จุลชีววิทยา (Microbiology) เป็นวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับจุลินทรีย์ ในด้านรูปร่าง โครงสร้าง การสืบพันธุ์ สรีรวิทยา การจัดจำแนก การแพร่กระจายในธรรมชาติ ความสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์กับสิ่งมีชีวิตอื่น การเปลี่ยนแปลงทางเคมีและกายภาพในสภาพแวดล้อมที่จุลินทรีย์เจริญ
การศึกษาจุลินทรีย์แบ่งเป็นด้านต่างๆ ดังนี้
1.Virology (วิสาวิทยา) ศึกษาเกี่ยวกับไวรัส ไวรอยด์ พริออน 2.Bacteriology (แบคทีเรียวิทยา) ศึกษาเกี่ยวกับแบคทีเรีย 3.Mycology (ราวิทยา) ศึกษาเกี่ยวกับฟังไจ (Fungi) 4.Phycology (สาหร่ายวิทยา) ศึกษาเกี่ยวกับสาหร่าย 5.Protozoology (โปรโตซัววิทยา) ศึกษาเกี่ยวกับโปรโตซัว
จุลินทรีย์มีทั้งกลุ่มที่มีประโยชน์ (Beneficial microorganism) เช่น การเป็นผู้ย่อยสลายในระบบนิเวศ เพิ่มสารอาหารและแร่ธาตุให้กับดิน บางชนิดเป็นเชื้อฉวยโอกาส (Opportunists) ซึ่งพบในร่างกายเป็นปกติ แต่จะก่อโรคได้ถ้าสถานที่และเวลาเหมาะสม และมีเพียงส่วนน้อยที่เป็นจุลินทรีย์ก่อโรค (Pathogens)
นักวิทยาศาสตร์คนสำคัญของจุลชีววิทยา
- Leeuwenhoek ค้นพบ Animacules หรือ สิ่งมีชีวิตเล็กๆ ปัจจุบันก็คือ จุลินทรีย์ โดยการมองผ่านกล้องจุลทรรศน์ที่เขาผลิตขึ้น
- Pasteur พิสูจน์ให้เห็นว่าทฤษฏีการเกิดขึ้นเองตามธรรมชาตินั้นไม่จริง และได้พัฒนาเทคนิคการฆ่าเชื้อขึ้น
- Koch อธิบายความสัมพันธ์ของโรคกับเชื้อจุลินทรีย์ พัฒนาเทคนิคการทำเชื้อบริสุทธิ์ ได้รวบรวมและสรุปมาตั้งเป็น Koch’s Postulates ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของทฤษฏีการเกิดโรค โดยอธิบายไว้ดังนี้
- เชื้อโรคชนิดต่างๆ มักจะทำให้เกิดโรคกับสิ่งมีชีวิตชนิดใดชนิดหนึ่งเท่านั้น
- สามารถแยกเชื้อโรคจากสัตว์ที่เป็นโรคและนำมาทำเป็นเชื้อบริสุทธิ์ (Pure culture) ในห้องปฏิบัติการได้
- เมื่อนำเชื้อบริสุทธิ์ไปฉีดให้กับสัตว์ที่อ่อนแอต่อโรค ทำให้สัตว์นั้นเป็นโรคได้
- Fleming ค้นพบยาเพนนิซิลิน ซึ่งสร้างมาจากเชื้อรา และสามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อแบคทีเรียได้
การจัดหมวดหมู่ของจุลินทรีย์
1. อาณาจักร Monera สิ่งมีชีวิตในอาณาจักรนี้มีเซลล์แบบโปรคาริโอต (Prokaryotic cell) ได้แก่ แบคทีเรีย และไซยาโนแบคทีเรีย (สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน)
2. อาณาจักร Protista ได้แก่จุลินทรีย์ที่มีเซลล์แบบยูคาริโอต (Eukaryotic cell) ได้แก่ สาหร่าย และโปรโตซัว
3. อาณาจักร Fungi มีเซลล์แบบยูคาริโอต (Eukaryotic cell) ได้แก่ จุลินทรีย์พวกรา และยีสต์
การแบ่งชนิดองแบคทีเรีย โดยใช้รูปร่างเป็นเกณฑ์
1. Cocci - ทรงกลม 2. Diplococci - ทรงกลมจัดเรียงเป็นคู่ 3. Streptococci - ทรงกลมจัดเรียงเป็นสาย 4. Straphylococci - ทรงกลมจัดเรียงเป็นพวงองุ่น 5. Sarcinae - 8 เซลล์ 4 ระนาบ 6. Tedtrad - ทรงกลมจัดเรียง 4 7. Coccobacilli - ทรงกลมรี 8. Bacilli - ท่อน 9. Diplobacilli - ท่อนเรียงคู่ 10. Streptobacilli - ท่อนเรียงเป็นสาย 11. Fusiform bacilli - 12. Enlarge Rod 13. Filamentous bacillary form 14. Vibrios - ท่อนสั้น 15. Comma's Form - รูปคอมมา 16. Club Rod 17. Helical Form - เซลล์บิดเกลียว 18. Corkscrew's form 19. Filamentous 20. Spirochete - เกลียว
อาณาจักรมอเนอรา
-เป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ที่มีโครงสร้างเซลล์แบบโพรคาริโอต (prokaryote)ในขณะที่สิ่งมีชีวิตอื่นๆ ทุกอาณาจักรมีโครงสร้างเซลล์แบบยูคารีโอต(eukaryote)
-ลักษณะของเซลล์โพรคาริโอต เป็นเซลล์แบบง่ายที่ไม่มีนิวเคลียสเด่นชัด (ไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียสและ DNA ไม่จับกับโปรตีนเป็นโครโมโซม) และไม่มีออร์แกเนลล์ต่างๆเหมือนเซลล์ยูคารีโอต
อาณาจักรมอเนอรา แบ่งย่อยเป็น 2 ไฟลัม
-ไฟลัมชิโซไฟตา (Schizophyta)
-ไฟลัมไซยาโนไฟตา (Cyanophyta)
ไฟลัมชิโซไฟตา
ได้แก่ พวกแบคทีเรีย เป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวขนาดเล็กมาก อาศัยอยู่ได้ทั่วไปในสิ่งแวดล้อมแทบทุกแห่ง ทั้งในอากาศ พื้นดิน น้ำ (ตั้งแต่น้ำแข็งจนถึงน้ำพุร้อน) แม้แต่ในร่างกายสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์
ลักษณะสำคัญ
-ขนาดประมาณ 1-5 ไมโครเมตร (0.001-0.005 มิลลิเมตร) -มีเซลล์แบบโพรคารีโอต ประกอบด้วย เยื่อหุ้มเซลล์ โพรโทพลาสซึม ไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส -DNA วงเล็กๆเรียกว่า พลาสมิด(plasmid)ที่ถ่ายทอดไปให้แบคทีเรียอื่นได้โดยใช้วิธี คอนจูเกชัน
-มีผนังเซลล์ (cell wall) เป็นสาร peptidoglycan หุ้มเยื่อหุ้มเซลล์ และบางชนิดยังสร้างแคปซูลเป็นสารเมือกหุ้มภายนอกอีกชั้นหนึ่ง -แบคทีเรียบางชนิดเคลื่อนที่ได้ เพราะมีแฟลกเจลลัม (flagellum) ช่วยในการเคลื่อนที่ มีโครงสร้างเป็นเส้นใยโปรตีน ที่แตกต่างจากแฟลกเจลลัมของเซลล์ยูคารีโอต (โครงสร้างเป็นโปรตีนไมโครทิวบูล เรียงตัวแบบ 9+2) -บางชนิดมีคลอโรฟิลล์ (แบคเทอริโอคลอโรฟิลล์) -แบคทีเรียมักจะถูกแบ่งเป็นกลุ่มต่างๆโดยใช้ลักษณะต่างๆเป็นเกณฑ์ เช่น รูปร่าง โครงสร้าง ผนังเซลล์ การย้อมติดสีแกรม(Gram's stain)การใช้หรือไม่ใช้ออกซิเจน ฯลฯ
-ชนิดแบคทีเรีย แบ่งโดยใช้รูปร่างของเซลล์เป็นเกณฑ์ มี 3 กลุ่ม พวกคอคคัส (coccus) เป็นแบคทีเรียรูปร่างกลม (sphere) พวกบาซิลลัส (bacillus) เป็นแบคทีเรียรูปร่างเป็นแท่ง (rod) พวกสไปริลลัมหรือสไปโรขีต (spirillum or spirochete) เป็นแบคทีเรียรูปร่างเป็นเกลียว (spiral)
-ชนิดแบคทีเรีย แบ่งโดยใช้โครงสร้างผนังเซลล์เป็นเกณฑ์ได้แก่พวกที่มีผนังเซลล์บาง ย้อมติดสีแกรมลบพวกที่มีผนังเซลล์หนา ย้อมติดสีแกรมบวกพวกที่ไม่มีผนังเซลล์ พวกที่มีผนังเซลล์เป็นสารอื่น ที่ไม่ใช่peptidoglycanที่พบตามปกติ
-ชนิดแบคทีเรีย แบ่งโดยการใช้ การใช้ออกซิเจนเป็นเกณฑ์ ได้แก่พวกที่หายใจแบบใช้ออกซิเจน (aerobic bacteria)พวกที่หายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic bacteria) ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรคบาดทะยัก (clostridium tetani)พวกที่หายใจแบบใช้หรือไม่ใช้ออกซิเจนก็ได้ (facultative aerobic bacteria)
-การดำรงชีวิตของแบคทีเรีย ส่วนใหญ่สร้างอาหารเองไม่ได้ (heterotroph) ซึ่งมีทั้งพวกที่ดำรงชีวิตแบบปรสิต และแบบย่อยสลายหลายพวกสร้างอาหารเองได้ (autotroph) แบคทีเรียที่สร้างอาหารเองได้ แบ่งเป็น 2 พวก ได้แก่พวกสังเคราะห์แสง (photosynthesis) มีแบคเทอริโอคลอโรฟิลล์ การสังเคราะห์แสงของแบคทีเรียบางชนิด เช่น purple sulpher bacteria ใช้H2Sเป็นวัตถุดิบแทนH2O พวกสังเคราะห์เคมี (chemosynthesis) ใช้พลังงานจากการออกซิเดชันสารอนินทรีย์บางชนิดในการสร้างอาหาร ตัวอย่างเช่น H2S(sulpher bacteria บางชนิด), H2(hydrogen bacteria), NH3(nitrifying bacteria) และFe (iron bacteria) เป็นต้น
การสืบพันธุ์ของแบคทีเรีย
-สืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศ โดยการแบ่งตัวเป็นสองส่วน(binary fission)
-ในภาวะแวดล้อมที่เหมาะสม แบคทีเรียอาจแบ่งตัวทุก20-40 นาที สมมติว่าแบคทีเรียแบ่งตัวทุก 30 นาที ภายใน 15 ชั่วโมง แบคทีเรีย1เซลล์สามารถเพิ่มจำนวนถึงหนึ่งพันล้านเซลล์ กลายเป็นกลุ่มเรียกว่า โคโลนี(colony) ซึ่งอาจมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า
-แบคทีเรีย บางชนิดเมื่ออยู่ในภาวะแวดล้อมไม่เหมาะสม สามารถเปลี่ยนแปลงกระบวนการแบ่งตัวให้สร้างเอนโดสปอร์ ขึ้นภายในเซลล์ มีผนังหุ้มหนาทนทานได้ตั้งแต่อุณหภูมิ-250 ถึงมากกว่า100องศาเซลเซียส การสร้างเอนโดสปอร์ไม่ถือว่าเป็นการสืบพันธุ์ เพราะหนึ่งเซลล์สร้างเพียงหนึ่งเอนโดสปอร์เท่านั้น ไม่มีการเพิ่มจำนวนขึ้น
ประโยชน์ของแบคทีเรีย
นอกจากมีบทบาทเป็นผู้ย่อยสลายที่สำคัญของระบบนิเวศ (ทำให้การหมุนเวียนของสารภายไปในสิ่งแวดล้อม) มนุษย์ยังนำแบคทีเรียมาใช้ประโยชน์ต่างๆอีกมาก เช่น
-ผลิตอาหารหมัก -น้ำปลา ปลาร้า ปลาส้ม กุ้งจ่อม ผักดอง น้ำบูดู นมเปรี้ยว น้ำส้มสายชู
-ผลิตยาปฏิชีวนะ -สเตรปโตมัยซิน (Streptomyces griseus) คลอแรมฟินิคอล (Streptomyces venezuelae) ออรีโอมัยซิน (Streptomyces aureofacien)
-ใช้เป็นปุ๋ย เช่น ไรโซเบียม (Rhizobium sp.) และอะโซแบคเตอร์ (Azobactor sp.) เป็นแบคทีเรียที่ตรึงไนโตรเจนในอากาศได้ (เปลี่ยน N2NO3) ไนตริไฟอิงแบคทีเรีย (เปลี่ยนNH3NO3)
-ใช้ฟอกหนัง โดยแบคทีเรียทำให้ขนร่วง เนื้อเปื่อยยุ่ยออกจากหนัง
-ใช้ในการศึกษาวิจัยชีววิทยาพื้นฐาน ประยุกต์ และพันธุวิศวกรรม -แบคทีเรียถูกใช้เป็นตัวอย่างเซลล์สำหรับทดลอง เพราะมีโครงสร้างเซลล์ไม่ซับซ้อน วัฏจักรชีวิตสั้น สืบพันธุ์เร็ว นำDNAอื่นเข้าไปใส่ได้โดยใช้พลาสมิด
-ใช้ในเทคโนโลยีชีวภาพ โดยใช้เทคนิคพันธุวิศวกรรมสร้างแบคทีเรียที่ผลินฮอร์โมนและเอนไซม์บางชนิด
โทษของแบคทีเรีย
-โรคในคนและสัตว์ที่เกิดจากแบคทีเรีย ได้แก่ ไทฟอยด์ อหิวาตกโรค ปอดบวม ไอกรน บาดทะยัก ซิฟิลิส โกโนเรีย โรคแอนแทรกซ์ ฯลฯ
-โรคในพืชที่มีสาเหตุจากแบคทีเรีย ได้แก่ โรครากเน่า โรคใบไหม้ของสาลี่ โรคขอบใบแห้ง ในข้าวฯลฯ
-ทำให้อาหารบูดเน่า
-ทำให้ฟันผุ (เปลี่ยนน้ำตาลในปากให้เป็นกรดแลคติกกัดกร่อนฟัน)
-การทดสอบแบคทีเรียในอาหาร สามารถทำได้โดยหยดเมทิลีนบลูลงไปจานเพาะเชื้อที่มีอาหารวุ้นที่ผ่านการฆ่าเชื้อ (จาน 1 และจาน2) ทั้งสองจานมีสีน้ำเงินใช้ห่วงเขี่ยเชื้อ จุ่มนมสด ลากเป็นทางบนผิววุ้นในจานตั้งทิ้งไว้3-4วัน จาน 1 เกิดกลุ่มของแบคทีเรียหลายกลุ่ม บริเวณที่มีกลุ่มแบคทีเรีย สีอาหารวุ้นจะจางลง กลุ่มแบคทีเรียขยายใหญ่ขึ้นบริเวณที่มีสีจางขยายขนาดขึ้นด้วยอัตราเร็วของการจางของสีเมทิลีนบลูขึ้นอยู่กับจำนวนแบคทีเรีย แบคทีเรียมาก สีของเมทิลีนบลูจางเร็ว เนื่องจากเมทิลีนบลูจะมีสีน้ำเงิน เมื่ออยู่ในสภาพออกซิไดซ์ (อยู่ในอากาศ หรือเติมNH4OH) เปลี่ยนเป็นไม่มีสี เมื่ออยู่ในสภาพรีดิวซ์
หัวเรื่อง และคำสำคัญ
จุลชีววิทยา,ชีววิทยา,Microbiology,ความสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์กับสิ่งมีชีวิตอื่น ,การเปลี่ยนแปลงทางเคมีและกายภาพ