Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Khái quát về vi sinh vật
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em mô tả được những đặc điểm chung của vi sinh vật, phân biệt được môi trường nuôi cấy lỏng với môi trường nuôi cấy đặc, và giải thích được vì sao kỹ thuật vô trùng bắt buộc phải có mặt trong suốt quy trình phân lập một chủng vi sinh vật thuần khiết.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở phần Sinh học tế bào ngay đầu chương trình lớp 10, em đã học tế bào nhân sơ — như tế bào vi khuẩn — không có nhân hoàn chỉnh bao bọc vật chất di truyền, khác với tế bào nhân thực có nhân hoàn chỉnh (same-grade bridge). Bài này dùng lại đúng ranh giới nhân sơ/nhân thực đó để xếp các nhóm vi sinh vật vào đúng chỗ của chúng.
Khởi động
Một giọt nước ao chứa hàng triệu vi sinh vật mà mắt thường không nhìn thấy được. Nhưng nếu để một cốc nước luộc rau nguội ở nhiệt độ phòng vài ngày, cốc nước sẽ đục dần và bốc mùi chua. Không ai bỏ thêm gì vào cốc nước đó — vậy cái gì đã nhân lên bên trong nó?
Kiến thức trọng tâm
Vi sinh vật là những sinh vật có kích thước hiển vi, phần lớn không quá 0,1 milimét, nên mắt thường không nhìn thấy được — phải quan sát qua kính hiển vi. Nhóm này gồm nhiều loại sinh vật khác hẳn nhau về mức độ tổ chức tế bào: vi khuẩn và vi khuẩn cổ là sinh vật nhân sơ, còn một số nguyên sinh vật và vi nấm — như nấm men, một số nấm sợi hiển vi — là sinh vật nhân thực. Điểm chung không nằm ở việc chúng thuộc cùng một nhóm phân loại, vì rõ ràng không phải vậy, mà nằm ở kích thước và tốc độ sống.
Kích thước nhỏ kéo theo một hệ quả quan trọng: tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tế bào rất lớn. Chất dinh dưỡng từ môi trường ngoài khuếch tán vào tế bào và chất thải khuếch tán ra ngoài đều nhanh hơn nhiều so với một tế bào lớn, nên vi sinh vật trao đổi chất và sinh trưởng với tốc độ mà không sinh vật đa bào nào theo kịp — một số loài vi khuẩn phân chia chỉ sau 20 phút trong điều kiện thuận lợi. Vi sinh vật cũng khai thác được nhiều nguồn năng lượng và nguồn carbon khác nhau hơn hẳn thực vật hay động vật, từ ánh sáng, chất vô cơ, đến chất hữu cơ — bài sau đi sâu vào cách phân loại chúng theo tiêu chí này.
Muốn nghiên cứu một loài vi sinh vật, trước hết phải nuôi cấy được nó trong môi trường nhân tạo cung cấp đủ chất dinh dưỡng nó cần. Môi trường nuôi cấy tồn tại ở hai dạng vật lí. Môi trường lỏng — canh thang — không có chất làm đông đặc, tế bào tự do khuếch tán và chuyển động trong toàn bộ thể tích dung dịch; khi quần thể tăng lên, cả ống nghiệm đục đều, không phân biệt được từng dòng tế bào riêng lẻ. Môi trường đặc chứa thêm thạch làm chất nền rắn: một tế bào rơi xuống bề mặt thạch bị giữ cố định tại chỗ, mọi tế bào con sinh ra từ các lần phân chia liên tiếp của nó cũng chỉ tích luỹ ngay tại vị trí đó, tạo thành một đốm tròn nhìn thấy được bằng mắt thường gọi là khuẩn lạc. Một khuẩn lạc, vì vậy, là hậu duệ của đúng một tế bào ban đầu — không phải một tế bào đơn lẻ như tên gọi dễ khiến người mới học nhầm lẫn.
Vi sinh vật không phải một nhóm phân loại thống nhất — chúng trải khắp cả sinh vật nhân sơ lẫn nhân thực, chỉ chung nhau ở kích thước hiển vi.
Một mẫu lấy trực tiếp từ tự nhiên — nước ao, đất, hay bề mặt thực phẩm — gần như luôn chứa nhiều loài vi sinh vật lẫn lộn. Để nghiên cứu đúng một loài, người ta cần phân lập nó thành một chủng thuần khiết: một quần thể mà mọi tế bào đều là hậu duệ của một tế bào tổ tiên duy nhất. Kỹ thuật phổ biến nhất là cấy ria trên môi trường đặc — dùng que cấy đã khử trùng kéo mẫu thành các đường ngày càng loãng dần trên bề mặt thạch, sao cho ở cuối cùng các tế bào nằm đủ xa nhau để mỗi khuẩn lạc mọc lên hoàn toàn tách biệt với khuẩn lạc bên cạnh.
Điều kiện bắt buộc xuyên suốt quy trình này là kỹ thuật vô trùng: mọi dụng cụ, môi trường và thao tác phải được khử trùng hoặc thực hiện sao cho không có vi sinh vật lạ từ không khí, tay người hay bề mặt bàn rơi vào mẫu. Chỉ cần một tế bào ngoại lai lọt vào, kết quả phân lập coi như hỏng — chủng thu được không còn thuần khiết nữa, dù mọi bước khác đều làm đúng.
Mỗi bước phải thực hiện trong điều kiện vô trùng — nếu không, vi sinh vật lạ sẽ lẫn vào và phá hỏng kết quả phân lập.
Ví dụ
So sánh sinh trưởng trên môi trường lỏng và môi trường đặc
1
Một học sinh cấy vài tế bào của cùng một loài vi khuẩn vào hai ống nghiệm: ống (1) chứa môi trường lỏng, ống (2) chứa môi trường đặc có thạch. Sau 24 giờ ủ ấm ở nhiệt độ thích hợp, ống (1) đục đều toàn bộ dung dịch, còn trên bề mặt thạch của ống (2) xuất hiện nhiều đốm tròn tách biệt. Giải thích sự khác biệt này.
2
Trong môi trường lỏng, tế bào tự do khuếch tán khắp thể tích dung dịch. Khi mỗi tế bào phân chia, các tế bào con cũng phân tán ngay ra xung quanh chứ không tụ lại một chỗ, nên sinh khối tăng lên đồng đều trên toàn bộ ống nghiệm — quan sát được là độ đục lan toả, không có ranh giới rõ giữa các dòng tế bào khác nhau.
3
Trên môi trường đặc, thạch giữ tế bào cố định tại vị trí nó rơi xuống. Một tế bào phân chia liên tiếp qua nhiều thế hệ vẫn tích luỹ đúng tại chỗ đó, hình thành một đốm sinh khối nhìn thấy được — một khuẩn lạc. Nhiều tế bào ban đầu rơi ở các vị trí khác nhau trên đĩa sẽ cho ra nhiều khuẩn lạc tách biệt.
4
Cả hai ống đều xuất phát từ cùng loài vi khuẩn với tốc độ sinh trưởng như nhau — sự khác biệt duy nhất là trạng thái vật lí của môi trường, đúng như tiêu chí đang xét, chứ không phải do khác loài hay khác điều kiện nuôi cấy.
5
Vậy môi trường lỏng cho sinh khối lan toả đều khắp dung dịch, còn môi trường đặc khoá từng dòng tế bào tại chỗ rơi xuống — mỗi khuẩn lạc là hậu duệ của đúng một tế bào ban đầu.
Ví dụ
Thu chủng vi khuẩn thuần khiết từ mẫu nước ao (dạng đề kiểm tra)
1
Sau khi cấy ria một mẫu nước ao lên đĩa thạch và ủ ấm 48 giờ, một học sinh quan sát thấy ba loại khuẩn lạc khác nhau về màu sắc và hình dạng: trắng đục hình tròn, vàng nhạt mép răng cưa, và hồng nhẵn bóng. Học sinh muốn thu được một chủng vi khuẩn thuần khiết thuộc loại trắng đục để nghiên cứu tiếp. Đề xuất cách làm và giải thích.
2
Ba loại khuẩn lạc khác nhau chứng tỏ mẫu nước ao ban đầu chứa ít nhất ba loài vi sinh vật khác nhau — đĩa hiện tại là một quần xã hỗn tạp, chưa phải một chủng thuần khiết nào.
3
Vì mỗi khuẩn lạc là hậu duệ của đúng một tế bào tổ tiên, việc chọn một khuẩn lạc trắng đục đơn lẻ, tách biệt hẳn với các khuẩn lạc khác, đồng nghĩa với việc chọn đúng một dòng tế bào thuộc đúng loại mong muốn.
4
Dùng que cấy đã khử trùng chạm nhẹ vào đúng khuẩn lạc trắng đục đó, rồi cấy ria sang một đĩa thạch mới hoàn toàn vô trùng. Sau khi ủ ấm, mọi khuẩn lạc mọc lên trên đĩa mới đều là hậu duệ của cùng một tế bào tổ tiên vừa chọn.
5
Vậy để thu chủng thuần khiết, học sinh cần chọn một khuẩn lạc trắng đục đơn lẻ và cấy ria sang môi trường mới trong điều kiện vô trùng tuyệt đối — bỏ qua yêu cầu vô trùng ở bất kì bước nào cũng khiến mẫu nhiễm tạp khuẩn trở lại, phá hỏng kết quả phân lập.
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn phổ biến nhất là coi một khuẩn lạc là một tế bào vi khuẩn — thực ra một khuẩn lạc thường chứa hàng triệu tế bào, tất cả đều là hậu duệ giống hệt nhau về mặt di truyền của một tế bào tổ tiên duy nhất. Một nhầm lẫn khác là nghĩ môi trường lỏng và môi trường đặc khác nhau về thành phần dinh dưỡng — thực ra hai loại môi trường có thể chứa cùng một công thức dinh dưỡng hệt nhau, khác biệt duy nhất nằm ở trạng thái vật lí: có hay không có thạch làm chất nền rắn.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Vi sinh vật là sinh vật kích thước hiển vi, gồm cả nhân sơ (vi khuẩn, vi khuẩn cổ) lẫn một số nhân thực (nấm men, nguyên sinh vật), sinh trưởng nhanh nhờ tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn. Môi trường đặc giữ tế bào cố định tạo khuẩn lạc — hậu duệ của một tế bào tổ tiên; kỹ thuật vô trùng và cấy ria là hai công cụ để phân lập một chủng thuần khiết.
Bài tiếp theo trả lời câu hỏi: cùng là vi sinh vật, nhưng chúng lấy carbon và năng lượng ở đâu để tổng hợp nên chất sống của chính mình?
Vi sinh vật là những sinh vật có kích thước hiển vi, phần lớn không quá 0,1 milimét, nên mắt thường không nhìn thấy được — phải quan sát qua kính hiển vi. Nhóm này gồm nhiều loại sinh vật khác hẳn nhau về mức độ tổ chức tế bào: vi khuẩn và vi khuẩn cổ là sinh vật nhân sơ, còn một số nguyên sinh vật và vi nấm — như nấm men, một số nấm sợi hiển vi — là sinh vật nhân thực. Điểm chung không nằm ở việc chúng thuộc cùng một nhóm phân loại, vì rõ ràng không phải vậy, mà nằm ở kích thước và tốc độ sống.
Kích thước nhỏ kéo theo một hệ quả quan trọng: tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tế bào rất lớn. Chất dinh dưỡng từ môi trường ngoài khuếch tán vào tế bào và chất thải khuếch tán ra ngoài đều nhanh hơn nhiều so với một tế bào lớn, nên vi sinh vật trao đổi chất và sinh trưởng với tốc độ mà không sinh vật đa bào nào theo kịp — một số loài vi khuẩn phân chia chỉ sau 20 phút trong điều kiện thuận lợi. Vi sinh vật cũng khai thác được nhiều nguồn năng lượng và nguồn carbon khác nhau hơn hẳn thực vật hay động vật, từ ánh sáng, chất vô cơ, đến chất hữu cơ — bài sau đi sâu vào cách phân loại chúng theo tiêu chí này.
Muốn nghiên cứu một loài vi sinh vật, trước hết phải nuôi cấy được nó trong môi trường nhân tạo cung cấp đủ chất dinh dưỡng nó cần. Môi trường nuôi cấy tồn tại ở hai dạng vật lí. Môi trường lỏng — canh thang — không có chất làm đông đặc, tế bào tự do khuếch tán và chuyển động trong toàn bộ thể tích dung dịch; khi quần thể tăng lên, cả ống nghiệm đục đều, không phân biệt được từng dòng tế bào riêng lẻ. Môi trường đặc chứa thêm thạch làm chất nền rắn: một tế bào rơi xuống bề mặt thạch bị giữ cố định tại chỗ, mọi tế bào con sinh ra từ các lần phân chia liên tiếp của nó cũng chỉ tích luỹ ngay tại vị trí đó, tạo thành một đốm tròn nhìn thấy được bằng mắt thường gọi là khuẩn lạc. Một khuẩn lạc, vì vậy, là hậu duệ của đúng một tế bào ban đầu — không phải một tế bào đơn lẻ như tên gọi dễ khiến người mới học nhầm lẫn.
Một mẫu lấy trực tiếp từ tự nhiên — nước ao, đất, hay bề mặt thực phẩm — gần như luôn chứa nhiều loài vi sinh vật lẫn lộn. Để nghiên cứu đúng một loài, người ta cần phân lập nó thành một chủng thuần khiết: một quần thể mà mọi tế bào đều là hậu duệ của một tế bào tổ tiên duy nhất. Kỹ thuật phổ biến nhất là cấy ria trên môi trường đặc — dùng que cấy đã khử trùng kéo mẫu thành các đường ngày càng loãng dần trên bề mặt thạch, sao cho ở cuối cùng các tế bào nằm đủ xa nhau để mỗi khuẩn lạc mọc lên hoàn toàn tách biệt với khuẩn lạc bên cạnh.
Điều kiện bắt buộc xuyên suốt quy trình này là kỹ thuật vô trùng: mọi dụng cụ, môi trường và thao tác phải được khử trùng hoặc thực hiện sao cho không có vi sinh vật lạ từ không khí, tay người hay bề mặt bàn rơi vào mẫu. Chỉ cần một tế bào ngoại lai lọt vào, kết quả phân lập coi như hỏng — chủng thu được không còn thuần khiết nữa, dù mọi bước khác đều làm đúng.
Nhầm lẫn phổ biến nhất là coi một khuẩn lạc là một tế bào vi khuẩn — thực ra một khuẩn lạc thường chứa hàng triệu tế bào, tất cả đều là hậu duệ giống hệt nhau về mặt di truyền của một tế bào tổ tiên duy nhất. Một nhầm lẫn khác là nghĩ môi trường lỏng và môi trường đặc khác nhau về thành phần dinh dưỡng — thực ra hai loại môi trường có thể chứa cùng một công thức dinh dưỡng hệt nhau, khác biệt duy nhất nằm ở trạng thái vật lí: có hay không có thạch làm chất nền rắn.
Vi sinh vật là sinh vật kích thước hiển vi, gồm cả nhân sơ (vi khuẩn, vi khuẩn cổ) lẫn một số nhân thực (nấm men, nguyên sinh vật), sinh trưởng nhanh nhờ tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn. Môi trường đặc giữ tế bào cố định tạo khuẩn lạc — hậu duệ của một tế bào tổ tiên; kỹ thuật vô trùng và cấy ria là hai công cụ để phân lập một chủng thuần khiết.