Phân lập, nghiên cứu đặc điểm sinh học của một số chủng vi sinh vật có khả năng tạo màng sinh vật phân lập ở Việt Nam

Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS.
Nguyễn Quang Huy, người thầy mẫu mực đã tận tụy hướng dẫn và truyền đạt kiến
thức cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài cũng như luôn quan tâm, động viên
và giúp đỡ chúng tôi trong cuộc sống.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong Khoa Sinh học,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã dành mọi tâm
huyết giảng dạy, trang bị kiến thức cho chúng tôi trong suốt khóa học này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các anh, chị, em trong Phòng
Enzyme học và Phân tích hoạt tính sinh học, Phòng thí nghiệm trọng điểm Công
nghệ Protein và Enzyme; Bộ môn Sinh lý thực vật và Hóa sinh, Bộ môn Vi sinh vật
học đã nhiệt tình cộng tác và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đặc biệt là chồng
tôi đã luôn ở bên động viên, chia sẻ khó khăn, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và
thực hiện luận văn này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2011
Học viên cao học

Trần Thúy Hằng

Trường Đại học KHTN

i


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU.......................................................................2
1.1 Khái niệm về màng sinh vật (biofilm)................................................................2
1.2 Các dạng màng sinh vật trong tự nhiên và vai trò đối với vi sinh vật..................5
1.2.1 Các chủng vi sinh vật có khả năng tạo màng sinh vật trong tự nhiên ..............5
1.2.2 Các dạng tồn tại của màng sinh vật .................................................................7
1.2.3 Ảnh hưởng của màng sinh vật đối với vi sinh vật............................................8
1.3 Thành phần, cấu trúc và đặc điểm của màng sinh vật....................................... 11
1.3.1 Mạng lưới ngoại bào..................................................................................... 11
1.3.2 Các thành phần khác ..................................................................................... 13
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của màng sinh vật ........ 15
1.4.1 Các giai đoạn tạo thành màng sinh vật .......................................................... 15
1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành màng sinh vật ................................ 20
1.4.3 Điều hòa quá trình hình thành màng sinh vật ................................................ 22
1.5 Nghiên cứu ứng dụng màng sinh vật................................................................ 24
1.5.1 Ứng dụng màng sinh vật trong việc xử lý nước thải...................................... 24
1.5.2 Ứng dụng màng sinh vật trong việc ức chế các vi sinh vật gây hại ................ 25
1.5.3 Một số nghiên cứu ứng dụng khác ................................................................ 26
Chương 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................... 29
2.1 Nguyên liệu ..................................................................................................... 29
2.1.1 Chủng vi sinh vật nghiên cứu........................................................................ 29
2.1.2 Vi sinh vật kiểm định.................................................................................... 29
2.2 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm .......................................................... 30
2.2.1 Môi trường nuôi cấy ..................................................................................... 30
2.2.2 Máy móc, thiết bị.......................................................................................... 31
2.3 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 31

2.3.1 Phương pháp phân lập vi khuẩn .................................................................... 31

Trường Đại học KHTN

ii


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

2.3.2 Phương pháp bảo quản giống vi sinh vật....................................................... 32
2.3.3 Phương pháp nghiên cứu đánh giá khả năng tạo màng sinh vật của các chủng
vi sinh vật.............................................................................................................. 32
2.3.4 Tối ưu hóa các điều kiện tạo màng sinh vật................................................... 33
2.3.5 Phương pháp đánh giá khả năng tạo chất hoạt động bề mặt........................... 35
2.3.6 Phương pháp đánh giá khả năng kháng khuẩn............................................... 35
2.3.7 Phương pháp nhuộm Gram ........................................................................... 36
2.3.8 Quan sát cấu trúc màng sinh vật bằng ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử quét
.............................................................................................................................. 37
2.3.9 Phương pháp phân loại phân tử dựa trên gen 16S rDNA............................... 37
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 39
3.1 Phân lập, tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng tạo màng sinh vật ...... 39
3.1.1 Phân lập vi sinh vật....................................................................................... 39
3.1.2 Khả năng phát triển và tạo màng sinh vật của các chủng phân lập................. 40
3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo màng sinh vật của các chủng phân lập.......... 42
3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ................................................................................ 42
3.2.2 Ảnh hưởng của pH môi trường ..................................................................... 43
3.2.3 Ảnh hưởng của nguồn cacbon....................................................................... 44
3.2.4 Ảnh hưởng của nguồn nitơ............................................................................ 46

3.2.5 Ảnh hưởng của giá thể .................................................................................. 47
3.3 Một số đặc tính sinh học và phân loại các chủng vi sinh vật phân lập .............. 50
3.3.1 Khả năng tạo chất hoạt động bề mặt............................................................. 50
3.3.3 Đặc điểm hình thái........................................................................................ 53
3.3.4 Phân loại các chủng vi sinh vật phân lập dựa trên gen 16S rDNA ................. 55
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 60
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 69

Trường Đại học KHTN

iii


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Ảnh hưởng của pH môi trường đến sự tạo màng sinh vật của các chủng vi
sinh vật phân lập.................................................................................................... 44
Bảng 2: Ảnh hưởng của nguồn cacbon đến sự tạo màng sinh vật của các chủng vi
sinh vật phân lập.................................................................................................... 45
Bảng 3: Ảnh hưởng của các nguồn nitơ đến sự tạo màng sinh vật của các chủng vi
sinh vật phân lập.................................................................................................... 47
Bảng 4: Hoạt tính kháng khuẩn của các chủng vi khuẩn nghiên cứu ...................... 52

Trường Đại học KHTN

iv

Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Các vi sinh vật gắn kết với bề mặt nhựa nhân tạo và liên kết với nhau thông
qua mạng lưới polysaccarit dưới kính hiển vi điện tử ..............................................3
Hình 2. Ảnh SEM một màng sinh vật do Staphylococcus aureus tạo nên.................4
Hình 3. Ảnh SEM màng sinh vật nổi được hình thành bởi chủng Bacillus subtilis
B-1 ..........................................................................................................................5
Hình 4. Một số ví dụ về màng sinh vật ....................................................................8
Hình 5. Mô hình phát triển của màng sinh vật ....................................................... 16
Hình 6. Khuẩn lạc một số chủng vi sinh vật phân lập trên môi trường thạch .......... 39
Hình 7. Khả năng tạo màng sinh vật của một số chủng vi sinh vật phân lập từ mẫu
nước thải làng miến Lại Trạch ............................................................................... 40
Hình 8. Khả năng tạo màng sinh vật của một số chủng vi sinh vật phân lập từ mẫu
nước thải nhà máy sản xuất bia.............................................................................. 41
Hình 9. Khả năng tạo màng sinh vật của một số chủng vi sinh vật phân lập từ mẫu
nước thải làng nghề bún Phú Đô............................................................................ 42
Hình 10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng tạo màng sinh vật từ các chủng
phân lập................................................................................................................. 43
Hình 11. Màng nổi của 4 chủng vi sinh vật sau 5 ngày nuôi cấy ............................ 48
Hình 12. Màng sinh vật trên bề mặt nhựa .............................................................. 48
Hình 13. Cấu trúc màng sinh vật của các chủng phân lập ...................................... 49
Hình 14. Khả năng nhũ tương hóa dầu ăn của các chủng vi sinh vật ...................... 51
Hình 15. Hình thái khuẩn lạc và hình dạng vi khuẩn dưới kính hiển vi quang học . 54
Hình 16. Hình thái tế bào các chủng vi khuẩn trong màng sinh vật ........................ 55
Hình 17. Vị trí phân loại của các chủng M3.8, M4.9 với các loài có quan hệ họ hàng

dựa vào trình tự gen 16S rDNA ............................................................................. 56
Hình 18. Vị trí phân loại của chủng U1.3 và U3.7 với các loài có quan hệ họ hàng
dựa vào trình tự gen 16S rDNA ............................................................................. 57

Trường Đại học KHTN

v


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT
Acyl - HSL

Acyl - homoserine lactone

COD

Chemical Oxygen Demand (nhu cầu oxy hóa học)

dd NTP

Dideoxynucleotide

đvC

đơn vị Cacbon

E24

Emulsion index (chỉ số nhũ tương hóa)

OD

Optical Density (Mật độ quang học)

SDS

Sodium dodecyl sulfate

SEM

Scanning electron microscopy

TCA

Tricarboxylic acid

TOC

Total Organic Carbon

w/v

Khối lượng (g)/thể tích (ml)

Trường Đại học KHTN

vi


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

MỞ ĐẦU
Nghiên cứu vi sinh vật học là mô hình nghiên cứu ưu việt để tìm hiểu bản
chất của các quá trình sống, đồng thời nó cũng đóng vai trò quan trọng trong các
lĩnh vực y học, nông nghiệp, công nghiệp và môi trường.
Tuy nhiên, trong tự nhiên vi sinh vật ít khi tồn tại dưới dạng các tế bào đơn
lẻ mà chúng thường được tìm thấy dưới dạng tập hợp các tế bào liên kết chặt chẽ
với nhau và với các bề mặt thông qua mạng lưới chất ngoại bào gọi là màng sinh vật
(biofilm).
Nghiên cứu về màng sinh vật giúp chúng ta có một cái nhìn tổng quát hơn về
sự tăng trưởng, phát triển và thích nghi của vi sinh vật trong mối quan hệ với nhau
cũng như với các điều kiện môi trường. Đồng thời, việc tìm hiểu về màng sinh vật
cũng giúp chúng ta có những hiểu biết sâu hơn về mối liên hệ bên trong của các tế
bào trong một màng sinh vật cũng như các cơ chế điều hòa quá trình tạo màng sinh
vật.
Nghiên cứu về màng sinh vật góp phần tạo ra những sản phẩm ứng dụng cao
trong cuộc sống như tạo các công nghệ sinh học xử lý ô nhiễm môi trường, xử lý
các sự cố tràn dầu, ứng dụng trong nghiên cứu phòng bệnh cho cây trồng cũng như
các nghiên cứu trong công nghiệp thực phẩm, hóa mỹ phẩm v.v… mà hiện nay tại
Việt Nam các nghiên cứu về vi sinh vật tạo màng sinh vật và ứng dụng của chúng
còn rất mới mẻ.
Chính từ những ý nghĩa thực tiễn trên, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài:
“Phân lập, nghiên cứu đặc điểm sinh học của một số chủng vi sinh vật có khả
năng tạo màng sinh vật phân lập ở Việt Nam”.

Trường Đại học KHTN

1


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Khái niệm về màng sinh vật (biofilm)
Vi sinh vật là tên gọi chung để chỉ tất cả các sinh vật có hình thể bé nhỏ,
muốn thấy rõ được người ta phải sử dụng tới kính hiển vi. Vi sinh vật không phải là
một nhóm riêng biệt trong sinh giới. Chúng thậm chí thuộc về nhiều giới sinh vật
khác nhau và giữa các nhóm có thể không có quan hệ mật thiết với nhau [1].
Lịch sử nghiên cứu và phát triển của vi sinh vật học đã ghi nhận người có
công phát hiện ra thế giới vi sinh vật và cũng là người đầu tiên mô tả hình thái nhiều
loại vi sinh vật - Antonie van Leeuwenhoek (1632 - 1723). Với việc tự chế tạo ra
trên 400 chiếc kính hiển vi, ông đã lần lượt quan sát mọi thứ có xung quanh mình,
trong đó có cả các vi khuẩn và động vật nguyên sinh mà ông đã gọi là những “động
vật vô cùng nhỏ bé”. Ông là người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng bám dính và
phát triển phổ biến của vi khuẩn trên bề mặt răng tạo thành các mảng bám răng, một
dạng của màng sinh vật sau này [1].
Cùng với sự ra đời của kính hiển vi quang học hoàn chỉnh vào đầu thế kỷ 19,
đặc biệt là việc chế tạo thành công chiếc kính hiển vi điện tử đầu tiên (1934) đã góp
phần tạo nên những cống hiến lớn lao của các nhà khoa học trong lĩnh vực vi sinh
vật học [1]. Năm 1936, Zobell và cộng sự [87] đã nghiên cứu cho thấy số lượng vi
khuẩn bám dính tại vị trí tiếp xúc giữa nước biển và bề mặt vật rắn lớn hơn nhiều so
với các vị trí xung quanh. Lợi ích của bề mặt chất rắn mang lại được đánh giá như

một nơi cư trú của các vi khuẩn giúp tập trung hấp thụ chất dinh dưỡng, tăng cường
hoạt động của các enzyme và hấp thụ các chất chuyển hóa. Trong những nghiên cứu
về hiệu quả của bề mặt rắn đối với hoạt tính của vi khuẩn, Zobell [86] đã chỉ ra rằng
bên cạnh việc cung cấp nơi khu trú và tập trung chất dinh dưỡng, bề mặt chất rắn
còn làm chậm sự khuếch tán của các enzyme ngoại bào, thúc đẩy sự đồng hóa các
chất dinh dưỡng thông qua quá trình thủy phân trước khi chúng được hấp thụ.
Một loạt những nghiên cứu tiếp theo đó cũng đề cập đến khả năng hoạt động
và tăng trưởng đáng kể của vi sinh vật bằng cách bám dính vào một bề mặt xác

Trường Đại học KHTN

2


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

định. Nghiên cứu của Heukelekian và cộng sự [39] cho thấy giới hạn nồng độ chất
dinh dưỡng không cố định mà phụ thuộc vào tổng diện tích bề mặt tiếp xúc với môi
trường.
Jones và cộng sự [43] đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để chỉ ra
sự xuất hiện của màng sinh vật trong bộ lọc nhỏ giọt của một nhà máy xử lý nước
thải và cho thấy rằng chúng bao gồm nhiều loại, nhóm các vi sinh vật khác nhau
(dựa trên đặc điểm hình thái tế bào). Bằng cách sử dụng chất nhuộm màu
polysaccarit đặc biệt là đỏ Ruthenimum và cố định bởi Osmium tetroxide (OsO4),
các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu chất nền bao xung quanh và kết
dính các tế bào trong cấu trúc màng sinh vật chính là polysaccarit.

Hình 1. Các vi sinh vật gắn kết với bề mặt nhựa nhân tạo và liên kết với nhau thông qua

mạng lưới polysaccarit dưới kính hiển vi điện tử ( 57700) [43].

Dựa trên những quan sát ở mảng bám răng và một số thí nghiệm khác, năm
1978, Costerton và cộng sự [14] đã đưa ra giả thuyết về màng sinh học: “Trong tự
nhiên, các tế bào vi khuẩn gắn kết với nhau và bám dính trên một bề mặt nhất định
nhờ hệ thống sợi glycocalyx”. Giả thuyết này đã góp phần giải thích cơ chế bám
dính của vi sinh vật trên các vật liệu vô sinh và hữu sinh và những lợi ích thu được
nhờ phương thức sinh thái thích hợp này.

Trường Đại học KHTN

3


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

Cùng với những tiến bộ trong quá trình nghiên cứu, khái niệm về màng sinh
vật được đưa ra ngày càng hoàn thiện và đầy đủ hơn. Hiện nay, khái niệm màng
sinh vật được hiểu là tập hợp các quần xã vi sinh vật bám dính và phát triển trên bề
mặt các môi trường khác nhau thông qua mạng lưới chất ngoại bào do chính chúng
tạo ra [26], [56]. Màng sinh vật có thể hình thành trên bề mặt môi trường vô sinh
hay hữu sinh và là một hiện tượng phổ biến xuất hiện trong tự nhiên, trong đời sống
hay trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Hình 2. Ảnh SEM một màng sinh vật do Staphylococcus aureus tạo nên [26]

Các tế bào vi sinh vật trong một màng sinh vật khác biệt với các tế bào sống
trôi nổi tự do bởi việc tổng hợp các chất ngoại bào giúp các tế bào bám dính với

nhau trên bề mặt, sự giảm tỷ lệ tăng trưởng, và sự điều hòa tăng hoặc giảm của các
gen đặc biệt nào đó. Khả năng bám dính của vi sinh vật là một quá trình phức tạp
được điều hòa bởi các đặc điểm khác nhau về môi trường nuôi cấy, chất nền ngoại
bào và bề mặt tế bào [57].
Vi khuẩn bắt đầu quá trình tạo màng sinh vật để đáp ứng với những tác động
cụ thể từ môi trường sống như nguồn chất dinh dưỡng và oxy. Quá trình tạo thành
màng sinh vật cũng trải qua các biến đổi động học trong việc chuyển từ đời sống tự

Trường Đại học KHTN

4


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

10 m

1 m

Hình 3. Ảnh SEM màng sinh vật nổi được hình thành bởi chủng Bacillus subtilis B-1 [57]

do sang dạng sống bám dính trong cấu trúc màng sinh vật, bao gồm cả việc sản xuất
các chất chuyển hóa thứ cấp và gia tăng các chất chống lại các tác nhân vật lý, hóa
học và sinh học gây hại [56].
1.2 Các dạng màng sinh vật trong tự nhiên và vai trò đối với vi sinh vật
1.2.1 Các chủng vi sinh vật có khả năng tạo màng sinh vật trong tự nhiên
Các vi sinh vật trong tự nhiên ít khi tồn tại riêng rẽ mà thường hình thành tập
hợp quần xã vi sinh vật với một loạt các hoạt động chức năng sinh lý và sinh hóa.

Sự tạo thành màng sinh vật diễn ra tại bề mặt rắn tiếp xúc với môi trường chất lỏng.
Tại đây, các mảnh vụn hữu cơ và chất khoáng tập trung lại tạo điều kiện cho phép
các vi sinh vật có thể sinh trưởng và phát triển thành các vi khuẩn lạc và dần hình
thành nên màng sinh vật trưởng thành [13].
Phân tích thành phần vi sinh vật của màng cho thấy sự hiện diện của vi tảo
và vi khuẩn Gallionella spp. Đặc biệt khả năng oxi hóa sắt của chủng Gallionella
spp gây kết tủa sắt trong đường ống tạo ra những thay đổi không mong muốn về độ
đục, màu sắc và mùi của nước [58]. Các chủng vi khuẩn hiếu khí như Pseudomonas
putrefaciens, Escherichia coli, Bacillus sp, Serratia sp cũng được phân lập. Trong

Trường Đại học KHTN

5


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

đó, nghiên cứu cho thấy chủng P. putrefaciens có khả năng tạo chất ngoại bào giúp
gắn kết các nhóm vi sinh vật với nhau để hình thành màng sinh vật [66].
Trong công nghiệp thực phẩm, khả năng bám dính của các vi sinh vật trên bề
mặt các thiết bị chế biến có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến giá trị cảm quan của
sản phẩm thực phẩm. Nghiên cứu của Sule và cộng sự [78] cho thấy chủng E. coli
O157:H7 là tác nhân gây bệnh có thể phân lập từ các mẫu thịt tươi. Bằng kỹ thuật
Real-time PCR, 13 trong số 15 gen ở chủng E. coli này được nghiên cứu cho thấy
có liên quan đến các chức năng sống như trao đổi chất, phân chia tế bào, hình thành
màng sinh học và khả năng gây bệnh.
Nghiên cứu của Kubota và cộng sự [47] về khả năng hình thành màng sinh
vật trên 3 chủng vi khuẩn Lactobacillus plantarum, Lactobacillus brevis và

Lactobacillus fructivorans đại diện cho nhóm vi khuẩn lactic gây hư hỏng thực
phẩm. Đặc điểm của sự hình thành màng sinh vật ở các chủng vi khuẩn này cung
cấp cho chúng ta một hướng nghiên cứu trong việc kiểm soát các tác nhân gây bệnh
trong các sản phẩm thực phẩm.
Một trong những hướng nghiên cứu ứng dụng của màng sinh vật là kiểm soát
sinh học các tác nhân gây bệnh hại ở cây trồng. Các chủng vi khuẩn được phân lập
từ rễ cây hoặc đất trồng ở các khu vực canh tác nông nghiệp cũng cho thấy khả
năng hình thành màng sinh vật tương đối cao như: Bacillus subtilis, Agrobacterium
tumefaciens, Xylella fastidiosa, Rhizobium leguminosarum… Nghiên cứu của Fall
và cộng sự [30] cho thấy Bacillus subtilis bám dính ở rễ cây có khả năng hình thành
màng sinh vật tốt ở nồng độ K+ cao trong môi trường nuôi cấy. Bacillus subtilis
cũng có khả năng ức chế sự lây nhiễm của tác nhân gây bệnh Pseudomonas
syringae pv tomato DC3000 ở rễ cây Arabidopsis nhờ khả năng tạo thành màng
sinh vật và sản xuất surfactin [5]. Khả năng cộng sinh với mô thực vật cũng như sự
tạo thành màng sinh vật trên bề mặt chóp rễ của các chủng Agrobacterium
tumefaciens, Xylella fastidiosa [69] cho thấy sự tương tác cùng có lợi giữa thực vật
và vi khuẩn trong việc cung cấp chất dinh dưỡng và hạn chế các tác nhân gây bệnh.

Trường Đại học KHTN

6


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

Ngoài ra, một số chủng vi khuẩn được thu thập từ khu vực nước thải của các
nhà máy, làng nghề cũng được phân lập nhằm tìm ra những chủng có khả năng hình
thành màng sinh vật tốt, ứng dụng trong việc xử lý nước thải và vệ sinh môi trường.

1.2.2 Các dạng tồn tại của màng sinh vật
Trong tự nhiên, có thể bắt gặp và quan sát thấy màng sinh vật trong rất nhiều
môi trường khác nhau: từ môi trường tự nhiên như trên bề mặt của các viên đá nằm
dưới đáy sông suối, trên bề mặt nước của các hồ, ao tù đến các hệ thống nhân tạo
như vòi hoa sen, ống dẫn nước.
1.2.2.1 Trong môi trường tự nhiên
Môi trường nước trong các hồ, ao, sông, suối là điều kiện thuận lợi nhất cho
việc hình thành và phát triển một mạng lưới màng sinh vật. Màng sinh vật có thể
được tạo thành ngay trên bề mặt nước (khoảng tiếp xúc với không khí) để hình
thành nên dạng cấu trúc màng nổi (floating biofilm), có thể quan sát dưới dạng
những cặn hay váng của vi sinh vật trên mặt ao, hồ hay bể lọc nước.
Một dạng khác của màng sinh vật trong tự nhiên được tìm thấy là khi các vi
sinh vật bám dính trên bề mặt vật liệu rắn như các viên sỏi, đá trong nước tạo thành
dạng màng sinh vật bề mặt (hình 4a).
1.2.2.2 Trong các hệ thống thiết bị nhân tạo
Màng sinh vật cũng tồn tại trên bề mặt các thiết bị nhân tạo được cấu tạo chủ
yếu từ vật liệu vô sinh (nhựa, thủy tinh, thép …) như trên vỏ của tàu thuyền, trong
lòng các ống dẫn nước, ống dẫn dầu hay dẫn khí đốt, trên sàn các quầy hàng thực
phẩm.
Trong các thiết bị, đồ dùng gia đình cũng có sự xuất hiện của màng sinh vật
khi các vi sinh vật bám dính trong hệ thống vòi hoa sen, bồn rửa mặt.
1.2.2.3 Trong cơ thể sinh vật sống
Ngay trong cơ thể sống con người cũng xuất hiện màng sinh vật chủ yếu là
của những loài vi sinh vật gây bệnh. Màng sinh vật có thể hình thành trên bề mặt

Trường Đại học KHTN

7

Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

lớp tế bào biểu mô như biểu mô ống dẫn niệu, xoang mũi, xoang miệng hay trên
răng tạo thành cấu trúc màng sinh vật gọi là mảng bám răng (hình 4c). Thậm chí bề
mặt của những dụng cụ y tế đặt trong cơ thể như van tim, niệu quản nhân tạo cũng
có thể là vị trí tồn tại của màng sinh vật.

(a)

(b)

(c)

Hình 4. Một số ví dụ về màng sinh vật
(a): Màng sinh vật trên tảng đá; (b): Màng sinh vật trên bề mặt bàn chải đánh răng;
(c): Màng sinh vật của vi khuẩn sâu răng hình thành nên mảng bám răng

1.2.3 Ảnh hưởng của màng sinh vật đối với vi sinh vật
Sự tạo thành màng sinh vật là một hiện tượng phổ biến trong đời sống của
các vi sinh vật và trở thành phương thức giúp chúng tồn tại và phát triển trong tự
nhiên.
1.2.3.1 Bảo vệ tế bào trước những bất lợi của môi trường
Mạng lưới ngoại bào của màng sinh vật cung cấp nơi khu trú và một hằng số
nội môi thích hợp cho các vi khuẩn tồn tại. Nó đóng vai trò quan trọng trong cấu
trúc và chức năng của các màng sinh vật. Chất nền ngoại bào này cũng có khả năng
ngăn chặn sự xâm nhập của các tác nhân kháng khuẩn vào trong màng nhờ hoạt tính
trao đổi anion. Điều này cũng có nghĩa là nó sẽ làm hạn chế sự khuếch tán của một
số hợp chất từ môi trường xung quanh vào trong màng sinh vật [45].

Màng sinh vật của các chủng vi sinh vật tạo màng giúp chúng kháng lại các
tác nhân là các vi khuẩn, các chất kháng sinh hay chất sát trùng. Cơ chế bảo vệ của
màng sinh vật có thể là: ngăn chặn sự xâm nhập của các chất này vào trong màng

Trường Đại học KHTN

8


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

sinh vật; thay đổi tốc độ tăng trưởng của các vi sinh vật trong màng hay các biến đổi
chức năng sinh lý khác thông qua các phương thức tăng trưởng. Đặc tính này phần
lớn phụ thuộc vào tính chất của cả mạng lưới biofim và tác nhân kháng khuẩn và
thường thể hiện rõ với các chất kháng sinh thuộc nhóm ưa nước và tích điện dương
như các aminoglycoside [36].
Mạng lưới chất ngoại bào cũng được ghi nhận là có khả năng giúp tế bào
chống lại tác động của một số kim loại nặng, các cation và chất độc; đồng thời bảo
vệ tế bào tránh khỏi nhiều yếu tố stress từ môi trường như sự thay đổi độ pH, bức xạ
tia cực tím, áp suất thẩm thấu và sự khô hạn [45]. Thành phần chính của màng sinh
vật chiếm tới 97% là nước. Khả năng giữ nước cao của mạng lưới ngoại bào thông
qua các liên kết hydro trong cấu trúc màng giúp bảo vệ màng chống lại sự khô hạn
trong môi trường tự nhiên. Quá trình hấp thụ các nguyên tố kim loại nặng được biết
đến do tác dụng của nhóm mang điện tích âm trong mạng lưới chất ngoại bào như
nhóm phosphate, lưu huỳnh, hay nhóm chức axit [56].
1.2.3.2 Thu nhận nguồn chất dinh dưỡng từ môi trường
Môi trường nội bào trong cấu trúc màng sinh vật cung cấp phương tiện trao
đổi dinh dưỡng và chuyển hóa chất hiệu quả thông qua các pha dung dịch lớn, tăng

cường khả năng hấp thụ dinh dưỡng cũng như loại bỏ những sản phẩm trao đổi chất
có nguy cơ độc hại [23]. Các vi khuẩn trong mạng lưới màng sinh vật thường bao
gồm nhiều quần thể vi khuẩn khác nhau. Chúng là kết quả của mối liên hệ giữa các
loài sinh vật đồng trao đổi chất. Mối liên kết chặt chẽ này tạo điều kiện thuận lợi
cho sự trao đổi, loại bỏ và phân phối các sản phẩm trao đổi chất trung gian giữa các
loài.
Màng sinh vật cung cấp một môi trường lý tưởng cho sự thiết lập mối quan
hệ hợp dưỡng giữa các loài vi sinh vật. Hợp dưỡng là một trường hợp đặc biệt của
mối quan hệ cộng sinh, trong đó hai loài (hoặc hai chủng) vi sinh vật khác nhau phụ
thuộc lẫn nhau về mặt trao đổi chất để sử dụng một số cơ chất nhất định, đặc biệt là
cho các yêu cầu về năng lượng [31].

Trường Đại học KHTN

9


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

1.2.3.3 Thu nhận những đặc tính di truyền mới
Quá trình trao đổi gen (horizontal gene transfer) đóng vai trò quan trọng
trong sự tiến hóa và đa dạng di truyền của cộng đồng các vi sinh vật trong tự nhiên.
Trao đổi gen được biết đến là sự di chuyển vật liệu di truyền giữa các loài vi sinh
vật khác nhau. Hiện tượng này xảy ra trong vi khuẩn là cách kết hợp trực tiếp DNA
tự do của các tế bào vi khuẩn. Nhờ việc thu nhận những đặc tính di truyền mới giúp
cộng đồng vi sinh vật trong màng tiếp nhận được những gen cần thiết tham gia tích
cực trong hoạt động sống của màng sinh vật [45].
Tầm quan trọng của quá trình trao đổi gen đã được ứng dụng trong những

nghiên cứu về khả năng kháng thuốc của vi sinh vật, kỹ thuật di truyền tạo nên
chủng vi sinh vật mới trong các ngành công nghiệp. Trong đó cơ chế trao đổi gen
phổ biến ở vi sinh vật là truyền gen thông qua plasmid và cầu tiếp hợp. Tuy nhiên
khi các vi khuẩn trong tự nhiên tồn tại dưới dạng màng sinh vật, liên kết với nhau
thông qua mạng lưới chất ngoại bào thì việc tiếp hợp giống như là cơ chế mà nhờ
đó vi khuẩn trong màng sinh vật có thể truyền gen từ tế bào này sang tế bào khác
[26].
1.2.3.4 Mối quan hệ hợp tác giữa các loài
Màng sinh vật được hình thành nhờ sự hợp tác cùng chung sống của nhiều
loài vi sinh vật tạo nên một quần xã vi sinh vật có cấu trúc không gian phức tạp. Do
đó, các loài sinh vật cùng tồn tại trong màng sinh vật thích nghi với những điều kiện
dinh dưỡng, nồng độ khác nhau tạo nên những “vi ổ sinh thái” trong màng. Ngoài
ra, khả năng thích nghi với nhiều điều kiện dinh dưỡng khác nhau giúp các vi sinh
vật tận dụng được tối đa nguồn dinh dưỡng từ môi trường đồng thời hỗ trợ lẫn nhau
theo hướng cùng có lợi trong quá trình chuyển hóa vật chất [4].
Mối quan hệ hợp tác giữa các loài trong màng sinh vật cũng có tác động lớn
đến chu trình tuần hoàn của các nguyên tố trong tự nhiên. Sự phối hợp của nhiều
nhóm vi khuẩn có cơ chế trao đổi chất khác nhau để cùng phân giải một hợp chất
hữu cơ và việc cùng cư trú trong màng sinh vật của các nhóm vi sinh vật sẽ góp
phần thúc đẩy các quá trình này diễn ra nhanh hơn [45].

Trường Đại học KHTN

10


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

1.3 Thành phần, cấu trúc và đặc điểm của màng sinh vật
Quá trình tạo màng sinh vật cần có sự tham gia của nhiều yếu tố để hình
thành nên cấu trúc đặc trưng của màng. Tỷ lệ và mức độ bám dính của tế bào vi
khuẩn vào một bề mặt phụ thuộc vào đặc tính kỵ nước của bề mặt tế bào, sự hiện
diện của lông roi, tiêm mao và chất kết dính, ngoài ra còn có protein màng tế bào và
sự sản suất mạng lưới chất ngoại bào [26]. Thêm vào đó, các bằng chứng thực
nghiệm cho thấy rằng sự phát triển chủ yếu của một màng sinh vật có thể được điều
hòa bởi mật độ tế bào - phụ thuộc vào mức độ biểu hiện của gen được điều khiển
bởi các phân tử tín hiệu ngoại bào.
1.3.1 Mạng lưới ngoại bào
Mạng lưới chất ngoại bào chứa hàm lượng cacbon chiếm 50 - 90% tổng
lượng cacbon hữu cơ trong màng sinh vật và được xem như là vật liệu chất nền
chính của màng sinh vật.
Mạng lưới ngoại bào có thể khác nhau về một số tính chất vật lý và hóa học
nhưng nó bao gồm chủ yếu là các polysaccarit. Một số polysaccarit là trung tính hay
mang điện tích âm, như trường hợp chất ngoại bào ở vi khuẩn gram âm. Sự hiện
diện của axit uronic (ví dụ như D - glucuronic, D - galacturonic, và axit
mannuronic) hoặc liên kết xeton trong phân tử axit pyruvic đưa đến tính chất của
ion âm [79]. Tính chất này rất quan trọng bởi nó cho phép các phân tử polysaccarit
ngoại bào liên kết được với các ion dương hóa trị II như Ca2+ và Mg2+. Từ đó hình
thành liên kết chéo giữa các sợi polymer và tạo ra lực liên kết lớn hơn trong cấu trúc
màng sinh vật. Trong trường hợp của một số vi khuẩn gram dương như
Staphylococcus, thành phần hóa học của mạng lưới ngoại bào có thể hoàn toàn khác
nhau và gồm chủ yếu là các ion dương. Hussain và cộng sự [41] đã phát hiện ra
rằng màng nhầy của tụ cầu khuẩn tạo coagulase - một loại enzyme cho phép chuyển
đổi fibrinogen thành fibrin gây đông máu - âm tính có chứa hỗn hợp axit teichoic và
một lượng nhỏ protein.

Trường Đại học KHTN

11


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

Mạng lưới ngoại bào có thể là ưa nước do kết hợp với một lượng lớn các
phân tử nước thông qua liên kết hydro hoặc cũng có thể là kỵ nước. Tuy nhiên,
phần lớn các dạng chất ngoại bào bao gồm cả ưa nước và kỵ nước. Đồng thời mạng
lưới ngoại bào cũng có thể thay đổi độ hòa tan của nó [26].
Sutherland [79] đã ghi nhận hai thuộc tính quan trọng của mạng lưới ngoại
bào. Thứ nhất, thành phần và cấu trúc của các polysaccarit xác định cấu tạo chính
của mạng lưới ngoại bào. Ví dụ, cấu trúc bộ khung của mạng lưới ngoại bào ở nhiều
vi khuẩn chứa nhiều liên kết 1,3 hoặc 1,4--D-fructan và có xu hướng làm cho nó
cứng chắc hơn, ít bị biến dạng và trong một số trường hợp trở nên kém hòa tan hoặc
không hòa tan. Các liên kết khác trong phân tử polysaccarit như liên kết 1,2 hoặc
1,6--D-glucan giúp cấu trúc mạng lưới ngoại bào trở nên linh hoạt hơn. Thứ hai,
mạng lưới ngoại bào của màng sinh vật thường không đồng nhất, có thể thay đổi
theo không gian và thời gian.
Leriche và cộng sự [53] đã sử dụng liên kết đặc hiệu của lectin với một loại
đường đơn để đánh giá sự phát triển của màng sinh vật ở các vi sinh vật khác nhau.
Kết quả nghiên cứu cho thấy các sinh vật khác nhau sản xuất một lượng chất ngoại
bào khác nhau và lượng chất ngoại bào này tăng lên theo thời gian. Mạng lưới chất
ngoại bào có thể liên kết với các ion kim loại, các cation hóa trị hai hay các đại phân
tử khác như protein, DNA, lipit… Điều kiện dinh dưỡng của môi trường nuôi cấy
cũng được chứng minh là có ảnh hưởng đến sự sản xuất chất ngoại bào. Nghiên cứu
cho thấy sự dư thừa nguồn carbon sẵn có và sự hạn chế của nitơ, kali, phospho
trong môi trường nuôi cấy đã thúc đẩy quá trình tổng hợp mạng lưới ngoại bào [79].
Sự tăng trưởng chậm của vi khuẩn cũng sẽ làm tăng cường sản xuất chất

ngoại bào. Sự tích nước trong mạng lưới chất ngoại bào là rất lớn, do đó nó ngăn
chặn sự khô hạn của màng sinh vật trong tự nhiên. Mạng lưới chất ngoại bào cũng
góp phần vào đặc tính kháng kháng sinh của màng sinh vật bằng cách cản trở sự
vận chuyển lượng chất kháng sinh qua màng, có lẽ là thông qua việc liên kết trực
tiếp với các chất này [25].

Trường Đại học KHTN

12


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

1.3.2 Các thành phần khác
1.3.2.1 Vai trò của lông roi, tiêm mao và các phân tử bám dính
Những nghiên cứu trước đây đã đưa ra mô hình hóa học đơn giản dựa trên
nồng độ chất điện phân và lực liên kết van der Waals để giải thích sự bám dính của
vi khuẩn lên bề mặt [55]. Nhưng trong những nghiên cứu gần đây, chủ yếu dựa trên
sự phát sinh đột biến của gen nhảy, lại cho thấy chính các thành phần cấu trúc của tế
bào vi khuẩn như lông roi, tiêm mao và các phân tử bám dính đóng vai trò quan
trọng trong sự xâm nhiễm của vi khuẩn lên một bề mặt nào đó.
Chức năng chính của lông roi trong sự hình thành màng sinh vật là giúp cho
vi sinh vật di chuyển trong môi trường nước tốt hơn, tạo nên những tương tác ban
đầu giữa bề mặt và tế bào. Thí nghiệm của De Flaun, De Weger cùng các cộng sự
[22], [24] đã chứng minh sự thiếu vắng của lông roi làm suy giảm khả năng xâm
nhiễm của Pseudomonas fluorescens lên rễ cây khoai tây, lúa mì và làm giảm độ
bám dính tế bào của P. aeruginosa và P. fluorescens lên bề mặt polystyrene [63].
Tương tự, nghiên cứu trên các chủng Vibrio cholerae và Escherichia coli đột biến

thiếu lông roi đã cho thấy không có sự hình thành màng sinh vật như ở các dạng
hoang dại của chúng vẫn thực hiện trên bề mặt nhựa polyvinylchloride (PVC) [84].
Tiêm mao và các phân tử bám dính liên kết với tiêm mao cũng có vai trò
quan trọng trong sự bám dính và xâm nhiễm bề mặt. Nghiên cứu của Schmoll và
cộng sự [73] trên chủng vi khuẩn gây bệnh E. coli cho thấy biểu hiện của gen sfaA,
một gen mã hóa cho các phân tử bám dính tiêm mao, được điều hòa tăng cường khi
có sự tiếp xúc của vi khuẩn với bề mặt. Ở E. coli, khả năng bám dính bề mặt giảm
đi khi có sự đột biến ở gen sinh tổng hợp curlin csgA và gen sinh tổng hợp tiêm mao
type I fim H, một loại tiêm mao chứa các phân tử đặc hiệu với mannose [68]. Tương
tự, đột biến gen tổng hợp tiêm mao hemagglutinin có độ nhạy cao với mannose ở
V. cholerae cũng làm giảm độ bám dính bề mặt [84].
Như vậy, có thể nói rằng các loài vi sinh vật có lông roi và tiêm mao cũng sẽ
có ưu thế hơn trong việc di chuyển đến một bề mặt giá thể xác định - nơi có điều

Trường Đại học KHTN

13


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

kiện thuận lợi cho việc hình thành màng sinh vật, đồng thời giúp cho việc bám dính
ban đầu của tế bào với bề mặt tốt hơn [26].
1.3.2.2 Vai trò của protein màng
Protein màng tế bào được ghi nhận là có ảnh hưởng đáng kể trong sự bám
dính cũng như trong giai đoạn phát triển sớm của màng sinh vật. Nghiên cứu cho
thấy sự gắn kết của E. coli lên bề mặt vô sinh dẫn đến những thay đổi trong thành
phần protein ngoại vi của màng tế bào hay chính là những tương tác vật lý của tế

bào với bề mặt đã làm biến đổi đặc tính bề mặt của lớp màng ngoại bào [65].
Đột biến protein màng tế bào, bao gồm protein liên kết với Ca2+, hemolysin,
protein vận chuyển và protein bơm K+, đã gây nên khiếm khuyết trong quá trình
bám dính của P. putida KT 2440 lên hạt ngô giống [29].
Nghiên cứu của Whiteley và cộng sự [85] ở Pseudomonas aeruginosa cho
thấy biểu hiện của 2 gen tatA và tatB cùng mã hóa cho protein vận chuyển tolA,
đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc lớp lipopolysaccarit của màng. Một nghiên
cứu khác của Sauer và cộng sự [72] cũng chứng minh rằng protein porin E1 và
protein vận chuyển ABC cũng được biểu hiện tăng cường ở các tế bào màng sinh
vật P. aeruginosa.
1.3.2.3 Vai trò của sự cảm ứng mật độ tế bào
Tín hiệu giữa các tế bào với nhau gần đây đã được chứng minh là đóng vai
trò quan trọng trong sự bám dính cũng như tách rời của tế bào ra khỏi màng sinh
vật.
Xie và cộng sự [85] đã chỉ ra rằng mảng bám răng là một màng sinh học
phức tạp bao gồm hơn 30 chi đại diện cho hơn 500 loài vi sinh vật khác nhau. Mặc
dù phức tạp nhưng màng sinh vật này có tổ chức rất cao. Những khuẩn lạc đầu tiên
hình thành là các vi khuẩn Gram dương, chủ yếu là liên cầu khuẩn, kế đến là một
loạt các loài vi sinh vật khác và sự xuất hiện lên đến đỉnh điểm trong sự hình thành
màng là nhóm vi khuẩn Gram âm như Porphyromonas gingivalis chiếm ưu thế.
Nghiên cứu cho thấy những khuẩn lạc ban đầu của Streptococcus gordonii cung cấp

Trường Đại học KHTN

14


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

chất nền bám dính cho Porphyromonas gingivalis thông qua sự tương tác của các
cặp thụ thể bám dính, được biết đến là các phân tử protein FimA [11]. Ngược lại,
tương tác phân tử giữa các tế bào S. cristatus và P. gingivalis đã kìm hãm sự biểu
hiện của gen fimA và kết quả là P. gingivalis không thể tiếp tục bám dính và sẽ
được tách rời khỏi màng sinh vật [48].
Davies và cộng sự [20] đã đưa ra hai hệ thống tín hiệu ngoại bào khác nhau ở
P. aeruginosa có liên quan đến sự hình thành màng sinh vật, đó là lasR - las I và
rhlR - rhlI. Ở mật độ quần thể tế bào đủ lớn, các tín hiệu này đạt đến nồng độ cần
thiết để kích hoạt các gen liên quan đến sự khác biệt màng sinh vật. Các dạng đột
biến không thể tạo ra cả hai tín hiệu sẽ hình thành một màng khác nhiều so với
màng sinh vật của dạng hoang dại như màng mỏng hơn, các tế bào được đóng gói
dày đặc hơn và cấu trúc của màng cũng chưa hoàn thiện.
Vai trò của tín hiệu nội bào trong màng sinh vật của nhiều loài khác biệt
đáng kể so với màng sinh vật của một loài. Những tín hiệu này được phân loại như
là một sản phẩm truyền tin tích cực hay thụ động làm thay đổi trạng thái của các tế
bào vi khuẩn lân cận. Chúng bao gồm các sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn, các
phân tử acyl - homoserine lactone, vật chất di truyền như DNA hay RNA, v.v…Các
tín hiệu này có thể làm thay đổi sự phân bố của các loài cụ thể trong màng sinh vật,
thay đổi sự biểu hiện protein trong các tế bào lân cận, đưa đến những đặc điểm di
truyền mới ở các tế bào lân cận và kết hợp các vi khuẩn với nhau trong màng sinh
vật [83].
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của màng sinh vật
1.4.1 Các giai đoạn tạo thành màng sinh vật
Dựa trên các phương pháp phân tích di truyền học, proteomics và sinh học
phân tử, cùng với những phân tích về mặt cấu trúc, hóa học màng sinh vật, các nhà
khoa học đã đưa ra một mô hình cấu trúc màng sinh học cơ bản [16]. Trong mô
hình này, vi khuẩn hình thành nên các vi khuẩn lạc và được bao quanh bởi một
mạng lưới chất ngoại bào giúp các thành phần tế bào liên kết với nhau một cách có

Trường Đại học KHTN

15


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

trật tự đảm bảo sự trao đổi thông tin liên tục diễn ra giữa các tế bào đồng thời tạo
nên những kênh dẫn truyền dịch ngoại bào bên trong màng sinh vật. Nhờ đó, dịch tế
bào có thể đi qua màng sinh vật tạo điều kiện cho việc khuếch tán, phân phối chất
dinh dưỡng đến khắp các tế bào trong màng cũng như loại bỏ các chất thải [76].
Sự tạo thành màng sinh vật cũng giống như một quá trình phát triển của vi
sinh vật và cần phải trải qua một số bước. Cơ chế phân tử giữa các vi sinh vật có thể
khác nhau nhưng các giai đoạn trong sự phát triển của màng sinh vật thì luôn được
bảo tồn. Quá trình này lần lượt bao gồm: sự gắn kết của các tế bào vi sinh vật trôi
nổi tự do lên một bề mặt, sự tăng trưởng và liên kết các tế bào thành vi khuẩn lạc,
sự tạo thành màng sinh vật trưởng thành (hoàn chỉnh), và cuối cùng là sự tách rời
của các tế bào vi sinh vật thành dạng dịch lỏng tế bào (hình 5).
Gắn kết
Gắn kết
thuận nghịch không thuận
nghịch

Hình thành
các vi khuẩn
lạc

Hình thành

màng sinh vật
trưởng thành

Tách rời

Hình 5. Mô hình phát triển của màng sinh vật [76]

1.4.1.1 Giai đoạn 1: Giai đoạn gắn kết thuận nghịch
Trước khi vi sinh vật bám dính lên bề mặt, các phân tử hữu cơ, protein,
glycoprotein đã tiếp xúc và hình thành nên một màng điều kiện, đó là một khu vực
giàu dinh dưỡng giúp thuận lợi cho sự trao đổi chất của các tế bào vi sinh vật [8].

Trường Đại học KHTN

16


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

Khi bề mặt điều kiện được hình thành, các thuộc tính của nó thay đổi để thu hút các
vi sinh vật. Sự gắn kết của các vi sinh vật lên bề mặt nhờ lực liên kết van der Waals,
lực hút tĩnh điện, tương tác ưa nước và các tương tác đặc biệt khác, hoặc bởi một sự
kết hợp các liên kết này, tùy theo mức độ gần gũi của các vi sinh vật với bề mặt
bám dính. Nhờ khả năng di chuyển độc lập bằng các cử động co rút tế bào hay sử
dụng các tiêm mao, và khả năng tiết các chất ngoại bào giúp các tế bào riêng rẽ
được bao bọc trong một mạng lưới và bắt đầu sự hình thành màng sinh vật [62].
Tuy nhiên, các tế bào này chưa hẳn đã đi vào quá trình hình thành màng sinh vật và
có thể rời bề mặt để tiếp tục đời sống phù du.

1.4.1.2 Giai đoạn 2: Gắn kết không thuận nghịch
Sau khi gắn kết thuận nghịch ban đầu lên một bề mặt, vi sinh vật không
những phải giữ liên kết với bề mặt giá thể mà còn phải tăng trưởng để hình thành
một màng sinh vật hoàn chỉnh. Vì vậy, giai đoạn tiếp theo là sự sản xuất các chất
ngoại bào nhằm làm tăng tính bám dính ổn định thông qua các cầu nối hữu cơ giữa
tế bào và giá thể [60].
Các nghiên cứu trên gen chỉ thị cho thấy biểu hiện của gen sinh tổng hợp
alginate ở Pseudomonas aeruginosa algC và algD được điều hòa tăng lên trong 15
phút ngay sau khi có sự bám dính đầu tiên của vi khuẩn lên một bề mặt. Mặc dù sự
sản xuất alginate cũng được xem như là phương thức để hình thành nên bộ khung
cấu trúc và hóa học của màng sinh vật [77], nhưng những nghiên cứu gần đây lại
chứng minh rằng chính sự hiện diện của mạng lưới chất ngoại bào chứ không phải
alginate là thực sự cần thiết cho sự hình thành màng sinh vật của P.aeruginosa [54].
Việc chuyển từ giai đoạn bám dính thuận nghịch sang giai đoạn bám dính
không thuận nghịch được thực hiện nhờ lông roi, tiêm mao vào các sợi bám dính.
Trong khi sự vận động thông qua trung gian lông roi được đánh giá là quan trọng
trong bước đầu thiết lập sự bám dính của vi sinh vật lên bề mặt thì vận động co rút
được chỉ ra là cần thiết cho sự trưởng thành của màng sinh vật trong điều kiện tĩnh.
Cụ thể, nhu động co rút giúp cho sự hình thành nên các vi khuẩn lạc trong màng

Trường Đại học KHTN

17


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

sinh vật bằng cách tạo điều kiện thuận lợi cho tương tác giữa các vi khuẩn với bề

mặt để hình thành nên các nhóm tế bào, qua đó giúp tăng cường mức độ bám dính
với bề mặt [62].
1.4.1.3 Giai đoạn 3: Hình thành mạng lưới vi khuẩn lạc
Các hợp chất polymer ngoại bào tiếp tục được tạo ra bởi các tế bào để liên
kết các tế bào với nhau một cách có tổ chức đồng thời tạo thành cầu nối giữa các vi
khuẩn lạc. Chúng cũng có vai trò trong việc thu hút các tế bào sống trôi nổi (có thể
là từ nhiều loài khác nhau) trong môi trường. Kết quả là mật độ tế bào trong một
màng sinh vật cũng như lượng các polymer ngoại bào tạo ra tăng lên. Một mạng
lưới màng sinh vật dần được hình thành [76].
1.4.1.4 Giai đoạn 4: Hình thành một màng sinh vật hoàn chỉnh
Khi tế bào vi sinh vật bám dính không thuận nghịch lên bề mặt thì quá trình
trưởng thành của màng sinh vật bắt đầu. Trong suốt quá trình này, sự phân chia trực
phân của các tế bào vi sinh vật bám dính không thuận nghịch là nguyên nhân giúp
các tế bào phân chia để lan rộng và phát triển đầy lên từ các điểm gắn kết để hình
thành các vi khuẩn lạc hay các cụm tế bào [40].
Bản chất của bề mặt là nơi bám dính của các vi khuẩn lạc và chính các điều
kiện vật lý và hóa học của môi trường sẽ quyết định cơ chế hình thành màng sinh
vật nào là chiếm ưu thế. Sự trưởng thành của màng sinh vật dẫn đến sự kế tiếp của
các cấu trúc dạng nấm hay dạng cột xen kẽ với các kênh chứa đầy dịch, và một khi
phát triển đến đầy đủ thì màng sinh vật sẽ cho thấy những mô hình biến đổi trong sự
tăng trưởng của vi khuẩn cũng như sự tương tác sinh lý và hiệu quả trao đổi chất
[82].
1.4.1.5 Giai đoạn 5: Tách rời
Khả năng phát triển của màng sinh vật giới hạn trong điều kiện dinh dưỡng
của môi trường nuôi cấy và biểu hiện của các phân tử cảm ứng mật độ tế bào. Các
phân tử này được giải phóng ra nhằm đáp ứng với những hạn chế về dinh dưỡng,
sự tích tụ các sản phẩm độc hại và một số nhân tố khác, bao gồm các yếu tố pH,

Trường Đại học KHTN

18


Luận văn thạc sĩ Sinh học

Trần Thúy Hằng

nguồn cung cấp cacbon, oxy [61]. Trong một số trường hợp, khi màng sinh vật đạt
đến khối lượng và một mức cân bằng động tối đa thì các tế bào trong đó sẽ tự tách
rời và cùng với các tế bào của một màng khác hình thành nên các vi khuẩn lạc [46].
Những nghiên cứu gần đây đã cho thấy rằng quá trình tách rời là hết sức
phức tạp. Sự khác biệt về mặt tế bào và hoạt tính của nó tại các trung tâm của một
cấu trúc màng sinh vật trưởng thành dẫn đến sự phân tách tế bào từ bên trong cấu
trúc màng, chuyển sang lấp đầy các khoảng trống của một màng sinh vật khác chưa
hoàn thiện. Cơ chế tách rời của màng sinh vật liên quan đến sự phân hủy các tế bào
bên trong cấu trúc của nó. Enzyme lyase phân hủy polysaccarit đóng vai trò quan
trọng trong sự phân rã màng sinh vật ở nhiều loài vi sinh vật bằng cách phân hủy
mạng lưới chất nền ngoại bào được tạo ra từ các tế bào [44].
Boyd và Chakarabarty [9] đã chứng minh sự cảm ứng biểu hiện của enzyme
lyase phân giải alginate ở P. aeruginosa làm giảm đáng kể tổng lượng sản xuất
alginate, tương ứng với sự tăng số lượng tế bào bị phân tách. Điều này giúp các nhà
nghiên cứu khẳng định vai trò của enzyme phân giải alginate ở dạng P. aeruginosa
hoang dại có thể là nguyên nhân giải phóng các tế bào khỏi các bề mặt rắn hay các
màng sinh vật của chúng, làm phát tán những vi sinh vật vào trong môi trường nuôi
cấy.
Quá trình tách rời cũng có nguyên nhân bởi các lực tương tác vật lý. Brading
và cộng sự [10] đã nhấn mạnh tầm quan trọng của các tương tác vật lý trong sự tách
rời, bao gồm 3 quá trình chính đó là: sự xói mòn hay phân cắt (liên tục loại bỏ
những phần nhỏ của màng sinh vật), sự bóc tách (loại bỏ nhanh chóng và với lượng
lớn) và sự bào mòn (sự tách rời do va chạm của lượng lớn các hạt phân tử chất lỏng

với màng sinh vật). Characklis [12] nhận thấy rằng tỷ lệ xói mòn tăng lên cùng với
độ dày màng sinh vật và dòng chất lỏng tại bề mặt giao diện với màng sinh vật mà ở
đó màng dày lên. Với sự gia tăng của tốc độ dòng chảy, thủy động lực học của lớp
ranh giới giảm, dẫn đến sự pha trộn và nhiễu loạn ở gần bề mặt màng sinh vật. Sự
bóc tách xảy ra ngẫu nhiên hơn sự xói mòn và được cho là kết quả của sự suy giảm
chất dinh dưỡng và oxy trong cấu trúc màng sinh vật.

Trường Đại học KHTN

19