy sảnđạt 161 nghìn
tấn, sản lượng rau quảđạt hàng trăm nghìn tấn (nguồn Vũ Năng Dũng, NXBNN, 2001).
Theo tài liệu của nhà máy giấy Bãi Bằng –Phú Thọ, cứ sản xuất được 1000 tấn giấy
phải thải ra 25 –30 triệu m3 nước từ các cửa thải khác nhau: Nước thải rửa gỗ, nước thải
rửa do quá trình thủy phânvà chưng cất, nước thải rửa trong quá trình tẩy bột kiềm, nước
thải rửa trong quá trình trung hòa, nước thải rửa lò than... Trong các loại nước thải này
chứa rất nhiều độc tố như các hợp chất hữu cơ, hợp chất chlor, sulfate, CaO, các acid dư
thừa, các ion kim loại nặng độc hại (Hg, Cd, Pb, NaOCl), sạn, cát gỗ vụn...
Nước thải được phânlàm 2 loại chính sau:
3.1.1. Nước thải sinh hoạt
Là nguồn nước thải của các khu dân cư tập trung từ sinh hoạt của con người (ăn uống,
tắm giặt, phân thải, nước tiểu của người) và gia súc gia cầm hàng ngày được thải ra vào các
hệ thống cống rãnh của khu dân cư. Trong nước thải loại này chứa nhiều phân rác, các hợp
chất hữu cơ và các muối hòa tan, đặc biệt là chứa nhiều loại VSV gây bệnh, các loại trứng
giun, sán. Đây là loại nước thải phổ biến và số lượng rất lớn. Mức độ ô nhiễm của nó phụ
thuộc vào trình độ văn minh, trình độ dân trí của từng khu dân cư, từng quốc gia.
3.1.2. Nước thải công nghiệp
Là nước thải của một nhà máy hay khu công nghiệp tập trung với các loại hìnhsản
xuất rất khác nhau, vì vậy trong nước thải công nghiệp rất đa dạng, rất nhiều chủng loại
hợp chất khác nhau và độ độc hại gâyô nhiễm môi trường cũng rất khác nhau.
+ Các nhà máychế biến thực phẩmnhưđường, rượubia, đồ hộp, lò giết mổ gia súc gia
cầm, nhà máy chế biến thủy sản...
+ Các nhà máy sản xuất nguyên vật liệu như giấy, xà phòng, công nghiệp dệt, công
nghiệp hóa dầu, sản xuất các loại hóa chất...

198
Trong nước thải công nghiệp, ngoài chứa hàm lượng cao các hợp chấthữu cơ như
protein, các dạng carbohydrate, dầu mỡ (từ các công nghệ chế biến thực phẩm),
hemicellulose, lignin (công nghiệp sản xuất giấy), còn có các hợp chất hóa học khó phân
hủy như các hợp chất vòng thơm có N, các alkyl benzenesulfonate (công nghiệp sản xuất
bột giặt), các loại dung môi, các kim loại nặng như Pb, Hg, As...
Nhìn chung nước thải công nghiệp so với nước thải sinh hoạt có các chỉ số BOD
(nhu cầu oxy sinh hóa) và COD (nhu cầu oxy hóa học) cao hơn rất nhiều. Nước thải công
nghiệp có độ ô nhiễm cao hơn so với nước thải sinh hoạt.
Theo Luật Bảo vệ môi trường, mỗi nhà máy, xí nghiệp phải có công trình xử lý nước
thải trước khi xả ra hệ thống thoát nước chung. Thực tế hiện nay cho thấy, quy định nói
trên chưa được thực hiện nghiêm túc nên dẫntới ônhiễm hệ thống nước mặt, nước ngầm,
ônhiễm môi trường sinh thái khá trầm trọng ở nhiều nơi trên đất nước ta.

3.2. Khu hệ vi sinh vật và các tác nhân gây bệnh trong nước thải
3.2.1. Khu hệ vi sinh vật trong nước thải
Mỗi loại nước thải có hệ VSV đặc trưng. Nước thải sinh hoạt do chứa nhiều chất
hữu cơ giàu dinh dưỡng dễ phân giải nên chứa nhiều vi khuẩn, thông thường từ vài triệu
đến vài chục triệu tế bào trong 1ml.
 Vi khuẩn gây thối: Pseudomonas fluorecens, P. aeruginosa, Proteus vulgaris,
Bac. cereus, Bac. subtilis, Enterobacter cloacae...
 Các vi khuẩnphân giảiđường, cellulose, urea:Bac.cellosae, Bac. mesentericus,
Clostridium, Micrococcus urea, Cytophaga sp.
 Các vi khuẩn gây bệnh đường ruột: Nhóm Coliform làVSV chỉ thị cho mức độô
nhiễm phân trong nước ở mức độ cao, có thể dao động từ vài chục nghìn đến vài trăm
nghìn tế bào/ml nước thải.
Trong nước thải hữu cơ VSV hình ống giữ vai trò quan trọng, phải kể đến vi khuẩn
Sphaerptilus natans, thường hay bị nhầm với nấm nước thải, nó phủ lên bề mặt tế bào một
lớp nước cực bẩn, thường tạo thànhcác sợi hoặc các búi, khi bị vỡ ra sẽ trôi nổi đầy trên
mặt nước. Nhóm này thường phát triển mạnh ở nước nhiều oxy. Ngoài ra vi khuẩn
Sphaerptilus natans thường thấy ở các nhà máy thải ra nhiều cellulose và nhà máychế biến
thực phẩm. Bên cạnh vi khuẩn, người ta còn gặp nhiều loại nấm, nhất là nấm men
Saccharomyces, Candida, Cryptococcus, Rhodotorula, Leptomitus lacteus, Fusarium
aquaeducteum...
Ngoài ra còn có vi khuẩnoxy hóa lưuhuỳnh như:Thiobacllus, Thiothrix, Beggiatoa;
vi khuẩn phản nitrate hóa: Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans.
Trong nước thải chứa dầu người ta tìm thấy vi khuẩn phân giải hydrocarbon:
Pseudomonas, Nocardia...

199
Trong nước thải còn có tập đoàn tảo khá phong phú, chúng thuộc tảo silic:
Bacillariophyta, tảo lục: Chlorophyta, tảo giáp: Pyrrophyta.
3.2.2. Các tác nhân gây bệnh trong nước thải
Ngoài những nhóm sinh lý khác nhau của VSV có trong nước thải như đãnói ở trên,
người ta còn đặc biệt quan tâm đến sự có mặt của các VSV gây bệnh, đặc biệt ở những
vùng có hệ thống vệ sinh chưa hợp lý.
Các VSV gây bệnh thường không sống lâu trong nước thải vì đây khôngphảilà môi
trường thích hợp, nhưng chúng tồn tại trong một thời gian nhất định tùy từng loài để gây
bệnh truyền nhiễm cho người và động, thực vật. Trong số những VSV gây bệnh nguy
hiểm phải kể đến một số sau:
+ Vi khuẩn gây bệnh thương hàn (Salmonella dyenteria), vi khuẩn này sống được
trong nước tùy thuộc vào chất dinh dưỡng và nhiệt độ của nguồn nước. Thông thường
chúng sống được trong vòng 20 25 ngày vào mùa hè và 60 70 ngày vào mùa đông.
+ Vi khuẩn gây bệnh kiết lỵ (Shigella), sống tối đa 10 15 ngày ở nhiệt độ 20 22oC
trong nước thải, ở nhiệt độ càng thấp chúng càng sống lâu hơn.
+ Xoắn khuẩn (Leptospira), gây nên những chứng bệnh sưng gan, sưng thận và tê
liệt hệ thần kinh trung ương. Chúng có thể sống 30 33 ngày trong nước thải ở nhiệt độ
25oC.
+ Vi khuẩn đường ruột (E. coli), có thể sống trong nước bẩn 9 14 ngày ở nhiệt độ
20 22oC.
+ Vi khuẩnlao (Mycobacterium tuberculosis), sống tối đa được 3 tuần trong
nướcthải ở nhiệt độ 20 25oC.
+ Phẩy khuẩn tả (Vibrio cholerae), sống tối đa 13 15 ngày trong nước thải.
+ Các virus Adenovirus, Echo, Coxsackie sống tối đa 15 ngày.
Các vi khuẩn gây bệnh trên phân tán chậm trong đất khô, trong nước phân tán theo
chiều ngang cũng ít (khoảng 1 m), trong khi đó ảnh hưởng theo chiều sâu khá nhiều
(khoảng 3 m).

3.3. Vai trò tự làm sạch nước thải của vi sinh vật
Một hiện tượng rất được quan tâm trong tự nhiên đó là quá trình tự làm sạch nguồn
nước thải do các yếu tố sinh học, trong đó VSV đóng vai trò chủ chốt.
Các ao hồ, sông, ngòi, biển luôn trong tình trạng bẩn với mức độ khác nhau do rác
thảivà nước thải của con người. Nhờ quá trình tự làm sạch mà các chất bẩn thường
xuyênđược loại ra khỏi môi trường nước.
Quá trình tự làm sạch nước thải nhờ các quá trình vật lý –hóa học là sự sa lắng và
oxy hóa giữ một vai trò quan trọng, song đóng vai trò quyết định vẫn là quá trìnhsinh học.

200
Tham gia vào quá trình tự làm sạch có rất nhiều chủng, giống sinh vật, từ các loại cá,
chim, đến các nguyênsinh động vật và VSV.
Tại chỗ nước thải đổ ra thường tụ tập nhiều loại chim, cá, chúng sử dụng các phế thải
từ đồ ăn và rác làm thức ăn; tiếp sau đó là các độngvật bậc thấp như ấu trùng của côn trùng,
giun và nguyên sinh động vật, chúng sử dụng các hạt thức ăn cực nhỏ làm nguồn dinh
dưỡng. Song vai trò của vi khuẩn và nấm men có tính quyết định quá trìnhtự làm sạch này,
chúng đã phân hủy chuyển hóa các chất hữu cơ thànhcác chất đơn giản hơn và cuối cùng là
cácmuối vô cơ, CO2. Nói cáchkháclà trong điều kiện thuận lợi cho VSV, chúng có khả năng
khoáng hóa một cách hoàn toàn nhiều chất bẩn hữu cơ để làm sạch nước.
Bên cạnh vi khuẩn, nấmmen còn có nấmmốc và tảođóng vai trò quan trọng trong
việc chuyển hóa các chấtbẩn gây ô nhiễm môi trường khác. Trong nước thải, thông qua
hoạt động sống của mình tảo cung cấp oxy cho môi trường, ngoài ra còn tiết vào môi
trường chất kháng sinh là vũ khí lợi hại để tiêu diệt mầm bệnh có trong nước thải, nhất là
khu hệ VSV gây bệnh đường ruột. Tảo còn gây cản trở sự phát triển của một số VSV gây
bệnh khác, cạnh tranh nguồn dinh dưỡng của chúng; tảo còn tiết ra một số chất kích thích
cho sự phát triển của VSV hữu ích trong môi trường nước thải. Trong nước thải, vai trò rất
to lớn của tảo còn là ở khả năng hấp thụ các kim loại nặng như Pb, Cd, As, Cu... và các tia
phóng xạ.
Thông thường protein, đường, tinh bột được phân giải nhanh nhất, còn cellulose,
lignin, mỡ, sáp bị phângiải chậm hơn nhiều và sự phângiải xảy ra khônghoàn toàn, vì vậy
hệ VSV cũng thay đổi theo quá trìnhphângiải và thànhphần các hợp chất chứa trong nước
thải đó để làm sạch môi trường nước.
Cường độ tự làm sạch nước thải còn phụ thuộc vào một số yếu tố sau:
+ Cường độ làm sạch thường cao ở những nơi có dòng chảy mạnh do có sự trao đổi
khí giữa nướcvàmôi trườngkhông khí xảy ra mạnh. Khi đó mặt nướccónhiều oxy.
Ngượclại ở những thủy vực thiếu sự chuyển động của nước như ao tù thì nước thải bị ứ
đọng, thiếu oxy, sự phân giải các chất bẩn kém. Quá trình tự làm sạch bị cản trở.
+ Cường độ tự làm sạch nước thải cũng thay đổi theo mùa: mùa hècường độ xảy ra
mạnh hơn mùa đông, ánh sáng nhiều thì cường độ tự làm sạch xảy ra mạnhhơn.
+ Cường độ tự làm sạch nước thải ở vùng nhiệt đới xảy ra mạnh hơn ở vùng ôn đới,
vùng hàn đới.

4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHẾ THẢI

4.1. Xử lý nước thải


Hiện nay xử lý nước thải có các phương pháp chủ yếu sau:

201
4.1.1. Xây dựng trạm xử lý nước thải
Muốn xây dựng được trạm xử lý nước thải phải dựa trên nguyên lý tổ hợp công trình
xử lý nước thải là một chuỗi liên hoàn các hạng mục công trình xử lý từng cấp nhằm giảm
dần các chất muốn loại bỏ trong bản thân nước thải cho đến khi chúng đạt được các yêu
cầu sạch cần thiết. Lượng nước sau khi đi qua tổ hợp công trình có thể được xả ra nguồn
nước chung hoặc quay vòng một phần hoặc toàn thể lại nhà máy sản xuất (hình 9–2).

Hình 9–2. Tổ hợp một công trình xử lý nước thải (http://www.yeumoitruong.vn/)

Sơ đồ xử lý nước thải sinh hoạt và công, nông nghiệp bằng bể lắng.

Giã ¸nh s¸ng mÆt trêi

D2
HiÕu khÝ
T¶o

Nuíc th¶i
CO 2, NH 3, PO 3
4, H2O Tïy tiÖn
O2
CÆn l¾ng
Vi khuÈn
......
Vi khuÈn CH 4 + CO 2 + NH 3 KÞ khÝ

Hình 9–3. Sơ đồ hoạt động ở hồ oxy hóa

202
Ng¨n tiÕp nhËn VSV hiÕu khÝ & kÞ khÝ
M¸y nghiÒn r¸c
Song ch¾n r¸c

BÓ l¸t c¾t ngang S©n ph¬i r¸c

BÓ lµm tho¸ng ChÕ phÈm VSV

BÓ l¾ng ®ît I

BÓ Aeroten BÓ methane

BÓ l¾ng ®ît II BÓ nÐn bïn ly t©m

M¸ng trén S©n ph¬i bïn

BÓ tiÕp xóc ngang VSV h÷u hiÖu Bïn kh«

Ra s«ng Lµm ph©n bãn


Hình 9–4. Sơ đồ xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ vi sinh vật

4.1.2. Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học


1) Khái niệm về xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học
Trong các biện pháp xử lý nước thải, biện pháp sinh học được quan tâm nhiều nhất
và cũng cho hiệu quả cao nhất. So với biện pháp vật lý và hóa học thì biện pháp sinh học
chiếm vai trò quan trọng về quy mô cũng như giá thànhđầu tư, do chi phí cho một đơn vị
khối lượng chất khử là ít nhất. Đặc biệt xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học sẽ
không gây táiô nhiễm môi trường  một nhược điểm của biện pháp hóa học hay mắc phải.
Biện pháp sinh học là sử dụng đặc điểm rất quý của VSV, đặc điểm này đã thu hút
và thuyết phục được các nhà khoa học và các nhà đầu tư, đó là khả năngđồnghóa được
nhiều nguồn cơ chất khác nhau của VSV: tinh bột, cellulose, các nguồn dầu mỏ và dẫn
xuất của nó đến các hợp chất cao phân tử như protein, lipid, các kim loại nặng như chì,
thủy ngân, asen...
Thực chất của phương pháp sinh học là nhờ hoạt động sống của VSV (sử dụng các
hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và
nănglượng) để biến đổi các hợp chất hữu cơ cao phân tử trong nước thải thành các hợp
chất đơn giản hơn. Trong quá trình dinh dưỡng này VSV sẽ nhận được các chất làm
nguyênliệu để xây dựng cơ thể do vậy sinh khối VSV tăng lên.
203
Biện pháp sinh học có thể làm sạch hoàn toàn các loại nước thải công nghiệp chứa
các chất bẩn hòa tan hoặc phân tán nhỏ. Do vậy biện pháp này thường dùng sau khi loại
bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải. Đối với nước thải chứa các tạp chất vô cơ
thì biện pháp này dùng để khử các muối sulfate, muối ammoium, muối nitrate là những
chất chưa bị oxy hóa hoàn toàn.
2) Điều kiện để xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học
Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học có nhiều ưu điểm và được sử dụng rộng rãi.
Tuy nhiên việc áp dụng biện pháp này cần những điều kiện nhất định sau: thành phần các
hợp chất hữu cơ trong nước thải phải là những chất dễ bị oxy hóa, nồng độ các chất độc
hại và các kim loại nặng phải nằm trong giới hạn cho phép. Chính vì vậy khi xử lý nước
thải cần điều chỉnh nồng độ các chất này sao cho phù hợp.
Ngoài ra, các điều kiện môi trường như lượng O2, pH, nhiệt độ của nước thải...
cũngphải nằm trong giới hạn nhất định để bảo đảm sự sinh trưởng, phát triển bình thường
của các VSV tham gia trong quá trình xử lý nước thải (Bảng 9–2).
3) Thành phần và cấu trúc các loại vi sinh vật tham gia xử lý nước thải
Yếu tố quan trọng nhất của biện pháp sinh học để xử lý nước thải là sử dụng bùn
hoạt tính (activated sludge) hoặc màng VSV.
Bùn hoạt tính hoặc màng VSV là tập hợp các loại VSV khác nhau. Bùn hoạt tính là
bông màu vàng nâu dễ lắng, có kích thước 3 –150 mm. Những bông này bao gồm các
VSV sống và cơ chất rắn (40%). Những VSV sống bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm
mốc, một số nguyên sinh động vật, dòi, giun...

Bảng 9–2. Nồng độ giới hạn cho phép của các chất trong nước thải
để xử lý theo biện pháp sinh học

Tên chất Ccp* Tên chất Ccp*


Acid acrylic 100 Mỡ bôi trơn 100
Rươu amylic 3 Acid butyric 500
Aniline 100 Đồng (ion) 0, 4
Acetaldehyde 750 Metacrylamide 300
Acid benzoic 150 Rượu methylic 200
Benzene 100 Acid monochloracetic 100
Vanadium (ion) 5 Arsen (ion) 0, 2
Vinyl acetate 250 Nickel (ion) 1
Vinilinden chlorur 1000 Sản phẩm của dầu 100
Hydroquinol 15 Pyridine 400
Acid dichloacetic 100 Triethylamine 85

204
Dichlocyclohexane 12 Trinitrotoluene 12
Diethylamine 100 Triphenylphosphate 10
Diethyleneglycol 300 Phenol 1000
Caprolactan 100 Formaldehyde 160
Rezorcin 100 Chlorobenzene 10
Amon rodanua 500 Toluene 200
Chì (ion) 1 Sulfanol 10
Acid stearic 300 Antimon (ion) 0, 2
Sulfur (theo H2S) 20 Crezol 100
Kerosene (dầu lửa) 500 Tributylphosphate 100
Lactonitryl 160

* Ghi chú: Ccp* là nồng giới hạn cho phép của các chất (g/m3 nước thải)

Màng vi sinh vật phát triển ở bề mặt các hạt vật liệu lọc có dạng nhầy dày từ 1 –3
mm hoặc lớn hơn. Màu của nó thay đổi theo thành phần của nước thải, từ vàng sáng đến
nâu tối. Màng vi sinh vật cũng bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và nguyên sinh
động vật khác. Trong quá trình xử lý, nước thải sau khi qua bể lọc sinh vật có mang theo
các hạt của màng sinh vật với các hình dạng khác nhau, kích thước từ 15 –30 nm có màu
vàng xám và nâu.
Muốn đưa bùn hoạt tính vào các thiết bị xử lý, cần thực hiện một quá trình gọi là
"khởi động", là quá trìnhlàm cho loại bùn gốc ban đầu (thường kém về khả năng lắng và
hoạt tính)được nuôi dưỡng để trở thành loại bùn có hoạt tính cao và có tính kết dính tốt.
Có thể gọi đó là quá trình “hoạt hóa” bùn hoạt tính. Cuối thời kỳ “khởi động” bùn sẽ có
dạng hạt. Các hạt này có độ bền cơ học khác nhau, có mức độ vỡ ra khác nhau khi chịu tác
độngkhuấy trộn. Sự tạo hạt của bùn ở dạng này hay dạng khác phụ thuộc vào tính chất và
nồng độ của bùn gốc, chất lượng môi trường cho thêm vào để hoạthóa bùn, phương thức
hoạt hóa và cuối cùng là thành phần các chất có trong nước thải.
Loại bùn gốc tốt nhất lấy ở các thiết bị xử lý nước thải đang hoạt động. Nếu không
có loại này thì có thể lấy loại bùn chưa thích nghi như từ các bể xử lý theo kiểu tự hoại,
bùn cống rãnh, kênhrạch ô nhiễm nhiều, bùn phân lợn, phân bò đã phân hủy... Các VSV
chứa trong bùn này nghèo về số lượng, nhưng đa dạng về chủng loại.
4) Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên
Cơ sở khoa học của biện phápnày là dựa vào khả năngtự làm sạch của đất và nước
dưới tác động của các tác nhânsinh học có trong tự nhiên, nghĩalà thôngqua hoạt động
tổng hợp của các tác nhân từ động vật, thực vật đến VSV để làm biến đổi nguồn nước thải

205
bị nhiễm bẩn bởi các hợp chất hữu cơ và vô cơ.Từ đó tiến tới giảmđược các chỉ số COD
và BOD của nước thải xuống tới mức cho phép khiến các nguồn nước này có thể sử dụng
để tưới cho cây trồng hay dùng để nuôi các loại thủy sản.
Biện pháp xử lý này thường áp dụng đối với các loại nước thải công nghiệp có độ
nhiễm bẩn không cao hoặc nước thải sinh hoạt.
Việc xử lý nước thải này được thực hiện bằng các cánh đồng tưới, bãi lọc hoặc hồ
sinh học. Diễn biến của quá trình xử lý như sau:
Cho nước thải chảy qua khu ruộng đang canh tác hoặc những cánh đồng không canh
tác được ngăn bờ tạo thành những ô thửa, hay cho chảy vào các ao hồ có sẵn. Nước thải ở
trong các thủy vực này sẽ thấm qua các lớp đất bề mặt, cặn sẽ được giữ lại ở đáy ruộng
hay đáy hồ, ao. Trong quá trình tồn lưu nước ở đây, dưới tác dụng của các VSV cùng các
loại tảo, thực vật sẽ xảy ra quá trình oxy hóa sinh học, chuyển hóa các hợp chất hữu cơ
phức tạp thànhcác chất đơn giản hơn, thậm chí có thể được khoáng hóahoàn toàn. Như
vậy, sự có mặt của oxy không khí trong các mao quản của đất hoặc oxy được thải ra do
hoạt động quang hợp của tảo và thực vật sẽ là yếu tố quan trọng cần cho quá trình oxy hóa
nguồn nước thải. Càng xuống lớp đất dưới sâu lượng oxy càng ít, vì vậy ảnh hưởng xấu
đến quá trình oxy hóa làm cho quá trình oxy hóa nước thải giảm dần. Đến độ sâu nhất
định, thì chỉ còn nhóm VSV kị khí khử nitrate trong nước thải.
Ở quá trình xử lý này, nguồn nước thải đã qua xử lý được sử dụng tưới cho cây
trồng hoặc nuôi trồng thủy sản. Tùy theo phương pháp xử lý khác nhau mà nguồn nước
thải sau xử lý được sử dụng khác nhau:
Ví dụ: Nếu xả nước thải ra đồng ruộng hay khu đất ở ngoài đồng, thì sau khi xử lý
nguồn nước này thường được sử dụng tưới cho cây trồng, còn nếu xả vào ao, hồ thì sau
khi xử lý nước được dùng để nuôi trồng thủy sản (tôm, cá...).
5) Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo
+ Xử lý hiếu khí
Nguyên lý chung của quá trình xử lý sinh học hiếu khí: Khi nước thải tiếp xúc với
bùn hoạt tính, các chất thải có trong môi trường như các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo
và phântán nhỏ sẽ được chuyển hóa bằng cách hấp thụ và keo tụ sinh học trên bề mặt các
tế bào VSV. Tiếp đó là giai đoạn khuếch tán và hấp thụ các chất bẩn từ mặt ngoài của tế
bào vào trong tế bào qua màng bán thấm (màng nguyên sinh), các chất vào trong tế bào
dưới tác dụng của hệ enzyme nội bào sẽ được phân hủy. Quá trình phân hủy các chất bẩn
hữu cơ xảy ra trong tế bào chất của tế bào sống là các phảnứng oxy hóa khử, có thể biểu
diễn ở dạng sau:

206
C¸c chÊt + O Vi sinh vËt S¶n phÈm cña qu¸ tr×nh + S¶n phÈm ®uîc
2
bÈn h÷u c¬ C¸c chÊt dinh duìng oxy hãa ®uêng (®uêng, tæng hîp (TBVSV,
ruîu..., CO2, H 2O) c¸c s¶n phÈm kh¸c)

* Yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải
Để tạo điều kiện cho quá trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều
kiện hiếu khí cần điều chỉnh các yếu tố môi trường sau:
+ Oxy (O2): Trong các công trình xử lý hiếu khí O2 là thànhphần cực kỳ quan trọng
của môi trường, vì vậy cần đảm bảo đủ O2liên tục trong suốt quá trình xử lý nước thải và
hàm lượng O2 hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt hai không nhỏ hơn 2 mg/lít.
+ Nồng độ các chất bẩn hữu cơ phải thấp hơn ngưỡng cho phép. Nếu nồng độ các
chất bẩn hữu cơ vượt quá ngưỡng cho phép sẽ ảnh hưởng xấu đến hoạt động sống của
VSV, vì vậy khi đưa nước thải vào các công trình xử lý cần kiểm tra các chỉ số BOD,
COD của nước thải. Hai chỉ số này phải có nồng độ nhỏ hơn 500 mg/lít.Nếu dùng bể
aeroten thì BODtp (nhu cầu oxy sinh hóa thành phần) khôngđược quá 1000 mg/lít, nếu chỉ
số BODtp vượt quá giới hạn cho phép thì cần lấy nước ít ô nhiễm hoặc không bị ô nhiễm
để pha loãng.
+ Nồng độ các chất dinh dưỡng cho VSV: Để VSV tham gia phân giải nước thải một
cách có hiệu quả cần phải cung cấp cho chúng đầy đủ các chất dinh dưỡng. Lượng chất
dinh dưỡng cho VSV khôngđược thấp hơn giá trị trong (Bảng 9–3).
Ngoài nguồn nitơ và phosphor có nhu cầu như đã nêu ở bảng trên, cácnguyên tố
dinh dưỡngkhoángkhác nhưK, Ca, S... thường đã có trong nước thải do đó không cần phải
bổ sung. Nếu thiếu nitơ thì ngoài việc làm chậmquá trình oxy hóa còn làm cho bùn hoạt
tính khó lắng và dễ trôi theo nước ra khỏi bể lắng.

Bảng 9–3. Nồng độ các chất dinh dưỡng cho VSV để xử lý nước thải
(theo M.X.Moxitrep, 1982)

BODtp của nước thải Nồng độ nitơ trong muối Nồng độ phosphor trong P2O5
(mg/lít) ammonium (mg/l) (mg/l)

<500 15 3
500 1000 25 8

207
Hình 9–5: Bể lọc nước thải sinh học

Để xác định sơ bộ lượng các chất dinh dưỡng cần thiết đối với nhiều loại nước thải
công nghiệp, có thể chọn tỷ lệ sau:
BODtp :N : P = 100 :5 : 1
Ngoài ra các yếu tố khác của môi trường xử lý như pH, nhiệt độ cũng ảnh hưởng
đáng kể đến quá trình hoạt động sống của VSV trong các thiết bị xử lý. Thực tế cho thấy
pH tối ưu trong bể xử lý hiếu khí là 6, 5 – 8, 6; nhiệt độ ở 6 –37oC.
* Để xử lý nước thải theo biện pháp hiếu khí thường sử dụng hai loại công trình là
bể lọc sinh học (biofilter) và bể sục khí (aeroten).
 Bể lọc sinh học: Là thiết bị xử lý nước thải dựa trên nguyên tắc lọc với sự tham gia
của VSV. Thiết bị này làm bằng bê tông có dạng hình tròn hay hình chữ nhật có hai đáy
(Hình 9–4). Đáy trên gọi là đáy dẫn lưu, được cấu tạo bằng bê tông cốt thép có lỗ thủng
với tổng diện tích lỗ thủng nhỏ hơn 5 –6% diện tích của đáy. Đáydưới được xây kín, có độ
dốc nhất định để nước dễ dàng chảy về một phía và thông với bể lắng thứ cấp, là nơi chứa
nước thải sau khi đã xử lý xong. Ở bể này nước được lưu lại một thời gian ngắn để lắng
cặn trước khi hòa vào hệ thống thoát của cơ sở. Chiều cao của bể lọc hay của cột nguyên
liệu sẽ phụ thuộc vào thành phần của nước thải cũng như khả năng oxy hóa của màng sinh
vật. Lưu lượng dòng chảy của nước thải phụ thuộc vào khả năng oxy hóa của màng sinh
vật.
Để tạo điều kiện hiếu khí cho quá trình xử lý, từ phía dưới của đáy dẫnlưu người ta
cho không khí đi lên qua vậtliệu lọc hoặc tấm mang bằng thông khí tự nhiên hay thổi khí
bằng quạt.
Vật liệu dùng trong bể lọc là cácloạiđá cuội, đádăm và xỉ than đá(theo phương pháp
cổ điển). Để tăng diện tích tiếp xúc giữa VSV và nước thải, đồng thời tránh tình trạng tắc
nghẽn dòng chảy trong thiết bị lọc sinh học, người ta thay các vật liệu lọc bằng những tấm

208
mang làm bằng vật liệu nhẹ, xốp có cấutạo dạngống hoặc dạng miếng, chúng được thiết kế
sao cho có nhiều nếp gấp để tăng diện tích bề mặt.
Nước thải có chứa VSV tham gia xử lý được tưới từ trên xuống lớp vật liệu lọc hay
tấm mang theo nguyên tắc chênh lệch thế năng. Khi dòng nước thải chảy qua vật liệu lọc
hay tấm mang, VSV sẽ phát triển tạo thành màng sinh vật bám vào khắp bề mặt của
nguyên liệu lọc cùng tấm mang và khu trú ở đây. Như vậy nước thải theo dòng chảy từ
trên xuống sẽ tiếp xúc với màng sinh vật. Khi đó sẽ xảy ra quá trình oxy hóa các chất bẩn
có trong nước thải, để cuối cùng khi đến bể lắng thứ cấp, nước thải sẽ có chỉ số BOD5
giảmđi rất nhiều so với nước thải chưa xử lý.
Trong quá trình vận hành của bể lọc sinh vật, sự sinh trưởng và chết của màng sinh
vật xảy ra không ngừng. Khi màng sinh vật bị chết sẽ bị tách khỏi nơi bám và bị cuốn theo
dòng nước chảy ra khỏi bể lọc, cuối cùng sẽ được lắng đọng ở bể lắng thứ cấp cùng với
cặn bùn.
Hiệu quả của hệ thống bể lọc sinh học rất cao, nếu hoạt động tốt có thể làm giảm
90% chỉ số BOD5 của nước thải.
 Bể sục khí (Aeroten): Bể sục khílà hệ thống bể oxy hóa (Hình 9–6) có dạng hình
chữ nhật được ngăn ra làm nhiều buồng (3 –4 buồng) nối với bể lắng. Giống như ở bể lọc
sinh học, quá trình xử lý nước thải ở bể sục khí được tiến hành nhờ hoạt động của hệ VSV
ở bùn hoạt tính. Nhưng quá trình sục khí này được thực hiện trong điều kiện có thông khí
mạnh nhờ hệ thống sục khí từ dưới đáy bể lên. Cường độ thôngkhí 5m3/m2/giờ, bảo đảm
oxy tối đa cho quá trình oxy hóa. Ở bể oxy hóa, bùn hoạt tính lấy từ bùn gốc sau khi qua
giai đoạn khởi động hay lấy từ bể lắng cặn chuyển vào. Ở đây bùn hoạt tính gặp oxy của
không khí được bơmvào bể sẽ xảy ra quá trình oxy hóa và khoáng hóa các chất bẩn trong
nước thải một cách khá triệt để. Sau khi chảy suốt qua các buồng của bể oxy hóa, nước
thải sẽ chảy vào bể lắng. Ở đây cũng xảy ra quá trình lắng cặn xuống đáy bể, phần nước ở
trênlà nước đã được xử lý sẽ được dẫn ra ngoài. Trong quá trình vận hành, ở bể oxy hóa,
theo thời gian lượng bùn hoạt tính sẽ tăng lên, đồng thời cũng tích lũy nhiều tế bào VSV
già cỗi khiến hoạt tính của bùn giảm– “bùn bị già”. Vì vậy khi cho bùn hoạt tính thu ở bể
lắng trở lại bể oxy hóa không nhất thiết cho toàn bộ số bùn có trong bể lắng mà chỉ cho
một phần để dảm bảo nồng độ bùn hoạt tính là 2–4g/ lit.
Xử lý nước thải bằng bể aeroten phức tạp hơn và đòi hỏi nhiều công sức hơn so với
ở bể lọc sinh học. Người ta phải theo dõi liên tục để kịp thời điều chỉnh các chỉ số sau:
Nồng độ bùn hoạt tính.
Chế độ thông khí.
Nồng độ các chất bẩn trong nước thải.
Nồng độ các chất dinh dưỡng cho VSV.
+ Xử lý kị khí

209
Hình 9–6. Bể sục khí

Xử lý nước thải bằng bể aeroten phức tạp hơn và đòi hỏi nhiều công sức hơn so với
ở bể lọc sinh học. Người ta phải theo dõi liên tục để kịp thời điều chỉnh các chỉ số sau:
Nồng độ bùn hoạt tính.
Chế độ thông khí.
Nồng độ các chất bẩn trong nước thải.
Nồng độ các chất dinh dưỡng cho VSV.
+ Xử lý kị khí
Quy trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện kị khílà quy trình
phân hủy sinh học kị khí các hợp chất hữu cơ chứa trong nước thải để tạo thànhkhí CH4 và
các sản phẩm vô cơ kể cả CO2, NH3.
Quy trình này có những ưu điểm sau:
 Nhu cầu về năng lượng không nhiều.
 Ngoài vai trò xử lý nước thải, bảo vệ môi trường, quy trình còn tạo được nguồn
năng lượng mới là khí sinh học, trong đó CH4 chiếm tỷ lệ 70 75%.
 Cũng như xử lý sinh học hiếu khí, ở quy trình này bùn hoạt tính được sử dụng làm
tác nhân gây biến đổi thành phần của nước thải. Bùn hoạt tính được sử dụng ở đây có
lượng dư thấp, có tính ổn định khácao, đểduy trì hoạt động của bùn không đòi hỏi cung
cấpnhiều chấtdinh dưỡng, bùn có thể tồn trữ trong thời gian dài.
 Về mặt thiết bị: Công trình có cấu tạo khá đơn giản, có thể làm bằng vật liệu tại
chỗ với giá thành không cao.
Bên cạnh những ưu điểm trên, biện pháp xử lý sinh học kị khí còn bộc lộ những tồn

210
tại sau:
+ Quy trình nhạy cảm với các chất độc hại, với sự thay đổi bất thường về tải trọng
của công trình, vì vậy khi sử dụng cần có sự theo dõi sát sao các yếu tố của môi trường.
+ Xử lý nước thải chưa triệt để nên bước cuối cùng phải xử lý hiếu khí. Cho tới nay
những công trình nghiên cứu xử lý kị khí còn ít, thiếu những hiểu biết về VSV tham gia
vào quy trình kị khí này. Hiện nay biện phápnàyhãycònở quy mô Pilot có thể tích 6m3,
30m3, 200m3... cho đến quy mô lớn. Đến nay trên thế giới đã có trên vài chục nhà máy xử
lý nước thải theo kiểu này, nhất là ở Hà Lan, Hoa Kỳ, Thụy Sĩ, Cộng hòa liên bang Đức.
* Các quá trình chuyển hóa chủ yếu trong điều kiện kị khí
+ Quá trình thủy phân (hydrolysis): Muốn hấp thụ được các chất hữu cơ trong nước
thải, VSV phải thực hiện các côngđoạn chuyển hóa các chấtnày. Việc đầu tiên làphải thủy
phân các chất có phân tử lượng cao thành các polymer có phân tử lượng thấp và monomer
để có khả năng hấp thụ qua màng tế bào VSV. Để thực hiện quá trình thủy phân các VSV
phải tiết ra các enzyme như proteinase, lipase, cellulase... Sau thủy phân, các sản phẩm sẽ
được tạo thànhnhư các amino acid, đường, rượu, các acid béo mạch dài...
Quá trình thủy phân xảy ra khá chậm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH,
cấu trúc của các chất hữu cơ cần phân giải.
+ Quá trình acid hóa (Acidosis): Các sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ được tiếp
tục phân giải dưới tác độngcủa VSV lên men acid để tạo thànhacid béo dễ bay hơi như
acid acetic, acid formic, acid propionic. Ngoàira còncó một số dạng khác nhưrượu,
methanol, ethanol, acetone, NH3, CO2.
+ Quá trình acetate hóa (Acetogenesis): Các acid là sản phẩm của quá trìnhtrên lại
được tiếp tục thủy phân để tạo lượng acid acetic cao hơn.Sản phẩm của quá trình phụ
thuộc vào áp suất riêng phần của H2 trong môi trường. áp suất riêng phần của H2được giữ
<103 atm để VSV có thể biến đổi H2 thành CH4 theo phản ứng sau:
4H2 + CO2→CH4 + 2H2O
Thực tế cho thấy khi áp suất riêng phần của H2 lớn thì sản phẩm của quá trình này
chứa nhiều acid béo trung gian như acid propionic, acid butyric... Do vậy làm chậm quá
trình tạo methane.
+ Quá trình methane hóa (Methangenesis): Đó là giai đoạn cuối cùng của quá trình
phân hủy các sản phẩm hữu cơ đơn giản của các giai đoạn trước để tạo CH4, CO2 nhờ các
vi khuẩn lên men methane. Gồm có 2 nhóm sau:
Nhóm biến đổi acetate: Nhóm này có tốc độ phát triển chậm, đòi hỏi công trình
phải lưu các chất thải trong thời gian dài.
 Nhóm biến đổi hydro: Nhóm này có tốc độ phát triển nhanh hơn nhiều, do đó có
khả năng giữ áp suất riêng phần của H2thấp, tạo điều kiện tốt cho quá trình biến đổi
acetate từ các acid béo.

211
* Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kị khí:
 Oxy: Trong xử lý nước thải kị khí oxy được coi là độctố đối với VSV. Do đó lý
tưởng nhất là tạo điều kiện kị khí tuyệt đối trong bể xử lý.
 Chất dinh dưỡng: Chất dinh dưỡng ảnh hưởng đến quá trìnhphát triển, sinh trưởng
của VSV, liên quan trực tiếp đến quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải.
Cũng như các VSV khác, VSV kị khí đòi hỏi các chất dinh dưỡng chính bao gồm các hợp
chất carbon, nitơ, phosphate... để hình thành các enzyme thực hiện quá trình phân hủy các
hợp chấttrong nước thải. Việc cung cấp đầyđủ các chấtdinh dưỡng cần thiết sẽ tạo cho bùn
có tính lắng tốt và hoạt tính cao, hoạt động tốt trong quá trình xử lý.
 Nhiệt độ: Nhóm VSV kị khí có 3 vùng nhiệt độ thíchhợp cho sự phân hủy các hợp
chất hữu cơ và ở mỗi nhiệt độ thích hợp cho một nhóm VSV kị khí khác nhau.
+ Vùng nhiệt độ cao: 4565oC
+ Vùng nhiệt độ trung bình: 2045oC
+ Vùng nhiệt độ thấp: < 20oC
Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho nhóm VSV lên men methane, ở vùng nhiệt độ
này lượng methane được tạo thành cao. Đối với vùng nhiệt độ cao, để duy trì nhiệt độ này
cần phải cung cấp thêm năng lượng, điều này sẽ gây tốn kém cho quá trìnhsản xuất, tính
hiệu quả kinh tế của công trình sẽ bị hạn chế.
Ở nước ta nhiệt độ trung bình từ 2032oC thích hợp cho nhóm VSV ở vùng nhiệt độ
trung bình phát triển.
 pH: Trong quy trình xử lý kị khí, pH của môi trường ảnh hưởng đến tốc độ phân
hủy các chất hữu cơ, cụ thể là ảnhhưởng đến 4 quá trình chuyển hóa cơ bản của sự phân
hủy kị khí.
Ở quá trình xử lý người ta nhận thấy các quá trình chuyển hóa cơ bản chịuảnh hưởng
trực tiếp lẫn nhau, khi một trong các quá trình này bị cản trở hoặc thúc đẩy sẽ ảnh hưởng
đến quá trình xảy ra tiếp theo, do đó sẽ làm tốc độ phân hủy các chấtxảy ra chậmlại hoặc
nhanh hơn. Ví dụ: Khi nhiệt độ thay đổi hoặc khi thành phần nước thải thay đổi (do có sự
nạp mới vào công trình), thì nhóm VSV acid hóa thích nghi hơn so với nhóm VSV sinh
methane. Khi pH giảm mạnh (pH < 6) sẽ làm giảm quá trìnhsinh khí CH4. Hơn nữa khi pH
giảm, các acid trung gian tích lũy nhiều, làm các phản ứng phân hủy khó thực hiện và dẫn
đến dừng quá trình acetate hóa... pH tối ưu trong quá trình phân hủy kị khí là 6, 5 –8, 5.
 Các độc tố: Qua tìm hiểu đặc tính sinh lý của các VSV tham gia xử lý nước thải
bằng phương pháp kị khí người ta thấy:
+ Một số hợp chất như CCl4, CHCl3, CH2Cl2... và các ion tự do của các kim loại
nặng có nồng độ 1mg/lítsẽ thể hiện tính độc đối với các VSV kị khí.
+ Các hợp chất như formaldehyde, SO2, H2S với nồng độ 50 –400mg/ lít sẽ gây độc
hại với VSV kị khí trong công trình xử lý.
212
+ S2được coi là tác nhân ức chế quá trình tạo methane. Do S2làm kết tủa các
nguyên tố vi lượng như Fe, Ni, Co, Mo... cho nên hạn chế sự pháttriển của VSV.
* Các dạng công trình xử lý kị khí
 Bể tự hoại là loại côngtrình xử lý nước thải loại nhỏ dùng cho từng hộ gia đình.
Loại công trình này thực hiện hai chức năng: lắng và chuyển hóa cặn lắng của nước thải
(chủ yếu là nước thải từ các nhà vệ sinh) bằng quá trình phân giải kị khí.
 Bể lắng hai vỏ: có nguyên tắc hoạt động và thực hiện hai chức năng tương tự như
bể tự hoại nhưng ở quy mô lớn hơn, công suất xử lý nước thải lớn hơn.
 Bể methane cổ điển: Bể này được ứng dụng để xử lý cặn lắng (từ bể lắng) và bùn
hoạt tính dư của trạm xử lý nước thải. Hầu hết các trạm xử lý nước thải thành phố đều áp
dụng kiểu bể này (Hình 9–7).

Hình số 9–7. Bể lọc methane cổ điển

Nguyên tắc loại hình này là quá trìnhxử lý nước thải qua vật liệu lọc để vi sinh vật kị
khí dính bámvào và thực hiện quá trình chuyển hóa sinh hóa các hợp chấthữu cơ chứa
trong nước thải, đồng thời tránh được sự rửa trôi của màng VSV (Hình 9–8).
Loại công trình này không có vật liệu đỡ (vật liệu lọc) như ở bể lọc kị khí AF. Ở đây
các VSV kị khí liên kết và tập hợp lại thànhđám lớn dạnghạt và có vai trò chủ yếu để
chuyển hóa các hợp chất hữu cơ. Chúng đủ nặng để tránhhiện tượng rửa trôi ra khỏi công
trình. Bể UASB có cấu tạo gồm hai ngăn: ngăn lắng và ngănphânhủy. Bằng biện pháp
thiết kế khá đặc biệt của ngăn lắng cùng với tính lắng cao của bùn hoạttínhđã giảiquyết
được vấn đề lưu lại nồng độ sinh khối bùn cao trong bể và giảm được thời gian lưu nước.
+ Ngoài các công trình xử lý nước thải được nêu trên người ta còn phối kết hợp giữa
công trình UASB với công trình AF (Hình 9–9) và nhiều công trình khác, như xây dựng
công trình xử lý nước thải qua hình chụp phương pháp hiếu khí; xây dựng công trình xử lý
nước thải qua các hình chụp bằng phương pháp xây bể chìm dưới đất...

213
Hình 9–8: Bể lọc kị khí AF

Hình 9–9. Công trình phối kết hợp giữa UASB và AF (phải)

4.2. Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp sinh học


4.2.1. Phân loại và xử lý chất thải rắn sinh hoạt trên thế giới
Công nghệ xử lý CTR trên thế giới hiện nay có rất nhiều phương pháp, trong đó các
phương pháp truyền thống vẫn tiếp tục được sử dụng như:
– Công nghệ chôn lấp chất thải.
– Công nghệ thiêu đốt.
– Những năm gần đây, công nghệ phân loại rác tại nguồn và chế biến rác thải hữu cơ
làm phân compost ((phân ủ ) phát triển rất mạnh. Đây là công nghệ phổ biến nhất trên thế

214
giới hiện nay, nhằm tái chế, tái sử dụng chất thải, góp phần giảm thiểu lượng phát sinh
chất thải rắn và BVMT.
Những bài học về thu gom và xử lý CTR trên thế giới có rất nhiều. Ví dụ: ở Châu
Âu, nhiều quốc gia đã thực hiện quản lý chất thải thông qua phân loại chất thải rắn tại
nguồn và xử lý tốt, đạt hiệu quả cao về kinh tế và MT. Tại các quốc gia như Đan Mạch,
Anh, Hà lan, Đức, việc quản lý chất thải được thực hiện rất chặt chẽ công tác phân loại và
thu gom rác đã trở thành nề nếp và người dân chấp hành rất nghiêm quy định này. Các loại
rác thải có thể tái chế được như giấy loại, chai lọ thuỷ tinh, vỏ đồ hộp... được thu gom vào
các thùng chứa riêng. Đặc biệt rác thải nhà bếp có thành phần hữu cơ dễ phân huỷ được
yêu cầu phân loại riêng đựng vào các túi có màu sắc theo đúng quy định thu gom hàng
ngày để đưa đến nhà máy chế biến phân compost (phân ủ). Đối với các loại rác bao bì có
thể tái chế, người dân mang đến thùng rác đặt cố định trong khu dân cư.
Ở Nhật Bản, trong 37 Đạo luật về BVMT có 7 Đạo luật về quản lý và tái chế CTR.
Việc phân loại rác tại nguồn đã được triển khai từ những năm 1970. Tỷ lệ tái chế CTR ở
Nhật Bản đạt rất cao. Hiện nay tại các thành phố của Nhật chủ yếu sử dụng công nghệ đốt
để xử lý phần rác khó phân huỷ. Các hộ gia đình được yêu cầu phân loại rác thành 3 dòng:
– Rác hữu cơ dễ phân huỷ để làm phân hữu cơ vi sinh, được thu gom hàng ngày đưa
đến nhà máy chế biến.
– Rác vô cơ gồm các loại vỏ chai, hộp đưa đến nhà máy để phân loại, tái chế.
– Loại rác khó tái chế, hiệu quả không cao nhưng cháy được sẽ đưa đến nhà máy đốt
rác thu hồi năng lượng. Các loại rác này được yêu cầu đựng riêng trong những túi có màu
sắc khác nhau và các hộ gia đình tự mang ra điểm tập kết rác của cụm dân cư vào các giờ
quy định dưới sự giám sát của đại diện cụm dân cư.
Ở Hàn Quốc, cách quản lý chất thải giống với Nhật Bản, nhưng cách xử lý lại giống
ở Đức. Rác hữu cơ nhà bếp một phần được sử dụng làm giá thể nuôi trồng nấm thực
phẩm, phần lớn hơn được chôn lấp có kiểm soát để thu hồi khí biôga cung cấp cho phát
điện. Sau khi rác tại hố chôn phân huỷ hết, tiến hành khai thác mùn ở bãi chôn làm phân
bón. Như vậy, tại các nước phát triển việc phân loại rác tại nguồn đã được tiến hành cách
đây khoảng 30 năm và đến nay cơ bản đã thành công trong việc tách rác thành 2 dòng hữu
cơ dễ phân huỷ được thu gom xử lý hàng ngày, rác khó phân huỷ có thể tái chế hoặc đốt,
chôn lấp an toàn được thu gom hàng tuần.
Tại Đông Nam Á, Singapo đã thành công trong quản lý CTR để BVMT. Chính phủ
Singapo đang yêu cầu tăng tỷ lệ tái chế thông qua phân loại rác tại nguồn từ các hộ gia
đình, các chợ, các cơ sở kinh doanh để giảm chi ngân sách cho Nhà nước. Các quốc gia
còn lại đang trong quá trình tìm kiếm hoặc triển khai mới mô hình quản lý CTR. Tại
Bangkok, việc phân loại rác tại nguồn chỉ mới thực hiện được tại một số trường học và
một số quận trung tâm để tách ra một số loại bao bì dễ tái chế, lượng rác còn lại vẫn đang
phải chôn lấp, tuy nhiên được ép chặt để giảm thể tích và cuốn nilon rất kỹ xung quanh

215
mỗi khối rác để giảm bớt ô nhiễm. Một số công nghệ tái chế rác thải làm phân bón ở các
nước như sau:
4.2.2. Công nghệ xử lý rác thải sinh hoạt của Mỹ – Canađa
a/. Nội dung công nghệ: Ở các vùng của Mỹ và Canađa có khí hậu ôn đới thường áp
dụng phương pháp xử lý rác thải ủ đống tĩnh có đảo trộn như sau: Rác thải được tiếp nhận
và tiến hành phân loại. Rác thải hữu cơ được nghiền và bổ sung vi sinh vật, trộn với bùn
và đánh đống ở ngoài trời. Chất thải được lên men từ 8–10 tuần lễ, sau đú sàng lọc và
đúng bao ( Hình 9–10 ).
b, Ưu điểm: (i) Thu hồi được sản phẩm làm phân bón (ii) Tận dụng được nguồn bùn
là các phế thải của thành phố hoặc bùn ao (iii) Cung cấp được nguyên liệu tái chế cho các
ngành công nghiệp và (iv) Kinh phí đầu tư và duy trì thấp.
c, Hạn chế:(i) Hiệu quả phân huỷ hữu cơ không cao (ii) Chất lượng phân bón được
thu hồi không cao vì có lẫn các kim loại nặng trong bùn thải hoặc bùn ao (iii) Không phù
hợp với khí hậu nhiệt đới tại Việt Nam vì phát sinh nước rỉ rác, không đảm bảo được
VSMT, ảnh hưởng đến nguồn nước mặt và nước ngầm và (iv) Diện tích đất sử dụng quá
lớn.

Hình 9 –10. Sơ đồ công nghệ xử lý rác thải của Mỹ – Canada


(Diễn đàn môi trường, Lê Văn Khoa, 2010)
216
4.2.3. Công nghệ xử lý rác làm phân bón của Đức
a/. Nội dung công nghệ: Công nghệ phổ biến nhất của Đức là xử lý rác đi đôi với thu hồi
khí sinh học và phân bón hữu cơ vi sinh. Cụ thể như sau: Rác thải ở các gia đình đã được
phân loại, ở những nơi công cộng phân loại chưa triệt để, được tiếp nhận và tiến hành
phân loại tiếp. Rác hữu cơ được đưa vào các thiết bị ủ kín dưới dạng các thùng chịu áp lực
cùng với thiết bị thu hồi khí sinh ra trong quá trình lên men phân giải hữu cơ ( hình 2).
b/. Ưu điểm: (i) Xử lý triệt để, đảm bảo VSMT (ii) Thu hồi sản phẩm là khí đốt có giá trị
cao, phục vụ cho các ngành công nghiệp ở khu lân cận nhà máy (iii)Thu hồi phân bón có
tác dụng cải tạo đất và (iv) Cung cấp nguyên liệu tái chế cho các ngành công nghiệp.
c/. Hạn chế: Đòi hỏi kinh phí đầu tư lớn và kinh phí duy trì cao. Chất lượng phân bón thu
hồi không cao.

Hình 9-11. Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý rác thải sinh hoạt của CHLB Đức
(Diễn đàn môi trường, Lê Văn Khoa, 2010)
4.2.4. Sản xuất phân hữu cơ (compost) ở Việt Nam
1) Khái niệm
Ủ sinh học (compost) có thể được coi là quá trình ổn định sinh hóa các chất hữu cơ
để thành các chất mùn với thao tác và kiểm soát một cách khoa học tạo môi trường tối ưu
cho quá trình.
2) Ưu điểm của phương pháp làm phân hữu cơ
Giảm lượng chất thải phát sinh (khoảng 50% lượng chất thải sinh hoạt).
Tạo ra sản phẩm phân hữu cơ phục vụ cho trồng trọt (thay thế một phần cho phân
hóa học, tạo độ xốp cho đất, sử dụng an toàn, dễ dàng).
Góp phần cải tạo đất (giúp tăng độ mùn, tơi xốp của đất)
217
Tiết kiệm bãi chôn lấp, giảm ảnh hưởng gây ô nhiễm môi trường của chất thải rắn.
Vận hành đơn giản, dễ bảo trì và kiểm soát chất lượng sản phẩm.
Giá thành để xử lý tương đối thấp.
3) Nhược điểm
Yêu cầu diện tích đất để xây dựng nhà xưởng lớn.
Chất lượng sản phẩm chưa cao, chưa ổn định.
Gặp khó khăn khi tiêu thụ sản phẩm.
Mức độ tự động hóa của công nghệ không cao.
Việc phân loại còn mang tính thủ công nên thường ảnh hưởng đến sức khoẻ của
công nhân làm việc
Nạp nguyên liệu thủ công do vậy công suất thấp.
Yêu cầu những chất thải có hàm lượng hữu cơ dễ phân hủy sinh học lớn hơn 50%, và
xu hướng sử dụng phân hữu cơ được nhiều nơi chấp nhận, nhiều đô thị xây dựng nhà máy.
4) Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm phân hữu cơ
Vi sinh vật
Vi sinh vật theo nhiệt độ được phân thành ba nhóm:
Nhóm VSV ưa lạnh: –10  200C (150C)
Nhóm VSV ưa ấm: 20  500C (350C)
Nhóm VSV ưa nóng 45 750C (550C)
Đối với quá trình phân hủy chất hữu cơ trong sản xuất phân hữu cơ, hai nhóm sinh
vật ưa ấm và ưa nóng chiếm ưu thế. Tuy nhiên những VSV này vốn tồn tại sẵn trong môi
trường tự nhiên, chúng ta chỉ tạo điều kiện thuận lợi nhất để nhóm sinh vật này sinh
trưởng, phát triển
Kích cỡ
Kích cỡ của rác thải thường không đồng nhất, như vậy không có lợi cho quá trình
phân hủy rác thải do vậy chúng ta phải cắt để rác có kích cỡ theo yêu cầu để đạt được hiệu
quả cao, tốt nhất là vào khoảng 5 cm.
Tỷ lệ C/N
Tỷ lệ C/N là một yếu tố cần chú ý đối với quá trình sản xuất phân hữu cơ, xác định
nguồn dinh dưỡng cung cấp cho VSV trong quá trình ủ. Giới hạn này có tỷ lệ tốt nhất là
vào khoảng từ 20 – 25/1 (trong đó bùn thường có tỷ lệ thấp, các chất thải vườn có tỷ lệ
khá cao).
Độ ẩm
Độ ẩm là một trong những nhân tố quan trọng cần phải xem xét trong quá trình ủ
sinh học, độ ẩm thuận lợi nhất cho quá trình phân hủy sinh học từ 50 60%. Độ ẩm có thể
được điều chỉnh bằng cách trộn thêm các thành phần khô hoặc nước (nước bùn, phân hầm
cầu). Khi độ ẩm thấp hơn 40% khả năng phân hủy sinh học sẽ chậm đi nhưng độ ẩm quá
cao sẽ ảnh hưởng đến quá trình lưu thông trao đổi khí trong các đống ủ.

218
R¸c tu¬i Ph©n hÇm cÇu
C©n
S©n tËp kÕt
BÓ chøa
B¨ng ph©n lo¹i T¸i chÕ
Xö lý b»ng
NghiÒn B¨ng chuyÒn chÕ phÈm VSV
Trén

Lªn men KiÓm so¸t ®é Èm,


nhiÖt, cÊp khÝ

ñ chÝn

Sµng

Tinh chÕ Vª viªn §ãng bao

Trén N, P, K

Hình 9–12. Sơ đồ công nghệ làm phân hữu cơ vi sinh

Nhiệt độ
Hệ thống phân hủy sinh học hiếu khí được phân hủy bởi các nhóm sinh vật ưa nhiệt
trung bình (30–380C) và nhóm ưa nhiệt cao (55–600C). Trong quá trình theo dõi các hoạt
động ủ rác sinh học đã phát sinh các phản ứng tỏa nhiệt liên quan đến quá trình hô hấp
trao đổi chất. Nhiệt độ của các đống ủ có thể được điều chỉnh bởi các dòng khí lưu thông.
Trong ủ rơm rạ có thể điều chỉnh gián tiếp bằng cách đảo trộn. Nhìn chung sau quá trình
trộn nhiệt độ giảm xuống 5–100C, nhưng nhiệt độ sẽ tăng trở lại với nhiệt độ ban đầu sau
vài giờ đồng hồ. Nhiệt độ trong đống ủ sẽ giảm sâu dần sau khi đống ủ chín.
pH
pH là một yếu quan trong trong quá trình ủ, việc điều chỉnh pH nhằm tạo điều kiện
thuận lợi cho quá trình ủ. Giá trị pH biến động rất lớn trong suốt thời gian ủ.
Giá trị khởi đầu của các thành phần hữu cơ trong rác đặc trưng pH từ 5 – 7, những
ngày đầu tiếp theo giá trị pH ≤ 5. Giai đoạn này sinh khối chất hữu cơ tích lũy nhiệt, nhóm
sinh vật ưa nhiệt trung bình sẵn có trong rác thải bắt đầu phát triển và nhiệt độ tăng lên
nhanh chóng (sau khoảng 3 ngày) và đạt nhiệt độ cao, lúc này pH tăng lên 8 – 8, 5. Sau đó
quá trình ủ phân chín, nhiệt độ giảm dần và pH giảm xuống 7 – 8. Nếu pH giảm xuống
nhỏ hơn 4 thì quá trình ủ thất bại.
Các mầm bệnh
Sự tiêu diệt các mầm bệnh của các sinh vật rất quan trọng trong khi thiết kế các thành
phần trong quá trình ủ sinh học, nó sẽ chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và quá trình hiếu khí. Ví
dụ loài Salmonella có thể bị phân hủy trong 15 20 phút ở nhiệt độ 600C, hoặc trong một

219
giờ ở nhiệt độ 550C. Hầu hết các sinh vật gây bệnh đều chết nhanh chóng khi nhiệt độ đạt
đến 550C, chỉ có một số loài sống sót ở nhiệt độ trên 670C trong thời gian ngắn.
Quá trình sản xuất phân hữu cơ từ rác thải hữu cơ được minh họa theo các bước sau:
Rác hữu cơ  cân  bãi tập kết  dùng cẩu, băng chuyền  băng tải phân loại thủ
công sàng quay máy tách từ (thu kim loại)  băng tải (thêm nước vào) nhà ủ phân
(VSV) sau đó điều chỉnh độ ẩm trong vòng khoảng 50 60%, nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng
550C, thời gian trong vòng 21 ngày.

5. PHÁT TRIỂN CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CHẤT THẢI THÂN THIỆN


VỚI MÔI TRƯỜNG

5.1. Phát triển và thiết kế các nồi phản ứng sinh học (Bioreactor)
Hiện nay việc xử lý nước thải của các nhà máy còn nhiều bất cập như tính kinh tế,
thời gian và tiêu thụ năng lượng không thích hợp… Cần thiết phải có các đề án thiết kế
tương thích, bằng cách sử dụng các mẫu động lực học như các nồi phản ứng sinh học
(Bioreactor) như solid–state fixed bed bioreactor và solid–state bioreactors với các nồi
phản ứng sinh học ở trạng thái sền sệt và thông gió tự nhiên. Các nghiên cứu trong tương
lai có thể tạo ra các nồi sinh học hiệu quả, tiết kiệm thời gian và kinh tế hơn.

5.2. Quản lý chất thải tích hợp (integrates waste management)


Quản lý chất thải tích hợp là cách tiếp cận mới nhằm quản lý chất thải rắn và chất
thải lỏng ở thành phố từ cách nhìn về nguồn chất thải. Nó liên quan đến sự tích hợp các
phương pháp xử lý chất thải khác nhau để xử lý chất thải như xử lý chất thải hiếu khí và kị
khí và các hố chôn rác thải. Các nghiên cứu mới cần thiết để tạo ra hệ thống đầy đủ và
hiệu quả hơn.

5.3. Ứng dụng công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải


Ứng dụng công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải là một trong những hướng phát triển
ưu tiên hàng đầu, trong đó chú trọng sử dụng các công nghệ sạch tạo đà cho việc phát triển
bền vững.
Các quá trình xử lý chất thải bằng biện pháp sinh học với vai trò chính là sự đóng
góp của các loài VSV nhằm bảo vệ các giá trị của môi trường thiên nhiên.
Công nghệ phân hủy chất thải bằng vi sinh vật dựa trên cơ sở loại bỏ hỗn hợp nhiều
chất có trong chất thải và tái sử dụng chúng. Ứng dụng công nghệ vi sinh vật xử lý chất
thải sẽ tăng cường khả năng phân hủy các chất, giảm thời gian phân hủy dẫn đến giảm giá
thành sản phẩm.
Tóm lại, công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải là sự phát triển của công nghệ sinh
học nhằm ứng dụng vi sinh vật và các cấu phần của tế bào vi sinh vật để sản xuất các chế
phẩm mới có giá trị và ứng dụng các quá trình công nghệ mới, thích hợp trong bảo vệ và
phục hồi chất lượng môi trường sống của con người.
Trong thời gian tới để ứng dụng công nghệ vi sinh vật xử lý rác thải cần tiếp tục đi
sâu nghiên cứu, phân lập, chọn lọc và nuôi cấy các giống vi sinh vật có hoạt tính phân giải

220
rác thải cao. Ứng dụng công nghệ vi sinh sản xuất các chế phẩm sinh học xử lý rác thải
hiệu quả và giá thành hợp lý. Cải tiến những công nghệ xử lý rác thải có ứng dụng vi sinh
vật và tìm ra những phương pháp xử lý rác thải mới ứng dụng công nghệ vi sinh thay thế
những công nghệ truyền thống. Xây dựng, nâng cấp và mở rộng về qui mô lẫn số lượng
các nhà máy đáp ứng nhu cầu xử lý rác thải.

TÓM TẮT CHƯƠNG


Rác thải thường xuyên được phát thải ra môi trường với số lượng ngày càng nhiều, ở
đô thị nhiều hơn vùng nông thôn. Xử lý rác để không gây ô nhiễm môi trường, bảo vệ môi
trường sống xung quanh, bảo vệ sức khỏe của cộng đồng dân cư là vấn đề cần được giải
quyết.
Rác thải sinh hoạt và phế thải, rác thải rắn và nước thải là một thảm họa khó lường
trong sự phát triển mạnh mẽ của quá trình sản xuất và đời sống. Chúng không những gây ô
nhiễm môi trường sinh thái, ô nhiễm nguồn đước, ô nhiễm đất, gây độc hại đến sức khỏe
con người, vật nuôi và cây trồng, mà còn làm mất đi cảnh quan văn hóa.

(a) (b) (c)

(d) (e) (g)


Hình 9–13. Một số chủng VSV sử dụng trong xử lý phế thải (xem ảnh màu trang 339)
a–Các khuẩn lạc xạ khuẩn màu trắng –Actinomadura madurae, màu vàng –Nocardia, đỏ –
Micromonospora spp; b– Cellulomonas; c–Actinomycetes; d–Metarhizium anisopliae; e–
Lactobacillus acidophylus; g– Bacillus subtilis.
Tùy từng loại rác thải, phế thải khác nhau mà thành phần, mức độ ô nhiễm khác
nhau, nhất là các nguyên tố kim loại nặng như Cd, As, Pb, Co, Hg…và chứa nhiều VSV
gây bệnh như thương hàn, dịch hạch, dịch tả…
Sử dụng VSV để xử lý chất thải loại bỏ chất ô nhiễm dựa trên quan niệm rằng tất cả các
VSV (chủ yếu là vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm…) có thể chuyển hóa và/ hoặc loại bỏ cơ chất
từ môi trường nhằm phục vụ cho quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng.
221
Công nghệ vi sinh xử lý rác thải không gây ô nhiễm môi trường, đã được ứng dụng
nhiều trên thế giới như Mỹ, Canada, Pháp… và ở Việt Nam hiện có nhiều công trình
nghiên cứu có ý nghĩa đã được áp dụng thành công, không những xử lý rác mà còn tạo ra
nguồn phân bón sinh học, làm lợi cho sản xuất nông nghiệp.
Hiện nay biện pháp tối ưu nhất để xử lý chất thải hữu cơ bằng công nghệ vi sinh học
đã mang lại hiệu quả kinh tế cao, chống ô nhiễm môi trường.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP


1. Nguồn gốc phế thải hữu cơ và cách xử lý?
2. Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước thải?
3. Khu hệ vi sinh vật và các tác nhân gây bệnh trong nước thải?
4. Quy trình xử lý chất thải rắn hiện nay?
5. Quy trình xử lý nước thải hiện nay?
6. Các hướng phát triển xử lý chất thải thân thiện với môi trường?
* Chọn đáp án đúng nhất
7. Quá trình mà nhờ đó mọi tế bào sống, các bào tử sống, các virus và các viroid hoặc bị
phá hủy hoặc bị loại bỏ khỏi một đối tượng hoặc một nơi sống được gọi là:
a. Tiêu độc; b. Diệt khuẩn; c. Sát khuẩn; d. Sự tiệt trùng
e. Định nghĩa được ứng dụng cho tất cả các ý trên.
8. Sự xử lý nước thải thứ cấp sẽ loại các chất hữu cơ nhờ các quá trình nào sauđây?
a. Các quá trình sinh học; b. Các quá trình vật lí
c. Các quá trình hóa học; d. Tất cả các ý trên đều đúng.
9. Trong một kiểu xử lý nước thải thứ cấp, nước thải chảy theo chiều ngang qua một bể
được thông khí và khuấy. Quá trình xử lý này được gọi là gì?
a. Hồ oxy hóa; b. Xử lý bùn hoạt tính; c. Xử lý lọc trích; d. Hô hấp nội sinh
* Điền vào các chỗ trống
10. Sự phá hủy toàn bộ vi sinh vật trong môi trường được gọi là……
11. Bức xạ tử ngoại làm hư hỏng………. trong một tế bào.
12. ……….là các chất hóa học được sinh ra bởi các VSV, và nó giết chết hoặc kìm hãm
các VSV khác.

GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ


1. Chất thải còn được gọi là rác: Trong cuộc sống chất thải được hình dung là
những chất không còn được sử dụng cùng với những chất độc được xuất ra từ chúng.
2. Phế thải: là sản phẩm loại bỏ được thải ra trong quá trình hoạt động, sản xuất và
chế biến của con người.
3. Ô nhiễm nước là gì? Theo bản chất các tác nhân gây ô nhiễm, người ta phân ra
các loại ô nhiễm nước: ô nhiễm vô cơ, hữu cơ, ô nhiễm hóa chất, ô nhiễm sinh học, ô
nhiễm bởi các tác nhân vật lý.

222
Chương 10
CHẾ PHẨM VI SINH VẬT VÀ CÁCH SỬ DỤNG

Mục tiêu
– Hiểu được một cách đầy đủ những lợi ích của việc sử dụng các chế phẩm vi sinh
– Trang bị kiến thức cơ bản cho sinh viên về bản chất của từng loại chế phẩm vi sinh.
– Phân tích được cơ sở khoa học của việc sử dụng chế phẩm vi sinh vào xử lý và cải
tạo môi trường.

1. CÁC DẠNG CHẾ PHẨM VI SINH VẬT

Chế phẩm vi sinh vật (còn gọi là men vi sinh) là hỗn hợp hoặc riêng biệt từng
chủng vi sinh vật đang sống có hoạt tính sinh học cao đã được tuyển chọn, chúng được lưu
giữ trong một chất mang vô trùng hay đông khô. Hàm lượng vi sinh vật trong chế phẩm
thường đạt 109 – 1010CFU/g và có độ an toàn cao cho con người được nên sử dụng rộng
rãi trong sản xuất và đời sống.
Trong xử lý các vấn đề về môi trường, chế phẩm vi sinh đóng góp nhiều mặt rất
tích cực. Do đó được ứng dụng rộng rãi trong: xử lý nước thải, xử lý mùi hôi, xử lý dầu
mỡ và chất hữu cơ,...
Trong nông nghiệp các chế phẩm vi sinh phục vụ cho sản xuất phân bón thường có
là: chế phẩm vi sinh vật cố định đạm, chế phẩm vi sinh vật giải lân, chế phẩm vi sinh vật
phân gải cellulose (tạo mùn), vi sinh vật tạo kháng sinh và các chất điều hòa sinh trưởng,...
Trong nuôi trồng thủy sản, sử dụng chế phẩm sinh học nhằm mục đích cải thiện
môi trường (nước và nền đáy ao), tăng sức khỏe vật nuôi, tăng khả năng hấp thu thức
ăn...góp phần tăng năng suất và sản lượng.

Hiện nay chế phẩm vi sinh vật được sản xuất theo nhiều hướng khác nhau, nhiều
dạng khác nhau phụ thuộc vào điều kiện kinh tế xã hội, khoa học công nghệ, trình độ dân
trí và điều kiện tự nhiên của mỗi nước trên thế giới nhưng đều theo mục tiêu: Tiện cho
người sử dụng và cho hiệu quả kinh tế cao nhất.

1.1. Chế phẩm vi khuẩn


1.1.1. Chế phẩm nhân nuôi trên môi trường thạch hoặc trên cơ chất gelatin
Loại chế phẩm này được sản xuất trong phòng thí nghiệm lớn, dùng môi trường dinh
dưỡng của Fred (1932). Chế phẩm sau khi xuất xưởng thường được đựng trong các chai lọ
thủy tinh.
Loại chế phẩm VSV này ưu điểm là: khuẩn lạc VSV thường nhìn thấy được, do đó
có thể loại bỏ được ngay tạp khuẩn bằng một số hóa chất có sẵn trong phòng thí nghiệm
mà không cần phải chuẩn bị các nguyênliệu đắt tiền.
Tuy nhiên loại chế phẩm VSV này còn có nhiều hạn chế, đó là số lượng VSV
223
chuyên tính ít, thời gian bảo quản và sử dụng ngắn, chuyên chở vận chuyển xuống cơ sở
sản xuất không tiện do đựng trong chai lọ thủy tinh dễ vỡ. Mặt khác theo Vincent (1970)
thì loại chế phẩm này có độ bám dính trên hạt giống không cao.
1.1.2. Chế phẩm vi sinh vật dạng dịch thể
Chế phẩm VSV dạng dịch thể được sản xuất trong phòng thí nghiệm hoặc trong nhà
máy, xí nghiệp theo quy trình công nghệ lên men. Theo đó cần có hệ thống máy lắc lớn
hoặc nồi lên men có hệ thống điều khiển tốc độ khí để tạo sinh khối lớn. Sau đó dịch VSV
được đóngvào chai lọ hoặc bình nhựa.
Loại chế phẩm VSV này tiện lợi ở chỗ không cần phải pha hoặc trộn với nước mà có
thể trộn luôn vào hạt giống. Cũng có thể ly tâm dịch vi sinh để cô đặc sinh khối qua đó hạ
giá thànhsản xuất.
Tuy nhiênloại chế phẩm VSV này có những hạn chế, đó là khi nhiễm vào hạt giống
độ sống sót và độ bámdính của VSV trên hạt giống không cao. Chế phẩmphải luôn luôn
bảo quản ở điều kiện lạnhvì vậy khá tốn kém và khôngthuận tiện cho vận chuyển. Chi phí
sản xuất chế phẩm thường tương đối cao vì dụng cụ chứa đựng đắt tiền. Gần đây một số
cơ quan nghiên cứu, triển khai (NifTAL Hoa Kỳ, DOA Thái Lan, ICRISAT Ấn Độ...)
đãnghiên cứu thành công công nghệ sản xuất chế phẩm vi sinh vật dạng lỏng, trong đó quá
trình nhân sinh khối vi sinh vật được gắn liền với việc xử lý sao cho mật độ vi sinh vật sau
lên men luônđáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn quy định, nghĩa là đạt mức từ hàng trăm triệu
đến hàng tỷ vi sinh vật trong 1ml. Ngoài ra, người ta cũng lợi dụng khả năng sinh bào tử,
bào nang của một số vi sinh vật để sản xuất các chế phẩm vi sinh vật dạng lỏng, trong đó
sau quá trình lên men một số hóa chất chuyển hóa tiềm sinh hoặc một số kỹ thuật bức chế
oxy, điện thế oxy hóa khử hoặc điều kiện dinh dưỡngđược áp dụng làm cho vi sinh vật
chuyển từ dạng sinh dưỡng sang dạng tiềm sinh. Chế phẩm vi sinh vậtdạng lỏng sản
xuấttheo công nghệ mới đãkhắc phục được các nhược điểm của chế phẩm dịch thể kiểu cũ
và đangđược áp dụng rộng rãi tại nhiều nước như Mỹ, Nhật, Canada, Úc và Việt Nam.
1.1.3. Chế phẩm vi sinh vật dạng khô
Năm 1965 Scolt và Bumganer đã chế tạo được một loại chế phẩm VSV dạng khô.
Cách làm như sau: sinh khối vi sinh vật được cho vào bình sục khí để loai hết nước, ly tâm
để tách VSV chuyên tính ra khỏi cơ chất và cho hấp thụ vào chất mang là bột cao lanh, sau
đó cho hấp thụ tiếp vào CaSO4 hoặc Na2SO4 để thu được chế phẩm VSV dạng khô.
Loại chế phẩm VSV dạng khô có uu điểmlà lưu giữ, vận chuyển rất thuận lợi, dễ
dàng, chế phẩm không bị nhiễm tạp, sử dụng trong thời gian dài hơn 1 năm.
Những công nghệ sản xuất loại chế phẩm VSV này phức tạp, tốn kém, do đó hiệu
quả kinh tế không cao.
1.1.4. Chế phẩm vi sinh vật dạng đông khô
Chế phẩm VSV dạng đông khô được sản xuất từ những năm 1940 1960 ở Mỹ, Úc,

224
Nga. Để sản xuất loại chế phẩm này sau khi lên men, sinh khối vi sinh vật được đông khô
lại ở nhiệt độ rất thấp (–20 đến –400C).
Loại chế phẩm VSV này có nhiều ưu điểm như ít bị nhiễm tạp ngay cả khi ở nhiệt
độ rất cao, độ sống sót của VSV chuyên tính rất cao.
Chế phẩm cũng có hạn chế, đó làtỷ lệ bám dính và độsống sót của VSV trên hạt thấp
(Vincent, 1970) đồng thời sản xuất rất công phu và tốn kém.
1.1.5. Chế phẩm vi sinh vật dạng bột chất mang
Hiện nay hầu hết các nước trên thế giới đều sản xuất loại chế phẩm VSV trên nền
chất mang, trong đó sinh khối vi sinh vật được tẩm nhiễm vào chất mang là các hợp chất
hữu cơ hoặc không hữu cơ tự nhiên hoặc tổng hợp có tác dụng làm nơi trú ngụ và bảovệ vi
sinh vật chuyên tính trong chế phẩm từ khi sản xuất đến lúc sử dụng. Chất mang cần có
các đặc điểm sau:
Khả năng hút nước cao 150200%;
Hàm lượng carbon hữu cơ cao, tốt nhất > 60%;
Không chứa các chất độc hại đối với vi sinh vật tuyển chọn, đất và cây trồng;
Hàm lượng muối khoáng không vượt quá 1%;
Kích thước hạt phù hợp với đối tượng sử dụng.
Loại chất mang thường được sử dụng nhiều nhất là than bùn. Ngoài ra có thể sử
dụng đất sét, vermiculite, thanđá, lignin, đất khoáng, bãmía, lõingô nghiền, vỏtrấu,
vỏcàphê, bột polyacrylamide, phân ủ... làm chất mang cho chế phẩm vi sinh vật.
Tại Hà Lan người ta sử dụng chất mang từ than đá, than bùn trộn với thân thực vật
nghiền nhỏ. Tại một số nước Đông Nam Ángười ta sử dụng chất mang từ bột cellulose,
bột bã mía, lõi ngô, rác thải hữu cơ được nghiền nhỏ. ở Ấn Độ người ta dùng chất mang
bằng bentonite trộn với bột cá. Gần đây ở Mỹ người ta sử dụng chất mang từ bột
polyacrylamide.
Ở Việt Nam chất mang được sử dụng chủ yếu là than bùn. Gần đây một số nhà khoa
học đã nghiên cứu chế tạo chất mang từ rác thải hữu cơ, phế thải nông công nghiệp sau khi
đã xử lý như rác thải sinh hoạt, mùn mía, bùn mía, cám trấu, mùn cưa...
Tùy theo điều kiện người ta có thể khử trùng chất mang trước khi nhiễm sinh khối vi
sinh vật để tạo ra chế phẩm vi sinh vật trên nền chất mang khử trùng hoặc tạo ra chế phẩm
trên nền chất mang không khử trùng bằng cách phối trộn sinh khối vi sinh vật chất mang
sau khi xử lý mà không qua công đoạn khử trùng. Ưu điểm và hạn chế của hai dạng chế
phẩm khử trùng và không khử trùng được trình bày trong (Bảng 10–1).
Loại chế phẩm trên nền chất mang có ưu điểm là quy trình sản xuất đơn giản, dễ
làm, không tốn kém nhiều dẫn đến giá thành hạ, nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên, mật độ
VSV chuyên tính trong chế phẩm cao, dễ chuyên chở, tiện sử dụng, độ bám dính của VSV

225
trên đối tượng sử dụng cao. Tuy nhiên chế phẩm dạng chất mang bột cũng có những
nhược điểm như dễ bị tạp nhiễm bởi vi sinh vật không chuyên tính, chất lượng không ổn
định, độ sống sót của VSV trong chế phẩm không cao. Nếu không sử dụng kịp thời chế
phẩm có thể bị loại bỏ hàng loạt vì không đảm bảo mật độ vi sinh vật chuyên tính.

Bảng 10–1. Ưu điểm và hạn chế của chế phẩm vi sinh vật chất mang
khử trùng và không khử trùng

Loại chất mang Ưu điểm Hạn chế


Sử dụng cho quy mô sảnxuất trung bình Cần khử trùng chất mang, vì
Có thể pha loãng được qua đó giảm chi vậy tốn kém và đòi hỏi điều
phí đầu tư nồi lên men, môi trường và các kiện đặc biệt
nhu cầu khác Cần nhiều nhân công và đầu
Khử trùng
Có chất lượng cao, thời gian tồn tại củavi tư
sinh vật chuyên tính lâu trong quá trình sản xuất
Dễ đánh giá và kiểm tra chất lượng Cần có kỹ thuật và người có
Thuận lợi cho cho việc sử dụng kinh nghiệm trong sản xuất

Sử dụng cho quy mô sản xuất trung bình Không pha loãng được sinh
và lớn khối, do vậy cần phải lên men
Kỹ thuật phối trộn đơn giản với số lượng lớn và cần nhiều
môi trường
Có thể sử dụng mọi loại vật liệu địa
Không khử trùng
phương Sản phẩm không bảo quản
được lâu
Đầu tư ít, không cần kỹ thuật đặc biệt và
người có kinh nghiệm trong quá trình sản Khó đánh giá và kiểm tra
xuất chất lượng

1.2. Chế phẩm vi nấm


1.2.1. Chế phẩm sợi nấm
Chế phẩm sợi nấm là loại chế phẩm được sản xuất từ sinh khối nấm, trong đó nấm
chuyên tính được nhânsinh khối theo phương pháp lên men chìm hoặc lên men xốp (lên
men trong giá thể có bổ sung dinh dưỡng lên men trên môi trường bán rắn). Sau khi
sinh khối hệ sợi nấm đạt cao nhất, thu hoạch hệ sợi, rửa sạchvà loại bớt nước bằng cách
ly tâm và phơi trong không khí để đạt độẩm 40%. Để sản xuất chế phẩm nấm rễ nội
cộng sinh (Endomycorrhizae) người ta phải nuôi hệ sợi và bào tử nấm trong hệ rễ cây
chủ, nghĩa là nhiễm nấm vào đất trồng cây chủ có hệ rễ phát triển như ngô, hay cỏ ba lá,
thu hoạch hệ rễ cây chủ cùng đất trồng và sử dụng chúng như một loại chế phẩm. Sản
phẩm dạngnày phải được bảo quảntrong điều kiện lạnh cho tới khi sử dụng. Ưu điểm của
sản phẩm là dễ làm, ít tốn kém, song khôngbảo quản được lâu, có nguy cơ tạp nhiễm cao
và hiệu lực không ổn định.
226
1.2.2. Chế phẩm bào tử
Để sản xuất chế phẩm bào tử người ta nhân sinh khối nấm trong môi trường xốp đến
khi bào tử nấm hình thành và chín, thu hồi sinh khối nấm cùng giá thể sau đó phơi khô và
nghiền mịn.
Đối với một số nấm rễ lớn người ta có thể sản xuất chế phẩm bào tử bằng cách nuôi
trồng nấm, thu hái quả thể nấm, làm khô ở nhiệt độ phù hợp (<350C), nghiền mịn cùng với
chất mang và tạo sản phẩm dưới dạng bột hoặc viên. Ưuđiểm của chế phẩm dạng nàylà có
thể bảo quản được lâu, ít tạp nhiễm, chế phẩm có hiệu lực cao, ổn định. Để tránh tạp nhiễm
từ bên ngoài các thao tác nuôi, trồng, thu hoạch và chế biến phải được tiến hành trong điều
kiện vô trùng, người sản xuất cần phải có kinh nghiệm và các trang thiết bị đắt tiền.

1.3. Chế phẩm virus


1.3.1. Chế phẩm dạng lỏng
Sinh khối virus trong cơ thể ký chủ được thu hồi bằng cách giết ký chủ, nghiền nhỏ, ly
tâm loại cặn bã và bổ sung các chất phụ gia (chất chống thối, chất bám dính...), đóng chai và
đưa đi sử dụng. Sản phẩm loại này dễ làm, song thời gian sử dụng ngắn, dễ tạp nhiễm.
1.3.2. Chế phẩm dạng bột khô
Sau khi bổ sung chất phụ gia như chế phẩm dạng lỏng, dịch virus được làm khô
cùng với chất mang rồi đóng gói và mang đi sử dụng. Chế phẩm virus dạng bột có thể bảo
quản được lâu hơn chế phẩm dạng lỏng.

2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CHẾ PHẨM VI SINH VẬT

Tùy theo mục đích, đối tượng sử dụng và đặc điểm của từng loại chế phẩm mà
phương pháp sử dụng khác nhau. Đối với các chế phẩm vi sinh vật phục vụ trong trồng
trọt và bảo vệ thực vật thường sử dụng các phương pháp sau:

2.1. Phương pháp nhiễm vào hạt giống


Ở một số nước trên thế giới có nền nông nghiệp phát triển, chế phẩm vi sinh vật làm
phân bón hoặc phòng bệnh hại được nhiễm trực tiếp vào hạt thông qua quá trình xử lý hạt
giống ở quy mô công nghiệp. Nghĩa làngay sau khi xử lý hạt giống người ta bọc luôn một
lớp chế phẩm VSV bên ngoài hạt. Công việc này được thực hiện trong các nhà máy, xí
nghiệp xử lý hạt giống, sau đó hạt giống đã nhiễm vi sinh vật được giao cho cho các nông
trang hoặc trang trại để gieo trồng.
Ở Việt Nam, chế phẩm VSV được hòa vào nướcsạch (nếu chế phẩm dạng khô hoặc
dạng chất mang) tạo thành dung dịch, sau đó trộn đều với hạt giống trước khi gieo. Để
tăng độ bám dính của vi sinh vật vào bề mặt hạt giống có thể bổ sung các chất keo vào
dung dịch trước khi trộn với hạt giống, hoặc trộn hỗn hợp hạt giống + vi sinh + bột mịn
(đất, phân chuồng hoai mục, bột đá vôi) để tạo ra lớp vỏ bọc kín hạt giống. Công việc trộn

227
có thể thực hiện ngay tại ngoài đồng, khi đó nơi trộn phải là chỗ râm mát, tránh ánh nắng
trực tiếp. Trộn xong đem gieo ngay trong thời gian ngắn nhất.
Phương pháp nhiễm trực tiếp vào hạt giống cho hiệu quả cao nhất, nhưng đòi hỏi kỹ
thuật cao để tránhlàm hạt giống bị xây xát và mất sức nảy mầm. Đối với hạt giống đã được
xử lý thuốc trừ sâu, diệt nấm hóa học không nên sử dụng phương pháp này vì hóa chấtđộc
hại sẽ tiêu diệt vi sinh vật chuyên tính.

2.2. Phương pháp hồ rễ cây


Ngâm rễ cây còn non vào dung dịch chế phẩm vi sinh vật (nếu chế phẩm dạng chất
mang thì phải hòa vào nước sạch) trong thời gian 6 – 24 giờ tùy loại chế phẩm và loại cây
trồng. Cần tiến hành ở nơi râm mát, tránh ánh nắng trực tiếp.
Chú ý: Chỉ ngâm bộ rễ vào chế phẩm để vi sinh vật hữu ích nhiễm vào rễ cây.
Phương pháp này cho hiệu quả rất cao, nhưng mất nhiều thời gian và không tiện lợi cho
người sử dụng. Phương pháp này không áp dụng đối với các loại cây rễ cọc, cây ăn quả.

2.3. Bón chế phẩm vi sinh vật vào đất


Theo phương pháp này có nhiều cách bón chế phẩm VSV:
+ Có thể trộn đều chế phẩm với đất nhỏ tơi, sau đó đem rắc đều vào luống trước khi
gieo, trồng (nếu là ruộng cạn), hoặc rải đều ra mặt ruộng (nếu là ruộng nước).
+ Có thể đem chế phẩm ủ hoặc trộn với phân chuồng hoai, sau đó rải đều như
bón phân.
+ Trộn chế phẩm VSV với đất hoặc với phân chuồng hoai, sau đó đem bón thúc sớm
cho cây (càng bón sớm càng tốt).

2.4. Phun, tưới chế phẩm vi sinh vật lên cây hoặc vào đất
Theo phương pháp này, dùng chế phẩm hòa vào nước sạch, tưới hoặc phun trực tiếp
vào cây hay vào đất. Đối với chế phẩm phân bón vi sinh vật cố định nitơ cộng sinh nên
tưới phủ sớm ngay khi cây còn non vì vi khuẩn nốt sần cần xâm nhiễm vào rễ non để hình
thành nốt sần. Các chế phẩm vi sinh vật bảo vệ thực vật được dùng chủ yếu bằng phương
pháp này. Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp tưới phun phải cần lượng chế phẩm lớn
hơn so với các phương pháp khác

3. MỘT SỐ CHẾ PHẨM VI SINH VÂT THÔNG DỤNG


3.1. Chế phẩm EM
Chế phẩm EM hay EM là công nghệ vi sinh do Teruo Higangười Nhật Bản phát
minh. Công nghệ này trở nên nổi tiếng và có ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước. Từ công

228
thức của chế phẩm EM, một số chế phẩm tương tự và nội địa hóa đã được sản xuất ở Việt
Nam là chế phẩm GEM và VEM
Trong nhiều năm qua EM đã được nhân rộng và tái sản xuất. Những nhóm vi khuẩn
khác nhau có thể được đưa vào một cách trực tiếp (EM1, EM2, EM3, EM4 và EM5) vào
đất nông nghiệp.
3.1.1. Ứng dụng chế phẩm EM trong xử lý môi trường
Chế phẩm EM bao gồm 87 chủng VSV khác nhau, trong đó có 5 nhóm vi khuẩn lên
men là lactic, lên men rượu, vi khuẩn quang hợp, xạ khuẩn và nấm men. Được dùng để xử
lý mùi hôi rác thải, nước thải, chuồng trại chăn nuôi, nền sàn sản xuất thực phẩm – thuỷ
sản, cống rảnh ...
- Quá trình oxy hoá tự nhiên các chất hữu cơ làm giảm lượng oxy hoà tan, đồng thời
tạo ra các chất độc: H2S, NH3, SO2...gây ô nhiễm môi trường. Khi sử dụng chế phẩm EM,
ta đã đưa vào môi trường các loại VSV hữu hiệu thúc đẩy quá trình oxy hoá hoàn toàn các
chất hữu cơ nên hạn chế sự phát sinh mùi hôi.
- Chế phẩm EM có thể giúp cho hệ vi sinh vật tiết ra các enzyme phân huỷ như
lignin peroxidase. Các enzyme này có khả năng phân huỷ các hoá chất nông nghiệp tồn
dư, thậm chí cả dioxin.
- Những vi sinh vật có trong EM có khả năng tiết ra acid hữu cơ, emzyme, những
chất chống oxi hoá và các phức kim loại. Sự tạo ra môi trường chống oxi hoá bởi EM đã
tăng quá trình tách rắn – lỏng, nhờ vậy mà góp phần quan trọng vào việc làm sạch nước.
- Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ còn làm giảm lượng mùn trong hầm cầu, tăng
quá trình phân huỷ các chất thải trong hầm chứa, giảm thiểu các chất khí tạo ra mùi hôi,
thối.
- Tăng cường các quá trình trao đổi, phân giải các chất hữu cơ trong bể chứa chất
thải, làm giảm sự hình thành màng hữu cơ trên bề mặt bể nên ngăn chặn hiện tượng đầy
giả tạo và tắc nghẽn sự lưu thông khí của hệ thống, công trình.
3.1.2. Ứng dụng chế phẩm EM trong xử lý rác thải sinh hoạt
Cách sử dụng EM trong vận chuyển và xử lý rác thải sinh hoạt và nước rỉ rác:
- Tại trạm trung chuyển: rác thải sau thu gom sẻ chuyển đến trạm trung chuyển. Mỗi
ngày các đơn vị chế phẩm E.M được cấp theo khối lượng thu gom thực tế pha tỉ lệ 1: 1 với
nước sạch để phun lên mật rác khi vận hành ép rác và xịt lên nền
- Xe vận chuyển rác: đối với rác thải được vận hành trực tiếp đến bải rác trong quá
trình thu xe vận chuyển sẻ lắp đặt thiết bị phun chế phẩm E.M và hương khử mùi bằng các
vòi phun sau xe để giảm mùi hôi khi vận chuyển.
- Tại bải rác: rác sau khi được vận chuyển đến chôn lấp tại bãi rác sẻ được phun dịch
EM lên toàn bộ bề mặt theo tỉ lệ 1 : 50 hoặc 1 : 100 lên rác thải khi đã được san ủi xong,

229
sau đó đổ liên tiếp và tiếp tuc như thế (dùng theo định mức 05/BXD 0,6 lit/ 1 tấn rác ).
- Tại hồ tuy nghi: ở hồ này hằng ngày được phun E.M mỗi ngày 2 lần theo công
thức 50 ml/1 m3 nước thải, và chế phẩm đa enzyme Enchoice Solution.
Mùi hôi thối của rác thải là do một nhóm VSV tạo ra. Do vậy khi sử dụng chế phẩm
E.M thì trong chế phẩm sẻ có nhóm VSV ức chế nhóm VSV trong rác thải. Sau đó các
VSV có ích này tiếp tục phát triển bằng cách phân huỷ dần các chất thải có nguồn gốc hữu
cơ.
3.2. Chế phẩm cố định nitơ
3.2.1. Phân bón vi sinh vật cố định nitơ (Biological nitrogen fixing fertilzer) (tên thường
gọi: phân vi sinh vật cố định đạm, phân đạm vi sinh) là sản phẩm chứa một hay nhiều
chủng vi sinh vật sống (tự do, hội sinh, cộng sinh, kỵ khí hoặc hiếu khí) đã được tuyển
chọn với mật độ đạt tiêu chuẩn hiện hành, có khả năng cố định nitơ cung cấp các hợp chất
chứa nitơ cho đất và cây trồng; tạo điều kiện nâng cao năng suất cây trồng và (hoặc) chất
lượng nông sản, tăng độ màu mỡ của đất. Phân bón vi sinh vật cố định nitơ không gây
ảnh hưởng xấu đến người, động thực vật, môi trường sinh thái và chất lượng nông sản.
3.2.2. Yêu cầu của phân bón cố định đạm
Yêu cầu chất lượng đối với chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ nói riêng và phân bón
vi sinh vật nói chung là phải có hiệu quả đối với đất và cây trồng, nghĩa là có ảnh hưởng
tích cực đến sinh trưởng phát triển của cây trồng, đến năng suất hoặc chất lượng nông
phẩm hoặc độ phì của đất.
Mật độ vi sinh vật chuyên tính trong sản phẩm phải bảo đảm các tiêu chuẩn ban
hành. Tuỳ theo điều kiện của từng quốc gia, mật độ vi sinh vật chuyên tính trong 1 gam
hoặc mililit chế phẩm dao động 107– 1010 CFU đối với chế phẩm trên nền chất mang khử
trùng và 105– 106 CFU đối với chế phẩm trên nền chất mang không khử trùng. Theo tiêu
chuẩn Việt Nam mật độ vi sinh vật chuyên tính trong chế phẩm phải đạt 108 CFU/g đối
với chế phẩm trên nền chất mang khử trùng và 105 CFU/g đối với chế phẩm trên nền chất
mang không khử trùng.
Tuỳ theo yêu cầu của từng nơi, người ta còn đưa thêm các tiêu chuẩn kỹ thuật khác
đối với từng loại chế phẩm cụ thể như khả năng cố định nitơ trong môi trường chứa 10 g
đường (đối với Azotobacter) hoặc khả năng tạo nốt sần trên cây chủ đối với vi khuẩn nốt
sần...
3.2.3. Phương pháp sử dụng chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ
Có rất nhiều cách bón chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ khác nhau, dựa vào từng loại
cây trồng khác nhau sao cho hiệu quả cao nhất.
+ Đối với chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ tự do thường được hồ vào hạt hoặc rễ cây
khi còn non, hay bón trực tiếp vào đất. Nhưng nhìn chung bón càng sớm càng tốt.

230
Đối với chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh thường được trộn vào hạt giống
trước khi gieo hạt hoặc tưới phủ sớm không muộn quá 20 ngày sau khi cây mọc.
1) Bón chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ vào đất
Theo phương pháp này có nhiều cách bón chế phẩm cố định nitơ:
+ Có thể trộn đều chế phẩm với đất nhỏ tơi, sau đó đem rắc đều vào luống trước khi
reo hạt trên ruộng cạn; hoặc rắc đều ra mặt ruộng ruộng nước.
+ Có thể đem chế phẩm ủ hoặc trộn với phân chuồng hoai, sau đó bón đều vào luống
rồi gieo hạt (nếu là ruộng cạn); hoặc rắc đều ra mặt ruộng (nếu là ruộng nước).
+ Người ta có thể trộn chế phẩm vi khuẩn với đất hoặc với phân chuồng hoai, sau đó
đem bón thúc sớm cho cây (càng bón sớm càng tốt).
Phương pháp này nhằm tăng số lượng vi sinh vật hữu ích vào đất.
2) Phương pháp phun chế phẩm vi khuẩn cố định nitơ lên cây hoặc vào đất
Theo phương pháp này, khi cây đã nẩy mầm, dùng chế phẩm hoà vào nước sạch
tưới trực tiếp vào cây hay vào đất (người ta thường gọi là phương pháp tưới phủ sớm).
Có rất nhiều tên gọi chế phẩm vi khuẩn cố định N khác nhau: Nitragin; Riđafo;
Rhizobin; Rizolu; Azotobacterin; Flavobacterin; Azogin; Enterobacterin...
3.3. Phân lân vi sinh
1) Yêu cầu chất lượng và công tác kiểm tra chất lượng
Tại Việt Nam trong sản xuất phân lân VSV trên nền chất mang không khử trùng, các
nhà sản xuất thường sử dụng quặng phosphorit bổ sung vào chất mang. Việc làm này có
lợi là tận dụng được nguồn quặng tự nhiên sẵn có của địa phương, qua đó giảm chi phí đầu
tư trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, để phân bón có hiệu quả cần phải kiểm tra đánh giá
khả năng phân giải quặng của các chủng VSV sử dụng và khả năng tồn tại của chúng
trong chất mang được bổ sung quặng.
Yêu cầu chất lượng đối với phân lân vi sinh cũng tương tự như yêu cầu chất lượng
đối với phân vi sinh vật cố định nitơ, nghĩa là phân lân vi sinh vật được coi là có chất
lượng tốt khi có chứa một hay nhiều loài VSV có hoạt tính phân giải lân cao, có ảnh
hưởng tốt đến cây trồng với mật độ 108–109 CFU/g hay ml phân bón đối với loại phân
bón trên nền chất mang khử trùng và 106 CFU/gam hay ml đối với phân bón trên nền chất
mang không khử trùng. Để phân bón vi sinh vật có chất lượng cao cần tiến hành kiểm tra
chất lượng sản phẩm tạo ra sau mỗi công đoạn sản xuất tương tự như công tác kiểm tra
chất lượng trong sản xuất phân vi sinh vật cố định nitơ.
2) Phương pháp bón phân lân vi sinh
Phân lân vi sinh thường được bón trực tiếp vào đất, người ta ít dùng loại phân này
để trộn vào hạt. Có nhiều cách bón khác nhau:

231
+ Có thể trộn đều chế phẩm với đất nhỏ tơi, sau đó đem rắc đều vào luống trước khi
gieo hạt (nếu là ruộng cạn); rắc đều ra mặt ruộng (nếu là ruộng nước).
+ Có thể đem chế phẩm ủ hoặc trộn với phân chuồng hoai, sau đó bón đều vào luống
rồi gieo hạt (nếu là ruộng cạn); rắc đều ra mặt ruộng (nếu là ruộng nước).
+ Có thể trộn chế phẩm VSV với đất hoặc với phân chuồng hoai, sau đó đem bón
thúc sớm cho cây (càng bón sớm càng tốt).
Phương pháp này nhằm tăng số lượng vi sinh vật hữu ích vào đất.
* Phân hữu cơ vi sinh Sông Gianh
Thành phần

Độ ẩm: 30%; Hữu cơ: 15%; P2O5hh: 1,5%;

Acid Humic: 2,5%; Trung lượng: Ca, Mg, S;


Các chủng vi sinh vật hữu ích: 3 × 106 CFU/g.

Tác dụng

Cải tạo đất, tăng độ phì nhiêu và tơi xốp. Tăng


sức đề kháng cho cây trồng. Kích thích bộ rễ
phát triển mạnh, sinh trưởng tốt. Nâng cao năng
suất và giá trị nông sản.

Hướng dẫn sử dụng


Hình 10.1. Phân lân hữu cơ
vi sinh Sông Gianh Bón lót, bón đại trà. Lượng bón tùy theo nhu
cầu của từng loại cây trồng (Đơn vị tính sào Bắc
Bộ: 360 m2).

LOẠI CÂY LƯỢNG BÓN


Lúa, ngô, khoai, sắn, lạc, rau màu…. 30–35 kg/sào
Cây ăn quả, cà phê, cao su…. 1–1,5 kg/cây
Chè 50– 70 kg/sào

3.4. Chế phẩm sinh học BIMA (Trichoderma)

Đặc tính về sản phẩm BIMA:


1) Thành phần:
- Các chủng nấm Trichoderma: 5×106 bào tử/gam
- Hữu cơ: 50%; Độ ẩm < 30%.
2) Công dụng:

232
- Chứa nấm đối kháng Trichoderma có khả năng tiêu diệt và khống chế ngăn ngừa
các loại nấm bệnh hại cây trồng gây bệnh xì mủ, vàng lá thối rễ, chết yểu, héo rũ
như: Rhizoctonia solani, Fusarium, Pythium, Phytophthora sp., Sclerotium rolfsii,…
- Tạo điều kiện tốt cho vi sinh vật cố định nitơ phát triển sống trong đất trồng. Kích
thích sự tăng trưởng và phục hồi bộ rễ cây trồng.
- Phân giải tốt các chất xơ, chitin, lignin, pectin … trong phế thải hữu cơ thành các
đơn chất dinh dưỡng, giúp cho cây hấp thu được dễ dàng.
- Kết hợp với phân hữu cơ có tác dụng cải tạo đất xốp hơn, chất mùn nhiều hơn, tăng
mật độ côn trùng có ích và giữ được độ phì của đất.
3) Hướng dẫn sử dụng
- Bón trực tiếp cho cây trồng
Bảng 10–3. Hướng dẫn sử dụng chế phẩm sinh học BIMA (Trichoderma)
Cây trồng Liều lượng Cách bón
Bầu ươm cây con 1 – 2 kg/1m3 giá thể ươm cây -Trộn đều với giá thể ươm
trước khi vô bầu
Cây rau màu 3 - 6 kg/1000 m2 -Trộn với phân hữu cơ để bón
(Cà chua, dưa leo, dưa hấu, khổ đất trước khi trồng.
qua ớt, rau cải các lọai…) -Bón thúc bổ sung 1 – 2 lần/1
vụ
Cây công nghiệp (cà phê, 4 – 8 kg/1000 m2 -Trộn với phân hữu cơ bón 1
tiêu, điều) – 2 lần/ năm
Cây ăn trái (Sầu riêng, cam, - Bón trực tiếp vào xung
quýt, bưởi, xoài…) quanh gốc cây.
Có thể dùng để tưới: hoà 1 kg chế phẩm BIMA với 30 lít nước.
- Quy trình ủ phân chuồng, xác bã thực vật
Cứ 3–4 kg chế phẩm BIMA; 20 – 30 kg super lân trộn đều với 1 tấn phân chuồng,
xác bã thực vật.
Phun dung dịch urea (1 kg urea/100 lít nước ) vào đống ủ cho ướt đều, độ ẩm đạt
50–55% (dùng tay vắt chặt hỗn hợp trộn, thấy nước rịn ra là được)
Đảo trộn và đậy bạt, sau 4–5 ngày, nhiệt độ sẽ lên khoảng 600C. Tiến hành đảo trộn.
Nếu thấy khô, phun nước vào để tạo độ ẩm.
Sau 25 – 30 ngày, đảo lại 1 lần, phun nước để đảm bảo độ ẩm 50–55%. Nếu phân
chưa hoai, ủ tiếp đến 30 ngày sau thì phân hoai hoàn toàn, có thể đem sử dụng.
Sản phẩm phân hữu cơ thu được có thể trộn với phân NPK, urea, super lân, kali và
các lọai tro trấu.
3.5. Chế phẩm sinh học xử lý nước thải BIO–EM

233
Chế phẩm sinh học xử lý nước thải BIO–EM, giúp giảm chỉ Số COD, BOD, TSS…
giảm tối đa mùi hôi, diệt vi khuẩn gây bệnh. Tăng cường mật độ vi sinh vật hữu ích cho hệ
thống xử lý. Giảm ô nhiễm môi trường.
Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm.
- BIO–EM gồm tổ hợp chủng vi sinh vật được phân lập sản xuất lên men từ hệ thống
lên men từng chủng vi sinh vật, hoạt tính của các chủng vi sinh vật chứa trong BIO–EM
cao.
- Tổng số vi sinh vật : ≥ 109 CFU/g
Tác dụng: Xử lý nhanh nguồn nước ô nhiễm
- Phân giải nhanh chất thải hữu cơ
- Xử lý làm sạch hệ thống xử lý nước thải
- Khử mùi hôi chất thải hữu cơ
- Phân hủy các thành phần khó tiêu như: protein, tinh bột, cellulose, kitin, pectin,
lipid,…
- Chuyển hóa thành phần khó tiêu thành dễ tiêu trong nước thải
- Giảm chỉ số COD, BOD, TSS… khi sử dụng chế phẩm
- Khôi phục lại hệ vi sinh trong hệ thống xử lý và môi trường
- Diệt mầm bệnh và các vi khuẩn gây mùi hôi thối
Ứng dụng cho hệ thống: Xử lý nước thải bệnh viện, sinh hoạt, thực phẩm, chế biến
thủy sản...
Cách sử dụng: căn cứ vào các chỉ tiêu hệ thống xử lý nước thải
Bảo quản: Tránh ánh sáng trực tiếp, để nơi khô ráo thoáng mát
Hạn sử dụng: 1 năm kể từ ngày sản xuất.

3.6. Chế phẩm sinh học “Vườn Sinh Thái” đối với nuôi trồng thủy sản

Gồm 18 loại amono acid:


- Các chủng vi sinh vật hữu ích;
- Các khoáng chất vi lượng, đa lượng,
trung lượng;
- Các vitamin (A, B,C...);
- Các các loại men (enzyme)…các dinh
dưỡng thiết yếu...
Hình 10.2. Chế phẩm sinh học Những thành phần này giúp Tôm -
“vườn sinh thái” chuyên dùng
Cá hấp thụ đầy đủ dinh dưỡng, tối ưu hóa
được lượng thức ăn sử dụng (giảm chi phí thức ăn từ 7–12%), sinh trưởng phát triển tốt,
tăng sức đề kháng chống chịu bệnh dịch nên hạn chế được việc sử dụng thuốc kháng sinh,

234
tăng trọng nhanh, phục hồi thể trạng, môi trường ao nuôi sạch sẽ và hạn chế tình trạng ô
nhiễm, chất lượng thịt tăng, cho thu hoạch sớm so với đại trà từ 20–30 ngày. Các chủng vi
sinh vật hữu ích trong chế phẩm có khả năng ức chế các khuẩn gây hại, tăng lượng oxy
hòa tan, tăng khả năng miễn dịch.

TÓM TẮT CHƯƠNG


Các chế phẩm vi sinh vật (vi khuẩn, vi nấm, virus) rất đa dạng, được sử dụng phổ
biến trên thế giới và trong nước trong lĩnh vực trồng trọt, chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản,
xử lý và cải tạo môi trường.
Giới thiệu thành phần tác dụng và cách dùng của một số chế phẩm vi sinh hữu ích.
Có thể áp dụng tại Việt Nam trong điều kiện hiện nay.
Khi sử dụng các chế phẩm vi sinh cần lưu ý:
 Tránh ánh nắng mặt trời
 Không sử dụng đồng thời thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ
 Sử dụng đúng liều lượng và đủ thời gian theo các quy định ghi trên chế phẩm

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP


1. Các dạng chế phẩm vi sinh hiện nay?
2. Cơ sở khoa học của việc ứng dụng chế phẩm sinh học vào xử lý rác thải hữu cơ?
3. Cơ sở khoa học của việc ứng dụng chế phẩm sinh học vào xử lý nước thải?
4. Khi sử dụng chế phẩm vi sinh vào chăn nuôi, trồng trọt cần lưu ý đặc điểm nào?
5. Các phương pháp sử dụng chế phẩm vi sinh hiện nay?
6. Vì sao việc sử dụng chế phẩm vi sinh vật tại Việt nam chưa được quan tâm đúng mức?
Chọn đáp án đúng nhất
7. Quy trình tạo chế phẩm vi sinh từ vi khuẩn được tiến hành theo các bước chính như sau:
a. Nuôi cấy giống vi khuẩn; b. Nhân giống cấp 1; c.Nhân giống cấp 2; d. Hấp phụ vào
chất mang; e. Kiểm tra chất lượng chế phẩm; f. Đóng gói và bảo quản; j. Tất cả các bước
trên.
8. Chủng xạ khuẩn sinh kháng tạo chế phẩm dùng trong bảo vệ thực vật được chọn theo
những tiêu nào?
9. Những điểm cần lưu ý khi sử dụng chế phẩm thuốc trừ sâu VSV trong bảo vệ thực vật?
10. Một số điểm cần chú ý khi sử dụng phân vi sinh vật của Việt Nam
Điền vào các chỗ trống
11. Chế phẩm vi sinh vật dạng …..(a)….tiện lợi cho quá trình bảo quản và vận chuyển hơn
chế phẩm dạng….(b)….
12. Khi sử dụng chế phẩm vi sinh vật, tùy theo đối tượng bệnh cây có thể …..(a)……
phun cho cho cây hoặc….(b)…..
235
THỰC HÀNH VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG

Phần 1. NHỮNG CHỈ DẪN CHUNG

1. QUY ĐỊNH KHI THỰC HÀNH


Khác với thí nghiệm của những môn học khác, người tham gia thí nghệm vi sinh vật
học môi trường thường xuyên tiếp xúc với vi sinh vật (VSV), hoặc canh trường, vật chứa
VSV. Ngoài các VSV có ích cho sản xuất và đời sống, trong thí nghiệm chúng ta còn phải
tiếp xúc với những VSV có hại hoặc gây bệnh... Vì vậy, khi tiến hành thí nghiệm, thao tác
không thận trọng, chính xác có thể gây ra những hậu quả sau:
- Canh trường vi sinh vật bị nhiễm tạp khuẩn.
- Kết quả thí nghiệm thiếu chính xác dẫn đến kết luận sai, lãng phí thời gian, hóa
chất, nguyên liệu.
- Người làm thí nghiệm có thể nhiễm bệnh hoặc làm người khác lây nhiễm.
Để tránh những trường hợp đáng tiếc có thể xảy ra trong khi thí nghiệm, sinh viên
cần phải tôn trọng và thực hiện nghiệm chỉnh những quy tắc sau:
1. Khi làm việc trong PTN sinh viên phải mặc áo blu và cài khuy đầy đủ.
2. Phải tuân thủ trật tự, ngăn nắp và vệ sinh của phòng thí nghiệm.
3. Không để dây vi sinh vật ra bàn ghế, sách vở, quần áo, tay hoặc các vật dụng khác.
Trường hợp có VSV dây ra bàn, ghế... phải xử lý ngay bằng dung dịch lugol 3%
hoặc phenol 5%, đổ dung dịch này lên và để trong 30 phút, với những VSV có bào tử thì
để lâu hơn.
4. Các dụng cụ thí nghiệm như kẹp gắp, kéo, que cấy, que trang, khoan đồng... dùng
xong phải rửa sạch, sấy khô trong tủ sấy.
5. Không hút thuốc lá, ăn uống hoặc đi lại lộn xộn, nói chuyện ồn ào trong khi làm
thí nghiệm.
6. Không tự tiện điều chỉnh hoặc sử dụng những thiết bị của phòng thí nghiệm khi
chưa được hướng dẫn.
7. Sau khi làm thí nghiệm phải sắp xếp gọn gàng, làm vệ sinh nơi làm việc, chùi rửa
dụng cụ thí nghiệmvà phải bàn giao lại đầy đủ cho cán bộ phòng thí nghiệm.
Trước khi ra khỏi phòng thí nghiệm phải rửa tay kỹ bằng xà phòng. Trường hợp cần
thiết phải sát trùng bằng cồn 60–75%.

2. MỘT SỐ THIẾT BỊ, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM CẦN THIẾT


2.1. Thiết bị
Máy móc trong phòng thí nghiệm dùng để nghiên cứu VSV có nhiều loại, nhưng có
một số loại rất cần thiết, phải dùng thường xuyên, do đó cần hiểu biết và nắm vững
phương pháp sử dụng.

236
1) Tủ ấm nuôi cấy vi sinh vật
Tủ ấm nuôi cấy VSV là thiết bị quan trọng trong công tác nghiên cứu VSV môi
trường, vì nhiệt độ trong tủ có thể thay đổi từ 200–600C tùy theo ý muốn của người nghiên
cứu và nhiệt độ trong tủ sau khi đã được xác định thì luôn luôn ở trạng thái ổn định trong
suốt thời gan nuôi cấy. Tùy vào đối tượng nuôi cấy mà ủ ở nhiệt độ khác nhau để vi sinh
vật có thể sinh trưởng tốt. Ví dụ: Coliform 300C/24 – 48 giờ, E. coli thích hợp ở 440C/24 –
48 giờ.
Cách sử dụng
Sau khi găm điện, xoay núm điều chỉnh nhiệt độ lớn cho kim chỉ tới nhiệt độ cần
thiết. Ví dụ để ở nhiệt độ 300C, sau phải điều chỉnh kim ở núm điều chỉnh nhiệt độ nhỏ về
số 0. Nhiệt độ trong tủ ấm tăng dần và đạt tới nhiệt độ trong phạm vi đã xác định . Theo
dõi nhiệt kế cắm trên tủ ấm, nếu thấy có sự tăng giảm thì tiếp tục điều chỉnh cho tới khi
đạt yêu cầu.

Hình 1. Tủ ấm (trái) và tủ sấy (phải)

Những điểm cần lưu ý


Trước khi sử dụng tủ ấm nuôi cấy vi sinh vật thì phải kiểm tra bộ phận điều chỉnh
nhiệt độ xem có chính xác không? Nhiệt độ trong tủ có đều không.
Thường xuyên theo dõi sự thay đổi của đèn đỏ, đèn xanh. Bình thường đèn thay đổi
12 lần trong một phút, nếu có bất thường phải tắt điện và kiểm tra lại.
2) Tủ sấy khô
Dùng để sấy khô, khử trùng các loại dụng cụ chịu được sức nóng khô, chủ yếu là
dụng cụ thủy tinh, đồ sứ (ống nghiệm, ống tiêm, ống hút, hộp lồng (đĩa Petri), cốc, phểu…
cối chày sứ… Các đồ kim khí, dao, kéo, cặp sắt thẳng). Tùy vào đối tượng cần khử trùng
mà sấy ở chế độ t0 và thời gian khác nhau, thường sấy ở 1600C/2 giờ, hoặc 1800C/30 phút.

237
Chú ý: Các vật dụng khác như bông, băng, vải… nhất là cao su và môi trường nuôi
cấy, không được dùng tủ sấy khô để khử trùng.
3) Tủ lạnh
Tủ lạnh dùng để giữ giống vi khuẩn, vi nấm, virus và bảo quản các loại huyết thanh,
các loại vaccine, các môi trường đã pha chế, các chế phẩm sinh học, khoanh giấy tẩm chất
kháng sinh…), hóa chất, thuốc thử dễ phân hủy ở nhiệt độ thường.
Tủ lạnh 0 – 40C dùng để giữ giống vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm.
Tủ lạnh –15 đến –800C gọi là tủ lạnh sâu được dùng để giữ giống VSV lâu dài hơn.
4) Nồi hấp hơi nước cao áp (autoklave)
Thiết bị này cấp nhiệt bằng hơi nước ở áp suất cao (hơi nước bão hòa ở áp suất cao),
được sử dụng để hấp khủ trùng môi trường, một số nguyên liệu và dụng cụ thí nghiệm.
Tùy đối tượng mà sử dụng ở chế độ nhiệt độ và áp suất thích hợp, thường dùng ở 1210C/1
atm/ 15 phút. Hay 1270C/1,5 atm/30 phút với môi trường đất, 1170C/ 0,8 atm/15 phút với
môi trường chứa nhiều đường, môi trường sữa.

Chỉ số áp kế 0 0,2 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,5 2,0
(atm)
0
C hơi nước 100 105 110 112 114 116 117 119 121 127 134

Để loại bỏ không khí trong nồi ra có 2 cách


Cách 1: Đóng khóa thóat hơi để tăng áp lực trong nồi lên đến khoảng 0,3 atm, tiếp
đến cho xì thóat hết hơi nước ra, sau đó khóa van lại và cho tăng áp suất.
Cách 2: Mở khóa thóat hơi và đun cho đến khi hơi nước bắt đầu thóat ra thành một
luồng hơi trắng khá mạnh, khá đều thì đóng van lại và cho tăng áp suất.
Cách sử dụng nồi hấp cao áp
- Đổ nước vào nồi hấp với lượng vừa đủ (xem ở vạch ngang ghi trên một ống thủy
tinh lắp bên ngoài nồi hấp).
- Các dụng cụ đem hấp phải được bao gói kĩ, đối với các bình và ống môi trường có
nút bông phải bọc bằng dấy dầu để tránh hơi nước làm ướt nút.
- Khi sắp xếp dụng cụ vào nồi hấp không nên để sát nhau quá, để vật nặng ở dưới,
vật nhẹ ở trên.
- Đậy nắp, khóa chặt các ốc theo từng đôi đối xứng nhau để khỏi vênh, khỏi hở, khi
tháo khóa cũng phải làm như vậy.
- Cắm điện, theo dõi kim đồng hồ áp lực kế. Loại hết không khí trong nồi theo một
trong 2 phương pháp đã nêu trên.
- Nếu nồi hấp tự động (cài đặt nhiệt độ và thời gian thích hợp), nếu là nồi thủ công
cần theo dõi nhiệt độ trên nhiệt kế và kim chỉ áp lực trên đồng hồ áp lực kế.

238
- Khi đạt tới thời gian cần thiết thì ngắt điện và đợi cho áp lực hạ dần xuống, nhiệt
độ trong nồi giảm hẳn rồi mới mở nắp lấy dụng cụ đã khử trùng ra. Chú ý, tránh hạ áp lực
đột ngột bằng cách mở van xì hơi ra quá mạnh sẽ làm rạn nứt hoặc vỡ dụng cụ. Cũng
không nên để nồi hấp nguội lạnh mới lấy dụng cụ ra, vì lúc này nắp nồi sẽ hút chặt vào
miếng đệm cao su rất khó mở.
Các dụng cụ lấy ra không được để ở nền gạch men, nền đá, nền xi măng (vì dụng cụ
đang nóng gặp lạnh sẽ vỡ, nứt).
5) Tủ cấy vô khuẩn có đèn cực tím (UV) (flux laminar )
Cần có không gian vô trùng được sử dụng để thao tác với vi sinh vật nhờ hệ hống
đèn tử ngoại và bộ phận thổi khí vô trùng.

Hình 2. Tủ cấy ESCO PCR-4A1 (trái) và nồi hấp (phải)

6) Máy ly tâm (centrifuge)


Máy li tâm dùng tách các chất ở các pha rắn-lỏng ra khỏi nhau như tách sinh khối tế
bào ra khỏi môi trường nuôi cấy, tách hồng cầu, enzyme…

Hình 3. Máy li tâm (trái) và máy lắc (phải)

7) Máy lắc (shaker): Máy lắc là thiết bị dùng để nuôi cấy, nhân giống vi sinh vật
bằng cách lắc các bình nuôi cấy theo các chiều khác nhau (lắc vòng và lắc ngang) một
cách đều đặn để tăng lượng oxy hòa tan trong môi trường (Hình 3).

239
8) Máy cất nước 1 lần (Bibby W4000):dùng để cất nước.
9) Bể ổn nhiệt (water bath): Bể ổn nhiệt chứa nước và được cài đặt ở nhiệt độ nhất
định để ổn định nhiệt độ cho những thí nghiệm cần sự ổn định về nhiệt độ.

Hình 4. Máy cất nước hai lần A.4000 (trái) và bể ổn nhiệt (phải)

10) Máy đo pH (pH meter): đo pH dung dịch, môi trường nuôi cấy,…

Hình 5. Máy đo pH để bàn (trái), Máy đo pH cầm tay (phải)

2.2. Dụng cụ
1) Các dụng cụ thủy tinh
Dụng cụ thủy tinh: có nhiều loại với nhiều kích cỡ khác nhau như bình nón, ống
nghiệm, đĩa Petri, ống đong, cốc đong, bình định mức… yêu cầu phải sạch, trong suốt,
trung tính. Trước khi dùng đựng môi trường dụng cụ thủy tinh phải được sấy khô, làm nút
bông và khử trùng trong tủ sấy khô.
Đối với dụng cụ đã qua sử dụng còn chứa môi trường và vi sinh vật, cần khử trùng
rồi mới rửa sạch bằng xà phòng, phơi và sấy khô…..
Đối với dụng cụ bị bám bẩn, cần ngâm vào dung dịch sulfochromate vài giờ, sau đó
rửa lại bằng nước sạch.

240
Đối với dụng cụ bị bám bẩn, cần ngâm vào dung dịch sulfochromate vài giờ, sau đó
rửa lại bằng nước sạch.
Đèn cồn, giá ống nghiệm, que cấy, kẹp, kéo, bơm tiêm nhựa, đầu típ, bếp điện,…
Dụng cụ sạch khi đưa lên ánh sáng không có vết mờ và vết bợn.
2) Nồi lên men (fermenter): thiết bị lên men nuôi cấy vi sinh vật.

Hình 6. Nồi lên men mini (trái); Cân điện tử GR AND (giữa) và cân kỹ thuật (phải)

3) Cân phân tích điện tử (analyticalbalance)


Cân phân tích điện tử trọng lượng từ 100 µg – 200 g. Độ chính xác 10–4 g.Cân kỹ
thuật (technical balance) –độ chính xác 10–2 g. Dùng cân hóa chất, môi trường.

3. XỬ LÝ VÀ BAO GÓI DỤNG CỤ, VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM


3.1. Xử lý các dụng cụ thủy tinh
Các dụng cụ thủy tinh mới mua về trước khi sử dụng phải rửa thật sạch bằng nước
vòi, sau đó đem ngâm qua đêm trong dung dịch HCl hay H2SO4 1– 2% rồi rửa nước vòi
thật kỹ, tráng qua bằng nước cất và sấy khô.
Các dụng cụ bằng kim loại, nhựa hay gỗ phải rửa sạch. Có thể khử trùng bằng
phenol5% hoặc cồn 700, hoặc hấp ở nồi hấp áp lực, sau đó sấy khô hoặc để khô tự nhiên.
Các dụng cụ vừa mới dùng để nuôi cấy VSV trước khi rửa nhất thiết phải hấp 1210C
trong 30 phút. Nếu nuôi các VSV biết chắc là không gây bệnh (Azotobacter, Rhizobium,
Saccharomyces...) thì có thể bỏ qua giai đoạn này. Dùng chổi rửa chai lọ cọ kỹ từng dụng
cụ với xà phòng hoặc bột tẩy rửa.
Đối với các dụng cụ thủy tinh có dính dầu, mỡ trước khi rửa cần dùngmột ít bông
tẩm xylenee chùi cho sạch, rồi dùng nước xà phòng nóng để rửa. Rửa xong nên ngâm vào
hỗn hợp sulfochromate một ngày rồi đem rửa lại bằng nước, tráng bằng nước cất sau đó để
khô tự nhiên hay sấy khô trong lò sấy.
Dịch rửa sulfochromate được pha chế theo tỉ lệ sau:
K2Cr2O7 60 g
H2SO4 đậm đặc 66 ml
H2O 1000 ml

241
Đem 60g K2Cr2O7 hòa vào 500 ml nước. Thêm từ từ 66 ml H2SO4 đậm đặc, cuối
cùng lại thêm 500 ml nước nữa. Kali bichromate sẽ tác dụng với acid sulfuric và làm sinh
ra acid chromic. Chất này có tác dụng oxy hóa mạnh do đó có thể tẩy sạch các vết bẩn trên
dụng cụ thủy tinh. Dịch ngâm sulfochromic có thể dùng nhiều lần cho đến khi biến thành
màu lục đen hãy bỏ.
* Chế mực viết trên kính:
Hòa 1g fuchsine kiềm vào 1 lọ có 15 ml rượu 95 độ. Bên cạnh đó hòa 2 g tannin
(hay tannoid) vào 15 ml nước và đun sôi, trộn lẫn hai hỗn dịch theo tỷ lệ 1: 1.
3.2. Bao gói dụng cụ vật liệu
Trước khi đem hấp khử trùng những dụng cụ vật liệu dùng để thí nghiệm cần
phải gói kỹ, thật kín để vi khuẩn ở ngoài không thể lọt vào dụng cụ, không ảnh hưởng
đến thí nghiệm.
Dùng bông loại không thấm nước để làm nút ống nghiệm, chai lọ, hay bịt đầu các
ống thủy tinh.

Hình 7. Làm nút bông theo trình tự a, b, c. ; Ống nghiệm đậy nút bông d

3.3. Vật liệu


Cần chuẩn bị trước các ống giống VSV thuần chủng do phòng thí nghiệm tự phân
lập (xem phần phân lập VSV) hoặc các ống giống VSV chuẩn thuần chủng (có thể mua từ
các trung tâm giữ giống Quốc gia). Trong các bài thực hành nên có các tập hợp VSV sau:
Các loại cầu khuẩn: Sarcina lutea, Staphylococcus aureus; Micrococcus ureae,
Streptococcus lactis...
Các loại trực khuẩn: Escherichia coli; Proteus vulgaris; Klebsiella pneumoniae;
Bacillus subtilis, B. mycoides; Clostridium pasteurianum...
Các loại xoắn khuẩn: Spirillum rubrum ; Spirillum volutans
Nấm men: Sac. cerevisiae, Sac. ellipsoideus; Candida utilis, Candida albicans.
Nấm mốc: Aspergillus niger, Aspergillus oryzae; Penicillium notatum; Rhizopus
nigricans; Mucor mucedo.
Xạ khuẩn: Micromonospora sp.; Nocardia sp.; Streptomyces rimosus, Str. fradiae...

242
3.4. Các dụng cụ cần thiết
+ Kính hiển vi quang học có chất lượng tốt (các vật kính, thị kính không bị nhiễm
mốc, đặc biệt là vật kính dầu.
+ Lam kính (phiến kính): hình chữ nhật, kích thước 20  76 mm, dày khoảng 0,1
mm, dùng để mang mẫu vật soi ở kính hiển vi.
+ La men (lá kính): thường có hình vuông, kích thước 10 x 10 mm hoặc 22 22 mm,
dày 0,12  0,14 mm, dùng để đậy mẫu vật trên lam kính.
+ Thước đo vật kính và thước đo thị kính: dùng để đo kích thước tế bào VSV.
+ Khung đếm Goriaep: dùng để kiểm tra số lượng tế bào VSV.
+ Hộp lồng (đĩa Petri): dùng để nghiên cứu các đặc điểm hình thái, đặc điểm nuôi
cấy và phân lập VSV hiếu khí.
+ Bình nón: dùng để nuôi cấy, nhân giống, chứa các loại môi trường. Nó gồm nhiều
loại: 100 ml, 150 ml, 250 ml, 500 ml... Sử dụng nhiều nhất là loại bình có dung tích 250 ml.
+ Que cấy và que trang: Que cấy gồm 3 loại (đầu tròn, đầu nhọn, đầu hình móc)
dùng để lấy giống, cấy truyền và làm tiêu bản vi sinh vật; que trang dùng để dàn đều giọt
dịch khi phân lập vi sinh vật.
+ Chậu rửa có cầu rửa: (cầu rửa là một que thủy tinh uốn cong hình chữ u đặt trên
miệng chậu, nơi đặt tiêu bản khi nhuộm màu và rửa nước).
+ Đèn cồn: bấc phải dùng bông coton không pha nilon, khi cháy phải đều và xanh.
Khi ngọn đèn đỏ phải thay bấc hoặc vắt khô bấc và nhúng vào cồn mới
3.5. Pha chế các loại hóa chất, các loại thuốc nhuộm, thuốc thử, các loại môi trường dinh
dưỡng (được trình bày cụ thể ở từng bài thực hành).

4. SỬ DỤNG VÀ BẢO QUẢN KÍNH HIỂN VI


4.1. Sử dụng kính hiển vi
Vì vi sinh vật quá nhỏ bé, không thể thấy bằng mắt thường nên để quan sát được
chúng người ta phải dùng nhiều loại kính hiển vi khác nhau.
Kính hiển vi quang học gồm có giá kính và hệ thống quang học. Giá kính gồm
chân kính, trụ mang ống kính, bàn kính, ống kính, các ốc chuyển nhanh và chậm. Hệthống
quang học gồm thị kính, vật kính, kính tụ quang, hệ thống đèn chiếu sáng hoặc gương
phản quang (Hình 8).
Độ phóng đại của kính = độ phóng đại của vật kính × độ phóng đại của thị kính.
Ví dụ : Thị kính ×15, vật kính ×100 thì độ phóng đại của kính là 1.500 lần.
Hệ kính khô: Vật kính có độ phóng đại ×40.
Hệ kính dầu: thường sử dụng vật kính ×90 hoặc ×100. Khi sử dụng vật kính dầu,
trước hết phải nhỏ 1 giọt dầu cede hay còn gọi là dầu soi kính hiển vi lên tiêu bản, sau đó
vật kính phải được nhúng chìm trong giọt dầu để giảm sự tán sắc của ánh sáng khi nó đi
qua lam kính và lamen để vào vật kính.

243
Để tăng hoặc giảm cường độ của ánh sáng đi vào vật kính có thể điều chỉnh màng
chắn ánh sáng trên kính tụ quang kính.
* Những điều cần chú ý khi sử dụng kính hiển vi quang học
- Không sờ tay vào các thấu kính. Khi thấu kính bẩn, lau nhẹ bằng vải bông mềm,
sạch và tránh làm ×ước thấu kính.
- Bỏ tiêu bản ra khỏi kính hiển vi khi đã xem xong. Lau sạch dầu dính trên vật kính
bằng xylenee hoặc toluene (không dùng quá nhiều xylene để lau, vừa độc hại vừa làm tan
mất chất gắn vật kính). Tuyệt đối không được dùng cồn, vì nó làm tan chất gắn các thấu
kính của vật kính.
- Để tránh làm hỏng kính hiển vi: không xoay các ốc điều chỉnh quá nhanh và mạnh,
nhất là các bộ phận quang học.
- Không chạm mạnh thấu kính của vật kính lên tiêu bản để tránh xước.
- Không thay các vật kính từ kính hiển vi này sang kính khác. Nếu phát hiện có một
hư hỏng nào đó, nhất thiết không được tự ý tháo thấu kính ra sửa chữa mà phải báo cáo
với cán bộ hướng dẫn biết để xử lý.
* Cách sử dụng kính hiển vi
+ Xem tiêu bản ở hệ kính khô
-Đặt tiêu bản lên bàn kính, sau đó đưa vật kính có độ phóng đại nhỏ (×10, ×20) gần
sát vào tiêu bản, vừa nhìn qua thị kính vừa điều chỉnh ốc thô, từ từ nâng vật kính lên cho
tới khi nhìn thấy vùng VSV trong tiêu bản.
-Khi đã xác định được vị trí cần xem, đổi vật kính sang độ phóng đại lớn hơn (×40,
× 60), sau đó điều chỉnh ốc tinh để thấy rõ hình ảnh VSV.
+ Xem tiêu bản ở hệ kính dầu
-Đầu tiên cũng dùng vật kính có độ phóng đại nhỏ để xác định vị trí cần tìm trên tiêu
bản như phần trên. Sau đó nhỏ một giọt dầu cede lên tiêu bản.
-Đổi vật kính sang độ phóng đại lớn (×100, ×100), nhúng đầu vật kính chìm vào giọt
dầu. Khẽ điều chỉnh ốc tinh để tìm thấy hình ảnh của VSV khi vật kính vẫn chìm trong
giọt dầu. Dầu có độ chiết quang giống thủy tinh nên tạo môi trường đồng nhất, anh sáng
không bị khúc xạ đi qua môi trường này.
Kính hiển vi điện tử: Dùng chùm tia điện tử với độ phân giải cao thay cho ánh sáng
thường cho phép nhìn thấy ảnh của mẫu vật được phóng đại từ 30 đến 50 vạn lần.
Kính hiển vi huỳnh quang: Dùng chùm tia tử ngoại chiếu vào tiêu bản đã nhuộm
màu bởi các chất huỳnh quang. Trong tế bào, các cấu trúc khác nhau sẽ phát quang với
màu sắc khác nhau cho phép ta phân biệt rõ chúng.
4.2. Bảo quản kính hiển vi
Sau khi quan sát xong, ta dùng ốc điều chỉnh nhanh nâng vật kính lên cao, rồi lấy
tiêu bản ra.

244
- Nếu dùng vật kính dầu thì trước tiên dùng khăn mềm lau sạch dầu. Sau đó dùng
bông thấm xylene lau lại thật sạch, sau đó nhẹ nhàng lau khô vật kính, tránh xát mạnh làm
cho thấu kính bị xây xát. Dùng ốc chuyển nhanh hạ kính về trạng thái nghỉ rồi cất kính
vào hộp hay chuông thủy tinh có sẵn gói vôi cục hay silicagen hút ẩm.
- Phải giữ kính ở nơi khô ráo, sạch sẽ để tránh ống kính bị hư hại do bụi hoặc mốc.
- Khi vận chuyển kính phải thận trọng, tay phải cầm thân kính, tay trái đón dưới đế
kính, tránh đổ vỡ.

(a) (b)
a–Kính hiển vi quang học (SKU: V–B490 b–Kính hiển vi điện tử (Philips–TEM)

c– Kính hiển vi huỳnh quang


Hình 8. Kính hiển vi

245
Phần 2. HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH

Bài 1. LÀM TIÊU BẢN VÀ NHUỘM TẾ BÀO VI SINH VẬT

I. NGUYÊN LÝ
Để quan sát được VSV ta phải biết cách làm tiêu bản. Tùy thuộc đối tượng nghiên
cứu là vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc hay nấm men… mà có cách làm các dạng tiêu bản
khác nhau. Có hai dạng tiêu bản phổ biến là tiêu bản tạm thời và tiêu bản cố định nhuộm
màu.
Các tiêu bản tạm thời (tế bào còn sống) như tiêu bản giọt ép được sử dụng để xác
định hình dạng, sự sắp xếp các tế bào cũng như khả năng di động, tiêu bản “ép lam” chỉ
dùng để nghiên cứu sự sắp xếp của tế bào một cách tự nhiên trong khuẩn lạc, như hình
dạng chuỗi bào tử và cách sắp xếp cuống bào tử ở xạ khuẩn hay nấm mốc.
Các tiêu bản cố định (tế bào chết) rất thuận tiện vì giữ được lâu, được sử dụng để
phát hiện các đặc điểm hình thái, cấu trúc và đếm số lượng VSV.
Khi sử dụng ngọn lửa đèn cồn (hay đèn ga) phải điều chỉnh sao cho không có khói.
Chỗ nóng nhất của ngọn lửa đèn cồn là phần ngọn lửa xanh.
Có nhiều phương pháp cố định tiêu bản như nhỏ lên vết bôi 1– 2 giọt cồn 960, đốt
cháy và dập tắt ngay (khoảng 30 giây) hay cố định tiêu bản bằng hóa chất: ngâm tiêu bản
trong acetone 5 phút, trong dung dịch 40% formaline vài giây ...
Tế bào VSV gần như là không màu, do đó quan sát bằng phương pháp xem trực tiếp
rất khó, vì vậy cần phải làm tiêu bản rồi đem nhuộm màu. Nhuộm VSV có 4 mục đích:
-Để nghiên cứu hình thái, cấu tạo đặc biệt của VSV như màng nhầy, bào tử...
-Để phân loại VSV căn cứ vào tính chất bắt màu Gram, tính kháng cồn, kháng acid.
-Để dễ có thể phân biệt và quan sát được các vi cấu tạo trong tế bào VSV.
-Để lưu giữ tiêu bản trong một thời gian, để chụp ảnh hiển vi.

II. THỰC HÀNH

1. Mục đích yêu cầu


Biết cách làm tiêu bản và sử dụng kính hiển vi, kính lúp để phân biệt, nhận diện hình
thái, cấu tạo, cơ quan sinh sản của vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc thường gặp
trong một số cơ chất tự nhiên và trên môi trường nuôi cấy.
Nắm vững các phương pháp nhuộm và phân biệt vi khuẩn Gram dương, Gram âm.

2. Mẫu vật, dụng cụ, hóa chất


2.1. Mẫu vật
Để buổi thực hành đạt kết quả tốt, cần chuẩn bị:

246
- Nguyên liệu chứa vi sinh vật:
+ Rác thải hữu cơ đang bị phân hủy 200 g, đất 100 g, trái cây bị thối và mốc 200 g,
nước thải 500 ml, thực phẩm hỏng 200 g.
+ Bánh men rượu 5 bánh, men bột Pháp (S.cerevisiae) 20 g
- Các chủng vi sinh vật hiện có của phòng thí nghiệm:
+ Tụ cầu khuẩn Staphylococcus aureus.
+ Trực khuẩn: Escherichia coli, Proteus vulgaris, Bact.prodiginosum, Pseudomonas
aeruginosa.
+ Trực khuẩn sinh bào tử: Bacillus mesentericus, Clostridium pasteurianum,
Bacillus subtilis, Bacillus mycoides. Xoắn khuẩn: Rhodospirillum rubrum
+Nấm men: Sacchromyces cerevisiae
+ Vi nấm: Penicillium notatum, Aspergillus oryzae. Mucor mucedo, Rhizopus oryzae
+Xạ khuẩn: Streptomyces fradiae, Streptomyces cylindrosporum
Có thể cấy truyền vi khuẩn trên môi trường thạch–thịt–peptone (MPA), nấm men
trên môi trường Hansen, nấm mốc trên môi trường Czapek, xạ khuẩn trên môi trường
Gause–1 hay Czapek–Tinh bột.
2.2. Dung cụ: Lam kính (phiến kính) và la men (lá kính)
Muốn làm tiêu bản VSV, cần có lam kính và la men đúng quy cách và thật sạch.
Lamkínhthường có kích thước 70×26 mm và dày 1,1–1,4 mm. La men thường có kích
thước 18×18 mm và có chiều dày không quá 0,15–0,17 mm. Các lam kính và la men cần
làm sạch. Để làm tiêu bản giọt treo người ta dùng một lam kính có lỗ lõm ở giữa.
2.3. Hóa chất
Cách pha chế một số loại thuốc nhuộmcho bài 1
1) Dung dịch fuchsine kiềm
Công thức:
Fuchsine kiềm ...............................1 g Cồn nguyên chất 960…………10ml
Acid phênic kết tinh ......................5 g Nước cất……………………100 ml
Cách pha: Nghiền fuchsine với 5ml cồn trong cối sạch, quấy đều, đổ từ từ 2/3 lượng
nước vào, quấy đều, xong cho thêm acid phenic, trộn đều cho vào lọ kín để 24 giờ, đem
lọc qua giấy, thu được dung dịch fuchsinee đặc, khi dùng nhuộm đơn hoặc nhuộm Gram
thì đem pha loãng dung dịch này gấp 10 lần với dung dịch acid phenic 5%.
Dung dịch fuchsine ....................10 ml Dung dịch acid phenic5% ……90 ml
2) Pha dung dich xanh methylene
Công thức
Xanh methylen ...............................1 g acid phenic kết tinh………………1 g
Cồn nguyên chất 96o ................10 ml Nước cất………………………10 ml
Cách pha: giống như fuchsine ở trên.

247
3) Pha dung dịch lactophenol để thấm ướt sợi nấm
Công thức:
Acid lactic ............................... 10 g Glycerol .............................. 20 g
Nước cất ................................10 ml Acid phenic (phenol) ......... 10 g
Cách pha: Đầu tiên trộn acid lactic, phenol và nước lắc đều, sau đó thêm phenol.
Lúc mới pha dung dịch không màu sau đó chuyển sang màu nâu nhạt. Giữ trong lo màu.
4) Pha dung dịch lugol
Công thức:
Kali ioddua (KI)........................1 g Iod tinh thể (I)........................0,5 g
Nước cất..............................150 ml
Cách pha:
Nghiền kali iodua - KIvới một ít nước cất, sau đó cho Iod đã tán nhỏ vào lắc cho tan
hết, cuối cùng cho đủ nước cất, lắc đều, để 24 giờ rồi đem lọc. đựng vào chai màu. Không
nên pha nhiều vì dễ bị biến chất.
5) Pha dung dịch tẩy màu cồn acetone
Cồn nguyên chất 5 phần, Acetone 1 phần
Nếu không có acetone thì dùng cồn nguyên chất hoặc 90o cũng được.
6) Pha dung dich thuốc nhuộm bào tử
- Dung dịch lục malachite (C23H25N2Cl) bão hòa trong ethanol 950, khấy cho tan, sau
đó đổ thuốc nhuộm vào lọ thủy tinh màu tối có nút mài.
- Dung dịch safranin O (C20H19N4Cl = 350,80) 0,5% (hòa tan 5 g safranin O trong
100 ml cồn ethanol 950), trước khi dùng pha với nước cất theo tỷ lệ 1:5 (vol/vol) để có
dung dịch 0,5%. Hoặc chuẩn bị sẵn dung dịch fuchsine ziehl: fuchsine kiềm (C19H18N3Cl
= 323,82) 1g, phenol 5g, ethanol, 90% 10 ml, nước cất 200 ml (hòa tan fuchsine với
ethanol; hòa tan phenol với nước cất sau đó trộn lại).

3. Các bước tiến hành


3.1. Làm tiêu bản vi sinh vật
3.1.1. Làm tiêu bản vi sinh vật sống không nhuộm màu
1) Phương pháp làm tiêu bản giọt treo
Loại tiêu bản này dùng để theo dõi sự sinh sản, sự sắp xếp tế bào, sự nảy mầm, sự di
động... của VSV. Khi quan sát VSV bằng tiêu bản giọt treo cần cường độ chiếu sáng ít
hơn bình thường (đóng bớt màn chắn ánh sáng trên tụ quang kính).
Cách tiến hành:
- Dùng que cấy hoặc pipette nhỏ một giọt dịch huyền phù vi sinh vật (khoảng10–20
µl lên mặt lamen sạch vô trùng. Lật ngược lamen sao cho giọt dịch huyền phù VSV treo ở
mặt dưới lamen.
- Úp lamen vào lam kính đặc biệt có phần lõm hình cầu ở giữa, quanh lỗ đã được bôi

248
vaseline. Lúc này ta được giọt dịch huyền phù vi sinh vật treo lơ lững trong khoang kính
do lamen và lam kính lõm tạo ra.
Chú ý:
Không để giọt canh trường lan rộng hay chạm vào vào đáy của phần lõm.
Nếu cần theo dõi các vi sinh vật trong giọt treo nhiều ngày thì pha dịch huyền phù vi
sinh vật bằng môi trường dinh dưỡng vô trùng.
Tất cả các thao tác làm tiêu bản phải được tiến hành trong điều kiện vô trùng gần
ngọn lửa đèn cồn như đã hướng dẫn.

Hình 9. Cách làm tiêu bản giọt treo (Prescot, et al.,2002)

2) Phương pháp làm tiêu bản giọt ép


Chuẩn bị mẫu: Dịch đất hay dịch rác thải đang phân hủy, nước thải cống rãnh
Tiến hành theo các bước:
- Đặt một giọt nước vào lam kính
- Dùng ống hút nhỏ 1 giọt dịch VSV đã pha loãng đặt vào giọt nước.
- Để một mép lamen tiếp xúc với lam kính rồi nhẹ nhàng hạ lamen xuống, tránh tạo
bọt khí.
- Thấm nhẹ lớp dịch trào ra xung quanh bằng giấy thấm.
Quan sát tiêu bản ở hệ kính khô (×10; ×20; ×40). Nếu cần soi ở hệ kính dầu thì nhỏ
lên lamen một giọt dầu cede. Vật kính soi dầu thường có đường viền đỏ (×100).

249
Hình 10. Các bước làm tiêu bản giọt ép (Prescot, et al.,2002). a– Đặt một giọt nước vào lam
kính; b–Cho mẫu vật vào giọt nước hòa đều, c– Đặt lamen nằm nghiêng chạm cạnh giọt
dịch, d– Từ từ hạ thấp lamen sao cho không tạo bong bóng. khí.

3) Phương pháp làm tiêu bản xẻ rãnh thạch


Dùng để quan sát hệ sợi và cuống sinh bào tử của nấm sợi hoặc xạ khuẩn.
- Cấy bào tử hay hệ sợi của vi sinh vật lên môi trường dinh dưỡng đặc trong đĩa Petri
bằng phương pháp cấy zic zac, hoặc trải dày bằng que trang.
- Dùng dao vô trùng xẻ một rảnh thạch trong đĩa Petri
- Đặt lamen vô trùng lên bờ của rảnh thạch vừa xẻ.
- Đậy đĩa Petri và để vào tủ ấm ở nhiệt độ và thời gian thích hợp.
Có thể cải tiến phương pháp trên như sau: Sau khi cấy vi sinh vật có hệ sợi lên bề
mặt môi trường, cắm chéo góc 450 một lamen vô trùng vào mặt thạch.
Lật ngược và đặt đĩa Petri vào tủ ấm ở nhiệt độ và thời gian thích hợp.
3.1.2.Làm tiêu bản cố định nhuộm màu
Tiêu bản cố định được sử dụng rất phổ biến để phát hiện hàng loạt các đặc điểm
hình thái và đếm số lượng vi sinh vật. Những tiêu bản này rất thuận tiện vì có thể giữ được
lâu. Xem các tiêu bản cố định bằng các vật kính khô hay vật kính dầu.
Làm tiêu bản cố định theo các bước sau:
1) Làm vết bôi: Có thể làm vết bôi theo một trong hai cách:
Cách 1: Dùng que cấy lấy một vòng que cấy dịch nuôi cấy VSV (vi khuẩn hay nấm
men) dàn trên lam kính (khoảng 2cm2)
Cách 2: Đặt một giọt nước cất vô trùng vào giữa lam kính sạch, dùng que cấy lấy
một ít VSV từkhuẩn lạc hay dịch nuôi rồi dàn mỏng giọt huyền phù đó trên lam kính.
2) Làm khô vết bôi:Dùng kẹp giữ lam kính sao cho vết bôi khô tự nhiên hay hơ nhẹ
trên ngọn lửa đèn cồn. Lấy lam kính áp lên mu bàn tay thấy nóng vừa là được, không làm
lam kính quá nóng, VSV sẽ biến dạng.
3) Cố định vết bôi: Nhỏ lên vết bôi 1–2 giọt cồn 960. Đốt cháy và dập tắt ngay
(khoảng 30 giây).

250
Cố định vết bôi nhằm 3 mục đích:
- Giết chết vi sinh vật
- Gắn chặt vi sinh vật vào lam kính,
- Làm vết bôi bắt màu tốt hơn vì các tế bào chết bắt màu tốt hơn các tế bào sống.
Sau khi cố định, nếu mật độ tế bào vừa phải, vết bôi có màu trắng nhạt. Nếu vết bôi
trắng quá có nghĩa là mật độ tế bào dày đặc, cần phải làm lại. Chú ý hơ nóng quá tế bào dễ
bị biến dạng.
Chú ý: Nên hạn chế và tránh dùng các VSV gây bệnh như Vibrio cholerae (gây bệnh
tả), Clostridium botulinum (trực khuẩn ngộ độc thịt), Psedomonas aeruginosa (trực khuẩn
mủ xanh).
3.2. Phương pháp nhuộm đơn
a. Chủng vi sinh vật: E.coli, Bacillus, S.cerevisiae chuẩn bị trước 48 giờ
b. Các bước nhuôm đơn:
- Đặt tiêu bản cố định lên cầu rửa
- Đặt một miếnggiấy lọc lên vết bôi (nếu thuốc nhuộm sạch cặn thì không cần).
- Nhỏ vài giọt thuốc nhuộm (fuchsine kiềm hoặc xanhmethylen hay lugol) lên trên
giấy lọc, để 1– 3 phút.
- Rửa nước, để vòi nước từ từ chảy xuống một đầu lam kính cầm hơi nghiêng đến
khi nước trong là được.
- Để tiêu bản khô tự nhiên hay dùng giấy thấm lọc thấm cẩn thận.
c. Quan sát vi sinh vật: Đặt tiêu bản lên bàn kính, quan sát trên kính hiển vi với vật
kính khô ×40 và vật kính dầu (×100).
d. Kết quả: Nếu nhuộm và rửa tốt, thị trường của kính hiển vi sạch và sáng, chỉ có
tế bào VSV được nhuộm màu.
3.3. Quan sát vi sinh vật
Làm tiêu bản cố định, nhuộm đơn để quan sát và phân biệt: vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm
men và nấm mốc ở vật kính khô (×40) và vật kính dầu (×100).
3.3.1. Quan sát vi khuẩn
Vi khuẩn có cấu tạo đơn bào. Chúng có dạng hình cầu, hình que, hình xoắn, hình
dấu phẩy… Các tế bào có thể đứng riêng rẽ, kết thành từng đôi, thành chuỗi hay thành
chùm. Vi khuẩn sinh sản chủ yếu theo hình thức phân đôi. Một số vi khuẩn có khả năng di
động nhờ roi.
Thường người ta làm tiêu bản quan sát hình thái khuẩn lạc và tế bào sinh dưỡng vi
khuẩn sau khi nuôi cấy chúng ở môi trường thích hợp, nhiệt độ 30–370C sau 24–48giờ.
a) Các đặc trưng sinh học cần quan sát ở vi khuẩn bằng kính hiển vi quang học
- Các kiểu hình dạng tế bào, khả năng di động (roi), các dạng bào tử.
b) Cách quan sát
Tùy theo điều kiện phòng thí nghiệm có thể chọn đại diện từng nhóm

251
- Quan sát cầu khuẩn: Sử dụng Sarcina lutea, Streptococcus lactis hay Staphylo-
coccus aureus.
Thường người ta làm tiêu bản quan sát hình thái khuẩn lạc và tế bào sinh dưỡng vi
khuẩn sau khi nuôi cấy chúng ở môi trường thích hợp, nhiệt độ 30–370C sau 24–48giờ.
1) Các đặc trưng sinh học cần quan sát ở vi khuẩn bằng kính hiển vi quang học
- Các kiểu hình dạng tế bào, khả năng di động (roi), các dạng bào tử.
2) Cách quan sát: Tùy theo điều kiện PTN có thể chọn đại diện từng nhóm
- Quan sát cầu khuẩn: Sử dụng dịch pha loãng sữa chua
- Quan sát các trực khuẩn: Dùng nước mắm bị thối…
- Quan sát các xoắn khuẩn: Lấy tăm bông vô trùng thấm nước phết vào bựa răng.
Làm tiêu bản giọt ép: Lấy một giọt nước dưa chua cho lên lam kính, sau đó làm tiêu
bản cố định, nhuộm đơn. Quan sát ở vật kính (×40) và (×100).

Hình 11. Hình dạng vi khuẩn chi Bacillus thường gặp trong chất thải hữu cơ
A–Tế bào sinh dưỡng; B – Khuẩn lạc
(1 –В. megaterium; 2 – В. subtilis; 3 –В. mycoides; 4 – В. mesentericus)

3.3.2. Quan sát xạ khuẩn (vi khuẩn hình sợi)


Những vi khuẩn thuộc bộ Actinomycetales là những vi khuẩn hình sợi Gram dương,
(sợi gọi là khuẩn ty) có thể phân nhánh, thường gặp chúng trong môi trường đất và nước.
Đặc điểm nổi bật của xạ khuẩn là có hệ sợi (khuẩn ty thể) rất phát triển, phân nhánh
và không có vách ngăn, kích thước khoảng 1,0–1,5 µm (nhỏ hơn nhiều so với đường kính
sợi nấm 7–9 µm). Xạ khuẩn cũng như vi khuẩn chưa có nhân được bao bọc bằng màng
(cùng thuộc nhóm nhân sơ), thành tế bào xạ khuẩn không chứa cellulose hay chitin mà
chứa hơp chất điển hình của vi khuẩn là glucopeptid. Xạ khuẩn có hai loại hệ sợi:
- Hệ sợi cơ chất bám sâu vào môi trường dinh dưỡng đặc (Hình12).
- Hệ sợi khí sinh, mọc vươn lên khỏi mặt thạch và hình thành cuống sinh bào tử.
Hình dạng và cấu tạo cuống sinh bào tử (dạng thẳng, xoắn, lò xo, lượn sóng, móc

252
đơn, móc kép hay mọc vòng...) và hình dạng bào tử và cách sắp xếp chuỗi bào tửhình cầu,
bầu dục...có bề mặt nhẵn hay có gai là một trong những đặc điểm để phân loại xạ khuẩn.
a) Các đặc điểm đặc trưng của xạ khuẩn cần quan sát:

Hình 12. Xạ khuẩn đang mọc trên môi trường thạch (lát cắt ngang của một khuẩn lac cho
thấy chuỗi bào tử, sợi khí sinh và sợi cơ chất)
(Chỉnh sửa bởi Angel Catala, ISBN 978-953-51-3580, 2017)

- Hệ sợi khí sinh và hệ sợi cơ chất, màu sắc lớp khuẩn ty khí sinh và cơ chất, sắc tố
tiết ra môi trường.
- Hình dạng bào tử và kết cấu cuống sinh bào tử; Chuỗi bào tử, bề mặt bào tử (nhẵn,
gai lông, xù xì...).
b) Cách quan sát
Lấy lamen có xạ khuẩn mọc từ tiêu bản xẻ rãnh thạch hay cắm lamen nghiêng đặt
lên lam kính.Nhỏ lên tiêu bản 1–2 giọt lactophenol sau đó soi ở vật kính (×40).
3.3.3. Quan sát nấm men
Nấm men có cấu tạo đơn bào, không chuyển động. Tế bào có dạng hình cầu, hình
trứng, hình bầu dục. Kích thước trung bình của nấm men là (3–5)×(5–10 µm). Một số
loài nấm men sau khi phân cắt bằng phương pháp nảy chồi, tế bào con không rời khỏi tế
bào mẹ và lại tiếp tục mọc chồi. Bởi vậy nó có hình thái như cây xương rồng (gọi là giả
khuẩn ty) khi quan sát dưới kính hiển vi.
a) Các đặc trưng sinh học cần quan sát ở nấm men
- Hình thái, kích thước tế bào nấm men
- Sự nảy chồi của nấm men
- Hình dạng, số lượng bào tử trong một túi.
b) Cách quan sát
Hình dạng tế bào và kiểu sinh sản nảy chồi của nấm men rất dễ quan sát bằng
phương pháp làm tiêu bản cố định. Nhưng muốn quan sát được bào tử túi ở

253
Saccharomyces phải cấy nấm men trên môi trường Hansen trong 2–3 tuần. sau đó chuẩn
bị vết bôi trên lam kính, nhuộm tiêu bản bằng phương pháp nhuộm bào tửcủa Alice B.
Schaeffer và MacDonald Fulton hay theo phương pháp Peskop. M.A., Tế bào chất bắt
màu đỏ hồng, bào tử bắt màu xanh.
3.3.4. Quan sát nấm sợi (hay nấm mốc)
Nấm sợi (hay nấm mốc) là tên chung để chỉ nhóm vi nấm có cấu tạo sợi (khuẩn ty)
phân nhánh, có vách ngăn hay không có vách ngăn tùy từng loài. Nấm sợi có hai loại bào
tử: Bào tử vô tính và bào tử hữu tính. Sự hình thành bào tử của chúng rất khác nhau và đặc
trưng cho từng loài.
a) Các đặc điểm đặc trưng cần quan sát
- Đặc điểm của sợi nấm (khuẩn ty): màu sắc, có vách ngăn hay không có vách ngăn.
- Đặc điểm cơ quan sinh sản: hình dạng, cách sắp xếp các bộ phận cơ quan sinh sản.
- Hình dạng, cấu tạo và cách sắp xếp bào tử (Hình 13)

(a) Rhizopus sp. (b) Aspergillus sp. (c) Penicillium sp.

Hình 13. Một số loài vi nấm


b) Cách quan sát:
- Làm tiêu bản nấm sợi không nhuộm màu:
+ Nhỏ 1 giọt dung dịch lactophenol lên lam kính
+ Dùng que cấy lấy 1 ít khuẩn lạc nấm Penicillium sp. hoặc Aspergillus sp. dàn lên
giọt lactophenol.
+ Đậy lamen, quan sát tiêu bản trên kính hiển vi ở vật kính ×10, ×40.
Vẽ hình và nhận xét về hình dạng của sợi nấm, bào tử… quan sát được.
- Làm tiêu bản nấm sợi nhuộm màu:
+ Nhỏ 1 giọt dung dịch lactophenol xanh cotton (lactophenol cotton blue fluid) lên
lam kính.
+ Lấy một ít sợi nấm Penicillium sp. hoặc Aspergillus sp. dàn lên lam kính.
+ Đậy lamen nhẹ nhàng lên giọt dịch trên, tránh tạo bọt khí.
+ Thấm nhẹ lớp dịch trào ra xung quanh lamen bằng giấy thấm
+ Quan sát tiêu bản ở hệ kính khô (×15), (×40).

254
3.4. Phương pháp nhuộm Gram
Nhuộm Gram là phương pháp nhuộm để phân biệt hai nhóm vi khuẩn Gram dương
và gram âm do Christian Gram (Đan Mạch) đề xướng năm 1884.
Chuẩn bị các vi khuẩn Bacillus subtilis Gram dương, Escherichia coli Gram âm
chuẩn và các ống nghiệm có vi khuẩn nghiên cứu chưa rõ Gram âm hay dương có độ tuổi
18–24 giờ nuôi cấy ở môi trường thạch hay môi trưởng dịch thể.
a) Nguyên tắc:
Dựa trên khả năng bắt màu của tế bào chất và thành tế bào với thuốc nhuộm crystal
violet và lugol mà hình thành nên hai loại phức chất khác nhau.
+ Loại phức chất thứ nhất không cho alcohol thấm thấu qua vẫn giữ nguyên màu
tím. VSV có phức chất này thuộc loại Gram dương
+ Loại thứ hai không bền bị alcohol thẩm thấu qua làm mất màu và bắt màu thuốc
nhuộm bổ sung. Vi sinh vật có phức chất này thuộc loại Gram âm
b) Cách nhuộm:
- Chuẩn bị: Làm hai vết bôi trên cùng một lam kính: Vết trái là hỗn hợp vi khuẩn B.
subtilis – Gram dương và vi khuẩn E. coli– Gram âm, vết bên phải là vi khuẩn chưa rõ
Gram dương hay âm.
- Cố định tiêu bản bằng cách hơ qua lại trên ngọn lửa đèn cồn (sao cho vi khuẩn gắn
chặt vào lam kính), nhỏ lên các vết bôi 1–2 giọt cồn đốt rồi đốt cháy ngay trong khoảng 30
giây.
- Các bước nhuộm Gram theo (Hình 14):

Hình 14. Các bước tiến hành nhuộm Gram và ví dụ minh họa kết quả
(Prescot L. M., Harley J. P., Klein D. A., 2002)

1. Nhuộm bằng dung dịch crystal gentian và giữ trong 30 giây  Rửa nước 5 giây.
2. Nhuôm bằng dung dịch lugol dành cho nhuộm Gram 1 phút  Rửa nước trong 5
giây.

255
3. Tẩy màu bằng cồn 960 hay dung dịch aceton cồn trong 30 giây  Rửa bằng nước
trong 5 giây.
5. Nhuộm bổ sung Safranin hay Fuchsine trong 60 – 80 giây  Rửa nước trong 5
giây.
6. Thấm khô và soi tiêu bản với vật kính dầu (×100).
c) Kết quả: Khi nhuộm đúng B.subtilis có màu tím, E. coli có màu hồng đỏ, từ đó có
thể định loại được VSV đang nghiên cứu là Gram dương hay Gram âm, dựa vào sự bắt
màu của vi sinh vật đó.
3.5. Nhuộm nội bào tử của vi khuẩn
a) Nguyên tắc: Khi dùng thuốc nhuộm có hoạt tính mạnh lục malachite với tiêu bản
có đun nóng, thuốc nhuộm xâm nhập vào nội bào tử và làm chúng nhuộm màu lục. Khi
rửa vết bôi bằng nước cất các tế bào sinh dưỡng sẽ bị mất màu còn bào tử vẫn giữ lại màu
lục. Khi nhuộm bổ sung bằng đỏ safranin hay fuchsine sẽ làm phần bao quanh bào tử bắt
màu phân biệt (màu đỏ hồng).
b. Chủng giống vi sinh vật và dụng cụ:
- Các loài vi khuẩn: Bacillus subtilis (nuôi trên MT nước thịt-peptone trước 24 giờ);
Clostridium pasteurianum (nuôi trên MT Ashby dịch thể trước 5–7 ngày) và vi khuẩn mới
phân lập hoặc mẫu sinh thiết bị nghi ngờ nhiễm vi khuẩn có nội bào tử.
* Những vi khuẩn có nội bào tử gồm nhiều loài thuộc các chi Bacillus, Clostridium,
Desulfotomaculum, Sporosarcina, Sporolactobacillus, Thermoactinomyces.
- Lam kính (slide), kính hiển vi quang học nền sáng, dầu soi kính.
- Đèn cồn, nước cất, que cấy đầu vòng, giấy lọc, cốc chia vạch loại 500 ml, giá đỡ,
chậu rửa, bếp điện, kính hiển vi.
c. Cách nhuộm nội bào tử theo phương pháp của (phương pháp Schaeffer-Fulton)
Thứ nhất: Phát hiện và quan sát nội bào tử trong tế bào sống
- Làm tiêu bản giọt ép với vi khuẩn Bacillus subtilis hay Clostridium pasteurianum.
- Quan sát: Bào tử có độ chiết quang cao, vì vậy khi nhìn dưới kính hiển vi nội bào
tử có hình cầu hay hình trái xoan, sáng hơn các phần xung quanh.
Cách thứ hai: Nhuộm nội bào tử vi khuẩn
Bước một: Làm vết bôi và cố định tiêu bản
- Dùng que cấy vô trùng lấy một ít vi khuẩn Bacillus subtilis hay Clostridium
pasteurianum hòa vào 1 giọt nước cất ở giữa lam kính, làm khô trong không khí, có thể hơ
nhanh vết bôi trên ngọn lửa đèn cồn 2–3 lần để gắn chặt vi khuẩn vào lam kính.
- Cố định vết bôi bằng cách nhỏ lên vết bôi 1–2 giọt cồn 950. Đốt cháy và dập tắt
ngay khoảng 30 giây.
- Đặt tiêu bản lên trên giá đỡ, giá đỡ đặt trên cốc chia vạch loại 500 ml có chứa một
ít nước đang đun nóng 85–900C (không để cho sôi) trên bếp.
Bước hai: Tiến hành nhuộm tiêu bản

256
1) Nhỏ 2 – 3 giọt dung dịch lục malachite lên vết bôi và tiến hành hơ hơi nước nóng
trong 5 phút. Nếu thấy thuốc nhuộm trên giấy bị khô thì phải bổ sung.

Hình 15. Các bước nhuộm nội bào tử vi khuẩn


(Prescot L. M., Harley J. P., Klein D. A., 2002)

2) Rửa vết bôi bằng nước cất trong 30 giây (lúc đó các tế bào sinh dưỡng sẽ bị mất
màu còn bào tử vẫn giữ lại màu).
3) Đặt tiêu bản lên giá đỡ, giá được đặt trên chậu rửa.
4) Nhỏ 1–2 giọt dung dịch safranin lên vết bôi, để 60–90 giây.
5) Rửa nước rồi thấm khô hay để vết bôi khô tự nhiên.
Bước ba: Quan sát tiêu bản với vật kính dầu (×100).
c. Kết quả: Tiêu bản nhuộm đúng thì bào tử sẽ bắt màu xanh lục, tế bào chất bắt màu
đỏ hồng.
*Lưu ý: Để dễ dàng quan sát được bào tử nên cấy các vi khuẩn trên môi trường dinh
dưỡng chứa 0,005% MnCl2 (5 mg/l) trước 2 tuần trên môi trường thạch nghiêng. Có thể
thay thế lục malachite 5% bằng dung dịch xanh methylene 6%.
3.6. Nhuộm chất nhân tế bào vi sinh vật
a) Nguyên tắc
Do tính chất bắt màu của DNA trong nhân và RNA trong tế bào chất tương tự nhau.
Dùng HCl để làm tan RNA trong tế bào chất rồi mới tiến hành nhuộm DNA trong nhân.
b. Chủng giống VSV và dụng cụ

257
- Chủng giống VSV: Tế bào nấm men đã nuôi cấy 48 giờ trên ống thạch nghiêng;
hoặc nấm mốc Aspergillus, Penicillium...
- Lam kính (slide), kính hiển vi quang học nền sáng, dầu soi kính.
- Đèn cồn, đĩa Petri, nước cất, que cấy đầu vòng, giấy lọc, cốc thủy tinh có mỏ
250ml, giá đỡ, chậu rửa, bếp điện.
c) Cách tiến hành
1. Làm vết bôi từ một giọt dịch huyền phù nấm men nuôi cấy sau 48 giờ. Hong khô
trong không khí.
2. Cố định tiêu bản bằng hơi acid acetic 5% 3 – 5 phút (đặt tiêu bản vào đĩa Petri đã
có acid acetic trên gờ thủy tinh sao cho vết bôi ở phía dưới lam kính).
3. Nhúng tiêu bản vào cốc thủy tinh có HCl 1N, nung nóng đến 600C và giữ trong 3–
5 phút, rửa tiêu bản bằng nước.
4. Nhỏ lên tiêu bản dung dịch phoocmalin 1% và giữ trong 1– 2 phút, rửa nước.
5. Nhuộm vết bôi bằng dung dịch fuchsine (0,5–1%), giữ trong 2 phút, rửa nước.
6. Làm khô vết bôi, quan sát tiêu bản với vật kính dầu.
c) Kết quả : Tế bào chất có màu hồng, chất nhân màu đỏ thẫm.
3.7. Nhuộm theo phương pháp Ziehl-Neelsen và Kinyoun
a) Nguyên tắc
Nhuộm Ziehl-neelsen và Kinyoun là phương pháp nhuộm dựa trên đặc điểm kháng
acid của các Mycobacteria. Chất nhuộm carbol fuchsin dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ gắn
hữu cơ với acid mycolic có trong vách tế bào vi khuẩn kháng acid cồnvà không bị mất sau
khi tẩy màu và nhuộm với xanh methylene.
b) Chủng vi khuẩn: Vaccine BCG chứa vi khuẩn Lao –Mycobacterium tuberculosis.
Pha loãng 1 ống vaccin BCG với 5 ml nước cất vô trùng.
c) Cách tiến hành (Hình 16):
- Làm vết bôi và cố định tiêu bản (với dịch pha loãng vaccine BCG).
- Đặt lên vết bôi miếng giấy lọc rồi nhỏ 2 3 giọt carbolfuchsin lấy giấy lọc ra; đun
nóng (hoặc nhỏ chồng lên 12 giọt dung dịch xà phòng Viso 1%)để 5 phút. Làm mát và
rửa bằng nước trong 30 giây.
- Tẩy màu bằng dung dịch acid H2SO4 5% trong alcohol (cồn 95 độ), rửa tiêu bản
bằng nước 10 –30 giây.
- Nhuộm bổ sung bằng xanh methylen Loeffler, giữ trong 35 phút, rửa tiêu bản
bằng nước.
- Làm khô vết bôi, quan sát tiêu bản với vật kính dầu (×100).
Kết quả : Vi khuẩn kháng axít, cồn bắt màu đỏ, tế bào khác bắt màu xanh.

258
Hình 16. Các bước nhuộm Ziehl-Neelsen và Kinyoun
(Prescot L. M., Harley J. P., Klein D. A., 2002)

4. Viết tường trình chi tiết


III. CÂU HỎI
1. Nêu các bước tiến hành làm tiêu bản giọt ép, tiêu bản lamen nghiêng. Vì sao khi
quan sát xạ khuẩn và nấm mốc chúng ta phải làm tiêu bản lamen nghiêng?
2. Nêu các bước tiến hành làm một tiêu bản cố định và nhuộm đơn. Ưu và nhược
điểm của tiêu bản giọt ép so với tiêu bản cố định?
3. Nguyên tắc, các bước tiến hành nhuộm Gram? Vì sao khi nhuộm theo phương
pháp nhuộm Gram thì vi khuẩn Gram dương bắt màu tím, VK Gram âm lại bắt màu đỏ?
4. Trình bày nguyên tắc và các bước tiến hành nhuộm nhân tế bào?
5. Phân biệt nội bào tử và ngoại bào tử. Vì sao nội bào tử có tính chịu nhiệt cao?
6. Trình bày nguyên tắc và các bước tiến hành nhuộm nội bào tử?

259
Bài 2. PHA CHẾ MÔI TRƯỜNG DINH DƯỠNG

I. NGUYÊN LÝ
Cũng như động–thực vật, để sinh trưởng các tế bào VSV cần các chất dinh dưỡng
thích hợp. Khi nuôi cấy nhân tạo người ta làm các loại “thức ăn” cung cấp cho từng nhóm
vi sinh vật khác nhau. Dạng này được gọi là “môi trường nuôi cấy”
Môi trường thường được gọi tên theo tên người chế tạo công thức, ví dụ môi trường
Hansen, Sabouraud… hoặc theo nguồn chất dinh dưỡng chính có trong môi trường, ví dụ
môi trường malt, thạch–nước thịt–peptone…
Viêc đánh giá chất lượng môi trường sau khi pha chế và chỉ ra được nguyên nhân
làm môi trường không đạt yêu cầu là rất cần thiết.
Yêu cầu của môi trường dinh dưỡng
- Phải đảm bảo đầy đủ chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của
VSV (nguồn carbon, nitơ, các chất khoáng, các chất kích thích sinh trưởng…).
- Phải có độ pH thích hợp cho mỗi loại VSV
- Phải có độ nhớt nhất định và thế oxy hóa khử thích hợp
- Phải hòan toàn vô trùng và không chứa các yếu tố độc hại đối với VSV.

II. THỰC HÀNH

1. Mục đích yêu cầu


- Biết cách pha chế các loại môi trường (thạch nghiêng, thạch đĩa, thạch mềm, môi
trường dịch thể và môi trường xốp).
- Nhân định MT sau khi pha chế và các nguyên nhân làm MT không đạt yêu cầu

2. Dụng cụ, hóa chất và nguyên liệu


2.1. Dụng cụ
- Chuẩn bị số lượng các dụng cụ đủ dùng cho SV trong 1 nhóm gồm các loại sau:
- Cân tiểu li, ống nghiệm, giá để ống nghiệm
- Đèn cồn, đĩa Petri, bình nón loại 250 ml, cốc thủy tinh 250 ml, đủa thủy tinh, ống
đong, pipette, phễu thủy tinh lớn, nhỏ.
- Vải lọc, giấy lọc, giấy bao gói, bông mỡ, bông thấm nước, soong nhôm, dao thớt.
2.2. Hóa chất – Nguyên liệu
Tùy theo yêu cầu và điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm ta chuẩn bị các hóa
chất, nguyên liệu của một số môi trường sau:

260
2.2.1. Môi trường phân lập và nuôi cấy vi khuẩn
1) Môi trường Nước thịt–peptone (Canh thang thường) (pH 7,4 – 7,6)
Công thức:
Nước thịt bò .......................1000ml Peptone ............................... 10 g
NaCl .......................................... 5 g pH ..................................... 7–7,5
* Nếu làm môi trường đặc thêm 20 g thạch (agar); có thể thay nước thịt bò bằng cao
thịt 5 g)
Pha chế:500 gam thịt bò tươi cho thêm 1000 ml nước. Đun nóng đến 500C (duy trì
500C trong 2 giờ) sau đó đun sôi 30 phút. Để nguội và lắng trong rồi lọc qua bông gạc lấy
dịch trong. Phân phối môi trường vào dụng cụ, làm nút bông, bao gói rồi khử trùng ở
1210C trong 30 phút.
2) Môi trường Sabouraud (pH 5,0): Dùng để phân lập nấm men, nấm mốc
Công thức:
Peptone.................................... 10 g Glucose............................... 30 g
Thạch (agar) ........................... 20 g Nước cất .......................1000 ml
Pha chế: Đun nước nóng hòa peptone, glucose và thạch, xác định pH 5, cho vào bình
nón hay các ống nghiệm (làm nút bông, bao giấy báo miệng từng ống). Hấp khử trùng ở
nhiệt độ 1100C/30 phút.
Khi dùng, thạch đun chảy đến sôi, để nhiệt độ xuống còn 450 10C, điều chỉnh pH
của môi trường xuống 4,5–5,5 bằng dung dịch acid citric 20%.
Rót vào các đĩa Petri mỗi đĩa 15–20 ml môi trường, đảo đều bằng cách lắc phải, trái
3 lần. Để thạch đông tự nhiên trên mặt phẳng.
3) Môi trường thạch máu (pH 7,2 –7,6)
Công thức:
Môi trường thạch thường (g/l): Nước thịt 100 ml, Peptone bột 10 g, NaCl tinh khiết
5 g, Thạch 20 g, 15 ml máu thỏ hoặc máu cừu, nước đủ 1000 ml.
Pha chế:Đun chảy đến sôi môi trường thạch thườngtrong 15 phút. Để nguội đến còn
45 –500, cho thêm 15 ml máu thỏ hay máu cừu lấy bằng kỹ thuật vô khuẩn đã có chất
0

chống đông.Lắc nhẹ để trộn đều máu. Sau đổ ra đĩa Petri mỗi đĩa 10 – 15 ml môi trường.
2.2.2. Môi trường phân lập và nuôi cấy nấm men
Môi trường Hansen (pH 6,0)
Glucose ................................... 50 g Peptone ............................... 10 g
KH2PO4 ...................................... 3g MgSO4.7H2O........................ 3 g
Thạch (agar) ........................... 20 g Nước cất .......................1000 ml
2) Môi trường khoai tây–đường–cám gạo
Khoai tây............................... 300 g Cám gạo............................ 100 g
Saccharose............................... 50 g Nước ............................1000 ml

261
Khoai tây gọt vỏ, rửa sạch cân 300 g thái nhỏ lát mỏng. Thêm 500 ml nước rồi đun
sôi 20 phút. Lọc lấy nước trong.Cân 100 g cám gạo tốt đun sôi với 500 ml nước trong 20
phút, lọc trong.Trộn 2 dịch lọc trên với nhau và thêm 50 g đường saccharose. Bổ sung
nước cho đủ 1000ml.
Nếu làm môi trường đặc thì thêm 20 gam thạch (agar). Phân phối môi trường vào
dụng cụ rồi khử trùng ở 1210C trong 30 phút.
2.2.3. Môi trường nuôi cấy nấm mốc
1) Môi trường Czapek (pH 5,0 – 5,5)
Môi trường Czapek nguyên gốc, hoặc cải tiến của Thom hay Dox. Môi trường này
đùng để nuôi cấy xạ khuẩn, nấm mốc (Bảng 1)

Bảng 1. Các loại môi trường Czapek nuôi cấy nấm mốc, xạ khuẩn

Czapek nguyên gốc (g/l) Czapek – Thom (g/l) Czapek – Dox (g/l)
Saccharose 30 g 30 g 30 g
NaNO3 3g 2g 3,5 g
K2HPO4.3H2O 1g 1g 1,5 g
MgSO4.7H2O 0,5 g 0,5 g 0,5 g
KCl 0,5 g 0,5 g 0,5 g
FeSO4.7H2O 0,1 g 0,01 g 0,1 g
Nước cất 1000 ml 1000 ml 1000 ml
Thạch (agar) 20 g 20 g 20 g
2) Môi trường mạch nha
Lấy 250 g lúa hay đại mạch ủ cho nảy mầm, sấy khô ở 60– 700C, xay nhỏ, thêm 1 lit
nước máy, làm nóng đến 45–500C và duy trì ở nhiệt độ này trong vòng nửa giờ, liên tục
khuấy trộn để tránh vón cục. Sau đó đun nóng đến nhiệt độ 55–580C và giữ cho đến khi
đường hóa hết tinh bột, tức là cho tới khi (không còn màu xanh với iod). Lọc lấy dịch
đường hóa, phân vào các bình nón, khử trùng ở 0,8 atm trong 20 – 30 phút. Để nuôi cấy
các loại vi sinh vật khác nhau cần phải định lượng đường trong dịch mạch nha để có môi
trường thích hợp.
2.2.4. Môi trường phân lập và nuôi cấy xạ khuẩn
1) Môi trường Gause-1 (pH 7,2–7,4)
Tinh bột tan ............................. 10 g K2HPO4.3H2O ................... 0,5 g
MgSO4.7H2O ...................... 0,01 g KNO3 .................................... 1 g
Thạch (agar) ........................... 20 g Nước cất ......................1000 ml

262
Khử trùng ở 1210C trong 30 phút.
2) Môi trường tinh bột–kali nitrate (pH 6,8 – 7,2)
Tinh bột tan ............................ 20 g KNO3 .................................... 1 g
K2HPO4.3H2O .......................... 3 g FeSO4.7H2O .................... 0,01g
CaCO3 .................................... 0,5 g MgCO3............................... 0,3 g
NaCl ....................................... 0,2 g Thạch .................................. 20 g
Nước cất ...........................1000 ml Khử trùng ở 1210C trong 30 phút.
2.2.5. Môi trường xốp
Cám gạo 40 g, thóc hạt 10 g, mạt cưa 150 g, nước sạch đủ ẩm – trộn đều nắm thấy
nước ứ ra kẻ tay là được.
Khử trùng ở 1210C trong 30 phút.

3. Các bước tiến hành


3.1. Nguyên tắc pha chế môi trường dinh dưỡng
Dựa trên nhu cầu về các chất dinh dưỡng và khả năng đồng hóa các chất dinh dưỡng
của từng loài vi sinh vật.
Để đảm bảo sự cân bằng về áp suất thẩm thấu giữa môi trường và tế bào vi sinh vật
ta cần điều chỉnh tỉ lệ và nồng độ các chất trong thành phần môi trường.
3.2. Các bước pha chế môi trường dinh dưỡng
Bước 1: Lựa chọn môi trường có thành phần thích hợp với mục đích sử dụng.
Bước 2: Cân, đong đầy đủ chính xác từng thành phần môi trường.
Bước 3: Hòa tan các chất vào nước, đun và khuấy cho tan, kiểm tra thể tích và pH.
Bước 4: Rót môi trường vào dụng cụ (ống nghiệm ¼ chiều cao ống, đĩa Petri ½
chiều cao, bình nón ¾ chiều cao). Làm nút bằng bông không thấm nước, bọc miệng bằng
giấy loại không thấm nước.
Bước 5: Khử trùng môi trường bằng nồi hấp áp lực hơi nước– autoclave ở nhiệt độ
0
121 C, áp suất 1–1,1 atm trong thời gian 15–30 phút.
Bước 6: Chế môi trường thạch nghiêng, thạch đứng, thạch đĩa và thạch mềm.
- Làm thạch nghiêng: Cần tiến hành ngay sau khi khử trùng môi trường vừa kết thúc
và môi trường còn nóng chưa đông đặc (đặt ống nghiệm có môi trường lên giá đặt nghiêng
nhưng không được để môi trường chạm vào nút bông; Để yên cho mặt thạch đông đặc,
yêu cầu mặt thạch phải phẳng, nhẵn liên tục).
- Làm môi trường thạch đứng: Đặt ống nghiệm có môi trường lên giá để yên cho đến
khi môi trường nguội và đông đặc.
- Làm môi trường thạch đĩa: Rót môi trường vào đĩa Petri (khoảng 10 – 15 ml – ½
chiều cao đĩa) sau khi tay trái mở hé nắp trên của đĩa. Đậy nắp trên lại, xoay tròn đĩa Petri

263
để môi trường được phân phối đều trên mặt thạch. Để yên cho môi trường nguội và đông
đặc, sau đó lật ngược cho đáy dưới của đĩa Petri lên trên để bề mặt thạch được khô.
- Làm môi trường thạch mềm (để kiểm tra khả năng đi động và giữ giống vi khuẩn).
Công thức: Peptone–10 g; NaCl –5 g; Cao thịt –3 g; Cao nấm men –6g; Thạch
(agar) –3,5 g, Nước cất 1000 ml.
Cách pha chế: Đun sôi hòa tan hòan toàn các thành phần điều chỉnh pH 7,6, đóng
ống nghiệm 12 mm, mỗi ống 3–4 ml. Hấp 1210C trong15 phút.
Bước 7: Bảo quản và kiểm tra môi trường: Môi trường chưa sử dụng ngay cần được
bảo quản ở chỗ mát, hạn chế tác dụng của ánh sáng. Tốt nhất để vào ngăn mát tủ lạnh có
nhiệt độ 4–60C.
Trước khi sử dụng, loại bỏ các ống môi trường có vi sinh vật phát triển. Để kiểm tra
độ vô khuẩn của môi trường, người ta thường đặt chúng vào tủ ấm 370C trong 48–72 giờ.
Sau lấy ra chọn những ống môi trường đạt yêu cầu.
3.3. Đánh giá môi trường
Kiểm tra kết quả môi trường bằng cách để các ống nghiệm hay đĩa Petri đựng môi
trường vào tủ ấm 370C trong 48–72 giờ để xem có VSV phát triển trong đó hay không. Phân
biệt những ống môi trường đạt yêu cầu và các ống bị tạp nhiễm (nếu có).
Tùy môi trường để có cách đánh giá. Ví du: - Môi trường canh thang (nước thịt –
peptone – NaCl tinh khiết): yêu cầu môi trường phải trong, màu vàng nhạt hoăc hơi sẫm.
- Môi trường thạch thường: thạch phải tan đều, môi trường không đươc quá cứng
hoăc quá mềm.
- Môi trường thạch máu: màu thạch đỏ tươi, Nếu thạch ngã màu đen là máu đã bị
chín. Nếu những cục thạch trắng nhỏ là thạch chưa tan hết đã cho máu vào.
4. Viết tường trình chi tiết
III. CÂU HỎI
1. Yêu cầu và nguyên tắc cơ bản của việc pha chế một loại môi trường dinh dưỡng?
2. Nêu các bước pha chế một loại môi trường dinh dưỡng? Nguyên nhân môi trường
bị hư hỏng ? Phương pháp bảo quản môi trường? Cách nhận biết môi trường đạt yêu cầu?
3. Theo tính chất vật lý, người ta chia môi trường dinh dưỡng ra làm mấy loại? Môi
trường thạch mềm dùng để làm gì?
4. Môi trường xác định có thành phần khác với môi trường phân lập vi sinh vật như
thế nào? Cho ví dụ minh họa.
5. Tầm quan trọng của việc làm vô trùng các dụng cụ và môi trường nuôi cấy VSV?

264
Bài 3. PHÂN LẬP, NUÔI CẤY VÀ GIỮ GIỐNG VI SINH VẬT

I. NGUYÊN LÝ
Phân lập VSV là một quá trình tách riêng một loại VSV từ quần thể gồm nhiều loài
VSV, sau đó gieo chúng lên bề mặt môi trường thạch dinh dưỡng chọn lọc. Sau khi ủ ở
nhiệt độ thích hợp các VSV sẽ phân chia nhiều lần tạo thành những quần thể mọc riêng
biệt gọi là khuẩn lạc. Một ít tế bào trong khuẩn lạc được cấy truyền vào ống môi trường
giữ giống và ủ ở các điều kiện thích hợp để chúng phát triển thành quần thể mới. Quần thể
vi khuẩn trong ống nghiệm này được gọi là một chủng VSV hoặc là ống giống phân lập.
Nuôi cấy VSV trên môi trường nhân tạo thích hợp nhằm tăng số lượng VSV trong
mẫu thu nhận từ môi trường và tách được những khuẩn lạc riêng rẽ để nhận dạng khuẩn
lạc. Để nuôi cấy các mẫu có VSV người ta dùng môi trường phân lập đặc. Môi trường này
ngoài các chất dinh dưỡng còn có một số chất khác có tác dụng ức chế hoặc kích thích
chọn lọc các VSV.
Cấy truyền là kỹ thuật dùng que cấy chấm vào khuẩn lạc rồi cấy sang ống MT thạch
nghiêng trong điều kiện vô trùng nhằm tách biệt VSV nghi ngờ, dù mẫu có ít hay nhiều
VSV. Khi cấy truyền cần lưu ý:
- Dùng que cấy đầu nhọn chạm vào khuẩn lạc VSV, vì như vây sẽ làm giảm tỉ lê
nhiễm các VSV khác.
- Cấy truyền theo phương pháp cấy cạn dần, chỉ nên để vài đường cấy đầu tiên của
vùng sau chạm vào vùng trước, như vây sẽ có được những khuẩn lạc mọc riêng biệt.
- Để lưu giữ các chủng VSV mới phân lập được, ngoài phương pháp đặt lạnh, người
ta thường giữ chúng trên đất cát, trên hạt, hay phương pháp đông khô...

II. THỰC HÀNH

1. Mục tiêu
- Biết cách phân lập, nuôi cấy và bảo quản một chủng giống vi sinh vật thuần khiết.
- Nhận biết được tính chất phát triển của vi sinh vật trên môi trường lỏng và các loại
khuẩn lạc trên môi trường đặc.

2. Mẫu vật, dụng cụ và hóa chất


2.1. Chuẩn bị dụng cụ vật liệu cần thiết
- Các bình nón đựng môi trường và các ống môi trường thạch nghiêng vô trùng cho
vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc, nấm men.

265
- Một bình nón chứa 99 ml nước cất vô trùng và 10 ống nghiệm có chứa 9 ml nước
cất vô trùng.
- Que trang, que cấy, pipette, đũa thủy tinh, hôp Petri... đã vô trùng.
2.2. Thu nhận mẫu và pha loãng
- Dùng dao rửa sạch, lau cồn để lấy mẫu. Lấy khoảng 200 g đất ở 3 –4 địa điểm khác
nhau trên diện tích 200 m2 bằng cách gạt rác bề mặt (nếu có) lấy các lớp đất khác nhau (0
cm, 5 cm, 10 cm… theo phẩu diện thẳng đứng. Các mẫu đất được đựng trong túi nilon đã
khử trùng).

Hình 17. Sơ đồ minh họa quá trình phân lập vi sinh vật hiếu khí từ đất

- Mẫu đem về được trộn đều, cân lấy 10 g cho vào bình nón đựng 90 ml nước cất vô
trùng. Dùng đũa thủy tinh khuấy thật “tan”, để lắng 30 phút. Như vậy ta được dịch huyền
phù có độ pha loãng là 1:10.
- Lấy 1ml dịch huyền phù này (có độ pha loãng là 1:10) hòa vào ống nghiệm có
chứa 9 ml nước cất vô trùng ta được dịch huyền phù có độ pha loãng là 1:100. Cứ tiếp tục
như vậy ta sẽ có các độ pha loãng tiếp theo 1:1000; 1:10000. Tùy theo số lượng VSV
trong đất nhiều hay ít mà pha loãng đến nồng độ thích hợp để tạo các khuẩn lạc riêng rẽ.
Khuẩn lạc là đám tế bào xuất phát từ môt tế bào duy nhất. Đếm số lượng khuẩn lạc là biết
số lượng tế bào trong một dịch đã cho được biểu thị bằng đơn vị hình thành khuẩn lạc
CFU (colony -forming unit).

266
3. Các bước tiến hành
3.1. Phân lập vi sinh vật
3.1.1. Phân lập vi sinh vật từ đất
a) Phân lập vi khuẩn bằng phương pháp trải dịch
- Nhỏ 0,1 ml dịch huyền phù đất ở độ pha loãng (10-5 hay 10-6) lên mặt MT đặc
trong đĩa Petri. Nhúng que gạt vào cốc đựng cồn, đốt cháy trên ngọn lửa trong 30 giây đợi
nguội, gạt đều giọt dịch này trên bề mặt môi trường thạch đĩa (Hình 18).
- Nuôi vi sinh vật: Lật úp đĩa thạch, đặt vào tủ ấm ở nhiệt độ thích hợp (vi khuẩn
30– 370C; nấm men, nấm sợi, xạ khuẩn 26–280C). Sau 1–2 ngày đối với vi khuẩn và sau
3–5 ngày đối với nấm men và nấm sợi, xạ khuẩn 7–14 ngày). Tiến hành quan sát khuẩn
lạc trên mặt đĩa thạch bằng mắt thường hay kính lúp.
- Thu nhận chủng vi sinh vật thuần khiết:
Dùng que cấy đã khử trùng lấy một ít sinh khối của từng khuẩn lạc riêng biệt, cấy
vào từng ống nghiệm chứa môi trường thạch nghiêng, đặt vào tủ ấm có nhiệt độ thích hợp.
Sau một thời gian nuôi cấy, kiểm tra lại độ thuần chủng của giống VSV đã mọc trong từng
ống nghiệm thạch nghiêng.

Hình 18. Phân lập vi khuẩn bằng phương pháp trải dịch
(Prescot L. M., Harley J. P., Klein D. A., 2002)

b) Phân lập vi sinh vật bằng que cấy đầu vòng


- Nung đỏ đầu que cấy đầu vòng, làm nguội trong không khí khoảng 15 giây. Cho
vòng que cấy chấm vào dịch huyền phù đã pha loãng có chứa VSV cần phân lập.
- Tay trái hé mở nắp đĩa thạch. Đặt đầu que cấy vào 1 góc đĩa thạch, chấm nhẹ để
loại bớt tế bào một lần nữa. Từ điểm này đẩy nhẹ đầu que cấy lướt nhanh trên bề mặt
thạch theo đường zic zac. Sau khi cấy xong đường zic zac thứ nhất thì khử trùng que cấy
để cấy đường zic zac thứ 2 rồi thứ 3. Các đường cấy sau sẽ tạo ra các khuẩn lạcmọc cách
xa nhau. Đậy nắp hộp. Khử trùng que cấy trước khi cắm vào giá.
- Các thao tác phải nhanh tay và làm trên ngọn lửa đèn cồn đặt trong tủ cấy, đảm bảo
vô trùng.

267
Hình 19. Phân lập vi khuẩn bằng que cấy đầu vòng

c) Phương pháp trộn dịch đất pha loãng trong môi trường thạch nóng chảy
Dùng pipette vô trùng nhỏ 1ml dịch huyền phù đã pha loãng ở nồng độ nhất định
(10 hay 106) vào 100 ml môi trường thạch đã nóng chảy và để nguội đến 45 – 500C
5

trong bình nón, lắc đều rồi đổ ra các đĩa Petri mỗi hộp cỡ 15 ml. Gói các đĩa Petri lại, lật
úp và đặt vào tủ ấm ở nhiệt độ 28 – 300C trong 48 – 72 giờ.
3.1.2. Phân lập VSV từ không khí
VSV trong không khí chủ yếu là do các hạt bụi, hạt nước nhỏ mang theo bào tử hay
tế bào của chúng. Thông thường là bào tử của các vi nấm như: Penicillium, Aspergillus,
Rhizopus, Mucor, bào tử xạ khuẩn, nấm men và vi khuẩn hiếu khí. Để phân lập VSV từ
không khí người ta thường tiến hành theo các bước sau:
- Chuẩn bị môi trường Sabouraud thạch đĩa.
- Để đĩa Petri có môi trường Sabouraud, mở nắp tại một chỗ kín gió trong 5–10 phút,
sau đó đậy nắp lại.
- Đặt đĩa Petri trên vào tủ ấm ở nhiệt độ thích hợp sau 2 – 3 ngày, trên bề mặt thạch
xuất hiện các khuẩn lạc khác nhau. Từ đó người ta chọn ra các khuẩn lạc riêng biệt, cấy
vào các ống nghiệm thạch nghiêng.
3.1.3. Phân lập VSV từ nước thải
Muốn phân lập VSV từ nước thải ta thường tiến hành theo các bước sau:
- Thu mẫu nước chứa VSV theo đúng quy định TCVN.
- Bồi dưỡng mẫu (nếu số lượng VSV ít) hay pha loãng (nếu mẫu quá nhiều VSV).
- Chuẩn bị môi trường dinh dưỡng thạch đĩa (tùy đối tượng phân lập mà chọn dùng
môi trường thích hợp. Ví dụ Phân lập vi khuẩn dùng môi trường nước thịt – thạch
peptone; Phân lập nấm men dùng môi trường Hansen; Phân lập nấm mốc dùng môi trường
Czapek hay Czapek – Dox...).
- Ta nhỏ 0,1ml nước lên môi trường đặc. Dùng que gạt gạt đều khắp mặt thạch, sau
đó gói đĩa Petri lại, ghi ngày, nơi lấy mẫu loại nước gì, rồi đem đặt vào tủ ấm có nhiệt độ
thích hợp. Sau vài ngày trên bề mặt thạch xuất hiện các khuẩn lạc khác nhau. Từ đó người
ta chọn ra các khuẩn lạc riêng biệt, cấy vào các ống nghiệm thạch nghiêng.

268
3.1.4. Phân lập vi sinh vật từ chất thải hữu cơ rắn
Muốn phân lập VSV từ các chất thải hữu cơ rắn như đất, các khối thực phẩm bị
nhiễm khuẩn, từ các loại quả chín bị hỏng, từ các bệnh phẩm...
Chuẩn bị:
- Thu mẫu có chứa vi sinh vật: Đất có rác thải hữu cơ đang phân hủy 100 g, các khối
thực phẩm bị nhiễm khuẩn, từ các loại quả chín bị hỏng... mỗi loạitừ 50 – 100 g.
- Pha chế môi trường thạch đĩa (tùy đối tượng phân lập mà chọn môi trường có
thành phần phù hợp.

Hình 20. Các bước phân lập vi sinh vật từ chất thải hữu cơ rắn

Tiến hành thí nghiệm:


Bước 1: Nghiền nhỏ mẫu bằng cối chày sứ, rồi pha loãng mẫu vào nước cất đã khử
trùng, đánh tan hoặc để lắng, tiếp tục pha loãng đến nồng độ thích hợp từ 10-1 đến 10-10.
Bước 2: Nhỏ 0,1ml dịch huyền phù đã pha loãng vào đĩa thạch.
Bước 3: Rót môi trường đang nóng chảy 450C vào các đĩa Petri trên.
Bước 4: Dùng tay xoay đĩa thach theo chiều kim đồng hồ, trái, phải, trước, sau sao
cho các VSV có trong dich pha loãng phân bố đều khắp trong môi trường thạch.

269
Gói các đĩa thạch lại, đề ngày, nơi lấy mẫu, kí hiệu mẫu, lât úp ngược lại rồi đặt vào tủ
ấm có nhiệt độ thích hợp. Sau 48 –72 giờ, trên bề mặt thạch xuất hiện các khuẩn lạc khác
nhau. Từ đó người ta chọn ra các khuẩn lạc riêng biệt, cấy vào các ống nghiệm thạch nghiêng
3.1.5. Kiểm tra kết quả phân lập
Khi phát triển trên môi trường đặc trong đĩa Petri, sau 35 ngày VSV tạo thành các
khuẩn lạc riêng lẻ, có hình thái khác nhau phụ thuộc vào loài vi sinh vật.
3.2. Nuôi cấy vi sinh vật
3.2.1. Nuôi dưỡng vi khuẩn
- Nguyên tắc: Nuôi dưỡng là quá trình đảm bảo và duy trì những điều kiện thuận lợi
nhất cho sự hoạt động và sinh sản của vi khuẩn.
- Tiến hành : Đối với môi trường đặc ta lật úp ngược các đĩa Petri rồi đặt vào tủ ấm
ở nhiệt độ 28 – 300C trong 48–72 giờ. Sau thời gian trên ở bề mặt thạch đĩa sẽ mọc các
khuẩn lạc riêng biệt mắt thường quan sát được.
3.2.2. Cấy vi sinh vật
Có thể cấy VSV trên các môi trường tự nhiên (mạch nha, khoai tây, cà rốt…), ống
môi trường đặc thạch nghiêng, trong môi trưởng lỏng hoặc trên môi trường thạch đĩa (rắn)
bằng các dụng cụ như: cấy bằng pipette Pasteur hay cấy bằng que cấy.

Hình 21. Hình thái khuẩn lạc của một số vi sinh vật trên môi trường thạch
1. Vi khuẩn – Lactobacillus bulgaricus. 2. Xạ khuẩn – Streptomyces albidoflavus;
3.Vi nấm – Penicillium chrysogenum)

Sau khi đã phân lập được khuẩn lạc VSV thuần chủng trên đĩa Petri, dùng que cấy
cấy truyền VSV sang các môi trường trên. Có thể cấy zic zac, chấm điểm, trải dài, cấy
đâm sâu trong môi trường thạch, hoặc trộn trong thạch nóng chảy. Khi cấy truyền phải
tiến hành trên gần ngọn đèn cồn.
3.2.3. Nuôi vi sinh vật
Sau khi cấy VSV nghiên cứu lên MT (đặc hay lỏng) xong đặt môi trường vào tủ ấm
ở nhiệt độ, thời gian thích hợp tùy từng loại VSV.
3.2.4. Đánh giá kết quả
- Trên môi trường đặc: Nhận xét hình thái khuẩn lạc như màu sắc, kích thước, dạng
S (Smooth) – trơn bóng, dạng R (Rough) – xù xì, dạng M (Mucoid) – nhầy nhớt.

270
- Trên môi trường lỏng: Vi sinh vật làm đục đều môi trường. Vi sinh vật phát triển
lắng xuống đáy môi trường hay vi sinh vật mọc thành váng trên mặt môi trường.
3.3. Giữ giống vi sinh vật
Mục đích: Đảm bảo được tính chất của giống (duy trì gần như nguyên vẹn đặc tính
ban đầu của giống ở vi sinh vật (VSV) trước lúc cất giữ) đủ tiêu chuẩn cho quá trình sản
xuất.
Nguyên tắc: Làm chậm quá trình hô hấp và trao đổi chất của vi sinh vật. Đồng thời
ngăn cản sự sinh sản của chúng.
Phương pháp
Bước 1: Tiền bảo quản, chọn chủng vi sinh vật ở điều kiện và giai đoạn tối ưu cho
bảo quản.
Bước 2: Chọn phương pháp thích hợp đối với từng loài vi sinh vật cần bảo quản.
Các phương pháp bảo quản hiện nay
- Cấy truyền định kỳ trên môi trường thạch nghiêng. Các vi khuẩn, nấm men có thể
giữ ở 4 – 50C trong tủ lạnh hoặc phòng lạnh khoảng 2 – 3 tháng, nấm sợi 3 – 4 tháng ở 3 –
50C (nếu vi sinh vật sinh acid cần bổ sung dung dịch đệm vào môi trường).
- Trộn vi sinh vật với glycerol với tỉ lệ 1: 20 và giữ ở –200C đến –800C. Phương
pháp này giữ được 5 – 6 tháng, nếu muốn giữ lâu hơn nữa (1 – 2 năm) để các ống giống
trong glycerol vào trong nitơ lỏng ở – 100 đến – 1960C.
- Người ta thường dùng phương pháp đông khô để giữ giống vi sinh vật trong vài ba
năm, hoặc giữ trong nitơ lỏng (–1960) bảo quản lâu dài nhiều chục năm.

4. Viết tường trình chi tiết

III. CÂU HỎI


1. Nguyên tắc và phương pháp chung để phân lập VSV ở dạng thuần khiết từ đất,
nước, không khí, chất thải hữu cơ?
2. Cáchphân lập nấm men Saccharomycescerevisiaetừ đất?
3. Những điểm khác biệt giữa phương pháp nuôi cấy vi sinh vậttrên môi trường đặc
và môi trườnglỏng?
4. Các kiểu gieo cấy vi sinh vật trên môi trường thạch đĩa, môi trường lỏng?
5. Thế nào là phương pháp cấy cạn dần? Ý nghĩa của phương pháp cấy cạn dần?
6. Ưu và nhược điểm của phương pháp cấy vi khuẩn bằng que cấy và cấy bằng
pipette Pasteur?
7. Các phương pháp giữ giốngvi sinh vật hiện nay? Cơ sở khoa học của các phương
pháp giữ giống?

271
Bài 4. ĐO KÍCH THƯỚC TẾ BÀO VÀ ĐẾM SỐ LƯỢNG VI SINH VẬT

I. NGUYÊN LÝ
Muốn đo kích thước của tế bào VSV người ta sử dụng thước đo đặc biệt. Hiện nay
có nhiều loại thước đo nhưng thông dụng hơn cả là thước đo thị kính và thước đo vật kính
của hãng OLYMPUS Nhật Bản.
Trong công tác điều tra VSV trong các môi trường đất, nước, không khí, chất thải
hữu cơ hay giám định giống… thì việc xác định số lượng VSV là rất cần thiết như đếm để
biết số lượng VSV trong 1 ml canh khuẩn; để so sánh 2 môi trường trong viêc nuôi dưỡng
VSV; để tiêm một số lượng nhất định vi khuẩn vào một động vật thí nghiệm; để tìm liều
gây chết tối thiểu (liều LD50) của VSV đối với một động vật thí nghiệm…
Có hai nhóm phương pháp đếm số lượng VSV đó là nhóm đếm trực tiếp bằng buồng
đếm hồng cầu và phương pháp đếm gián tiếp như đếm CFU (colony-forming unit) trên
thạch đĩa, phươngpháp pha loãng tới hạn (MPN), phương pháp đo OD...

II. THỰC HÀNH

1. Mục tiêu
Biết cách đo kích thước và xác định số lượng của một số VSV trong không khí,
trong mẫu đất, vật phẩm, chất thải hữu cơ và nước thải.

2. Mẫu vật, dụng cụ, thiết bị hóa chất


2.1. Mẫu vật
- Chuẩn bị dung dịch nuôi cấy tế bào nấm men, nấm mốc, vi khuẩn E.coli, B.
subtilis, xạ khuẩn 24–48 giờ.
- Chuẩn bị trước các tiêu bản “giọt ép” từ canh trường nuôi vi khuẩn hoặc nấm men
trước 24 giờ.
- Chuẩn bị môi trường thạch đĩa (MT thạch thường, MT thạch máu, MT Sabauroud)
2.2. Dụng cụ thiết bị
Thước đo vật kính và thị kính OLYMPUS; kính hiển vi quang học.
2.3. Các loại hóa chất (theo thành phần từng môi trường)
(1) Môi trường thạch thường (pH 7,4 – 7,6) Kiểm tra tổng số vi khuẩn hiếu khí
- Công thức 1 (TCVN):
Cao thịt................................... 1,0 g Peptone .............................. 1,0 g
NaCl .......................................... 5 g Thạch (agar) ...................... 15 g
Nước cất ............................1000 ml

272
- Công thức 2: (TCVN)
Cao thịt................................... 3,0 g Peptone .............................. 5,0 g
Thạch (agar) ........................... 15 g Nước cất .......................1000 ml
- Cách pha chế:
+Cho các thành phần vào nước đã đun nóng để hòa tan.
+ Điều chỉnh pH về khoảng 8,2 bằng NaOH 1N, đun sôi trong 10 phút.
+ Lọc trong và điều chỉnh pH từ 7,2–7,4.
+ Cho vào các bình cầu và hấp ở 1210C 10C trong 15 phút.
(2) Môi trường thạch máu (xem bài pha chế môi trường dinh dưỡng)
(3) Môi trường thạch Sabouraud(xem bài pha chế môi trường dinh dưỡng)

3. Các bước tiến hành


3.1. Đo kích thước tế bào VSV
Dùng thước đo thị kính để đo kích thước tế bào VSV (biểu thị bằng đơn vị micromet
µm; 1 µm = 1×10−6 m= 1×10−3 mm = 10.000 Å (angstrom).
Thước đo thị kính là một miếng thủy tinh tròn, ở chính giữa có một thước nhỏ 5 mm
được chia thành 100 phần bằng nhau và được đánh số từ 0 đến 100.
Thước đo vật kính là một tấm thủy tinh, ở giữa có một thước nhỏ 1 mm được chia
thành 100 khoảng đều nhau, vì vậy mỗi khoảng chia là 0,01 mm hay 10 µm.
3.1.1.Xác định giá trị mỗi khoảng của thước đo thị kính
Để xác định giá trị mỗi khoảng của thước đo thị kính đối với một độ phóng đại ta
làm như sau:
Bước 1: Tháo thấu kính trên của thị kính ra, lắp thước đo thị kính vào màn chắn của
thị kính sao cho vạch chia nằm ở phía dưới. Giá trị của mỗi khoảng chia của thước đo thị
kính đối với từng độ phóng đại của thị kính cần phải được xác định trước nhờ dùng thước
đo vật kính. Đặt thước đo vật kính OLYMPUS lên bàn kính, nơi vẫn thường để tiêu bản.
Bước 2: Dùng vật kính có bội giác nhỏ lấy tiêu cự và dịch thước đo vào giữa thị
trường. Thay vật kính có bội giác lớn mà ta định dùng để đo kích thước tế bào VSV.
Bước 3: Điều chỉnh bàn kính sao cho một vạch của 2 thước này trùng khít lên nhau
và tìm chỗ trùng khít của vạch thứ 2, rồi xác định khoảng cách giữa 2 vạch của thước đo
thị kính bằng m.
* Tính kết quả: Ví dụ khi ta sử dụng kính hiển vi có thị kính 10, vật kính 40
- Quan sát vào kính hiển vi ta thấy có 5 khoảng chia của thước đo vật kính (tức 50
m) nằm gọn vào 20 khoảng chia của thước đo thị kính, vậy mỗi khoảng chia của thước
đo thị kính với độ phóng đại đang dùng (40) là 2,5 m.

273
3.1.2. Tiến hành đo kích thước
Mỗi sinh viên tiến hành đo kích thước tế bào nấm men theo trình tự sau:
Để đo kích thước (tế bào nấm men, vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc…) ta phải làm tiêu
bản “giọt ép”, ít khi làm tiêu bản nhuộm màu.
a.Đặt tiêu bản có VSV cần đo lên bàn kính. Điều chỉnh bàn kính sao cho thấy rõ tế
bào VSV và thước đo thị kính.
b. Điều chỉnh bàn kính sao cho tế bào VSV nằm gọn và dọc theo thước đo thị kính.
c. Đếm số khoảng mà tế bào VSV chóan chỗ.
Xoay ống thị kính để đo bề khác.
Ví dụ: đường kính tế bào nấm men nằm đúng vào hai khoảng của thước đo thị kính,
tức là (2,5  2 =5,0 m).

Thuíc ®o thÞ kÝnh

Thuíc ®o thÞ kÝnh

Thuíc ®o vËt kÝnh

Thuíc ®o vËt kÝnh


Hình 22. Xác định giá trị mỗi khoảng của thước đo thị kính
a. Thước đo thị kính và vật kính nhìn qua kính hiển vi quang học
b. Xác định khoảng cách giữa 2 vạch của thước đo thị kính bằng m.

* Những điểm cần lưu ý


- Kích thước tế bào có thể thay đổi tùy theo thành phần môi trường dinh dưỡng của
canh trường nuôi cấy vi sinh vật.
- Muốn đo kích thước của vi khuẩn hình cầu ta đo đường kính, của trực khuẩn – đo
bề ngang và chiều dài, xạ khuẩn và nấm mốc – đo bề ngang của sợi.
- Nếu tế bào vi khuẩn chuyển động thì ta hơ nóng một chút hay thêm vào huyền phù
một giọt dung dịch 0,1% thạch (agar) nóng chảy. Nếu làm tiêu bản cố định nhuộm màu sẽ
làm cho kích thước tế bào bị thay đổi ít nhiều.

274
3.2. Đếm số lượng vi sinh vật trong không khí
Trong không khí, ngoài bụi ra còn có các VSV như vi khuẩn, vi khuẩn cổ, nấm
mốc... Các thành phần này có liên quan mật thiết với nhau, bụi càng nhiều thì số lượng
VSV càng cao.
Trong không khí ngoài những tạp khuẩn, còn có thể gặp các loại cầu khuẩn gây
bệnh, trực khuẩn lao, trực khuẩn bạch hầu... Đặc biệt các loại liên cầu khuẩn, tụ cầu khuẩn
làm tan huyết truyền bệnh qua đường không khí. Những nơi như bệnh viện, an dưỡng
đường, trong không khí dễ có các vi khuẩn gây bệnh. Không khí ở các kho tàng dễ có
nhiều nấm mốc.
Mỗi loài vi sinh vật trong không khí là một chỉ điểm cho nguồn gốc nhiễm khuẩn.
Nếu trong không khí có một số vi khuẩn thường gặp trong đất như Clostridium, chứng tỏ
không khí bị nhiễm khuẩn do bụi đất.
Không khí làm lan truyền mầm bệnh khi có đủ hai yếu tố cơ bản:
- Các vi khuẩn tồn tại trong không khí với nồng độ đủ cao.
- Người dễ cảm thụ hít không khí nhiễm khuẩn đó.
*Tiêu chuẩn vi sinh vật trong không khí
Đến nay chúng ta chưa có tiêu chuẩn qui định chất lượng không khí dựa theo lượng
VSV trong 1m3 không khí. Sau đây là một số tiêu chuẩn dùng để tham khảo:
- Theo Preobrane (Pháp), không khí sạch khi có số lượng vi khuẩn ≤1000 CFU/m3
- Theo Ginokova (Nga), không khí sạch khi chỉ có 5 – 10 khuẩn lạc mọc trên mặt
thạch để trong 10 phút; vừa khi có 20 – 25 khuẩn lạc; xấu khi có > 25 khuẩn lạc.
- Theo Romanovic, trong cơ sở sản xuất thực phẩm, không khí rất tốt khi chỉ có < 20
khuẩn lạc mọc trên mặt thạch để trong 10 phút và không có khuẩn lạc nấm mốc; tốt khi có
20 – 50 khuẩn lạc và 2 khuẩn lạc nấm mốc; vừa khi có 50 – 70 khuẩn lạc và 5 khuẩn lạc
nấm mốc; xấu khi có > 70 khuẩn lạc vi khuẩn và > 5 khuẩn lạc nấm mốc.
Căn cứ vào kết quả số vi sinh có trong 1 m3 không khí của phòng, có thể đánh giá
chất lượng không khí dựa theo tiêu chuẩn của V. Omelanskii (Nga) sau đây:

Số lượng vi sinh/m3 không khí Chất lượng không khí


< 312 (< 5 khuẩn lạc/3 đĩa thạch) Tốt
312 – 1250 (5 – 20 khuẩn lạc/3 đĩa thạch) Khá
1250 – 1562 (20 – 25 khuẩn lạc/3 đĩa thạch) Vừa
>1562 (> 25 khuẩn lạc/3 đĩa thạch) Kém

Có nhiều phương pháp để xác định số lượng VSV trong không khí nhưng phương
pháp đơn giản và thông dụng hiện nay vẫn là phương pháp để lắng bụi của Koch.
3.2.1. Cách để lắng bụi theo phương pháp Koch)
a. Chuẩn bị các môi trường thạch đĩa: để kiểm tra số lượng VSV trong không khí tại
một địa điểm nào đó, người ta thường sử dụng các loại môi trường thạch đĩa như MT

275
thạch thường, MT thạch máu, MT Sabouraud. Trước khi đặt thạch ra ngoài không khí phải
để thạch vào tủ ấm để cho thạch ấm lại và mặt thạch khô.
b. Tiến hành:
- Đến nơi định kiểm tra không khí, mở các đĩa thạch ra (nắp hộp dựng nghiêng bên
cạnh đĩa thạch).
- Mở nắp đĩa thạch trong thời gian 5, 10, 15 phút tùy theo dự kiến về mức độ ô
nhiễm không khí nơi kiểm tra. Ví dụ: ở phòng mổ, bệnh viện cần để đĩa thạch 15 phút.
Nếu kiểm tra không khí ngoài chợ, ngoài đường phố đông người thì chỉ cẩn để trong 5
phút và nếu kiểm tra ở một nhà ăn nào đó có thể để độ 10 phút.
Sau đó, đậy nắp đĩa thạch và lật úp ngược lại.
+ Để tủ ấm 370C với thạch đĩa - môi trường thạch máu
+ Để 280C–300C với đĩa thạch - môi trường Sabouraud.
+ Theo dõi 24 giờ đối vời vi khuẩn và 5 ngày với nấm sợi (nấm mốc)
* Vị trí đặt mẫu:
Muốn kiểm tra không khí tại bất kỳ cơ sở nào nên để ở nhiều nơi khác nhau:
Kiểm tra không khí trong phòng: 5 vị trí (ở giữa và 4 góc phòng) mỗi nơi 3 đĩa
thạch.
Kiểm tra không khí ở đường phố, ngoài sân: Nên tránh chỗ ánh nắng, để nhiều đĩa
thạch trong các tình huống khác nhau: lúc đông người, lúc ít người qua lại.
Cần chú ý:
- Đối với kho tàng ít ánh sáng, độ ẩm cao nên chú ý kiểm tra nấm mốc.
- Đối với bệnh viện, nhà ở, phòng thí nghiệm nên chú ý kiểm tra liên cầu khuẩn và
tụ cầu khuẩn.
3.2.2. Đọc kết quả
Cách thứ nhất:
Tổng số vi khuẩn trong 1m3 không khí được tính theo công thức

X
X: Tổng số VSV trong 1m3 không khí
A: Tổng số VSV trong một đĩa thạch
S: Diện tích của đĩa Petri (cm2)
K: Hệ số thời gian để đĩa Petri
với K =1 (5phút); K = 2 (10 phút); K = 3 (15 phút)
Cách thứ hai: Phương pháp xác định số lượng VSV trong 1m3 không khí theo V.
Omelanskii:
- Mở nắp đĩa Petri trong thời gian 5 phút.
- Nuôi ở nhiệt độ và thời gian thích hợp.

276
* Tính kết quả: Số lượng VSV trong 1m3 không khí theo V. Omelanskii

Đường kính Diện tích Số nhân để tính số


đĩa Petri (cm) đĩa Petri (cm2) VSV/m3 không khí
8 50 100
9 63 80
10 78 60

Ví dụ: Đĩa Petri có S = 50 cm2 mọc lên 20 khuẩn lạc. Vậy số lượng vi sinh vật trong
1m3 không khí sẽ là: 20 100 = 2.000 CFU hay 2.000 tế bào vi sinh vật.
Cách thứ ba:Xác định độ nhiễm bẩn của không khí theo phương pháp Ginoscova:
Dùng môi trường theo đối tượng nghiên cứu. Ví dụ dùng MT thạch máu– tìm vi
khuẩn tan máu; thạch thường và thạch Sabouraud – tìm vi nấm…
Đặt đĩa Petri đã có MT dinh dưỡng vào 5 vị trí của phòng giữa và 4 góc, mở đĩa
Petri 5 và 10 phút, đặt các đĩa Petri trên vào tủ ấm 370C ủấm 24 – 48 giờ lấy ra đếm số
khuẩn lạc.
* Kết quả và tiêu chuẩn
- Không khí sạch: Mở hộp trong không khí 5 phút có< 5 khuẩn lạc.
- Không khí vừa: 10 phút có 20 – 25 khuẩn lạc.
- Không khí xấu: 10 phút có> 25 khuẩn lạc.
3.3. Đếm số lượng vi sinh vật bằng khung đếm Goriaep (Phòng đếm hồng cầu)
Chuẩn bị dịch nuôi cấy nấm men S. cerevisiae 2 ngày tuổi và khung đếm Goriaep
dùng để xác định số lượng VSV có kích thước tế bào tương đối lớn như nấm men, bào tử
nấm mốc, các loại vi tảo.
Nguyên tắc cấu tạo: Khung đếm là một lam kính hình chữ nhật, giữa là phần lõm
phẳng, tại đây có kẻ một lưới gồm 400 hình vuông có diện tích tổng cộng là 1mm2.Vì vậy
diện tích một hình vuông nhỏ là 1/400 mm2 và một hình vuông lớn hơn là 1/25mm2
Cách đếm:
- Pha loãng dịch nấm men S.cerevisiae 2 ngày tuổi từ 10–1–10–6 tùy theo số lượng
nấm men trong dịch nuôi.
- Nhỏ 1 giọt dịch nấm men vào giữa khung đếm và đậy bằng lamen.
- Quan sát và đếm số tế bào nấm men trong 80 ô vuông nhỏ chia cho 80 để tính số
trung bình tế bào VSV đếm được trong 1 ô vuông nhỏ.
Tính số lượng tế bào 1 ml dịch nuôi theo công thức:
a.1000
N= .n
h.s
N: Tổng số tế bào trong 1ml dịch huyền phù
a: Số tế bào trung bình trong 1 ô vuông nhỏ;

277
h: chiều sâu của khung đếm 0,1mm
n: Hệ số pha loãng của mẫu (dịch huyền phù);
s: Diện tích hình vuông của lưới 1/400 mm2.
Để tính số lượng VSV trong 1ml dịch nuôi (1cm3 = 1000 mm3) thì nhân nó với
1000.
(Hay N là số lượng VSV trong 1ml dịch nuôi = số VSV bình quân ở một ô vuông
nhỏ × 4000 × 1000 × hệ số pha loãng).
3.4. Đếm số lượng tế bào sống
Số lượng tế bào sống trong các cơ chất phân lập trên môi trường dinh dưỡng đặc
được biểu thị bằng đơn vị CFU. Một CFU là một khuẩn lạc phát triển từ một tế bào (hay
bào tử) lúc ban đầu của một loại VSV trên môi trường dinh dưỡng thạch mà mắt thường
có thể nhìn thấy).
Cách đếm: Tiến hành như bài phương pháp phân lập VSV đất trên môi trường thạch.
Sau khi nuôi cấy ở nhiệt độ và thời gian thích hợp trong tủ ấm, đem ra đếm số khuẩn lạc
trung bình mọc được trên mỗi đĩa thạch, từ đó tính ra số lượng tế bào trong 1g (hay 1ml)
cơ chất lúc đầu theo công thức:
N= 10. a. Df/ W
N: Số lượng VSV/g (hay 1ml) cơ chất;
a: Số khuẩn lạc trung bình đếm được trong 1 đĩa Petri;
10 x a: Số CFU trong 1ml dịch nghiên cứu ở độ pha loãng (n);
Df: Độ pha loãng của mẫu nghiên cứu;
W: Trọng lượng khô của 1g mẫu nghiên cứu.
Ví dụ:Khi cấy 0,1 ml dịch đất ở độ pha loãng 10-6, ta đếm được 35 CFU/1đĩa
thạch. Nếu biết rằng trọng lượng khô của 1 g đất là 0,95 g. Tổng số CFU/g được tính:
N= 10 35 106 : 0,95 = 36,8.107
Chú ý: Nếu số CFU/1đĩa thạch nhỏ hơn 10 thì kết quả phải loại bỏ, tốt nhất là từ 30
– 300 CFU/ đĩa thạch.

Hình 23. Buồng đếm tế bào vi sinh vật

278
3.5. Đếm số lượng theo phươngpháp pha loãng tới hạn (MPN)
1)Nguyên tắc: Phương pháp MPN (Most Probable Number - phương pháp có số xác
suất cao nhất; số tối khả) còn được gọi là phương pháp pha loãng tìm giới hạn phát triển.
Đây là phương pháp dùng để đánh giá số lượng VSV theo số lượng VSV có xác suất lớn
nhất hiện diện trong một đơn vị thể tích mẫu. Đây là phương phápđịnh lượng dựa trên kết
quả định tính của một loạt thí nghiệm được lặp lại ở một số độ pha loãng khác nhau. Phải
chọn giới hạn pha loãng thế nào để đảm bảo ở độ pha loãng thấp nhất luôn luôn phát hiện
thấy Coliform, còn ở độ pha loãng cao nhất hòan toàn không phát hiện thấy. Ví dụ 101,
102, 103 hoặc 103–107. Thông thường việc định lượng này được thực hiện lặp lại 3 hay
5 lần ở 3 độ pha loãng bậc 10 liên tiếp, tổng cộng 3 5 = 15 ống nghiệm.
2)Quy trình thực hiện định lượng theo phương pháp này như sau: Cho vào các ống
nghiệm có chứa môi trường thích hợp cho sự tăng trưởng của đối tượng VSV cần định
lượng một thể tích chính xác dung dịch mẫu ở 3 nồng độ pha loãng bậc 10 liên tiếp (ví dụ
1/10, 1/100, 1/1000...). Ủ ở nhiệt độ và thời gian thích hợp. Dựa vào kết quả biểu kiển
chứng minh sự tăng trưởng của VSV cần kiểm định trong từng ống nghiệm (thường là các
hiện tượng như sinh hơi, đổi màu, đục …), ghi nhận số lượng các ống nghiệm dương tính
ở từng độ pha loãng. Sử dụng các số liệu này và dựa vào bảng Mac Crady suy ra mật độ
VSV được trình bày dưới dạng số MPN/100ml hay số MPN/1g mẫu. Độ chính xác của trị
số MPN phụ thuộc vào số lượng ống nghiệm lặp lại trong mỗi độ pha loãng.
Phương pháp MPN có thể dùng để định lượng bất kỳ loại VSV nào bằng cách nuôi
cấy chúng trên môi trường tăng sinh chọn lọc (môi trường lỏng).
3)Đếm Coliforms trong thực phẩm hỏng, nước thải sinh hoạt:
a) Chuẩn bị môi trường LSB và BGBL:
+ Môi trường Lauryl Sulfate Broth (LSB) (pH 7,4)
Công thức:
Tryptose ................................. 20 g K2HPO4 ........................... 2,75 g
Lactose ..................................... 5 g Lauryl sulfate .................... 0,1 g
Sodium chloride ....................... 5 g KH2PO4 ........................... 2,75 g
Nước cất ...........................1000 ml
Cách pha chế:Hòa tan các chất vào 1000 ml, chỉnh pH khoảng 7,4. Rót vào ống
nghiệm có ống Durham 10 ml môi trường LSB. Hấp 1210C, 1atm trong 15 phút.
+ Môi trường Brilliant Green Bile Lactose Broth (BGBL) (pH 7,4)
Công thức:
Peptone ………………………10 g Lactose ………..…….……10 g
Mật bò .................................... 20 g Brilliant green.............. 0,0133 g
Nước cất ...........................1000 ml
Cách pha chế: Hòa tan peptone va lactose trong 500 ml nước cất, sau đó cho khoảng
200 ml mật bò vào, Hòa 0,0133 g brilliant green vào trong khoảng 100 ml nước cất. Trộn
đều 3 dung dịch và thêm nước đủ 1000 ml, chỉnh pH khoảng 7,4. Rót vào ống nghiệm có
ống Durham 10ml môi trường BGBL. Hấp 1210C, 1atm trong 15 phút.

279
b. Tiến hành đếm Coliforms trong nước thải
Bước 1:Lấy mẫu nước thải và pha loãng từ10-1–10-8 (tùy độ bẩn của nước thải)
Bước 2: Rót môi trường dinh dưỡng Lauryl Sulfate Broth (LSB) hay môi trường
nước thịt–peptone hay môi trường Sabouraud dạng dịch thể (không có agar)vào 15 ống
nghiệm mỗi ống 10 ml đặt vào giá.

Hình 24. Sơ đồ xác định số lượng Coliforms trong nước thải

Bước 3: Chọn 3 nồng độ pha loãng liên tiếp thích hợp. Mỗi độ pha loãng hút 3 lần,
mỗi lần 1ml cấy vào 3 ống nghiệm môi trường LSB. Hút 3 nồng độ liên tiếp (ví dụ: 10-2,
10-3, 10-4), mỗi nồng độ 1ml/ 10 ml, Thí nghiệm được lặp lại 5 ống nghiệm/ một nồng độ
pha loãng (hay mỗi độ pha loãng cấy vào 5 ống).
Để kiểm tra khả năng sinh khí ta làm như sau: trộn đều mẫu nước thải và môi trường
dinh dưỡng rót vào ống durham (ống nghiệm nhỏ kích thước 0,5×4 cm) cho đầy ống, nhẹ
nhàng cho ống nghiệm nhỏ lồng vào ống nghiệm to, sao cho không có bọt khí.
Bước 4: Ủ ấm từ 35–370C, thời gian 24 – 48 giờ.
Bước 5: Ống dương tính là môi trường bị vẫn đục và có bọt khí trong ống durham.
Bước 6: Tra bảng Mac Crady– loạt 5 ống nghiệm ở 3 nồng độ liên tiếp.
Lưu ý: Các ống nghiệm có khả năng hiện diện của coliform là dương tính cả hai môi
trường LSB và BGBL.
Chỉ số phân tích sẽ là 531. Tra ở bảng Mac Crady sẽ tìm thấy chỉ số số lượng là 11.
Độ pha loãng thấp nhất của chỉ số là 1/1000. Vì vậy số lượng VSV trong 1ml dịch nghiên
cứu (hoặc 1 gam đất nghiên cứu) sẽ là: 11,0 × 1000 = 11000.

280
Bảng Mac crady – mỗi độ pha loãng cấy vào 5 ống
Chỉ Chỉ Chỉ Chỉ Chỉ Chỉ
Chỉ Chỉ Chỉ số Chỉ Chỉ Chỉ
số số số số số số
số số số số số số số số số số số
phân phân phân phân phân phân
lượng lượng lượng lượng lượng lượng
tích tích tích tích tích tích
000 0,0 122 1,0 301 1,1 410 1,7 510 3,5 542 25,0
001 0,2 130 0,8 302 1,4 411 2,0 511 4,5 543 30,0
002 0,4 131 1,0 310 1,1 412 2,5 512 6,0 544 35,0
010 0,2 140 1,1 311 1,4 420 2,0 513 8,5 545 45,0
011 0,4 200 0,5 312 1,7 421 2,5 520 5,0 550 25,0
012 0,6 201 0,7 313 2,0 422 3,0 521 7,0 551 35,0
020 0,4 202 0,9 320 1,4 430 2,5 522 9,0 552 80,0
021 0,6 203 1,2 321 1,7 431 3,0 523 12,0 553 90,0
030 0,6 210 0,7 322 2,0 432 4,0 524 15,0 554 160
100 0,2 211 0,9 330 1,7 440 3,5 525 17,5 555 180
101 0,4 222 1,2 331 2,0 441 4,9 530 8,0
102 0,6 220 0,9 310 2,0 450 4,0 531 11,0
103 0,8 221 1,2 341 2,5 451 5,0 532 14,0
110 0,4 232 1,4 350 2,5 500 2,5 533 17,5
111 0,6 230 1,2 400 1,3 501 3,0 534 20,0
112 0,8 231 1,4 301 1,7 502 4,0 535 25,0
120 0,6 210 1,4 402 2,0 503 6,0 540 13,0
121 0,8 300 0,8 103 2,5 504 7,5 541 17,0
Ví dụ:
Độ pha loãng 1/100 1/1000 1/10.000 1/100.000 1/1000.000
Số ống MT cấy từ mỗi
5 5 5 5 5
độ pha loãng
Số ống MT có phản ứng
5 5 3 1 0
dương tính
3.6. Phươngpháp đo độ đục
Khi một pha lỏng có chứa nhiều phần tử không tan thì sẽ hình thành một hệ huyền
phù và có độ đục bởi các phần tử hiện diện trong môi trường lỏng làm cản ánh sáng, làm
phân tán chùm ánh sáng tới. Tế bào VSV là một thực thể nên khi hiện diện trong môi
trường cũng làm môi trường trở nên đục. Độ đục của huyền phù tỷ lệ với mật độ tế bào.
Trong một giới hạn nhất định của độ đục và mật độ tế bào, có thể xác lập được quan hệ tỷ
lệ tuyến tính giữa mật độ tế bào và độ đục. Do vậy có thể định lượng mật độ tế bào một
cách gián tiếp thông qua đo độ đục bằng máy so màu ở các bước sóng từ 550 – 610 nm.
Trong trường hợp này, trước tiên cần phải thiết lập được đường quan hệ tuyến tính giữa độ
đục và mật độ tế bào bằng cách sử dụng một số huyền phù tế bào có độ đục xác định bằng
một phương pháp trực tiếp khác, ví dụ như phương pháp đếm khuẩn lạc, phương pháp
đếm trực tiếp…

281
* Xây dựng đường tương quan tuyến tính giữa độ đục và mật độ tế bào
Pha loãng một dịch huyền phù chứa loại VSV cần kiểm nghiệm có mật độ bất kì
thành các huyền phù khác nhau có độ đục đo ở OD610nmđạt các giá trị lân cận 0,1; 0,2;
0,3; 0,4; và 0,5. Đo OD610 nm của các huyền phù vừa được pha, ghi nhận số đo thực tế.
- Dùng phương pháp đếm trực tiếp dưới kính hiển vi hoặc phương pháp đếm khuẩn
lạc, xác định mật độ tế bào (N/ml) của các huyền phù này.
- Tính giá trị log (N/ml) cho mỗi giá trị mật độ N/ml tương ứng với mỗi mật độ đục.
Vẽ đường biểu diễn của log (N/ml) (trục tung) theo OD610nm (trục hòanh). Xác định
khoảng tuyến tính giữa log(N/ml) và OD610nm.
* Xác định mật độ tế bào theo độ đục
- Đo độ đục của một huyền phù tế bào X cần xác định mật độ.
- Từ trị số OD610nm đo được, dựa vào đường tương quan giữa log(N/ml) và độ đục
OD610nm, suy ra trị số log(N/ml) và trị số mật độ N/ml (N/ml = 10a với a = log(N/ml) ).
Phương pháp này có thể được dùng để so sánh mức độ tăng trưởng của hai hay
nhiều chủng VSV trong môi trường lỏng. Trong trường hợp không cần biết giá trị tuyệt
đối của mật độ tế bào thì không cần phải xây dựng đường tương quan tuyến tính giữa độ
đục và mật độ. Phương pháp này cho kết quả nhanh thường được ứng dụng trong theo dõi
hoặc nghiên cứu đặc trưng tăng trưởng của các chủng vi sinh vật trong PTN hoặc trong
sản xuất tuy nhiên không thích hợp cho ứng dụng trong kiểm nghiệm vi sinh vật.
4. Viết tường trình chi tiết
III. CÂU HỎI
1. Cách sử dụng thước đo thị kính OLYPUS: thị kính (×10), vật kính (×40)?
2. Nguyên tắc và phương pháp đo kích thước tế bào nấm men với tiêu bản giọt ép?
Khi đo kích thước tế bào vi sinh vật cần lưu ý những điểm gì? Vì sao?
3. Nguyên tắc và các bước tiến hành đếm số lượng vi sinh vật trong 1m3 không khí ?
4. Nêu nguyên tắc và các phương pháp đếm số lượng vi sinh vật có trong 1ml
nước thải?
5. Nêu nguyên tắc và các bước đếm số lượng vi sinh vật hiếu khí có trong 1g chất
thải hữu cơ rắn theo phương pháp MPN?
6. Cho biết ưu và nhược điểm của phương pháp đếm số lượng bằng khung đếm
Goriaep và đếm CFU/g?
7. Xác định số lượng tế bào vi khuẩn trong mẫu nước thải ở độ pha loãng 10-3 bằng
cách đếm số lượng CFU trên môi trường thạch. Từ đó tính ra số lượng vi khuẩn trong 1ml
nước thải.
8. Nguyên tắc và các bước tiến hành xác định số lượng Coliforms trong 100 ml nước
thải theo phương pháp MPN?
9. Nguyên tắc và các bước tiến hành xác định số lượng vi sinh vật trong 100 ml
nước thải theo phương pháp đo độ đục?

282
Bài 5. CÁC TÍNH CHẤT SINH HÓA CỦA VI SINH VẬT

I. NGUYÊN LÝ
Mỗi loại VSV đều có một quá trình chuyển hóa riêng. Để nhận biết và xếp loại VSV
chúng ta phải xác định tính chất sinh hóa của chúng.

II. THỰC HÀNH

1. Mục tiêu
Nắm được nguyên tắc, kỹ thuật tiến hành và cách đọc kết quả các tính chất sinh hóa
của vi sinh vật trong chất thải hữu cơ.
Biết cách làm các phản ứng sinh hóa đối với các vi sinh vật phân lập từ chất thải hữu
cơ và đánh giá kết quả.

2. Chuẩn bị mẫu vật, dụng cụ, hóa chất, thuốc thử, môi trường
2.1. Vi sinh vật
- Vi khuẩn, vi nấm, xạ khuẩn phân lập từ phế thải hữu cơ để thử tính chất sinh hóa
- Vi khuẩn mẫu (của PTN như vi khuẩn E.coli, B.subtilis…; vi nấm Aspergillus
oryzae, Penicillium notatum...) có kết quả thử dương tính để đối chiếu.
2.2. Dụng cụ
Giấy thấm, lam kính sạch, pipette, ống hút, ống nghiệm, que cấy, giá ống nghiệm,
giá cắm pipette, đèn cồn.
2.3. Hóa chất thuốc thử, môi trường
- Nước muối sinh lý, các loại thuốc thử dùng cho các phản ứng
- Các loại môi trường nuôi cấy cần thiết.
- Các loại hóa chất cần thiết (theo từng thí nghiệm)

3. Các bước tiến hành


3.1. Phản ứng tìm indole
Indole là một phức chất có N do một số vi khuẩn phân giải tryptophan (một amino
acid) tạo thành.
Tryptophanase
Tryptophan + H2O indole + acid pyruvic
VSV

Cách pha thuốc thử Kovacs:


Công thức: Cồn isoamylic....................................150 ml
Paradimethylaminobenzaldehyde.......... 10 g
Acid chlohydric đặc.............................50 ml

283
Cách pha: Hòa paradimethylaminobenzaldehyde trong cồn isoamylic, sau đó cho từ
từ acid chlohydric đặc vào. Dung dịch này bảo quản trong tủ lạnh và tránh ánh nắng.
a. Nguyên tắc: Indol (benzyl pyrrole) là một sản phẩm chuyển hóa của tryptophan.
Những vi khuẩn có enzyme tryptophanase có khả năng chuyển hóa tryptophan tạo ra indole.
Dưới tác dụng của thuốc thử Kovacs, indol chuyển thành màu đỏ và nổi lên bề mặt.
b. Chuẩn bị đủ dụng cụ, thuốc thử Kovacs, môi trường nước thịt –peptone, vi khuẩn.
c. Tiến hành:
- Cấy vi khuẩn đã phân lập vào môi trườngnước thịt –peptone, để tủ ấm 370C trong
24 giờ. Nhỏ tiếp vài giọt thuốc thử Kovacs, rồi đọc kết quả.
d. Đánh giá kết quả (xem hình màu 25 trang 340)
+ Phản ứng dương tính: có vòng (quầng) đỏ nổi lên mặt môi trường.
+ Phản ứng âm tính: không có vòng đỏ nổi trên mặt môi trường.
* Lưu ý: Indole (+) : E.coli
Indole (-) : Hầu hết các vi khuẩn trong nhóm Klebsiella – Enterobacter –
Hafnia- Serratia, Salmonella, Shigella.
3.2. Đánh giá khả năng sinh H2S
a. Nguyên tắc: Những vi khuẩn có hệ thống enzyme sinh H2S thì có khả năng giải
phóng sulfide từ cystein hoặc thiosulfat. Sulfide sẽ kết hợp với ion hydrogen (H+) tạo
thành H2S. Trong môi trường có muối kim loại nặng (Sắt acetate, chì acetate), H2S sẽ kết
hợp với chất này tạo thành sulfua sắt hoặc sulfua chì có màu đen.
b. Chuẩn bị đủ dụng cụ, môi trường thạch chì, vi khuẩn.
c. Tiến hành:
* Môi trường: KIA, môi trường SS, môi trường thạch chì (pH 7,0)
- Môi trường Kligler (KIA) (pH 7,4):
+ Cao thịt..................................3 g Lactose...............................................10 g
+ Cao men................................3 g Glucose................................................1 g
+ Peptone ..............................20 g Đỏ phenol, dung dịch 0,5% 6 ml 0,05 g
+ NaCl......................................5 g Thạch (agar).......................................12 g
+ Feric citrate........................0,5 g Nước cất ......................................1000 ml
+ Na2SO3 .............................0,5 g pH.........................................................7,4
Pha chế: Cân đong đủ các thành phần của MT. Cho thạch vào nước đun, khuấy cho
tan. Lần lượt cho thêm các hóa chất vào để hòa tan. Điều chỉnh pH 7,4 rồi thêm 6 ml dung
dịch đỏ phenol 0,5%, khuấy đều. Rót vào các ống nghiệm 12mm, mỗi ống 3ml, hấp 1100C
trong 30 phút. Lấy ra để ống MT nằm nghiêng sao cho mặt nghiêng dài khoảng 2 cm.
- Môi trường thạch chì có thành phần (g/l):Nutrient agar 23 g, Na2S2O3 2,5 g,
Acetate chì Pb(CH3COOH)2 10%5 ml, nước cất 1000 ml.
- Pha chế: Hòa tan các thành phần MT trên vào nước cất. Đun cho tan đều thạch rồi

284
thêm Na2S2O3 sau đó trộn đều rồi khử trùng ở 1210C/15- 20 phút. Lấy ra đợi nguội khoảng
450C, thao tác vô trùng bổ sung 5 ml dung dịch chì 10% trộn đều, rót vào ống nghiệm mỗi
ống 5ml, đợi cho đông lại.
- Cấy vi khuẩn đã phân lập vào MT thạch chì, để tủ ấm 370C trong 24 giờ.
d. Đánh giá kết quả (xem hình màu 26 trang 340):
(+) Dương tính sinh H2S xuất hiện màu đen trong môi trường.
(-) Âm tính không sinh H2S không xuất hiện màu đen trong môi trường.
* Giải thích: Vi khuẩn (MT có acid) + Sodium thiosulfate → H2S gas↑
H2S + sắt sulfide↓ (không tan tạo tủa màu đen)
3.3. Xác định sự phân giải urea
Nguyên tắc: Urea là diamide của acid carbonic. Những loài vi khuẩn có enzyme
urease có khả năng chuyển hóa urea thành sản phẩm kiềm amoniac, làm tăng pH của môi
trường, dẫn đến làm thay đổi màu của chỉ thị màu.
Tiến hành: Có thể dùng môi trường urea lỏng hoặc môi trường thạch ống nghiêng
(urea christensen). pH môi trường là 6,8, chỉ thị màu: đỏ phenol.
Cấy vi khuẩn thử vào môi trường, ủ 370C/24 giờ.
Kết quả:
+ Môi trường urea lỏng: Từ màu đỏ, môi trường chuyển sang màu đỏ cánh sen là thử
nghiệm dương tính.
+ Môi trường thạch urea christensen: Môi trường chuyển từ màu vàng sang màu đỏ
là thử nghiệm dương tính.
+ Người ta còn có thể chỉ tạo môi trường hỗn hợp để phát hiện đồng thời Ure – Indol
trên cơ sở các nguyên lý phản ứng trên.
1) Môi trường đặc urea christensen (pH 7,2):
Peptone bột................................ 1 g NaCl...................................... 5 g
K2HPO4 ..................................... 2 g Thạch (agar) ...................... 20 g
Nước cất ............................1000 ml
Cho tất cả vào bình cầu, đun cho thạch và hóa chất tan. Cho thêm 1g glucose, điều
chỉnh pH 7,2. Sau đó cho 3 ml dung dịch đỏ phenol 4%. Phân phối môi trường vào ống
nghiệm. Hấp 1100C trong 30 phút, lấy ra để nguội 500C. Dùng pipet vô trùng hút cho vào
mỗi ống thạch 0,5 ml dung dịch urea 20%.
2) Môi trường urea Indol (pH 7,2):
Công thức:
L-Tryptophan ............................ 3 g KH2PO4 ................................ 1 g
K2HPO4 ..................................... 1 g NaCl...................................... 5 g
Urea......................................... 20 g Dung dịch đỏ phenol trong cồn 2ml
Nước cất ............................1000 ml

285
Cách pha chế: Cho tất cả vào bình cầu, đun nóng 50 – 600C để hòa tan các chất,
điều chỉnh pH 7,2. Sau đó cho 2 ml dung dịch đỏ phenol (Hòa 0,25 g đỏ phenol trong 50
ml cồn 950 rồi thêm 50 ml nước cất). Lọc qua Seitz rồi phân phối môi trường vào ống
nghiệm mỗi ống 1 – 2 ml (nếu không có lọc Seitz thì không lọc cũng được, nhưng phải
pha chế vô khuẩn hoặc có thể hấp 750C trong 1 giờ, hôm sau 650C/30 phút.
a. Nguyên tắc: Sử dụng để phát hiện khả năng phân cắt urea thành ammonia do hoạt
tính của urease từ VSV và kết quả là môi trường bị kiềm hóa do NH3 được tạo ra.
b. Chuẩn bị đủ dụng cụ, môi trường đặc urea christensen và môi trường lỏng urea
indole, vi khuẩn.
c. Tiến hành: Cấy vi khuẩn đã phân lập vào môi trường đặc urea christensen và môi
trường lỏng urea indole, để tủ ấm 370C trong 24 giờ.
d. Đánh giá kết quả (xem hình màu 27 trang 340):
+ Nếu MT chuyển sang màu đỏ cánh sen là phản ứng dương tính
+ Nếu MT vẫn giữ màu cũ là phản ứng âm tính.
3.4. Tìm khả năng lên men carbohydrate
Một số VSV phân giải đường sinh ra acid. Phát hiện độ acid bằng các chỉ thị màu
cho vào môi trường đó. Trong trường hợp lên men đường, chỉ thị màu chuyển màu và có
thể sinh khí hoặc không.
- Dùng MT Basiekow: Môi trường Basiekow có chất chỉ thị màu là xanh bromthy-
mol. Để xác định xem vi khuẩn có khả năng lên men một loại đường nào đó hay không thì
người ta sẽ cho loại đường cần xác định (glucose, lactose, arabinose…) vào môi trường
này. Sau đó cấy vi khuẩn vào môi trường, để ở nhiệt độ 370C trong 24 giờ. Nếu vi khuẩn
lên men đường sẽ sinh ra acid và làm cho pH của môi trường thay đổi, chỉ thị màu chuyển
từ màu xanh sang màu vàng. Nếu môi trường không thay đổi màu sau khi nuôi cấy vi
khuẩn trong 24 giờ thì vi khuẩn đó có thể không có khả năng sử dụng đường hoặc sử dụng
theo con đường oxy hóa.
* Môi trường Basiekow (pH 7,2):
Cao thịt...................................... 5 g Peptone ............................... 10 g
NaCl tinh khiết .......................... 5 g
Dung dịch xanh bromthymol 1,5% trong cồn 15 ml.
Cách pha chế: Cân đong đầy đủ các thành phần của môi trường vào bình cầu. Đun
nóng, khấy đều để hòa tan các chất. Điều chỉnh pH 7,2. Thêm 15 ml xanh bromthymol
1,5%, MT có màu xanh lá cây. Lọc qua giấy lọc, phân phối vào 9 ống nghiệm, mỗi ống 3
ml và một ống hơi. Khử trùng 1100C trong 30 phút. Khi dùng thì cho thêm mỗi ống 0,2 ml
dung dịch đường định thử (glucose, lactose, arabinose…).
- Dùng MT Kligler: Kligler là MT tổng hợp có hai loại đường là glucose và lactose.
Nuôi cấy VSV vào MT, để nhiệt độ 370C/24 giờ. Nếu lên men đường, MT chuyển từ màu
đỏ sang màu vàng.

286
a. Nguyên tắc: Xác định khả năng lên men của VSV đối với nguồn carbohydrate cụ
thể (glucose, lactose, xylose…) kết hợp với môi trường kiểm tra khả năng sinh acid hoặc
sinh acid và sinh hơi.
b. Chuẩn bị đủ dụng cụ, môi trường KIA và môi trường Basiekow đã có các loại
đường định thử (1% lactose, 1% saccharose, 0,1% glucose) và vi khuẩn.
c. Tiến hành:Cấy vi khuẩn đã phân lập vào môi trường KIA và môi
trườngBasiekow. Để tủ ấm 370C trong 24 giờ.
d. Đánh giá kết quả (xem hình màu 28 trang 340):
+ Môi trường Basiekow chuyển từ màu xanh sang màu vàng là vi khuẩn lên men
đường.
+ Môi trường Kligler (KIA):
+ Có 3 trường hợp :
(1) Nếu phần đứng + phần nghiêng đỏ (kiềm): Không lên men đường.
(2) Phần đứng vàng (acid) + phần nghiêng đỏ (kiềm): Lên men glucose, Không lên
men lactose.
(3) Cả 2 phần đều vàng (acid): lên men cả glucose và lactose.
3.5. Phản ứng đỏ methyl RM (Rouge methyle) và V.P. (Voges proskauer)
Người ta thường dùng MT Clark – Lubs để xác đinh bằng 2 phản ứng.
1) Phản ứng đỏ methyl (RM)
– Chuẩn bị đủ dụng cụ, thuốc thử đỏ methyl, môi trường Clark – Lubs và vi khuẩn.
– Cấy vi khuẩn vào MT Clark – Lubs, để tủ ấm 370C trong 4 ngày.
– Nhỏ 5 giọt thuốc thử đỏ methyl vào.
– Đánh gía kết quả (xem hình màu 29 trang 340):
+ Nếu màu đỏ xuất hiện là phản ứng dương tính.
+ Nếu màu vàng xuất hiện là phản ứng âm tính.
Cách pha dung dịch đỏ methyl:
+Đỏ methyl .................................0,1 g
+Cồn 950 ..................................500 ml
Hòa cho tan rồi thêm nước cất vừa đủ 500 ml.
2) Phản ứng (Voges proskauer) V.P.:
Nguyên tắc: Xác định khả năng của một số VSV tạo sản phẩm chuyển hóa trung
gian là acetyl methyl carbinol (AMC) do lên men glucose.
Chuẩn bị đủ dụng cụ, thuốc thử đỏ methyl, môi trường Clark – Lubs và vi khuẩn.
– Cấy vi khuẩn phân lập vào MT Clark – Lubs, để tủ ấm 370C trong 4 ngày.
– Nhỏ vào môi trường 5 giọt dung dịch A và 5 giọt dung dịch B lắc nhẹ.

287
– Đánh gía kết quả: (xem hình màu 30 trang 340):
+ Nếu môi trường có màu đỏ nâu là phản ứng dương tính.
+ Nếu môi trườngcó màu vàng nhạt là phản ứng âm tính.
Cách pha thuốc thử phản ứng V.P.:
+ Dung dịch A: α– naphtol 6% trong cồn 900, để tủ lạnh trước khi dùng.
+ Dung dịch B: NaOH 16% trong nước.
3.6. Khả năng sử dụng citrate
Trong một số MT nghèo chất dinh dưỡng, VSV có thể sử dụng được natri citrate thì
các chất này sẽ bị chuyển hóa tới giai đoạn khí carbonic đưa tới hiện tượng kiềm hóa môi
trường bởi sự mất cân bằng về ion. Môi trường bị kiềm hóa chuyển màu xanh. Một vài
VSV citrate âm tính có thể cho khuẩn lạc rất nhỏ màu vàng nhạt. Môi trường dùng để nuôi
cấy vi khuẩn thường là Simmons.
Môi trường citrate Simmons (pH 7,2):
NaCl .......................................... 5 g Magie sunfate .................... 0,2 g
(NH4)2HPO4 .............................. 1 g K2HPO4 ................................ 1 g
Natri citrate ............................... 2 g Thạch (agar) ...................... 20 g
Nước cất vừa đủ ...............1000 ml
Dung dịch xanh brommothymol 1,5% trong cồn 900 ..................................10 ml
Pha chế: Cân, đong đủ thành phần MT vào bình cầu. Đun sôi nhỏ lửa, khuấy đều
cho tới khi tan hết. Điều chỉnh pH 7,2 thêm dung dịch xanh brommothymol, môi trường
có màu xanh lá cây. Phân phối vào ống 60 nghiệm mỗi ống 3 ml. Hấp 1100C/30 phút, đem
ra để nghiêng cho MT đông lại.
a. Nguyên tắc: Xác định khả năng sử dụng citrate như là nguồn carbon duy nhất
trong quá trình biến dưỡng của VSV.
b. Chuẩn bị đủ dụng cụ, môi trường Simmons và vi khuẩn.
c. Tiến hành: Nuôi cấy vi khuẩn đã phân lập vào môi trường Simmons, để tủ ấm
0
37 C trong 24 giờ.
d. Đánh giá kết quả (xem hình màu 31 trang 340):
+ Môi trường chuyển từ màu xanh lá cây sang màu xanh nước biển là phản ứng
dương tính
+ Nếu môi trường vẫn giữ nguyên màu là phản ứng âm tính.
3.7. Phản ứng catalase
a. Nguyên tắc: Catalase là một enzyme thủy phân hydrogen peroxide (H2O2) thành
H2O và O2.

2H 2O2 catalase 2H 2O + O 2

288
b.Thuốc thử: hydrogen peroxide (H2O2) 3% trong lọ màu nâu, bảo quản trong tủ lạnh.
c. Tiến hành:
- Nuôi VSV cần xác định trên môi trường thạch đĩa hay thạch nghiêng cho mọc
thành khuẩn lạc trước 18–24 giờ.
- Nhỏ một giọt oxy già (H2O2) lên lam kính
- Dùng que cấy gạt khuẩn lạc trộn vào giọt oxy già
d. Đánh giá kết quả
+ Nếu có hiện tượng sủi bọt nhìn thấy bằng mắt thường là phản ứng dương tính.
+ Nếu không thấy hiện tượng gì là phản ứng âm tính.

(–) (+)

Hình 32. Phát hiện enzyme catalase của vi sinh vật nghiên cứu
(xem hình 32 màu trang 341)
* Chú ý: Catalase (+) mạnh với Proteus, Serratia, dương tính vừa với Salmonella,
Enterobacter, Klebsiella, dương tính yếu với Shigella, Escherichia.
3.8. Phản ứng oxydase
a. Nguyên tắc: Xác định sự hiện diện của enzyme oxidase (cytochrome oxidase
system). Thử nghiệm này dùng để phát hiện những vi khuẩn có cytochrome oxidase.
b. Chuẩn bị đủ dụng cụ, giấy thấm, vi khuẩn và thuốc thử Kovacs oxidase (1% tetra-
methyl-p-phenylenediamine dihydrochloride, pha trong nước). Giữ lạnh trong chai tối
màu tối đa trong 1 tuần.
Chủng vi sinh vật: Vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm phân lập từ rác thải.
c. Tiến hành:
- Ngâm miếng giấy thấm trong thuốc thử chứa 1% Kovacs oxidase và để cho khô.
- Sử dụng que cấy lấy khuẩn lạc từ đĩa thạch (khuẩn lạc nuôi cấy trong vòng 18–
24h) chấm lên bề mặt giấy thấm.
d. Đánh giá kết quả: bằng cách quan sát sự thay đổi màu sắc.
+ Miếng giấy thấm chuyển sang màu tím trong vòng 5–10 giây là phản ứng (+).
+ Nếu miếng giấy thấm không thay đổi màu là phản ứng (–) âm tính.

289
(+) (–)
Hình 33. Thí nghiệm xác định oxydase

* Các loài vi khuẩn có oxidase (): Các vi khuẩn đường ruột, Acinetobacter, thử
nghiệm oxidase rất hay dùng để phân biệt vi khuẩn đường ruột với các vi khuẩn khác
3.9. Phản ứng ONPG-ase (O-nitrophenyl-β-D-galactopyranosidase)
Môi trường:
ONPG ……………………………….… 0,6 g
Đệm phosphat 0,01M pH 7,5 …………100 ml
Dung dịch pepton 1% (pH 7,5) ……….300 ml.
Hòa 0,6 g ONPG trong 100 ml dung dịch đệm, khử trùng bằng màng lọc, sau đó trộn
với 300 ml dung dịch pepton đã khử trùng.
Bằng thao tác vô khuẩn phân môi trường vào các ống nghiệm nhỏ, bảo quản ở 4 °C
trong vòng 1 năm.
Cắt những khoanh giấy lọc, khử trùng 112 °C, 30 phút.
Nhỏ vào mỗi khoanh giấy lọc một giọt dung dịch sau:
ONPG ………………………………….0,06 g
Na2HPO4.2H2O ………………………0,017 g
Nước cất ………………………………..10 ml
Làm khô ở 37 0C trong 24 giờ, bảo quản trong các ống nghiệm có nút xoáy ở nhiệt
độ phòng.
Cấy vi khuẩn mới hoạt hóa (1 vòng que cấy) vào môi trường đã chuẩn bị như trên,
đặt ở nhiệt độ thích hợp trong 24 giờ.
Ly tâm dịch nuôi cấy thu tế bào, làm dịch huyền phù đậm đặc trong 0,5 ml nước
muối sinh lý.
Đưa khoanh giấy ONPG vào dịch huyền phù, giữ ở 35–37 0C trong 24 giờ.
Quan sát kết quả: màu vàng là phản ứng dương tính (Escherichia coli); không màu
là âm tính (Salmonella paratyphi B).
3.10. Xác định khả năng di động
a. Nguyên tắc: Vi khuẩn di động được nhờ roi (lông), khả năng di động của vi khuẩn
được quan sát trong môi truờng thạch mềm (nồng độ thạch 0,3–0,4%).
b. Chuẩn bị đủ dụng cụ, vi khuẩn và MT thạch mềm Manite – di động chứa 0,35%

290
agar.
c. Tiến hành:
- Chuẩn bị môi trường thạch mềm (pH 7,2): Môi trường có thành phần (g/l):
Nutrient broth 13 g, agar 5 g, nước cất 1000 ml. Đem các thành phần trên hòa tan vào
nước cất, đun cách thủy cho hòa tan đều, phân vào các ông nghiệm 16 × 120 mm, mỗi ống
nghiệm khoảng 5 ml. Hấp 1100C trong 15 phút, lấy ra để nguội cho đông lại.
- Dùng que cấy thẳng lấy sinh khối từ khuẩn lạc thuần, cấy đâm sâu xuyên vào giữa
môi trường trong ống nghiệm chứa MT thạch mềm. Ủ ở nhiệt độ 370C/24 giờ.
d. Đánh giá kết quả (Hình 34)
- Dương tính: VSV mọc lan khỏi đường cấy và làm đục môi trường xung quanh.
- Âm tính: VSV chỉ mọc quanh đường cấy trong khi môi trường xung quanh vẫn trong.

Hình 34. Khả năng di động Hình 35. Khả năng phân giải gelatin

3. 11. Xác định khả năng làm tan chảy gelatin


a. Nguyên tắc:
Vi sinh vật sinh enzyme gelatinase sẽ thủy phân gelatin trong môi trường nuôi cấy
tạo ra hổn hợp các amino acids riêng lẻ và làm tan chảy (hay hóa lỏng) môi trường.
b. Chuẩn bị môi trường gelatin: Nutrient broth 13 g, gelatin 150 g, nước cất 1000
ml. Đem các thành phần trên hòa tan vào nước cất, đun cách thủy cho gelatin hòa tan đều,
phân vào các ông nghiệm 16 × 120 mm, mỗi ống nghiệm khoảng 5 ml. Hấp 1100C trong
15 phút, lấy ra để nguội cho đông lại.
Chú ý: Gelatin ở dạng rắn khi ủ ở 20oC hoặc thấp hơn và dạng lỏng khi ủ ở 35oC
hoặc lớn hơn. Gelatin chuyển từ dạng (trạng thái rắn) thành dạng lỏng khi ủ ở 28oC. Vì
thế, nếu ống gelatin được ủ ở 35oC hoặc lớn hơn thì chúng phải được đặt vào tủ lạnh hay
tủ mát trước khi đọc kết quả.
c. Tiến hành: Dùng que cấy lấy một ít sinh khối từ khuẩn lạc thuần của VSV cho

291
vào MT trên khi đang nóng chảy 450C, xoay nhẹ ống để trộn đếu vi sinh vật. Sau 24 –48
giờ đem ra quan sát.
d. Đánh giá kết quả:
– Dương tính: Tan chảy môi trường
– Âm tính: môi trường ở dạng rắn (không tan chảy)

4. Viết tường trình chi tiết

III. CÂU HỎI


1. Để chứng minh khả năng phân giải protein của VSV người ta cần thực hiện những phản
ứng nào?
2. Chứng minh khả năng phân giải carbohydrate của VSV người ta cần thực hiện những
phản ứng nào?
1. Trả lời đúng hoặc sai các câu sau:
2. Tất cả vi khuẩn gây bệnh trong nước thải, chất thải rắn hữu cơ đều có khả năng sinh
indole?
3. Phản ứng indole được tiến hành trên môi trường thạch thường?
4. Các vi khuẩn lên men đường đều sinh khí?
5. Thuốc thử Kovacs để kiểm tra sự phân giải urea?
6. Ở Môi trường Simmons vi khuẩn sử dụng được natri citrate thì môi trường có màu
xanh.

292
Bài 6. LÊN MEN VÀ PHÂN GIẢI CÁC PHẾ THẢI HỮU CƠ

I. NGUYÊN LÝ
Lên men là quá trình nuôi cấy vi sinh vật trong các thiết bị lên men (nồi lên men) để
tạo ra sinh khối (tăng sinh) hoặc thúc đẩy vi sinh vật tạo ra sản phẩm trao đổi chất (các
hợp chất sinh hóa). Hiện nay lên men được hiểu là tất cả các quá trình chuyển hóa (biến
đổi) do vi sinh vật thực hiện trong điều kiện kị khí (thiếu oxy) hay hiếu khí.
Đối với lên men khử phế thải: không có sản phẩm lên men. Quá trình lên men nhằm
mục đích loại bỏ phế thải, ví dụ như lên men Penicillium pinophilum để loại bỏ thành
phần lignin trong rác thải thành phần gỗ.
Sự chuyển hóa các phế thải hữu cơ là quá trình hữu cơ hóa và vô cơ hóa các hợp
chất hữu cơ. Quá trình này chủ yếu là kết quả của những hoạt động sống VSV.

II. THỰC HÀNH

1. Mục tiêu
- Hiểu được vai trò của VSV trong quá trình lên men và phân giải các hợp chất hữu
cơ trong các chất thải.
- Nắm được bản chất sinh học và hóa học của các quá trình lên men chính như lên
men rượu, lên men lactic, lên men butyric.
- Biết cách thực hiện một số phản ứng định tính và nhận biết tác nhân VSV gây ra
các quá trình chuyển hóa các hợp chất carbohydrate, protein trong phế thải hữu cơ.

2. Mẫu vật hóa chất và dụng cụ (theo từng thí nghiệm)

3. Các bước tiến hành

(a) (b) (c)


Hình 36. Nấm men
a–Saccharomyces cerevisiae (Ian Robertset al., 2014)
b–Saccharomyces vini (×2000) (В. И. Кудрявцеву)
c– Tế bào nấm men có bào tử

293
3.1. Các quá trình lên men
3.1.1. Lên men rượu ethylic
1) Nguyên tắc: Lên men rượu ethylic là quá trình chuyển hóa đường glucose thành
rượu ethylic và CO2, đồng thời làm sản sinh ra một số năng lượng xác định dưới tác dụng
của hệ thống enzyme zymase của một số vi sinh vật.
2) Vi sinh vật lên men: Quá trình lên men rượu chủ yếu là các nấm men, đặc biệt là
các chi Saccharomyces, Schizosaccharomyces, một số loài nấm mốc (Mucor), một số loài
vi khuẩn Sarcina ventriculi, Zymomonas mobilis.
3) Chuẩn bị trước dịch lên men rượu
Rót 100 ml dung dịch 10% glucose vào bình nón dung tích 250 ml vô trùng rồi cho
vào đó 1g KH2PO4 ; 1g MgSO4.7H2O & 1g NaCl tinh khiết; 1g nấm men dạng bột của
Pháp hoặc 1 ống men thạch nghiêng.
Đặt vào tủ ấm 300C trước đó 1 – 2 giờ (1 bình/nhóm).
4) Thí nghiệm và phân tích kết quả
Để nhận biết sự lên men rượu có diễn ra hay không, người ta dựa vào sự có mặt của
rượu ethylic và CO2 trong dịch lên men.
+ Đo thể tích khí CO2
Để đánh giá khả năng lên men rượu có thể xác định các sản phẩm hình thành như
CO2, acetaldehyte hoặc sản phẩm cuối cùng là ethanol. Trong đó cách đo thể tích CO2
được hình thành là đơn giản hơn cả.

Hình 37. (a, b) Cách giữ khí CO2 trong ống phao và (c,d) Bình lên men Smith

Giữ khí CO2 trong ống phao hoặc bình Smith (Hình 37). Cấy giống nấm men
khoảng 10 ml đã hoạt hóa 24 giờ vào 90 ml môi trường Hansen dịch thể vô trùng rồi trộn
đều, sau đó rót vào các ống nghiệm mỗi ống 10 ml và rót đầy vào các ống phao, cho ống
phao vào ống nghiệm trên sao cho không có bọt khí trong ống phao, nút chặt miệng ống

294
nghiệm rồi đặt vào tủ có nhiệt độ thích hợp. Khí CO2 sinh ra sẽ đẩy cột môi trường trong
ống phao tụt xuống từ từ. Tính thể tích khí được hình thành trong một đơn vị thời gian.
Đối với bình Smith: Rót MT Hansen dịch thể có cấy giống nấm men vào 2/3 bình
Smith nút chặt miệng bình rồi đặt vào tủ có nhiệt độ thích hợp. Khí CO2 sinh ra sẽ đẩy cột
môi trường trong ống Smith tụt xuống từ từ. Tính thể tích khí được hình thành trong một
đơn vị thời gian.
+ Phản ứng với Ba(OH)2: (Xác định sự có mặt của CO2 trong dịch lên men)
Thí nghiệm
- Cho vào ống nghiệm 5 ml dịch lên men rượu
- Thêm 1ml dung dịch Ba(OH)2 10%
- Đun nóng nhẹ trên ngọn lửa đèn cồn. Để lắng.
Ống đối chứng: Làm tương tự như trên, song thay dịch lên men rượu bằng dịch chưa
lên men. So sánh kết tủa ở hai ống thí nghiệm và đối chứng.
Kết quả: Nếu có mặt của CO2 sẽ tạo thành kết tủa màu trắng do sự tạo thành BaCO3
theo phản ứng :
CO2 +Ba(OH)2  BaCO3↓ +H2O
+ Phản ứng với K2Cr2O7: (Xác định sự có mặt của rượu trong dịch lên men)
Thí nghiệm:
- Cho vào ống nghiệm 2 ml dịch lên men rượu.
- Thêm 1 ml H2SO4 đậm đặc.
- Thêm vài tinh thể K2Cr2O7 lắc đều cho đến khi xuất hiện màu xanh lục.
Kết quả:Dịch lên men có màu xanh lục, phương trình phản ứng diễn ra như sau:
2 K2Cr2O7 + 8 H2SO4 + 3 CH3CH2OH  4KCr(SO4)2 + 3 CH3COOH + 11 H2O
Ống nghiệm đối chứng: Làm tương tự như trên, song thay dịch lên men bằng dịch
chưa lên men. So sánh sự đổi màu ở hai ống thí nghiệm và đối chứng.
+ Quan sát nấm men: Làm tiêu bản từ dịch lên men rượu, nhuộm đơn bằng
xanhmethylen, rồi quan sát ở vật kính dầu (×100). Tế bào nấm men S.cerevisiae có hình
cầu hay ovan, có một số đang ở giai đoạn nảy chồi.
3.1.2. Lên men lactic
1) Nguyên lý: Khi phân giải đường trong điều kiện kị khí, vi khuẩn lactic chuyển H
từ NADH sang acid pyruvic tạo thành acid lactic để tái tạo NAD+
NADH NAD+
C6H12O 6 CH 3COCOOH CH 3CHOHCOOH + Q
2) Vi sinh vật: Căn cứ vào sản phẩm sinh ra, quá trình lên men lactic được chia
thành hai kiểu:
- Lên men lactic đồng hình sản phẩm chủ yếu là acid lactic (95–98%) gồm các chi:

295
Streptococcus (S. cremoris, S. lactis, S.thermophillus) và Lactobacillus (L. bulgaricus, L.
acidophillus, L. cuccumerris, L. plantarum...).
- Lên men lactic dị hình khi lên men các vi khuẩn chỉ tạo ra 60% acid lactic, phần
còn lại là acid acetic, rượu ethylic, glycerol và một vài sản phẩm khác gồm các chi
Lactobacillus plantarum. Bifidobacterium spp., Leuconostoc mesenteroides)...

Streptococcus lactis Streptococcus cremoris

Lactobacillus plantarum Lactobacillus bulgaricus

Hình 38. Vi khuẩn lactic

3) Chuẩn bị trước dịch lên men lactic


- Nước dưa chua (nước dưa cải) 200 ml/nhóm, sữa chua 1 hộp/nhóm.
- Su hào, bắp cải hoặc rau cải đem rửa sạch, phơi héo, thái nhỏ, cho vào vại bổ sung
10 – 15% đường kính, trộn đều với 6% muối ăn NaCl, rồi nén chặt. Cần phải để rau ngập
chìm trong nước để dưa khỏi bị đen. Sau 2 – 4 ngày ở nhiệt độ 28 – 300C. Khi dưa bắt
đầuchua là quá trình lên men lactic đã xảy ra.
4) Thí nghiệm và phân tích kết quả
* Phản ứng tạo thành acetaldehyde (Định tính sự có mặt của acid lactic)
a. Nguyên tắc: Dựa trên các phản ứng màu đặc trưng của acid lactic với một số hợp
chất khác nhau để xác định sự có mặt của chúng trong quá trình lên men lactic.
b. Thí nghiệm:
- Cho 20 ml dịch lên men (nước dưa chua) vào cốc đong dung tích 100ml.
- Thêm 2ml H2SO4 10% ; Thêm 5 ml KMnO4 5%
- Đậy cốc bằng tờ giấy lọc có tẩm dung dịch AgNO3 trong NH4OH (10 g AgNO3
cho nước cất đến 100 ml thêm từng giọt NH4OH cho đến khi tan kết cặn, đựng dung dịch

296
này trong lọ màu). Đặt cốc có đậy mảnh giấy lọc lên trên ngọn lửa đèn cồn có lót một tấm
lưới amiang và đun cho đến sôi. Quan sátsự chuyển màu của giấy lọc.
c. Kết quả: Acid lactic chuyển sang dạng acetaldehyde(CH3CHO) bay hơi gặp
AgNO3 làm đen giấy lọc.
* Phản ứng với thuốc thử thiophene
Cách pha thuốc thử thiophene: Hòa 0,2 g thiophene vào 100 ml cồn 900.
a. Thí nghiệm:
- Cho vào ống nghiệm 2 ml dịch nước dưa chua.
- Thêm 5 ml H2SO4 đậm đặc; thêm 0,5 ml dung dịch CuSO4 bão hòa.
- Lắc đều rồi đun sôi trong nồi cách thủy trong 5 phút; lấy ra làm nguội dung dịch
rồi thêm vài giọt thiophene 0,2% trong cồn.
b. Kết quả :Nếu dịch có acid lactic sẽ xuất hiện màu đỏ mận.
Chú ý: Tất cả các thí nghiệm đối chứng thay dịch lên men bằng dịch chưa lên lên men.
c. Quan sát vi khuẩn lactic
Làm tiêu bản vi khuẩn lactic trong nước dưa chua và trong sữa chua. Nhuộm đơn
bằng xanhmethylen, rồi quan sát ở vật kính dầu (×100).
Chuẩn độ acid lactic
Lấy 10 ml dung dịch lên men lactic, thêm 20 mlnước cất, 1–2 giọt phenolphtalein
(Hòa tan 0,1 g chỉ thị phenolphtalein (C20H14O4)n trong 100 ml ethanol 96%). Sau đó
chuẩn độ bằng dung dịch NaOH 0,1N. Tính khối lượng acid lactic có trong 10 ml dịch lên
men bằng cách lấy sốml dung dịch NaOH 0,1N đã dùng để chuẩn độ nhân với 0,009 (1 ml
dung dịch NaOH 0,1N tương ứng với 0,009 g acid lactic)
3.1.3.Lên men acetic (Quá trình oxy hóa rượu ethylic thành dấm)
1) Nguyên lý: Lên men acetic thực chất là quá trình oxy hóa rượu ethylic thành dấm,
theo phương trình phản ứng sau đây:
CH3CH2OH + ½ O2CH3CHO + H2O → CH3CH(OH)2 + ½ O2 CH3COOH + H2O
Rượu ethylic Acetaldehyde ethandiol acid acetic
Các VSV tham gia vào quá trình này gồm nhiều loài chủ yếu là chi Acetobacter như
Acetobacter pasteurianum, A, aceti, A. xylinum

a– Acetobacter pasteurianum, b– A. aceti c– A. xylinum


Hình 39. Vi khuẩn acetic

297
2) Chuẩn bị trước dịch “lên men” dấm
Cho vào bình nón dung tích 150 ml 30 – 40 ml bia, hoặc dung dịch gồm 10 – 15 %
rượu ethylic và 3 – 5 % đường saccharose làm chất giàu năng lượng và acid hóa môi
trường bằng 3 – 5 ml acid acetic 1 N đến pH 4,5 – 5,0. Đậy kín bằng nút bông và đặt vào
tủ ấm 300C. Sau 5 – 7 ngày trên bề mặt thoáng của bình sẽ xuất hiện váng màu trắng nhạt
do các vi khuẩn acetic tạo thành.
3) Thí nghiệm và phân tích kết quả
+ Phản ứng tạo ethylacetate (Định tính acid acetic)
Cho vào ống nghiệm 5ml dung dịch “lên men” acetic, thêm 0,5 ml cồn 95% và 3ml
H2SO4 đậm đặc, trộn đều rồi đun nóng trên ngọn đèn cồn. Nếu dịch lên men có acid acetic
sẽ có mùi thơm của etylacetate (mùi dầu chuối). Phản ứng diễn ra như sau:
H2 SO4
CH3COOH+CH3CH2OH CH3COOCH2CH3+H2O
Vi sinh vËt
+ Phản ứng tạo thành sắt acetate
Cho vào ống nghiệm 3 ml dung dịch lên men, thêm vào đó 1ml NH4OH hay NaOH
20%, vài giọt dung dịch FeCl3 5%, lắc đều và đun nóng trên ngọn lửa đèn cồn. Nếu dung
dịch có chứa sắt acid acetic thì sẽ tạo thành sắt acetate có màu đỏ thẫm, phản ứng xảy ra
như sau:
CH3COOH+NaOH CH3COONa+H2O
2CH3COONa+FeCl3Fe(CH3COO)3+3NaCl
+ Phản ứng định lượng acid acetic
Cho vào bình nón dung tích 100 ml 10 ml dung dịch lên men, thêm vào đó 1– 2 giọt
dung dịch phenolphtalein 0,1%. Sau đó chuẩn độ bằng dung dịch NaOH 0,1N rồi tính ra
số gam acid acetic trong 10 ml dung dịch lên men. Biết rằng 1ml NaOH 0,1N tương
đương với 0,006 g acid acetic.
3.2. Sự phân giải cellulose
3.2.1. Sự phân giải cellulose hiếu khí
1) Nguyên tắc:Khi có O2 cellulose bị một số VSV phân hủy thành CO2 và H2O.
(C6H10O5)n + nH2O C6H10O5 R–CHCOOH CO2 + H2O + Q
2) Vi sinh vật phân giải cellulose hiếu khí gồm nấm mốc (Aspergillus, Penicillium,
Botrytis, Fusarium, Tricoderma..) vi khuẩn (Bacillus, Cellvibrio, Cellfalicula, Cytophaga,
Sporocytophaga), xạ khuẩn (Streptomyces).
3) Thí nghiệm và phân tích kết quả
a. Chuẩn bị môi trường Huschinson (g/l): KH2PO4 – 1 g; CaCl2 – 0,3 g; MgSO4 –
0,3 g; NaCl– 0,1 g, FeCl3.6H2O – 0,01g; NaNO3 – 2,5 g; Nước 1000 ml; pH: 7,0 – 7,3.
b.Thí nghiệm: - Rót MT Huschinson vào bình nón dung tích 150 ml (dày khoảng 2
cm), thêm 0,5 g đất và một mẫu phấn (bằng hạt đậu xanh). Gấp và đặt một miếng giấy lọc

298
sao cho một phần giấy lọc chìm trong MT, phaand còn lại nằm trong không khí. Đậy nút
bông lên miệng bình nón, đặt vào tủ ấm 28 – 300C trong 10 – 15 ngày.
c. Kết quả: Sự phân hủy giấy lọc sẽ xảy ra mạnh ở vùng tiếp xúc giữa không khí và
môi trường. Có thể nhìn thấy khuẩn lạc VSV mọc tại vùng này.
d. Quan sát vi khuẩn phân giải cellulose hiếu khí:Quan sát sự phân hủy của giấy lọc
tại vùng có khuẩn lạc và làm tiêu bản cố định nhuộm đơn từ các khuẩn lạc mọc trên vùng
giấy lọc và quan sát VSV ở vật kính ×40 và × 100.

a–Cytophaga b– Sporocytophaga c–Cellvibrio


Hình 40. Vi khuẩn phân giải cellulose hiếu khí

3.2.2. Sự phân giải cellulose kị khí


1) Nguyên tắc:Trong điều kiện thiếu oxy, các VSV ưa ấm hoắc ưa nóng sống phổ
biến trong đất thuộc các chi Clostridium, Bacillus có khả năng phân giải kị khí cellulose.
2) Vi sinh vật phân giải cellulose kị khí thường gặp trong rác thải: Clostri-
dium Omelianskii, Bacillus cellulomonas,Bacteroides sucinogenes, Butyrivibriofibrisol-
vens, Ruminococcus albus, Siphonobacter aquaeclarae, Cellulosimicrobium
funkei,Ochrobactrum cytisi,Kaistia adipata,Desvosia riboflavia, Labrys neptuniae...
3) Thí nghiệm và phân tích kết quả
a.Chuẩn bị môi trường Imsenietxki A theo TCVN 6168:2002, pH 7,0– 7,4
Cho vào ống nghiệm 10 ml MT có thành phần: KNH4HPO4, –1,5 g; KH2PO4 – 0,5
g; NaCl2 – 0,1 g; K2HPO4 – 0,5; MgSO4 – 0,4 g; peptone – 5 g; CaCO3 – 2 g; Dung dịch
MnSO4.5H2O 1 % –1 giọt; Dung dịch FeSO4.7H2O 1 %–1 giọt; Nước –1000 ml.
b.Tiến hành: Cho một giải giấy lọc có kích thước 10 × 15 ngập sâu trong MT. Bổ
sung vào đó 5 ml dịch đất ở độ pha loãng 10-2, đun sôi nhẹ. Đặt vào tủ ấm 300C sau 10 –
15 ngày.
c. Kết quả: Sau thời gian nuôi cấy vi khuẩn phân giải cellulose kị khí sẽ làm cho MT
vẫn đục và làm cho giải giấy lọc nát dần.
d. Quan sát vi khuẩn phân giải cellulose kị khí: Quan sát sự phân hủy của giấy lọc và
làm tiêu bản cố định nhuộm đơn từ dịch nuôi cấy và quan sát VSV ở vật kính × 40 và × 100.

299
a–Tế bào sinh dưỡng non b–Tế bào với bào tử c–Bào tử
Hình 41. Vi khuẩn Clostridium omelianskii phân hủy cellulose kị khí

3.2.3. Lên men butyric các chất pectin


1) Nguyên lý: Pectin là chất gian bào chứa nhiều trong các phế thải thực vật. Chúng
bị phân hủy nhờ các enzyme pectinase. Khả năng phân giải pectin được ứng dụng trong xử
lý phế thải nông nghiệp có nguồn gốc thực vật.
Enzyme pectinase của một số VSV phân giải pectin tạo ra đến 35% arabinose,
65%hydratepectin mà chủ yếu là pectinic. Quá trình lên men phân giải pectin gồm hai giai
đoạn kế tiếp nhau:
Giai đoạn 1: Pectin bị phân hủy bởi pectinase tạo thành đường 5,6 carbon, acid béo
và rượu.
pectinase
C46H68O40+ 10H2O 4CHO(CHOH)4COOH + C6H12O6 + C5H10O5 + C5H10O5
a. pectinic (a. galacturonic) (galactose) (arabinose) (xylose)

+ 2CH3COOH + 2CH3OH
acid acetic (rượu methylic)
Giai đoạn 2: Song song xảy ra hai loại phản ứng nhờ các enzyme của VSV:
galactose và arabinose đều bị thủ phân để tạo thành hợp chất 4 carbon là acid butyric.
a) C6H12O6CH3CH2CH2COOH+2CO2 +2H2+ x kcal
acid butyric
b) C5H10O5CH3CH2CH2COOH+CO2+2H2O + x kcal
Phản ứng thủy phân mới được VSV sử dụng và oxy hóa chúng thành CO2và2H2O .
Còn trong điều kiện kị khí chúng lại phân giải thành acid butyric CO2và2H2O.
Các VSV tham gia gồm:
- Vi sinh vật hiếu khí: Bacillus subtilis, Bac. mesentericus, Clos. polymyxa, nấm
mốc Mucor stolonifera.
-Vi sinh vật kị khí: Clos. pectinovorum, Clos. Felsineum.
2) Chuẩn bị trước dịch lên men pectin
- Cho vào ống nghiệm

300
+ 1 bó nhỏ vỏ đay hay gai tước thành sợi dài 5 – 6 cm, buộc chỉ hai đầu bó
+ Đổ nước cho ngập bó đay. Đun ống nghiệm trong nồi cách thủy sôi 3 phút rồi đổ
nước trong ống nghiệm đi nhằm loại trừ một số chất có thể làm nguồn carbohydratecho
các vi khuẩn butyric. Cứ thay nước và đun như thế 5 – 6 lần. Lần cuối cùng đổ nước mới
vào đầy đến 2/3 ống nghiệm. Đậy nút ống nghiệm và khử trùng 1 atm trong 30 phút.
+ Đợi nguội đến 50 – 600C cho vào mỗi ống 1ml dịch đất vườn đã gạn trong
+ Đặt vào tủ ấm 35 – 370C trong 5 ngày.
- Quá trình lên men pectin xảy ra làm cho dịch ngâm bị đục dần, có bọt khí thóat ra
và làm cho bó đay nổi lên.
- Sau 2 tuần, sự lên men pectin kết thúc bó đay lại chìm xuống. Trong điều kiện kị
khí nhiều loại vi khuẩn có khả năng lên men pectin, mạnh mẽ nhất là Plectridium, Clos.
pectinovorum, Clos. felsineum.

a–Tế bào sinh dưỡng b–Tế bào có các bào tử


Hình 42. Vi khuẩn Clostridium felsineum phân giải pectin

3) Phân tích kết quả thí nghiệm


+ Phản ứng định tính butyrate
Nguyên tắc: Dựa vào các phản ứng đặc trưng của acid butyric với các chất dễ phát
hiện sự có mặt của chúng trong dịch lên men.
Thí nghiệm: Phản ứng tạo thành sắt butyrate
Cho vào ống nghiệm:
+ 5 ml dịch lên men pectin đã trung hòa 0,1g Ca(OH)2
+ Thêm vào 2 ml FeCl3 5%
+ Đun nóng trên ngọn lửa đèn cồn
Kết quả: Dung dịch có màu đỏ nâu do sắt butyrate được tạo thành. Phản ứng diễn ra
như sau:
2CH3CH2CH2COOH + Ca(OH)2 → Ca(CH3CH2CH2COO)2+ 2H2O
3Ca(CH3CH2CH2COO)2 + 3FeCl3 → 2Fe(CH3CH2CH2COO)3+3CaCl2
+ Phản ứng tạo thành etyl butyrate

301
Cho vào ống nghiệm 5ml dung dịch lên men đã trung hòa bằng Ca(OH)2, thêm vào
đó 0,5 ml rượu ethylic 95% và 2ml H2SO4 đậm đặc.
Kết quả: Đun nóng và lắc nhẹ, ta ngửi thấy có mùi thơm của este ethyl butyrate.
Phản ứng xảy ra như sau.

Ca(CH3CH2CH2COO)2+2C2H5OH 2CH3CH2CH2COOC2H5 + Ca(OH)2


ethyl butyrate
3.3. Sự chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ
3.3.1. Quá trình ammonium hóa
1) Quá trình ammonium hóa protein (Quá trình thối rữa)
Nguyên tắc: Quá trình ammonium hóa là sự tạo thành NH3 từ các hợp chất nitơ hữu
cơ (protein, urea, acid nucleic)... dưới tác động của vi sinh vật
Vi sinh vật: Rất nhiều loại VSV khác nhau tham gia vào quá trình này, đáng chú ý
nhất là các loài sau đây:
- Vi khuẩn: Bac. mycoides, Bac. mesentericus, Bac. cereus...
- Xạ khuẩn: Str. Griseus, Str. rimosus, Str. fradiae
- Nấm mốc: Asp. oryzae, Asp. flavus, Asp. niger, Asp. Awamori...

a–Tế bào và khuẩn lạc của Bac. mycoides b–Tế bào và khuẩn lạc của Bac. mesentericus
Hình 43. Vi sinh vật phân giải protein
Chuẩn bị dịch lên men thối
- Cho vào bình nón dung tích 250ml 15 g thịt bò tươi, thêm 100ml nước và 1g đất.
Đun sôi nhẹ (để giết các tế bào sinh dưỡng và giữ lại những tế bào mang bào tử). Đồng
thời ở miệng bình kẹp 1 giải giấy quỳ đỏ để xác định sự có mặt của NH3 và giấy lọc tẩm
dung dịch chì acetate Pb(CH3COO)2để xác định H2S. Đặt vào tủ ấm 300C trong 4 – 7 ngày
để VSV có bào tử phát triển và phân giải protein.
Phân tích kết quả thí nghiệm
+Phản ứng kết tủa của protein
Cho vào ống nghiệm:
- 5 ml dung dịch lên men thối
- Thêm 5–6 giọtacid acetic 5%. Đun sôi nhẹ ống nghiệm.
Kết quả: Có kết tủa trắng do protein bị kết tủa.

302
+Phản ứng màu của protein
Cho vào ống nghiệm:
- 5 ml dung dịch lên men thối.
- Thêm 1ml dung dịch NaOH 30% và 0,5ml CuSO4 1%.
- Đun nhẹ ống nghiệm cho sôi.
Kết quả:Dung dịch có màu xanh tím nếu trong đó có protein, hoặc màu hơi đỏ nếu
trong đó có pepton.
+Xác định khả năng tạo thành NH3
Chọn 1 bình nón loại 250 ml:
-20 ml dịch lên men thối.
- Đặt giấy quỳ đỏ tẩm nước ở miệng bình nón, không cho giấy chạm vào dịch lên
men, nút bông lại, dùng nilon bao bên ngoài cho kín phần miệng bình nón.
Kết quả:Có NH3 bay ra thì giấy quỳ đỏ sẽ chuyển thành màu xanh.
+Quan sát vi khuẩn: Làm tiêu bản nhuộm đơn và quan sát VSV ammonium hóa
protein:từ dịch lên men thối ở vật kính ×40 và ×100
2) Quá trình ammonium hóa urea
Nguyên lý: Urea là thành phân chính của nước tiểu người động vật hay trong phân
đạm urea tổng hợp. Hàm lượng nitơ trong urea có tới 47%. Tuy nhiên thực vật không có
khả năng hấp thụ trực tiếp loại nitơ này, nếu nó chưa được VSV phân hủy thành NH .
Quá trình phân giải này xảy ra như sau:
CO(NH2)2 + H2O(NH4)2CO3
(NH4)2CO3 không bền vững do đó dễ dàng phân giải tiếp:
(NH4)2CO3 2NH3 +CO2+H2O
Vi khuẩn phân giải urea:Những loài đáng chú ý là:
- Cầu khuẩn: Planosarcina ureae, Micrococcus ureae, Sarcina hansenii.
- Trực khuẩn: Urobacillus pasteurii, Bac. Amylovorum..

a–Planosarcina ureae b–Urobacillus pasteurii


Hình 44. Vi khuẩn phân giải urea
- Chuẩn bị MT Kalitactrate chứa 5% urea: Kalitactrate –5 g; urea – 50 g; K2HPO4 –
0,5 g; nước 1000ml.

303
- Lấy 30 mlMT trên cho vào bình nón dung tích 100 ml, đun sôi MT rồi để nguội.
Thêm 1g đất để cung cấp nguồn VSV. Đặt vào tủ ấm 300C từ 3 – 4 ngày.
- Làm tiêu bản và quan sát vi khuẩn ammonium hóa urea (Urobacillus pasteurii và
Planosarcina urea) từ dịch nuôi kalitactrate chứa 5% urea trước 3–4 ngày
- Xác định sự hình thành NH3 (như mục 2c).
3.4.2. Quá trình nitrate hóa
1) Chuẩn bị canh trường nuôi vi khuẩn nitrite và vi khuẩn nitrate
a) Canh trường vi khuẩn nitrite
Cho vào ống nghiệm 5 ml MT Vinogradski–1. Đun sôi để nguội. Cho một ít đất vào
(cho nguồn VSV). Nuôi cấy 300C trong 5 – 7 ngày.
MT Vinogradski–1 (g/l): (NH4)2SO4 – 2 g; K2HPO4.3H2O – 1 g; MgSO4.7H2O –
0,5; NaCl – 2 g; FeSO4.7H2O – 0,1 g; CaCO3 – 1 g; nước cất 1000 ml.
b) Canh trường vi khuẩn nitrate
Cho vào ống nghiệm 5 ml MT Vinogradski– 2. Đun sôi để nguội. Cho một ít đất vào
(cho nguồn VSV). Nuôi cấy 300C trong 5 – 7 ngày.
MT Vinogradski–2 (g/l): NaNO2 – 1 g; KH2PO4 – 0,5 g; MgSO4.7H2O – 0,3 g;
Na2CO3 – 1 g; NaCl – 0,5 g; FeSO4.7H2O – 0,1 g; nước cất 1000 ml.
2) Thực hiện phản ứng để nhận biết quá trình nitrate hóa
a. Giai đoạn nitrite hóa
Xác định nitrite bằng một trong những cách sau :
- Cho vào ống nghiệm 5 giọt thuốc thử hỗn hợp A.
- Thêm 2 giọt dung dịch H2SO4 10% và 2 giọt dịch nuôi cấy vi khuẩn nitrite từ dịch
nuôi Vinogradski–1.
Kết quả: Nếu có mặt nitrite, dịch nuôi cấy sẽ xuất hiện màu lam.
b. Giai đoạn nitrate hóa
- Cho vào bản sứ lõm 1 – 2 giọt dịch vi khuẩn nitrate hóa từ dịch nuôi của môi
Vinogradski–2.
- Thêm 1 – 2 giọt dung dịch diphenylamine.
Kết quả: Dung dịch có mặt NO3 sẽ xuất hiện màu xanh.
Thuốc thử hỗn hợp A: Cân 2 g tinh bột, hòa vào một ít nước, sau đó vừa lắc vừa đổ
vào 50 ml dung dịch ZnCl2 20% và tiếp tục đun đến sôi. Thêm 1 g ZnCl2 và pha loãng đến
400 ml. Giữ thuốc thử trong lọ màu.
Thuốc thử diphenylamine: Diphenylamine 1 g, H2SO4 đậm đặc 100 ml, Nước cất 20
ml. Hòa diphenylamin vào nước cất, thêm dần acid H2SO4 đậm đặc.
- Quan sát vi khuẩn:Làm tiêu bản nhuộm đơn vi khuẩn Nitrosomonas sp. từ dịch
nuôi Vinogradski–1, vi khuẩn Nitrobacter từ dịch nuôi Vinogradski–2 và quan sát ở vật

304
kính × 40 và × 100.

a–Nitrosomonas b–Nitrobacter
Hình 45. Vi khuẩn nitrate hóa

3.4.3. Quá trình phản nitrate hóa


1) Chuẩn bị canh trường nuôi vi khuẩn phản nitrate hóa
Cho vào ống nghiệm 15 ml MT nitrate – đường kính (NaNO3 – 2 g; K2HPO4.3H2O –
1 g; MgSO4.7H2O – 0,5 g; KCl – 0,5 g; FeSO4.7H2O – 0,01 g; đường kính– 30 g; nước
máy1 lít). Đun sôi để nguội cho 1g đất vào. Để tạo MT kị khí có thể cho 1 lớp dầu
vaseline lên bề mặt môi trường, nút bông lại, dùng nilon bao bên ngoài cho kín phần nút
lại. Nuôi cấy 30–350C trong 5– 6 ngày
2) Thực hiện phản ứng để nhận biết quá trình phản nitrate hóa
a) Bản chất sinh hóa: Trong điều kiện kị khí một số VSV dùng nitrate làm chất nhận
H2, khử nitrate đến nitơ phân tử theo các bước sau:
NO3 NO2N2O N2
Phương trình tổng quát như sau:
10(H) + 2H + 2NO3N2 + 6H2O
b) Vi sinh vật tham gia: Quá trình phản nitrate hóa thường được thực hiện nhờ các
Chi vi khuẩn như Bacterium denitrificans,Pseudomonas, Achromobacter, Azospirillum,
Thiobacillus…
c) Thực hiện phản ứng để nhận biết quá trình phản nitrate hóa
- Quan sát sự phát triển của vi khuẩn phản nitrate hóa bằng cách theo dõi sự xuất
hiện các bọt khí (CO2 , N2) ở ngày thứ 2– 4.
- Kiểm tra sự tạo thành NO2‾vàNH3.
+ Kiểm tra xem dung dịch có tạo thành NO2‾hay NO3‾không bằng thuốc thử Griss,
có khử hếthay không bằng thuốc thử diphenylalanine (xem phần nitrate hóa)
+ Kiểm tra sự tạo thành NH3 bằng cách đặt giấy quỳ đỏ, giấy tẩm dung dịch Nessler
lên miệng nút bông ống nghiệm.

305
Chú ý: Các thí nghiệm đối chứng tiến hành bằng nước cất thay cho dịch lên men.
3) Quan sát vi khuẩn: Làm tiêu bản nhuộm đơn và quan sát vi khuẩn phản nitrate
hóatừ dịch nuôi nitrate – đường kính (sau 5 – 6 ngày) ở vật kính (×40) và (×100).

a–Bacterium denitrificans b–Achromobacter stutzeri


Hình 46. Vi khuẩn phản nitrate hóa

4. Viết tường trình chi tiết

III. CÂU HỎI


1. Nêu bản chất hóa học và sinh học của quá trình lên men rượu?
2. Giải thích thí nghiệm định tính acid lactic trong dịch lên men lactic?
3. Nêu các bước xác định sự có mặt của acid acetic trong dịch “lên men” acetic?
4. Giải thích thí nghiệm phân giải cellulose trong điều kiện hiếu khí và kị khí.
5. Nêu các bước xác định sự có mặt của acid butyric trong dịch lên men pectin?
6. Bản chất hóa học và sinh học của quá trình ammonium hóa protein và ammonium
hóa urea?.
7. Bản chất hóa học và sinh học của quá trình nitrate hóa?. Ý nghĩa thực tiễn của quá
trình phản nitrate hóa?. Phân biệt vi khuẩn Nitrosomonas và vi khuẩn Nitrrobacter?

306
Bài 7. VI KHUẨN CỐ ĐỊNH NITƠ – SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG NITRAGIN

I. NGUYÊN LÝ
Cố định nitơ -đó là khả năng đồng hóa nitơ phân tử của một số vi sinh vật có
enzyme nitrogenase và dùng N2 này để cấu tạo nên tất cả các hợp chất chứa nitơ của tế
bào. Khả năng này có ở nhiều VSV sống tự do trong đất và trong nước: các loài thuộc các
chi: Azotobacter, Clostridium, Pseudomonas, Bacillus, Aerobacter, vi khuẩn dinh dưỡng
quang năng, vi khuẩn sinh methane, vi khuẩn khử sulfate, vi khuẩn lam... Ngoài ra khả
năng cố định nitơ còn có ở vi khuẩn nốt sần chi Rhizobium sống cộng sinh trong rế cây họ
đậu, chi Frankia – xạ khuẩn sống cộng sinh trong nốt sần cây phi lao... Có ý nghĩa quan
trọng nhất đối với việc làm giàu nitơ cho đất là vi khuẩn nốt sần và các loài trong chi
Azotobacter và Clostridium.
Phương thức chế tạo chế phẩm nitragin hay azotobacterin đơn giản nhất là nuôi cấy
vi khuẩn trên môi trường thạch, trong những ống thạch nghiêng–nhân giống và lên men
trong môi trường dịch thể–tẩm nhiễm vào chất mang vi khuẩn cần đảm bảo có chứa ≥ 109
CFU/g. Khi sử dụng hòa loãng chế phẩm với nước – tẩm nhiễm vào hạt giống trước khi
gieo hoặc tưới vào đất trước khi gieo hạt giống.

II. THỰC HÀNH

1. Mục tiêu
- Hiểu được vai trò của VSV trong quá trình cố định nitơ
- Nắm được bản chất sinh học và hóa học của các quá trình cố định nitơ
- Biết cách thu nhận vi khuẩn cố định đạm sống tự do: Azotobacter và Clostridium.
- Nắm được phương pháp sản xuất và sử dụng chế phẩm nitragin.

2. Mẫu vật hóa chất và dụng cụ


2.1. Mẫu vật
- 50 g đất gần rễ cây
- Nốt sần cây họ đậu (5 gốc cây họ đậu có nốt sần)
2.2. hóa chất và dụng cụ (theo từng thí nghiệm)

3. Các bước tiến hành


3.1. Vi khuẩn cố định nitơ sống tự do: Azotobacter và Clostridium
1) Chuẩn bị môi trường Ashby thu nhận Azotobacter và Clostridium
a) Môi trường Ashby lỏng (g/l)
Glucose ................................... 20 g K2HPO4.3H2O ................... 0,2 g

307
MgSO4.7H2O ........................ 0,2 g NaCl................................... 0,2 g
K2SO4 ..................................... 0,1 g CaCO3 ................................... 5 g
Nước cất ...........................1000 ml
b) Nếu pha chế môi trường Ashby đặc thêm 20 g thạch (agar)/ 1000 ml.
2)Xác định sự hiện diện của Azotobacter và Clostridium
Tiến hành: Rót 150 ml môi trường Ashby dịch thể (không có thạch) vào bình nón
dung tích 250 ml. Đun sôi để nguội thêm 1 g đất trồng trọt.Đặt vào tủ ấm 28 – 300C từ 5 –
7 ngày.
Kết quả: Trên bề mặt môi trường hình thành màng của Azotobacter có màu nâu.
Dịch trong bình nổi bọt và bốc mùi acid butyric chứng tỏ sự có mặt của Clostridium
pasteurianum.
Tiến hành: Cho vào ống nghiệm 5 ml dung dịch nuôi cấy; Thêm 2 ml dung dịch
FeCl3 10% và đun sôi.
Kết quả: Dung dịch trong ống nghiệm có màu đỏ tươi, chứng tỏ có butyrate sắt được
tạo thành.
* Quan sát hình tháiAzotobacter vàClostridium
- Làm tiêu bản âm từ màng bề mặt môi trường để quan sát vi khuẩn Azotobacter. Hai tế
bào gắn với nhau giống như hạt coffee.
- Làm tiêu bản nhuộm đơn bằng thuốc nhuộm Lugol hay tím gentian để quan sát vi khuẩn
Clostridium pasteurianum. Do bào tử của vi khuẩn này có đường kính lớn hơn đường kính
của tế bào lại nằm ở một đầu nên làm cho tế bào có dạng dùi trống.

a) Nhá lªn vÕt b«i 12 giät b) Röa s¹ch tiªu b¶n b»ng
crystal violet ®Ó 47 phót dung dÞch CuSO4 20%

c) ThÊm kh« b»ng giÊy thÊm d) Vi khuÈn cã vá nhÇy

Hình 47. Các bước nhuộm màng nhầy


(Prescot L. M., Harley J. P., Klein D. A., 2002)

308
3) Quan sát màng nhầy (hay vỏ nhầy)
- Mẫu dịch nuôi Azotobacter hay vi khuẩn nghi ngờ có màng nhầy
- Làm tiêu bản cố định
- Tiến hành nhuộm vỏ nhầy theo các bước a,b,c (theo Prescot et al, 2002).
Kết quả:(d) vi khuẩn có màng nhầy.
* Phương pháp làm tiêu bản âm nền đen bằng mực nho từ dịch đất trồng
Nguyên tắc: Mực nho không thấm vào Azotobacter tạo một khoảng trống, trắng
chung quanh tế bào.
Cách tiến hành:
- Nhỏ một giọt mực nho đặc lên lam kính
- Hòa một vòng que cấy đầu tròn dịch đất trồng đã pha loãng (1g đất pha loãng trong
5 ml nước) vào giọt mực nho rồi trộn đều.
- Đậy lamen và quan sát tiêu bản với vật kính (×40).
Kết quả: Vỏ nhầy trong suốt trên nền đen của thị trường kính hiển vi
4) Phân lập Azotobacter bằng cách cấy các cục đất
a. Chế MT Ashby thạch đĩa
Rót MT Ashby đặc đang nóng chảy 45 –500C vào các đĩa Petri,đặt lên mặt mỗi đĩa
thạch từ 2 – 3 cục đất nhỏ (bằng hạt đậu) sao cho chúng tách biệt nhau. Ấn nhẹ cho cục
đất chìm vào thạch. Đặt vào tủ ấm 28 – 300C từ 5 – 7 ngày.Xung quanh những cục đất nhỏ
có những khuẩn lạc nhầy của Azotobacterphát triển.
b. Cấy Azotobacter từ khuẩn lạc
Dùng que cấy vô trùng dí vào khuẩn lạc nhầy quanh cục đất rồi cấy truyền sang ống
môi trường Ashby thạch nghiêng, đặt vào tủ ấm 5 – 7 ngày ở nhiệt độ 28 – 300C. Sau đó
chọn ra các ống có chủng Azotobacter thuần khiết.
3.2.Vi khuẩn cố định nitơ sống cộng sinh
3.2.1. Vi khuẩn lam công sinh với bèo hoa dâu
Vi khuẩn lam (Cyanobacteria) có khả năng cố định N2 khi sống tự do trong đất hoặc
cộng sinh với cây bèo hoa dâu. Hàng năm chúng có thể cố định được 30 – 50 kg nitơ/ha.
Các chi vi khuẩn lam có khả năng cố định N2 cao là Anabaena, Oscilatoria, Plectonema,
Nostos. Đặc biệt đáng chú ý là Anabaena azolae cộng sinh trong cây bèo hoa dâu.
+ Quan sát Anabaena azolae
Lấy một cánh bèo hoa dâu dùng kim mũi mác dầm nát trên phiến kính, đậy lamen
quan sát ở hệ kính khô (×40). Anabaena azolae có hình chuỗi hạt dài, trong chuỗi có thể
thấy được các tế bào dị hình (bào tử nghỉ) có kích thước to hơn các tế bào khác).
3.2.2.Vi khuẩn nốt sần
Rhizobium là một chi vi khuẩn Gram âm sống trong đất có vai trò cố định
đạm. Rhizobium hình thành một nhóm vi khuẩn cộng sinh cố định đạm sống trong rễ của

309
Anabaena Oscilatoria Plectonema

Hình 48. Vi khuẩn lam

các cây họ Đậu. Vi khuẩn này xâm chiếm tế bào rễ của cây tạo thành các nốt sần; ở đây
chúng biến đổi nitơ trong khí quyển thành ammoniac và sau đó cung cấp các hợp chất nitơ
hữu cơ cho cây. Còn cây thì cung cấp carbohydrate cho vi khuẩn từ quá trình quang hợp
Những vi khuẩn nốt sần sống cộng sinh với cây họ Đậu. Chúng có khả năng cố định
nitơ không khí. Những vi khuẩn này thuộc chi Rhizobium. Hình dạng và kích thước của vi
khuẩn nốt sần thay đổi phụ thuộc vào những giai đoạn phát triển của chúng. Khi nghiền
nốt sần làm tiêu bản quan sát ở vật kính (×40) chúng có dạng hình cầu, hình que ngắn
chuyển đông. Trong canh trường nuôi cấy cũ thì chúng bị biến dạng tạo thành các tế bào
hình chữ X,Y Z (giai đoạn giả khuẩn thể). Giai đoan giả khuẩn thể thường trùng hợp với
thời gian nở hoa của cây họ Đậu là giai đoạn cố địnhnitơ mạnh nhất.
1) Phân biệt nốt sần vô hiệu và nốt sần hữu hiệu
Quan sát hình dạng, màu sắc, kích thước, vị trí của các nốt sần cây trên rễ cây đậu
tương hoặc đậu lạc.
2) Quan sát vi khuẩn nốt sần Rhizobium
- Cắt 2 – 3 nốt sần to bỏ vào đĩa Petri đã có sẵn cồn 96% ngâm trong 5 phút rồi rửa
sạch bằng nước cất.Dùng kẹp vô trùng chuyển những nốt sần sang đĩa Petri khác, ép nốt
sần để lấy dịch ép, thêm 1– 2 ml nước cất ta thu được dịch chứa vi khuẩnRhizobium.
- Làm tiêu bản nhuộm đơn bằng dung dịch fuchsin loãng (1:1000). từ dịch ép nốt
sần và quan sát vi khuẩn này với vật kính (× 40).

1 2 3
Hình 49. Các vi khuẩn nốt sần. 1. Các vi khuẩn từ nốt sần còn non,
2. Các giả khuẩn thể từ nốt sần già, 3. Nốt sần trên rễ cây họ đậu

310
3.3.Sản xuất nitragin
Hàng năm vi khuẩn nốt sần cộng sinh trong rễ các cây thuộc họ Đậu (Legumino-
sales) có thể làm giàu thêm cho đất khoảng 50 – 600 kg nitơ/ha, trung bình là 75 – 200 kg
nitơ/ha.
Để nâng cao hiệu suất cố định nitơ của cây họ Đậu từ lâu người ta đã nghĩ đến biện
pháp chủ động nhiễm cho hạt giống các cây thuộc họ đậu những nòi vi khuẩn nốt sần hữu
hiệu đã được lựa chọn. Vì vi khuẩn nốt sần có tác dụng đặc hiệu trên từng loài đậu nên
nitragin được sản xuất riêng cho từng loài đậu.
* Quy trình sản xuất nitragin
Nitragin là loại phân vi sinh được chế tạo bởi vi khuẩn Rhizobium do Beijerink phân
lập năm 1888 và được Fred đặt tên vào năm 1889 dùng để bón cho các loại cây thích hợp
của họ Đậu.
1) Phân lập vi khuẩn nốt sần
a) Chuẩn bị môi trường phân lập Rhizobium
Chế môi trường thạch đĩa có thành phần (g/l): Nước chiết giá đậu – 1000 ml (200g
giá đậu xanh đun sôi lọc lấy dịch trong); saccharose – 10 g; K2HPO4.3H2O – 1 g;
MgSO4.7H2O – 0,5 g; thạch – 20 g. Bổ sung thêm vào môi trường 1ml dung dịch Crystal
violet 1% (cân chính xác 1g Crystal violet, nghiền nhỏ hòa vào 1º ml cồn 95%, thêm nước
cất cho đến 100 ml).
b) Chuẩn bị dịch nốt sần
Chọn 2 – 3 nốt sần to màu hồng ở rễ chính bỏ vào cốc đã có sẵn cồn 96% ngâm
trong 5 phút rồi rửa sạch bằng nước cất.Dùng kẹp vô trùng chuyển những nốt sần sang đĩa
Petri khác, ép nốt sần để lấy dịch ép, thêm 1– 2 ml nước cất ta thu được dịch chứa VK
Rhizobium.
c) Tiến hành phân lập vi khuẩn nốt sần
- Pha loãng dịch chứa vi khuẩn nốt sần từ 101 đến 1010
- Dùng pipette vô trùng nhỏ 1 giọt dịch pha loãng 109, 1010 lên từng đĩa thạch chứa
môi trường nước chiết giá đậu trên. Dùng que gạt thủy tinh dàn đều giọt dịch ép ra khắp
mặt thạch, sau đó đặt vào tử ấm 28 – 300C, sau 4 – 5 ngày xuất hiện các khuẩn lạc. Từ
những khuẩn lạc đã phát triển ta cấy sang những ống thạch nghiêng có thành phần như
trên để thu được những dòng vi khuẩn nốt sần thuần khiết.
2) Tạo chế phẩm nitragin
a) Dạng thạch nghiêng
-Cấy chuyền vi khuẩn Rhizobiumtrên MT (g/l): Glucose–10; K2HPO4. 3H2O– 0,5;
MgSO4. 7H2O – 0,2; NaCl– 0,1; dịch chiết nấm men–0,4; thạch– 20; nước– 1lít; pH 7.
b) Dạng dịch thể
- Nhân giống vi khuẩn Rhizobium bằng nuôi trên máy lắc (200 – 220 vòng/ phút) ở
nhiệt độ 300C liên tục trong 72 giờ với MT dịch thể (g/l): Glucose–10 g; K2HPO4. 3H2O–

311
0,5 g; MgSO4. 7H2O – 0,2 g; NaCl–0,1 g; dịch chiết giá đậu xanh (100g giá đậu xanh–đun
sôi 5–10 phút, lọc lấy nước trong) – 1lít; pH 7.
c) Dạng bột
- Than bùn (chất mang) phơi khô tán nhỏ, thêm 1% đường saccharose và làm ẩm
đến 40 – 60% rồi cho vào các chai hay hay túi nilon.Khử trùng ở 1,1 atm/30 phút. (chuẩn
bị trước 8 bình nón loại 250 ml).
- Tạo chế phẩm nitragin dạng dịch thể (mục b) trước 72 giờ
- Thấm VK dịch thể đã nhân giống sau 72 giờ vào chất mang là than bùn sao cho
trong 1g than bùn có không dưới 70 triệu vi khuẩn.

Nèt sÇn Than bïn


Ph©n lËp
Chñng vi khuÈn Ph¬i kh« t¸n nhá
Rhzobium

Nh©n gièng cÊp I Bæ sung chÊt kho¸ng

Nh©n gièng cÊp II Khö trïng

TÈm nhiÔm

Nitragin T¹o chÕ phÈm


(d¹ng láng) KiÓm tra chÊ t luîng
nitragin & VSV l¹
Nitragin
(d¹ng bét)

Hình 50. Quy trình sản xuất nitragin

3) Xác định chất lượng nitragin


Chất lượng nitragin được xác định bằng số lượng vi khuẩn nốt sần và số lượng vi
khuẩn lạ có trong một đơn vị trọng lượng nitragin.
a) Xác định số lượng vi khuẩn nốt sần trong1 g nitragin thành phẩm
- Chuẩn bị MT thạch đĩa nước chiết giá đậu xanh
- Cân 1 g Nitragin thành phẩm pha loãng từ 101 – 108
- Lấy 1ml từ độ pha loãng 106, 107, 108 cấy sang các đĩa Petri mỗi độ pha loãng
gieo cấy 3 đĩa. Đặt vào tủ ấm 28 – 300C từ 2 3 ngày. Sau đó đếm số lượng CFU phát
triển trên mỗi đĩa Petri. Từ số lượng CFU trung bình trên mỗi đĩa thạch ta tính được số
lượng vi khuẩn nốt sần/g nitragin (xem bài 4 mục 3.4 đếm số lượng tế bào sống).
Ví dụ: Khi cấy 0,1 ml dịch nitragin ở độ pha loãng 10-6, ta đếm được 40 CFU/1 đĩa
thạch. Nếu biết rằng trọng lượng khô của 1 g nitragin là 0,95.

312
Số lượngvi khuẩn nốt sần/g được tính:
N= 10 ×40 ×106 : 0,95 = 42,1.107
b) Xác định số lượng vi sinh vật lạ trong nitragin
Nitragin không được chứa nấm mốc, nấm men và xạ khuẩn. Số lượng vi khuẩn lạ
không được vượt quá 8% số lượng vi khuẩn nốt sần.
Xác định số lượng VSV lạ trong nitragin được thực hiện song song với sự xác định
số lượng vi khuẩn nốt sần.
- Chuẩn bị môi trường Thạch – Nước thịt – Peptone ở dạng thạch đĩa
- Cân 1 g Nitragin pha loãng từ 101 – 108
- Lấy 1ml từ độ pha loãng 104, 105, 106 cấy sang các đĩa Petri đựng MT Thạch –
Nước thịt – Peptone mỗi độ pha loãng gieo cấy 3 đĩa. Đặt vào tủ ấm 28 – 300C từ 3- 4
ngày. Sau đó đếm số lượng vi sinh vật lạ trên mỗi đĩa Petri. Từ đó tính rasố lượng vi sinh
vật lạ/g nitragin (xem bài 4 mục 3.4 đếm số lượng tế bào sống). Kết quả thu được cho phép kết
luận về chất lượng của nitragin.
5) Cách sử dụng nitragin
- Tẩm nitragin vào hạt trước khi gieo;
- Bón chế phẩm vào đất trước khi gieo hạt;
- Bón chế phẩm vào đất sau khi gieo hạt;
- Khi hạt nảy mầm và hình thành rễ, hòa chế phẩm vào nước rồi tưới lên bề mặt luống.
6) Khi sử dụng nitragin cần lưu ý
- Tính đặc hiệu đối với loài cây họ Đậu, tránh ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp.
- Tránh sử dụng đồng thời các loại thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ.
* Mỗi sinh viên cần tiến hành
- Làm 3 tiêu bản quan sát và nhận biết các loại VK cố định đạm : Azotobacter;
Clostridium và Rhizobium.
- Phân biệt nốt sần hữu hiệu và nốt sần vô hiệu.
- Sản xuất thử chế phẩm nitragin: dạng thạch nghiêng, dạng dịch thể và dạng bột.

4. Viết tường trình chi tiết

III. CÂU HỎI


1. Bản chất sinh hóa và sinh học của quá trình cố định nitơ phân tử?
2. Các bước phân lập vi khuẩn Azotobacter từ đất trồng lúa?
3. Nguyên tắc và các bước tiến hành làm tiêu bản âm nền đen bằng mực nho từ dịch
đất trồng?
4.Nêu các bước phân lập vi khuẩn Rhizobium từ nốt sần rễ cây họ đậu?.
5. Trình bày tóm tắt cách chế tạo chế phẩm nitragin dạng bột.Các thao tác kiểm tra
chất lượng chế phẩm nitragin?
6. Khi sử dụng chế phẩm nitragin cần lưu ý những điểm gì? Vì sao ?

313
Bài 8. XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH ENZYME
VÀ CHẤT KHÁNG SINH CỦA VI SINH VẬT

I. NGUYÊN LÝ

1. Hoạt tính enzyme của vi sinh vật


Enzyme là những protein đặc hiệu có cấu tạo phức tạp, đóng vai trò xúc tác cho các
phản ứng sinh hóa xảy ra nhanh chóng không cần đến sự hỗ trợ của nhiệt độ hay áp suất
cao như các chất xúc tác hóa học.
Có nhiều phương pháp xác định enzyme, trong điều kiện cho phép chúng tôi giới
thiệu phương pháp thông dụng và đơn giãn để xác định khả năng tao thành các enzyme
ngoại bào như protease, cellulase, amylase của vi sinh vật -đó là kiểm tra sự tạo thành
enzyme bằng cách cấy chấm điểm trên môi trường thạch. Đối tượng để kiểm tra là các vi
khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc trong tự nhiên.

2. Hoạt tính kháng sinh của vi sinh vật


Nhiều loại VSV như xạ khuẩn, nấm mốc, vi khuẩn trong hoạt động sống tạo ra các
chất hóa học đặc hiệu, ức chế hoặc tiêu diệt sư sống của các loại VSV khác một cách có
chọn lọc ngay ở nồng độ thấp (các chất kháng sinh) – Chúng được gọi là các VSV sinh
kháng sinh.
Hoạt tính kháng sinh của VSV là đặc tính cho thấy khả năng kìm hãm hay tiêu diệt
một cách chọn lọc các chủng VSV kiểm định. Xác định hoạt tính kháng sinh thường bằng
phương pháp thỏi thạch hay phương pháp đục lỗ.

II. THỰC HÀNH

1. Mục đích yêu cầu


- Biết cách xác định hoạt tính enzyme amylase, protease và cellulase
- Biết cách đặt thí nghiệm xác định khả năng hình thành và hoạt tính các chất kháng
sinh của VSV.

2. Dụng cụ, mẫu vật và hóa chất


2.1. Dụng cụ
Giá và ống nghiệm – 3 giá (10 ống/giá). Kẹp gỗ – 7 cái; đèn cồn – 3 cái; pipet cầm
tay các loại: 1ml, 5ml mỗi loại 2 cái; khoan đồng– 2 cái.
Kính hiển vi có vật kính dùng dầu – 7 cái/nhóm; lam kính – 1 hộp; lamen – 1 hộp;
giấy thấm – 1 hộp; khăn lau 2 cái; bật lửa – 1 cái; que cấy đầu tròn –4 que.
Hộp Petri : 40 hộp; pipet các loại 1ml, 2ml mỗi loại 2 cái.

314
2.2. Pha chế một số môi trường dinh dưỡng
1) Chuẩn bị môi trường thạch đĩa (nuối cấy VSV để xác định hoạt tính enzyme)
- Chế môi trường Czapek – Dox (nuôi nấm mốc) – xem thực hành bài 2 pha chế môi
trường dinh dưỡng).
- Chế môi trường thạch – thịt – peptone (nuôi cấy vi khuẩn) – xem thực hành bài 2.
2) Chế MT kiểm tra khả năng hình thành enzyme g/l: MT–1 amylase, MT–2
cellulase, MT–3 protease.
Môi trường–1 có thành phần: Tinh bột tan – 10 g; NaNO3 – 3 g; K2HPO4.3H2O – 1
g; KCl – 0,5 g; MgSO4.7H2O – 0,5 g; FeSO4.7H2O – 0,01 g, Thạch – 20 g; Nước cất –
1000 ml; pH 7,0.
Môi trường–2 có thành phần: CMC – 10 g; NaNO3 – 3 g; K2HPO4.3H2O – 1 g; KCl
– 0,5 g; MgSO4.7H2O – 0,5 g; FeSO4.7H2O – 0,01 g, Thạch – 20 g; Nước cất – 1000 ml;
pH 7,0.
Môi trường–3 có thành phần: Saccharose – 30 g; Gelatine (hay sữa hộp) – 10 g;
K2HPO4.3H2O – 1 g; KCl – 0,5 g; MgSO4.7H2O – 0,5 g; FeSO4.7H2O – 0,01 g, Thạch –
20 g; Nước cất – 1000 ml; pH 7,0.
3) Chuẩn bị thuốc thử: dung dịch lugol – 200 ml; dung dịch (NH4)2SO4 bão hòa
trong nước– 200 ml.
4) Vi sinh vật kiểm định: Vi khuẩn Bacillus subtilis, nấm mốc Aspergillus niger,
Penicillium sp. (Mỗi loại 2–3 ống dạng thạch nghiêng đã nuôi cấy VSV trước 72 giờ).
2.2. Khoanh giấy chất kháng sinh
- Các khoanh giấy kháng sinh được bảo quản trong hộp riêng. Giấy dự trữ phải để ở
nhiệt độ – 200C. Các khoanh giấy làm hàng ngày được giữ ở 2– 80C tùy theo từng chỉ dẫn
của hãng sản xuất. Trước khi sử dụng đặt ở nhiệt độ phòng 30 phút.
- Có thể tự làm bằng cách dùng giấy thấm tẩm dịch kháng sinh rồi sấy khô ở nhiệt
độ thấp(40 – 450C). Sau đó cắt thành từng khoanh hình tròn có đường kính 1cm (tẩm các
loại kháng sinh penicillin, streptomycin, tetracyclin, griseofunvin 10 µg/ khoanh).
2.3. Hóa chất – Pha hỗn hợp dung môi và dung dịch đệm
1) Pha hỗn hợp dung môi
- n-Butanol : acetic acid : nước (4 :1 : 5)
- Methanol : acetic acid : nước (16 : 1 : 3)
- Chloroform : methanol: (NH4)SO4 17% (2:1:1).
2) Pha dung dịch đệm PBS (phosphate Buffered Saline)
- NaCl– 8 g, KCl – 0,2 g, Na2HPO4.2H2O – 1,44 g, nước cất vừa đủ 1000 ml
- Lắc đều, điều chỉnh pH 7,4. Hấp ướt 1200C/ 30 phút.

315
3. Các bước tiến hành
3.1. Xác định hoạt tính enzyme của vi sinh vật
1) Nguyên tắc
Chủng VSV vừa phân lập được nuôi cấy trên môi trường thích hợp để chúng tạo ra
enzyme. Các enzyme do VSV tạo ra sẽ khuếch tán ra xung quanh dưới dạng vòng trong
suốt quanh khuẩn lạc gọi là vòng thủy phân. Dùng thuốc thử đặc hiệu để phân biệt vùng
cơ chất đã thủy với vùng cơ chất chưa được thủy phân, căn cứ vào đừng kính vòng thủy và
đường kính khuẩn lạc để xác định hoạt tính enzyme của chủng vi sinh vật đó.
2) Tiến hành thí nghiệm
Để nuôi cấy nấm mốc Aspergillus niger, Penicillium sp. lên MT Czapek – Dox (chỉnh
môi trường có pH 5,5 hay xạ khuẩn Streptomyces sp. (pH 6,8 – 7,2) và khử trùng môi
trường 1210C/30 phút, sau đó đổ MT vào các đĩa Petri, khi thạch đã đông dùng que cấy móc
cấy các chủng nấm mốc, xạ khuẩn vào ba loại MT nói trên (MT–1, MT–2 và MT–3). Mỗi
hộp cấy 1 – 2 chủng thành những điểm. Cấy xong đặt vào tủ ấm ở 300C trong thời gian 3 – 5
– 7 các khuẩn lạc phát triển tương đối đầy đủ và sinh emzyme, enzyme (nếu có) từ khuẩn
lạc sẽ khuếch tán ra môi trường xung quanh và thủy phân cơ chất đặc hiệu.
2) Đánh giá kết quả
a) Hoạt tính enzyme amylase (xem hình 51 hình màu trang 341)
Ta đổ 5 ml dung dịch lugol lên mặt thạch (MT–1). Vùng thủy phân sẽ không màu
(vì không còn tinh bột), phần còn lại sẽ có màu xanh có thể nhìn thấy bằng mắt thường.
b) Hoạt tính enzyme cellulase
Ta đổ 5 ml dung dịch lugol lên mặt thạch (MT–2). Vùng thủy phân sẽ không màu
(vì không còn CMC), phần còn lại sẽ có cánh gián có thể nhìn thấy bằng mắt thường.
c) Hoạt tính enzyme protease
Ta đổ 5 ml dung dịch (NH4)2SO4 bão hòa trong nước lên mặt thạch (MT–3). Vùng
thủy phân hòan toàn trong suốt (vì không còn protein), phần còn lại sẽ có màu đục có thể
nhìn thấy bằng mắt thường..

a) Ho¹t tÝnh amylase b) Ho¹t tÝnh cellulase c) Ho¹t tÝnh protease

Hình 51. Hoạt tính enzyme của vi sinh vật

316
Các thuốc thử: Xác định hoạt tính amylase dùng thuốc thử là dung dịch lugol;
cellulase – lugol, protease – (dung dịch (NH4)2SO4 bão hòa trong nước.
* Đối chứng: Các đĩa thạch chứa MT dinh dưỡng nhưng không có VSV.
3.2. Hoạt tính kháng sinh của vi sinh vật
3.2.1.Phát hiện vi sinh vật sinh kháng sinh
Nguyên tắc: Vi sinh vật tạo kháng sinh sẽ ức chế hay tiêu diệt VSV khác và tạo ra
vòng vô khuẩn xung quanh khuẩn lạc. Kích thước vòng vô khuẩn càng lớn chứng tỏ hoạt
tính kháng sinh chủng đó càng mạnh.
Chuẩn bị:
– Chuẩn bị các MT thạch đĩa Petri có các chủng vi khuẩn, xạ khuẩn hay nấm mốc
cần xác định hoạt tính kháng sinh.
– Chế MT nuôi cấy vi sinh vật kiểm định ở các bình nón. Để nuôi vi khuẩn dùng
Thạch nước thịt–peptone, nuôi vi nấm, xạ khuẩn – MT Czapek–dox.
Tiến hành:
- Dùng khoan đồng khoan 1–3 thỏi thạch có VSV đặt vào một đĩa Petri vô trùng.
- Rót môi trường đang nóng chảy (có VSV kiểm định) vào đĩa trên sao cho môi
trường ngang với bề ngang thỏi thạch (đặt sấp hay đặt ngửa thỏi thạch).
* Chọn 1 trong các VSV kiểm định sau: Escherichia coli, Proteus vulgaris, trực
khuẩn sinh bào tử: Bacillus mesentericus, Clostridium pasteurianum, Bacillus subtilis,
Bacillus mycoides, xoắn khuẩn: Rhodospirillum rubrum, nấm men: Sacchromyces
cerevisiae, S. Ellipsoides, vi nấm: Penicillium notatum, Aspergillus oryzae. Mucor
mucedo, Rhizopus oryzae, xạ khuẩn: Streptomyces fradiae, Streptomyces cylindrosporum.
- Lật úp đĩa thạch đặt vào tủ lạnh 2 – 40C trong thời gian 6 giờ cho chất kháng sinh
nếu có trong thỏi thạch khuếch tán ra, trong khi VSV kiểm định ngừng sinh trưởng.
- Đặt tiếp đĩa thạch trên vào tủ ấm 300C. Sau 2 ngày quan sát, nếu có vòng vô khuẩn
chứng tỏ chủng vi sinh vật đó sinh chất kháng sinh.

Vßng v« khuÈn

Khoanh giÊy tÈm


chÊt kh¸ng sinh

Hình 52. Vòng vô khuẩn tạo thành quanh các khoanh giấy tẩm chất kháng sinh
(Prescot L. M., Harley J. P., Klein D. A., 2002) (Xem hình màu 52 trang 341)

317
Đánh giá kết quả: Kích thước vòng vô khuẩn bằng D d (mm). Trong đó D là
đường kính vòng vô khuẩn, d là đường kính lỗ khoan đo bằng mm.
Có vòng vô khuẩn chúng tỏ chúng VSV đó có tạo ra kháng sinh, kích thước vòng vô
khuẩn càng lớn chứng tỏ hoạt tính kháng sinh chủng đó càng mạnh.
3.2.2. Phát hiện vi sinh vật sinh kháng sinh bằng phương pháp đục lỗ
Đây là phương pháp thử hoạt tính kháng sinh trong dung dịch. Trước hết phải nuôi
cấy VSV cần xác định hoạt tính kháng sinh trong môi trường dịch thể để chúng tạo ra
kháng sinh. Sau đó dùng khoan đồng (Ø =1cm) khoan các lỗ trên môi trường thạch đã cấy
vi khuẩn kiểm định ở hộp Petri, nhỏ vào mỗi lỗ thạch 0,1 ml dịch nuôi cấy VSV cần thử.
Tiếp theo đặt các hộp Petri vào ngăn mát tủ lạnh 2 – 60C trong thời gian 6 giờ cho chất
kháng sinh trong dịch nuôi cấy (nếu có) khuếch tán ra xung quanh trong khi vi khuẩn kiểm
định trong MT thạch đĩa bị ức chế. Kế tiếp ta đặt các hộp thạch trên vào tủ ấm 300C/24 giờ
cho VSV kiểm định phát triển. Nếu chủng VSV đó tạo ra kháng sinh sẽ tiêu diệt hoặc ức
chế VSV kiểm định và tạo thành vòng vô khuẩn xung quanh lỗ đục. Dựa vào hiệu số vòng
vô khuẩn (D – d mm; D: đường kính vòng vô khuẩn, d: đường kính lỗ khoan) để biết hoạt
tính kháng sinh mạnh hay yếu.
3.3.Làm kháng sinh đồ
Là kỹ thuật xác định độ nhạy – kháng của kháng sinh đối với vi sinh vật kiểm định
trên môi trường in vitro.
Có nhiều kỹ thuật khác nhau để làm kháng sinh đồ trong phòng thí nghiệm. Nguyên
thủy nhất là phương pháp pha loãng đo độ đục. Phổ biến hơn là phương pháp đặt khoanh
giấy tẩm kháng sinh. Hiện đại nhất là phương pháp làm kháng sinh đồ tự động bằng máy.
Tuy nhiên chúng tôi đề cập đến kỹ thuật mà đang được thực hiện thường quy trong
các phòng thí nghiệm vi sinh học môi trường hiện nay: kỹ thuật đặt khoanh giấy tẩm
kháng sinh.
Đây là kỹ thuật đặt khoanh giấy tẩm 1 loại kháng sinh với 1 nồng độ nhất định lên 1
đĩa thạch cấy VSV cần thử hoạt tính kháng sinh. Sau đó dựa vào các xác định đường kính
vòng vô khuẩn, đối chiểu với tài liệu tham chiếu (CLSI hoặc EUCAST,….). Để kết luận
độ nhạy/ kháng/ trung gian của kháng sinh đó với vi sinh vật thử.
a. Chuẩn bị
- Pha môi trường, khử trùng, đỗ đĩa rồi ủ ấm khoảng 15 – 20 phút.
- Pha huyền dịch vi sinh vật thử hoạt tính kháng sinh: Lấy khuẩn lạc thuần trên đĩa
phân lập, hòa tan vào dung dịch nước muối NaCl 0.9%. Kiểm tra nồng độ huyền dịch
bằng cách đo OD, mỗi loại vi khuẩn Gram (), Gram (+), nấm… đều có nồng độ chuẩn
theo các tài liệu tham chiếu.
b. Tiến hành
- Dùng tăm bông vô trùng, thấm huyền dịch vi khuẩn thử hoạt tính(chú ý không
thấm quá đẫm hoặc quá khô sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả).

318
- Quét tăm bông tẩm huyền dịch vi khuẩn thử hoạt tínhphủ kín lên trên bề mặt thạch,
đảm bảo phủ kín và đều trên bề mặt thạch.
- Dùng kẹp kim loại vô trùng gắp 1 khoanh giấy kháng sinh, nhẹ nhàng đặt lên 1 vị
trí cố định trên bề mặt thạch.Chú ý chỉ đặt 1 lần, không ấn mạnh hay làm di chuyển vị trí
khoanh giấy.Thông thường 1 đĩa thạch đường kính 90mm sẽ đặt được tối đa 25 khoanh
giấy tẩm kháng sinh.
- Đặt vào tủ lạnh 2 giờ cho chất kháng sinh khuếch tán, sau đó đem đặt vào tủ ấm
0
30 C cho VSVthử hoạt tính sinh trưởng. Sau 24 giờ lấy ra xem và đo vòng vô khuẩn.
* Đối chứng: Thay khoanh giấy tẩm kháng sinh bằng khoanh giấy tẩm nước cất.
Để đảm tính chính xác của thí nghiệm, có thể đối chứng bằng chủng chuẩn ATCC
theo hướng dẫn của tài liệu tham chiếu.
+ Escherichia coli ATCC 25922
+ Staphylococcus aureus ATCC 29213
+ Streptococcus faecalis ATCC 29212
+ Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853...
c. Đánh giá kết quả:
- Quan sát sự tạo thành vòng vô khuẩn: Nếu các VSV nghiên cứu tạo ra các chất
kháng sinh chống lại các VSV kiểm định thì vùng môi trường xung quanh khối thạch có
vòng vô khuẩn chúng tỏ chúng VSV đó có tạo ra kháng sinh
- Đánh giá sơ bộ khả năng tạo thành kháng sinh dựa vào độ lớn của vòng vô khuẩn:
Dùng thước kẻ đo đường kính vòng vô khuẩn, nếu đường kính càng lớn chứng tỏ hoạt tính
kháng sinh chủng đó càng mạnh.
- So sánh đường kính vòng vô khuẩn với bảng giới hạn đường kính vùng ức chế để
phân loại mức độ của vi khuẩn thành nhạy cảm (S), nhạy cảm vừa (I), đề kháng (R).

Bảng giới hạn đường kính vùng ức chế để phân loại vi khuẩn nhạy cảm (S), (I), và đề kháng (R).

Nồng độ Đường kính vùng ức chế (mm)


Kháng sinh
(µg/khoanh S I R
Ampicillin 10 ≥ 22 21–11 < 11
Benzylpenicillin 10 ≥ 27 26–16 < 16
Chloramphenicol 30 ≥ 24 – < 24
Erythromycin 15 ≥ 28 27–20 < 20
Gentamycin 30 ≥ 18 17–15 < 15
Tetracyclin 30 ≥ 28 27–16 < 16
Kanamycin 30 ≥ 17 16–9 <9

319
3.4. Dùng sắc ký giấy để xác định trị Rf các chất kháng sinh
- Nuôi nấm mốc, xạ khuẩn cho mọc kín trên bề mặt đĩa thạch 3 đĩa Petri/ loại VSV.
- Đổ dung môi (n-butanol hay cồn vào MT thạch đĩa có khuẩn lạc VSV sinh kháng
sinh từ 30– 60 phút.Để dung môi bay hơi tự nhiên, dung dịch còn lại là dung dịch chứa
amino acid hay CKS (chất kháng sinh thô).
- Chấm dịch trên vào giấy sắc kí và chạy sắc kí trong các hệ dung môi:
n-Butanol : acid acêtic : nước (4 :1 : 5)
Methanol : acid acêtic : nước (16 : 1 : 3)
Chloroform : methanol : (NH4)SO4 17% (2:1:1).
Hiện hình theo phương pháp sinh học (đặt giấy sắc kí (đã cắt thành từng đoạn ngắn)
lên bề mặt đĩa thạch có VSV kiểm định, đặt lạnh 2 giờ, nuôi 300C sau 2 – 5 ngày lấy ra
xem vùng vô khuẩn). Xác định trị Rf.
Hiện hình theo phương pháp hóa học (làm khô giấy đã chạy sắc kí rồi nhúng vào
dung dịch ninhidrin 5% trong acetone. Sấy khô giấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 800C. Xem vệt
màu và xác định trị Rf.
ả ị ể ủ ấ ử
Rf = ả ị ể ủ ô

Công việc của nhóm


- Xác định hoạt tính amylase, protease và cellulase (3 đĩa Petri/thí nghiệm).
- Mỗi phương pháp xác định hoạt tính kháng sinh làm 3 đĩa Petri (PP thỏi thạch – 3,
PP dùng đĩa kháng sinh – 3 và phương pháp dùng dịch CKS pha loãng – 3).
- Sắc kí giấy dịch chiết VSV (chất kháng sinh thô) trong 3 hệ dung môi trên.

4. Viết tường trình chi tiết

III. CÂU HỎI


1. Phương pháp xác định chủng VSV sinh enzyme cellulase?
2. Nêu nguyên tắc xác định hoạt tính của enzyme vi sinh vật?
3. Cho biết cách xác định VSV phân hủy rác thải hữu cơ chứa cellulose?
4. Cho biết cách xác định VSV phân hủy rác thải hữu cơ chứa tinh bột?
5. Cho biết cách xác định VSV phân hủy rác thải hữu cơ chứa protein?
6. Nêu nguyên tắc và phương pháp xác định hoạt tính kháng sinh của VSV theo phương
pháp thỏi thạch.
7. Các bước xác định hoạt tính kháng sinh của VSV theo phương pháp đục lỗ?
8. Nêu nguyên tắc và phương pháp sắc ký giấy chất kháng sinh của VSV?
9. Phân biệt phương pháp hiện hình sinh học với phương pháp hiện hình hóa học khi xác
định trị Rf trong sắc kí giấy.
10. Phương pháp phát hiện vi sinh vật sinh kháng sinh?

320
Bài 9. PHÂN TÍCH VI SINH VẬT TRONG CHẤT THẢI HỮU CƠ

I. NGUYÊN LÝ
VSV trong chất thải hữu cơ rất đa dạng tùy thuộc vào nguồn gốc chất thải. Khi phân
tích VSV trong chất thải, người ta thường kiểm tra số lượng VSV hiếu khí và các vi khuẩn
gây bệnhnhư Coliform,Fecal coliform, Salmonella, Shigella, Vibrio cholerae, Pseudomo-
nas aeruginosa…
Về quan hệ với oxy vi sinh vật được chia ra:
- Vi sinh vật hiếu khí bắt buộc: VSV chỉ sinh trưởng khi có oxy vì oxy là chất nhận
điện tử cuối cùng. Chúng có khả năng sinh enzyme catalase và superoxide dismutase
(SOD). Ví dụ: đa số các loại vi khuẩn, nấm mốc, ĐVNS.
- Vi sinh vật kị khí bắt buộc: Chỉ sinh trưởng được trong môi trường không có oxy,
vì chất nhận điện tử cuối cùng không phải oxy phân tử mà là oxy liên kết. Chúng không có
khả năng sinh catalase và SOD. Ví dụ vi khuẩn sinh methane vi khuẩn phản nitrate hóa.
- VSV ky khí tùy tiện: VSV không cần oxy cho sinh trưởng nhưng có oxy sẽ sinh
trưởng tốt hơn. Chúng sinh cả catalase và SOD. Ví dụ E. coli, nấm men rươu. Nếu có oxy
chúng tiến hành hô hấp tế bào, khi không có oxy chúng tiến hành lên men (E. coli lên men
lactic, nấm men lên men rượu).
- VSV kị khí chịu khí (aerotolerant anaerobes): Chúng có thể sinh SOD nhưng
không sinh catalase. Chúng có thể sinh trưởng được khi có hoặc không có oxy. Ví dụ:
Lactobacillus khi nuôi cấy trong ống nghiệm thạch đứng :phía trên mặt - hô hấp, phía dưới
lên men.
- VSV vi hiếu khí: sinh trưởng ở môi trường có nồng độ oxy rất thấp 2 – 10% và bị
chết khi nồng độ oxy là 20%, chúng chỉ sinh SOD nhưng không sinh catalase. Ví dụ vi
khuẩn giang mai (Treponema pallidum, vi khuẩn viêm loét dạ dày (Helicobacter pylori).
Vi khuẩn Coli (Total coliform) tồn tại trong tự nhiên, trong phân người, phân gia
súc, trong nước, trong nước thải hay trong các vật phẩm có nguồn gốc khác nhau. Theo
đặc tính nuôi cấy, người ta chia chúng làm hai nhóm:
- Fecal Coli (Escherichia coli – E.coli) có nguồn gốc từ phân (người, động vật, cá..)
Fecal Coliform hay F. coli là một loại vi khuẩn Gram âm, kị khí, hình que, không
tạo bào tử. Vi khuẩn coliform thường có nguồn gốc từ ruột của các động vật máu nóng.
Coliform phân có khả năng phát triển trong môi trường có mặt các muối mật. Khi thử
phản ứng sinh hóa chúng có đặc điểm oxydase âm tính, và tạo ra acid và khí từ lactose
trong vòng 48 giờ ở nhiệt độ 44 ± 0,5 °C.Thuật ngữ "coliform chịu nhiệt" chỉ nhóm này
thì chính xác hơn và đang được chấp nhận hơn là "coliform phân"
- Non fecal Coli (Bacterium coli) có nguồn gốc khác (đất, cây cỏ, nước thải…)
Vi khuẩn E.coli thuộc nhóm vi khuẩn đường ruột Enterobacteriaceae chúng hiện diện
nhiều ở đại tràng nên còn gọi là vi khuẩn đại tràng. Vi khuẩn E.coli nhiễm vào đất, nước…

321
từ phân của động vật. Sự có mặt của chúng chứng tỏ nước bị nhiễm phân hoặc nước thải
sinh hoạt. Chúng sẽ gây bệnh khi gặp điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của chúng.
- Hình dạng: Vi khuẩn này thuộc loại trực khuẩn Gram âm, di động bằng roi quanh tế
bào, không tạo bào tử, loại có độc lực thì có capsul, loại không có độc lực không có capsul.
Kích thước trung bình (0,5µm 1–3µm) hai đầu tròn. Một số dòng có lông bám (pili).
- Đặc điểm nuôi cấy và sinh hóa: Vi khuẩn E. coli là loại vi khuẩn kị khí tùy tiện.
Nhiệt độ thích hợp 370C nhưng có thể mọc trên 400C, pH 7,4.
- Trên môi trường VRBA (Thạch Violet red bile) tạo khuẩn lạc màu tím.
- E.coli gây bệnh truyền nhiễm tiêu chảy hay nhiễm trùng huyết trẻ sơ sinh (không
phải tất cả các E. coli đều gây bệnh, chỉ có E.coli với type huyết thanh là 0157H7 mới gây
bệnh). Ngoài ra, nước thải nhiễm E.coli còn có thể nhiễm các VSV khác có trong đường
ruột như vi khuẩn tả (Vibrio choleras), vi khuẩn lỵ (Shigella)…

II. THỰC HÀNH

1. Mục đích yêu cầu


Biết cách tiến hành các thí nghiệm xác định được các vi khuẩn gây bệnh trong nước
thải (E.coli,Coliform,Fecal coliform, Salmonella, Shigella, Vibrio cholerae…)

2. Mẫu vật, dụng cụ và hóa chất


2.1. Mẫu vật và thiết bi
- Mẫu đất 200 g, nước thải 2000 ml, rác thải hữu cơ rắn mỗi loại 200 g (trái cây bị
hỏng, rác đang phân hủy…).
- Tủ ấm: 30 ± 10C, tủ lạnh, ống nghiệm, pipette
2.2. Các môi trường xác định đặc và dịch thể
* Các MT xác định đặc tính sinh hóa của một số vi khuẩn gây bệnh thường sử dụng
4 loại môi trường sau (xem thực hành bài 2, 4 và 5)
1) Môi trường Kligler KIA) (pH 7,4):
2) Môi trường urea indole (pH 7,0):
3) Môi trường Manit – di động (pH 7,6)
4) Môi trường LDC (Lysine decarboxylase) (pH 7,5)
L–Lysine monochlohydrate….5g Glucose……………………..…1 g
Cao men……………………..3g Cồn 950………………………1 ml
NaCl ………………………..5 g Nước cất………………....1000 ml
5) Nước thịt–Peptone– Lactose (Nhận diện và kiểm tra số lượng E.coli)
Nước thịt – Peptone…….500 ml Lactose…………………………5 g
(*)
Chỉ thị màu đỏ phenol …35 ml Nước cất………………….1000 ml

322
Rót 5 ml vào mỗi ống nghiệm, có đặt sẵn ống sinh hơi Durham. Khử trùng 1210C
trong 20 phút.
(*) Cách pha chỉ thị màu đỏ phenol:
Đỏ phenol………………...0,2 g NaOH………………………...6,3 g
Nước cất vừa đủ………1000 ml
6) Môi trường thạch sunfite – fuchsine (pH 7,5)
Thạch - nước thịt - peptone 500 ml
Lactose…………………….10 g K2HPO4…………….………..3,5 g
Na2SO4……………………2,5 g Fuchsine kiềm…………….…0,4 g
Khử trùng 1210C trong 15 phút
7) Các MT điều chế sẵn
- Saline Peptone Water (SPW); Plate count agar (PCA) …
- Dung dịch Saline (SPW); Canh brilliant green bile lactose (BGBL).
- Thạch eosin methylene blue lactose (EMB)
- Canh Methyl Red Voges Proskauer (MR–VP)
- Canh Tryptone (hoặc peptone); Thạch Simmons Citrate
- Thuốc thử Methyl red 0,2%, α-naphtol 5%, thuốc thử kowacs’.
2.3. Dung dịch đệm phosphate (Để pha loãng đất và rác thải hữu cơ rắn)
Dung dịch A: Na2HPO4. H2O ....................11,876 g
Nước cất 2 lần ..................... 1000 ml
Dung dịch B: KH2PO4 ....................................9,078 g
Nước cất 2 lần ..................... 1000 ml
Để có pH 7,4 thì cho 182 ml dung dịch B vào 818 ml dung dịch A.

3. Các bước tiến hành


3.1. Xác định tổng số vi sinh vật hiếu khí
a. Nguyên tắc: Tổng vi sinh vật hiếu khí được đếm bằng cách đổ thạch đĩa và ủ
trong điều kiện hiếu khí ở 300C trong 72 giờ.
b. Tiến hành:
- Hòa tan 22,5 g vào 1000 ml nước, đun sôi cho tan rồi hấp khử trùng 15 phút ở 1210C
- Đỗ đĩa: Chuyển 1ml dung dịch dung dịch mẫu sau khi đã pha loãng ở nồng độ
thích hợp vào đĩa Petri vô trùng, mỗi nồng độ 3 đĩa, mỗi đĩa 15 – 20 ml môi trường Plate
count agar (PCA) đã được làm nguội đến 450C. Sau đó trộn điều mẫu vào môi trường nuôi
cấy. Lật ngược và đặt vào tủ ấm ở 300C/72 giờ
c. Đánh giá kết quả: Dùng mắt thường hoặc kính lúp để đếm số khuẩn lạc mọc
trên đĩa Petri (chỉ đếm đĩa Petri có số khuẩn lạc 30 – 350 khuẩn lạc) sau đó nhân với hệ

323
số pha loãng.
3.2. Phân tích vi sinh vật gây bệnh trong chất thải hữu cơ
Xác định sự có mặt của một số vi sinh vật gây bệnh
1) Xác định Escherichia coli trong nước thải
a. Nguyên tắc: Phát hiện E.coli trong nước thải dựa vào đặc điểm hình thái trên kính
hiển vi, đặc điểm nuôi cấy trên MT thạch MacConkey (hoặc thạch Brilliant green), một số
phản ứng sinh hóa đặc trưng và thử nghiệm IMVIC (xem hình màu 54 trang .

Hình 53. Thử nghiệm IMVIC: Dùng để phân biệt E.coli với các vi khuẩn đường ruột khác,
b. Chuẩn bị môi trường và nguyên liệu
- Thạch máu cơ bản (Blood agar base); Thạch MacConkey (hoặc thạch Brilliant
green), MT VP-MR; Nước peptone; Môi trường Cimon Citrate, Máu bò, bê hoặc cừu.
c) Nuôi cấy, phân lập vi khuẩn E. coli
Mẫu nước thải được nuôi cấy trên môi trường: Thạch máu, thạch MacConkey (nếu
không có thạch MacConkey thì có thể thay bằng thạch Brilliant green). Nuôi ở 370C trong
điều kiện hiếu khí24 giờ.
d) Xác định đặc tính sinh hóa (xem thực hành bài 5)
Một số đặc tính sinh hóa đặc trưng của vi khuẩn E.coli
- Indole (+), đỏ methyl (+), MR (+) Vosges Proskaueur (–), citrate (–), lactose (+)
dung huyết (±).
- Trên môi trường thạch MacConkey khuẩn lạc E.coli có màu hồng đậm, nhám,
đường kính 2–4 mm.
- Trên MT thạch Brilliant green khuẩn lạc E.coli màu vàng và MT trở nên vàng
chanh.
- Thạch máu: E. coli gây bệnh phù thường gây dung huyết thạch máu. Khuẩn lạc
màu trắng xám, tròn, bóng.
e) Kiểm tra hình thái vi khuẩn trên kính hiển vi
Lấy que cấy chấm vào khuẩn lạc nghi ngờ trên thạch máu, hòa vào gịot nước sinh lý
trên phiến kính hoặc lấy một vòng que cấy canh trùng đã nuôi cấy vi khuẩn giàn mỏng
trên phiến kính, để khô, rồi cố định tiêu bản trên ngọn lửa đèn cồn.

324
Tiêu bản sau khi đã được cố định, nhuộm bằng phương pháp Gram (xem bài 1).
Xem tiêu bản bằng vật kính dầu (×100).
Vi khuẩn bắt mầu đỏ (màu Gram âm), dạng trực khuẩn ngắn, cầu khuẩn hoặc hình
bầu dục, đứng rải rác, không thành chuỗi.
- Sau khi kiểm tra hình thái trên kính hiển vi, cấy khuẩn lạc vào môi trường thạch
McConkey.
- Chọn khuẩn lạc có mầu hồng đậm trên thạch McConkey cấy vào môi trường nước
thịt hay nước peptone để tiếp tục kiểm tra các đặc tính sinh hóa.
- Thử nghiệm IMVIC
IMVIC = sinh Indol, methyl red (MR), Voges–Proskauer (VP) và citrate)
Từ những khuẩn lạc có màu hồng đậm trên thạch MacConkey và gây dung huyết
trên thạch máu, tiến hành làm phản ứng IMViC.
Vi khuẩn E. coli có IMVIC=I+M+V‾I‾C‾
+ Sinh Indol: cấy khuẩn lạc vào môi trường nước peptone hay môi trường có chứa
tryptophan, nuôi ở 370C từ 18 giờ đến 24 giờ. Nhỏ 0,2 ml đến 0,3 ml thuốc thử Kovacs
vào môi trường đã nuôi cấy vi khuẩn, nếu trên bề mặt môi trường có vòng màu đỏ ở là
phản ứng dương tính.
+ VP: Cấy khuẩn lạc nghi ngờ vào môi trường nước VP-MR, nuôi ở 370C sau 24 giờ
nhỏ vào môi trường nuôi cấy trên 5 giọt thuốc thử VP (xem phần phụ lục), đọc kết quả sau
2 giờ phút, nếu có màu đỏ hồng là dương tính, không biến màu hoặc màu vàng là âm tính.
+ MR: Cấy khuẩn lạc nghi ngờ vào môi trường nước VP–MR, nuôi ở 370C sau 24
giờ nhỏ vào môi trường nuôi cấy trên 5 giọt dung dịch đỏ methyl trong cồn 950 (xem phần
phụ lục), đọc kết quả sau 5 phút, nếu có màu đỏ là phản ứng dương tính, có màu vàng là
âm tính.
+ Citrate: kiểm tra sự sử dụng citrate của vi khuẩn. Cấy khuẩn lạc vào thạch simon
citrate nuôi ở 370C từ 18 giờ đến 24 giờ. Vi khuẩn sử dụng citrate (dương tính) làm môi
trường chuyển từ màu xanh lá cây sang màu xanh nước biển. Âm tính khi môi trường giữ
nguyên màu xanh lá cây.
g. Đánh giá kết quả
- Thử nghiệm IMVIC của E.coli là: I+M+V‾I‾C‾: indole (+), đỏ methyl (+), Vosges
Proskaueur (–), lên men đường inositol (–), citrate simmons (–).
- Trên môi trường thạch MacConkey khuẩn lạc E.coli có màu hồng đậm, nhám,
đường kính 2–4 mm. Trên môi trường thạch Brilliant green khuẩn lạc E.coli màu vàng và
môi trường trở nên vàng chanh.
2) Xác định Coliform tổng số theo phương pháp xác định số có xác suất cao nhấtMPN
a. Nguyên tắc: Dựa vào sự lên men đường lactose ở môi trường thích hợp (thạch
Violet red bile) ở 370C trong 24 giờ. Sau đó được khẳng định lại trong MT Canh Brilliant

325
Green Bile Salt (BGBL). Coliforms sẽ sinh khí trong môi trường này ở 370C trong 24 giờ.
Phương pháp này dựa trên đặc tính của Coliform là có khả năng lên men đường
lactose và tạo thành bọt khí.
b. Chuẩn bị
- Pha chế môi trường để xác định Coliform tổng số (1):
Thành phần Môi trường đặc (g/l) Môi trường loãng (g/l)
Tryptose 40 20
Lactose 10 5
K2HPO4 5,5 2,75
NaCl 10 5
Natri lauryl sulfate 0,2 0,1

Môi trường được đưa vào ống nghiệm (1,5 cm × 16 cm) chứa ống Durham (0,2 cm
× 3cm) đặt ngược. Khử trùng ở 1210C ± 10C trong 15 phút
- Pha chế môi trường để khẳng định chắc chắn hơn Coliform (2):
Peptone……………………..10 g Xanh Brillan ……..…0,0133 g
Lactose……………………..10 g Nước cất……………..1000 ml
Mật bò khô ………………...20 g
Cách chuẩn bị môi trường tương tự như trên.
c. Tiến hành
- Lấy 5 ống môi trường đặc, thêm 10 ml mẫu vào mỗi ống.
- Chuẩn bị 5 ống môi trường loãng, thêm vào 1ml mẫu; 5 ống môi trường loãng tiếp
theo được thêm 1ml mẫu pha loãng (101). Nếu mẫu bẩn thì cần pha loãng tiếp, mỗi độ
pha loãng lại được bơm vào 5 ống môi trường loãng.
- Ủ ở nhiệt độ 370C trong 24 giờ.

(+) (–)
Hình 54. Ảnh minh họa thí nghiệm xác định khả năng sinh khí CO2
(I.L. Pepper vàC.P. Gerba, 2004)

326
c. Đánh giá kết quả: - Đếm số ống dương tính (ống có tạo thành khí trong ống
Durham), tra bảng sẽ xác định được lượng Coliform.
- Để khẳng định chắc chắn hơn đối với Coliform sử dụng môi trường (2), cũng dựa
vào khả năng tạo khí trong ống Durham.
3)Phương pháp xác định Fecal coliform (M-FC)
Môi trường xác định:
Peptone.................................... 10 g Muối mật ........................... 1,5 g
Triptose ..................................... 5 g Aniline blue ....................... 0,1 g
Lactose ................................. 12,5 g Dịch chiết nấm men.............3ml
Nước cất ...........................1000 ml NaCl...................................... 5 g
Nếu làm MT đặc thêm 20 g thạch (agar).
Đặc điểm xác định: Trên môi trường này khuẩn lạc Fecal coliform bắt màu xanh,
mặt nhẵn bóng. Môi trường này cho phép sự phát triển của Fecal coliform ở nhiệt độ cao
44,50C
4)Phương pháp xác định Salmonella
Salmonella là những trực khuẩn dài 0,6 – 0,8 µm, có nhiều lông xung quanh thân,
rất di động, không có vỏ, không sinh nha bào, bắt màu Gram âm, là tác nhân gây bệnh
thương hàn.
Môi trường phân lập Salmonella (MT xanh Brillian) (pH 7,0 – 7,2):
Cao thịt...................................... 3 g Đỏ phenol (0,2%) .............40 ml
Peptone.................................... 10 g Xanh Brillian (0,5%) .......2,5 ml
NaCl .......................................... 5 g Thạch (agare) ..................... 20 g
Lactose .................................... 10 g Nước cất ........................960 ml
0
Khử trùng 110 C trong 30 phút.
Đặc điểm khuẩn lạc: Trên môi trường này khuẩn lạc Salmonella có màu hồng nhạt,
mờ, đường kính khuẩn lạc 1 – 3 mm.
Tiêu chuẩn xác định Salmonella dựa vào các đặc tính sinh hóa:
- Lên men đường glucose kèm theo sinh hơi (trừ Salmonella typhi)
- Không lên men đường lactose, saccharose
- Indol (–), Urease (–), Sinh H2S có thể rất ít trừ Sal. paratyphi A)
- LDC (+), VP (–), RM (+); ONPG (–)
Cấy khuẩn lạc nghi ngờ lên 4 loại MT (Kligler KIA, urea indole, Manit – di động và
LDC.Để tủ ấm 370C trong 24 giờ, đọc kết quả rồi chẩn đoán theo định hướng sau:
Lactose (+) Mannite (+) LDC (+) trừ S.paratyphi
Gluose (+) Indole (–) H2S(+) trừ S.paratyphi
Di động (+) Hơi (+) trừ S.paratyphi

327
(5)Phương pháp xác định Shigella
Shigella có hình thẳng dài 1 – 3 µm, không có lông, không di động, không có vỏ,
không sinh nha bào, bắt màu Gram âm, là vi khuẩn gây bệnh lỵ.
Môi trường để phân lậpShigella DCL (Deoxycholatecitratelactose) (pH 7,3 – 7,5)
Peptone...................................... 5 g Citrate sắt.............................. 1 g
Cao thịt ..................................... 5 g Natri dezoxycholate.............. 5 g
Lactose .................................... 10 g Đỏ trung tính (1%) ..........2,5 ml
Natri citrate ............................ 8,5 g Thạch (agar......................... 20 g
Natri hyposulfite .................... 8,5 g Nước cất .......................1000 ml
Khử trùng 1100C trong 15 phút.
Đặc điểm khuẩn lạc: Trên môi trường DCL khuẩn lạc Shigella có màu hồng nhạt.
Tiêu chuẩn xác định dựa vào các đặc tính sinh hóa:
Khuẩn lạc nghi ngờ được cấy lên 4 loại MT, rồi chẩn đoán theo hướng:

Urea indole Mannite –di động Kligler LDC


Các loài
Urease Indole Di động Mannite Sinh hơi Lactose H2S LDC
S. dysenteriae – d – – – – – –
S. boydii – d – + – – – –
S.sonnei – – – + – – – –

D: Khác nhau tùy từng type


Tiêu chuẩn xác định Shigella dựa vào các đặc tính sinh hóa:
- Lên men đường glucose không sinh hơi (trừ một vài type như Shi. flexneri 6, Shi
boydii 14)
- Không lên men đường lactose (trừ một vài type lên men chậm)
- Không lên men đa số các loại đường thông thường.
- H2S (–), Indole (–), Citrate (–)
6)Phương pháp xác định Vibrio cholerae (pH 8,5 – 9,5)
Phẩy khuẩn tả có hình hơi cong như dấu phẩy, kích thước 2 – 4 µm x 0,3 – 0,6 µm,
thường có một lông ở một đầu, rất di động, không có vỏ, không sinh nha bào, bắt màu
Gram âm, là tác nhân gây bệnh tả.
Môi trường phân lập TCBS (Thiosulphate - Citrate - Bile salts - Sucrose):
Peptone.................................... 10 g NaCl................................... 10 g
Cao men .................................... 5 g Saccharose ........................ 20 g
Natri citrate ............................. 10 g Xanh bromothymol (0,2%)20 ml
Natri thiosulfate ...................... 10 g Xanh thymol (1%) .............4 ml

328
Mật bò khô ................................ 5 g Thạch .................................. 15 g
Natri cholate.............................. 3 g Nước cất .......................1000 ml
Citrate sắt………………………1 g
Đặc điểm khuẩn lạc: Trên môi trường TCBS, phẩy khuẩn tả có khả năng lên men
saccharose nên khuẩn lạc có màu vàng, to và nhẵn, các vi khuẩn khác có màu xanh.
Tiêu chuẩn xác định Vibrio choleraedựa vào các đặc tính sinh hóa:
- Lên men đường glucose, saccharose, mannose, không sinh hơi
- Không lên men đường arabinose, lactose, di động mạnh
- Indole(+), oxydase (+) , VP (±), urease (–), H2S (–), RM (–)
7) Phương pháp xác định Pseudomonas aeruginosa
Trực khuẩn mủ xanh Pseudomonas aeruginosa có hình dạng thẳng, hai đầu tròn, dài
1–5 µm, rộng 0,5–1 µm. Trực khuẩn ít khi có vỏ, có một roi ở một đầu, di động, không
sinh bào tử, bắt màu Gram âm.
Môi trường phân lập Pseudomonas aeruginosa (Môi trường SS):(pH 7,0–7,2)
Peptone...................................... 5 g Citrate sắt............................... 1g
Cao thịt...................................... 5 g Xanh brillia 0,1% ............0,3 ml
Lactose .................................... 10 g Đỏ trung tính 1% .............2,5 ml
Muối mật ................................ 8,5 g Thạch .................................. 20 g
Natri citrate ............................ 8,5 g Nước cất .......................1000 ml
Natri thiosulfate ..................... 8,5 g pH .................................. 7,0–7,2
Đặc điểm khuẩn lạc: có 2 dạng : Khuẩn lạc tròn đều, mặt nhẵn và khuẩn lạc có bờ
dẹt, nham nhở, vùng trung tâm lồi.Khuẩn lạc của Pseudomonas aeruginosa thường có ánh
xanh, tiết sắc tố màu xanh lục hoặc vàng lục. Vi khuẩn thường nhiễm vào các vết thương
hở tạo mủ xanh nên goi là vi khuẩn mủ xanh.
Tiêu chuẩn xác định Pseudomonas aeruginosa dựa vào các đặc tính sinh hóa:
Glucose (+) Indole (–) LDC (–) Sinh sắc tố màu xanh lục
Lactose (–) H2S (–) Oxydase (+)
4. Viết tường trình chi tiết
III. CÂU HỎI
1. Fecal coliform là gì? Tại sao phải nhận biết Coliform và Fecal coliform?
2. Môi trường và điều kiện nuôi cấy Coliform?
3. Nguyên tắc và phương pháp xác định Coliform? Fecal coliform?
4. Nguyên tắc và phương pháp xác định vi khuẩnSalmonella? Shigella?
5. Nguyên tắc và phương pháp xác định vi khuẩn Vibrio cholerae, Pseudomonas
aeruginosa?
6. Nhận xét về mẫu được phân tích so sánh mẫu phân tích theo TCVN ?
7. Khi thực hiện các phản ứng sinh hóa cần lưu ý những điểm gì?

329
Bài 10. THAM QUAN THỰC TẾ CƠ SỞ XỬ LÝ CHẤT THẢI

1. Mục tiêu
-Nhằm trang bị kiến thức thực tế cho sinh viên về ứng dụng VSV sản xuất và xử lý ô
nhiễm môi trường.
-Sau khi học xong sinh viên phải viết bài thu hoạch về đợt tham quan, thực tế.

2. Nội dung và địa điểm


2.1. Phương pháp thu mẫu và điều tra thực địa
-Đo tại hiện trường các chỉ tiêu:
+Nhiệt độ (bằng nhiệt kế);
+pH (bằng may đo pH);
+Oxy hòa tan (bằng máy đo DO).
-Mẫu thủy hóa được đựng trong các lọ nhựa, đậy kín nút, nước được phân tích ngay
sau khi mang về phòng thí nghiệm.
-Mẫu để xác định VSV được lấy vào lọ thủy tinh có nút mài đã được khử trùng từ
trước. Mẫu được phân tích ngay sau khi mang về phòng thí nghiệm.
2.2. Các chỉ tiêu VSV và chỉ tiêu thủy hóa được phân tích
2.2.1. Các chỉ tiêu VSV
- Các VSV thông thường: Vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm, vi khuẩn quang hợp.
- Coliform tổng số - Fecal Coliform
- Salmonella - Shigella
- Vibrio cholerae - Pseudomonas aeruginosa
2.2.2. Các chỉ tiêu thủy hóa
- Độ đục
- Chất rắn lơ lững (SS).
- H2S
- Hàm lượng oxy hòa tan (DO)
- Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5)
- Nhu cầu oxy hóa học (COD)
- NH , NO , NO ,PO
2.3.Địa điểm
-Viện Sinh học, Viện khoa học Việt Nam
-Các phòng thí nghiệm VSV hiện đại chuyên phục vụ giảng dạy và nghiên cứu về
lĩnh vực môi trường.
-Nhà máy hay xí nghiệp xử lý phế thải đô thị ở các thành phố, các tỉnh.
3. Viết bài thu hoạch (theo hướng dẫn của giảng viên).

330
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ GỢI Ý TRẢ LỜI CÁC BÀI TẬP

I. Câu hỏi ôn tập


1. Vi sinh vật học môi trường? Vai trò của các vi sinh vật trong môi trường tự nhiên?
2. Các nhóm vi sinh vật môi trường chủ yếu? Tại sao nói vi sinh vật là một hợp phần của
môi trường sống?
3. Các loại virus? Đặc điểm chung của virus? Virus khác biệt với các vi sinh vật khác ở
các đặc điểm nào?
4. Quá trình nhân lên của virus trong tế bào chủ?
5. Trình bày chi tiết sự phát triển của vi khuẩn? Phân biệt vi khuẩn hiếu khí với vi khuẩn
kị khí?
6. Thế nào là quan hệ đối kháng? Ứng dụng mối quan hệ đối kháng giữa các nhóm vi
sinh vật trong xử lý môi trường?
7. Đất trồng bị ô nhiễm do những nguyên nhân chính nào? Hiện nay ở Việt Nam đang sử
dụng các biện pháp nào để hạn chế ô nhiễm đất trồng?
8. Vai trò làm sạch nước thải của vi sinh vật? Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tự làm
sạch nước thải?
9. Các hình thức hô hấp và lên men ở vi khuẩn, ứng dụng trong xử lý môi trường?
10. Có mấy loại vi sinh vật kị khí? Cho ví dụ và nêu vai trò của vi sinh vật kị khí trong
thiên nhiên và trong đời sống con người.
11. Vai trò của vi sinh vật hiếu khí trong xử lý phế thải hữu cơ?
12. Vai trò của vi sinh vật cố định nitơ? Các biện pháp sinh học để làm tăng lượng nito
trong đất?
13. Tại sao trong thiên nhiên vi sinh vật tăng lên không tương ứng với tốc độ sinh sản vô
cùng nhanh chóng của nó?.
14. Các tác nhân gây bệnh trong nước thải? Vai trò của vi sinh vật kị khí trong môi trường
tự nhiên?
15. VSV tham gia phân giải chất hữu cơ chứa cellulose? Các phương pháp xử lý phế thải
hữu cơ bằng công nghệ vi sinh vật?
16. Quy trình xử lí kị khí nước thải sinh hoạt bằng công nghệ vi sinh vật?
17. Nguyên lý chung của quá trình xử lý sinh học hiếu khí? Các yếu tố môi trường ảnh
hưởng đến quá trình xử lý nước thải hiếu khí?
18. Trình bày mối quan hệ tương hỗ giữa vi sinh vật – đất, vi sinh vật với cây trồng? Ứng
dụng trong bảo vệ môi trường?
19. Một số biện pháp vi sinh góp phần bảo vệ môi trường hiện nay?
20. Một số định hướng nghiên cứu hiện nay về vi sinh vật học môi trường của Việt Nam?

331
II. Gợi ý trả lời các bài tập
Mở đầu
Chọn đáp án đúng nhất:
6. j. Tất cả các nhóm trên; 7. d. Tất cả các ý trên
Điền vào các chỗ trống:
8. Archaea (cổ khuẩn), Bacteria (vi khuẩn), Eukarya (cơ thể nhân thực);
9. Vi môi trường.
Chương 1. Vi sinh vật nhân sơ
Chọn đáp án đúng nhất:7. A. 1-2-3-4; 8. d. Các phospholipid;9. d. Nó bảo vệ tế bào
khỏi lực thẩm thấu.
10. So sánh một số tính chất giữa vi khuẩn (Bacteria) và cổ khuẩn (Archaea)

Đặc điểm so sánh Bacteria Archaea


a. Tế bào có dạng hình vuông hoặc hình  +
sao
b. Không hình thành nội bào tử  +
c. Không có intron trong gene (hệ gene + 
không phân mãnh, gene liên tục)
d. Nhiều loài sinh methane và dinh dưỡng  +
methane
e. Sống trong điều kiện sinh thái đặc biệt  +
f. Lipid màng có glycerol, acid béo mạch + 
thẳng và liên kết ester
j. Có thymine trong RNAt + 

Điền vào các chỗ trống: 11. a. Chất nhân, màng nhân; b. Ti thể, lưới nội chất, bộ
máy Golgi; c. PG hay peptidoglycan; d. 70S; 12. a. Thể nghỉ; b. một
Chương 2. Vi sinh vật nhân thực
Chọn đáp án đúng nhất:8. c. Cơ thể đa bào; 9. b. Những vi sinh vật nhân thực
10. Điền vào bảng so sánh một số đặc điểm giữa vi khuẩn, vi nấm và vi tảo
Đặc điểm so sánh Vi khuẩn Vi nấm Vi tảo
a. Loại ribosome tế bào chất 70S 80S 80S
Chitin,
b. Chất đặc trưng ở thành tế bào PG (peptidoglycan) Cellulose
hemicellulose
PHB, glycogen, tinh
c. Dạng dự trữ glucose Glycogen Tinh bột
bột (tùy loài)
d. Quan hệ với oxygen Kị khí đến hiếu khí Hiếu khí Hiếu khí

332
Điền vào các chỗ trống:
11. a. Nhân thực; b. Chitin hay hợp chất chứa chitin; c. Cellulose;d.Lục lạp; e. Hoại
sinh, kí sinh, cộng sinh; f. bằng bào tử; J. Lông; i. Roi
Chương 3. Virus học
Chọn đáp án đúng nhất:
6. c. Có màng bọc bên ngoài vỏ capsid, có lông dính kết hồng cầu;
7. a, b, d.; 8. So sánh một số đặc điểm (có (+)/Không ()của virus với một số loại
VSV khác:
Nuôi cấy
Đối tượng Có Phân Có DNA và Kí sinh
được trên
so sánh ribosome đôi RNA mức độ
MT nhân tạo
Virus     có một loại Phân tử
Micoplasma + + + + /+
Rickettsia /+ + + + /+
Clamydia /+ + + + /+

Điền vào các chỗ trống:9. a.Gai; b. Carbohydrate; c.Protein; d. Thụ thể (receptor)
10. a.Viroid; b. Khoai tây, cà chua, dừa...
11. Prion
12. a.Vi khuẩn; b.Gây tan (lytic); c. Tế bào tiềm tan (lyzogenic cell)
13. a. Nhân lên; b. Acid nucleic; c. Hệ thống enzyme của tế bào, d. Lõi acid nucleic,
vỏ là protein.
Chương 4. Sinh lý học vi sinh vật
Chọn đáp án đúng nhất: 8. d. Là những cơ thể quang tự dưỡng carbon.9. Nghiên cứu
chất nhận electron được sử dụng trong quá trình hô hấp, các nhóm VSV tham gia chủ yếu
là:
(1) Tất cả vi khuẩn hiếu khí, nấm, động vật nguyên sinh, vi tảo.
(2) Vi khuẩn đường ruột; (3) Pseudomonas, Bacillus;
(4) Desulfovibrio, Deufotomaculum;
(5) Vi sinh vật sinh methane; (6) Desufuromonas, Thermoproteus
(7) Pseudomonas, Bacillus.
10. Nấm men rượu phân giải glucose
a. Khi có oxygen phân tử: Glucose EMP (aldolase) oxy hóa pyruvatechu
trình Krebs chuỗi vận chuyển điện tử CO2 + H2O + nhiều năng lượng. Tế bào nấm
men có nhiều năng lượng, sinh trưởng nhanh, nẩy chồi nhiều.
b. Khi không có oxy phân tử: Glucose pyruvate decarboxylase
alcoholdehydrogenase ethanol + CO2 + năng lượng ít (2% năng lượng glucose) nấm

333
men ít nẩy chồi, sinh trưởng chậm.
Điền vào các chỗ trống:11. a. Đơn vị hình thành khuẩn lạc; b.CFU–Colony -forming
unit; c.đơn độc (riêng biệt); 12. a. Máy đo độ đục; b. Hấp phụ (absorption), c. Tỉ lệ thuận;
13. a. Không liên tục; b. Batch; c. Liên tục, d. Lấy khỏi nồi phản ứng (nồi lên men).
Chương 5. Vi sinh vật môi trường đất
Chọn đáp án đúng nhất:
12. d. Tất cả các yếu tố trên đều được sử dụng để trợ giúp sinh trưởng của các VSV
đất
13. b. Vùng rễ
14. c. Cả a và b đều đúng
Điền vào chỗ trống:
15. Đất vô cơ (Mineral soil);
16. Chất mùn (Humus)
Chương 6. Vi sinh vật môi trường không khí
Chọn đáp án đúng nhất:
5. d. Cả ba ý trên
6. a, b, c
7. d. Tất cả phương pháp trên
Điền vào chỗ trống:
8.a.Bụi đất bẩn, hơi nước mang VSV; b.Sự hô hấp;
9. a. hoặc các giọt chất lỏng lơ lững trong không khí; b.chất khí khác, c. được hấp thụ.
Chương 7. Vi sinh vật môi trường nước
Chọn đáp án đúng nhất
6.b. Các hồ phú dưỡng; 7.d. Thiobacillus thiooxidans
Điền vào chỗ trống:
8. BOD
9. Thực vật phù du (Phytoplankton)
10. Vi khuẩn nano, vi khuẩn siêu nhỏ
Chương 8. Vi sinh vật môi trường cực trị
Chọn đáp án đúng nhất:
5. c. Nó chuyển động trườn và chuyển động lên xuống bên trong một cái bao chứa
các chất dinh dưỡng mà nó cần;
6. j. Cả 5 nhóm trên
Điền vào chỗ trống:
7. a. Cực đoan; b. ưa cực đoan
8. a. H2 ; b. acetate

334
9. a. Sự khuếch tán oxygen thấp; b.thiếu oxygen; c. thiếu khí.
Chương 9. Vi sinh vật ứng dụng trong xử lí phế thải
Chọn đáp án đúng nhất:
7.d. Sự tiệt trùng (Sterilization)
8.a. Các quá trình sinh học
9.b. Xử lí bùn hoạt tính
Điền vào chỗ trống:
10. Sự tiệt trùng (Sterilization); 11. DNA; 12. Chất kháng sinh. (Antibiotic)
Chương 10. Chế phẩm vi sinh vật và cách sử dụng
Chọn đáp án đúng nhất: 7.j. Tất cả các bước trên; 8. Chủng xạ khuẩn sinh kháng tạo
chế phẩm dùng trong bảo vệ thực vật được chọn theo những tiêu chuẩn sau:
a. Hoạt lực kháng sinh cao; b. Hoạt phổ kháng sinh rộng; c. Giữ được hoạt tính khi
đưa vào đồng ruộng; d. Không độc đối với cây trồng, người, động vật và các VSV khác.e.
Không thuộc loại kháng sinh dùng trong y học.
9. Những điểm cần lưu ý khi sử dụng chế phẩm thuốc trừ sâu VSV trong bảo vệ
thực vật.
a. Chế phẩm còn hạn sử dụng và không bị tạp nhiễm
b. Đúng đối tượng, đúng thời điểm và liều lượng cần thiết
c. Tránh ánh nắng mặt trời chiếu trực tiếp vào chế phẩm
d. Tránh sử dụng đồng thời thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ.
10. Một số điểm cần chú ý khi sử dụng phân vi sinh vật của Việt Nam
Phân vi sinh vật sản xuất ở nước ta thường có dạng bột màu nâu, đen, vì phần lớn
các nơi sản xuất đã dùng than bùn làm chất độn, chất mang vi khuẩn.
Phân vi sinh vật sản xuất trong nước thường được sử dụng bằng cách trộn với các
hạt giống đã được vảy nước để ẩm hạt trước khi gieo 10 – 20 phút. Nồng độ sử dụng là
100 kg hạt giống trộn với 1 kg phân vi sinh vật.
Các chế phẩm vi sinh vật sản xuất trong nước thường không cất giữ được lâu.
Thường sau từ 1 đến 6 tháng hoạt tính của các vi sinh vật trong chế phẩm giảm mạnh. Vì
vậy, khi sử dụng cần xem kỹ ngày sản xuất và thời gian sử dụng được ghi trên bao bì.
Chế phẩm vi sinh vật là một vật liệu sống, vì vậy nếu cất giữ trong điều kiện nhiệt
độ cao hơn 300C hoặc ở nơi có ánh nắng trực tiếp chiếu vào, thì một số vi sinh vật bị chết.
Do đó hiệu quả của chế phẩm bị giảm sút. Cần cất giữ phân vi sinh vật ở nơi mát và không
bị ánh nắng chiếu vào.
Phân vi sinh vật thường chỉ phát huy tác dụng trong những điều kiện đất đai và khí
hậu thích hợp. Thường chúng phát huy tốt ở các chân đất cao, đối với các loại cây trồng cạn.
Điền vào chỗ trống:
11.a. Bột; b. nước; 12.a. Hòa vào nước; b. tưới vào gốc cây.

335
PHỤ LỤC HÌNH MÀU

Hình 1–4. Sơ đồ minh họa cấu trúc thành tế bào vi khuẩn Gram âm và Gram dương
( Pepper et al. 2015, vẽ bởi Wayne L. Miller, McGill University)

Hình 1–5. Mô hình cấu trúc màng sinh chất (Peter Raven et al., 2017)

336
Hình 2–2. Cấu trúc thành tế bào nấm (Pepper et al., 2015)

(A) (B)

Hình 2-5. Hình ảnh chụp dưới kính hiển vi điện tử quét màu sợi nấm mang bào tử. (A), nấm mốc
Rhizopus; (B), Penicillium roquefortii (Jeffrey et al., 2011)

337
Hình 6-4. Tủ cấy vô trùng (trái) và Dòng không khí trong tủ cấy vô trùng mặt cắt trước và bên
(phải). Dòng không khí chưa được lọc (màu xanh) khi được bơm không khí bơm vào và qua màng
lọc HEPA thành không khí sạch trước khi được thổi vào trong buồng làm việc tránh cho mẫu vật
bị nhiễm bởi không khí bên ngoài. Không khí sạch ở trong buồng làm việc trở nên bị nhiễm (màu
đỏ) từ mẫu vật sẽ được thổi qua màng lọc trước khi thải ra ngoài môi trường.

Chaetoceros debilis (tảo cát) Oocystis sp. Volvox sp.

Ceratium sp. Calanoida sp. Hyperia macrocephala

Hình 7–3. Sinh vật phù du.

338
Proton

ADP + Pi
ATP

Hình 7–5. Cấu trúc protein rhodopsin ở màng tế bào (Delong et al., 2010)
Vi khuẩn phù du (trái) và cấu trúc protein rhodopsin (phải). (1) Protein rhodopsin sử
dụng ánh sáng mặt trời để chuyển proton xuyên qua màng tế bào; (2) proton ngoài tế
bào; (3) Enzyme ATPase chuyển proton sử dụng lực vận chuyển proton để tổng hợp
ATP (5) từ ADP + Pi (4).

(a) (b) (c)

(d) (e) (g)


Hình 9-13. Một số chủng VSV sử dụng trong xử lý phế thải
a–Các khuẩn lạc xạ khuẩn màu trắng –Actinomadura madurae, màu vàng –Nocardia, đỏ –
Micromonospora spp.; b– Cellulomonas; c–Actinomycetes; d–Metarhizium anisopliae; e–
Lactobacillus acidophylus; g– Bacillus subtilis.

339
Hình 25. Khả năng sinh indole Hình 26. Khả năng sinh H2S

Hình 27. Khả năng phân giải urea Hình 28. Khả năng lên men carbohydrate

(+) () (+) ()

Hình 29. Phản ứng đỏ methyl (RM) Hình 31. Khả năng sử dụng citrate

340
(+) () () (+)

Hình 30. Phản ứng V.P. Hình 32. Khả năng enzyme catalase

Ho¹ t tÝnh amylase Ho¹ t tÝnh cellulase Ho¹t tÝnh protease

Hình 51. Hoạt tính enzyme của vi sinh vật

Vßng v« khuÈn

Khoanh giÊy tÈm


chÊt kh¸ng sinh

Hình 52. Vòng vô khuẩn tạo thành quanh các khoanh giấy tẩm chất kháng sinh
(Prescot L. M., Harley J. P., Klein D. A., 2002)

Hình 53. Thử nghiệm IMVIC: Dùng để phân biệt E.coli với các vi khuẩn đường ruột khác

341
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt
1. Kiều Hữu Ảnh, 1999. Giáo trình Vi sinh vật họchọc công nghiệp. NXB KH và KT.
2. Kiều Hữu Ảnh, 2006. Giáo trình Vi sinh vật học Lý thuyết và bài tập giải sẵn. NXB
KH & KT, Hà Nội.
3. Lê Huy Bá, 2000. Môi trường. NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh.
4. NguyễnLân Dũng, NguyễnĐình Quyến, Phạm Văn Ty, 2003. Vi sinh vật học, NXB
Giáo dục.
5. Nguyễn Lân Dũng dịch,1983. Thực tập Vi sinh vật, Egorov N.X., NXB Mir, Maxcơva,
NXB ĐH&THCN Hà Nội.
6. Nguyễn Thành Đạt, 2008. Câu hỏi và bài tập vi sinh học. NXB ĐHSP.
7. Tăng Văn Đoàn, 2001. Kỹ thuậtmôi trường. NXB Giáo dục.
8. Vũ Thị Minh Đức, 2001.Thực tập vi sinh vật học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội.
9. Hòang Huệ, 1996. Xử lý nướcthải. NXB Xây dựng.
10. TrịnhXuân Lai, 2000. Tính toán thiếtkế các côngtrình xử lý nướcthải. NXB Xây dựng.
11. Biền Văn Minh (chủ biên), Kiều Hữu Ảnh, Phạm Ngọc Lan, Đỗ Thị Bích Thủy, Ngô
Thị Tường Châu, 2013. Vi sinh vậthọc công nghiệp,NXBĐại học Quốc gia Hà Nội.
12. Lê Quốc Tuấn, 2009. Vi sinh môi trường, Trường ĐHNL, Tp. Hồ Chí Minh.
13. Trần Linh Thước,Phương pháp phân tích vi sinh vật trong nước, thực phẩm và
mỹ phẩm, NXB Giáo dục.
14. Mai Đình Yên, 1990. Cơ sở sinh thái học, ĐH Tổng hợp Hà nội.
Tiếng Anh
15. Bertrand J. C.,Caumette P.,Lebaron P., Matheron R., Normand P., Sime-Ngando T.,
2011. Environmental Microbiology: Fundamentals and Applications. Springer.
16. Bitton G., 2005. Wastewater Microbiology, 3rd ed., John Wiley & Sons, Inc.
17. Bowen H. J. M, 1966, Trace metals in biochemistry. Academic Press, New York.
18. Cowan M. K. Bunn J., Atlas R. M., Smith H., 2016. Microbiology fundamentals: a
clinical approach, 2nd ed., McGraw-Hill.
19. Hurst C.J., , Crawfod R. L., 2002.Manualof Environmental Microbiology,ASM Press.
20. Madsen E. L., 2008. Environmental Microbiology: From genomes to biogeochemistry,
1st ed., Blackwell Publishing Ltd., USA.
21. Mitchell R., Ji-Dong Gu, 2009. Environmental microbiology, 2nd ed., Wiley-
Blackwell.
22. Okafor N., 2011. Environmental Microbiology of Aquatic and Waste Systems,

342
Springer.
23. Pepper I. L. Gerba C. P., 2004. Environmental Microbiology A Laboratory
Manual (http://site.iugaza.edu.ps/tbashiti/files/2010/02/Environmental_Microbiology.p
df)
24. Pepper I. L., Gerba C. P.,GentryT. J., 2015. Environmental Microbiology, 3rd edition.
Academic Press, USA.
25. Pommerville J. C., 2010. Alcamo’s fundamental Microbiology, 9th ed., Jones &
Bartlett Publishers.
26. Prescot L. M., Harley J. P., Klein D. A., 2002. Microbiology, McGraw-Hill.
27. Prescot L. M., Harley J. P., Klein D. A., 2002. Microbiology– Laboratory, McGraw-
Hill.
28. Raven P. Johnson G., Mason K., Losos J., Singer S., 2017. Biology, 11th edition.
McGraw-Hill.
29. Tchobanoglous G., Burton F. L., 1991. Wastewater Engineering: Treatment Disposal
Reuse, McGraw-Hill.

343

You might also like