Bài giảng Vi sinh môi trường - Trương Thị Thu Hương
PHẦN A. LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: HÌNH THÁI, CẤU TẠO CỦA VI SINH VẬT 1.1. Lịch sử phát triển của vi sinh vật học Xét qua lịch sử phát triển, ngành vi sinh vật học trải qua 4 giai đoạn chính: A. Giai đoạn sơ khai * Học thuyết về sự tự sinh: Từ thời xa xưa, con người ta luôn tin vào học thuyết về sự tự sinh. Theo đó, các sinh vật sống trên Trái đất được tự nhiên sinh ra mà không cần đến các sinh vật có kết cấu tương đồng. Ví dụ như giòi được sinh ra từ đất, hay các sinh vật sống do Mặt trời và nước tạo nên chứ không cần đến cha mẹ chúng. Một ví dụ điển hình là kiến trúc sư người La Mã cổ đại Marcus Vitruvius Pollio (80 - 15 TCN) cho rằng, những con mọt sách được gió thổi đến từ hướng Nam hoặc hướng Tây, do đó thư viện nên quay mặt về phía Đông. Thậm chí cho đến cuối thế kỷ XIX, rất nhiều người vẫn tin vào học thuyết tưởng chừng như rất vô lý này. Họ tin rằng gió là một yếu tố trong việc kiến tạo sự sống. Một số người khác nghĩ, sâu và ếch tự sinh ra từ bùn, còn giòi là do thịt thối phân hủy ra mà thành. Hình 1. 1 Marcus Vitruvius Pollio * Chế tạo ra kính hiển vi: Người đầu tiên nhìn thấy và mô tả vi sinh vật là Antoni Van Leeuvenhook (1632-1723), người Hà Lan. Ông là một thương nhân buôn vải, muốn tìm hiểu cấu trúc của sợi vải ông đã chế tạo ra các thấu kính và lắp ráp chúng thành kính hiển vi đầu tiên có độ phóng đại 160 lần. Ông đã quan sát và mô tả thế giới nhỏ bé của vi sinh vật từ những mẫu nước sông hồ, nước ao tù, nước cống và ngay cả chính trong bựa răng của ông. Cho đến cuối đời, Leeuvenhook đã chế tạo được những chiếc kính hiển vi thô sơ với độ phóng đại từ 270 – 300 lần. Năm 1695, ông đã xuất bản quyển “Phát hiện của Leeuvenhook về những bí mật của thế giới tự nhiên”. B. Giai đoạn vi sinh vật học Pasteur Louis Pasteur (1822 - 1895), nhà hóa học, nhà vi sinh vật học người Pháp, với những phát hiện về các nguyên tắc của tiêm chủng, lên men vi sinh. Ông được xem là một trong 3 người thiết lập nên lĩnh vực vi sinh vật học, cùng với Ferdinand Cohn và Robert Koch, và được gọi là "cha đẻ của vi sinh vật học Năm 1856, ông đã công bố Quy luật tạo sinh cho rằng, sự sống phải bắt nguồn sự sống, hay con cái phải có bố mẹ sinh ra. Một sinh vật có ý thức dù là một tế bào nhỏ nhất, đơn giản nhất không thể được tạo ra từ sự kết hợp của những nguyên tử hóa học vô cơ. Học thuyết của Pasteur đưa ra dựa trên vô số thực nghiệm, vậy nên ta đã có thể bác bỏ được học thuyết tự sinh lâu đời kéo dài hàng ngàn năm. Hình 1. 3 Louis Pasteur (1822 - 1895) Vào thời của Hoàng đế Napoléon III, Louis Pasteur tiến hành các nghiên cứu về sự biến đổi của rượu vang trong quá trình lên men nước ép của nho. Ông phát hiện rằng tất cả các biến đổi này đều do các sinh vật "kí sinh" vì chúng phát triển nhiều hơn các vi sinh cần thiết cho quá trình lên men rượu bình thường. Ông đã hướng dẫn những người làm rượu chỉ nên sử dụng nguồn vi sinh vật sạch, không lẫn các sinh vật ký sinh để tránh các trường hợp sản phẩm bị hư hỏng. Trong khi cố gắng tìm ra một phương thuốc hữu hiệu để điều trị chứng bệnh mà ông đã tìm ra nguyên nhân, Pasteur lại phát minh ra một kỹ thuật nhằm giảm thiểu sự tạp nhiễm môi trường nuôi cấy bằng cách đun nóng môi trường này lên đến khoảng 55-60 °C trong điều kiện không có không khí. Kỹ thuật này sau đó được đặt tên là phương pháp khử3 khuẩn Pasteur (pasteurisation), một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo và bảo quản rượu vang.
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Bài giảng Vi sinh môi trường - Trương Thị Thu Hương, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
i
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Trương Thị Thu Hương, Nguyễn Hoàng Mỹ, Lê Hồng Thía,
Nguyễn Thị Hàng, Nguyễn Khánh Hoàng
BÀI GIẢNG
VI SINH MÔI TRƯỜNG
Trình độ: Đại học
Ngành: Kỹ thuật môi trường, Quản lý môi trường
Tài nguyên môi trường, Khoa học môi trường
Môn: Vi sinh môi trường
Thời lượng lý thuyết: 45 tiết
Thực hành: 60 tiết
TP. HỒ CHÍ MINH – 2016
LƯU HÀNH NỘI BỘ
ii
Lời nói đầu
Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong thiên nhiên cũng như trong cuộc sống
của con người. Vi sinh vật có vai trò quan trọng trong quá trình tham gia vào tất cả các vòng
tuần hoàn vật chất trong tự nhiên, là một mắt xích quan trọng trong chuỗi thức ăn của các hệ
sinh thái. Vi sinh vật còn đóng vai trò quyết định trong quá trình tự làm sạch môi trường tự
nhiên.
Trong thiên nhiên ngoài những nhóm vi sinh vật có ích như trên, còn có những nhóm
vi sinh vật gây hại. Ví dụ như các nhóm vi sinh vật gây bệnh cho người, động vật và
thực vật, các nhóm vi sinh vật gây ô nhiễm thực phẩm, ô nhiễm các nguồn nước, đất và
không khí. Sinh viên cần nắm vững cơ sở khoa học của tất cả các quá trình có lợi hay có hại
của vi sinh vật từ đó đưa ra những biện pháp khoa học để phát huy những mặt có lợi và hạn
chế những mặt gây hại của vi sinh vật, đặc biệt là trong bảo vệ môi trường.
Tập bài giảng “Vi sinh môi trường” thể hiện đầy đủ những kiến thức bổ ích và những thông
tin thiết thực phù hợp với đề cương chi tiết môn học giúp sinh viên nắm bắt những nội dung
môn học. Chúng tôi xin chân thành cám ơn sự cộng tác của các thành viên tham gia hoàn
thiện tập bài giảng.
Nhóm tác giả
iii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH .............................................................................................. XI
PHẦN A. LÝ THUYẾT .................................................................................................................................. 1
Chương 1: Hình thái, cấu tạo của Vi sinh vật .............................................................................................................. 1
1.1. Lịch sử phát triển của vi sinh vật học .............................................................................................................................. 1
1.2 Đặc điểm chung của vi sinh vật trong sinh giới ............................................................................................................... 5
1.2.1 Đặc điểm chung của vi sinh vật .................................................................................................................................... 5
1.3 Vi sinh vật nhân sơ - PROKARYOTE ............................................................................................................................. 8
1.3.1 Định nghĩa .................................................................................................................................................................... 8
1.3.2. Vi khuẩn ....................................................................................................................................................................... 8
1.3.2.1 Định nghĩa và vai trò của vi khuẩn ............................................................................................................................ 8
1.3.2.2 Đặc điểm sinh sản ...................................................................................................................................................... 9
1.3.2.3 Đặc điểm trao đổi chất ............................................................................................................................................. 10
1.3.2.4 Khả năng di động ..................................................................................................................................................... 11
1.3.2.5 Phân loại hình thái ................................................................................................................................................... 12
1.3.2.6 Cấu tạo tế bào vi khuẩn ........................................................................................................................................... 16
1.3.3. Hình thái, cấu tạo tế bào của Xạ khuẩn ..................................................................................................................... 27
1.3.3.1 Định nghĩa và vai trò của Xạ khuẩn......................................................................................................................... 27
1.3.3.2 Cấu tạo của xạ khuẩn ............................................................................................................................................... 27
1.3.4 Hình thái, cấu tạo của vi khuẩn lam ........................................................................................................................... 29
1.3.4.1 Định nghĩa và vai trò của vi khuẩn lam ................................................................................................................... 29
1.3.4.2 Đặc điểm cấu tạo ..................................................................................................................................................... 29
1.4. Vi sinh vật nhân thật- EUKARYOTE ........................................................................................................................... 31
1.4.1 Định nghĩa .................................................................................................................................................................. 31
1.4.2. Hình thái, cấu tạo tế bào của Nấm men ..................................................................................................................... 32
1.4.2.1 Định nghĩa và vai trò của nấm men ......................................................................................................................... 32
1.4.2.1 Đặc điểm cấu tạo ..................................................................................................................................................... 32
1.4.2.2 Phân loại nấm men................................................................................................................................................... 38
1.4.2.3 Đặc điểm sinh sản .................................................................................................................................................... 39
1.4.3. Hình thái, cấu tạo tế bào của Nấm mốc ..................................................................................................................... 40
1.4.3.1 Đặc điểm hình thái của nấm mốc ............................................................................................................................. 40
1.4.3.2 Cấu tạo của nấm mốc ............................................................................................................................................... 41
1.4.4. Hình thái, cấu tạo tế bào của Tảo và Động vật nguyên sinh ..................................................................................... 46
1.4.4.1 Tảo ........................................................................................................................................................................... 46
iv
1.4.4.2 Động vật nguyên sinh ............................................................................................................................................... 49
1.5. Hình thái, cấu tạo của Virus .......................................................................................................................................... 52
1.5.1 Lịch sử nghiên cứu virus ............................................................................................................................................. 52
1.5.2 Cấu tạo của virus ........................................................................................................................................................ 53
1.5.2.1 Vỏ capsid .................................................................................................................................................................. 53
1.5.2.2 Vỏ ngoài ................................................................................................................................................................... 55
1.5.2.3 Lõi acid nucleic (genome) ........................................................................................................................................ 55
Chương 2: Các quá trình sinh lý của Vi sinh vật ....................................................................................................... 57
2.1. Thành phần hóa học của tế bào vi sinh vật .................................................................................................................... 57
2.1.1 Nước ............................................................................................................................................................................ 58
2.1.2 Vật chất khô ................................................................................................................................................................ 59
2.1.2.1 Muối khoáng ............................................................................................................................................................ 59
2.1.2.2 Chất hữu cơ .............................................................................................................................................................. 59
2.2. Qúa trình dinh dưỡng của vi sinh vật ............................................................................................................................ 63
2.2.1. Các kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật .......................................................................................................................... 63
2.2.2. Cơ chế hấp thụ chất dinh dưỡng của vi sinh vật ........................................................................................................ 65
2.2.2.1 Vận chuyển thụ động ................................................................................................................................................ 65
2.2.2.2 Vận chuyển chủ động ............................................................................................................................................... 67
2.3. Qúa trình trao đổi chất và năng lượng ........................................................................................................................... 67
2.3.1 Khái niệm .................................................................................................................................................................... 67
2.3.2 Quá trình trao đổi năng lượng .................................................................................................................................... 69
2.3.2.1 Quá trình đường phân .............................................................................................................................................. 70
2.3.2.2 Quá trình hô hấp hiếu khí ........................................................................................................................................ 72
2.3.2.3 Hô hấp yếm khí - quá trình lên men ......................................................................................................................... 74
2.4. Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật .................................................................................................................. 76
2.4.1. Lý thuyết về sự phát triển của vi sinh vật ................................................................................................................... 76
2.4.1.1 Khái niệm cơ bản ..................................................................................................................................................... 76
2.4.1.2 Sinh trưởng vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy tĩnh............................................................................................... 76
2.4.1.3 Hiện tượng sinh trưởng kép ..................................................................................................................................... 78
2.4.1.4 Tăng trưởng vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy liên tục ........................................................................................ 79
2.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật ........................................................................ 80
2.4.2.1 Các tác nhân vật lý ................................................................................................................................................... 80
2.4.2.2 Ảnh hưởng của các yếu tố hóa học .......................................................................................................................... 83
2.4.2.3 Ảnh hưởng của yếu tố sinh học – kháng sinh ........................................................................................................... 85
Chương 3. Phân giải, chuyển hóa vật chất và các chu trình sinh địa hóa ................................................................. 88
3.1.1. Vi sinh vật phân giải các hợp chất hữu cơ chứa C .................................................................................................... 88
v
3.1.2. Chu trình C ................................................................................................................................................................ 91
3.2. Chu trình N ................................................................................................................................................................... 92
3.2.1. Vi sinh vật chuyển hóa các dạng hợp chất chứa N .................................................................................................... 92
3.2.1. Chu trình N ................................................................................................................................................................ 92
3.3. Chu trình P .................................................................................................................................................................... 96
3.3.1. Vi sinh vật phân giải các hợp chất P hữu cơ và P vô cơ ............................................................................................ 96
3.3.2. Chu trình P ................................................................................................................................................................. 97
3.4. Chu trình S .................................................................................................................................................................... 98
3.4.1. Vi sinh vật chuyển hóa hợp chất chứa S ..................................................................................................................... 98
3.4.2. Chu trình S ................................................................................................................................................................. 99
Chương 4. Vi sinh vật trong môi trường nước, đất và khí ....................................................................................... 101
4.1. Hệ vi sinh vật trong môi trường .................................................................................................................................. 101
4.1.1. Vi sinh vật trong môi trường nước ........................................................................................................................... 101
4.1.1.1. Vi sinh vật trong nước ngọt bề mặt trong đất liền ................................................................................................. 102
4.1.1.2. Vi sinh vật trong nước biển ................................................................................................................................... 106
4.1.1.3. Vi sinh vật trong nước thải .................................................................................................................................... 111
4.1.2. Hệ vi sinh vật trong môi trường đất ......................................................................................................................... 113
4.1.3. Hệ vi sinh vật trong môi trường khí ......................................................................................................................... 115
4.2. Vi sinh vật có lợi trong môi trường ............................................................................................................................. 116
4.2.1.Vi sinh vật có lợi trong môi trường đất ..................................................................................................................... 116
4.2.2. Vi sinh vật có lợi trong môi trường nước ................................................................................................................. 118
4.2.3. Ứng dụng vi sinh vật trong xử lý môi trường ........................................................................................................... 120
4.2.4. Vi sinh vật chỉ thị môi trường nước .......................................................................................................................... 122
4.3. Vi sinh vật gây bệnh trong môi trường nước .............................................................................................................. 126
4.3.1. Vi khuẩn gây bệnh .................................................................................................................................................... 126
4.3.2. Virus gây bệnh ......................................................................................................................................................... 127
4.3.3. Ký sinh trùng gây bệnh ............................................................................................................................................ 128
Chương 5. Công nghệ Vi sinh vật trong xử lý nước thải .......................................................................................... 130
5.1. Phân loại và thành phần nước thải .............................................................................................................................. 130
5.2. Cơ sở sinh học trong xử lý nước thải .......................................................................................................................... 139
5.2.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ........................................................................................................... 139
5.2.1.1. Quá trình phân hủy hiếu khí .................................................................................................................................. 142
5.2.1.2. Quá trình phân hủy kỵ khí ..................................................................................................................................... 144
5.2.2. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình làm sạch nước thải ...................................................................................... 149
5.2.2.1. Hệ vi sinh vật trong nước thải ............................................................................................................................... 149
5.2.2.2. Hoạt động sống của vi sinh vật trong nước thải ................................................................................................... 151
vi
5.3. Các phương pháp sinh học xử lý nước thải ................................................................................................................. 153
5.3.1. Xử lý nước thải b
