Bài giảng vi sinh vật kỹ thuật môi trường

CHƯƠNG I - THẾ GIỚI VI SINH VẬT
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG:
Vi sinh vật là tên gọi chung ñể chỉ các loài sinh vật có kích thước nhỏ bé, ta chỉ có
thể thấy nó dưới kính hiển vi.
Vi sinh vật phân bố rộng rãi trong tự nhiên: trong ñất, nước, không khí, trên cơ thể
các sinh vật khác, trên lương thực, thực phẩm và các loại hàng hóa. Chẳng những thế, sự
phân bố của chúng còn theo một hệ sinh thái vô cùng phong phú, ña dạng, từ lạnh ñến nóng,
từ chua ñến kiềm, từ hiếu khí ñến kị khí,... Do sự phân bố rộng rãi và do hoạt ñộng mạnh mẽ
nên vi sinh vật có tác dụng rất lớn trong việc tham gia các vòng tuần hoàn vật chất trên trái
ñất cũng như tham gia vào các quá trình sản xuất nông nghiệp. Trong thiên nhiên, vi sinh
vật giữ những mắt xích trọng yếu trong sự chu chuyển liên tục và bất diệt của vật chất, nhờ
có vi sinh vật mà chu trình tuần hoàn vật chất ñược khép kín, nếu không có vi sinh vật hay
vì một lý do nào ñó mà hoạt ñộng của vi sinh vật bị ngừng trệ dù chỉ trong thời gian ngắn,
có thể nó sẽ làm ngưng mọi hoạt ñộng sống trên trái ñất. Khi khoa học phát triển, biết rõ vai
trò của vi sinh vật, thì việc ứng dụng nó trong sản xuất và ñời sống ngày càng rộng rãi và có
hiệu quả lớn.
Trong việc bảo vệ môi trường, người ta ñã sử dụng vi sinh vật làm sạch môi
trường: xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong ñiều kiện hiếu khí hay kị khí ñều là
những biện pháp ñem lại hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí xử lý, vi sinh vật ñược ứng dụng
trong việc sản xuất phân bón hữu cơ từ các loại chất thải rắn hữu cơ hay trong bùn thải,
dùng vi sinh vật ñể sản xuất ra thuốc bảo vệ thực vật không gây ñộc hại cho môi trường, bảo
vệ mối cân bằng sinh thái.
Vi sinh vật có một số các ñặc ñiểm chung sau ñây:
1.1.1 Kích thước nhỏ bé:
Vi sinh vật thường ñược ño kích thước bằng ñơn vị là micromet
(1µm= 10-3mm hay 10-6m). Virus ñược ño kích thước ñơn vị bằng nanomet (1nn=10 -6mm
hay 10 -9m).
Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong 1 ñơn vị thể tích càng
lớn. Chẳng hạn ñường kính của 1 cầu khuẩn (Coccus) chỉ có 1mm, nhưng nếu xếp ñầy
chúng thành 1 khối lập nhưng có thể tích là 1cm3 thì chúng có diện tích bề mặt rộng tới ...6
m2 !

Hình 1.1: Kích thước của các loại vi sinh vật
1.1.2 Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh:
Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thu và
chuyển hoá vượt xa các sinh vật khác. Chẳng hạn 1 vi khuẩn lắctic (Lactobacillus) trong 1
giờ có thể phân giải ñược một lượng ñường lactose lớn hơn 100-10.000 lần so với khối
lượng của chúng. Tốc ñộ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1.000 lần so với ñậu tương
và gấp 100.000 lần so với trâu bò.
1.1.3 Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh:
Vi sinh vật có khả năng sinh trưởng và phát triển mạnh hơn các loài sinh vật khác.
Chẳng hạn, 1 trực khuẩn ñại tràng (Escherichia coli ) trong các ñiều kiện thích hợp chỉ sau
12-20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3
lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4.722.366.500.000.000.000.000.000 tế bào (4 722
366. 1017), tương ñương với 1 khối lượng ... 4722 tấn. Tất nhiên trong tự nhiên không có
ñược các ñiều kiện tối ưu như vậy (vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩm trao
ñổi chất có hại...). Trong nòi lên men với các ñiều kiện nuôi cấy thích hợp từ 1 tế bào có thể
tạo ra sau 24 giờ khoảng 100.000.000- 1.000.000.000 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men
dài hơn, ví dụ với men rượu (Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút. Với nhiều vi sinh vật
khác còn dài hơn nữa, ví dụ với tảo Tiểu cầu ( Chlorella ) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc
là 23 giờ...Có thể nói không có sinh vật nào có tốc ñộ sinh sôi nảy nở nhanh như vi sinh
vật.
1.1.4

Năng lực thích ứng mạnh, dễ phát sinh biến dị:


Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật ñã tạo cho mình những cơ chế ñiều hoà
trao ñổi chất ñể thích ứng ñược với những ñiều kiện sống rất khác nhau, kể cả những ñiều
kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác tgường không thể tồn tại ñược. Có vi sinh vật sống

ñược ở môi trường nóng ñến 1300C, lạnh ñến 0-50C, mặn ñến nồng ñộ 32% muối ăn, ngọt
ñến nồng ñộ mật ong, pH thấp ñến 0,5 hoặc cao ñến 10,7, áp suất cao ñến trên 1103 at hay
có ñộ phóng xạ cao ñến 750 000 rad. Nhiều vi sinh vật có thể phát triển tốt trong ñiều kiện
tuyệt ñối kỵ khí, có loài nấm sợi có thể phát triển dày ñặc trong bể ngâm tử thi với nộng ñộ
Formol rất cao...
Vi sinh vật ña số là ñơn bào, ñơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực
tiếp với môi trường sống ... do ñó rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần số biến dị thường ở
mức 10-5-10-10. Chỉ sau một thời gian ngắn ñã có thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể
biến dị ở các hế hệ sau. Những biến dị có ích sẽ ñưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất. Nếu
như khi mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ ñạt 20 ñơn vị/ml dịch lên men (1943) thì
nay ñã có thể ñạt trên 100 000 ñơn vị/ml. Khi mới phát hiện ra acid glutamic chỉ ñạt 1-2g/l
thì nay ñã ñạt ñến 150g/ml dịch lên men.
1.1.5 Phân bố rộng, chủng loại nhiều:
Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên Trái ñất, trong không khí, trong ñất, trên núi
cao, dưới biển sâu, trên cơ thể, người, ñộng vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi ñồ vật...
Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-ñịa-hoá
học (biogeochemical cycles) như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn N, vòng tuần hoàn P,
vòng tuần hoàn S, vòng tuần hoàn Fe...
Trong nước vi sinh vật có nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nông
(limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng ñáy ao hồ (benthic
zone).
Trong không khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ít. Số lượng vi sinh vật
trong không khí ở các khu dân cư ñông ñúc cao hơn rất nhiều so với không khí trên mặt biển
và nhất là trong không khí ở Bắc cực, Nam cực...
Hầu như không có hợp chất carbon nào (trừ kim cương, ñá graphít...) mà không là
thức ăn của những nhóm vi sinh vật nào ñó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol.
dioxin...). Vi sinh vật có rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau: quang tự dưỡng
(photoautotrophy),
quang dị
dưỡng (photoheterotrophy),

hoá
tự
dưỡng
(chemoautotrophy), hoá dị dưỡng (chemoheterotrophy).
1.1.6 Là sinh vật ñầu tiên xuất hiện trên trái ñất


Trái ñất hình thành cách ñây 4,6 tỷ năm nhưng cho ñến nay mới chỉ tìm thấy dấu
vết của sự sống từ cách ñây 3,5 tỷ năm. ðó là các vi sinh vật hoá thạch còn ñể lại vết tích
trong các tầng ñá cổ. Vi sinh vật hoá thạch cổ xưa nhất ñã ñược phát hiện là những dạng rất
giống với Vi khuẩn lam ngày nay. Chúng ñược J.William Schopf tìm thấy tại các tầng ñá cổ
ở miền Tây Australia. Chúng có dạng ña bào ñơn giản, nối thành sợi dài ñến vài chục mm
với ñường kính khoảng 1-2 mm và có thành tế bào khá dày. Trước ñó các nhà khoa học
cũng ñã tìm thấy vết tích của chi Gloeodiniopsis có niên ñại cách ñây 1,5 tỷ năm và vết tích
của chi Palaeolyngbya có niên ñại cách ñây 950 triệu năm.
1.2 CẤU TẠO TẾ BÀO VI SINH VẬT
Tế bào sinh vật ñược chia thành hai nhóm: nhóm tiền nhân procaryote như vi
khuẩn, vi rút; nhóm có nhân thật eucaryote như nấm ñộng vật nguyên sinh, tế bào ñộng vật
và thực vật. Virut những kí sinh nội bào bắt buột thì không thuộc hai nhóm tế bào này.
Những ñặc ñiểm chính ñể phân biệt hai nhóm procaryote và eucaryote như sau:
1. Tế bào eucaryote thường phức tạp hơn tế bào procaryote.
2. Ở tế bào eucaryote thì AND có màng nhân ñược gắn với histon của những protein
khác.
3. Ở tế bào eucaryote thì các bào quan thường có màng bao bọc.
4. Ở tế bào procaryote thường sinh sản bằng cách tự nhân ñôi trong khi tế bào eucaryote
thường sinh sản bằng con ñường phân bào giảm phân.
5. Trong tế bào procaryote thường vắng mặt các bào quan như lưới nội chất, bộ máy
Golgi, ty thể, lục lạp,…
Bảng 1.1 So sánh procaryote và eucaryote
Các cơ quan

Procaryote
(Vi khuẩn)

Vách tế bào

Có ở hầu hết procaryote

Màng tế bào
Ribosome
Lục lạp
Ty thể

Lớp ñôi photpholipid
Kích thước 70S
Không
Không có, hô hấp thực hiện ở
màng nguyên sinh chất
Không
Không
Có ở một số loại
Có ở một số loại

Thể Golgi
Lưới nội chất
Không bào
Bào tử

Eucaryote
(Nấm, ñộng vật nguyên sinh,

tảo)
Không có ở tế bào ñộng vật,
có ở tế bào thực vật, tảo và
nấm.
Lớp ñôi photpholipid + sterol
Kích thước 80S
Có
Có
Có
Có
Không
Không


Chuyển ñộng
Màng nhân
AND

Tiên mao gồm một sợi
Không
Sợi ñơn

Phân chia tế bào
Khả năng cố ñịnh Nitơ
Tiên mao
Kích thước tế bào
Ty thể

Nhân ñôi
Có

0.01 – 0.02 microns
0.2 - 2.0 microns
Không

Hệ sợi tiêm mao hay roi
Có
AND gắn với histon ở một vài
NST
Giảm phân
Không
Khoảng 0.2 microns
> 0.2 microns
có

Chúng ta sẽ xem xét cấu tạo tế bào vi khuẩn (là nhóm vi sinh vật ñược ứng dụng
nhiều nhất trong ngành kỹ thuật môi trường).
1.2.1 Thành tế bào:
Thành tế bào (cell wall) giúp duy trì hình thấi của tế bào, hỗ trợ sự chuyển ñộng
của tiên mao (flagellum), giúp tế bào ñề kháng với áp suất thẩm thấu, hỗ trợ quá trình phân
cắt tế bào , cản trở sự xâm nhập của một số chất có phân tử lớn, liên quan ñến tính kháng
nguyên , tính gây bệnh, tính mẫn cảm với Thực khuẩn thể (bacteriophage).
Năm 1884 H.Christian Gram ñã nghĩ ra phương pháp nhuộm phân biệt ñể phân chia
vi khuẩn thành 2 nhóm khác nhau: vi khuẩn Gram dương (G+) và vi khuẩn Gram âm (G-).
Phương pháp nhuộm Gram về sau ñược sử dụng rộng rãi khi ñịnh loại vi sinh vật. Thành
phần hoá học của 2 nhóm này khác nhau chủ yếu như sau :

Gram dương

Gram âm

Thành phần

Tỷ lệ % ñối với khối lượng

khô của thành tế bào

Peptidoglycan

30-95

5-20

Acid teicoic (Teichoic
acid)

Cao

0

Lipid

Hầu như không có

20

Protein

Không có hoặc có ít

Cao

Hình 1.2 Cấu tạo thành tế bào ở vi khuẩn Gram+ và vi khuẩn GramMàng sinh chất (plasma membrane); Màng ngoài (outer membrane); Chu chất
(Periplasmic space)
1.2.2 Màng sinh chất:
Màng sinh chất hay Màng tế bào chất (Cytoplasmic membrane, CM) ở vi khuẩn
cũng tương tự như ở các sinh vật khác. Chúng cấu tạo bởi 2 lớp Phospholipid (PL), chiếm
30-40% khối lượng của màng, và các protein (nằm trong, ngoài hay xen giữa màng), chiếm
60-70% khối lượng của màng. ðầu phosphat của PL tích ñiện, phân cực, ưa nước; ñuôi
hydrocarbon không tích ñiện, không phân cực, kỵ nước.
Màng có các chức năng chủ yếu sau ñây:
Khống chế sự qua lại của các chất dinh dưỡng, các sản phẩm trao ñổi chất
Duy trì áp suất thẩm thấu bình thường trong tế bào.
Là nơi sinh tổng hợp các thành phần của thành tế bào và các polyme của bao nhày
(capsule).
Là nơi tiến hành quá trình Phosphoryl oxy hoá và quá trình Phosphoryl quang hợp (ở
vi khuẩn quang tự dưỡng)
Là nơi tổng hợp nhiều enzym, các protein của chuỗi hô hấp.
Cung cấp năng lượng cho sự hoạt ñộng của tiên mao.
1.2.3 Tế bào chất:
Tế bào chất (TBC-Cytoplasm) là phần vật chất dạng keo nằm bên trong màng sinh
chất, chứa tới 80% là nước. Trong tế bào chất có chứa các chất dự trữ, các hạt volutin,
protein, acid nucleic, hydrat carbon, lipid, các ion vô cơ và nhiều nhiều chất khác có khối


lượng phân tử thấp. Các quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh xật xảy ra chủ
yếu trong tế bào chất.
1.2.4 Nang tế bào :

Nang ñược cấu tạo từ các cao phân tử ngoại bào, bao quanh tế bào, cấu tạo từ các

polysaccharid. Ở một số tế bào khác, nang bao gồm những chất cao phân tử cấu trúc lỏng
lẻo và chúng có thể rải rác trong các môi trường nuôi cấy.
Nang có chức năng:
Nang ñóng góp tính ñộc của các vi khuẩn gây bệnh.
Những tế bào ñược bao bọc bởi nang có thể chống lại ñược sự thực bào.
Những chất cao phân tử ngoại bào có thể giúp cho vi khuẩn hấp thu vào các bề mặt
khác nhau như bám vào răng, bám vào những bề mặt nhớt nhày, ống nước.
Nang bảo vệ tế bào khỏi bị khô.
Chúng ñóng vai trò quan trọng trong việc tạo phức với kim loại ñặc biệt trong các
công trình xử lí nước thải.
Chúng giúp cho sự tạo bông bùn trong quá trình bùn hoạt tính.

Hình 1.3: Cấu tạo nang tế bào
1.3 VẬT LIỆU DI TRUYỀN
Ở tế bào procaryote, Thể nhân (Nuclear body) ở vi khuẩn là dạng nhân nguyên
thuỷ, chưa có màng nhân nên không có hình dạng cố ñịnh, và vì vậy còn ñược gọi là vùng
nhân. Khi nhuộm màu tế bào bằng thuốc nhuộm Feulgen có thể thấy thể nhân hiện màu tím.
ðó là 1 nhiễm sắc thể (NST, chromosome) duy nhất dạng vòng chứa 1 sợi ADN xoắn kép
(ở Xạ khuẩn Streptomyces có thể gặp nhiễm sắc thể dạng thẳng). NST ở vi khuẩn
Escherichia coli dài tới 1mm, có khối lượng phân tử là 3.109, chứa 4,6.10 6 cặp base Nitơ.


Thể nhân là bộ phận chứa ñựng thông tin di truyền của vi khuẩn. Phân tử AND có vòng
ñơn, chúng tồn tại bên trong tế bào và không bao quanh màng nhân. Procaryote có thể chứa
một phân tử AND nhỏ vòng ñơn gọ là plasmid.
Eucaryote có nhân rõ ràng và có màng nhân bao quanh. Màng nhân có các lỗ rất
nhỏ cho phép trao ñổi chất giữa bên trong chất nhân và nguyên sinh chất của tế bào. AND
liên kết với các cầu histon tồn tại ở các nhiễm sắc thể. Tế bào phân chia bằng gián phân,
trong ñó bắt ñầu sự nhân ñôi nhiễm sắc thể. Mỗi tế bào con lại mang một bộ nhiễm sắc thể
giống tế bào mẹ.

Các acid di truyền gồm các ADN (acid deoxyyrribonucleic) và ARN (acid
ribonucleic). Phân tử ADN là chuỗi xoắn kép gồm hàng triệu ñơn vị gọi là nucleotid.
Nucleotid liên kết với nhau qua các cầu nối Phospho. Nhóm hydroxyl của ñường pentose
[C3’] sẽ liên kết với nhóm phosphate của [C’] của pentose kế tiếp. Có 4 base cơ bản của
ADN, 2 purin là adenin và guamin, 2 pyrimidin là cytosin và thymin. Các base sẽ bắt cặp
với nhau thông qua các cầu nối hydro, guamin luôn bắt cặp với cytosin, còn adinin luôn bắt
cặp với thymin.
ARN thường chỉ có một sợi, (một số virus có sợi ñôi ARN) và chứa ñường ribose
thay vì deoxyribose, urasil thay vì thymin.
1.2

CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHỦ YẾU

1.4.1 Vi khuẩn
Vi khuẩn thuộc nhóm vi sinh vật chưa có nhân chính thức. Vi khuẩn là nhóm vi
sinh vật chủ yếu và có ý nghĩa lớn nhất trong ngành kỹ thuật môi trường. Vi khuẩn là nhóm
vi sinh vật ñược ứng dụng nhiều nhất ñể oxi hóa các chất hữu cơ trong việc xử lý nước thải,
xử lý chất thải rắn ñem lại hiệu quả cao mà tốn ít chi phí.
1.4.1.1 Hình dạng
Vi khuẩn có nhiều hình thái khác nhau: hình cầu, hình que, hình xoắn, hình dấu
phẩy, hình sợi ... Kích thước thay ñổi tuỳ theo các loại hình và trong một loại hình kích
thước cũng khác nhau. So với virus, kích thước của vi khuẩn lớn hơn nhiều, có thể quan sát
vi khuẩn dưới kính hiển vi quang học. Dựa vào loại hình có thể chia ra một số nhóm sau:
- Vi khuẩn hình cầu (cầu khuẩn): Các vi khuẩn hình cầu có thể tồn tại riêng lẻ (ñơn
cầu khuẩn), theo nhóm 2 tế bào (song cầu chuẩn), theo nhóm 4 tế bào (tứ cầu khuẩn), hoặc
dính thành từng chùm (tụ cầu khuẩn), kết thành sợi dài (liên cầu khuẩn)


ðơn cầu khuẩn (Micrococcus)

Song cầu khuẩn( diplococus)

Tụ cầu khuẩn (taphylococcus)

Liên cầu khuẩn (Streptococcus)

Hình 1.4: Một số vi khuẩn hình cầu
- Vi khuẩn hình que (trực khuẩn)
- Vi khuẩn hình xoắn (xoắn khuẩn)
1.4.1.2 Kích thước
Kích thước của các tế bào riêng lẻ thay ñổi tuỳ theo các giới hạn rộng nhiều hơn.
Giới hạn kích thước tế bào thay ñổi từ 0.3µm ñến 50µm. Giới hạn cho các vi khuẩn bình
thường là từ 0.5 - 3µm. Hình que trung bình từ 0.5 ñến 1µm chiều rộng và 3µm chiều dài.
Hình cầu trung bình là từ 0.5 ñến 1 µm ñường kính, trong khi tế bào xoắn có kích thước
trung bình từ 0.5 ñến 5µm chiều rộng và 6 ñến 15 µm chiều dài.
1.4.1.3 Cấu tạo tế bào:
Từ ngoài vào trong cấu tạo tế bào vi khuẩn có các thành ñặc trưng phần sau.
Màng nhầy:


Màng nhầy là lớp màng ngoài cùng của tế bào vi khuẩn. Mặc dù các thông tin về
thành phần hóa học ñã ñược biết, người ta vẫn hiểu rất ít về chức năng của chúng. Lớp
màng nhầy tích tụ polysaccharide xung quanh tế bào. Nó không ñóng bất kì vai trò nào
trong sự tăng trưởng của tế bào, nhưng lại xuất hiện như một sản phẩm của quá trình phân
hủy của thành phần vách tế bào. Ban ñầu người ta cho rằng màng nhầy là chất ñược tiết từ
trong tế bào nhưng kích thước phân tử ñược tìm thấy của chúng quá lớn ñể có thể thấm qua
màng tế bào.
Màng nhầy luôn luôn ñược xem là thành phần quan trọng trong lớp nhầy của bể lọc
sinh học và trong bông bùn hoạt tính. Giả thiết một số vi khuẩn tiết ra màng nhầy ñặc biệt
ñể liên kết với nhau và ñể hấp dẫn thức ăn ñã ñược chứng tỏ là hoàn toàn sai. Sự tạo thành

màng nhầy là kết quả thông thường của quá trình trao ñổi chất của tất cả vi khuẩn. Nếu vi
khuẩn di chuyển, màng nhầy bị trượt từ bề mặt tế bào. Hiện tượng này làm cho nhiều người
quan sát nghi ngờ vi khuẩn có màng nhầy hay không, bởi vì không thể thấy ñược màng
nhầy ở các tế bào quá trẻ và quá chuyển ñộng. Sự chuyển ñộng làm cho màng nhầy tạo
ñược hình dạng của tế bào và xuất hiện một bề dày nhất ñịnh bao quanh tế bào. Khi màng
nhầy có bề dày ổn ñịnh thì nó ñược gọi là nang.
Sự dễ dàng bị rửa trôi của màng nhầy từ bề mặt tế bào chứng tỏ ñộ bền vững cấu
trúc của phân tử polysaccharide là yếu. Khảo sát cấu trúc của polysaccharid màng nhầy cho
thấy một số nhóm phản ứng hóa học gây ra tính trơ hóa học của loại chất liệu này. ðiều này
ñược xác nhận thêm bằng các nổ lực minh họa nhuộm màng nhầy. Màng nhầy không thể
ñược nhuộm bằng thuốc nhuộm acid hay thuốc nhuộm cơ bản thông thường vì có một số
nhóm phản ứng hóa học trong polysaccharide của màng nhầy. Polysaccharide của màng
nhầy có thể ñược thấy chỉ khi xử lí với hóa chất ñể oxy hóa polysaccharide thành cấc nhóm
phản ứng hoặc sử dụng thuốc nhuộm có phản ứng với nhóm hydroxyl bên trong phân tử
polysaccharide. Tính trơ của polysaccharide màng nhầy ngăn cản sự phân hủy chúng bởi vi
sinh vật và cho phép chúng tích tụ.
Khi phân tử già và giảm chuyển ñộng, màng nhầy polysaccharide tích tụ xung
quanh tế bào lớn hơn. Những tế bào không chuyển ñộng tích tụ rất nhiều màng nhầy ñến nỗi
chúng bị xem là các zoogloea. Sự hiện diện một lượng lớn màng nhầy xung quanh vi khuẩn
chứng tỏ hệ thống già hoạt ñộng trao ñổi chất kém.
Vách tế bào.
Vách tế bào nằm dưới lớp màng nhầy và chịu trách nhiệm qui ñịnh hình dạng tế
bào. Về mặt hóa học, vách tế bào là polymer của protein-polysaccharide có tính phản ứng
hóa học yếu. Cấu trúc phân tử của vách tế bào là những phân tử tương ñối lớn có thể xuyên
ngang vách tế bào. Trong trường hợp này vách tế bào hoạt ñộng như một cái rây kiểm soát
kích thước các phân tử xâm nhập tế bào.


Màng nguyên sinh chất.
Màng nguyên sinh chất nằm bên dưới vách tế bào. Nó là phức hợp của lipoprotein

kiểm soát tất cả các phần của các chất ñi vào và ñi ra khỏi tế bào. Sự hiện diện của các
nhóm hóa học hoạt tính cao hướng dẫn các chất ñi vào ñến các vị trí cần thiết bên trong tế
bào ñể thực hiện các phản ứng tiếp theo. Việc kiểm soát các chất bên trong tế bào ñược thực
hiện bởi một hàng rào vật lí, cũng như ñối với các chất tải ñiện tử. Màng nguyên sinh chất là
vị trí vận tải bề mặt của vi khuẩn.
Nguyên sinh chất.
Khối tế bào vi khuẩn ñược tạo bởi một dung dịch keo của protein, lipid và
carbonhydrat ñược gọi nguyên sinh chất. Các phản ứng hóa học chủ yếu xảy trong nguyên
sinh chất tại các bề mặt keo. Pha lỏng là pha chuyển ñộng trong ñó các chất hóa học hòa tan
chuyển ñộng. Các sản phẩm cuối của quá trình trao ñổi chất ñược giải phóng từ bề mặt keo
ñi vào trong pha lỏng và sau ñó ra khỏi tế bào. Có một số cấu trúc không hòa tan trong
nguyên sinh chất, chủ yếu là nhân.
Nhân
Trung tâm của vi khuẩn là nhân. Nhân ñược tạo ra từ nucleoprotein và chịu trách
nhiệm tất cả các phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào các enzyme xúc tác tất cả các phản
ứng sinh hoá trong tế bào ñều có nguồn gốc từ nhân. Nhân là nơi chứa ñựng thông tin di
truyền của sinh vật nói chung và vi sinh vật nói riêng. Các ñặc trưng di truyền của vi khuẩn
ñều từ nhân. Chừng nào nhân còn nguyên vẹn, tế bào sẽ còn duy trì các chức năng cũng như
vẫn còn nguyên vẹn khả năng sữa chữa các sai hỏng và tạo ra các thành phần tế bào mới.
Các thể ẩn nhập.
Các thể ẩn nhập khác trong tế bào chất thay ñổi theo từng tế bào vào thay ñổi theo
từng ñiều kiện môi trường khác nhau. Các thể ẩn nhập thường gặp là volutin,
polysaccharide, lipid, và sulfua. Volutin là acid pentosenucleiccó thể ñược dùng như nguồn
dự trữ ñể tổng hợp nhân. Thể ẩn nhập polysaccharide có thể là glycogen hoặc tinh bột ñược
tìm thấy trong sự hiện diện dư thừa nguồn hữu cơ hay thiếu hụt nguồn Nitơ. Lipid hay các
thể ẩn nhập là các acid báo xuất hiện khi xuất hiện sự dư thừa thức ăn năng lượng cao như
carbonhydrate. Cả hai thể ăn nhập polysaccharide và lipid hoạt ñộng như nguồn thức ăn dự
trữ khi cần trao ñổi năng lượng. Vi khuẩn trao ñổi sulfua thường tích tụ sulfua tự do trong tế
bào. Không một thể ẩn nhập nào trong số này xuất hiện trong vi khuẩn trừ khi dưới những
ñiều kiện dư thừa các chất dinh dưỡng năng lượng và thiếu hụt chất dinh dưỡng tổng hợp.

Tiên mao.


Tiên mao (Lông roi, flagella) không phải có mặt ở mọi vi khuẩn, chúng quyết ñịnh
khả năng và phương thức di ñộng của vi khuẩn. Tiên mao là những sợi lông dài, dưới kính
hiển vi quang học chỉ có thể thấy rõ khi nhuộm theo phương pháp riêng. Dưới kính hiển vi
ñiện tử có thể thấy rất rõ cấu trúc của từng sợi tiên mao. ðể xác ñịnh xem vi khuẩn có tiên
mao hay không còn có cách thử gián tiếp nhằm biết khả năng di ñộng của chúng. Cấy bằng
que cấy nhọn ñầu vào môi trường thạch ñứng chứa 0.4% thạch (agar-agar), còn gọi là môi
trường thạch mềm. Nếu thấy vết cấy lan nhanh ra xung quanh thì chứng tỏ là vi khuẩn có
tiên mao, có khả năng di ñộng.
Loại vi khuẩn chủ yếu ñược các kĩ sư môi trường quan tâm là các loại bơi tự do. Cơ
quan kết hợp chuyển ñộng của vi khuẩn là tiên mao, có những tranh luận về cơ chế chuyển
ñộng. Một số người quan sát có cảm giác tiên mao không gây ra chuyển ñộng nhưng nó là
thứ ñược tạo ra do dòng màng nhầy polysaccharide. Những nghiên cứu gần ñây cho thấy
tiên mao gồm chủ yếu là protein, loại bỏ khả năng tiên mao là do màng nhầy
polysaccharide. Các ảnh hiển vi ñiện tử cho thấy tiên mao có nguồn gốc trong tế bào và có
cấu trúc xác ñịnh.
Bào tử.
Sự cần thiết phải tồn tại dưới những ñiều kiện khó khăn dẫn ñến sự hình thành bào
tử ở một số loài vi khuẩn. Bào tử vi khuẩn ñược tạo ra chỉ khi các rế bào bình thường, khỏe
mạnh, tự nó tìm thấy trong những môi trường thay ñổi bất lợi từ từ. Bào tử ñược tạo ra khi
nhân trở nên ñược bao bọc xung quanh bởi một lớp vỏ polysaccharide rất ñậm ñặc. Vỏ
polysaccharide bảo vệ nhân cho ñến khi các ñiều kiện môi trường thuận lợi ñược thiết lập,
lúc ñó, nhân mở rộng ra toàn bộ tế bào và vỏ polysaccharide bị loại bỏ.

Hình 1.5 : Cấu tạo tế bào vi khuẩn
1.4.1.5 Thành phần hóa học của tế bào:

Sự tăng trưởng bình thường của vi khuẩn trong ñiều kiện dinh dưỡng dư thừa làm
cho vi khuẩn có thành phần hóa học xác ñịnh. Khảo sát những vi khuẩn khác nhau tăng
trưởng trong những ñiều kiện sống môi trường khác nhau chỉ ra rằng vi khuẩn có 80% nước,
20% chất khô. Chất khô có 90% là chất hữu cơ, 10% là chất vô cơ. Phần hữu cơ gồm 53%
là carbon, 296% oxy, 12%Nitơ, và 6% hydro. Phần hữu cơ cho công thức kinh nghiệm gần
ñúng là C5H7O2N. Phần vô cơ trung bình là 50% P2O5, 6% K2O, 11% Na2O, 8% MgO, 9%
CaO, 15% SO3, và 1% Fe2O3. Vi khuẩn phải dẫn xuất tất cả các nguyên tố cơ bản cho
nguyên sinh chất từ môi trường lỏng. Biết ñược thành phân hóa học trong tế bào vi khuẩn
giúp cho chúng ta xác ñịnh hàm lượng của mỗi chất dinh dưỡng phù hợp cho vào môi cấy vi
sinh vật. Mặt khác, các kỹ sư môi trường có thể xác ñịnh và bổ sung thêm các chất dinh
dưỡng vào nước thải ñể vi sinh vật hoạt ñộng tốt trong bể xử lý sinh học nước thải.
1.4.1.6 Phân loại vi khuẩn
Việc phân loại vi khuẩn dựa vào các tiêu chí ñể phân loại khác nhau. Ta có các
hình thức phân loại vi khuẩn sau ñây:
Dựa theo cách sử dụng cacbon ta chia vi khuẩn ra thành các loại:
+ Vi khuẩn tự dưỡng: Bao gồm các vi khuẩn có khả năng tổng hợp nên các chất hữu cơ từ
nguồn cacbon vô cơ CO2. ðại diện: Vi khuẩn lục, vi khuẩn tía.
+ Vi khuẩn dị dưỡng: Bao gồm các vi khuẩn không có khả năng tự tổng hợp chất hữu cơ từ
các chất vô cơ mà phải lấy nguồn cacbon từ các hợp chất hữu cơ khác. ða số các vi khuẩn
thuộc nhóm dị dưỡng.
Dựa theo cách hô hấp:
Theo cách sử dụng oxi ta chia vi sinh vật thành các nhóm sau ñây:
+ Vi khuẩn hiếu khí: Bao gồm những vi khuẩn chỉ có thể tồn tại ñược trong môi trường có
oxi. Vi khuẩn loại này có mặt với số lượng lớn trong bể aerotank, bể lọc sinh học hiếu khí,
hồ sinh học hiếu khí và tầng trên của hồ tùy tiện.
+ Vi khuẩn kỵ khí: Tồn tại và phát triển tốt trong ñiều kiện không có oxi. Nhóm vi khuẩn
này ñược ứng dụng nhiều trong các công trình xử lý kỵ khí như bể UASB, bể lọc sinh học
kỵ khí, hồ sinh học kỵ khí…
+ Vi khuẩn tùy tiện: Nhóm vi sinh vật này có thể tồn tại trong ñiều kiện có hoặc không có
oxi. Ta thường gặp vi khuẩn tùy tiện nhiều trong hồ sinh thái.

Phân loại theo nhiệt ñộ:
+ Vi khuẩn ưa ấm: Các vi khuẩn này có nhiệt ñộ thích hợp cho sự phát triển của chúng là 20
– 30 oC


+ Vi khuẩn ưa nóng: Nhiệt ñộ thích hợp cho sự phát triển của chúng là 50 – 60oC
Phân loại dựa theo hình dạng
Vi khuẩn ñược chia ra thành các dạng: cầu khuẩn, trực khuẩn, xoắn khuẩn

1.4.1.7 Sinh Sản của vi khuẩn
ða số các loài vi khuẩn sinh sản vô tính cách phân ñôi, từ một tế bào mẹ tiến phân ñôi thành
hai tế bào mới giống nhau và có vật chát di truyền giống với tế bào mẹ
1.4.2 Nấm
Nấm thuộc nhóm Eucaryota, tế bào nấm có nhân chính thức, loài hiếu khí, sinh sản
chủ yếu bằng bào tử. Nấm ít có ý nghĩa hơn vi khuẩn ñối với các nhôi trường học. Trong
phạm vi của bộ môn vi sinh vật chúng ta chỉ xem xét các loại nấm có kích thước hiển vi
hay còn gọi là vi nấm.
Chúng ta sẽ tìm hiểu ñại diện của vi nấm là nấm men:
Hình dạng và kích thước
Nấm men thường có hình cầu hoặc hình bầu dục, một số loại có hình que và một số
hình dạng khác. Kích thước trung bình của nấm men là 3 - 5 x 5 - 10µm. 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 giống như cây xương rồng khi quan sát dưới
kính hiển vi.
Cấu tạo tế bào:
Khác với vi khuẩn và xạ khuẩn, nấm men có cấu tạo tế bào khá phức tạp, gần giống
như tế bào thực vật. Có ñầy ñủ các cấu tạo thành tế bào, màng tế bào chất, tế bào chất, ty
thể, riboxom, nhân, không bào và các hạt dự trữ.
+ Thành tế bào: Giống với cấu tạo chung của tế bào vi sinh vật
+ Màng tế nào: Giống với cấu tạo chung của tế bào vi sinh vật

+ Nhân: Nhân tế bào nấm men là nhân ñiển hình, có màng nhân, bên trong là chất dịch nhân
có chứa hạch nhân. Cũng như nhân tế bào của vi sinh vật bậc cao, nhân tế bào nấm men
ngoài AND còn có protein và nhiều loại men. Hạch nhân của tế bào nấm men không phải
chỉ gồm một phân tử AND như ở vi khuẩn mà ñã có cấu tạo nhiễm sắc thể ñiển hình và có
quá trình phân bào nguyên nhiễm còn gọi là gián phân. Quá trình gián phân gồm 4 giai ñoạn
như ở vi sinh vật bậc cao. Số lượng nhiễm sắc thể trong tế bào nấm men khác nhau tuỳ loại
nấm men. Ở Saccharomyces serevisiae là nhóm nấm men phân bố rộng rãi nhất, thể ñơn bội
của nó có n = 17 nhiễm sắc thể, thể lưỡng bội có 2n = 34. Ngoài nhiễm sắc thể ra, trong


nhân tế bào S. serevisiae còn có từ 50 ñến 100 plasmic có cấu tạo là 1 phân tử AND hình
vòng kín có kích thước 2 µm, có khả năng sao chép ñộc lập, mang thông tin di truyền.
+ Ty thể: Khác với vi khuẩn, nấm men ñã có ty thể giống như ở tế bào bậc cao, ñó là cơ
quan sinh năng lượng của tế bào. Ty thể nấm men có hình bầu dục, ñược bao bọc bởi hai
lớp màng, màng trong gấp khúc thành nhiều tấm răng lược hợc nhiều ống nhỏ làm cho diện
tích bề mặt của màng trong tăng lên. Cấu trúc của hai lớp màng ty thể giống cấu trúc của
màng nguyên sinh chất. Trên bề mặt của màng trong có dính vô số các hạt nhỏ hình cầu.
Các hạt này có chức năng sinh năng lượng và giải phóng năng lượng của ty thể. Trong ty thể
còn có một phân tử AND có cấu trúc hình vòng, có khả năng tự sao chép. Những ñột biến
tạo ra tế bào nấm men không có AND ty thể làm cho tế bào nấm men phát triển rất yếu,
khuẩn lạc nhỏ bé. Trong ty thể còn có cả các thành phần cần cho quá trình tổng hợp protein
như riboxom, các loại ARN và các loại enzym cần thiết cho sự tổng hợp protein. Các thành
phẩn này không giống với các thành phần tương tự của tế bào nấm men nhưng lại rất giống
của vi khuẩn. AND của ty thể rất nhỏ nên chỉ có thể mang mật mã tổng hợp cho một số
protein của ty thể, số còn lại do tế bào tổng hợp rồi ñưa vào ty thể. Người ta ñã chứng minh
ñược quá trình tự tổng hợp protein của ty thể. Quá trình này bị kìm hãm bởi Cloramfenicol
giống như ở vi khuẩn, trong khi ñó chất kháng sinh này không kìm hãm ñược quá trình tổng
hợp protein ở tế bào nấm men.
+ Riboxom: Riboxom của tế bào nấm men có hai loại : loại 80S gồm 2 tiểu thể 60S và 40S
nằm trong tế bào chất, một số khác gắn với màng tế bào chất. Một số nghiên cứu ñã chứng

minh rằng: các riboxom gắn với màng tế bào chất có hoạt tính tổng hợp protein cao hơn.
loại 70S là loại riboxom có trong ti thể. Ngoài các cơ quan trên, nấm men còn có không bào
và các hạt dự trữ như hạt Volutin, hạt này không những mang vai trò chất dự trữ mà còn
dùng làm nguồn năng lượng cho nhiều quá trình sinh hoá học của tế bào. Ngoài hạt Volutin
trong tế bào còn có các hạt dự trữ khác như glycogen và lipit. Một số nấm men có khả năng
hình thành một lượng lớn lipit.
Sinh sản
Nấm men có 3 hình thức sinh sản:
+ Sinh sản sinh dưỡng : Là hình thức sinh sản ñơn giản nhất của nấm men. Có 2 hình thức
sinh sản sinh dưỡng: nảy chồi và hình thức ngang phân ñôi tế bào như vi khuẩn. Ở hình thức
nảy chồi, từ một cực của tế bào mẹ nảy chồi thành một tế bào con, sau ñó hình thành vách
ngăn ngang giữa hai tế bào. Tế bào còn có thể tách khỏi tế bào mẹ hoặc có thể dính với tế
bào mẹ và lại tiếp tục nảy chồi làm cho nấm men giống như hình dạng cây xương rồng tai
nhỏ.
+ Sinh sản ñơn tính: Bằng hai hình thức bào tử túi và bào tử bắn như ñã nói ở phần bào tử.


+ Sinh sản hữu tính: Do hai tế bào nấm men kết hợp với nhau hình thành hợp tử. Hợp tử
phân chia thành các bào tử nằm trong nang, nang chín bào tử ñược phát tán ra ngoài. Nếu 2
tế bào nấm men có hình thái kích thước giống nhau tiếp hợp với nhau thì ñược gọi là tiếp
hợp ñẳng giao. Nếu 2 tế bào nấm men khác nhau thì gọi là tiếp hợp dị giao.
Thành phần hóa học của nấm
Giống như vi khuẩn, nấm tạo ra các cấu trúc hóa học xác ñịnh mà những cấu trúc
này tạo ra nguyên sinh chất của chúng. Số lượng thông tin của nấm ít hơn vi khuẩn. ðiều
này phản ánh sự thiếu quan tâm về sinh hóa của các nhà nấm học. Nấm chứa 70÷80% nước,
như vi khuẩn. Phân tích Aspergillus niger cho thấy có 47,9%C; 6,7%H; 5,24%N. Phần hữu
cơ cho một công thức kinh nghiệm gần ñúng là C10H17O6N. So sánh công thức của nấm và
vi khuẩn cho thấy ngay sự khác nhau trong thành phần Nitơ. Nấm tạo ra nguyên sinh chất
bình thường chỉ với lượng Nitơ bằng phân nửa so với vi khuẩn. Do ñó, không ngạc nhiên
khi nấm ưu thế hơn vi khuẩn trong những môi trường thiếu hụt Nitơ. Sự thiếu hụt Nitơ cho

vi khuẩn không gần với sự thiếu hụt Nitơ của nấm. Do ñó thành phần hóa học của vật chất
tế bào giúp nhà vi sinh môi trường hiểu biết sự sinh trưởng của nhóm vi sinh vật khác nhau.
Ý nghĩa của nấm men:
Nấm men là nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, nó tham gia vào
các quá trình chuyển hoá vật chất, phân huỷ chất hữu cơ trong ñất. Hoạt tính sinh lý của
nhiều loài nấm men ñược ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp và các
ngành khác.
Ngoài nấm men ra ta còn gặp nấm mốc, khác với nấm men, có không phải là những
tế bào riêng biệt mà là một hệ sợi phức tạp, ña bào có màu sắc phong phú. Nấm mốc (hay
nấm sợi) là một nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi trong thiên nhiên. Chúng tham gia tích
cực vào các quá trình chuyển hoá vật chất, khép kín các vòng tuần hoàn vật chất trong tự
nhiên
1.4.3 Tảo
Tảo khác với nấm và vi khuẩn ở khả năng quang hợp. Tảo có khả năng sử dụng
năng lượng ánh sáng ñể tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ từ nguyên liệu ban ñầu là cacbon
vô cơ trong CO2. Sự giải phóng oxy bởi tảo và sự sản sinh những chất dầu gây mùi làm cho
tảo ñược các nhà vi sinh môi trường rất quan tâm. Sự sản xuất oxy của tảo ñược ñi kèm nhu
cầu oxy của vi khuẩn trong sự ổn ñịnh chất thải cống rãnh. Mặt khác, sự tăng trưởng vượt
mức và sự chết của một số tảo trong các hồ chứa nước gây cho nhà vi sinh môi trường nhiều
khó khăn trong việc kiểm soát mùi và vị của nước.


Sự hiện diện các sắc tố quang hợp làm cho rất dễ dàng nhận dạng tảo dưới kính
hiển vi. Mọi sự nhận dạng, và do ñó phân loại, dựa trên các ñặc ñiểm hình thái. Không như
nấm, sự quan sát ñơn giản thường ñủ ñể nhận dạng tảo.

1.4.3.1 Trao ñổi chất của tảo:
Tảo giống như những vi sinh vật khác ñều có liên quan ñến sinh sản của loài. Tất cả
các hoạt ñộng trao ñổi chất ñều hướng trực tiếp ñến sự sống và sinh sản tế bào mới. ðể tăng
trưởng, tảo cần có các block xây dựng, lấy từ các nguyên tố của thành phần môi trường.

Nhu cầu về lượng các nguyên tố khác nhau có thể ước lượng từ sự phân tích tảo. Phân tích
Chorella cho công thức kinh nghiệm là C5H8O2N (Burlew). Phân tích khác (Fogg) của
Chlorella cho kết quả C5.7H9.8O2.3N.
Dưới ánh sáng mặt trời tảo chuyển hóa các chất vô cơ trong nước thành chất hữu cơ
của nguyên sinh chất. Chúng ta sẽ bị nhầm nếu cho rằng sản phẩm cuối của quang hợp là
polysaccharid theo phương trình sau:
nCO2 + 2(H2O)n

Ánh sáng

(CH2O)n + nO2 + nH2O

Phân tử nước thêm vào cả hai phía của phương trình bởi vì oxy tham gia ñược lấy
từ nước chứ không phải từ CO2. Không còn nghi ngờ cơ chế trao ñổi chất bắt ñầu với
phương trình chung ở trên nhưng ñơn vị (CH2O) của carbohydrat không phải là sản phẩm
cuối. Phương trình tổng quát cho sự tăng trưởng của tảo có thể ñược biểu diễn theo phương
trình của Chlorella:
NH3 + 5.7 CO2 + 12.5H2O Ánh sáng C5.7H9.8O2.3N + 6.25O2 + 9.1H2O
Do ñó nguyên sinh chất tế bào là sảm phẩm cuối của sự trao ñổi chất cùng với oxy.
Khả năng sản sinh oxy của tảo làm cho tảo rất có ý nghĩa trong kỹ thuật môi
trường. Vi khuẩn liên kết với tảo ñược sử dụng trong phương pháp hồ oxy hóa cho xử lý
nước thải sinh hoạt.
Khi không có ánh sáng mặt trời, một số tảo có khả năng thực hiện trao ñổi chất hóa
tổng hợp giống như vi khuẩn. ðể làm như vậy tảo cần oxy cho quá trình oxy hóa. Các tảo
khác tiến hành trao ñổi chất nội bào với sự phân hủy chính nguyên sinh chất của chúng ñể
cung cấp năng lượng duy trì sự sống. Phương trình trao ñổi chất nội bào như sau:
C5.7H9.8O2.3N + 6.25O2

5.7CO2 + NH3 + 3.4H2O

Nhu cầu oxy của tảo khi vắng mặt ánh sáng cũng quan trọng như sự sản xuất oxy
của chúng khi có ánh sáng.
1.4.3.2

Môi trường nuôi cấy


Tảo là sinh vật tự dưỡng sử dụng các hợp chất vô cơ cho nguyên sinh chất của
chúng. Nhu cầu khoáng cho nguyên sinh chất của tảo tương tự như vi khuẩn. Nhu cầu
carbon của tảo ñược lấy từ dạng CO2 như vi kuẩn tự dưỡng. Nitơ ñược dùng ñưới dạng
ammonia, nitrit hoặc nitrat. Phosphorous luôn ở dạng orthophosphate, trong khi sulfur ở
dạng sulphste. Các nguyên tố vi lượng thông thường như natri, kali, calci, magne, sắt, cobalt
và molybden ñều cần thiết. Do ñó bất kì môi trường nào cũng phải có ñầy ñủ các muối dinh
dưỡng thông thường.
Mỗi nhóm tảo có nhu cầu dinh dưỡng ñặc biệt của chúng. Do vậy cần sử dụng môi
trường tổng hợp chuyên biệt cho từng nhóm tảo. Euglenophyta tăng trưởng tốt nhất trên môi
trường giàu ammonia. Các tảo khác như Desmids thích pH cao hoặc nước cứng. Cách tốt
nhất ñể chuẩn bị môi trường nuôi cấy tổng hợp là làm các phân tích khoáng của mẫu nước
mà tảo tăng trưởng tốt và chuẩn bị môi trường dựa theo ñó.
1.4.3.3 Phân loại tảo
Các khóa phân loại tảo rất thay ñổi. Một số nhà tảo học phân 5 nhóm, số khác
phân 7 nhóm, và số khác nữa phân 9 nhóm. ðây là khóa phân loại theo “Tảo Nước Ngọt của
Mỹ” của Smith, gồm 7 nhóm như sau:
1. Chlorophyta – màu lục
2. Euglenophyta – màu lục, di ñộng
3. Chrysophyta – vàng-lục ñến màu vàng nâu
4. Pyrrophyta – di ñộng, màu ñồng hơi lục ñến màu vàng nâu
5. Cyanophyta – lục lam
6. Phaeophyta – nâu
7. Rhodophyta – ñỏ

Trong các loại tảo kể trên thì chỉ có tảo nâu và tảo ñỏ là tảo nước mặn, các nhóm còn lại là
tảo nước mặn.
1.4.4 Protozoa
Protoazoa hay còn gọi là ñộng vật nguyên sinh. ðây là các ñộng vật ñơn bào có
kích thước hiển vi, sinh sản bằng cách phân ñôi. ðiểm quan trọng nhất của các ñộng vật
hiển vi là chúng là loài ăn thịt với khuynh hướng làm sạch vi khuẩn thừa trong dung dịch.
Hoạt ñộng này ñược các kỹ sư môi trường rất quan tâm vì trong các hệ thống xử lý thải sinh
học là nhằm tạo ra các ñầu ra (effluents) ñược làm sạch và kích thích sự tăng trưởng cực ñại
của vi khuẩn. Trong các dòng chảy và các hồ, các dạng ñộng vật thấp là cầu nối quan trọng


trong toàn bộ chu trình sinh học nước. Các ñộng vật hiển vi ăn các thực vật hiển vi và ngược
lại ñộng vật cao hơn sẽ ăn các ñộng vật nhỏ.

1.2.4.1

Sarcodina (trùng chân giả)

ðiểm ñặc trưng quan trọng dễ nhận thấy của protozoa thuộc nhóm này ñó là sự vận
chuyển bằng chân giả, nhờ sự chuyển ñộng của khối nguyên sinh chất trong tế bào về một
hướng, qua ñó giúp cơ thể di chuyển về hướng ñó. Sarcodina dễ dàng ñược phân biệt bởi
nguyên sinh chất lỏng của chúng. Tế bào không có vách xác ñịnh mặc dù một số có vỏ
cứng, chuyển ñộng chủ yếu bởi pseudopodia – chân giả. Amoeba là Sarcodina phổ biến
nhất. Người ta dễ dàng quan sát ñược sự thay ñổi nguyên sinh chất cuả Amoeba khi chuyển
ñộng. Trong nhóm Sarcodina có một loài gây bệnh là Endamoeba histolytica.

Pelomyxa Palustris

Centropyxix Aculeata

Hình 1.6 : Một số loài trùng chân giả
1.2.4.2

Mastigophora (trùng roi)

Mastigophora có vách tế bào xác ñịnh và di chuyển bằng một hoặc hai roi. Roi là
cơ quan có hình dạng dài cho phép tế bào chuyển ñộng tự do. Ngay trong nhóm
Mastigophora cũng có nghi vấn chúng là tảo hay protozoa. Nhóm Mastigophora ñược chia
làm hai nhóm phụ, Phytomastigophora và Zoomastigophora. Nhóm Phytomastigophora
giống tảo nhưng không có sắc tố quang hợp. Chúng trao ñổi chất hữu cơ theo cách giống
như vi khuẩn, bằng khuếch tán thức ăn hòa tan qua vách tế bào. Nhóm Zoomastigophora có
thực quản cho phép chúng lấy những hạt thức ăn cứng. Như vậy, nhóm Zoomastigophora sử
dụng vi khuẩn, tảo và protozoa như nguồn thức ăn của chúng.


Diplosiga socialis

Bodo putrinus
Hình 1.7: Một số loài rùng roi

1.2.4.3

Ciliata (trùng cỏ)

Ciliata là protozoa quan trọng nhất ñối với các nhà vi sinh môi trường trong các hệ
thống xử lý nước thải và ô nhiễm dòng chảy. Ciliata chuyển ñộng bằng các tiêm mao nhỏ
như tóc mà chúng gắn chặt với tế bào. Thuận tiện khi chia Ciliata thành dạng bơi tự do và
dạng cố ñịnh. Ciliata bơi tự do di chuyển nhanh trong chất lỏng, trao ñổi các chất hữu cơ
rắn cũng nhanh như chúng lấy vào. Chuyển ñộng nhanh, tiêu thụ năng lượng ñáng kể và là
nguyên nhân của sự cạnh tranh khá lớn của chúng. Paramecium là loài tiêu biểu của Ciliata

bơi tự do.
Một số Ciliata bị gắn chặt một thân với một hạt vật chất và sử dụng tiêm mao ñể
lấy thức ăn cho chúng.

Euplotes charon,

Colpidium colpoda,

Vorticella convallaria

Hình 1.8 : Một số loài trùng cỏ
1.2.5 Rotifer
Theo trình tự tiến hóa, ñộng vật phát triển từ ñơn bào ñến ña bào. Rotifer là những
ñộng vật ña bào ñơn giản nhất. Tên của chúng có từ sự chuyển ñộng xoay tròn rõ ràng của


hai bộ tiêm mao trên ñầu chúng. Sự chuyển ñộng của những tiêm mao này làm cho Rotifer
có hình dạng như hai bánh xe xoay ñối nhau. Tiêm mao có chuyển ñộng chính xác, linh
ñộng và bắt thức ăn. Chuyển ñộng bình thường của những vị trí cố ñịnh, Rotifer có một ñuôi
hình chĩa ba cho phép chúng tự bám chặt vào những hạt cứng. Rotifer có khả năng xáo trộn
một lượng nước rất lớn ñể tìm thức ăn.
1.2.6 Vi giáp xác
Thông thường, giáp xác làm người ta nghĩ ñến những ñộng vật như tôm ñất và tôm hùm.
Tuy vậy giáp xác cũng có những dạng giáp xác hiển vi tức là kích thước hiển vi hay là vi
giáp xác. Cấu trúc vỏ cứng là ñặc trưng chính của những vi sinh vật ña bào này. Hai loài
giáp xác thông thường nhất ñược các kỹ sư môi trường quan tâm là Daphnia và Cyclops.
Giáp xác là loài hiếu khí nghiêm ngặt, ăn vi khuẩn và tảo. Chúng là nguồn dinh dưỡng cho
cá. Giáp xác cũng ñược dùng ñể làm sạch ñầu ra có tảo từ các hồ oxy hóa. Vì giáp xác có
khả năng tăng trưởng trong các hồ và dòng chảy tương ñối ổn ñịnh.

CHƯƠNG II - TRAO ðỔI CHẤT VÀ SINH
TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT
2.1 GIỚI THIỆU
Sự chuyển hoá vật chất trong tế bào bao gồm tất cả các phản ứng sinh hoá diễn ra
trong tế bào của cơ thể sống. ðó là các phản ứng phân giải các chất sống ñặc trưng của tế
bào thành các chất ñơn giản ñồng thời giải phóng năng lượng và các phản ứng tổng hợp các
chất sống ñặc trưng của tế bào ñồng thời tích luỹ năng lượng. Trong chương này, chúng ta
sẽ tìm hiểu ñộng học sinh trưởng và trao ñổi chất của quần thể vi sinh vật
2.2 ENZIM VÀ ðỘNG HỌC CỦA ENZIM
2.2.1 Giới thiệu
Enzim là một chất xúc tác sinh học ñược tạo ra bởi cơ thể sống. Enzim có bản chất
là prôtêin. Ngoài ra, một số enzim còn có thêm một phần tử hữu cơ nhỏ gọi là côenzim.
Chất chịu tác dụng của enzim tương ứng gọi là cơ chất. Trong phân tử enzim có vùng cấu
trúc không gian ñặc biệt chuyên liên kết với cơ chất ñược gọi là trung tâm hoạt ñộng. Cấu
hình không gian này tương thích với cấu hình không gian của cơ chất, nhờ vậy cơ chất liên
kết tạm thời với enzim và bị biến ñổi tạo sản phẩm.
Nhờ enzim mà các quá trình sinh hóa trong cơ thể sống xảy ra rất nhạy với tốc ñộ
lớn trong ñiều kiện sinh lí bình thường. Khi có enzim xúc tác, tốc ñộ của một phản ứng có
thể tăng hàng triệu lần. Nếu tế bào không có các enzim thì các hoạt ñộng sống không thể
duy trì ñược vì tốc ñộ của các phản ứng sinh hoá xảy ra quá chậm.Tế bào có thể tự ñiều
chỉnh quá trình chuyển hoá vật chất ñể thích ứng với môi trường bằng cách ñiều chỉnh hoạt
tính của các loại enzim. Một trong các cách ñiều chỉnh hoạt tính của các enzim khá hiệu quả
và nhanh chóng là sử dụng các chất ức chế hoặc hoạt hoá enzim. Các chất ức chế ñặc hiệu
khi liên kết với enzim sẽ làm biến ñổi cấu hình của enzim làm cho enzim không thể liên kết
ñược với cơ chất. Ngược lại, các chất hoạt hoá khi liên kết với enzim sẽ làm tăng hoạt tính
của enzim. Ức chế ngược là kiểu ñiều hoà trong ñó sản phẩm của con ñường chuyển hoá
quay lại tác ñộng như một chất ức chế, làm bất hoạt enzim xúc tác cho phản ứng ở ñầu của
con ñường chuyển hoá.

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của enzim:
2.2.2.1 Nhiệt ñộ:
Tốc ñộ của phản ứng enzim chịu ảnh hưởng của nhiệt ñộ. Mỗi enzim có một nhiệt
ñộ tối ưu (tại nhiệt ñộ này enzim có hoạt tính cao nhất). Ví dụ: ña số các enzim ở tế bào của
cơ thể người hoạt ñộng tối ưu ở khoảng nhiệt ñộ 35 – 40oC, nhưng enzim của vi khuẩn suối
nước nóng lại hoạt ñộng tốt nhất ở 70oC hoặc cao hơn. Khi chưa ñạt ñến nhiệt ñộ tối ưu của
enzim thì sự gia tăng nhiệt ñộ sẽ làm tăng tốc ñộ phản ứng enzim. Tuy nhiên, khi ñã qua
nhiệt ñộ tối ưu của enzim thì sự gia tăng nhiệt ñộ sẽ làm giảm tốc ñộ phản ứng và có thể
enzim bị mất hoàn toàn hoạt tính.
2.2.2.2 ðộ pH:
Mỗi enzim có pH tối ưu riêng. ða số enzim có pH tối ưu từ 6 ñến 8. Có enzim hoạt
ñộng tối ưu trong môi trường axit như pepsin (enzim có trong dạ dày) hoạt ñộng tối ưu ở
pH=2.
2.2.2.3 Nồng ñộ cơ chất:
Với một lượng enzim xác ñịnh, nếu tăng dần lượng cơ chất trong dung dịch thì
thoạt ñầu hoạt tính của enzim tăng dần nhưng ñến một lúc nào ñó thì sự gia tăng về nồng ñộ
cơ chất cũng không làm tăng hoạt tính của enzim. ðó là vì tất cả các trung tâm hoạt ñộng
của enzim ñã ñược bão hoà bởi cơ chất. Biết ñược ñiều này giúp các kỹ sư môi trường ñiều
chỉnh nồng ñộ cơ chất phù hợp cho vi sinh vật phát triển tốt nhất (VD: ñiều chỉnh nồng ñộ
BOD trong bể aerotank ñể vi sinh vật hoạt ñộng tốt ñem lại hiệu quả xử lý cao)
2.2.2.4 Nồng ñộ enzim:
Với một lượng cơ chất xác ñịnh, nồng ñộ enzim càng cao thì tốc ñộ phản ứng xảy
ra càng nhanh. Tế bào có thể ñiều hoà tốc ñộ chuyển hoá vật chất bằng việc tăng giảm nồng
ñộ enzim trong tế bào.
2.2.2.5 Chất ức chế enzim:
Một số chất hoá học có thể ức chế hoạt ñộng của enzim nên tế bào khi cần ức chế
enzim nào ñó cũng có thể tạo ra các chất ức chế ñặc hiệu cho enzim ấy. Một số chất ñộc hại
từ môi trường như thuốc trừ sâu DDT, các ion kim loại nặng là những chất ức chế một số
enzim quan trọng của hệ vi sinh vật trong quá trình xử lý chất thải.

2.2.3 Phân loại enzim
Ta có thể chia ra hai cách phân loại enzim ñó là: Phân loại theo vị trí tác dụng của
enzim trong tế bào và phân loại theo loại phản ứng mà enzim xúc tác.
Phân loại theo vị trí tác dụng: enzim ñược chia thành 2 nhóm:


+ Enzim nội bào: xúc tác cho các phản ứng xảy ra bên trong tế bào
+ Enzim ngoại bào: xúc tác cho các phản ứng xảy ra trong môi trường giữa các tế bào
Phân loại theo loại phản ứng mà enzim xúc tác bao gồm 6 nhóm sau:
+ Oxidoreductase: chịu trách nhiệm các quá trình oxy hóa và khử trong tế bào.
+Transferase: chịu trách nhiệm vận chuyển các nhóm hóa học từ cơ chất này sang cơ chất
khác.
+ Hydrolase: thủy phân hydratecarbon, protein và lipid thành những phân tử nhỏ hơn (như β
- galactosidase thủy phân lactose thành glucose và galactose)
+ Lyase: xúc tác sự thêm vào hoặc loại bỏ một nhóm phụ.
+ Isomerase: xúc tác sự tạo thành isomer.
+ Ligase: xúc tác sự kết nối 2 phân tử, sử dụng nguồn năng lượng như ATP.
2.3. TRAO ðỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT
2.3.1 Giới thiệu:
Việc trao ñổi không ngừng với thế giới xung quanh là cơ sở của sự sống và phát
triển của vi sinh vật cũng như mọi sinh vật khác. Trao ñổi chất và năng lượng là ñặc ñiểm
của cơ thể sống khác nhau cơ bản giữa sinh vật và không phải sinh vật
Quá trình trao ñổi chất là tổng hợp của các chuyển hóa sinh hóa liên quan ñến các
phản ứng ñồng hóa và dị hóa.
Quá trình ñồng hóa tức là quá trình trao ñổi chất xây dựng – chuyển hóa chất dinh
dưỡng thành chất riêng của cơ thể. ðó là các phản ứng endergonic: thu năng lượng, sử dụng
năng lượng và các chất trung gian của các phản ứng dị hóa ñể tổng hợp các phân tử mới, tế
bào mới và tăng trưởng.
Phản ứng dị hóa là các phản ứng axergonic: tỏa năng lượng. Các quá trình oxy hóa
– phân tử kèm theo giải phóng năng lượng cần thiết cho hoạt ñộng sống ñược gọi là sự trao

ñổi năng lượng.
Năng lượng giải phóng ra từ các phản ứng oxy hóa sẽ ñược giữ lại trong một số
hợp chất giàu năng lượng có mặt trong tế bào vi sinh vật. Tiêu biểu nhất là ATP –
Adenosine Tri Phosphate. Ở ñiều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử ATP giải phóng khoảng
7.500 cal.
ATP ñược tái tạo bởi các cơ chế Phosphoryl hóa (Phosphorylation).
2.3.2 Quá trình dị hóa


Dị hóa là qúa trình phân hủy một phần chất sống, nhằm thu hồi năng lượng hóa học
chứa trong ñó ñể sản xuất công hoặc ñể tổng hợp chất mới.
Dị hóa bao gồm các quá trình: Hô hấp và Lên men
2.3.2.1 Hô hấp
Hô hấp là quá trình sinh ATP liên quan ñến sự vận chuyển ñiện tử, cơ chất sẽ ñược
oxy hóa, oxy là chất nhận ñiện tử cuối cùng. Chất cho ñiện tử có thể là chất hữu cơ (thí dụ
oxy hóa glucose bởi vi sinh vật dị dưỡng heterotrophic) hoặc chất vô cơ (thí dụ H2, Fe2+,
NH4 do các vi sinh vật hóa tự dưỡng hemoautotrophic)
Quá trình hô hấp hiếu khí ñược thể hiện rõ trong quá trình ñường phân và cu trình
Crep. Thông qua con ñường này mỗi phân tử ñường ñược oxi hóa hoàn toàn thành thàng
CO2 sẽ giải phóng 38 phân tử ATP cung cấp năng lượng cho các hoạt ñộng sống của cơ thể.
Những carbohydrat phức tạp như tinh bột ở thực vật và glycogen ở ñộng vật ñều
ñược thủy phân thành những phân tử glucoz trước khi ñi vào quá trình hô hấp. Sự hô hấp
hoàn toàn một hợp chất giàu năng lượng như glucoz trải qua một chuỗi dài những phản ứng,
trong ñó có những phản ứng xảy ra không cần sự hiện diện của oxy và có những chuỗi phản
ứng lệ thuộc vào oxy.
Ðường phân