Vi sinh vật ( phần 9 ) Vai trò của vi sinh vật trong đời sống và sản xuất 1. Vi khuẩn có ích và vi khuẩn gây hại Vi khuẩn có thể có ích hoặc có hại cho môi trường và động vật, kể cả con người. Vai trò của vi khuẩn trong gây bệnh và truyền bệnh rất quan trọng. Một số là tác nhân gây bệnh (pathogen) gây ra các bệnh như: uốn ván, sốt thương hàn, giang mai, tả, bệnh lây qua thực phẩm và lao. Nhiễm khuẩn huyết, là hội chứng nhiễm khuẩn toàn cơ thể gây sốc và giãn mạch, hay bộ phận gây ra bởi các vi khuẩn như streptococcus, staphylococcus hay nhiều loài Gram âm khác. Một số nhiễm khuẩn có thể lan rộng ra khắp cơ thể và trở thành toàn thân. Ở thực vật, vi khuẩn gây đốm lá, cháy lá và héo cây. Các hình thức lây nhiễm gồm qua tiếp xúc, không khí, thực phẩm, nước và côn trùng. Vật chủ (host) bị nhiễm khuẩn có thể trị bằng thuốc kháng sinh, được chia làm hai nhóm là diệt khuẩn (bacteriocide) và kìm khuẩn (bacteriostasis), với liều lượng mà khi phân tán vào dịch cơ thể có thể tiêu diệt hoặc kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn. Trong đất, các vi sinh vật sống trong nốt rễ (rhizosphere) biến nitơ thành ammoniac bằng các enzyme của chính mình. Một số khác lại dùng phân tử khí nitơ làm nguồn đạm cho mình, chuyển nitơ thành các hợp chất của nitơ; quá trình này gọi là quá trình cố định đạm. Nhiều vi khuẩn được tìm thấy sống cộng sinh trong cơ thể người hay các sinh vật khác. Ví dụ như sự hiện diện của các vi khuẩn cộng sinh trong ruột già giúp ngăn cản sự phát triển của các vi sinh vật có hại. Vi khuẩn có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ một cách đáng kinh ngạc. Một số nhóm vi sinh "chuyên hóa" đóng một vai trò rất quan trọng trong việc hình thành các khoáng chất từ một số nhóm hợp chất hữu cơ. Ví dụ, sự phân giải cellulose, một trong những thành phần chiếm đa số trong mô thực vật, được thực hiện chủ yếu bởi các vi khuẩn hiếu khí thuộc chi Cytophaga. Khả năng này cũng được con người ứng dụng trong công nghiệp và trong cải thiện sinh học (bioremediation). Các vi khuẩn có khả năng phân hủy hydrocarbon trong dầu mỏ thường được dùng để làm sạch các vết dầu loang v.v. Vi khuẩn cùng với nấm men và nấm mốc được dùng để chế biến các thực phẩm lên men như phô-mai, dưa chua, nước tương, dưa cải bắp (sauerkraut), giấm, rượu, và yoghurt. Sử dụng công nghệ sinh học, các vi khuẩn có thể được "thiết kế" (bioengineer) để sản xuất thuốc trị bệnh như insulin, hay để cải thiện sinh học đối với các chất thải độc hại. 2. Những ích lợi bắt nguồn từ các vi sinh vật và các hoạt động của chúng Nói chung, với năng lực chuyển hoá mạnh mẽ và khả năng sinh sản nhanh chóng của các vi sinh vật cho thấy tầm quan trọng to lớn của chúng trong thiên nhiên cũng như trong các hoạt động cải thiện chất lượng sống của con người nhờ hiểu biết về các hoạt động sống của chúng . Ngoài ra, các vi sinh vật còn là đối tượng cho các nghiên cứu cơ bản của di truyền học. Từ đó dẫn tới sự hình thành các lĩnh vực di truyền học sinh-hoá và di truyền học vi sinh vật trong thập niên 1940, hai nền tảng chính cho sự ra đời của di truyền học phân tử và công nghệ DNA tái tổ hợp sau này Những ích lợi bắt nguồn từ các vi sinh vật và các hoạt động của chúng (Theo McKane và Kandel 1996) *Trong các môi trường tự nhiên Hoạt động Ích lợi Phân huỷ xác hữu cơ Quay vòng các chất dinh dưỡng trong sinh quyển. Sản xuất oxy Các vi sinh vật (VSV) quang hợp thuỷ sinh tạo ra khoảng một nửa oxy của khí quyển. Ngăn ngừa dịch bệnh Các bệnh côn trùng có thể giúp phòng trừ các dịch bệnh phá hoại mùa màng. Cố định nitơ Một vài vi khuẩn biến đổi nitơ bầu khí quyển thành ra một dạng mà thực vật có thể dễ dàng sử dụng. Sự sống sót của các loài nhai lại Các vi sinh vật tiêu hoá cellulose trong ruột trâu bò, cừu cho phép động vật sử dụng thức ăn mà nó không thể tiêu hoá bằng cách khác. Các chuỗi thức ăn thuỷ sinh Các vi sinh vật quang hợp ở nước cung cấp năng lượng và dinh dưỡng để tự chúng duy trì và nuôi sống các tất cả các sinh vật tiêu thụ thuỷ sinh. Các chuỗi thức ăn trong đất Sự phân huỷ của VSV cung cấp các chất dinh dưỡng cho các sinh vật quang hợp mà nó hỗ trợ các chuỗi thức ăn thuộc đất khô. Một số động vật đất sống bằng các sinh vật thuỷ sinh, qua đó kết nối các chuỗi thức ăn ở nước và ở đất. Phá huỷ các độc tố Các sản phẩm gây độc của một số sinh vật được khử độc một cách tự nhiên nhờ hoạt động của VSV. *Đối với ứng dụng của con người Hoạt động Ích lợi Lên men cồn Sản xuất bia, rượu vang và cồn Sản xuất kháng sinh Nhiều dược phẩm được dùng để chống lại các bệnh ở người và các động vật khác. Các thuốc diệt bệnh bằng sinh học Các VSV có khả năng đặc biệt giết côn trùng được dùng để thay thế các hoá chất chống lại các dịch bệnh gây hại mùa màng mà không phải giết các động vật có ích hoặc làm ô nhiễm môi trường. X ử lý rác thải sinh học Các VSV được dùng để làm sạch các cặn bã dầu và phân huỷ các độc tố và các phế liệu công nghiệp. Công nghệ sinh học Cho phép các nhà khoa học tạo ra các nòi VSV mới có các đặc tính độc đáo có thể dùng trong sản xuất insulin hoặc các chế phẩm y-sinh học khác Sản xuất thực phẩm Yaourt, phomat và nhiều thức ăn khác được 'rippen' bằng sự lên men vi sinh vật. SX hoá chất c/nghiệp Cồn, các amino acid, vitamin, các enzyme hữu ích Protein đơn bào Bổ sung thực phẩm hứa hẹn cứu đói khắp toàn cầu. Các VSVsinh trưởng trên các hợp chất hữu cơ đơn giản (thậm chí các chất thải) có thể sản xuất nhanh thực phẩm chất lượng cao dùng trong chăn nuôi Sản xuất các vaccine Các vật gây bệnh sinh trưởng qua nuôi cấy như là nguồn vật liệu ngoại lai được sử dụng ở dạng biến đổi (không gây bệnh) để tiêm chủng cho người và kích thích miễn dịch chống lại bệnh tương ứng. Test Ames đối với các hoá chất gây ung thư Cung cấp test xác định nhanh hàng ngàn hoá chất, nhờ sử dụng khả năng của chúng để gây các biến đổi di truyền ở vi khuẩn như là một chất chỉ thị về tiềm năng gây ung thư của chúng. Khai thác mỏ đồng và uranium Các vi khuẩn phân huỷ đá cho phép các hoạt động khai thác kim loại từ quặng mà bằng cách khác hiệu quả kinh tế rất thấp. Các vi khuẩn này cung cấp khoảng 10% lượng đồng được khai thác. Xử lý nước thải Hoạt động VSV giúp làm sạch nước thải và giết các sinh vật gây bệnh trước khi đưa trả lại môi trường. Các nguồn năng lượng Khí methane tự nhiên và ethanol là hai sản phẩm chất đốt của các VSV sinh trưởng bằng cách biến đổi sinh học biến các phế thải thành nhiên liệu. *Các mô hình cho nghiên cứu cơ bản Khám phá Các đóng góp của vi sinh vật DNA là vật chất di truyền Các vi khuẩn và virus đã cung cấp công cụ cho các thí nghiệm chứng minh vật chất di truyền là DNA. Cơ chế biểu hiện gene Các vi khuẩn và virus đã được dùng để tìm hiểu cách thức thông tin mã hoá trong các gene tạo ra các protein đặc thù mà từ đó hình thành nên tính trạng. Mã di truyền Các vi khuẩn cung cấp các enzyme cho các nghiên cứu dịch mã di truyền bằng cách thiết kế các trình tự RNA đặc thù và qua đó giải tất cả mã di truyền. Các con đường chuyển hoá cơ bản Nhiều con đường sinh hoá (chu trình Krebs chẳng hạn) mà đã được khám phá và tiến hành ở các vi khuẩn là trung tâm của sự chuyển hoá ở hầu hết tất cả các sinh vật (kể cả con người). Enzyme phiên mã ngược Một enzyme ở các virus gây bệnh AIDS và một số virus gây ung thư cho phép các virus RNA hợp nhất các bản sao vật chất di truyền của chúng vào DNA của các nhiễm sắc thể động vật. Các enzyme giới hạn và splicing gene Các enzyme vi khuẩn cung cấp cơ chế mà các nhà khoa học lợi dụng để chuyển các gene từ sinh vật này sang sinh vật khác, qua đó mở ra cánh cửa cho kỹ thuật di truyền và các đại lộ mới cho nghiên cứu di truyền cơ bản. Đặc điểm của vi khuẩn 1 . Đặc điểm sinh sản Vi khuẩn sinh sản bằng cách chia đôi (binary fission) hay trực phân (amitosis). Mặc dù không có hình thức sinh sản hữu tính (chỉ là sinh sản cận hữu tính, parasexual reproduction), các biến đổi di truyền vẫn xảy ra trong từng tế bào vi khuẩn thông qua các hoạt động tái tổ hợp di truyền. Có ba kiểu tái tổ hợp di truyền đã được phát hiện ở vi khuẩn: + Biến nạp (transformation): chuyển DNA trần từ một tế bào vi khuẩn sang tế bào khác thông qua môi trường lỏng bên ngoài, hiện tượng này gồm cả vi khuẩn chết. + Tải nạp (transduction): chuyển DNA vi khuẩn từ tế bào sang tế bào khác thông qua thể thực khuẩn (bacteriophage). + Giao nạp hay tiếp hợp (conjugation): chuyển DNA từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác thông qua ống tiếp hợp hay lông giới tính (pilus). Sau khi nhận được DNA từ một trong những kiểu trao đổi thông tin di truyền nói trên, vi khuẩn sẽ tiến hành phân chia và truyền bộ gene tái tổ hợp cho thế hệ sau. 2. Các quá trình trao đổi chất Có rất nhiều kiểu trao đổi chất khác nhau ở vi khuẩn. Vi khuẩn dị dưỡng (heterotroph) phải dựa vào nguồn carbon hữu cơ bên ngoài, trong khi các vi khuẩn tự dưỡng (autotroph) có khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ CO2 và nước. Các vi khuẩn tự dưỡng thu nhận năng lượng từ phản ứng oxy- hóa các hợp chất hóa học gọi là vi khuẩn hóa dưỡng (chemotroph), và những nhóm thu năng lượng từ ánh sáng thông qua quá trình quang hợp được gọi là vi khuẩn quang dưỡng (phototroph). Ngoài ra, các vi khuẩn còn được phân biệt nhờ vào nguồn chất khử mà chúng sử dụng. Những nhóm sử dụng hợp chất vô cơ (như nước, khí hiđrô, sulfua và ammoniac) làm chất khử được gọi là vi khuẩn vô cơ dưỡng (lithotroph) và những nhóm cần hợp chất hữu cơ (như đường, acid hữu cơ) gọi là vi khuẩn hữu cơ dưỡng (organotroph). Những kiểu trao đổi chất dựa vào nguồn năng lượng (quang dưỡng hay hóa dưỡng), nguồn chất khử (vô cơ dưỡng hay hữu cơ dưỡng) và nguồn carbon (tự dưỡng hay dị dưỡng) có thể được kết hợp khác nhau trong từng tế bào, và nhiều loài có thể thường xuyên chuyển từ kiểu trao đổi chất này sang kiểu trao đổi chất khác. Những chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường gồm nitơ, lưu huỳnh, phospho, vitamin và các nguyên tố kim loại như natri, kali, canxi, ma-nhê, mangan, sắt, kẽm, côban, đồng, nikel Một số loài cần thêm một số nguyên tố vết khác như tungsten, vanađi hay bo. Vi khuẩn quang vô cơ tự dưỡng bao gồm vi khuẩn lam (cyanobacteria) là một trong những loài cổ nhất được biết đến từ hóa thạch và có lẽ đã đóng một vai trò quang trọng trong việc tạo ra nguồn oxy cho khí quyển. Chúng là những tiên phong trong việc sử dụng nước như là nguồn electron vô cơ (lithotrophic) và là sinh vật đầu tiên dùng bộ máy quang hợp để phân rã nước. Các vi khuẩn quang hợp khác dùng các nguồn electron khác nên không tạo ra oxy. Dựa vào phản ứng với oxy, hầu hết các vi khuẩn có thể được xếp vào 3 nhóm: một số chỉ có thể mọc khi có oxy được gọi là vi khuẩn hiếu khí (aerobe); một số khác chỉ có thể mọc khi không có oxy được - vi khuẩn kị khí (anaerobe); và một số có thể mọc cả khi có hay không có oxy thì thuộc nhóm vi khuẩn kị khí tùy ý (facultative anaerobe). Các vi khuẩn không sử dụng oxy nhưng vẫn có thể mọc khi có ôxy - vi khuẩn chịu oxy (aerotolerant). Những vi khuẩn có thể mọc tốt trong môi trường khắc nghiệt đối với con người được gọi là extremophile. Một số vi khuẩn sống trong suối nước nóng - vi khuẩn chịu nhiệt (thermophile); một số khác sống trong hồ nước rất mặn - vi khuẩn chịu mặn (halophile); trong khi đó có loài lại sống trong môi trường acid hay kiềm - vi khuẩn chịu axit (acidophile) hay vi khuẩn chịu kiềm (alkaliphile) và còn một số sống dưới lớp băng hà trong dãy núi Alpes - vi khuẩn chịu hàn (psychrophile). 3. Di động Vi khuẩn di động nhờ vào tiên mao (flagellum), trượt (bacterial gliding) hay thay đổi sức nổi (buoyancy). Nhóm xoắn khuẩn (spirochaete) có các cấu trúc tương tự tiên mao gọi là sợi trục (axial filament). Chúng có một thể xoắn ốc đặc biệt quay tròn khi di chuyển. Tiên mao của vi khuẩn được sắp xếp theo nhiều cách. Vi khuẩn có thể có một tiên mao ở mỗi cực của tế bào, hay có thể có một nhóm nhiều tiên mao ở một đầu. Nhiều vi khuẩn (như E. coli) có hai kiểu di động khác nhau: di động tiến tới (bơi) và quay vòng. Vi khuẩn di động khi bị thu hút hay đẩy ra bởi một số tác nhân kích thích, hoạt động này được gọi là tính hướng động (taxes), chẳng hạn như: hóa hướng động (chemotaxis), quang hướng động (phototaxis), cơ hướng động (mechanotaxis) và từ hướng động (magnetotaxis). 4. Các nhóm phân loại và đặc điểm nhận biết Vi khuẩn có nhiều hình dạng khác nhau . Đa số có hình que, hình cầu, hay hình xoắn; các vi khuẩn có hình dạng như vậy được gọi theo thứ tự là trực khuẩn (bacillus), cầu khuẩn (coccus), và xoắn khuẩn (spirillum). Một nhóm khác nữa là phẩy khuẩn (vibrio) có hình dấu phẩy. Hình dạng không còn được coi là một tiêu chuẩn định danh vi khuẩn, tuy nhiên có rất nhiều chi được đặt tên theo hình dạng (ví dụ như Bacillus, Streptococcus, Staphylococcus) và nó là một điểm quan trọng để nhận dạng các chi này. Một công cụ quan trọng để nhận dạng khác là nhuộm Gram (mang tên của Hans Christian Gram, người phát triển kĩ thuật này). Nhuộm Gram giúp phân biệt các vi khuẩn thành 2 nhóm, dựa vào thành phần cấu tạo của vách tế bào. . Vi sinh vật ( phần 9 ) Vai trò của vi sinh vật trong đời sống và sản xuất 1. Vi khuẩn có ích và vi khuẩn gây hại Vi khuẩn có thể có ích hoặc có hại cho môi trường và động vật, kể cả. từ các vi sinh vật và các hoạt động của chúng Nói chung, với năng lực chuyển hoá mạnh mẽ và khả năng sinh sản nhanh chóng của các vi sinh vật cho thấy tầm quan trọng to lớn của chúng trong. nhiệt (thermophile); một số khác sống trong hồ nước rất mặn - vi khuẩn chịu mặn (halophile); trong khi đó có loài lại sống trong môi trường acid hay kiềm - vi khuẩn chịu axit (acidophile) hay vi