Vi sinh vật môi trường đỗ hồng lan chi và những người khác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ Hồ CHÍ MINH
VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
Đ ỗ H ồ N G LA N C H I - B Ù I L Ê T H A N H K H IÊ T
N G U Y Ễ N T H Ị T H A N H K IÊ U - L Â M M IN H T R IÊ T

VI SINH VẬT
MÔI TRƯỜNG


ĐỎ HỒNG LAN CHI - BÙI LÊ THANH KHIÉT
NGUYÊN THỊ THANH KIÈU - LÂM MINH TRIÉT

VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG

(Tái bản lần thứ tư)

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2014


VI S IN H V Ậ T M Ô I T R Ư Ờ N G
Đỗ Hồng Lan Chi - Bùi Lê Thanh Khiết - Nguyễn Thị Thanh Kiều
Lâm Minh Triết

NHÀ XUẤT BẢN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ H ổ CHÍ MINH
Khu phố 6 , Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TPHCM
Số 3, Công trường Quốc tế, Quận 3, TP Hồ Chí Minh
ĐT: 38239171 - 38225227 - 38239172
Fax: 38239172 - E-m ail: vnuhp@ vnuhcm .edu.vn

PHÒNG PHÁT HÀNH NHÀ XUAT BẢN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ H ồ CHÍ MINH
Số 3 Công trường Quốc tế - Quận 3 - TPHCM
ĐT: 38239170 -0982920509 - 0913943466
Fax: 38239172 - W ebsite: w w w .nxbdhqghcm .edu.vn

Chịu trịc h nhiệm xuất bản:
N G U Y Ê N HO ÀNG D Ũ N G
Chịu trịc h nhiệm nội dung:
N G U Y Ễ N HOÀNG D Ũ N G
Tổ chức bản thảo ưà chịu trách nhiệm về tác quyền
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
Biên tập:
PH Ạ M A N H TÚ - PHẠM VĂN THỊNH
Sửa bản in:
TRÀN VĂN THÁNG
Trình bày bìa:
XUÂN THẢO
Mã số ISBN: 978-604-73-2066-0
Số lượng 1.000 cuốn; k h ổ 16 X 24 cm.
Số dâng ký k ế hoạch x u ất bản: 1660-2013/CXB/25-99/ĐHQGTPHCM
Q uyết đ ịnh x uất b ả n số: 49 ngày 24/02/2014 của NXB ĐHQGTPHCM.
In tạ i Công ty TN H H In và Bao bì Hưng Phú
162A/1, KP1A, p. An Phú, TX T h u ận An, B ình Dương
Nộp lưu chiểu quí II n ă m 2014


LỜI NÓI ĐÀU
Trong nhùng năm 60 cùa thế kỳ XX, một trong những công việc
chính của các kỹ sư thanh hóa (sanitary engineers) là xử lý nước thải.

Thời kỳ này người ta đã thực hiện rat nhiều nghiên cứu ứng dụng vi sinh
vật để xử lý các chắt thải cũng như đế phát hiện và kiểm soát vi sinh gây
bệnh. Ngày nay người ta gọi tên ngành “kỳ thuật môi trường”
(environmental engineering) thay cho tên “kỹ thuật thanh hóa” (sanitary
engineering) cùa nhũng năm 60. Theo đó, môn vi sinh kỹ thuật môi
trườnị trở nên pho biến trong khoảng hai thập kỳ gần đây như một công
cụ hữu ích cung cap kiến thức về vai trò cùa vi sinh vật trong quá trình
xừ lý (hất ô nhiễm. Nhờ những kỳ thuật tiến bộ cùa sinh học phân từ và
công r.ghệ di truyền, các kỹ sư môi trường và những nhà vi sinh học ngày
càng cuan tâm đến bản chất quá trình phân hủy sinh học áp dụng trong
xử lý :ác chất thải, các hóa chắt nguy hại nhằm tìm kiếm các phưomg
thức h ệu quả kiểm soát các chat gây ô nhiễm.
Xiắt bản tài liệu này, tác già mong muốn cung cắp kiến thức về vi
sinh Vật học đại cương thường gặp trong kỹ thuật môi trường, về các quá
trình sinh học trong xừ lý ô nhiễm. Nội dung sách bao gồm 15 chương, đi
từ kiết thức cơ bản của vi sinh học, các yểu to vi sinh trong sức khỏe
cộng ¿ong, đen các quá trình chuyến hóa, cơ chế sinh học trong xử lý
môi trrờìĩg - đó là “sự giao thoa ” giữa hai ngành vi sinh học và kỹ thuật
môi trrờng học. Thêm vào đó, các bài đọc thêm minh họa cho nội dung
cũng cược long ghép cuối mồi chương trong lần tái bản này.
Qiyển sách này có thế được dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên
chuyêi ngành khoa học môi trường và kỳ thuật môi trường. Nó cùng có
thê là ài liệu tham khảo của cán bộ nghiên cứu, cán bộ quàn lý và kỹ sư
môi trrờng.
Cíc tác giả trân trọng gừi đến người đọc và cảm ơn các ý kiến đóng
góp đt sửa chừa các sai sót và nâng cao chất lượng trong lần tái bản
tiếp th’o cho quyến “Vi sinh vật môi trường ” này.

Các tác giả

V

MỤC LỤC
Lời nói đầu...................................................................................................................iii
CHƯƠNG 1: THÉ GIỚI VI SINH VẬT...............................................................1
1.1. Giới t h iệ u ................................... *....................................................................1
1.2. CÁU TRÚC TẾ BÀO............................................................................................. 3
1.2.1. Kích thước tế bào.......................................................................................3
1.2.2. Màng tế bào chất........................................................................................3
1.2.3. Vách tế bào................................................................................................. 4
1.2.4. Màng ngoài.................................................................................................4
1.2.5. Glycocalyx................................................................................................. 4
1.3. VẬT LIỆU DI TRUYỀN......................................................................................... 5
1.4. CÁC nhóm VI SINH CHỦ YẾU............................................................................6
1.4.1. Vi khuẩn...................................................................................................... 6
1.4.2. N ấm ............................................................................................................ 13
1.4.3. Tảo..............................; ......................... ................................................16
1.4.4. Protozoa và động vật cao hơn............................................................... 21
CHƯƠNG 2: TRAO ĐÔI CHÁT VÀ SINH TRƯỞNG VI SINH VẬT......30
2.1. Giới thiệu ........................................................................................... ’...........30
2.2. Enzyme và ĐỘNG HỌC ENZYME...................................................................30
2.2.1. Giới thiệu...................................................................................................30
2.2.2. Động học enzyme.................................................................................... 31
2.3. Trao đổi chát của VI SINH VẬT................................................................32
2.3.1. Giới thiệu...................................................................................................32
2.3.2. Dị hóa (Catabolism)................................................................................. 32
2.3.3. Đồng hóa (Anabolism)............................................................................39
2.3.4. Quang tổng hợp........................................................................................39
2.3.5. Phân loại trao đổi chất cùa vi sinh vật................................................. 40

2.4. Đ ộng Hộc sinh trưởng VI SINH VẬT........................................................44
2.4.1. Nuôi cấy tĩnh............................................................................................ 45
2.4.2. Sinh trường vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy liên tục...................47
2.4.3. Các thông số động học khác...................................................................48
2.4.4. Đo sinh khối vi sinh vật.......................................................................... 49
2.4.5. Các yếu tố ảnh hường đến sự tăng trường vi sinh vật........................ 50
CHƯƠNG 3: VI SINH VẬT VÀ CÁC CHU TRÌNH
SINH ĐỊA HÓA HỌC ..................................................................56
3.1. GIỚI thiệu ........................................................................................................ 56
3.2. Vi SINH VẬT TRONG CHU TRÌNH N ............................................................... 56
3.2.1. Sự cố định N (Nitrogen fixation)........................................................... 57
3.2.2. Sự đồng hóa nitơ (assimilation)............................................................. 58
3.2.3. Sự khoáng hóa nitơ (ammonification).................................................. 59
3.2.4. Quá trình nitrát hóa (nitrification)......................................................... 59
3.2.5. Sự khừ nitrát hóa (denitrification)......................................................... 64


VI

3.3. Sự LOẠI Bỏ N TRONG CÁC CÔNG TRỈNH x ử LÝ NƯỚC THẢI...................... 67
3.4. TÁC ĐỘNG LOẠI Bố N TỪ CÁC CỔNG TRÌNH x ử LÝ NƯỚC THÁI LÊN
MÔI TRƯỜNG..................................................................................................... 68
3.4.1. Tính độc..................................
68
3.4.2. Sự suy giảm oxy của nguồn tiếp nhận..................................................68
3.4.3. Phú duờng hóa nước mặt.........................................................................68
3.4.4. Ãn m òn...................................................................................................... 68
3.5. Giới thiệu ........................................................................................................68
3.6. Vi SINH VẬT CỦA CHU TRÌNH PHOSPHO....................................................... 69
3.6.1. Khoáng hóa (Mineralization).................................................................. 69

3.6.2. Đồng hóa.................................................................................................... 69
3.6.3. Sự kết tủa của các hợp chất phospho.....................................................69
3.6.4. Khả năng hòa tan của vi sinh vật đối với các dạng phospho
không tan................................................................................................... 70
3.7. Loại bỏ phospho trong các công trình xử lý nước thái...............70
3.8. Loại bỏ phospho bảng phương pháp sinh học .................................... 71
3.8.1. Vi sinh vật phân hủy các kết tủa hóa học của phospho..................... 71
3.8.2. Phân hủy phospho bời vi sinh vật......................................................... 71
3.9. Giới thiệu .............................. . .
...... ....
.... ...
....... . 73
3.10. Vi SINH VẬT CỦA CHU TRÌNH LƯU HUỳNH.................................................74
3.10.1. Khoáng hóa lưu huỳnh hữu cơ.............................................................74
3.10.2. Đồng hóa................................................................................................. 74
CHƯƠNG 4: VI SINH VẬT GÂY BỆNH VÀ KÝ SINH TRÙNG
TRONG NỨỚC THẢI SINH H O Ạ T ..................
80
4.1. CÁC yếu tồ của DJCH TỄ HỌC......................................................................80
4.1.1. Một số định nghĩa..................................................................................... 80
4.1.2. Chuỗi nhiễm trùng....................................................................................81
4.2. Vi SINH VẶT GÂY BỆNH VÀ KÝ SINH TRÙNG TÌM THÁY TRONG
NƯỚC THẢI SINH HOẠT..................................................................................... 84
4.2.1. Vi khuẩn gây bệnh.................................................................................. 85
4.2.2. Vi khuẩn tạo kháng sinh.......................................................................... 89
4.2.3. Virus gây bệnh.......................................................................................... 90
4.2.4. Ký sinh trùng protozoa............................................................................ 93
4.2.5. Giun sán..................................................................................................... 99
4.2.6. Những vi sinh vật gây bệnh khác.........................................................100
CHƯƠNG 5: VI SINH VẬT CHỈ THỊ.................................................................104

5.1. GIỚI thiệu ....... ......
104
5.2. TỔNG QUAN VI SINH VẬT CHÌ THỊ............................................................... 105
5.2.1. Tổng số coliform..................................................................................... 105
5.2.2. Coliform phân..........................................................................................105
5.2.3. Streptococcus phân................................................................................. 106
5.2.4. Vi khuẩn kỵ k h í...................................................................................... 106
5.2.5. Bacteriophage..........................................................................................107
5.2.6. Nấm men và vi sinh vật kháng acid..................................................... 108


vii

5.2.7. Đem vi sinh dị dưỡng...........................................................................108
5.2.8. Chi thị hóa học của chất lượng nước....................... ..........................109
5.3. Phát HIẸN những VI SINH VẠT CHỈ THỊ................................................... 109
5.3.1. Phát hiện coliform phân và tổng coliform.......................................... 109
5.3.2. Phát hiện nhanh coliform.......................................................................111
5 3 3 Đếm đĩa dị dưỡng (HPC).......................................................................113
5.3.4. Bacteriophage......................................................................................... 114
5.4. Kết l u ậ n ........................................................................................................115
CHƯƠNG 6: KHỬ TRÙNG NƯỚC VÀ NƯỚC T H Ả I...............................118
6.1. Giói thiệu ...................................................................................................... 118
6.2. YẾU Tố ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH KHỬ TRÙNG........................................... 118
6.2.1. Hóa chất khử trùng.................................................................................118
6.2.2. Vi sinh vật................................
118
6.2.3. Nồng độ khử trùng và then gian tiếp xúc............................................ 119
6.2.4. Tác động của pH.....................................................................................122
6.2.5. Nhiệt đ ộ ....................................................................................................122

6.2.6. Cạnh ưanh hóa học và vật lý đối với việc khừ trùng....................... 122
6.2.7. Tác dụng bảo vệ của nhừng động vật không xương sống.............. 123
6.2.8. Những yếu tố khác..................................................................................124
6.3. Chlor ....7....................................................................................................... 125
6.3.1. Hóa học của chlor...................................................................................125
6.3.2. Bất hoạt vi sinh vật bời chlor................................................................ 125
6.3.3. Tổn thương tế bào do chlor.................................................................. 126
6.3.4. Khả năng khử trùng cùa chlor tự d o .................................................... 126
6.3.5. Cơ chế tác động của chlor.....................................................................127
6.3.6. Độc tính của chlor và những sản phẩm phụ của chlor...................... 127
6.3.7. Chloramin hóa........................................................................................ 128
6.4. DIOXIDE CHLOR..............................................................................................131
6.4.1. Hóa học của dioxide chlor.................................................................... 131
6.4.2. Tác dụng của dioxide chlor trên vi sinh vật........................................131
6.4.3. Phưcmg thức tác động của dioxide chlor............................................ 132
6.4.4. Độc tính của dioxide chlor.....................................................................132
6.5. Oz o n e ............................................................................................................. 133
6.5.1. Giới thiệu................................................................................................. 133
6.5.2. Tác dụng của ozone lên vi sinh vật chi thị và gây bệnh..................133
6.5.3. Cơ chế tác dụng của ozone................................................................... 134
6.5.4. Tác động của sản phẩm phụ của ozone lên sức khỏe cộng đồng.... 134
6.6. Tia c ự c tímT.............. ...........
135
6.6.1. Giới thiệu................................................................................................. 135
6.6.2. Cơ chế sát khuẩn của tiacực tím ...........................................................136
CHƯƠNG 7: ĐẠI CƯƠNG QUÁ TRÌNH x ử LÝ SINH HỌC
NƯỚC TH ẢI...................................................................................139


viii

7.1. Giới thiệu ......................................................................................................139
7.2. Một sổ thuật n g ữ .....................................................................................140
7.3. Quá trình xừ lý sinh học ........................................................................141
CHƯƠNG 8: x ử LÝ HIÉU K H Í............................................................................ 149
8.1. QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HIẾU KHÍ KINH ĐIÊN..................................................... 149
8.1.1. Thành phần hệ thống bùn hoạt tính kinh điển.................................. 149
8.1.2. Một số cải tiến của quá trình bùn hoạt tính.......................................150
8.1.3. Một số thông số hoạt đ ộ n g.................................................................. 152
8.2. LÝ THUYẾT TẠO BỔNG BÙN HOẠT TÍNH..................................................... 154
CHƯƠNG 9: BÙN HOẠT TÍNH........................................................................ 157
9.1. Giới THIỆU
............... .... ......... ......................................................157
9.2. S inh học của bùn hoạt t ín h .................................................................. 157
9.2.1. Khảo sát vi sinh vật hiện diện trong bông bùn hoạt tính.................157
9.3. Hiện tượng bung và lên bọt bùn hoạt tính .....................................160
9.3.1. Giới thiệu..................................................................................................160
9.3.2. Bung bùn có sợ i.......................................................................................162
9.3.3. Kỹ thuật để phân lập và xác định vi sinh vật sợ i.............................. 166
9.3.4. Khống chế hiện tượng bung bùn......................................................... 167
CHƯƠNG 10: XỬ LÝ KỴ KHÍ.....r.................................................................... 170
10.1. Giới thiệu ............................................... ..... .......................................... 170
10.2. Mô TÀ QUÁ TRÌNH........................................................................................171
10.2.1. Bẻ phân hủy một giai đoạn (Single-Stage Digestion)......................171
10.2.2. Bể phân hủy hai giai đoạn (Two-Stage Digestion).......................... 171
10.3. Quá trình sinh học kỵ k h í ................................................................... 172
10.3.1. Nhóm 1: vi khuẩn thủy phân (hydrolytic bacteria).........................172
10.3.2. Nhóm 2: vi khuẩn lên men acid
(Fermentative acidogenic bacteria)..................................................... 172
10.3.3. Nhóm 3: vi khuẩn acetic (Acetogenic bacteria)................................172

10.3.4. Nhóm 4: VI khuẩn metan (methanogens).......................................... 173
10.4. PHUƠNG pháp xác định VI KHUÂN MLTAN........................................... 173
10.5. CÁC yếu tố kiếm soát quá trình kỵ khí ........................................... 174
10.5.1. Nhiệt đ ộ ..........
....... . ......... .........................................................174
10.5.2. Thời gian lư u .........................................................................................174
10.5.3. p H ..................................
174
10.5.4. Cạnh tranh giữa vi khuẩn metan và vi khuẩn khử sulfate..............174
10.5.5. Các yếu tố gây độc................................................................................ 175
10.6. XỪLÝ KỴ KHÍ NƯỚC THẢI............................................................................175
10.6.1. Be tự hoại................................................................................................175
10.6.2. UASB ..........
177
CHƯƠNG 11: HÒ ỔN ĐỊNH SINH HỌC (HỒ SINH VẬT).......................181
11.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 181
11.2. Hồ TÙY TIỆN................................................................................................. 181
11.2.1. Sinh học của hồ tùy tiện .....................................................................181
11.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ....................................................................... 183


ix

11.2.3. Sự loại bò SS, N và p trong hồ sinh v ậ t....................................... 183
11.3. CÁC loại hô sinh vật ............................................................................... 184
11.4. S ự LOẠI BÓ VI SINH VẶT GÂY BỆNH TRONG HỒ SINH VẬT............185
CHƯƠNG 12: XÁC ĐỊNH Đ ộ c TÍNH NƯỚC THẢI TRONG CÁC
CÔNG TRÌNH XỬ LÝ................................................................. 189
12.1. Giới THIỆU.................................................................................................... 189
12.2. TÁC ĐỘNG CỦA CHẤT Độc LÊN QUÁ TRÌNH XỪLÝ NƯỚC THÁI...........190

12.2.1. Kim loại nặng....................................................................................... 190
12.2.2. Chất độc hữu cơ....................................................................................191
12.3. T hí nghiệm khảo sát độc tính ............................................................ 192
12.3.1. Thử nghiệm enzyme............................................................................192
12.3.2. Thừ nghiệm vi sinh.............................................................................. 193
12.3.3. Các thừ nghiệm nhanh thương phẩm.................................................193
CHƯƠNG 13: HẠT KEO KHÍ VÀ MUI CÓ NGUỒN GỐC SINH VẬT
TỪ CÁC CÔNG TRÌNH x ử LÝ NƯỚC TH Ả I............. . 200
13.1. G iới thiệu ....................................................................................................200
13.2. CO CHÉ BẢO VỆ CỦA HỆ HÔ HÁP CHỔNG LẠI KEO KHÍ NGUỒN GỐC
SINH VẬT......................................................................................................... 201
13.3. Lày màu keo khí sinh VẬT....................................................................... 201
13.3.1. Lăng....................................................................................................... 201
13.3.2. Màng lọc.. ............................................. ."........................................... 201
13.3.3. Ly tâm Reuter.......................................................................................202
13.3.4. Impinger................................................................................................202
13.3.5. Rây Andersen.......................................................................................202
13.3.6. Impinger ba giai đoạn May.................................................................202
13.3.7. Bộ kết tùa tĩnh điện kích thước lớ n .................................................. 202
13.4. MÔ HÌNH Dự BẢO ĐẺ ƯỚC TÍNH MỨC Độ CUỒN THEO GIÓ CỦA
VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ..................................................................203
13.5. YÉU Tố KIÊM SOÁT Sự TỒN TẠI CỦA HẠT KEO KHÍ NGUỒN GỎC
SINH VẬT.............................
204
13.5.1. Độ ẩm ....................................................................................................204
13.5.2. Nhiệt đ ộ ....................
205
13.5.3. Bức xạ mặt trời.................................................................................... 205
13.5.4. Loại vi sinh vật.................................................................................... 205
13.5.5. Yếu tổ khác...........................................................................................205

13.6. CÁC hạt keo khí sinh VẬT TỪ HỆ THỐNG xử LÝ NƯỚC THÀI VÀ
ÀNH HƯỞNG ĐẾN sứ c KHỎE CON NGƯỜI....................................................205
13.7. MÙI PHÁT SINH Từ CÁC CÔNG TRÌNH Xử LÝ.............................................207
13.7.1. Các loại mùi..........................................................................................207
13.7.2. Xử lý ......................................................................................................207
CHƯƠNG 14: CHUYÊN HÓA SINH HỌC CÁC HỢP CHÁT
DỊ SINH VÀ KIM LOẠI TRONG CÔNG TRÌNH
XỬ LÝ NƯỚC T H Ả I...................................................................211
14.1. Giới thiệu ................................................................................................. 211


X

14.2. PHÂN HỬY SINH HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC.................................. 212
14.3. Sự BỀN VỮNG CỦA CÁC HỢP CHÁT.......................................................... 213
14.3.1. Sự khử halogen các hợp chất hữu cơ ............................................... 214
14.3.2. Đồng trao đồi chất..............................................................................215
14.3.3. Di truyền học của sự phân hủy các chất xenobiotics.....................215
14.4. ĐƯỜNG ĐI CỦA CHÁT XENOBIOTICS TRONG CÁC CỔNG TRÌNH x ừ LÝ
NƯỚC THẢI.....................................................................................................216
14.4.1. Các quá trình lý hóa............................................................................216
14.4.2. Quá trình phân hủy sinh học............................................................. 217
14.5. Loại bò các chát hữu co độc HẠI BÀNG QUÁ TRÌNH SINH HỌC
HIẾU KHÍ.......................................................................................................... 218
14.6. Loại bỏ các chát hửu co độc hại bàng quá trình kỵ khí..........220
14.7. Chuyên hóa sinh hqc các kim loại....................................................221
14.7.1. Trao đổi chất và chuyển hóa sinh học kim lo ạ i...............................221
14.7.2. Chuyển hóa sinh học một số kim loại đặc b iệt................................222
CHƯƠNG 15: VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG x ử LÝ VÀ
PHÂN PHỐI NƯỚCCÁP..............

225
15.1. Giói thiệu . ..................
225
15.2. TỎNG QUAN CÁC QUÁ TRÌNH TRONG NHÀ MÁY NƯỚC CẤP..................225
15.3. VI SINH VẬT TRONG HỆ THỔNG CẢP NƯÓC............................................. 226
15.3.1. Dự trử nước thô (raw water).............................................................. 226
15.3.2. Tiền chlor hóa (prechlorination)........................................................226
15.3.3. Keo tụ - đông tụ .................................................................................. 226
15.3.4. Làm mềm nước........................................
226
15.3.5. Lọc nước............................................................................................... 227
15.4. Vi SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỔI NƯỞC................................. 227
15.4.1. Ảnh hường của vi sinh vật trong hệ thống phân phối nước cấp ...227
15.4.2. Tăng trưởng của vi sinh gây bệnh và trong hệ thống
phân phối nước...................................................................................... 228
15.5. Một Sỏ Vân đê DO VI SỈNH VẬT TRONG HỆ THỐNG PHẢN PHỐI NƯỚC 229
15.5.1. Mùi và vị........................... ........................ .. .
. ........... . 229
15.5.2. Tảo, nấm, protozoa, xạkhuẩn............................................................ 230
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 234


Chương

THẾ GIỚI VI SINH VẬT
1.1. G IỚ I T H IỆ U
Te bào sinh vật được chia thành hai nhóm: nhóm tiền nhân (procaryote)
như vi khuẩn và nhóm có nhân thật (eucaryote) như nấm, nguyên sinh động
vật, tảo, tế bào thực vật và động vật. Virus là những ký sinh nội bào bắt buộc
thì không thuộc hai nhóm tế bào này.

Nhừng đặc điểm chính để phân biệt hai nhóm procaryote và eucaryote
như sau (Hình 1.1):
- Te bào eucaryote thường phức tạp hơn tế bào procaryote.
- Ỏ tế bào eucaryote thì ADN có màng nhân được gắn với histon và
những protein khác.
- Ở tế bào eucaryote thì các bào quan thường có màng bao bọc.
- Tế bào procaryote thường sinh sản bằng cách nhân đôi (binary) ưong
khi tế bào eucaryote sinh sản bàng con đường phân bào gián phân
(mitosis).
- Trong tế bào procaryote thường văng mặt một số bào quan như thể
Golgi, lưới nội chất, ty thể, lục lạp.

Hình 1.1. Cấu trúc tế bào prokaryote (a) và eukaryote (b)


Vi sinh vật mỏi trường

2

Sự khác nhau giữa tế bào procaryote và eucaryote được trình bày trong
bảng 1. 1.
Bảng 1.1. So sánh procaryote và eucaryote
Procaryote
(vi khuẩn)

Eucaryote
(nấm, nguyên sinh động vật,
tào, thực và động vật)

Vách tế bào

Có ở hầu hết procaryote

Không có ở tế bào động vật,
có ở thực vật, tảo và nấm

Màng tế bào

Lớp đôi phospholipid

Lớp đôi phospholipid +
sterol

Ribosome

Kích thước 70S

Kích thước 80S

Lục lạp

Không

Có

Ty thể

Không có, hô hấp thực
hiện ở màng nguyên sinh
chất

Có

Thể Golgi

Không

Có

Lưới nội chất

Không

Có

Không bào khí

Có ở một số loài

Không

Bào từ

Có ờ một số loài

Không

Chuyển động

Tiên mao hoặc roi

(flagella) gồm một sợi

Tiên mao hoặc roi gồm
nhiều vi ống

Màng nhân

Không

CÓ

ADN

Một phân từ sợi đcm

ADN gắn với histon ở một
vài nhiễm sắc thể

Phân chia tế bào

Nhân đôi

Gián phân

Khả năng cố
định nitơ

Có

Không

Tiêm mao (pilli)

0,01-0,02 p

Khoảng 0,2 Ịi

Kích thước tế
bào

0,2-2,0 ụ

> 2,0 p

Ty thể

Không

Cỏ


Chương 1 - Thế giới vi sinh VỘI

3

1.2. CÁU TRÚC TÉ BÀO
1.2.1. Kích thước tế bào
Ngoại trừ vi khuẩn dạng chuồi, các tế bào procaryote thường nhỏ hom tế
bào eucaryote. Các té bào nhỏ hom lại có tốc độ tăng trưởng cao hom những té
bào lớn. Điều này được giải thích do các tế bào nhỏ có tỷ số diện tích tiếp xúc

nhiều hom nhừng tế bào lớn. Các hoạt động trao đổi chất cao hom ờ các tế bào
nhò là do phần diện tích tiếp xúc này, chúng vận chyển các chất dinh dưỡng
vào trong tế bào và thải các sản phẩm thải ra khỏi tế bào.

1.2.2. Màng tế bào chất
Màng tế bào chất là một màng bán thấm có chiều dày 40 - 80 A° được
cấu tạo bởi lớp đôi phospholipid với các protein được khảm bên ưong lớp đôi
này. Lớp đôi phospholipid được cấu tạo bởi các acid béo với các đầu kỵ nước
(hydrophobic) quay vào ưong lớp đôi và các đầu ưa nước (hydrophilic) quay
ra ngoài. Một số ion như Ca‘+ và Mg2" giúp ổn định cấu trúc màng. Tham gia
vào thành phần cấu tạo của màng tế bào eucaryote và procaryote còn có các
sterols và một so lipid. Các hóa chất sẽ xâm nhập màng sinh học của tế bào
bàng các con đường khuếch tán, vận chuyển chủ động và thực hoặc ẩm bào.

Khuếch tán. Với tính chất kỵ nước của màng tế bào, các hợp chất ưa dầu
mỡ (lipophilic) sẽ dễ dàng xâm nhập màng hom là các hợp chất ion hóa. Tốc
độ khuếch tán các chất qua màng tế bào sẽ phụ thuộc khả năng hòa tan lipid
của chúng và gradient nồng độ qua màng.
pro te in v in chuyên

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc
màng tế bào

g lyco p ro te in

ỉn g te n
hydratcarbon

lớp <161
p h o s p h o lip id s

khe rỗ n g (ké nh)

lỡp protein
(phía tro n g )

Vận chuyển chủ động. Các hợp chất ưa nước (nghĩa là không tan ưong
dầu mỡ) sẽ được vận chuyển qua màng bằng vận chuyển chủ động. Kiểu vận
chuyển này bao gồm các protein vận chuyển chuyên biệt, đòi hòi năng lượng
ở dạng ATP hoặc phosphoenol pyruvate (PEP), và cho phép tế bào tích tụ
các hóa chất chống lại gradient nồng độ. Trong tế bào có các hệ thống vận
chuyển chuyên biệt cho đường, acid amin và các ion.
Các chất độc thường đi vào tế bào chủ yếu bằng con đường khuếch tán,
và một số bàng các hệ thống vận chuyển tương tự như các chất dinh dưỡng.


4

Vi sinh vật môi trường

Thực hoặc ấm bào (Endocytosis). Trong tế bào eucaryote, một số chất
có thể đi vào tế bào bàng endocytosis, với sự giúp đỡ của khuếch tán và vận
chuyển chù động. Endocytosis bao gồm thực bào (phagocytosis) thu lấy các
hạt và ẩm bào (pynocytosis) thu lấy các chất hòa tan.

1.2.3. Vách tế bào
Tất cả vi khuẩn, trừ vi khuẩn nhày (mycoplasma) đều có vách tế bào.
Cấu trúc này duy trì hình dạng, bảo đảm độ cứng của tế bào, và chúng cũng
bảo vệ tế bào khỏi áp suất thẩm thấu cao. Vách tế bào cấu tạo bởi
mucopolysaccharid gọi là peptidoglycan hay murein (dây glycan liên kết với
các chuồi peptid). Peptidoglycan bao gồm N-acetylglucosamine, acid Nacetylmuramic, và các acid amin. Khi tiến hành nhuộm gram, sự khác biệt

giữa vi khuan gram âm và gram dưorng là do thành phần vách tế bào của
chúng. Các lớp peptidoglycan của vi khuẩn gram dưorng thường dày hon vi
khuẩn gram âm. Thêm vào đó, lớp peptidoglycan của vi khuẩn gram dưcmg
còn có acid teichoic với các nhóm alcohol và phosphate.
Te bào động vật không có vách tế bào nhưng trong những tế bào
eucaryote khác, vách tế bào có thể có Cellulose (như thực vật, tào, nấm), có
chitin (như nấm), có silic (như tào silic) hoặc Polysaccharid như glucan hoặc
mannan (nấm men).

1.2.4. Màng ngoài
Lớp màng ngoài của vi khuẩn gram âm chứa phospholipid,
lipopolysaccharid và protein. Lipopolysaccharid chiếm 20% trọng lượng
màng ngoài, bao gồm vùng kỵ nước (lipid A) bao bọc một lồi
Oligosaccharid. Lipopolysaccharid còn giữ các cation hóa trị 2. Protein
chiếm 60% trọng lượng màng ngoài và nhô một phần ra phía ngoài. Một
Số protein tạo thành những lỗ chiếm đầy nước (porins) đề các hợp chất ưa
nước đi qua. Những protein khác là nhừng protein cấu trúc bởi vì chúng
giúp cho màng ngoài và vách tế bào liên kết với nhau. Màng ngoài của vi
khuẩn gram ảm là một rào cản rất hiệu quả giúp tế bào ngăn các hoá chất
ưa nước (như một số kháng sinh, chất lạ xenobiotic) nhưng màng ngoài
lại bán thấm đổi với những hợp chất ưa nước, đó là một số dinh dưởng
chính của tế bào.
Các loại hóa chất (như EDTA, polycation) và một số xử lý vật lý (như
tác nhân nhiệt, đông lạnh, làm khô) hay nhừng thay đổi di truyền có thể làm
tăng tính bán thấm của màng ngoài đổi với những hợp chất kỵ nước.

1.2.5. Glycocalyx
Glycocalyx được tạo bởi các chất cao phân tử ngoại bào, bao quanh tế

Chương 1 - Thế giới vi sinh vật

5

bào, cấu tạo bời polysaccharid. ờ một số tế bào, glycocalyx tạo thành nang
(capsule). Một số tế bào khác glycocalyx bao gồm những chất cao phân tử cất
trúc lòng lẻo và chúng có thể rải rác trong môi trường nuôi cấy. Xét theo
quan điểm y học và môi trường, các hợp chất cao phân tử ngoại bào rất quan
trọng: ( 1) nang đóng góp tính độc của các vi khuẩn gây bệnh, (2) những tế
bào được bao bọc bời nang có thể chống lại được sự thực bào, (3) những chất
cao phân từ ngoại bào có thể giúp vi khuẩn hấp thu vào các bề mặt khác nhau
như bám vào răng, bám vào những bề mặt nhớt nhày, ống nước, (4) nang bảo
vệ tế bào khỏi bị khô, (5) chúng đóng vai trò tạo phức với kim loại đặc biệt
trong các công trình xử lý nước thải, (6) chúng giúp cho sự tạo thành bông
bùn trong quá trình bùn hoạt tính.

1.3. VẬT LIỆU DI TRUYỀN
Ỏ tế bào procaryote, phân từ ADN có vòng đơn, chúng tồn tại bên trong
tế bào và không bao quanh màng nhân. Procaryote có thể chứa một phân tử
ADN nhỏ vòng đơn, gọi là plasmid.

T

•'

0

*

DN*

Double

>
. V ..' . ' ,

Helte

*• *
j*
• §• *•

i

.

Eucaryote có nhân rồ ràng được bao
bọc bởi màng nhân. Màng nhân có các lỗ
rất nhỏ cho phép trao đổi giữa bên trong
chất nhân và nguyên sinh chất tế bào.
ADN liên kết với histon tồn tại ở các
nhiễm sắc thể. Tế bào phân chia bàng
gián phân, trong đó bất đầu bàng sự nhân
đôi các nhiễm sắc thể. Mỗi tế bào con lại
mang một bộ nhiễm sắc thể giống như tế
bào mẹ.

Các acid di truyên gôm ADN
(deoxyribonucleic) và ARN (ribonucleic).
Phân từ ADN là chuỗi xoắn kép gồm
Hình 13. Chuồi xoắn kép

hàng triệu đơn vị gọi là nucleotid.
ADN
Nucleotid liên kết với nhau qua các cầu
nối phospho. Nhỏm hydroxyl của đường pentose (C 3’) sỗ liên kết với nhóm
phosphate cùa c 5’ của pentose kế tiếp. Có 4 bazơ cơ bản của ADN, 2 purin
là adenin và guanin, 2 pyrimidin là cytosin và thymin. Các bazơ sẽ bắt cặp
với nhau thông qua các cầu nối hydro, guanin luôn bắt cặp với cytosin, còn
adenin luôn bắt cặp với thymin.
.*
•s «•• •

•
»
* . 0 4“ m

ARN thường chi có một sợi (một so virus có sợi đôi ARN) và chứa
đường ribose thay vì deoxyribose, uracil thay vì thymin.


6

Ví' sinh vật môi trường

1.4. CÁC NHÓM VI SINH CHỦ YẾU
1.4.1. Vi khuẩn
Nhóm vi sinh vật cơ bản quan trọng trong kỹ thuật môi trường là vi
khuẩn. Vi khuẩn được sừ dụng dưới những điều kiện kiểm soát được trong
các trạm xử lý nước thải để xừ lý các chất hữu cơ.

1.4.1.1. Phăn bố

Vi khuẩn được tìm thấy khắp nơi trong tự nhiên: trong nước, trong đất,
và trong không khí. Hầu hết vi khuẩn được tìm thấy trong nước và ữong đất
có độ ẩm cao, bời vì vi khuẩn cần môi trường lòng để lấy thức ăn. Vi khuẩn
ưong không khí được liên kết với phần lớn vật chất riêng biệt. Vi khuẩn phân
bố trong tự nhiên theo sự hiện diện của chất dinh dưỡng.
Để biết tại sao vi khuẩn có thể ỏn định chất hừu cơ trong chất thải, làm
thế nào chúng thực hiện ổn định chất hữu cơ, và làm thế nào sử dụng những
kiến thức này trong thiết kế và vận hành xử lý chất thải, cần phải biết và hiểu
chức năng từng phần của tế bào vi khuẩn.

1.4.1.2. Hình dạng
Vi khuẩn có ba dạng: (a) hình que, (b) hình cầu, và (c) hình xoắn. Ba
dạng của vi khuẩn được cho trong hình 1.2. Các tên kỹ thuật cho ba dạng này
là bacillus (hình que), coccus (hình cầu), và spirillum (hình xoắn).
Các hình thái của ba dạng vi
khuẩn rất thay đổi. Hình que là
dạng thông thường nhất và có
thể được quan sát trong ba nhóm
phân biệt: (a) các tế bào riêng lẻ,
(b) diplo hay các tế bào sinh đôi,
và (c) chuỗi tế bào. Người ta
thường quan sát được cả hai
dạng riêng lè và sinh đôi trong
Hình 1.4. Hình dạng tế bào vi khuẩn

môi trường nuôi cấy vi khuẩn, vì
tât cả hình que sẽ xuất hiện như
sinh đôi ngay crước khi phân chia. Một số vi khuẩn có dạng chuồi và dạng
chuỗi này có thể thay đổi tùy thành phần hóa học của môi trường.
Te bào vi khuẩn hình cầu có thể tồn tại: (a) riêng lè, (b) diplo, (c) tứ cầu,

(d) khối vuông, (e) chuỗi, và (f) bụi (cục). Sự hình thành tứ cầu và khối
vuông có thể là khối cầu nơi không có hình que, như hình que luôn luôn phân


Chương 1 - Thế giới vi sinh vật

7

chia dọc theo trục ngang. Nhưng trong khối cầu không có trục ngang xác
định. Sự kiện một vài khối cầu tạo thành cơ cấu xác định bổ sung cho sự
nhận biết chúng, Sarcina tạo khối vuông, trong khi Streptococcus tạo dạng
chuồi và Staphylococcus tạo thành dạng các chùm nho.

Hình 1.5.
Clostridium
perfmgens

Hình 1.6. E. coli

Hình 1.8. Neisseria gonorrhoeae

Hình 1.7. Staphylococcus
aureus

Hình 1.9. Neisseria meningitidis

1.4.1.3. Kích thước
Kích thước của các tế bào riêng lẻ thay đổi theo các giới hạn rộng
nhiều hơn. Giới hạn kích thước tế bào thay đổi từ 0,3 micron đến 50
micron. Giới hạn cho các vi khuẩn bình thường là từ 0,5 đến 3,0 micron.

Hình que trung bình từ 0,5 đến 1 micron chiều rộng và 3,0 micron chiều
dài. Hình cầu trung bình là từ 0,5 đến 1,0 micron đường kính, trong khi tế
bào xoắn có kích thước trung bình từ 0,5 đến 5,0 micron chiều rộng và 6
đến 15 micron chiều dài.

1.4.1.4. Tế bào học
Cấu trúc tế bào có thể được nghiên cứu tốt nhất ở dạng hình que, tiêu
biểu như trong hinh 1.10. Từ ngoài vào trong, sỗ có các thành phần sau đây.


8

Ví' sinh vật môi trường

Màng nhầy
Màng nhầy là lớp ngoài cùng của tế bào vi khuẩn. Mặc dù các thành
phần hóa học đã được biết, người ta vẫn hiểu rất ít về chức năng của chúng.
Lớp màng nhầy tích tụ polysaccharid xung quanh tế bào. Nó không đóng bất
kỳ vai trò nào trong sự tăng trường của tế bào, nhưng lại xuất hiện như một
sản phẩm phân hủy của thành phần vách tế bào. Lúc đầu người ta cho rằng
màng nhầy là chất tiết từ trong tế bào nhưng kích thước phân tử được tìm
thấy của chúng quá lớn để có thể thấm qua vách té bào.
Màng nhầy luôn
luôn được xem là 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 đặc biệt để liên kết

Hình 1.10. Tê bào hình que
với nhau và để hấp dẫn
thức ăn đã được chứng tò hoàn toàn sai. Sự tạo thành màng nhầy là kết quà
thông thường quá trình trao đổi chất của tất cả vi khuẩn. Nếu vi khuẩn
chuyển động, màng nhầy bị trượt từ bề mặt tế bào. Hiện tượng này làm cho
một số người quan sát nghi ngờ vi khuẩn có màng nhầy hay không, bởi vì
không thể thấy được màng nhầy ở các tế bào quá ữẻ và quá chuyển động. Sự
chuyển động làm cho màng nhầy tạo được hình dạng của tế bào và xuất hiện
môt bề dày ổn định xung quanh tế bào. Khi màng nhầy đã có bề dày ổn định,
nó được gọi là nang.
Sự dễ dàng bị nia trôi của màng nhầy từ bề mặt té bào chứng tỏ độ bền
vừng cau trúc của phân từ Polysaccharid là yếu. Khảo sát cấu trúc
polysaccharid màng nhầy cho thấy một số nhóm phản ứng hóa học, gây ra
tính trơ hóa học của loại chất liệu này. Điều này được xác nhận thêm bằng
các nỗ lực minh họa nhuộm màng nhầy. Màng nhầy không thể được nhuộm
bàng các thuốc nhuộm acid hay thuốc nhuộm cơ bản thông thường vì có một
số nhóm phản ứng hóa học trong polysaccharid của màng nhầy.
Polysaccharid màng nhầy có thể được thấy chi khi xừ lý với hóa chất để oxy
hóa polysaccharid thành các nhóm phản ứng hoặc sử dụng thuốc nhuộm
phàn ứng với nhóm hydroxyl bên trong phân tử polysaccharid. Tính ươ của
polysaccharid màng nhầy ngăn cản sự phân hủy chúng bời vi sinh vật và cho
phép chúng tích tụ.


Chương 1 —Thé giới

Ví'

sinh VỘI

9

Khi vi khuẩn già và giảm chuyển động, màng nhầy polysaccharid tích tụ
xung quanh tế bào lớn hom. Nhừng tế bào không chuyển động tích tụ rất
nhiều màng nhầy đến nỗi chúng bị xem là các dạng zoogloea. Sự hiện diện
lượng lớn màng nhầy xung quanh vi khuẩn chứng tỏ hệ thống già, đã già và
hoạt động trao đổi chất kém.
Vách tế bào
Vách tế bào nằm dưới lớp màng nhầy và chịu trách nhiệm quy định hình
dạng tế bào. về mặt hóa học, vách tế bào là polymer của proteinpolysaccharid có tính phản ứng hóa học yếu. cấu trúc phân tử của vách tế
bào là những phân từ tưomg đối lớn có thể xuyên ngang vách tế bào. Trong
trường hợp này vách tế bào hoạt động như một cái rây kiểm soát kích thước
các phân từ 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 các phần của tất cả các chất đi vào và ra khỏi tế bào. Sự
hiện diện cùa các nhóm hóa học hoạt tính cao hướng dần các chất đi vào đến
các vị tri cần thiết bên trong tế bào để thực hiện các phản ứng tiếp theo. Việc
kiểm soát các chất bên ưong tế bào được thực hiện bởi một hàng rào vật lý,
cũng như bời các chất tải điện từ. Màng nguyên sinh chất là vị trí vận tải bề
mặt của vi khuẩn.
Nguyên sinh chất
Khối tế bào vi khuẩn được tạo bởi một dung dịch keo của protein, lipid,
và carbohydrat được gọi là nguyên sinh chất. Các phản ứng hóa học chủ yếu
xảy ra trong nguyên sinh chất tại các bề mặt keo. Pha lỏng là pha chuyển
đòng trong đó các chất hóa hục hòa tan chuyên động. Các sản phâm cuòi cúa
quá trinh trao đổi chất được giải phóng từ bề mặt keo đi vào ứong pha lỏng
và sau đó ra khỏi tế bào. Có một số cấu trúc không hòa tan ưong nguyên sinh
chất, chủ yếu là nhân.
Nhân

Trung tâm của vi khuẩn là nhân. Nhân được tạo bời nucleo-protein và
chịu trách nhiệm tất cả các phản ứng hóa học xảy ra ưong tế bào. Các
enzyme xúc tác tất cả các phản ứng sinh hóa ưong tế bào đều có nguồn
gốc từ nhân. Các đặc trưng di truyền của vi khuẩn đều 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 sửa chừa các sai hòng và tạo ra các thành
phần tế bào mới.


10

Vi sinh vật môi trường

Các thể ẩn nhập
Các thể ẩn nhập khác trong tế bào chất thay đồi theo từng tế bào và thay
đối theo từng điều kiện môi trường khác nhau. Các thể ẩn nhập thường gặp là
volutin, polysaccharid, lipid và sulfur. Volutin là acid pentosenucleic có thể
được dùng như nguồn dự trữ để tổng hợp nhân. Thể ẩn nhập polysaccharid
có thể là glycogen hoặc tinh bột được tìm thấy ưong sự hiện diện dư thừa
chất hữu cơ hay thiếu nguồn nitơ. Lipid hay các thể ẩn nhập là chất béo xuất
hiện khi có dư thức ăn năng lượng cao như carbohydrat. Cả hai thể ẩn nhập
polysaccharid và lipid hoạt động như nguồn thức ăn dự trừ khi cần trao đổi
năng lượng. Vi khuẩn trao đổi Sulfur thường tích tụ sulfur tự do trong tế bào.
Không một thể ẩn nhập nào dong số này xuất hiện trong vi khuẩn trừ khi
dưới những điều kiện dư thừa các chất dinh dường năng lượng và thiếu hụt
chất dinh dưỡng tổng hợp.
Tiên mao
Loại vi khuẩn chủ yếu được các kỳ sư môi trường quan tâm là các loại
bơi tự do. Cơ quan kết hợp chuyển động cùa vi khuẩn là tiên mao. Có những
tranh luận về cơ chế chuyển động. Một số người quan sát có cảm giác tiên

mao không gây ra chuyển động nhưng nó là thứ được tạo ra do dòng màng
nhầy polysaccharid. Những nghiên cứu gần đây cho thấy tiên mao gồm chủ
yếu là protein, loại bò khả nâng tiên mao do màng polysaccharid. Các ành
hiển vi điện từ cho thấy tiên mao có nguồn gốc ưong tế bào và có cấu trúc
xác định.
Bào tử
Sự cần thiết phải tồn tại dưới những điều kiện môi trường khó khăn dần
đén sự hình thành bào từ ở môt số loài vi khuẩn. Bào tử vi khuẩn tạo ra chi
khi các tế bào bình thường, khoẻ mạnh tự nó tìm thấy trong những môi
trường thay đổi bất lợi từ từ. Bào từ tạo ra khi nhân trờ nên được bao quanh
bời một lớp vò polysaccharid rất đậm đặc. Vò polysaccharid bảo vệ nhân cho
đến khi các điều kiện môi trường thuận lợi được thiết lập, lúc đó nhân mờ
rộng ra toàn bộ tế bào và vò polysaccharid bị loại bò.

1.4.1.5. Thành phần hóa học
Sự tăng trường bình thường của vi khuẩn trong điều kiện dinh dưỡng dư
thừa làm cơ sờ để xác định thành phần hóa học của vi khuẩn. Khảo sát nhiều
vi khuẩn khác nhau tăng trưởng dưới những điều kiện môi trường khác nhau
chi ra rằng vi khuẩn có 80% nước và 20% chất khô. Chất khô có 90% là chất
hừu cơ và 10% là chất vô cơ. Phần hừu cơ gồm 53% carbon, 29% oxy, 12%


11

Chương 1 - Thế giới vi sinh vật

nitơ và 6% hydro. Phần hữu cơ cho công thức kinh nghiệm gần đúng là
C 5H7O 2N. Phần vô cơ trung bình 50% P2O 5 , 6% K 2O , 11% Na 20 , 8% MgO,
9% CaO, 15% SO 3, và 1% Fe2Ũ 3. Vi khuẩn phải thu tất cả các nguyên tố cơ
bản cho nguyên sinh chất từ môi trường lòng. Neu môi trường thiếu hụt một

vài nguyên tố, vi khuẩn sỗ phát triển chi ưong tỷ lệ hóa học thiếu hụt.

1.4.1.6. Trao đổi chất
Sự trao đổi chất xác định khả năng cùa vi khuẩn tăng trưởng ưong bất kỳ
môi trường nào. Sự trao đổi chất không những chi phải cung cấp các nguyên
tố hóa học để tạo ra nguyên sinh chất mà còn phải cung cấp đủ năng lượng
cho tế bào mới để cho phép vi khuẩn tổng hợp nguyên sinh chất. Vi khuẩn
lấy năng lượng hoặc từ ánh sáng mặt trời hoặc từ sự oxy hóa các hợp chất
hóa học.

1.4.1.7. Quang tổng hợp
Một số vi khuẩn sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt ười để tổng hợp
nguyên sinh chất. Năng lượng từ ánh sáng mặt ười được chuyển hóa bời các
sắc tố quang tổng hợp như chlorophyl được tìm thấy ở thực vật bậc cao.
Năng lượng từ ánh sáng cho phép vi khuẩn sừ dụng CO 2 như nguồn carbon
cho nguyên sinh chất. Cơ chế cố định carbon bời vi khuẩn quang tổng họp
khác với thực vật bậc cao ở chồ oxy không được gồm vào. Các phương trinh
cơ bản cho quang tổng hợp cùa vi khuẩn và thực vật bậc cao được trình bày
ưong phương trình (1 - 1) và (1 -2).
Thực vật bậc cao
CO 2 + NH 2 + ZH20

------- > CxHyOzN + XO 2

(1-1)

Vi khuẩn
x C 0 2 + NH2 + zH20

+ x/2tì2S — >CxHyOzN + x/2H 2S 0 4 (1-2)

về cơ bản, hai phương trình ưên giống nhau, ngoại trừ phản ứng quang
hợp của vi khuẩn oxy hóa H2S nhiều hơn là giải phóng oxy tự do. Có một số
bàng chứng cho thấy tảo lam sẽ phản ứng theo cách giống như vi khuẩn
quang hợp nếu có mặt H 2S.
1.4.1.8. Hóa tổng hợp
Sự oxy hóa các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ để lấy năng lượng cho tổng
hợp được gọi là hóa tổng hợp và đây là phương pháp thông thường nhất
ưong trao đổi chất của vi khuẩn. Vi khuẩn oxy hóa các hợp chất vô cơ sừ
dụng CO 2 cho nguyên sinh chất cùa chúng và được gọi là vi khuẩn tự dường.
Vi khuẩn oxy hóa các chất hữu cơ cho năng lượng để thu lấy carbon cho tổng


Vi sinh vật môi trường

12

hợp từ các hợp chất hữu cơ tương tự thường dùng cho năng lượng. Một phần
hợp chất vô cơ được sử dụng để cho năng lượng và một phần cho tổng hợp.
Những vi khuẩn này là vi khuẩn dị dưỡng. Cả vi khuẩn tự dường và dị dường
đều quan trọng trong vi sinh môi trường.

1.4.1.9. Vi khuẩn tự dưỡng
Vi khuẩn tự dưỡng là nhóm phức tạp nhất cùa vi khuẩn xét từ quan điểm
sinh hóa. Các vi khuẩn này có khả năng tạo nên tất cả các cấu trúc hoá học
phức tạp trong tế bào vi khuẩn từ các chất vô cơ cơ bản ưong nước. Vi khuẩn
tự dưỡng không được nghiên cứu rộng rãi bời vì tầm quan trọng giới hạn của
chúng đối với các nhà vi khuẩn học. Chúng được nghiên cứu đầu tiên như là
hiện tượng bất thường. Thật là thích hợp khi nói rằng tất cả các vi khuẩn này
hiếu khí nghiêm ngặt, sử dụng CƠ 2 như nguồn carbon, và được phân loại bời

nguồn năng lượng của chúng. Một số vi khuẩn tự dưỡng cự kỳ quan trọng
đối với nhà vi sinh môi trường nhất là trong các trạm xử lý thài và sự ăn mòn.
Người ta hy vọng ràng việc quan tâm đến sinh hóa của vi khuẩn tự dường
cũng gia tăng như vi sinh môi trường - ngày càng được quan tâm.

1.4.1.10. Vi khuẩn dị dưỡng
Vi khuẩn dị dưỡng là nhóm vi khuẩn quan trọng nhất. Chúng cần các
hợp chất hữu cơ cung cấp carbon và năng lượng cho chúng. Vi khuẩn dị
dường có thể được chia thành ba nhóm dựa vào quan hệ cùa chúng với oxy
trong phàn ứng năng lượng. Các loài dị dường sử dụng oxy hòa tan tự do
được biết là các loài hiếu khí (aerobes). Nhóm dị dưỡng oxy hóa chất hữu cơ
trong sự vắng mặt hoàn toàn oxy tự do là các loài kỵ khí (anaerobes). Nhóm
vi khuẩn sừ dụng oxy tự do khi có mặt oxy nhưng cũng có thể thực hiện trao
đỏi chất trong sự vảng mặt oxy được bièt là nhóm tùy tiện (falcutative). Vi
khuẩn tuỳ tiện đôi khi được gọi là tuỳ tiện hiếu khí hoặc tùy tiện kỵ khí. Ba
thuật ngừ này đồng nghĩa.

1.4.1.11. Phân loại
Hình dạng thay đổi và các cơ chế tổng hợp và oxy hóa thay đổi gây khó
khăn ưong việc phân loại vi khuẩn.
Phân loại vi khuẩn dựa trên hình dạng, các phản ứng nhuộm, và các
phản ứng sinh hóa. Phân loại vi khuẩn sẽ càng rõ ràng chính xác hơn khi thực
hiện càng nhiều thừ nghiệm. Một trong các tài liệu tham khảo về phân loại vi
khuẩn là quyển “Cẩm nang xác định vi khuẩn của Bergey” do “Hội các nhà
vi khuẩn học Hoa Kỳ” xuất bản.


13

Chưomg 1 - Thế giới vi sinh vật

1.4.2. Nấm
1.4.2.1. Định nghĩa
Nấm bao ẹồm các thực vật đa bào không quang hợp, nếu chúng ta muốn
loại trừ vi khuẩn thì bổ sung vào định nghĩa trên yêu cầu phải là đa bào. Do
thiếu các sắc tố quang hợp nên nấm sừ dụng chất hữu cơ như nguồn carbon
và năng lượng của chúng. Đây là đặc điểm trao đổi chất làm cho cả nấm và vi
khuẩn cỏ tầm quan trọng đối với các kỹ sư môi trường. Nấm có hai ưu điểm
so với vi khuẩn là chúng có khả năng tăng trưởnậ ờ những nơi độ ẩm thấp và
trong dung dịch pH thấp. Vì những lý do này nấm chiếm vai trò quan trọng
trong phân hủy chất hừu cơ và trong việc xử lý một số chất thải công nghiệp.

Hình 1.11.
Aspergillus

Anh

hiển

vi

của

Hình 1.12. Nắm Candida albicans

1.4.2.2. Phân loại
Nấm được phân loại thành năm lớp:
1. Myxomycètes - nấm nhày

2. Phycom)’cetes - nấm tào

3. Ascomycetes - nấm túi
4. Basidiomycetes - nấm đảm
5. Fungi Imperfecti - nấm bất toàn
Trong năm lớp này thì các kỹ sư môi trường quan tâm chủ yếu ba lớp:
Phycomycetes, Ascomycetes và nấm bất toàn (Fungi Imperfecti), ngoài ra họ
cũng quan tâm lớp Myxomycètes.
Số lớp nấm tương đối ít nên các kỹ sư môi trường thường đơn giản hóa
vấn đề phân loại nấm. Thực ra, có 1.500 loài Phycomycetes khác nhau, từ
25000 và 35.000 loài Ascomycetes, và từ 15.000 tới 20.000 loài nấm bất toàn.
Như vậy có xấp xi 50.000 loài khác nhau thuộc ba lớp trên làm cho vấn đề
phân loại trờ nên phức tạp.


14

Vi sinh vật mói trường

1.4.2.3. Nhận dạng
Mặc dù các kỹ sư môi trường không quan tâm đến phân loại chi tiêt
nấm, nhưng họ cần nhận dạng nấm và các nhóm nấm ít nhất ờ mức lớp.
Không giống như vi khuẩn, nấm không được xác định theo các phàn ứng
sinh hóa mà chúng được nhận dạng qua các đặc điểm hình thái nhiều hơn.

1.4.2.4. Thuật ngữ
Mọi ngành khoa học đều có ngôn ngữ của riêng nó để thông tin và
ngành nấm học cũng không phải là ngoại lệ. Sau đây là một số thuật ngừ
thường gặp trong nấm học.

Spore - giai đoạn sinh sàn cùa nấm
Hypha - một sợi đơn

Septate - vách ngang qua sợi nấm
Nonseptate - không có vách ngang
Mycelium - khối sợi nấm
Vegetative mycelium - sợi nấm chịu trách nhiệm hấp thu thức ăn
Reproductive mycelium - sợi nấm chịu trách nhiệm sản sinh bào tử
Sporangiophore - cấu trúc tạo bào từ của Phycomycetes
Sporangium - cấu trúc nang ờ cuối sporangiophore
Sporangiospores - bào tử trong sporangium
Conidiophore - cấu trúc tạo bào từ hữu tính của Ascomycetes
Conidium - bào tử trong conidiophore
Budding - quá trình sinh sàn của nấm men bàng cách nảy chồi
Blastospures - bào tử đưực tạo băng cách nảy chồi
Chlamydospore - bào tử được tạo bời tế bào còn lại khi này chồi và
tăng chiều dày vách tế bào
Arthrospore - bào từ được tạo bằng cách phân chia sợi nấm
Ascus - cấu trúc nang chứa bào từ hữu tính của Ascomycetes
Ascospore - bào từ hữu tính được chứa trong ascus

1.4.2.5. Khảo sát hiển vi
Quan sát hiển vi là chia khóa để nhận dạng nấm. Nấm có thể được quan
sát trực tiếp hoặc ưeo trong dung dịch, khô hoặc nhuộm. Nấm tương đối lớn,
rộng 5-10 Ịi nên dễ dàng phân biệt chúng với các vi khuẩn dạng sợi hay xạ
khuẩn. Nấm không chứa nhiều protein như vi khuẩn và, do đó, nhuộm sáng


Chương I - Thế giới vi sinh vật

15

hơn với các thuôc nhuộm vi khuẩn. Sự phân nhánh thực của sợi nấm là một

đặc trưng khác để nhận dạng nấm.

1.4.2.6. Nuôi cấy
Đẻ xác định sự hiện diện của nấm người ta thường thừ nghiệm sự tăng
trưởng cùa chúng trên các môi trường nuôi cấy. Nấm có thể dề dàng được
phát hiện bời sự sinh trường nhanh chóng và tạo thành khuẩn ty sinh sản
trong không khí ữên môi trường “Sabourauds glucose agar” hoặc trên môi
trường agar của nấm. Các chế phẩm môi trường thương mại có sẵn từ Difco
hoặc Baltimore Biological Laboratory là các môi trường sinh trường thông
thường cùa nấm.
Nấm sinh trường rất nhanh trong môi trường có hydratcarbon cao ờ pH
4,5 hoặc có thể sinh truờng trong sự có mặt các chất kháng sinh ở pH 7,0.
Bằng cách giảm pH môi trường xuống 4,5 có thể ngăn chận hầu hết các vi
khuẩn phát triển, khi đó chi có nấm sinh trưởng. Việc sừ dụng chất kháng
sinh để khống chế vi khuẩn phát triển quá mức sẽ cho phép nuôi cấy nấm ở
pH thông thường.
Việc phân lập nấm ứong các môi trường tinh khiết đòi hòi sừ dụng môi
trường rắn tương tự như vi khuẩn. Nấm sinh trường rất kém ưên các môi
trường lỏng cho nên môi trường lỏng thường không được sử dụng. Sự tăng
trường ữên môi trường lòng lại còn là một cơ hội tốt để quan sát phần dinh
dưỡng của nấm mà nó thường nằm dưới mặt agar.

1.4.2.7. Hiếu khí
Nấm là sinh vật hiếu khí. Khi tăng trường ứên môi trường lỏng, nấm chi
tăng trưởng ưên giao diện lỏng - khí và không khuếch tán vào môi trường
như vi khuẩn tuỳ tiện. Tính chất hiếu khí cùa nấm rất quan ữọng cho các kỹ
sư môi trường vì điều này có nghĩa nấm không quan trọng trong sự phân hủy
kỵ khí mà chi quan trọng trong các hệ thống hiếu khí mà thôi.

1.4.2.8. Sinh sản

Nấm sinh sản bằng cách hình thành bào tử. Đối với vi khuẩn sự hình
thành bào tử là cơ chế tồn tại chứ không phải là cơ chế sinh sản. Đây là đặc
điểm phân loại sự khác biệt giữa vi khuẩn và nấm. Hầu hết sự hình thành bào
từ là vô tính nhưng có vài sự hình thành bào từ hữu tính ờ Ascomycetes. Các
bào tử được tạo ra đầu tiên ờ các khuẩn ty trong không khí. Điều này cho
phép các bào tử dễ dàng phát tán xa rộng bời gió.
Bào tử nấm có cấu trúc tương đương bào từ vi khuẩn. Nó bao gồm một
áo polysaccharid cứng để bào vệ các nhân khỏi bị thiếu ẩm lâu dài. Khi bào