Giáo trình Vi sinh vật học đại cương

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:472

Thêm vào BST

Báo xấu

89
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vi sinh vật học đại cương có nội dung trình bày về các phần: đại cương về vi sinh vật, hình thái cấu tạo của vi sinh vật, vi khuẩn gây bệnh, virus gây bệnh, vi sinh vật gây bệnh hệ thống cơ quan,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung giáo trình!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vi sinh vật học đại cương

Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VI SINH VẬT ĐẠI CƯƠNG VI KHUẨN Vi khuẩn (Bacteria) là sinh vật tiền nhân (Procaryote) có cấu tạo tế bào rất nhỏ, chỉ nhìn thấy được qua kính hiển vi phóng đại hàng nghìn lần . Vi khuẩn cùng với virus, prion, vi nấm… hợp thành vi sinh vật (Microbiology) nói chung. Trong vi sinh vật, có những thành viên gây bệnh và những thành viên không gây bệnh cho người. Những vi sinh vật gây bệnh được gọi là vi sinh vật y học (Medical microbiology). Tài liệu giáo khoa này chỉ trình bày một số vi sinh vật y học. 1. Kích thước và hình thể vi khuẩn Phần lớn vi khuẩn có kích thước từ 1 3 m. Cũng có vi khuẩn có kích thước lớn như vi khuẩn than (6 m) và có loài có kích thước nhỏ như vi khuẩn dịch hạch (0,5 m). Kích thước của vi khuẩn có thể thay đổi theo tuổi và điều kiện dinh dưỡng. Về hình thể của vi khuẩn, có 3 loại hình cơ bản: Hình cầu: gọi là cầu khuẩn. Cầu khuẩn gây bệnh có các cách sắp xắp xếp khác nhau. Tụ cầu khuẩn (Staphylococcus): các cách sắp xếp thành đám như chùm nho. Liên cầu khuẩn (Streptococcus): các tế bào xếp thành dãy dài. Song cầu khuẩn (Diplococcus): hai tế bào xếp bên nhau như song cầu khuẩn lậu, song cầu khuẩn màng não. Vi cầu khuẩn (Micrococcus): từng tế bào hình cầu khuẩn riêng lẻ như cầu khuẩn ruột. Hình thẳng: gọi là trực khuẩn. Trực khuẩn gây bệnh có các cách xắp xếp khác nhau. 1
Các tế bào xếp thành dãy dài như trực khuẩn than. Các tế bào xếp thành đám như trực khuẩn hủi. Các tế bào xếp thành xếp thành hình các chữ X, Y, N như trực khuẩn lao. Tế bào đứng riêng lẻ như trực khuẩn uốn ván. Tế bào của mỗi loại vi khuẩn cũng có hình dạng khác nhau. Trực khuẩn hai đầu tròn như trực khuẩn lỵ, trực khuẩn hai đầu vuông như trực khuẩn than, trực khuẩn hai đầu hình thoi như trực khuẩn ho gà, trực khuẩn hai đầu to như trực khuẩn bạch hầu. Hình cong: gọi là phẩy khuẩn. Hình cong ngắn và không quá 1/4 đường tròn như phẩy khuẩn tả. Hình xoắn nhiều vòng như xoắn khuẩn giang mai. Ý nghĩa thực tiễn của kích thước, hình thể vi khuẩn: Mỗi loài vi khuẩn có kích thước và hình thể riêng nên dựa vào kích thước, đặc biệt là hình thể, người ta có thể chẩn đoán xác định tên một số vi khuẩn gây bệnh. Nếu vi khuẩn được nhuộm Gram thì dựa vào hình thể và tính chất bắt màu Gram của vi khuẩn có thể chẩn đoán khá chính xác một số loài vi khuẩn. Thí dụ: từ một bệnh phẩm dịch não tuỷ, nhuộm Gram, soi kính hiển vi thấy song cầu khuẩn như hai hạt cà phê, bắt màu Gram âm thì kết luận được bệnh nhân bị nhiễm cầu khuẩn màng não. Việc dựa vào kích thước, hình thể để chẩn đoán vi khuẩn gây bệnh có thể có giá trị tuyệt đối như trường hợp trên, nhưng có thể chỉ có giá trị tương đối vì một số loài vi khuẩn không gây bệnh cũng có kích thước, hình thể giống vi khuẩn gây bệnh. 2. Cấu tạo tế bào vi khuẩn Nói chung vi khuẩn có cấu tạo một tế bào nhưng chưa hoàn chỉnh, bao gồm các phần cấu tạo cơ bản là nhân, bào tương và thành tế bào. 2.1. Nhân Với sự trợ giúp của kính hiển vi điện tử, người ta biết được nhân của vi khuẩn không có màng nhân bao bọc và không có nhiều thể nhiễm sắc như những tế bào bậc cao. Nhân của vi khuẩn là một phân tử ADN hình sợi, uốn vòng, dài khoảng 1mm và là thể nhiễm sắc độc nhất của vi khuẩn. Sợi ADN tự sao chép theo sơ đồ của Watson Crick trong quá trình nhân lên của vi khuẩn. 2
Nhân của vi khuẩn bắt màu thuốc nhuộm kiềm như bào tương nên khó phân biệt với bào tương khi nhuộm thuốc nhuộm thông thường . Để nhuộm phân biệt cần phải dùng thuốc nhuộm đặc biệt. 2.2. Bào tương Thành phần cấu trúc của bào tương vi khuẩn đơn giản hơn nhiều so với bào tương của tế bào sinh vật bậc cao. Bào tương ở trạng thái gel, chứa nước với các chất hoà tan và nhiều loại hạt vùi. Chất hoà tan: có protid, glucid, lipid, ARN thông tin, ARN vận chuyển, một số enzyme, sắc tố, muối khoáng,… Hạt vùi: có hạt volutin, không bào chứa glucogen, plasmid, ribosom. Mỗi vi khuẩn có khoảng 15.000 hạt ribosom. Kích thước từ 17 21nm. Ribosom chứa 40% trọng lượng khô của vi khuẩn và chứa 90% tổng số ARN. Về thành phần hoá học, ribosom chứa 60% ARN và 40% protein. Trong bào tương, ribosom xếp thành đám mang tên polyribosom. Các polyribosom có nhiệm vụ tổng hợp protein. Phía ngoài bào tương được bao bọc bởi màng bào tương. 2.3. Màng bào tương Màng bào tương dày 10 20 nm, có những nếp gấp gọi là mesosom. Vi khuẩn Gram dương có nhiều mesosom hơn vi khuẩn Gram âm. Màng bào tương có chức năng: Là một màng thẩm thấu chọn lọc, chứa nhiều enzyme làm nhiệm vụ điều khiển trao đổi chất giữa vi khuẩn và môi trường. Là nơi chứa nhiều enzyme hô hấp, màng bào tương có chức năng như của ty lạp thể ở tế bào sinh vật bậc cao. 2.4. Vách tế bào Vách hay thành tế bào bao bọc bên ngoài màng tế bào vi khuẩn. Vách tế bào dày 15 nm ở các vi khuẩn Gram dương, 8 12 nm ở các vi khuẩn Gram âm. Về thành phần hoá học, vách tế bào có chung chất cơ bản là glycopeptid, gọi là peptidoglycan là một phân tử lớn, trọng lượng phân tử hàng tỷ dalton. Ở những vi khuẩn Gram dương còn có acid teichoic còn ở vi khuẩn Gram âm thì chứa nhiều lipopolysarid (LPS) và lipoprotein. Những chất này đã tạo nên nội độc tố của vi khuẩn. 3
Vách tế bào vi khuẩn Gram dương và Gram âm có sự khác nhau về độ dày, về thành phần hoá học, nên dẫn đến sự khác nhau về tính bắt màu. Vách tế bào vi khuẩn có chức năng: bảo vệ vi khuẩn, tạo nên hình thể cố định của vi khuẩn và mang tính kháng nguyên của vi khuẩn. Nhìn chung, vi khuẩn có cấu trúc một tế bào gần hoàn chỉnh, có hệ thống enzyme để chuyển hoá đảm bảo đời sống độc lập của vi khuẩn. Tuy vậy, cũng có các trường hợp ngoại lệ: Mycoplasma không có vách tế bào mà chỉ bao bọc một màng mỏng, Rickettsia, Chlamydia không có đầy đủ hệ thống enzyme và do đó phải ký sinh bắt buộc trong tế bào sống khác. Ngoài các phần cấu trúc cơ bản kể trên, ở một số giống vi khuẩn còn có các phần cấu trúc phụ như vỏ, lông, pili, bào tử. 2.5. Vỏ Một số vi khuẩn tiết ra một chất hữu cơ bao bọc bên ngoài vách tế bào được gọi là vỏ. Chỉ có một số giống vi khuẩn có khả năng sinh vỏ và quá trình sinh vỏ phụ thuộc nhiều vào môi trường. Người ta thấy cầu khuẩn phổi chỉ tạo ra vỏ khi vi khuẩn ở trong cơ thể người hoặc động vật sống . Ra khỏi cơ thể hoặc được nuôi trong môi trường nhân tạo, vi khuẩn mất khả năng sinh vỏ nhưng vẫn sống, vẫn sinh sản. Bản chất hoá học của vỏ là chất polysacharid (cầu khuẩn phổi, liên cầu khuẩn gây mủ, trực khuẩn hoại thư sinh hơi ), cũng có thể là chất polypeptid (trực khuẩn than). Vỏ vi khuẩn có liên quan đến độc lực của chúng. Khi có vỏ, vi khuẩn dễ chống lại sự thực bào của tế bào bạch cầu . Mất vỏ, được coi là hình thức biến dị và thấy vi khuẩn đó mất tính gây bệnh. Vỏ còn làm hạn chế tác động của một số yếu tố lý hoá tác hại tới vi khuẩn như thuốc kháng sinh . Như vậy, vỏ là một yếu tố duy trì độc lực của vi khuẩn. Vỏ vi khuẩn còn mang tính kháng nguyên đặc hiệu. Trong thực tế, dựa vào kháng nguyên vỏ để phân biệt một loài vi khuẩn thành nhiều type . Thí dụ: phân loại cầu khuẩn phổi thành 85 type khác nhau về kháng nguyên vỏ. Vỏ vi khuẩn ít bắt màu. Để quan sát vỏ, phải nhuộm vỏ theo kỹ thuật đặc biệt hoặc làm cho vỏ phình to ra (phản ứng phình vỏ). 2.6. Lông 4
Một số giống vi khuẩn có lông. Đó là những sợi rất nhỏ (đường kính 1030 nm), bắt nguồn từ bào tương, xuyên qua vách tế bào ra ngoài, giúp vi khuẩn di động. Tùy vi khuẩn mà số lượng và vị trí lông có thể khác nhau : một lông hoặc một chùm lông ở một đầu hoặc nhiều lông xung quanh tế bào. Thành phần hoá học chủ yếu của lông vi khuẩn là protein. Lông mang tính kháng nguyên đặc hiệu; Căn cứ kháng nguyên lông có thể phân loại và chẩn đoán xác định một loài vi khuẩn. Để phân biệt vi khuẩn có lông có thể thực hiện theo ba cách: + Cấy vi khuẩn vào ống môi trường thạch mềm rồi quan sát hiện tượng vi khuẩn mọc lan rộng ra xa đường cấy. + Quan sát vi khuẩn di động bằng kính hiển vi tụ quang nền tối (nền đen). + Nhuộm lông theo kỹ thuật đặc biệt rồi quan sát ở kính hiển vi thường. 2.7. Pili Ở một số loài vi khuẩn Gram âm, mặt ngoài có những sợi nhỏ và ngắn hơn lông gọi là pili. Người ta phân biệt hai loại : pili chung và pili giới tính. Chúng được phát hiện trên kính hiển vi điện tử. + Pili chung: dài 0,52 micromet, một vi khuẩn có 100200 pili chung. Pili này giúp vi khuẩn bám lên các bề mặt và quyết định tính chất ngưng kết hồng cầu của vi khuẩn. + Pili giới tính: dài hơn pili chung, tới 20 micromet . Mỗi vi khuẩn có 14 pili giới tính. Pili giới tính được coi như cầu nối để chuyển ADN từ tế bào vi khuẩn cho sang tế bào vi khuẩn nhận. 2.8. Bào tử Một số vi khuẩn trong điều kiện bất lợi cho sự sống, có khả năng hình thành những thể có khả năng chống đỡ rất cao gọi là bào tử (nha bào). Bào tử chỉ thấy ở một vài giống vi khuẩn như Bacillus, Clostridium... Bào tử hình thành trong tế bào vi khuẩn qua nhiều giai đoạn. Tế bào vi khuẩn có khả năng sinh bào tử gọi là tế bào sinh dưỡng. Trong tế bào này, bào tử hình thành dần, đồng thời tế bào sinh dưỡng tự tiêu đi và cuối cùng bào tử ở trạng thái tự do. Thời gian hình thành bào tử mất khoảng 1820 giờ. Khi gặp 5
điều kiện thuận lợi, bào tử nảy mầm và trở thành tế bào vi khuẩn hoạt động . Thời gian chuyển từ bào tử sang thể hoạt động khoảng từ 4 đến 5 giờ. Bào tử có các đặc điểm cấu tạo: vách dày, có nhiều chất canxi và acid dipicolinic, dưới dạng muối canxidipicolinat, nước ở dạng tự do chiếm t ỷ l ệ thấp (40% trọng lượng bào tử). Do đặc điểm cấu tạo như vậy nên bào tử có khả năng chống đỡ lại các tác động lý học, bảo vệ được chất liệu sống bên trong, tồn tại nhiều năm ở ngoại cảnh và chịu được nhiệt độ cao. Bào tử cũng có thể bị phá huỷ bởi một vài chất hoá học, thí dụ chất bêta propiolacton và bị huỷ bởi nhiệt độ trên 100oC. Trong thực tế, các dụng cụ phẫu thuật, dụng cụ nội soi, kim, bơm tiêm, thuốc, dịch truyền phải đảm bảo không còn vi khuẩn sống và bào tử. Để loại bỏ bào tử thường tiến hành theo các cách: sấy hấp bằng hơi nước nóng 120oC/30 phút, sấy khô bằng không khí nóng 170oC/60 phút hoặc bằng phương pháp Tyndall. Bào tử chỉ có ở một số giống vi khuẩn và ở những giống vi khuẩn đó, vị trí của bào tử cũng khác nhau. Bào tử vi khuẩn uốn ván tròn, to hơn thân tế bào và nằm ở một đầu tế bào, bào tử vi khuẩn độc thịt hình bầu dục to hơn thân tế bào và nằm ở một đầu tế bào, bào tử vi khuẩn than tròn, to bằng thân tế bào và nằm giữa tế bào. Sự khác nhau về hình và vị trí bào tử giúp cho việc xác định giống vi khuẩn. 3. Dinh dưỡng của vi khuẩn 3.1. Đặc điểm Vi khuẩn cần lượng thức ăn rất lớn: tế bào vi khuẩn có thể chuyển hoá trong một ngày đêm một khối lượng vượt quá 30 40 lần trọng lượng bản thân nó. Sở dĩ thế vì vi khuẩn có sức hoạt động trao đổi chất rất mạnh và sức phát triển sinh sản rất nhanh; Điều này giải thích vai trò lớn lao của vi khuẩn trong sự tuần hoàn vật chất trên trái đất và giải thích khả năng tàn phá của vi khuẩn gây bệnh một khi vào được cơ thể người và động vật. Sự trao đổi chất tiến hành qua toàn bộ về mặt vi khuẩn. Sự dinh dưỡng được thực hiện nhờ có một hệ thống enzyme đảm bảo . Những enzyme này được chia làm hai loại: 6
+ Enzyme ngoại bào (ngoại enzyme): là những enzyme của vi khuẩn tiết ra ngoài để phân huỷ thức ăn, biến các chất thức ăn từ phức tạp thành đơn giản để có thể lọt vào tế bào vi khuẩn. + Enzyme nội bào (nội enzyme): là những enzyme trong tế bào vi khuẩn có tác dụng tổng hợp những thức ăn đã hấp thụ được thành những chất của vi khuẩn. Mỗi loại vi khuẩn có những enzyme riêng của mình, tạo thành một hệ thống đặc hiệu dùng được trong việc chẩn đoán phân loại vi khuẩn. Ví dụ trong những trực khuẩn Gram âm giống nhau về hình thể thì trực khuẩn E. coli có enzyme lactoza nên sử dụng đường lactoza, còn trực khuẩn thương hàn, trực khuẩn lỵ không sử được chất đường này vì không có enzyme lactoza . Bằng cách nuôi từng loại vi khuẩn trên vào môi trường có chất lactoza và phát hiện xem chất lactoza có bị phân huỷ hay không, người ta có thể phân biệt được trực khuẩn E. coli (lactoza +) với hai loại trực khuẩn kia (lactoza ). Hệ thống enzyme đặc hiệu của từng loại vi khuẩn là những enzyme có sẵn, di truyền qua các thế hệ, đảm bảo dinh dưỡng của vi khuẩn trong hoàn cảnh bình thường. Trong những điều kiện đặc biệt về dinh dưỡng, vi khuẩn có thể tổng hợp ra một enzyme mới để thích nghi với hoàn cảnh, gọi là enzyme thích ứng, enzyme này sẽ mất đi khi hoàn cảnh đặc biệt không còn. Ngược lại trong quá trình tiến hoá lâu đời, từ ngoại cảnh vào cơ thể sống do thích nghi dần với lối sống ký sinh, vi khuẩn có thể mất đi một số enzyme. 3.2. Nhu cầu Thức ăn năng lượng: có những loại vi khuẩn sử dụng được năng lượng ánh sáng mặt trời để hoạt động, đây là những vi khuẩn quang dưỡng hay quang hợp. Còn những loại vi khuẩn khác lấy năng lượng cần thiết để hoạt động từ những chất vô cơ hoặc hữu cơ, đây là những vi khuẩn hoá dưỡng hay hoá hợp. Những vi khuẩn ở người (gây bệnh hoặc không gây bệnh) thuộc vào loại hoá dưỡng hữu cơ, nghĩa là chúng lấy năng lượng bằng cách oxy hoá một hoặc nhiều cơ chất hữu cơ qua một chuỗi phản ứng oxy hoá khử. Cơ chất bị oxy hoá thường là một chất đường (như chất glucoza) hoặc là một chất đơn giản (như acid amin, acid carboxylic…), ít khi là một phân tử lớn 7
(protein). Quá trình oxy hoá cơ chất tạo ra những chất chuyển hoá trung gian giầu năng lượng. Thức ăn tạo hình (vật liệu kiến thiết) + Nguồn cacbon: vi khuẩn cần được cung cấp nhiều cacbon vì cấu tạo tế bào vi khuẩn có nhiều chất này. Vi khuẩn lấy cacbon từ một nguồn đơn giản là CO2 và rất nhiều nguồn khác, như acid acetic, acid lactic, các đường hoặc các hợp chất hữu cơ khác. Thường nguồn cung cấp cacbon cũng là nguồn cung cấp năng lượng. + Nguồn nitơ: một vài vi khuẩn có khả năng sử dụng trực tiếp nitơ của không khí; các loại nitơ từ amoniac, từ nitrit, nitrat, những acid amin, pepton, protein phức tạp. + Các chất vô cơ: vi khuẩn cần những chất vô cơ như: P, S, Na, K Cl, Ca,vv… lấy từ nhiều nguồn khác nhau, dưới dạng phosphat, sulphat, NaCl, vv … có những chất tuy cần cho vi khuẩn, nhưng chỉ cần với số lượng rất ít, gọi là nguyên tố vi lượng, thí dụ những chất Mg, Mn, Co, Fe, Cu, vv … những chất này thường có lẫn vào trong các chất khác được dùng với nồng độ cao hơn. Yếu tố phát triển (còn gọi là yếu tố sinh trưởng) Từ những nguồn thức ăn kể trên, nhiều loại vi khuẩn có khả năng tự tổng hợp ra những enzyme và những chất của mình. Nhưng có loại vi khuẩn không tự tổng hợp được một chất hoặc vài chất của mình, nếu không có sẵn những chất ấy trong môi trường thì vi khuẩn không phát triển được; những chất ấy được gọi là yếu tố phát triển, cần phải cung cấp cho vi khuẩn từ bên ngoài. Ví dụ: trong môi trường đơn giản cần có glucoza là nguồn cung cấp cacbon, một nguồn nitơ và những muối vô cơ, trực khuẩn đường ruột E. coli mọc được một cách dễ dàng; trái lại với Proteus vulgalis (là một vi khuẩn đường ruột có những tính chất gần giống E. coli) chỉ mọc được nếu cho thêm vào môi trường một lượng nhỏ nhất nicotinamit (là một vitamin cần thiết cho sự tổng hợp chất nicotinamit adenin dinucleotit NAD) hoặc nếu không có nicotinamit thì có thể thay thế bằng chất nghiền nát của E.coli. Điều này chứng tỏ cả hai loại trực khuẩn đường ruột này đều cần chất nicotinamit, nhưng E. coli tự tổng hợp được còn Proteus thì không; như vậy với Proteus vulgalis thì nicotinamit là một yếu tố phát triển cần phải cung cấp. 8
Yếu tố phát triển cần cho vi khuẩn rất khác nhau và bao gồm những acid amin, những bazơ purin và pyrimidin, những vitamin; acid amin để tổng hợp protein, bazơ purin và pyrimidin để tạo acid nhân, vitamin đóng vai trò là coenzyme. Yếu tố phát triển có hai đặc điểm: Chỉ cần nồng độ rất thấp: đối với acid amin là 25mg trong 1 lít, đối với bazơ purin là 10mg trong một lít, đối với vitamin là 1 24 microgam trong 1 lít. Tác dụng rất đặc hiệu và chặt chẽ: chỉ cần thay đổi nhỏ về cấu trúc hoá học cũng đủ làm mất hoạt tính. Thí dụ chất acid PAB (acid para amino benzoic) là một yếu tố phát triển của một số loại vi khuẩn, cần cho sự tổng hợp acid folic, nhưng chất para amino benzen sunfanilamit có cấu trúc gần giống PAB không những không giúp vi khuẩn phát triển mà còn cạnh tranh với chất PAB không cho tạo thành acid folic, làm ngừng trệ sự phát triển của vi khuẩn. 3.3. Điều kiện lý hoá Những thức ăn của vi khuẩn cần được cung cấp trong những điều kiện lý hoá thích hợp mới tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển. 3.3.1. Nhiệt độ Mỗi loại vi khuẩn chỉ phát triển trong những giới hạn nhiệt độ nhất định. Vi khuẩn ưa lạnh sống và phát triển ở những nhiệt độ thấp gần 0 0C. Những vi khuẩn này gây huỷ hoại các loại thực phẩm, máu, huyết tương giữ ở lạnh. Vi khuẩn ưa ấm phát triển được ở nhiệt độ từ 200C đến 450C. Các vi khuẩn gây bệnh ở người phát triển nói chung tốt nhất ở nhiệt độ 370C, nhưng vẫn có thể mọc được từ 30 đến 420C. Vi khuẩn ưa nóng phát triển được trên 450C, thường thấy ở các suối nước nóng. 3.3.2. pH Hầu hết các loại vi khuẩn phát triển được trong khoảng pH từ 6,5 đến 7,5 (pH gần với 7,0). Vì vậy môi trường nuôi cấy cần có tính đệm tốt, chống lại sự kiềm hoá hoặc acid hoá, chất đệm này thường được bảo đảm bằng những pepton hoặc bởi những dung dịch phosphat. 9
Có loại vi khuẩn phát triển được trong khoảng pH rộng, như E. coli mọc được ở pH từ 4,4 tới 9, có loại vi khuẩn ưa acid hoặc kiềm. Ví dụ phẩy khuẩn tả là loại ưa kiềm, phát triển tốt nhất ở pH 9, tính chất này được lợi dụng để phân lập phẩy khuẩn tả tách biệt khỏi những loại vi khuẩn khác. 3.3.3. Nhu cầu về oxy Có những vi khuẩn đòi hỏi phải có oxy tự do mới phát triển được, đấy là những vi khuẩn ưa khí tuyệt đối. Ngược lại, có những vi khuẩn chỉ mọc được nếu không có oxy tự do, đấy là những vi khuẩn kỵ khí tuyệt đối. Giữa hai loại vi khuẩn này có những vi khuẩn trung gian, vừa ưa khí vừa kỵ khí tuỳ theo điều kiện hoàn cảnh. 4. Nuôi vi khuẩn Muốn nuôi vi khuẩn, người ta phải cung cấp cho vi khuẩn những thức ăn cần thiết trong những điều kiện lý hoá thích hợp. Có thể nuôi vi khuẩn ở động vật, ở trứng gà ấp, nhưng thông thường người ta nuôi vi khuẩn ở môi trường dinh dưỡng nhân tạo. Môi trường dinh dưỡng nhân tạo để nuôi một loại vi khuẩn cần cần đáp ứng những yêu cầu sau đây: Có đủ các chất thức ăn cần thiết cho loài vi khuẩn định nuôi. Có độ pH thích hợp cho loại vi khuẩn đó. Vô trùng trước khi dùng. Để tiện công việc, người ta tìm cách chế ra những môi trường nuôi được càng nhiều loại vi khuẩn càng tốt và gọi đó là những môi trường cơ bản. Môi trường cơ bản gồm có, canh dinh dưỡng ở thể lỏng và thạch dinh dưỡng ở thể đặc. Canh dinh dưỡng (vẫn thường gọi là canh thang, có thể gọi ngắn là canh) có công thức đại thể như sau: Nước thịt (500g thịt/ lít) 1000ml Pepton bột 10g NaCl 5g (Dùng NaOH 1N điều chỉnh pH cho bằng 7,2 7,4). 10
Thạch dinh dưỡng (còn gọi là thạch thường) là canh dinh dưỡng cho thêm thạch làm cho đặc lại (trong công thức trên cho thêm 25g thạch). Có thể cho vào canh hoặc thạch dinh dưỡng một ít huyết thanh hoặc máu (5%) hoặc men (10g/l) để tăng thêm chất dinh dưỡng và các yếu tố phát triển. Từ môi trường cơ bản người ta làm ra nhiều loại môi trường khác nhau để dùng với nhiều mục đích khác nhau bằng cách cho thêm chất này hoặc chất khác. Tuỳ theo nhu cầu oxy của loài vi khuẩn định nuôi mà người ta dùng những môi trường và phương pháp nuôi ưa khí hoặc kỵ khí. Sau khi cấy vi khuẩn vào môi trường, người ta để vi khuẩn ở nhiệt độ thích hợp, tuỳ theo mục đích. Thông thường người ta để ở nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của vi khuẩn để nhanh chóng thu được một số lượng lớn vi khuẩn. 5. Hô hấp của vi khuẩn Cũng như ở mọi tế bào sinh vật, hô hấp của vi khuẩn là một chuỗi phản ứng oxy hoá khử nhằm tạo ra năng lượng cần thiết cho mọi hoạt động của vi khuẩn. Cơ chất cũng được sử dụng là những chất hữu cơ hoặc vô cơ. Đối với những vi khuẩn liên quan đến y học thì thông thường chất được sử dụng là glucoza. Cơ chất bị oxy hoá mất điện tử đồng thời có một chất khác nhận điện tử. Chất cho điện tử tạo ra một chất bị oxy hoá, còn chất nhận điện tử tạo ra một chất bị khử. Thông thường cơ chất là một hợp chất hữu cơ, có hydro, vì vậy phản ứng oxy hoá khử thực tế là một sự khử hydro kèm theo một sự gắn hydro, tạo ra một chất bị oxy hoá và một chất bị khử và giải phóng ra năng lượng. Có thể khái quát như sau: 2H2e Sự oxy hoá: AH2 (chất cho hydro) A(chất bị oxy hoá) + năng lượng +2H 2e Sự khử: B (chất nhận hydro) BH2 (chất bị khử) + năng lượng 11
Chung: AH2 + B A + BH2 + năng lượng Trong chuỗi phản ứng trên, việc vận chuyển hydro hay các điện tử từ cơ chất đến chất nhận được thực hiện bởi một loạt các enzyme dehydraza kết hợp với các coenzyme. Các coenzyme này là những chất nhận điện tử. Năng lượng tạo ra do các phản ứng oxy hoá được góp lại trong các liên kết cao năng lượng kiểu A.T.P. 5.1. Hô hấp của vi khuẩn ưa khí Khi chất cuối cùng nhận điện tử là oxy phân tử thì ta có hiện tượng hô hấp và vi khuẩn được gọi là vi khuẩn ưa khí. Điện tử của cơ chất được chuyển vận qua các coenzyme NAD (nicotinamit adenin dinucleotit), FAD (flavin adenin dinucleotit) và các cytochrom, cuối cùng đến cytochrom oxydaza rồi được chuyển cho oxy phân tử. Chất glucoza được oxy hóa hoàn toàn thành CO2 và H2O, năng lượng sinh ra rất lớn C6H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6H2O + 688,5 kilocalo Đối với một số vi khuẩn, sản phẩm cuối cùng H2O2 là một chất độc, nhưng vi khuẩn có enzyme catalaza phân huỷ được: catalaza 2H2O2 2H2O + O2 5.2. Lên men của vi khuẩn kỵ khí Khi chất cuối cùng nhận điện tử không phải là oxy phân tử, mà là hợp chất hữu cơ, ta có hiện tượng lên men và vi khuẩn được gọi là vi khuẩn kỵ khí. Các chất vận chuyển điện tử là NAD và NADP (NAD phosphat), không có các cytochrom tham gia. Sản phẩm thu được rất phong phú và khác nhau tuỳ theo cơ chất vi khuẩn (những chất như rượu etanol, butanol, isopropanol, glycerol; những acid hữu cơ như acid acetic, acid lactic, acid citric, acid propionic …). Năng lượng sinh ra ít, Ví dụ: một phân tử glucoza lên men thành rượu etylic chỉ giải phóng 31,2 kilocalo C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 +31,2 kilocalo Trong quá trình lên men, cơ chất glucoza được hoá giáng thành pyruvat như trong quá trình hô hấp, nhưng chất pyruvat lại oxy hoá ngay hydro được vận 12
chuyển đến và pyruvat bị khử thành nhiều chất khác nhau (chủ yếu là các acid). Chất pyruvat đóng vai trò cuối cùng nhận điện tử. 5.3. Hô hấp kỵ khí Khi chất cuối cùng nhận điện tử không phải là oxy phân tử, cũng không phải là một hợp chất hữu cơ, mà là một chất vô cơ như nitrat, sunfat, cacbonat thì người ta gọi là hô hấp kỵ khí và vi khuẩn là những vi khuẩn kỵ khí tuyệt đối hoặc còn gọi là vi khuẩn thở nitrat, sunfat v.v… Tuỳ theo cách vi khuẩn tạo ra năng lượng, người ta phân biệt 4 loại như sau: Vi khuẩn ưa khí tuyệt đối Kiếm năng lượng bằng cách oxy hoá, chỉ phát triển được nếu có oxy tự do. Ví dụ: phẩy khuẩn tả, trực khuẩn lao. Có loại còn có thêm khả năng thở nitrat (thí dụ trực khuẩn mủ xanh). Vi khuẩn ưa khí kiêm kỵ khí tuỳ ý Kiếm năng lượng bằng cách oxy hoá, nhưng cũng có thể phát triển khi không có oxy bằng cách lên men. Thí dụ các trực khuẩn đường ruột. Vi khuẩn kỵ khí kiêm ưa khí Kiếm năng lượng bằng cách lên men và có thể phát triển dù có oxy hay không. Ví dụ liên cầu khuẩn. Vi khuẩn kỵ khí tuyệt đối Kiếm năng lượng bằng cách lên men, oxy là chất độc, chỉ phát triển được trong hoàn cảnh không có oxy. Ví dụ: trực khuẩn uốn ván, trực khuẩn hoại thư sinh hơi, trực khuẩn độc thịt. Đa số vi khuẩn thuộc về các loài vừa ưa khí vừa kỵ khí. Những tính chất ưa khí, kỵ khí của vi khuẩn được lợi dụng trong kỹ thuật phân lập, nuôi giữ vi khuẩn nói chung cũng như trong việc chống lại các vi khuẩn kỵ khí gây bệnh. 6. Nhân lên (sinh sản) của vi khuẩn Tế bào vi khuẩn lớn rất nhanh, trong vài phút. Khi tế bào vi khuẩn đã trưởng thành thì tự nhân lên. 6.1. Cách nhân lên Phân đôi: cách nhân lên thông thường của vi khuẩn là tự chia đôi, bào tương và màng tế bào vi khuẩn có chỗ thắt lại, eo thắt đó hẹp dần, cuối cùng 13
chia vi khuẩn thành hai tế bào mới bằng nhau hoặc gần bằng nhau . Mỗi tế bào mới tiếp tục phát triển, lớn lên rồi lại chia đôi, cứ như vậy 1 thành 2, 2 thành 4, 4 thành 8 v.v… Đây cách nhân lên vô tính, không có hiện tượng đực cái. Thể L: ngoài cách tự chia đôi, nhiều loại vi khuẩn có thể phình to lên rồi vỡ thành nhiều mảnh, gọi là thể L (để nhớ đến viện Lister ở nước Anh là nơi bà Knineberger Nobel phát hiện ra thể này của vi khuẩn). Thể L được hình thành khi có những tác nhân cản trở sự tổng hợp vách vi khuẩn, thí dụ: penicillin. Thể L nhỏ độ 0,2 micromet đường kính, qua được các lọc vi khuẩn, có thể phát triển và nhân lên trong môi trường nuôi. Đặc điểm của thể L là có một phần của vách vi khuẩn, tuy rất ít, và do đó trong điều kiện thích hợp có thể trở lại thành tế bào vi khuẩn ban đầu. 6.2. Tốc độ nhân lên Tốc độ nhân lên của vi khuẩn nói chung là nhanh, nhưng có khác nhau giữa các loài. Trong những điều kiện thuận lợi, trung bình cứ 20 30 phút vi khuẩn phân chia một lần, ví dụ trực khuẩn E. coli: 15 17 phút; trực khuẩn thương hàn 23 phút. Trực khuẩn lao nhân lên chậm hơn, sau 18 giờ mới có thế hệ mới. Phẩy khuẩn tả nhân lên nhanh, chỉ sau 5 7 phút có một thế hệ mới. Cách sinh sản nhân lên với tốc độ 20 30 phút một lần làm cho số lượng vi khuẩn tăng hết sức nhanh trong một thời gian rất ngắn . Chỉ cần một hoặc vài tế bào vi khuẩn gây bệnh rơi vào vết mổ, vết thương, thuốc pha chế, thức ăn v.v… cũng có thể dẫn đến hậu quả rất tai hại sau vài giờ. Vì thế cần đảm bảo vô trùng tuyệt đối trong mọi khâu công tác y, dược. Nếu không có gì cản trở số lượng vi khuẩn sinh ra từ một tế bào sau 5 ngày đêm có thể tràn ngập mọi đại dương. Thực tế trong quá trình nhân lên của vi khuẩn gặp nhiều trở ngại như: môi trường hết dần chất dinh dưỡng, môi trường bị các sản phẩm của chính vi khuẩn làm thay đổi, sự đối kháng của các loại vi sinh vật khác làm tiêu huỷ vi khuẩn v.v… 6.3. Kết quả nhân lên của vi khuẩn ở môi trường lỏng Vi khuẩn nhân lên ở môi trường lỏng có thể làm đục đều môi trường hoặc tạo lên những hạt, những cặn ở đáy, những váng trên bề mặt môi trường. Cấy một chủng vi khuẩn cần thiết vào môi trường lỏng thích hợp, rồi theo dõi số lượng vi khuẩn sinh ra, người ta thấy quá trình nhân lên của vi khuẩn gồm 4 giai đoạn: 14
a/ Giai đoạn thích ứng: số lượng vi khuẩn không tăng, vi khuẩn chưa sinh sản, còn đang thích nghi với môi trường. b/ Giai đoạn tăng mạnh: số lượng vi khuẩn tăng nhanh, các tính chất của vi khuẩn điển hình. c/ Giai đoạn tối đa: số lượng vi khuẩn đạt đến mức nhiều nhất và không thay đổi, các tính chất của vi khuẩn vẫn điển hình; ở giai đoạn này số lượng vi khuẩn sinh ra và số lượng vi khuẩn chết đi xấp xỉ bằng nhau. d/ Giai đoạn suy tàn: số lượng vi khuẩn chết đi lớn hơn số lượng vi khuẩn sinh ra, tổng số vi khuẩn giảm dần, các tính chất của vi khuẩn không điển hình và bị thay đổi; ở giai đoạn này môi trường đã nghèo vì mất nhiều chất dinh dưỡng và các chất do vi khuẩn sinh ra tích luỹ lại càng làm độc môi trường. Lúc này muốn giữ lại được chủng vi khuẩn phải cấy chuyển sang môi trường mới. Thời gian của từng giai đoạn trên đây có thể khác nhau giữa các loài vi khuẩn, nhưng nói chung vi khuẩn nào cũng phát triển theo một quá trình như vậy. Sơ đồ phát triển của vi khuẩn ở môi trường lỏng Ứng dụng thực tế: khi vi khuẩn xâm nhập gây hại nên can thiệp sớm, ngay trong giai đoạn vi khuẩn đang thích ứng với môi trường chưa sinh sản. Ví dụ: cần phải bố trí trạm cấp cứu hoả tuyến sao cho có thể băng bó và xử trí sớm vết thương trong 5 6 giờ đầu. 15
Muốn nghiên cứu những tính chất điển hình của vi khuẩn, cần lấy vi khuẩn nuôi ở giai đoạn tăng mạnh. 6.4. Kết quả nhân lên của vi khuẩn ở môi trường đặc Ở môi trường đặc, một tế bào vi khuẩn nhân lên qua nhiều thế hệ tập trung ở một chỗ sẽ tạo thành một đám nhỏ mắt thường nhìn thấy được gọi là khuẩn lạc. Vậy khuẩn lạc là một đám tập hợp ở môi trường đặc rất nhiều vi khuẩn sinh ra từ một tế bào vi khuẩn ban đầu. Tất cả những tế bào này có những tính chất giống nhau và tạo thành một dòng thuần khiết gọi là clon . Ria vi khuẩn trên môi trường đặc để thu được những khuẩn lạc thuần khiết sinh ra từ một tế bào vi khuẩn ban đầu là một việc quan trọng rất cần thiết trong quá trình phân lập vi khuẩn để rồi tiếp tục nghiên cứu vi khuẩn. Khuẩn lạc có thể to, nhỏ, lồi, dẹt hay lõm, bờ đều hay răng cưa, trong hay đục, trắng, vàng hoặc xanh, đỏ v v….của khuẩn lạc là những yếu tố được dùng để phân biệt và chẩn đoán vi khuẩn. Có hai hình thái khuẩn lạc chính: Khuẩn lạc S (Smooth): bề mặt trơn nhẵn, ướt, lồi đều, bờ tròn đều đặn. Khuẩn lạc R (Rough): bề mặt xù xì, lồi lõm không đều, thường dẹt, khô, bờ răn rúm. Khuẩn lạc S là hình thái thường gặp của đại đa số vi khuẩn cho khả năng gây bệnh lúc mới phân lập được từ bệnh nhân. Khuẩn lạc R là hình thái của những vi khuẩn đã mất khả năng gây bệnh sau khi nuôi cấy nhiều lần hoặc phân lập được từ những người đang khỏi bệnh. Đặc biệt có một vài loài vi khuẩn gây bệnh bình thường có khuẩn lạc R (trực khuẩn lao, trực khuẩn than, trực khuẩn dịch hạch). Ngoài ra một số loại vi khuẩn còn có dạng khuẩn lạc M (Mucomus): khuẩn lạc nhầy. 7. Chuyển hoá của vi khuẩn 7.1. Phân giải Các thức ăn trong môi trường chung quanh vi khuẩn thường là những phân tử lớn. Vi khuẩn tiết ra những ngoại enzyme thuỷ phân để biến thức ăn từ phức tạp thành đơn giản: các protein thành những chuỗi peptid ngắn hoặc 16
những acid amin, các glucid thành những đường đơn, các lipid thành những acid béo và glycerol, các acid nhân thành phosphat vô cơ và những nucleotid. Những chất đơn giản này có thể thẩm thấu dần qua màng bán thấm của tế bào, nhưng chúng được vận chuyển nhanh hơn nhiều nhờ các pecmeaza hoạt động như những enzyme. Đây là những chất xúc tác được tổng hợp khi có một cơ chất, đảm bảo đưa chất vào tế bào và tích luỹ cơ chất trong tế bào đạt mức cao hơn ở môi trường bên ngoài rất nhiều (tới 10 lần). Quá trình phân giải các chất thức ăn tạo ra những chất trung gian hoặc những sản phẩm cuối cùng riêng biệt với từng loại vi khuẩn, khiến người ta có thể dùng vào mục đích chẩn đoán vi khuẩn. Vi khuẩn phân huỷ các glucid có thể tạo ra nhiều loại acid và CO 2, H2O. Sự phân huỷ các protein dẫn đến sự hình thành các chất như acid amin, SH 2, CO2, NH3, Indol…..Trong thực hành nuôi cấy vi khuẩn, người ta có những cách thích hợp để phát hiện những chất này nhằm chẩn đoán vi khuẩn. 7.2. Tổng hợp Từ những thức ăn và năng lượng thu được, vi khuẩn tự tạo ra những chất cấu tạo nên bản thân. Ngoài ra, vi khuẩn còn tổng hợp được một số chất mà y học quan tâm đến. Độc tố: là những chất độc rất mạnh, gắn liền với tế bào vi khuẩn (nội độc tố) hoặc do vi khuẩn sống tiết ra ngoài (ngoại độc tố), là những chất chủ yếu gây bệnh. Kháng sinh: là những chất có tác dụng ức chế hoặc giết chết những vi khuẩn khác. Những chất kháng sinh hiện được dùng rộng rãi để chữa nhiều bệnh do vi khuẩn. Vitamin: trực khuẩn E. coli trong ruột người và động vật tổng hợp được một số vitamin như vitamin K, B4. Sắc tố: Một vài loài vi khuẩn có sắc tố, làm cho khuẩn lạc có màu trắng, vàng, xanh, đỏ, đen, v.v… (Ví dụ: tụ cầu trắng, tụ cầu vàng, trực khuẩn mủ xanh…). Người ta cho rằng sắc tố bảo vệ vi khuẩn chống ánh sáng mặt trời và còn giúp vào quá trình hô hấp. 17
18
ĐẠI CƯƠNG VIRUS Virus là một trong những sinh vật nhỏ nhất, cấu tạo đơn giản nhất . Chúng chỉ là một đại phân tử nucleoprotein mang đặc tính di truyền cơ bản của sinh vật, không có cấu tạo tế bào, không có quá trình trao đổi chất và không tự sinh sản được. Virus được phát hiện lần đầu năm 1892 bởi Ivanopski. Năm 1940 quan sát được hình thể của virus qua kính hiển vi điện tử . Ngày nay khái niệm sinh vật nhỏ nhất, đơn giản nhất không còn đúng với virus nữa, kể từ khi phát hiện ra prion. 1. Kích thước và hình thể virus Virus có kích thước rất nhỏ, qua được lọc vi khuẩn, đơn vị đo kích thước virus là nanomet (nm). Virus chỉ được nhìn thấy qua kính hiển vi điện tử có độ phóng đại nhiều nghìn lần. Kích thước trung bình của virus khoảng từ 100 150nm như virus cúm, sởi, quai bị. Có kích thước nhỏ từ 10 70nm như virus bại liệt, viêm não. Cũng có những virus có kích thước lớn từ 250 300nm như virus đậu mùa. Tạm thời qui ước loại virus nhỏ kích thước dưới 100 nm, trung bình 100200 nm, virus lớn có kích thước trên 200 nm. Virus có nhiều hình thể khác nhau: + Hình cầu: virus cúm, sởi, bại liệt + Hình khối đa diện: virus Adeno, Papova, Herpes + Hình que: virus khảm thuốc lá + Hình viên gạch: virus đậu mùa + Hình dùi trống: virus của vi khuẩn E. coli (phage T2) Một virus hoàn chỉnh được gọi là một virion. Trong một loài virus, các virion có kích thước và hình thể như nhau nên có thể kết tinh các hạt virion thành tinh thể. 2. Cấu tạo virus 19
Virus không có cấu tạo tế bào hay nói cách khác cấu tạo của virus ở mức dưới tế bào. Do có cấu tạo dưới tế bào nên các tính chất cơ bản của sự sống như: sinh sản, cảm ứng, chuyển hóa vật chất ở virus rất khác vi khuẩn. 20