Vi sinh vật không phải là một nhóm phân loại trong sinh giới mà là bao gồm tất cả các sinh vật có kích thước hiển vi, không thấy rõ được bằng mắt thường, do đó phải sử dụng kính hiển vi thường hoặc kính hiển vi điện tử. Ngoài ra muốn nghiên cứu vi sinh vật người ta phải sử dụng tới phương pháp nuôi cấy vô khuẩn.

Từ trước đến nay có rất nhiều hệ thống phân loại sinh vật. Các đơn vị phân loại sinh vật nói chung và vi sinh vật nói riêng đi từ thấp lên cao là  Loài (Species), Chi (Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum), và Giới (Kingdom). Hiện nay trên giới còn có một mức phân loại nữa gọi là lĩnh giới (Domain). Đấy là chưa kể đến các mức phân loại trung gian như Loài phụ (Subspecies), Chi phụ (Subgenus), Họ phụ (Subfamily), Bộ phụ (Suborder), Lớp phụ (Subclass), Ngành phụ (Subphylum).

Xưa kia John Ray (1627-1705) và Carl Von Linnaeus (1707-1778) chỉ chia ra 2 giới là Thực vật và Động vật. Năm 1866 E. H. Haeckel (1834-1919) bổ sung thêm giới Nguyên sinh (Protista).

Năm 1969 R. H. Whitaker (1921-1981) đề xuất hệ thống phân loại 5 giới : Khởi sinh (Monera), Nguyên sinh (Protista), Nấm (Fungi), Thực vật (Plantae) và Động vật (Animalia).

- Khởi sinh bao gồm Vi khuẩn (Bacteria) và Vi khuẩn lam (Cyanobacteria).

- Nguyên sinh bao gồm Động vật nguyên sinh (Protzoa),  Tảo (Algae) và các Nấm sợi sống trong nước (Water  molds). 

Gần đây hơn, có hệ thống phân loại 6 giới- như 5 giới trên nhưng thêm giới Cổ vi khuẩn(Archaebacteria), giới Khởi sinh đổi thành giới Vi khuẩn thật (Eubacteria) (P. H. Raven, G. B. Johnson, 2002).

Cổ vi khuẩn và Vi khuẩn thật thuộc

Còn T. Cavalier-Smith (1993) thì lại đề xuất hệ thống phân loại 8 giới:

- Vi khuẩn thật (Eubacteria),

- Cổ vi khuẩn (Archaebacteria),

- Cổ trùng (Archezoa),

- Sắc khuẩn (Chromista),

- Nấm (Fungi),

- Thực vật (Plantae) và

- Động vật (Animalia).

Theo R. Cavalier-Smith thì Cổ trùng (như Giardia) bao gồm các cơ thể đơn bào nguyên thuỷ có nhân thật, có ribosom 70S, chưa có bộ máy Golgi, chưa có ty thể (mitochondria) chưa có thể diệp lục (Chloroplast), chưa có  peroxisome.

Sắc khuẩn bao gồm phần lớn các cơ thể quang hợp chứa thể diệp lục trong các phiến (lumen) của mạng lưới nội chất nhăn (rough endpplasmic reticulum) chứ không phải trong tế bào chất (cytoplasm), chẳng hạn như Tảo silic , Tảo nâu, Cryptomonas, Nấm noãn.

Năm 1980, Carl R. Woese dựa trên những nghiên cứu sinh học phân tử phát hiện thấy Cổ khuẩn có sự sai khác lớn trong trật tự nucleotid ở ARN của ribosom 16S và 18S. Ông đưa ra hệ thống phân loại ba lĩnh giới (Domain) bao gồm Cổ khuẩn (Archae), Vi khuẩn (Bacteria) và Sinh vật nhân thực (Eucarya).

Cổ khuẩn là nhóm vi sinh vật có nguồn gốc cổ xưa. Chúng bao gồm các nhóm vi khuẩn có thể phát triển được trong các môi trường cực đoan (extra), chẳng hạn như nhóm ưa mặn (Halobacteriales), nhóm ưa nhiệt (Thermococcales, Thermoproteus, Thermoplasmatales), nhóm kỵ khí sinh mêtan (Methanococcales, Methanobacteriales, Methanomicrobiales), nhóm vi khuẩn lưu huỳnh ưa nhiệt (Sulfobales, Desulfurococcales).

Monera trong hệ thống 5 giới tương đương với Vi khuẩn và Cổ khuẩn trong hệ thống 8 giới và trong hệ thống 3 lĩnh giới. Nguyên sinh trong hệ thống 5 giới tương đương  với 3 giới Cổ trùng (Archaezoa), Nguyên sinh (Protista-Protozoa) và Sắc khuẩn (Chromista) trong hệ thống 8 giới và tương đương với 5 nhóm sau đây trong hệ thống 3 lĩnh giới (domain): Archaezoa, Euglenozoa, Alveolata, Stramenopila và Rhodophyta.

Theo hệ thống 3 lĩnh giới thì Archaezoa bao gồm Diplomonad, Trichomonad và Microsporidian. Euglenozoa  ao gồm Euglenoid và Kinetoplastid. Alveolata  bao gồm Dinoflagellate, Apicomplexan, và Ciliate. Strmenopila bao gồm Tảo silic (Diatoms) , Tảo vàng (Golden algae), Tảo nâu (Brown algae) và Nấm sợi sống trong nước (Water mold) . Rhodophyta gồm các Tảo đỏ (Red algae). Riêng Tảo lục (Green algae) thì một phần thuộc Nguyên sinh (Protista) một phần thuộc Thực vật (Plantae)

Hệ thống phân loại 5 giới sinh vật

Hệ thống phân loại 6 giới sinh vật

Hệ thống phân loại 8 giới sinh vật

Hệ thống 3 lĩnh giới (domain)

Monera hay 2 lĩnh giới Vi khuẩn và Cổ khuẩn thuộc nhóm Sinh vật nhân sơ (Prokaryote), còn các sinh vật khác đều thuộc nhóm Sinh vật nhân thật (Eukaryote). Sai khác giữa 3 lĩnh giới Bacteria, Archaea và Eukarya được trình bày trên bảng dưới đây:

So sánh ba lĩnh giới Bacteria, Archaea và Eukarya

  Phần lớn vi sinh vật thuộc về ba nhóm Cổ khuẩn, Vi khuẩn và Nguyên sinh. Trong giới Nấm, thì nấm men (yeast), nấm sợi (filamentous Fungi) và dạng sợi (mycelia) của mọi nấm lớn đều được coi là vi sinh vật. Như vậy là vi sinh vật không có mặt trong hai giới Động vật và Thực vật. Người ta ước tính trong số 1,5 triệu loài sinh vật có khoảng 200.000 loài vi sinh vật (100.000 loài động vật nguyên sinh và tảo, 90.000 loài nấm, 2.500 loài vi khuẩn lam và 1.500 loài vi khuẩn). Tuy nhiên hàng năm, có thêm hàng nghìn loài sinh vật mới được phát hiện, trong đó có không ít loài vi sinh vật.

Virus là một dạng đặc biệt chưa có cấu trúc cơ thể cho nên chưa được kể đến trong số 200.000 loài vi sinh vật nói trên. Số virus đã được đặt tên là khoảng 4.000 loài.

 Trong thực tế, số loài vi sinh vật phải tới hàng triệu loài. Bảo tàng giống chuẩn vi sinh vật (VTCC) thuộc TT Công nghệ Sinh học, ĐHQG Hà Nội hợp tác với các nhà khoa học Nhật bản và dựa trên các kỹ thuật sinh học phân tử đã bước đầu phát hiện được khá nhiều loài vi sinh vật mới được thế giới công nhận.

 2-Các đặc điểm chung của vi sinh vật :

Vi sinh vật có các đặc điểm chung sau đây :

2.1-Kích thước nhỏ bé :

Vi sinh vật thường được đo kích thước bằng đơn vị micromet (1mm= 1/1.000mm hay 1/1000.000m). Virus được đo kích thước đơn vị bằng nanomet (1nm=1/1.000 000mm hay 1/1.000.000.000m).

Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong 1 đơn vị thể tích càng lớn. Chẳng hạn đường kính của 1 cầu khuẩn (Coccus) chỉ có 1mm, nhưng nếu xếp đầy chúng  thành 1 khối lập nhưng có thể lích là 1cm³ thì chúng có diện tích bề mặt rộng tới ...6 m² !

         Light microscope : KHV quang học

         Electron microscope : KHV điện tử

         Most bacteria: Phần lớn vi khuẩn

Kích thước vi khuẩn so với đầu kim khâu

Ba dạng chủ yếu ở vi khuẩn :   trực khuẩn, cầu khuẩn và xoắn khuẩn.

 2.2-Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh :

Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thu và chuyển hoá vượt xa các sinh vật khác. Chẳng hạn 1 vi khuẩn Lactic (Lactobacillus)  trong 1 giờ có thể phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100-10.000 lần so với khối lượng của chúng. tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1.000 lần so với đậu tương và gấp 100.000 lần so với trâu bò.

Lactobacillus qua KHV điện tử

2.3-Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh :

Chẳng hạn, 1 trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli ) trong các điều kiện thích hợp chỉ sau 12-20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4.722.366 500.000.000.000.000.000 tế bào (4.722.366.10¹⁷), tương đương với 1 khối lượng ... 4722 tấn. Tất nhiên trong tự nhiên không có được các điều kiện tối ưu như vậy ( vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩm trao đổi chất có hại...). Trong nòi lên men với các điều kiện nuôi cấy thích hợp từ 1 tế bào có thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100.000. 000- 1.000.000.000 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men dài hơn, ví dụ với men rượu (Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút. Với nhiều vi sinh vật khác còn dài hơn nữa, ví dụ với tảo Tiểu cầu ( Chlorella ) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc  là 23 giờ...Có thể nói không có sinh vật nào có tốc độ sinh sôi nảy nở nhanh như vi sinh vật.

                    Bacillus subtilis                  Nấm men Saccharomyces cerevisiae

 2.4-Có năng lực thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị :

Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất khác nhau, kể cả những điều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác thường không thể tồn tại được. Có vi sinh vật  sống được ở môi trường nóng đến 130⁰C, lạnh đến 0-5⁰C, mặn đến nồng độ 32% muối ăn, ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0,5 hoặc cao đến 10,7, áp suất cao đến trên 1103 at. hay có độ phóng xạ cao đến 750.000 rad. Nhiều vi sinh vật có thể phát triển tốt trong điều kiện tuyệt đối kỵ khí, có nòi nấm sợi có thể phát triển dày đặc trong bể ngâm tử thi với nộng độ Formol rất cao...

Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống ... do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần số biến dị thường ở mức 10^-5-10^-10. Chỉ sau một thời gian ngắn đã có thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các hế hệ sau. Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất. Nếu như khi mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ đạt 20 đơn vị/ml dịch lên men (1943) thì nay đã có thể đạt trên 100.000 đơn vị/ml. Khi mới phát hiện ra acid glutamic chỉ đạt 1-2g/l thì nay  đã đạt đến 150g/ml dịch lên men.

2.5-Phân bố rộng, chủng loại nhiều :

Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong không khí, trong đất, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể, người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi đồ vật...

Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-địa-hoá học (biogeochemical cycles) như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn N, vòng tuần hoàn P, vòng tuần hoàn S, vòng tuần hoàn Fe...

Trong nước vi sinh vật có nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nông (limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthic zone).

Trong không khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ít. Số lượng vi sinh vật trong không khí ở các khu dân cư đông đúc cao hơn rất nhiều so với không khí trên mặt biển và nhất là trong không khí ở Bắc cực, Nam cực...

Hầu như không có hợp chất carbon nào (trừ kim cương, đá graphít...) mà không là thức ăn của những nhóm vi sinh vật nào đó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol. dioxin...). Vi sinh vật có rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau : quang tự dưỡng (photoautotrophy), quang dị dưỡng (photoheterotrophy),  hoá tự dưỡng (chemoautotrophy), hoá dị dưỡng (chemoheterotrophy), tự dưỡng chất sinh trưởng (auxoautotroph), dị dưỡng chất sinh trưởng (auxoheterotroph)...

2.6-Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất :

Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống từ cách đây 3,5 tỷ năm. Đó là các vi sinh vật hoá thạch còn để lại vết tích trong các tầng đá cổ. Vi sinh vật hoá thạch cỗ xưa nhất đã được phát hiện là nhữngdạng rất giống với Vi khuẩn lam ngày nay. Chúng được J.William Schopf tìm thấy tại các tầng đá cổ ở miền Tây Australia. Chúng có dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đến vài chục mm với đường kính khoảng 1-2 mm và có thành tế bào khá dày. Trước đó các nhà khoa học cũng đã tìm thấy vết tích của chi Gloeodiniopsis có niên đại cách đây 1,5 tỷ năm và vết tích của chi Palaeolyngbya có niên đại cách đây 950 triệu năm. 

Vết tích vi khuẩn lam cách đây 3,5 tỷ năm

Vết tích Gloeodiniopsis cách đây 1,5 tỷ năm 

                    Vết tích Palaeolyngbya cách đây 950 triệu năm                  

Tác giả: GS.TS.Nguyễn Lân Dũng, PCT thường trực Hội Các ngành Sinh học VN, Tổng thư ký Hội Vi sinh vật học VN