Bacillus subtilis có thể thích nghi trong mọi điều kiện môi trường, được nghiên cứu trong đa dạng lĩnh vực vi sinh học và công nghệ sinh học
Bacillus subtilis là một loại vi khuẩn Gram dương có ích trong nhiều ứng dụng khác nhau. Được biết đến với tên gọi khác như vi khuẩn hạt nhân, Bacillus subtilis là một trong những vi khuẩn phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp và nghiên cứu. Với khả năng sản xuất enzyme, chất chống ô nhiễm, và khả năng tăng cường sức khỏe cây trồng. Loại vi khuẩn này đã thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng khoa học và ngành công nghiệp. Từ đó, đóng góp đáng kể vào các lĩnh vực như nông nghiệp, y học, và môi trường.
Nội dung
- 1. Tổng quan về Bacillus subtilis
- 2. Dạng bào tử Bacillus subtilis và một số tác dụng
- 3. Đặc điểm nổi bật của Bacillus subtilis
- 4. Cơ chế tác động của Bacillus subtilis
- 5. Tác dụng của bào tử Bacillus subtilis với hệ tiêu hóa của trẻ
- 6. Bacillus subtilis và một số lợi ích đối với sức khỏe động vật
- 7. Ứng dụng của B. Subtilis trong nuôi trồng thủy sản
- 8. Tạm kết
1. Tổng quan về Bacillus subtilis
1.1 Bacillus subtilis là gì?
Bacillus subtilis là một loại vi khuẩn với tên khoa học “trực khuẩn suptilit”. Chúng có dạng hình que, gram dương và ưa khí không bắt buộc. B. subtilis còn được gọi là trực khuẩn cỏ (rơm). Bởi nó thường tồn tại trong cỏ, rơm và đất. Tuy nhiên, chúng lại phát triển mạnh ở trong hệ tiêu hóa của người và động vật. Nhất là động vật nhai lại (Nguyễn Lân Dũng và cộng sự: “Vi sinh vật học” – Nhà xuất bản Giáo dục). Vì có lợi cho sức khỏe con người, đặc biệt là hệ đường ruột. Bởi vậy, nó còn có tên là lợi khuẩn suptilit. Bacillus subtilis được ứng dụng trong công nghệ sinh học. Cụ thể là nghiên cứu di truyền học, sản xuất protein cho con người. Ví dụ như E. coli được dùng làm nguyên liệu sản xuất insulin và somatostatine trong kỹ thuật di truyền (Đỗ Lê Thăng: “Di truyền học” – Nhà xuất bản Giáo dục, 2005).
Trong điều kiện bất lợi, B. subtilis tồn tại ở trạng thái bào tử. Lớp vỏ dày, cứng cho phép loại vi khuẩn này chống chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt (Madigan M, Martinko J biên tập (2005). Brock Biology of Microorganisms (ấn bản 11). Prentice Hall). Chẳng hạn như hạn hán, bức xạ cao, pH, dung môi và nghèo dinh dưỡng. Cấu trúc đặc biệt này được ứng dụng trong hình thành các chủng B. subtilis có lợi. Từ đó, Bacillus subtilis có thể được bảo quản lâu dài. Đồng thời, hỗ trợ sản xuất một số sản phẩm như dược phẩm điều trị bệnh.
1.2 Lịch sử phát triển
Bacillus subtilis được tìm thấy lần đầu vào năm 1835 do Christion Erenberg. Tên gọi của nó khi đó là “Vibrio subtilis”. Sau 30 năm, Casimir Davaine đặt cho nó cái tên là “Bacteridium”. Năm 1872, Ferdimand Cohn xác định thấy trực khuẩn đầu vuông có tên là Bacillus subtilis. Năm 1941, nó được tìm thấy trong phân ngựa bởi tổ chức y học Nazi, Đức.
Ban đầu, chúng được sử dụng để phòng bệnh lỵ cho binh sĩ Đức tham gia kháng chiến ở Bắc Phi. Năm 1949 – 1957, Henry và cộng sự tiến hành tách thành công chủng thuần khiết Bacillus subtilis. Gần đây, B. subtilis ngày càng được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi. Nó tạo điều kiện cho sự ra đời của “Subtilis therapy”. Chủng vi khuẩn này được sử dụng như phương pháp điều trị bệnh hiệu quả. Cụ thể là các bệnh liên quan đến rối loạn tiêu hóa, viêm ruột, viêm đại tràng, tiêu chảy… Ngoài ra, nó còn được ứng dụng đa dạng trong chăn nuôi, công nghiệp, xử lý nước thải, môi trường…
1.3 Nơi phân bố
Bacillus subtilis được tìm thấy nhiều ở rơm, rạ, lớp trên cùng của đất và ruột động vật. Mật độ của quần thể này ở đất khoảng 106/ gram. Còn mật độ trong phân người là khoảng 104/ gram.[14] Nếu tìm thấy lượng lớn bào tử này trong ruột người quá cao cho thấy tình trạng tiêu thụ ô nhiễm thực phẩm nghiêm trọng. Ở ong mật, trực khuẩn này điều kiện tốt cho thích nghi sinh thái và sức khỏe (Sudhagar, S; Reddy, Rami (tháng 4 năm 2017). “Influence of elevation in structuring the gut bacterial communities of Apis cerana Fab” (PDF). Journal of Entomology and Zoology. 5 (3): 2, 7 – qua entomoljournal.com). Ngoài ra, nó sống tự do như sinh vật hiếu khí bắt buộc. Còn khi nội cộng sinh, nó trở thành trực khuẩn kị khí.
1.4 Sinh sản
B. subtilis sinh sản theo cơ chế phân bào hình thành hai tế bào con hoặc tạo ra một nội bào tử (endospore) duy nhất. Chúng có thể tồn tại hàng chục năm và phát triển được trong điều kiện khắc nghiệt. Ở môi trường thuận lợi, nó phân bào dạng nguyên phân. Trong đó, nhiễm sắc thể nhân đôi theo cơ chế nhân đôi của nhiễm sắc thể nhân sơ. Còn điều kiện bất lợi khiến nó không thể phân bào. Khi đó, Bacillus subtilis sinh sản theo cơ chế bào tử hoá (sporulation) và biến đổi thành bào tử (McKenney, Peter T.; Driks, Adam; Eichenberger, Patrick (2012). “The Bacillus subtilis endospore: assembly and functions of the multilayered coat”. Nature Reviews Microbiology. 11 (1): 33–44).
1.5 Độ an toàn
Ở châu Âu và Mỹ, Bacillus subtilis được công nhận đủ điều kiện về an toàn thực phẩm QPS (Qualified Presumption of Safety) hay GRAS (Generally Regarded As Safe). Bacillus subtilis được các nhà khoa học của Trường Đại học Hoàng gia Holloway Luân Đôn, Anh Quốc chứng nhận an toàn và không có tác dụng phụ với với liều dùng 1×1011 CFU/ngày.
Dạng bào chế, mật độ:
- Nguyên liệu đông khô
- Mật độ: 3*109÷3*1010 cfu/gr
1.6 Bộ gen của Bacillus subtilis
Năm 1997, nghiên cứu trình tự gen của Bacillus subtilis hoàn tất và được công bố lần đầu. Bộ gen chứa 4,2 mega-base, gần 4.110 gen. Trong đó, chỉ có 192 gen cần phải có. Còn 79 gen được dự đoán là thiết yếu. Phần lớn gen đều liên quan đến quá trình trao đổi chất của tế bào.
2. Dạng bào tử Bacillus subtilis và một số tác dụng
Bacillus subtilis có thể phân đôi thành hai tế bào con đối xứng nhau. Hoặc phân chia không đối xứng nhằm hình thành dưới dạng bào tử ở môi trường khắc nghiệt. Trong điều kiện này, chúng còn có thể tự sản xuất kháng sinh để tiêu diệt các đối thủ cạnh tranh dinh dưỡng trước khi tạo bào tử. Bởi tính ổn định cao nên hầu hết các dạng chế phẩm của Bacillus subtilis đều ở dạng bào tử.
Khi vào cơ thể, chúng không bị tiêu diệt bởi acid dịch vị. Di chuyển đến ruột, bào tử phát triển thành dạng có thể hoạt động. Điều này giúp cơ thể cân bằng lợi khuẩn và cải thiện chức năng tiêu hóa nếu sử dụng kháng sinh kéo dài.
Bacillus subtilis còn đồng hóa một số vitamin như vitamin B2. Ngoài ra, nó còn có thể sản xuất một số loại kháng sinh. Từ đó, ức chế sự phát triển và tiêu diệt hại khuẩn. Đồng thời, tăng cường khả năng miễn dịch, đề kháng và chống lại các tác nhân gây bệnh. Chưa kể, nó còn kích thích cơ thể sản sinh kháng thể IgA trên bề mặt hệ tiêu hóa nhằm ngăn chặn vi khuẩn gây bệnh.
Xem thêm:
- Bacillus Clausii – Giải pháp toàn diện cho hệ tiêu hóa
- Lợi khuẩn Bifido – Duy trì “sức khỏe vàng” cho hệ tiêu hóa
3. Đặc điểm nổi bật của Bacillus subtilis
3.1 Đặc điểm sinh thái học và phân bố trong tự nhiên
Bacillus subtilis là nhóm vi khuẩn hiếu khí hay kỵ khí tùy nghi. Nó chủ yếu được tìm thấy trong đất, cỏ và rơm rạ. Thông thường, trong đất trồng trọt, vi khuẩn này có khoảng 106 – 107 triệu CFU/g. Chúng rất hiếm thấy ở môi trường sa mạc. Ngoài ra, B. subtilis còn có trong nguyên liệu sản xuất như bột mì (Bacillus subtilis chiếm 75 – 79% vi khuẩn tạo bào tử), bột gạo, mắm, tương, chao…
Bacillus subtilis có thể dùng hợp chất vô cơ tạo nguồn carbon trong một số loài như Bacillus sphaericus, Bacillus cereus. Chúng cần sử dụng hợp chất hữu cơ cho quá trình sinh trưởng và phát triển như vitamin và amino acid. Với các loài có nhu cầu dinh dưỡng đặc biệt như Bacillus popilliae, Bacillus lentimobus, chúng khó có thể phát triển trong môi trường nuôi cấy vi khuẩn. Điển hình là Nutrient Agar (NA), Nutrient Broth (NB).
Năm 1993, một nhóm nhà nghiên cứu ở Madrid chứng minh Bacillus subtilis có tập tính ăn thịt đồng loại. Đặc điểm này giúp chúng thoát khỏi đời sống giới hạn như dinh dưỡng môi trường cạn kiệt. Tức là các cá thể khỏe mạnh sinh tổng hợp kháng sinh tiêu diệt cá thể xung quanh. Từ đó, hấp thu dinh dưỡng và sử dụng trong môi trường khắc nghiệt. Ngoài ra, để tồn tại, chúng hình thành dưới dạng bào tử. Tuy nhiên, cách này cần tiêu hao nguồn năng lượng lớn.
3.2 Đặc điểm hình thái
Mỗi cá thể Bacillus subtilis dài 1,5 – 10 µm với đường kính 0,25 – 1 µm. Hai đầu tròn chứa 8 – 12 lông nhỏ. B. subtilis tồn tại đơn lẻ. Tuy nhiên, chúng có thể hình thành “quần thể” chuỗi ngắn, di chuyển dễ dàng trong môi trường nước nhờ lông giống trùng roi. Bào tử hình bầu dục nhỏ từ 0,8 – 1,8 µm. Xung quanh là lớp màng chứa lipoprotein, peptidoglycan… chịu được độ pH thấp và nhiệt độ cao (ở 100oC trong 180 phút). Ngoài ra, B. subtilis còn có khả năng chịu ẩm, tia tử ngoại, phóng xạ, áp suất, chất sát trùng,… Từ đó, kéo dài khả năng tồn tại từ vài năm đến vài chục năm (Yu AC, Loo JF, Yu S, Kong SK, Chan TF (tháng 1 năm 2014). “Monitoring bacterial growth using tunable resistive pulse sensing with a pore-based technique”. Applied Microbiology and Biotechnology. 98 (2): 855-62).
3.3 Đặc điểm sinh hóa
Lên men không sinh hơi một số loại đường. Cụ thể là glucose, maltose, manitol, saccharose, xylose và arabinose.
Thử nghiệm indol (-), VP (+), nitrate (+), H2S (-), NH3 (+), catalase (+), amylase (+), casein, (+), citrate (+), có khả năng di động (+) và hiếu khí (+).
3.4 Đặc điểm nuôi cấy
Bacillus subtilis hiếu khí nhưng vẫn phát triển được trong môi trường có oxi do có catalaza dương tính. Đến năm 1998, nó được xác định là vi khuẩn kỵ khí. Nhiệt độ nuôi cấy thuận lợi là 30÷40oC và độ pH là 7.0÷7.4. B. subtilis phát triển trong hầu hết môi trường dinh dưỡng cơ bản:
- Môi trường thạch đĩa Trypticase Soy Agar (TSA): Khuẩn lạc của B. subtilis ATCC 11774TM có hình tròn, răng cưa không đầu, màu vàng xám với đường kính 2 – 4 mm. Nó có màu trắng đục, lõm ở tâm, khuẩn lạc lồi và ướt. Sau 1 – 4 ngày, bề mặt chuyển nhăn nheo và có màu nâu.
- Môi trường canh Trypticase Soy Broth (TSB): vi khuẩn phát triển làm đục môi trường, tạo màng nhăn, lắng cặn, kết lại như vẩn mây ở đáy, khó tan khi lắc đều. B. subtilis làm đục môi trường, hình thành màng nhăn, lắng cặn lại tạo thành vẩn ở đáy bình. Đồng thời, khó tan khi lắc đều. Chủng vi khuẩn này có thể sử dụng protein, đường và tinh bột. Nhờ đó, nó có thể phân hủy tryptophan và hình thành benzpyrole.
- Trên môi trường giá đậu – peptone: khuẩn lạc có hình tròn lồi, nhẵn bóng, răng cưa không đều có đường kính 3 – 4cm sau 3 ngày nuôi cấy.
- Nhu cầu dinh dưỡng: chủ yếu cần một số nguyên tố như C, H, O, N và nguyên tố vi lượng khác. Vi khuẩn đảm bảo phát triển trong môi trường đủ nguồn carbon (glucose) và nitơ (peptone).
4. Cơ chế tác động của Bacillus subtilis
Bacillus subtilis giúp ổn định hệ vi sinh đường ruột bằng cơ chế cạnh tranh sinh tồn. Đồng thời, ức chế các hại khuẩn ở đường ruột do tác động của những sản phẩm tiết của nó. Năm 1959, các nhà nghiên cứu cho thấy B. subtilis có hệ thống enzyme tương đối hoàn chỉnh. Chúng có thể thủy phân glucid, lipid, protid, enzyme cenlulase biển chất xơ thành đường dễ tiêu. Ecitinase thủy phân chất béo phức hợp. Enzyme phân giải gelatin, fibrin. Thậm chí, một số loại enzyme như lysozyme còn dung giải một số loại vi khuẩn gây bệnh như Proteus.
Cạnh tranh dinh dưỡng, ức chế sự sinh trưởng vi khuẩn gây bệnh và nấm
Bổ sung Bacillus subtilis giúp làm tăng số lượng lợi khuẩn trong hệ vi sinh đường ruột. Từ đó, cạnh tranh dinh dưỡng và nơi sống với hại khuẩn. Chưa kể, chúng còn tiết kháng sinh ức chế vi khuẩn gây bệnh và các loại nấm sinh trưởng và phát triển. Đồng thời, trung hòa độc tố hoặc tiêu diệt mầm bệnh.
Tổng hợp chất kháng sinh
Bacillus subtilis có thể tiết kháng sinh ức chế sinh trưởng và tiêu diệt các vi khuẩn. Vi sinh này còn có tác động lên nấm gây bệnh và vi khuẩn Gram (-), Gram(+). Chúng có cấu trúc và phổ hoạt động kháng khuẩn khác nhau. Nhờ đó, B. Subtilis có hiệu quả tiêu diệt một số mầm bệnh khác nhau.
Tổng hợp enzyme
Bacillus subtilis tồn tại ở trạng thái bào tử. Khi đến dạ dày, nó không bị acid và men tiêu hóa ở dịch vị phá hủy. NHờ đó, nó có thể nảy mầm, phát huy tác dụng và phát triển ở ruột non. Ở ruột, chúng biến thành dạng hoạt động và phát huy tác dụng tại đây. Cụ thể là cân bằng hệ vi sinh, gia tăng số lượng lợi khuẩn và tăng cường sức khỏe hệ tiêu hóa. Ở giai đoạn này, Bacillus subtilis tổng hợp nhiều chất có hoạt tính sinh học có lợi như enzyme thủy phân (protease, α-amylase),…
5. Tác dụng của bào tử Bacillus subtilis với hệ tiêu hóa của trẻ
Các chế phẩm chứa bào tử Bacillus subtilis có thể dễ dàng đi qua dạ dày, tới ruột non. Sau đó, biến thành dạng hoạt động được, nảy mầm thành lợi khuẩn giúp cân bằng hệ vi sinh. Đồng thời, gia tăng khả năng hấp thu chất dinh dưỡng và tăng cường hệ miễn dịch. Bacillus subtilis an toàn và không gây hại đến sức khỏe con người. Bacillus subtilis kích thích sản sinh enzym tiêu hóa như: Amylase, protease, cellulose,… Từ đó, củng cố chức năng hệ tiêu hóa và cung cấp chất dinh dưỡng. Bổ sung Bacillus subtilis còn giúp tăng cường lợi khuẩn đường ruột và nâng cao sức đề kháng cho trẻ.
6. Bacillus subtilis và một số lợi ích đối với sức khỏe động vật
Trong chăn nuôi, Bacillus subtilis giúp kiểm soát mầm bệnh, tác động sinh lý có lợi và đảm bảo lợi ích toàn diện cho vật nuôi. Nó cho thấy hiệu quả tích cực trong việc giảm áp lực gây bệnh, duy trì hệ vi sinh đường ruột và ức chế hại khuẩn phát triển.
6.1 Hình thành màng bảo vệ, kích thích sản sinh enzyme
Với hệ tiêu hóa, Bacillus subtilis có khả năng sinh trưởng nhanh, nhất là vùng bị tổn thương và viêm loét. Chủng lợi khuẩn này hình thành lớp màng sinh học, bảo vệ niêm mạc ruột khỏi các sự xâm nhập và độc tố từ hại khuẩn. Ngoài ra, B. Subtilis còn kích thích sản sinh enzyme. Chủ yếu là men tiêu hóa amylase, cenlulase, lipase và protease. Chúng có chức năng xúc tác cho phản ứng phân hủy tinh bột, protein. Ngoài ra, biến đổi chất xơ thành đường dễ tiêu, gia tăng khả năng hấp thu chất dinh dưỡng và cải thiện hệ tiêu hóa.
6.2 Sản sinh axit amin và kháng sinh ức chế
B. Subtilis là một trong những loại vi khuẩn an toàn và hiệu quả nhất trong ngành công nghệ sinh học. Điển hình là điều chế một số axit amin quan trọng. Cụ thể là lysine, tyrozine, proline, threonine, aspartic… Ngoài ra, còn có khả năng tổng hợp chất kháng sinh ức chế và tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh. Nó có tác dụng lên cả vi khuẩn gram âm lẫn gram dương và nấm gây bệnh. Chẳng hạn như Bacitracin, Baxilomicin (A,B,C,R), Mycobacillin, Subtilin, Prolimicin… Những chất kháng sinh này giúp B. subtilis cạnh tranh tốt với các vi khuẩn khác. Từ đó, ứng dụng hiệu quả trong tái tạo cân bằng hệ vi sinh.
6.3 Sản sinh kháng thể miễn dịch
Với hệ miễn dịch, Bacillus subtilis kích thích sản sinh kháng thể miễn dịch IgA. B. Subtilis còn có thể tổng hợp 12 loại kháng sinh (Bacitracin, Bacillopectin, Prolimicin…) ức chế sự xâm nhập và tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh. Nhờ đó, Bacillus subtilis có thể cạnh tranh với hại khuẩn và cân bằng hệ vi sinh đường ruột. Điều này tạo môi trường thuận lợi cho hoạt động tiêu hóa và hấp thụ dưỡng chất.
6.4 Đồng hóa vitamin
Chủng vi sinh này còn có khả năng đồng hóa một số vitamin như B2 (Riboflavin). Chúng có vai trò quan trọng với hoạt động sống, hiện diện trong tế bào, tham gia hấp thu dinh dưỡng và tăng cường khả năng hô hấp.
Nhờ Bacillus subtilis, động vật có sức khỏe và khả năng sinh trưởng tốt. Người chăn nuôi còn có thể tối ưu được chi phí và gia tăng lợi nhuận.
Xem thêm:
- Lactobacillus – Trợ thủ đắc lực số 1 cho hệ tiêu hóa
- Saccharomyces boulardii – Giải mã chi tiết nhất
7. Ứng dụng của B. Subtilis trong nuôi trồng thủy sản
7.1 Tình trạng sử dụng B. Subtilis
Thuốc kháng sinh thường được thêm vào thức ăn cho động vật và thủy sản giúp chúng phát triển nhanh hơn và tránh bị bệnh. Tuy nhiên, do lạm dụng, hiện tượng kháng kháng sinh xảy ra khiến thuốc kháng sinh không còn hiệu quả. Không những vậy, nó còn gây ra nguy hiểm cho sức khỏe của động vật và người ăn. Để đảm bảo an toàn, nhiều nước, trong đó có Việt Nam, đã chuyển sang sử dụng lợi khuẩn (cụ thể là lợi khuẩn Bacillus subtilis) trong nuôi trồng thủy sản. Phương pháp này không chỉ giúp tôm cá cải thiện tình trạng bệnh. Nó còn làm sạch môi trường sống, tăng hiệu suất nuôi trồng, giảm chi phí thuốc và cải thiện điều kiện sống cho tôm cá.
7.2 Ứng dụng cụ thể của Bacillus subtilis trong nuôi trồng thủy sản
Tại ruột tôm, cá, Bacillus subtilis nhân số lượng lớn và sản sinh nhiều enzyme. Nó giúp biến đổi chất xơ thành đường dễ tiêu, thủy phân chất béo phức hợp và đẩy nhanh tốc độ hấp thụ.
Bacillus subtilis sản xuất kháng sinh giúp tăng cường sức đề kháng và tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh. B. Subtilis cạnh tranh với vi khuẩn gây bệnh, tảo độc khiến chúng bị tiêu diệt. Đồng thời, góp phần làm giảm hại khuẩn gây bệnh cho tôm cá.
Trong môi trường ao nuôi, Bacillus subtilis có thể chuyển hóa chất hữu cơ như thức ăn thừa, xác tảo thành CO2 và nước. Đồng thời, biến đổi các chất độc hại như NH3, NO2 thành chất không độc như NH4+, NO3-, làm giảm COD, H2S. Chủng lợi khuẩn này còn tiết ra một số kháng sinh, enzyme nhằm ức chế và tiêu diệt mầm bệnh. Nhờ đó, việc bổ sung Bacillus subtilis làm tăng quá trình phân hủy hữu cơ, chất tích tụ dưới đáy ao. Đồng thời, cũng giúp làm sạch nước, hạn chế mầm bệnh và giảm phát sinh khí độc. Điều này giúp tăng cường sức đề kháng và năng suất thủy sản.
Nhìn chung, bổ sung Bacillus subtilis vào thức ăn động vật thủy sản và ao nuôi làm giảm rủi ro từ dịch bệnh. Ngoài ra, nó còn giúp cải thiện sức khỏe tôm cá, ức chế tác nhân gây bệnh và tạo môi trường thuận lợi. Có rất nhiều chế phẩm chứa Bacillus subtilis với một số ưu điểm vượt trội. Cụ thể là bền nhiệt, thời gian, bền acid và hoạt lực mạnh.
8. Tạm kết
Bacillus subtilis là một vi khuẩn có ý nghĩa lớn trong nhiều lĩnh vực như sinh học, y học và công nghiệp. Với khả năng sản xuất enzyme, chất kháng sinh và sự an toàn trong ứng dụng công nghiệp, nó đã trở thành một đối tượng nghiên cứu quan trọng. Sự đa dạng và tính chất có lợi của B. subtilis mở ra nhiều cơ hội để ứng dụng trong việc cải thiện sức khỏe, nâng cao sản xuất và bảo vệ môi trường. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Probiotics trong mọi lĩnh vực.
