Bài giảng Sinh thái vi sinh vật - Chương 1: Tổng quan về sinh thái vi sinh vật và sự đa dạng của vi sinh vật

9/18/2020 1 SINH THÁI VI SINH VẬT (SH02008) MICROBIAL ECOLOGY • Giảng viên: TS. Nguyễn Xuân Cảnh • Email: nxcanh@vnua.edu.vn • Microbial Ecology. Larry L. Barton and Diana E. Northup. Wiley- Blackwell. 2011. • Proccesses Microbial Ecology. David L. Kirchman. Oxford University Press. 2012. • Microbial Biotechnology and Ecology. Deepak Vyas, Paliwal G.S., Khare P.K., Gupta R.K. Daya Publishing House. 2011. • Brock Biology of Microorganisms (14th edition). Micheal T. Madigan, John M. Martinko, Kelly S. Bender, Daniel H. Buckley, David A. Thomas Brock. Benjamin Cummings. 2012 • Microbiology (Seven edition). Landsing M. Prescott, John P. Harley, Donal A. Klein. McGraw-Hill Science. 2008 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH 9/18/2020 2 Chương 1: Tổng quan về sinh thái vi sinh vật và sự đa dạng của vi sinh vật Chương 2: Môi trường sống tự nhiên của vi sinh vật Chương 3: Mối tương tác giữa các vi sinh vật Chương 4: Các mối tương tác giữa vi sinh vật và thực vật Chương 5: Các mối tương tác giữa vi sinh vật và động vật Chương 6: Trao đổi thông tin ở vi sinh vật trong quá trình sống Chương 7: Vai trò của vi sinh vật đối với các quá trình sinh địa hóa Chương 8: Các phương pháp nghiên cứu sinh thái vi sinh vật NỘI DUNG CHÍNH Chương 1. Tổng quan về sinh thái vi sinh vật và sự đa dạng của vi sinh vật • Giới thiệu chung • Lịch sử nghiên cứu sinh thái vi sinh vật • Sự phổ biến của vi sinh vật • Sự đa dạng của vi sinh vật 9/18/2020 3 Giới thiệu chung Sinh thái học vi sinh vật là gì? Microbial ecology = Microbial + Ecology Sinh thái học vi sinh vật nghiên cứu mối tương tác giữa vi sinh vật với môi trường của chúng bao gồm môi trường vật lý, hóa học và sinh học. Nghiên cứu về sinh thái học nhằm mục đích: - Xác định thành phần loài vi sinh vật hiện có - Vai trò của mỗi loài - Mối tương tác xảy ra trong môi trường vi sinh vật - Cách thức vi sinh vật thay đổi môi trường Lịch sử nghiên cứu Năm 1683: Antonie van Leeuwenhoek công bố hình vẽ về các dạng hình thái của vi khuẩn Năm 1786: Otto Friedrich Muller mổ tả đặc điểm của 379 loài khác nhau trong cuốn “Animalcules of Infusions, Rivers and the Sea”. Năm 1823: Bartholomeo Bizio mô tả về “giọt máu” rơi ở bánh mỳ “chảy máu”trong các nghi lễ, hiện tượng này được cho là do vi khuẩn Serratia marcescens. Năm 1837: FriedrichTraugott Kuzing,Charles Cagniard-Latour và Theodor Schwann trong các công bố độc lập đã xác định vai trò của vi sinh vật với việc sản xuất ethanol. Năm 1838: Christian Gottfried Ehrenberg mô tả về vi khuẩn Gallionella ferruginea ở đất màu vàng (hoàng thổ) Năm 1843: Friedrich Traugott Kutzing mô tả vi khuẩn Leptothrix ochracea có khả năng oxi hóa sắt. 9/18/2020 4 Năm 1852: Maximilian Perty mô tả một số loài vi khuẩn tự dưỡng quang năng thuộc chi Chromatium trong đó có loài Chromatium vinosum. Năm 1866: Ernst Haeckel đề xuất thuật ngữ “sinh thái học” Năm 1877: Theophile Schoesing và Achille Muntz mô tả sự nitrorit hóa nhờ vi sinh vật. Năm 1878: Anton de Berry đề xuất thuật ngữ về mối quan hệ tương hỗ và cạnh tranh. Năm 1885: A. B. Frank mô tả về nấm rễ Mycorrhiza Năm 1886: H. Hellriegel and H.Wilfarth mô tả về nốt sần rễ đậu có khả năng cung cấp nitro cho cây. Năm 1889: Matrinus W. Beijerinck phát triển kỹ thuật làm giàu trong môi trường nuôi cấy cho rất nhiều vi khuẩn trong chu trình nitro-sufur. Năm 1889: Sergus N. Winogradsky đề xuất khái niệm sinh trưởng hóa dưỡng và tự dưỡng ở vi khuẩn. Năm 1904: L. Hiltner nghiên cứu về sinh học vùng rễ và đề xuất khái niệm Rhizosphere. Năm 1909: Sigurd Orla-Jensen xếp vi khuẩn hóa tự dưỡng vào nhóm vi khuẩn cổ • Số lượng tế bào prokaryote trong sinh quyển ước tính có khoảng 6.000.000.000.000.000.000.000.000.000000 (6 x 1030). • Chúng chứa 50% lượng carbon, 90% lượng nitrogen and phosphorus trên Trái đất. • Có trên 108 loài khác nhau. • Trong trực tràng người có khoảng 1012 tế bào vi khuẩn, rất nhiều trong số chúng chưa được xác định. • Trong 1 gram đất có chứa 1000-5000 loài vi khuẩn với trên 109 tế bào. • Vi sinh vật có thể sống ở khắp mọi nơi, trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Những sinh vật có khả năng này gọi là extremophiles. Sự phổ biến của vi sinh vật 9/18/2020 5 Các kiểu extremophile khác nhau Sự đa dạng của vi sinh vật Đa dạng hình thái Sự đa dạng và Sự phổ biến 9/18/2020 6 Carl Woese (1990): Sáu giới, ba lãnh giới – Bacteria (vi khuẩn thật): Eubacteria Eukaryota, Prokaryota – Archaea (Vi khuẩn cố): Archaebacteria – Eukarya (sinh vật nhân thật): động vật, thực vật, động vật nguyên sinh, nấm Đa dạng các nhóm vi khuẩn Sự giống và khác nhau giữa ba nhóm Eukarya, Archaea và Bacteria Đặc điểm Eukarya Archaea Bacteria Thành tế bào Có nhiều sạng khác nhau, không chứa peptidoglycan Glycoprotein, protein, pseudomurein, wall-less Lipopolysaccharide và murein, protein, cell wall-less (few) Màng sinh chất Glycerol esters of fatty acids Glycerol ethers of isoprenoids Glycerol esters of fatty acids Vật liệu di truyền Nucleus with more than one linear chromosome, histones present Circular chromosome, plasmids and viruses, histones Present Circular chomosome plasmids and viruses, no histones RNA polymerases 3 (12–14 subunits) 1 (8–12 subunits) 1 (4 subunits) Nhân tố phiên mã Yes Yes No Mẫn cảm với các kháng sinh như Chloramphenycol, strep., kanamycin No No Yes 9/18/2020 7 Sự đa dạng của các nhóm vi khuẩn thật Vi khuẩn thật được chia vào 11 ngành bởi Woese (1987) sau đó được tăng lên tới 52 ngành vào năm 2003 bởi Rappe và Giovannoni bao gồm cả những loài có thể nuôi cấy và không nuôi cấy được. Cho đến ngày nay có trên 100 ngành đã được phân loại. Sự đa dạng của các nhóm vi khuẩn cổ Trong suốt những năm 1970, cây phân loại cho vi khuẩn cổ chỉ gồm hai ngành là Crenarchaeota và Euryarchaeota, sự phân loại chủ yếu dựa vào các thành viên có thể nuôi cấy được. 9/18/2020 8 Đa dạng các nhóm động vật nguyên sinh • Protist – sinh vật nguyên sinh là sinh vật nhân chuẩn đơn bào hoặc các sinh vật nhân chuẩn đa bào những thiếu các mô chuyên hóa. • Nơi sống rất đa dạng nhưng hầu hết đòi hỏi môi trường nước Theo Madigan và cộng sự (2009) sinh vật nguyên sinh bao gồm:  Diplomonad: Sinh vật đơn bào di động có hai cấu trúc nhân và mitosome.  Parabasalid: sinh vật có chứa thể gốc và hydrogenosome  Euglenozoan: sinh vật đơn bào di động có hình que  Alveolate: sinh vật có chứa các túi trong màng tế bào chất gọi là phế nang. Nhóm sinh vật này bao gồm: Ciliate: di chuyển nhờ lông mao, Paramecium Dinoflagellate: tảo đơn bào hai roi có khả năng di chuyển vòng quanh ở biển và khu vực nước sạch. Chúng gây lên hiện tượng thủy triều đỏ. Apicomplexan: ký sinh trùng bắt buộc gây bệnh trên động vật, ví dụ Plasmodium gây lên bệnh sốt rét.  Stramenopile: sinh vật nhân thực hơi giống nấm, tảo cát, tảo vàng, tảo nâu  Cercozoan: trùng tia, trước đây chúng được gọi là amip  Amoebozoa: sử dụng chân giả có hình xẻ thùy; chúng bao gồm nấm nhầy. 9/18/2020 9 Diplomonad Parabasalid 9/18/2020 10 Euglenozoan Alveolate Ciliate Dinoflagellate Apicomplexan 9/18/2020 11 Stramenopile Cercozoan 9/18/2020 12 Amoebozoa Đa dạng các nhóm nấm 9/18/2020 13 • Các nhóm nấm tồn tại trong tự nhiên là rất phong phú và đa dạng. Ước tính số lượng các loài nấm vào khoảng > 1.5 triệu, trong đó có khoảng 75.000 loài đã được mô tả và biết đến (Deacon, 2006). • Nấm có vai trò phân hủy và tái chế chất hữu cơ, phá vỡ cấu trúc lignocellulose và các hợp chất khó phân hủy khác . • Nấm còn là tác nhân gây bệnh cho người, thực vật, động vật • Nấm cũng có vai trò rất tích cực trong đời sống của con người: thực phẩm, thuốc Phân loại nấm dựa trên một số đặc điểm quan trọng sau:  Đặc điểm của sinh vật nhân chuẩn: có màng nhân và các bào quan trong tế bào chất, màng chứa sterol, ribosome 80S, sự phát triển của tế bào chất  Trao đổi chất dị dưỡng: các enzyme được tiết ra từ đầu sợi nấm để phá vỡ cấu trúc các chất hữu cơ phức tạp và sau đó các chất dinh dưỡng được hấp thu từ môi trường qua thành tế bào và màng tế bào.  Sự phát triển của nấm: được thể hiện khi sợi nấm dài ra, hoặc có thể giống như nấm men đơn bào, hoặc cả hai.  Thành tế bào có chứa cả chitin và glucan  Sinh sản vô tính và hữu tính, có sinh bào tử. Nấm còn được gọi là Mycota bao gồm 5 ngành: - Basidiomycota - Ascomycota - Zygomycota - Glomeromycota - Chytridiomycota 9/18/2020 14 Các loại nấm nấm lớn và một số nấm menthuộc ngành Basidiomycota (nấm đảm). Một số tác nhân nấm gây bệnh nghiêm trọng đó là nấm than. Chúng thường gây bệnh hại các loại cây ngũ côc. Đa dạng các nhóm tảo 9/18/2020 15 • Tảo là một nhóm lớn và rất đa dạng, bao gồm các sinh vật tự dưỡng mang một hay nhiều tế bào có cấu tạo đơn giản, có màu khác nhau, luôn có chất diệp lục nhưng chưa có rễ, thân, lá. • Có thể dễ dàng thấy tảo ở nhiều nơi và với các vai trò khác nhau • Tảo là sinh vật nhân chuẩn chứa chất diệp lục chính vì vậy chúng thực hiện các quá trình quang hợp và tạo ra khí oxy. Ước tính khoảng 50% lượng oxy được tạo ra trên thế giới ngày nay là do các thực vật phù du, trong đó tảo chiếm phần lớn. • Tảo được chia ra làm hai nhóm lớn: tảo đỏ (Rhodophyta) và tảo lục (Chlorophyta). • Tảo lục thường được tìm thấy ở trong môi trường nước ngọt, nhưng đôi khi chúng lại được tìm thấy trong môi trường đất ẩm ướt hoặc trong một phần của địa y. Ngoài ra, tảo xanh còn được tìm thấy trên tuyết khiến cho tuyết co màu hồng. • Đa số tảo đỏ sống chủ yếu ở biển, nhưng trong một số trường hợp cũng có thể tìm thấy chúng trong môi trường nước ngọt và trên cạn. Trái ngược với tảo xanh, tảo đỏ thiếu chất diệu lục b, nhưng lại chứa chất diệp lục a và phycobiliprotein. Màu đỏ của tảo là do sắc tố phycoerythrin. Hầu hết tảo đỏ đều là đa bào. 9/18/2020 16 Đa dạng các nhóm virus 9/18/2020 17