Vi sinh vật - Cổ khuẩn docx

Vi sinh vat
Cổ khuẩn
Mở đầu
Những vi sinh vật có khả năng sinh methane (mêtan),
mẫn cảm với oxygen và có cấu trúc màng tế bào đặc
biệt đã được biết đến từ lâu nhưng mãi đến cuối những
năm 1970 chúng mới được nhìn nhận như đại diện của
một dạng sống thứ ba trên trái đất bên cạnh vi khuẩn và
sinh vật nhân thật, đó là cổ khuẩn. Carl R. Woese và
cộng sự (1977) sau khi xem xét trình tự 16S rARN
nhận thấy rằng các sinh vật nhân nguyên thuỷ
(Prokaryote) cần được chia thành hai nhóm khác biệt
nhau hoàn toàn là Vi khuẩn (Eubacteria hay Bacteria) và Cổ khuẩn
(Archaeabacteria hay Archaea), và cùng với các Sinh vật nhân thật (Eukarya) làm
thành ba lĩnh giới (Domains) ở sinh vật (Hình 1). Các nghiên cứu sâu hơn về phả
hệ và đặc điểm sinh lý sinh hoá cho thấy rằng cổ khuẩn được tách ra từ rất sớm
trong quá trình tiến hoá, chúng không gần vi khuẩn nhiều hơn so với sinh vật nhân
thật, do vậy tên gọi Archaea được đề xuất thay cho Archaeabacteria. Hiện nay cả
hai tên gọi Archaea và Archaeabacteria đều được sử dụng trong các tài liệu vi
sinh vật, tuy nhiên thuật ngữ Archaea chính xác hơn vì rõ ràng cổ khuẩn không
phải vi khuẩn mà là một nhóm vi sinh vật riêng biệt.
Vi sinh vat

Hình 1. Ba lĩnh giới của sinh vật: Vi khuẩn (Bacteria), Cổ khuẩn (Archaea) và
Sinh vật nhân thật (Eukarya).
Cổ khuẩn là một nhóm vi sinh vật đặc biệt
Cổ khuẩn (Archaea) bắt nguồn từ tiếng La tinh Archaios có nghĩa là cổ, là một
nhóm vi sinh vật có nhiều đặc điểm rất khác biệt (Bảng 1).
Vi sinh vat

Bảng 1. Những đặc điểm khác biệt của cổ khuẩn so với vi khuẩn và sinh vật

nhân thật
Đặc điểm
Vi khuẩn
(Bacteria)
Cổ khuẩn(Archaea)
Sinh vật nhân
thật (Eukarya)
Thành tế bào Peptidoglycan

Pseudo-peptidoglycan,
protein, polysaccharid,
glycoprotein
cellulose,
carbonat, silicat,
chitin…
Màng tế bào Este-lipid Ete-lipid Este-lipid
ARN polymeraza
(trên khuôn ADN)
Chỉ có một
loại
4 đơn vị
2abb’
Có nhiều loại
7 - 12 đơn vị
Có ba loại
7 - 12 đơn vị
Ribosom 70 S 70 S 80 S
Phản ứng của
ribosom với độc tố
bạch hầu

Đề kháng Mẫn cảm Mẫn cảm
Vi sinh vat

Cũng như tế bào vi khuẩn, tế bào cổ khuẩn (ngoại trừ chi Thermoplasma)
có thành tế bào bên ngoài giữ chức năng bảo vệ. Tuy nhiên, không như ở vi khuẩn,
thành tế bào của cổ khuẩn không chứa peptidoglycan và vì thế không bị phá huỷ
dưới tác dụng của lysozym. Cổ khuẩn có rất nhiều dạng cấu trúc thành tế bào khác
nhau. Một số cổ khuẩn (như các loài sinh methane) có thành tế bào cấu tạo bởi
một loại polysaccharid rất giống với peptidoglycan được gọi là pseudo-
peptidoglycan (pseudomurein). Chuỗi pseudo-peptidoglycan gồm các đơn nguyên
N-acetyl-glucosamin và N-acetyl-alosamin-uronic acid (thay cho N-acetyl-
muramic acid trong peptidoglycan). Ngoài ra, ở đây cầu nối glycosid b1-3 thay thế
cho cầu nối glycosid b1-4 ở peptidoglycan. Một số cổ khuẩn khác lại hoàn toàn
không có cả peptidoglycan và pseudo-peptidoglycan trong thành tế bào mà thay
vào đó là hỗn hợp gồm polysaccharid, glycoprotein hoặc protein. Ví dụ như các
loài Methanosarcina (cổ khuẩn sinh methane) có thành tế bào là một lớp
polysaccharid dày cấu tạo từ glucoza, glucuronic acid, galactosamin và acetat. Các
loài cổ khuẩn ưa mặn cực đoan (extreme halophiles) như là Halococcus có thành
tế bào tương tự như Methanosarcina nhưng chứa nhiều hợp chất có nhóm sulfat
giống như chondroitin sulfat ở tổ chức liên kết của động vật. Dạng cấu trúc thành
tế bào phổ biến nhất ở cổ khuẩn là lớp paracrystallin bề mặt (S-layer) gồm protein
hay glycoprotein. Cấu trúc này được tìm thấy ở các đại diện thuộc tất cả các nhóm
cổ khuẩn, từ ưa mặn cực đoan (extremely halophilic), ưa nhiệt cực đoan
(extremely thermophilic) và cả các loài sinh methane. Đặc biệt các chi
Methanospirillum và Methanothrix (cổ khuẩn sinh methane) có cấu trúc thành tế
bào vô cùng phức tạp. Các loài thuộc hai chi này mọc thành chuỗi dài gồm nhiều
tế bào, ở giữa mỗi cặp tế bào có một lớp đệm dày và toàn bộ cấu trúc chuỗi đó lại
được bọc kín trong một lớp paracrystallin bề mặt.
Vi sinh vat

Thành phần và cấu trúc lipid
của màng tế bào là một trong những
đặc điểm nổi bật phân biệt cổ khuẩn
và hai nhóm còn lại. Trong khi ở vi
khuẩn và sinh vật nhân thật cầu nối
acid béo-glycerol trong lipid màng tế
bào là liên kết este (ester) thì ở cổ
khuẩn lại là liên kết ete (ether) (Hình
2). Acid béo trong este-lipid thường là
các phân tử ngắn, mạch thẳng. Trái lại,
acid béo trong ete-lipid là các phân tử
mạch dài, phân nhánh, thuộc cả hai
dạng phytanyl (C
20
-cacbuahydro tổng
hợp từ isopren) và biphytanyl (C
40
).
Do chỉ có ở cổ khuẩn và không bị biến
đổi dưới nhiệt độ cao nên isopren-lipid
được lấy làm chất chỉ thị của cổ khuẩn
hoá thạch.
Enzyme polymeraza thực hiện
quá trình sao mã trên khuôn ADN
(DNA-dependent RNA polymerase) ở
ba lĩnh giới sinh vật cũng có nhiều điểm khác nhau. Vi khuẩn chỉ có một loại
ARN-polymeraza có cấu trúc không gian đơn giản, gồm bốn chuỗi polypeptid 2a,
1b, 1b’ và một nhân tố s không cố định. Cổ khuẩn có nhiều loại ARN-polymeraza,
cấu trúc mỗi loại lại phức tạp hơn nhiều so với ARN-polymeraza vi khuẩn. ARN-
polymeraza của cổ khuẩn sinh methane và các loài ưa mặn (halophilic) gồm tám

Hình 2. Lipid trong màng tế bào của
cổ khuẩn (ete-lipid) khác với của vi
khuẩn và sinh vật nhân thật (este-lipid)
Vi sinh vat
chuỗi polypeptid (5 chuỗi dài và 3 chuỗi ngắn). ARN-polymeraza ở cổ khuẩn ưa
nhiệt cao (hyper-thermophilic) lại phức tạp hơn, gồm ít nhất 10 chuỗi peptid.
Polymeraza thực hiện quá trình tổng hợp ARN thông tin (mARN) ở sinh vật nhân
thật gồm 10-12 chuỗi polypeptid có kích thước tương tự như ở ARN-polymeraza
của cổ khuẩn ưa nhiệt cao. Ngoài ra, sinh vật nhân thật còn có hai loại ARN-
polymeraza khác nữa đặc hiệu cho quá trình tổng hợp ARN của ribosom (rARN)
và ARN vận chuyển (tARN). Như vậy chất kháng sinh rifampicin có tác dụng ức
chế đơn vị b của polymeraza chỉ có hiệu quả đối với vi khuẩn vì cổ khuẩn và sinh
vật nhân thật không có loại polymeraza này.
Với những điểm khác biệt trong trình tự 16S rARN cũng như cấu trúc
ARN-polymeraza, hiển nhiên bộ máy sinh tổng hợp protein của ba lĩnh giới sinh
vật cũng sẽ không đồng nhất. Tuy có kích thước của ribosom giống với vi khuẩn
(70S) nhưng cổ khuẩn lại có nhiều bước trong quá trình sinh tổng hợp protein rất
giống với sinh vật nhân thật (80S ribosom). Nhiều chất kháng sinh ức chế quá
trình sinh tổng hợp protein ở vi khuẩn lại không có hiệu lực đối với cổ khuẩn và
sinh vật nhân thật (Bảng 2). Ngoài ra, tương tự như ở sinh vật nhân thật, nhân tố
kéo dài EF-2 trong ribosom ở cổ khuẩn có phản ứng với độc tố bạch hầu, một loại
độc tố vô hại đối với vi khuẩn. Tuy nhiên nhân tố EF-2 ở cổ khuẩn mang tính đặc
hiệu cao, nhân tố này hoàn toàn không hoạt động trong môi trường ribosom của vi
khuẩn hoặc sinh vật nhân thật. Các thí nghiệm lai ribosom in vitro cho thấy
ribosom ghép giữa đơn vị lớn (50S) của cổ khuẩn và đơn vị nhỏ (40S) của sinh vật
nhân thật vẫn thức hiện chức năng giải mã một cách bình thường, trong khi đó
việc ghép tương tự giữa vi khuẩn và sinh vật nhân thật lại hoàn toàn không tương
thích. Như vậy cấu trúc bộ máy sinh tổng hợp protein của cổ khuẩn có nhiều điểm
tương đồng với sinh vật nhân thật hơn là với vi khuẩn.

Giống như vi khuẩn, cổ khuẩn có một nhiễm sắc thể dạng vòng, tuy nhiên
genom của cổ khuẩn thường nhỏ hơn nhiều so với genom của vi khuẩn. Chẳng hạn
Vi sinh vat
ADN của Escherichia coli là 2,5 x 10
9
Da, trong khi đó ADN của Thermoplasma
acidophilum là 0,8 x 10
9
Da, hay của Methanobacterium là 1,1 x 10
9
Da. Ngoài ra
thành phần GC (mol%) của ADN ở cổ khuẩn dao động trong phạm vi rất lớn, từ
21 đến 68 %, chứng tỏ tính đa dạng của cổ khuẩn. So sánh trình tự đầy đủ của
genom ở cổ khuẩn Methanococcus jannaschi với genom của vi khuẩn và sinh vật
nhân thật cho thấy 56% trong 1738 gen không tương đồng.
Vi sinh vat

Bảng 2. Tính mẫn cảm của đại diện ba lĩnh giới sinh vật đối với các chất ức
chế quá trình sinh tổng hợp protein
Cổ khuẩn Vi
khuẩn
Sinh vật nhân
thật
Ch
ất kháng
sinh
Tác d
ụng ức
chế
Methano-

bacterium

Sulfo-
lobus
Escheri-
chia coli

Saccharomyces
cerevisae
Cycloheximid Ức chế bước
khởi đầu
- - - +
Virginiamycin,
pulvomycin
Ức chế bước
kéo dài
+ - + -
Neomycin,
puromycin
Dừng tổng
hợp sớm
+ + + +
Rifamycin Ức chế
enzyme ARN
polymeraza
- - + -
Erythromycin,
streptomycin,
Tăng tần số
mắc lỗi và

một số hiệu
- - + -
Vi sinh vat
chloramfenicol

ứng khác

Các hình thức dinh dưỡng ở cổ khuẩn
Cổ khuẩn có nhiều hình thức dinh dưỡng: hoá dưỡng hữu cơ
(chemoorganotrophy), hoá dưỡng vô cơ (chemolithotrophy), tự dưỡng
(autotrophy), hay quang hợp (phototrophy). Hoá dưỡng hữu cơ là hình thức dinh
dưỡng của nhiều loài cổ khuẩn, tuy nhiên các chu trình phân giải chất hữu cơ
thường có một số điểm khác biệt so với vi khuẩn. Cổ khuẩn ưa mặn (halophiles)
và ưa nhiệt cực đoan (extreme thermophiles) phân giải glucoza theo một dạng cải
biên của con đường Entner-Doudoroff (E-D). Nhiều loài cổ khuẩn lại có khả năng
sản sinh ra glucoza từ các chất ban đầu không phải là hydratcarbo
(gluconeogenesis) thông qua các bước đảo ngược của quá trình glycolysis (con
đường Embden-Meyerhof). Oxygen hoá acetat thành CO
2
được thực hiện qua chu
trình TCA (đôi khi với một số thay đổi trong các bước phản ứng), hoặc qua con
đường acetyl-CoA (Ljungdahl-Wood). Các thành phần của chuỗi vận chuyển điện
tử như ở vi khuẩn đều được tìm thấy ở cổ khuẩn, trong đó cytochrom-a, -b và -c có
ở các loài ưa mặn cực đại, cytochrom-a có ở một số loài ưa nhiệt cao. Mô phỏng
dựa trên chuỗi chuyển điện tử ở phần lớn cổ khuẩn cho thấy chúng thu nạp điện tử
từ chất cho vào chuỗi ở nấc thang NADH, oxygen hoá chất nhận điện tử cuối cùng
là O
2
, S
0

hay một số chất khác, đồng thời tạo ra lực đẩy proton (proton motiv
force) để tổng hợp ATP nhờ bộ máy ATPaza khư trú trong màng tế bào. Hoá
dưỡng vô cơ khá phổ biến ở cổ khuẩn, trong đó hydro thường được sử dụng làm
chất cho điện tử.
Tự dưỡng đặc biệt phổ biến ở cổ khuẩn và diễn ra dưới nhiều hình thức khác
nhau. Ở cổ khuẩn sinh methane và cổ khuẩn hoá dưỡng vô cơ ưa nhiệt cao CO
2

Vi sinh vat
được chuyển hoá thành các hợp chất hữu cơ qua con đường acetyl-CoA, trong đó
một số loài có cải biên ở các bước phản ứng khác nhau. Một số loài cổ khuẩn khác
(như Thermoproteus) cố định CO
2
theo chu trình citric acid đảo ngược, tương tự
như ở vi khuẩn lam lưu huỳnh. Mặc dù các loài cổ khuẩn ưa nhiệt cực đoan đều
thực hiện hình thức dinh dưỡng hữu cơ nhưng nhiều loài vẫn có khả năng cố định
CO
2
và thực hiện quá trình này theo chu trình Calvin, tương tự như ở vi khuẩn và
sinh vật nhân thật.
Khả năng quang hợp có ở một số loài cổ khuẩn ưa mặn cực đoan, tuy nhiên
khác với vi khuẩn, quá trình này được thực hiện hoàn toàn không có sự tham gia
của chlorophill hay bacteriochlorophill mà nhờ một loại protein ở màng tế bào là
bacteriorhodopsin kết gắn với phân tử tương tự như carotenoid có khả năng hấp
phụ ánh sáng, xúc tác cho quá trình chuyển proton qua màng nguyên sinh chất và
sử dụng để tổng hợp ATP. Tuy nhiên, bằng hình thức quang hợp này cổ khuẩn ưa
mặn cực đoan chỉ có thể sinh trưởng với tốc độ thấp trong điều kiện kỵ khí, khi
môi trường thiếu chất dinh dưỡng hữu cơ.

Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái

đất
Cổ khuẩn được biết đến như những vi sinh vật thích nghi với các môi trường có
điều kiện cực đoan (extreme) như nhiệt độ cao (thermophilic), nơi lạnh giá
(psychrophilic), nồng độ muối cao (halophilic) hay độ acid cao (acidophilic) v.v.
Đó cũng là một lý do giải thích tại sao cổ khuẩn lại khó được phân lập và nuôi cấy
trong điều kiện phòng thí nghiệm. Trong giới sinh vật, cổ khuẩn có các đại diện cư
trú ở các điều kiện nhiệt độ cao hơn cả (Bảng 3, Hình 3), nhiều loài có thể sống ở
nhiệt độ trên 100 °C dưới áp suất cao như ở các miệng núi lửa dưới đáy đại dương.
Cơ chế thích nghi của tế bào vi sinh vật với nhiệt độ cao như vậy còn đang được
Vi sinh vat
nghiên cứu. Ở cổ khuẩn, một số phương thức thích nghi với nhiệt độ cao được biết
đến như tác dụng của enzyme gyraza trong việc bảo vệ cấu trúc xoắn của ADN
dưới tác động của nhiệt, hay ete-lipid, nhất là C
40
-lipid trong màng tế bào của cổ
khuẩn, giúp làm tăng đô bền vững của màng. Tuy nhiên cổ khuẩn không chỉ sống
ở các môi trường cực đoan. Ngoài đại dương cổ khuẩn tồn tại với một số lượng
lớn. Trên đất liền các loài cổ khuẩn sinh methane ưa ấm có mặt ở nhiều môi
trường khác nhau, như các bể lên men chất thải hữu cơ, các chân ruộng lúa ngập
nước, đường tiêu hoá của động vật v.v.
Vi sinh vat

Bảng 3. Nhiệt độ phát triển cao nhất của các đại diện sinh vật trên trái đất
Cá 38 °C
Côn trùng 50
Động vật đơn bào 50
Tảo 56
Nấm 60
Vi khuẩn thường 90
Cổ khuẩn 113

Khả năng thích nghi đối với các điều kiện sống cực đoan của cổ khuẩn là
cơ sở để giả thuyết rằng chúng là những sinh vật sống đầu tiên xuất hiện trên trái
đất. Trái đất của chúng ta trong thời kỳ đầu có nhiệt độ rất cao, khoảng 100 °C trở
lên, chứa nhiều ammon và khí methane trong khí quyển, do vậy những dạng sống
đầu tiên phải là các sinh vật yếm khí và ưa nhiệt cao (hyper-thermophiles). Với
các đặc điểm sinh lý như tính ưa nhiệt, sống kỵ khí, sử dụng các chất hữu cơ và vô
cơ là nguồn năng lượng, các loài cổ khuẩn ưa nhiệt cao có lẽ phù hợp với dạng
sống nguyên thuỷ mô phỏng theo điều kiện của trái đất trong thời kỳ đầu. Trong
thực tế, chất chỉ thị mạch isoprene-lipid thành phần màng tế bào của cổ khuẩn
được tìm thấy trong các lớp trầm tích có tuổi là 3,8 tỷ năm. Các nghiên cứu dựa
trên trình tự 16S rARN cho thấy cổ khuẩn, đặc biệt là nhóm cổ khuẩn ưa nhiệt cao,
tiến hoá chậm hơn đáng kể so với vi khuẩn và sinh vật nhân thật. Tuy nhiên tốc độ
tiến hoá chậm của cổ khuẩn so với hai lĩnh giới còn lại có thể do môi trường sống
Vi sinh vat
khắc nghiệt của chúng tạo ra. Cho đến nay câu hỏi về nguồn gốc sự sống và vai trò
của cổ khuẩn trong đó vẫn còn đang tiếp tục được tranh luận.
Hình 3. Một trong những nơi đầu tiên cổ khuẩn được tìm thấy: suối nước nóng
trong công viên Quốc gia Yellowstone (Mỹ).
Vi sinh vat

Phả hệ cổ khuẩn dựa trên trình tự 16S rARN
Dựa trên so sánh trình tự 16S rARN các đại diện cổ khuẩn đã phân lập được chia
thành hai nhóm chính là Euryarchaeota và Crenarchaeota (Hình 4,5).
Euryarchaeota là nhóm cổ khuẩn được biết rõ nhất, bao gồm nhiều loài sinh
methane, cổ khuẩn ưa mặn, khử sulfat (Archaeoglobales), Thermoplasmalates và
Thermococcales. Nhóm Crenarchaeota gồm ba lớp Desulfococcales, Sulfolobales
và Thermoproteales. Sau này nhóm cổ khuẩn Korarchaeota được đề xuất thêm
(Hình 6), tuy nhiên chỉ dựa trên các trình tự 16S rADN có được từ các mẫu ADN
tách trực tiếp từ môi trường chứ chưa có đại diện nào được phân lập và nuôi cấy
trong phòng thí nghiệm.

Vi sinh vat
Hình 4. Các đại diện của hai nhóm cổ khuẩn Crenarchaeota và
Euryarchaeota.

Hình 5. Hình thái một số đại diện của hai nhóm cổ khuẩn Euryarchaeota và
Crenarchaeota

Vi sinh vat
Hình 6 Mối liên quan phả hệ của ba
nhóm cổ khuẩn Euryarchaeota và
Crenarchaeota và Korarchaeota
Hình 7 Nanoarchaeum equitans
(cầu khuẩn nhỏ) trên bề mặt
Ignicoccus sp. (cầu khuẩn lớn)

Gần đây (2002), nhóm nghiên cứu của giáo sư Stetter, một trong những nhà
nghiên cứu cổ khuẩn hàng đầu thế giới, công bố sự hiện diện của nhóm cổ khuẩn
thứ tư, Nanoarchaeota, gồm những cổ khuẩn có kích thước rất nhỏ với một đại
diện duy nhất được tìm thấy là Nanoarchaeum equitans (Hình 7). Loài cổ khuẩn
này có tế bào hình cầu, đường kính 400 nm, sống bám trên bề mặt tế bào của một
loài cổ khuẩn mới Ignicoccus sp., phân lập từ mẫu nước nóng ở độ sâu 106 m dưới
đáy biển. Đây là một loài ưa nhiệt cực đoan, phát triển ở nhiệt độ tối ưu 75-98 °C.
Nhiều trình tự 16S rARDN trực tiếp có được từ môi trường có nhiệt độ cao cũng
khẳng định sự tồn tại và khác biệt của nhóm Nanoarchaeota so với các nhóm cổ
khuẩn còn lại.
Vi sinh vat

Đa dạng và các nhóm cổ khuẩn đại diện
Xét về các đặc điểm sinh lý, cổ khuẩn có thể phân thành bốn nhóm chính là sinh
methane (methanogens), cổ khuẩn ưa nhiệt cao (hyper-therrmophiles), cổ khuẩn
ưa mặn (halophiles) và cổ khuẩn ưa acid (acidophiles) thuộc lớp
Thermoplasmatales với nhiều đại diện đã được phân lập và nghiên cứu trong
phòng thí nghiệm (Hình 8).


Hình 8. Đại diện các nhóm cổ khuẩn chính

Vi sinh vat
Cổ khuẩn sinh methane (methanogens)
Trong cổ khuẩn, các loài sinh methane làm thành một nhóm lớn và đa dạng với
các đặc điểm chung là (1) tạo khí methane như sản phẩm cuối cùng của chu trình
trao đổi năng lượng và (2) sống kỵ khí bắt buộc. Cổ khuẩn sinh methane thu năng
lượng cho quá trình sinh trưởng từ việc chuyển hoá một số chất thành khí
methane. Nguồn cơ chất chủ yếu của các vi sinh vật này là hydro, format và acetat.
Ngoài ra, một số hợp chất C
1
như metanol, trimethylamin, dimethylsulfid và rượu
như isopropanol, isobutanol, cyclopentanol, etanol cũng được sử dụng làm cơ chất
(Bảng 4).
Quá trình sinh methane ở cổ khuẩn có thể coi như là quá trình hô hấp kỵ
khí, trong đó chất nhận điện tử là CO
2
hoặc nhóm methyl trong các hợp chất C
1
và
acetat. Tuy nhiên, như ta thấy trong bảng 4, năng lượng được giải phóng ra trong
các phản ứng tạo methane đều rất nhỏ. Để so sánh ta có thể lấy năng lượng giải

phóng từ phản ứng oxygen hoá glucoza bằng oxygen C
6
H
12
O
6
+ 6 O
2
® 6 CO
2
+ 6
H
2
O (∆G
0
’ = -2870 kJ/mol). Là những sinh vật duy nhất có khả năng tạo ra khí
methane, cổ khuẩn sinh methane có những enzyme và coenzyme thiết yếu cho quá
trình tổng hợp methane và đóng vai trò chỉ thị cho nhóm, ví dụ như coenzyme F
420

và coenzyme M. Sự hiện diện của coenzyme F
420
khiến cho các tế bào của cổ
khuẩn sinh methane có tính tự phát sáng dưới ánh đèn huỳnh quang (bước sóng
350-420 nm). Mặc dù hiện tượng tự phát sáng này có thể mạnh, yếu, hay đôi khi
mất hẳn, tuỳ thuộc vào các pha sinh trưởng của tế bào, nhưng đó vẫn là một đặc
điểm đơn giản và tiện lợi để nhận biết cổ khuẩn sinh methane dưới kính hiển vi.
Bên cạnh đó, trình tự acid amin trong các chuỗi peptid của coenzyme M cũng
được dùng để phân loại cổ khuẩn sinh methane. Những nghiên cứu trong lĩnh vực
này cho thấy sự tương đồng giữa cây phân loại dựa trên trình tự 16S rARN và cây

phân loại dựa trên trình tự acid amin của các đơn vị a và b trong coenzyme M.

Vi sinh vat
Bảng 4. Phản ứng tạo methane trên các cơ chất khác nhau và năng lượng
được giải phóng từ đó
Phản ứng sinh methane Năng lượng được giải
phóng DG
0
’ (kJ/ methane)
4H
2
+ CO
2
® CH
4
+ 2H
2
O -135,6
4 Format ® CH
4
+ 3CO
2
+ 2H
2
O -130,1
4 Isopropanol + CO
2
® CH
4
+ 4 Aceton + 2H

2
O - 36,5
2 Etanol + CO
2
® CH
4
+ 2 Acetat -116,3
Metanol + H
2
® CH
4
+ H
2
O -112,5
4 Metanol ® 3CH
4
+ CO
2
+ 2H
2
O -104,9
4 Methylamin + 2H
2
O ® 3CH
4
+ CO
2
+ 4NH
4
+

- 75,0
2 Dimethylamin + 2H
2
O ® 3CH
4
+ CO
2
+ 2 NH
4
+
- 73,2
4 Trimethylamin + 6H
2
O ® 9 CH
4
+ 3CO
2
+ 4 NH
4
+
- 74,3
2 Dimethylsulfid + 2H
2
O ® 3CH
4
+ CO
2
+ H
2
S - 73,8

Vi sinh vat
Acetat ® CH
4
+ CO
2
- 31,0
Những nơi thông thường có thể tìm thấy cổ khuẩn sinh methane là các bể
lên men hữu cơ kỵ khí, các lớp trầm tích thiếu oxygen, đất ngập úng và hệ đường
ruột của động vật. Khi ở dạng chủng đơn cổ khuẩn sinh methane rất nhạy cảm với
oxygen, tuy vậy trong tự nhiên chúng có thể tồn tại ở môi trường hiếu khí nhờ
được bao bọc và bảo vệ bởi các vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí khác. Trong môi
trường kỵ khí, cổ khuẩn sinh methane phải cạnh tranh về cơ chất, đặc biệt là hydro
và acetat, với các nhóm vi sinh vật sử dụng chất nhận điện tử có hiệu điện thế khử
dương tính hơn so với CO
2
như là nitơrat, sulfat và ôxit sắt III. Như vậy cổ khuẩn
sinh methane sẽ chiễm lĩnh các môi trường nơi không có nhiều các loại chất nhận
điện tử tiềm năng này. Do không có khả năng sử dụng rộng rãi các loại cơ chất
khác nhau, trong tự nhiên cổ khuẩn sinh methane thường phải phụ thuộc vào các
loài vi khuẩn lên men vì chúng chuyển hoá đa dạng chất hữu cơ thành các acid
hữu cơ, hydro, format và acetate, trong đó hydro, format và acetate là nguồn thức
ăn trực tiếp cho cổ khuẩn sinh methane, còn các acid hữu cơ sản phẩm của quá
trình lên men như propyonat, butyrate thì cần phải được một nhóm vi khuẩn khác
chuyển hoá thành cơ chất thích hợp rồi mới đến lượt cổ khuẩn chuyển thành khí
methane. Có hai hình thức cộng sinh: bắt buộc và không bắt buộc. Trong hình thức
cộng sinh giữa cổ khuẩn sinh methane và vi khuẩn lên men, chỉ có cổ khuẩn phụ
thuộc vào mối liên hệ này do nhu cầu về thức ăn còn các hoạt động trao đổi chất
của chúng hoàn toàn không có ảnh hưởng gì tới các vi khuẩn lên men, vì thế hình
thức này được gọi là cộng sinh không bắt buộc.
Vi sinh vat

Cộng sinh bắt buộc diễn ra
giữa cổ khuẩn sinh methane và
một nhóm vi khuẩn cộng sinh
bắt buộc, trong đó cả đôi bên
cùng cần đến nhau, ví dụ như
hiện tượng cộng sinh giữa
Methanobrevibacter và
Synthrophobacter (Hình 9).
Nhóm vi khuẩn cộng sinh
trong mối liên kết này oxygen
hoá acid hữu cơ như
propionate, các acid có mạch
carbon dài hơn, các hợp chất
thơm và chuyển điện tử sang
proton hay CO
2
, tạo thành
hydro hay format tương ứng.
Nhóm vi khuẩn cộng sinh này
chỉ có thể thực hiện được trao
đổi chất khi nồng độ hydro và format trong môi trường xung quanh được giữ ở
mức rất thấp, và nhiệm vụ đó do cổ khuẩn sinh methane đảm nhiệm. Các loài sinh
methane thường có mặt trong mối liên kết cộng sinh bắt buộc là Methanoplanus
endosymbiosus, các loài Methanobrevibacter, và Methanobacterium formicicum.
Ở một số môi trường đặc biệt như các suối nước nóng hay các tầng nham
thạch núi lửa cổ khuẩn sinh methane thường có mặt với số lượng lớn. Trong
trường hợp này chúng sống tự do, không phụ thuộc vào các vi sinh vật khác vì
nguồn cơ chất chủ yếu được sử dụng ở đây là hydro, sản phẩm có được từ con
đường lý hoá chứ không qua con đường sinh học.

Hình 9 : Cộng sinh giữa Methanobrevibacter (tế
bào trực khuẩn) và Synthrophobacter (tế bào
hình oval).
Vi sinh vat
Hiện nay tổng số cổ khuẩn sinh methane được biết đến là 50 loài thuộc 19
chi, sáu họ và ba lớp (Bảng 5 và 6). Sự phân loại này dựa trên trình tự 16S rARN
hiện có, tuy nhiên chúng ta có thể hình dung được rằng theo thời gian khi những
loài mới được biết thêm thì có thể bảng phân loại này sẽ cần phải thay đổi.

Bảng 5. Các nhóm phân loại chính của cổ khuẩn sinh methane
Lớp Họ Chi
Methanobacteriales Methanobacteriaceae (T) Methanobacterium (T)
-nt- -nt- Methanobrevibacter
-nt- -nt- Methanosphaera
-nt- Methanothermaceae Methanothermus (T)
Methanococcales Methanococcaeae (T) Methanococcus (T)
Methanomicrobiales Methanosarcinaceae Halomethanococcus
-nt- -nt- Methanococcoides
-nt- -nt- Methanohalobium
Vi sinh vat
-nt- -nt- Methanohalophilus
-nt- -nt- Methanolobus
-nt- -nt- Methanosarcina (T)
-nt- -nt- Methanosaeta
(Methanothrix)
-nt- Methanomicrobiacaea (T) Methanoculleus
-nt- -nt- Methanogenium
-nt- -nt- Methanolacinia
-nt- -nt- Methanomicrobium (T)
-nt- -nt- Methanoplanus

-nt- -nt- Methanospirillum
-nt- Methanocorpusculaceae Methanocorpusculum
(T)
T = họ/ chi chuẩn; -nt- như trên
Vi sinh vat
Về hình thái, cổ khuẩn sinh methane rất đa dạng, trong đó một số loài có
hình dạng đặc trưng dễ nhận biết dưới kính hiển vi như Methanosarcina,
Methanospirillum hay Methanosaeta (Hình 10). Ngoài ra, một trong những đặc
điểm quan trọng dùng để phân loại nhóm cổ khuẩn này là nguồn cơ chất có thể sử
dụng để sinh methane (Bảng 6).
Họ Methanobacteriaceae có thành tế bào cấu tạo từ pseudomurein, vì thế bắt mầu
Gram (+). Họ Methanobacteriaceae gồm có ba chi là Methanobacterium,
Methanobrevibacter và Methanosphaera. Các loài thuộc chi Methanobacterium có
tế bào hình que hoặc hình sợi, đôi khi tạo nhóm gồm nhiều tế bào. Tất cả các loài
thuộc chi này đều có khả năng sinh methane từ H
2
+ CO
2
, một số loài sử dụng.