Nguyễn Hồng Quang LỚP:DH08HH MSSV:08139221 I. Đặt vấn đề II. Giới thiệu về bào tử III. Cấu tạo bào tử 1. Lớp màng ngoài 2. Lớp áo bào tử 3. Lớp vỏ bào tử 4. Lõi bào tử IV. Quá trình hình thành và sự nảy mầm của bào tử 1. Quá trình hình thành bào tử 2. Sự nảy mầm của bào tử a. Hoạt hoá b. Nảy mầm V. Khả năng đề kháng của bào tử 1. Khả năng đề kháng của bào tử 2. Tính kháng nhiệt của bào tử 3. Các yếu tố giúp bào tử vi khuẩn chống chịu với điều kiện bất lợi VI. Ý nghĩa của bào tử vi khuẩn trong đời sống VII. Khả năng kỳ diệu của bào tử 1. Sinh vật sống lại sau 32.000 năm đóng băng 2. Bào tử vi khuẩn phát ra điện 3. Đánh thức vi khuẩn bị chôn vùi 120000 năm 4. Bào tử vi khuẩn có tuổi thọ 250 triệu năm VIII. Kết luận I. Đặt vấn đề • Thế giới sinh vật vô cùng đa dạng và đặc sắc. Môi trường sống luôn tồn tại nhiều mối nguy hiểm cạnh tranh nên mỗi loài phải có một phương thức sinh tồn hữu hiệu để bảo vệ chính mình. Nếu ở ngựa là tốc độ chạy nhanh thần tốc để tránh kẻ thù,loài rắn là nộc độc nguy hiểm, ốc là vỏ cứng bảo vệ thì vi khuẩn là những sinh vật nhỏ bé sẽ có vũ khí gì để chống lại điều kiện bất lợi của ngoại cảnh: nhệt độ, áp suất thẩm thấu, tia cực tím hay những chất hoá học có hại cho chúng. Câu trả lời là bào tử. • Như mọi người đã biết cá voi xanh là sinh vật lớn nhất hành tinh, vậy sinh vật nào có tuổi thọ cao nhất? Người ta đã phân lập được bào tử sống từ mật ong hóa thạch có tuổi 25 triệu năm và thậm chí từ một tinh thể muối 250 triệu năm tuổi (Talaro-Talaro, 2002). Tuổi thọ của bào tử gần như vô hạn. Vậy tại sao bào tử có khả năng kỳ diệu đó? Cái gì giúp nó tồn tại trong khoảng thời gian dài? Cấu tạo đặc biệt hay còn điều gì bí ẩn? Bài tiểu luận dưới đây sẽ là một lời giải thích phần nào cho vấn đề trên. II. Giới thiệu về bào tử vi khuẩn • Một số vi khuẩn khi vào cuối thời kỳ sinh trưởng phát triển sẽ sinh ra bên trong tế bào một thể nghỉ có dạng hình cầu hay bầu dục được gọi là bào tử hay nội bào tử, có tính đề kháng cao với nhiệt, tia tử ngọai, tia gamma và các hóa chất diệt khuẩn cũng như với sự khô hạn . Vì mỗi tế bào chỉ sinh ra một bào tử nên đây không phải là loại bào tử có chức năng sinh sôi nảy nở như ở nấm. Đây là trạng thái sống tiềm sinh của vi khuẩn. • Chỉ có một số chi vi khuẩn có năng lực sinh bào tử: Bacillus, Clotridium, Sporosarcina (G+) và Desulfotomaculum (G-). • Bacillus và Clostridium đều có hình que nhưng khác nhau ở chỗ loại trước sống hiếu khí và khi sinh bào tử không biến dạng hình thái tế bào, loại sau sống kị khí và khi sinh bào tử biến tế bào thành hình thoi, hình đinh ghim… o Sporosarcina có hình khối gồm 8 cầu khuẩn. o Desulfotomaculum là vi khuẩn khử lưu huỳnh có hình que cong, đứng riêng rẽ hay xếp thành chuỗi. Vi khuẩn Clostridium (hình que) và bào tử (hình tròn) nhìn dưới kính hiển vi. III. Cấu tạo Quan sất dưới kính hiển vi điện tử, bào tử trưởng thành được bao bọc bằng nhiều lớp màng: lớp màng ngoài, lớp áo bào tử, lớp vỏ bào tử, lớp màng trong. 1. Lớp màng ngoài • Ở vi khuẩn sinh bào tử thì nang bào là vỏ tế bào mẹ. • Màng ngoài nằm ở ngoài cùng, đó là các phần còn sót lại của tế bào mẹ, khi có khi không, khi dày, khi xốp, chiếm khoảng 2-10% khối lượng khô của bào tử. màng ngoài gồm 2 lớp, lớp ngoài dày 6nm, lớp trong dày 19nm. • Thành phần chủ yếu là lipoprtein, cũng có chứa một lượng nhỏ acid amin, có tính thẩm thấu kém. Đa có tài liệu phân tích màng ngoài chứa 52% protein, 20% hidrat cacbon, 12,5% lipid, 5,5% photphat và 3,8% chất khoáng. Có thể thấy rõ màng ngoài khi quan sát bào tử của vi khuẩn Bacillus cereus. 2. Lớp áo bào tử • Nằm dưới màng ngoài dày khoảng 3 nm, cấu tạo bởi 3-15 lớp, chủ yếu là protein sừng (chiếm 50- 80% protein tổng số của bào tử) và một ít photpholipoprotein. • Áo bào tử có sức đề kháng rất cao với lizozim, proteinaza, các chất hoạt động bề mặt, có tính thẩm thấu kém đối với cation, bảo vệ bào tử chống lại các enzyme và hóa chất như H 2 O 2 . • Mỏng tương đương với lớp màng tế chất. • Chứa các enzyme tham gia vào sự nảy mầm của bào tử. 3. Lớp vỏ bào tử • Chiếm thể tích rất lớn (36-60%) trong bào tử. Vỏ bào tử chứa một lượng lớn peptidoglican đặc biệt, ít liên kết chéo, ngoài ra còn có 7-10% ( tính theo khối lượng khô của bào tử) chất dipicolinat canxi (DPA-Ca), không có chứa axit teicoic. • Áp suất thẩm thấu của lớp vỏ bào tử cao tới 20atm, lượng chứa nước là 70%.(lượng chứa nước của tế bào dinh dưỡng là 80%), cao hơn nhiều so với lượng chứa nước trung bình trong bào tử (khoảng 40%). • Rất dày gồm nhiều lớp, nó có tác dụng cản sự thẩm thấu kháng với nhữnh điều kiên khắc nghiệt. 4. Lõi bào tử • Dưới lớp vỏ là lõi bào tử còn gọi là thể chất nguyên sinh của bào tử. • Lõi bào tử cấu tạo bởi 4 thành phần: thành bào tử, màng bào tử, bào tử chất và vùng nhân. • Lượng nước chứa trong lõi rất thấp. • Ngoài việc không tìm thấy axit teicoic nhưng có DAP-Ca trong bào tử chất, các thành phần khác của lõi bào tử cũng tương tự như ở các tế bào bình thường của vi khuẩn. • Trong cùng là khối tế bào chất có cấu tạo đồng nhất, và phần lớn nước ở trạng thái liên kết. • Trong bào tử có cả ARN lẫn ADN, lượng ARN thường gấp 2-7 lần so với lượng ADN . Cấu trúc bào tử của vi khuẩn Cấu trúc bào tử vi khuẩn IV. Sự hình thành và nảy mầm của bào tử 1. Sự hình thành bào tử Các tế bào sinh bào tử khi gặp điều kiện thiếu thức ăn hoặc có tích luỹ sản phẩm trao đổi chất có hại sẽ bắt đầu đầu quá trình hình thành bào tử. Đây là một quá trình phức tạp, về mặt hình thái có thể chia quá trình hình thành bào tử ra các giai đoạn: • Hình thành những búi nhiễm sắc. • Tế bào bắt đầu phân cắt không đối xứng, tạo ra một vùng nhỏ gọi là tiền bào tử. • Tiền bào tử hình thành 2 lớp màng, tăng cao tính kháng bức xạ. • Lớp vỏ sơ khai hình thành giữa 2 lớp màng của bào tử khi đã tích luỹ nhiều PG và tổng hợp DPA, tích luỹ canxi. Tính chiết quang tăng cao. • Kết thúc việc hình thành áo bào tử. • Kết thúc việc hình thành vỏ bào tử. Bào tử bắt đầu thành thục, bắt đầu có tính kháng nhiệt. • Bào nang vỡ ra, bào tử thoát ra ngoài. • Bào tử sau khi được hình thành, thường phân bố khắp nơi trong không khí, nước, đất… Khi gặp điều kiện thuận lợi sẽ nảy mầm. 2. Sự nảy mầm của bào tử Quá trình chuyển từ bào tử ở trạng thái nghỉ sang tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn được gọi là quá trình nảy mầm của bào tử. Quá trình này gồm 3 giai đoạn: hoạt hoá, nảy mầm và sinh trưởng. a. Hoạt hoá: • Có thể hoạt hoá bằng cách nâng nhiệt trong khoảng thời gian ngắn, hạ thấp pH, xử lí bằng hoá chất khử. Chẳng hạn sau khi cho bào tử của Bacilus subtilis tồn tại ở mầm. Cũng có khi phải hoạt hoá bằng cách xử lí ở 60 o C trong 5 phút có thể làm xúc tiến sự nảy mầm. Cũng có khi phải hoạt hoá bằng cách xử lí ở 100 o C trong 10 phút. Sau khi xử lí chuyển bào tử vào môi trường nuôi cấy thích hợp sẽ thực hiện được mục đích của hoạt hoá. • Có một số hoá chất đặc biết có thể xúc tiến quá trình nảy mầm của vào tử. Các chất này được gọi là thuốc nảy mầm. Thuộc về loại này có thể kể đến L – alanin, Mn 2+ , chất hoạt động bề mặt,glucozơ… Cũng có những chất lại có tác dụng ức chế quá trình nảy mầm ( ví dụ như D – alanin, natri bicacbonat…) b. Nảy mầm: • Protein có chứa nhiều systein trong áo bào tử hoá xốp lên làm cho tăng tính thấm, xúc tiến sự hoạt động của enzyme proteinaza. Khi đó lượng protein trong bào tử áo giảm xuống. Các cation bên ngoài có thể xâm nhập vào lớp vỏ bào tử và làm trương lớp vỏ lên, sau đó làm tan ra và tiêu thoái đi. Khi đó nước bên ngoài sẽ xâm nhập vào lớp lõi bào tử làm cho lõi trương to lên, các loại enzyme bắt đầu được hoạt hoá lên, bắt đầu quá trình tổng hợp thành tế bào. • Trong quá trình nảy mầm các đặc tính chịu nhiệt, chiết quang cao… bắt đầu giảm dần, lượng BPA – Ca, acid amin, polipeptit dần dần mất đi, bắt đầu xảy ra việc tổng hợp AND, ARN và protein trong lõi bào tử. Bào tử chuuyển sang thành tế bào dinh dưỡng. • Khi nảy mầm, bào tử mầm có thể đâm ra theo phía cực hoặc đâm ngang ra. Lúc đó thành tế bào còn rất mỏng và chưa hoàn chỉnh do đó nâng cao khả năng tiếp nhận thêm AND ngoại lai để thực hiện quá trình biến nạp. • Cuối cùng, bào tử chứa một số enzyme sửa chữa ADN, ADN sẽ được sửa chữa trong quá trình nảy mầm và tăng trưởng sau khi lõi đã được hoạt hóa trở lại. V. Khả năng đề kháng của bào tử 1. Khả năng đề kháng của bào tử • Bào tử có khả năng đề kháng cao đối với các tác nhân vật lý và hoá học như: nhiệt độ, tia cực tím, áp suất, các chất sát trùng, áp suất thẩm thấu… • Năng lực đề kháng với bức xạ tia tử ngoại của bào tử thường gấp đôi của tế bào dinh dưỡng. Năng lực đề kháng với tia phóng xạ của bào tử Bacillus megaterium gấp 36 lần so với tế bào dinh dưỡng vi khuẩn E.coli. • Ở nhiệt độ 180 o C, bào tử của vi khuẩn Clostridium botilinum chịu đựng trong 10 phút. Trong điều kiện nhiệt độ thấp và khô hạn, bào tử có thể sống được trong một khoảng thời gian rất dài. Bào tử của Bacillus antracid (vi khuẩn nhiệt thán) có thể sống tới 18 năm ở trạng thái tiềm sinh. Vi khuẩn Bacillus antracid • Dưới tác động của hoá chất cũng như các loại bức xạ, cùng nồng độ, cùng một thời gian tác động, có thể diệt được một cách dễ dàng tế bào sinh dưỡng chứ không diệt được bào tử. Ví dụ trong dung dịch phenoi 5% tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn chết rất nhanh, nhưng bào tử có thể sống tới 25 ngày. Trong dung dịch HgCl2 1% tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn chết ngay, nhưng bào tử có thể sống được trên 2 giờ. 2. Tính kháng nhiệt của bào tử • Cho đến nay người ta còn chưa biết chính xác tại sao bào tử có tính kháng nhiệt và kháng các tác nhân gây chết khác cao đến như vậy. • Tới 15% trọng lượng khô của nội bào tử là axit dipicolinic được kết hợp với các ion canxi. Vai trò chính xác của axit dipicolinic còn chưa được biết rõ, song canxi trợ giúp tính đề kháng với sức nóng ướt, với các tác nhân oxy hóa, và đôi khi, với sức nóng khô. Có thể dipicolinat canxi làm bền các axit nucleic của bào tử. • Gần đây người ta tìm thấy trong bào tử một loại protein hòa tan trong axit có trọng lượng phân tử thấp (SASP) liên kết với ADN. Nó bão hòa ADN của bào tử và bảo vệ ADN chống lại sức nóng, các bức xạ, sự khô hạn và hóa chất. Hàm lượng nước thấp (10-30% so với tế bào dinh dưỡng) của thể sinh chất (lõi) giữ vai trò quan trọng trong tính đề kháng với nhiệt. Ta biết rằng nhiệt phá hủy tế bào bằng cách làm bất hoạt ADN và protein, và quá trình này đòi hỏi một lượng nước nhất định trong thể sinh chất. 3. Các yếu tố giúp bào tử chống chịu với ngoại cảnh bất lợi • Phức hợp acid dipicolinic-calcium có thể ổn định thành phần acid nucleid của bào tử. • Nước ở bào tử ở trạng thái liên kết nên không có khả năng làm biến tính protein khi tăng nhiệt độ môi trường. • Các enzyme và các chất hoạt độnh sinh học trong bào tử đều ở trạng thái không hoạt động, do đó hạn chế sự trao đổi chất của bào tử đối với môi trường ngoài. • Với cấu trúc có nhiều lớp màng bao bọc và tính ít thấm của các lớp màng, làm cho các hoá chất độc, chất sát trùng khó có thể xâm nhập vào, và gây tác động đến bào tử. Bào tử (spore) và Tinh thể độc (Crystal) ở Bacillus thuringiensis (trái) và Bacillus sphaericus (phải). VI. Ý nghĩa của bào tử trong đời sống • Do tính đề kháng cao của bào tử và do một số loài vi khuẩn mang bào tử là những tác nhân gây bệnh nguy hiểm (bệnh than, bệnh uốn ván, bệnh ngộ độc thịt, bệnh hoại thư sinh hơi ) Bệnh than (từ nguyên tiếng Hy Lạp Άνθραξ nghĩa là than) là bệnh nhiễm khuẩn cấp tính diễn ra ở gia súc (bò, cừu, dê ) do vi khuẩn Bacillus anthracis gây ra, có thể truyền sang người, ở một vài dạng nó có độc tính rất cao. Vi khuẩn than là một trong số ít những vi khuẩn có thể tồn tại rất lâu ở môi trường trong dạng bào tử. Khi vòng đời của vi khuẩn gặp nhân tố bất lợi ví dụ như vật chủ nó ký sinh chết hoặc là nhiệt độ môi trường thay đổi bất lợi, vi khuẩn chuyển thành dạng bào tử có tính ngủ đông để chờ các vật chủ mới, tiếp tục vòng đời của mình.Sau khi thâm nhập (bào tử của vi khuẩn rơi vào vết thương vật chủ), các vi khuẩn hay bào tử này sẽ tự phục hồi hoạt động và nhân lên với một tốc độ rất nhanh. Bào tử vi khuẩn than có sức sống rất cao, có thể tồn tại đến hàng thập kỷ thậm chí thế kỷ và được ghi nhận có mặt ở hầu khắp các lục địa (trừ Châu Nam Cực). • Chính vì vậy nên bào tử có tầm quan trọng thực tiễn lớn trong các lĩnh vực vi sinh vật học thực phẩm, công nghiệp và y học. • Bào tử cũng được quan tâm về mặt lý thuyết. Một thực thể phức tạp như vậy (ở Bacillus subtilis có tới 200 gen tham gia vào sự hình thành bào tử) mà có thể được tạo ra chỉ trong vài giờ (6-8 giờ ở đa số trường hợp) theo một phương thức chặt chẽ, sẽ rất thích hợp cho việc nghiên cứu để thiết kế các cấu trúc sinh học phức tạp. VII. Điều kỳ diệu của bào tử 1. Đánh thức vi khuẩn bị chôn vùi 120000 năm • Các nhà khoa học vừa thành công trong việc đánh thức một vi khuẩn bị chôn vùi đã 120.000 năm dưới lớp băng dày 3km của Greenland. Có tên khoa học Herminiimonas glaciei , vi khuẩn hình que này dài 0,9 micro mét và đường kính là 0,4 micro mét, nhỏ hơn từ 10 đến 50 lần khuẩn gây bệnh tiêu chảy nổi tiếng E.Coli. Điểm đặc biệt nhất chính là chúng quá nhỏ, và dường như cần một lượng rất nhỏ dinh dưỡng để tồn tại. Nhờ kích thước tí hon này, chúng có thể len lỏi vào các kẽ nứt nhỏ tạo thành trong băng, tìm kiếm các chất dinh dưỡng bị chôn vùi rải rác ở đó. • Để đánh thức vi khuẩn này dậy, các nhà khoa học đã phải giữ nó ở 2 o C trong vòng 7 tháng, sau đó là 5 o C trong 4 tháng rưỡi; sau đó, họ nhìn thấy một tập đoàn các vi khuẩn rất nhỏ bé màu nâu lẫn hồng nhạt bắt đầu hoạt động. • Các nhà khoa học phát hiện ra vi khuẩn này cho rằng, nó có thể có những đặc điểm giống với loại vi khuẩn sống trong băng trên các đầu cực của sao Hoả, hay là lớp băng dày bao phủ Europa, một mặt trăng của sao Mộc 2. Bào tử vi khuẩn phát ra điện • Phát hiện của Milliken-trưởng nhóm nghiên cứu tại Trường ĐH Y khoa Nam Carolina được cho là khá thú vị: vi khuẩn tự nó phát điện. Các vi khuẩn này được biết đến là có khả năng phát điện, là thành viên của giống vi khuẩn được gọi là khuẩn Desulfito, cho đến nay chưa được biết đến là có khả năng phát điện. Khuẩn Desulfito • Các vi khuẩn này được biết đến nhiều với khả năng tấn công và giải trừ một số chất gây ô nhiễm môi trường khó xử lý nhất như một số chất dung môi. • Các vi khuẩn này gồm nhiều loại khác nhau ở khả năng trao đổi chất của chúng, bao gồm thành phần thức ăn mà chúng có thể tiêu thụ. Điều đó có nghĩa là các vi khuẩn này có thể biến đổi một lượng lớn các nguồn thức ăn để sinh ra điện. • Công nghệ này có thể được sử dụng để trợ giúp cho việc xử lý nguồn nước thải, và kết quả của cách ấy là có thể làm biến đổi nước thải và sinh ra điện. • Các bào tử của vi khuẩn này cho thấy có khả năng liên tiếp phát ra điện. Các đặc điểm này có thể hữu ích trong việc phát triển các loại pin từ vi khuẩn ăn chất thải trong tương lai, giúp các thiết bị không cần phải thường xuyên sẵn sàng hoạt động nhưng vẫn còn có thể sử dụng được trong thời gian dài ở điều kiện khắc nghiệt. 3. Sinh vật sống lại sau 32.000 năm đóng băng Lấy mẫu từ tầng đất đóng băng vĩnh cửu trong đường hầm ở Alaska. Một dạng vi khuẩn mới tìm thấy trong một đường hầm ở Bắc cực đã hồi sinh trong phòng thí nghiệm, sau 32.000 năm vùi mình dưới lớp băng sâu. Sinh vật này có thể là lời giải thích để các nhà khoa học tìm ra phương pháp đông lạnh mới. • Các sinh vật khác cũng đã được tìm thấy trong những môi trường băng giá tương tự, đôi khi gắn với những túi nước lỏng trong tảng băng. Một vài vi khuẩn sống sót trong băng ở dạng bào tử, cần phải chăm bẵm mới có thể trở lại dạng sống bình thường. NASA mô tả phát hiện mới này như "sinh vật đầu tiên sống sót trong băng cổ đại được mô tả đầy đủ". Chúng ngay lập tức bắt đầu bơi khi được rã đông, cũng như nhanh chóng sẵn sàng để ăn và phân chia. Khu vực tìm thấy các vi khuẩn là một đường hầm ở phía bắc Fairbanks, Alaska, Mỹ. Các vi khuẩn này được gọi tên khoa học là Carnobacterium pleistocenium có thể rất hữu ích với các chuyên gia y học. Vi khuẩn Carnobacterium 4. Bào tử vi khuẩn có tuổi thọ 250 triệu năm • Các vi khuẩn này được TS Russell Vreeland và Dennis Powers tìm thấy trong một mỏ muối, sâu gần 610 m dưới lòng đất ở đông nam bang New Mexico, Mỹ. Chúng được đặt tên là chủng 2-9-3. • Phát hiện đã được chào đón như một bước ngoặt khi người ta khẳng định đó là những sinh vật sống lâu đời nhất trên thế giới. Trước đó, sinh vật thọ nhất là các bào tử vi khuẩn có tuổi 25- 40 triệu năm, tìm thấy trong một con ong được bảo quản tốt trong hổ phách. • Russell Vreeland và Dennis Powers cho là những vi khuẩn 250 triệu năm tuổi này có thể đã thoát ra tự nhiên, phân tán đi khắp nơi như ngày nay. Vi khuẩn trong các tinh thể muối ở New Mexico • Vi khuẩn này đang gây nhiều tranh cãi liệu tuổi thọ của nó có thật sự là 250 triệu năm tuổi không? VIII. Kết luận • Cấu trúc đặc biệt với nhiều lớp màng và nhiều chất đặc trưng như đã nêu trên đã giúp bào tử vi khuẩn tồn tại lâu dài trong những hoàn cảnh khắc nghiệt nhất. • Bào tử vi khuẩn vẫn luôn có nhiều bí ẩn thách thức con người tìm hiểu. Khả năng kỳ diệu của nó dần dần được khám phá: phát điện, có tầm quan trọng thực tiễn lớn trong các lĩnh vực vi sinh vật học, thực phẩm, công nghiệp và y học. • Vì vậy mà ta có thể khẳng định bào tử không chỉ là phương thức sống tiềm sinh giúp vi khuẩn sống sót trong điều kiện bất lợi của ngoại cảnh (nhiệt độ, tia cực tím, áp suất, các chất sát trùng, áp suất thẩm thấu…) mà còn mang lại cho con người nhiều lợi ích trong đời sống. Bên cạnh đó bào tử còn là tác nhân gây bệnh nguy hiểm (bệnh than, bệnh uốn ván, bệnh ngộ độc thịt, bệnh hoại thư sinh hơi ). NGUỒN • Giáo trình vi sinh vật đại cương- nhóm giảng viên môn vi sinh trường Đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh • Vi sinh vật học- Nguyễn Lân Dũng • Wikipedia.org • Sinhhocvietnam.com • Vietbao.vn . yếu tố giúp bào tử vi khuẩn chống chịu với điều kiện bất lợi VI. Ý nghĩa của bào tử vi khuẩn trong đời sống VII. Khả năng kỳ diệu của bào tử 1. Sinh vật. năm đóng băng 2. Bào tử vi khuẩn phát ra điện 3. Đánh thức vi khuẩn bị chôn vùi 120000 năm 4. Bào tử vi khuẩn có tuổi thọ 250 triệu năm VIII. Kết luận I.