Vi sinh vật ( phần 9 ) Vai trò của vi sinh vật trong đời sống và sản xuất potx

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.