Vi khuẩn là các sinh vật sống có kích thước siêu nhỏ giúp cân bằng hệ vi sinh tự nhiên và ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người
Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào siêu nhỏ và phát triển mạnh mẽ trong nhiều môi trường khác nhau. Chúng đóng vai trò quan trọng đối với môi trường sống và sức khỏe con người. Theo hội Vi sinh Hoa Kỳ-ASM, trái đất đang chứa một số lượng khổng lồ vi khuẩn. Ước tính lên đến năm triệu nghìn tỷ nghìn tỷ hoặc 5 x 10^30. Thậm chí, cơ thể người có đến hàng nghìn tỷ vi khuẩn, vượt xa 10 lần so với số lượng tế bào người. Mặc dù chỉ chiếm khoảng 1% – 3% khối lượng cơ thể. Tuy nhiên, vi khuẩn có vai trò không thể phủ nhận trong duy trì sức khỏe con người. Cùng khám phá ngay thế giới vi khuẩn và ảnh hưởng của chúng đối với cuộc sống hàng ngày.
Nội dung
- 1. Vi khuẩn là gì?
- 2. Nguồn gốc và tiến hóa
- 3. Lịch sử nghiên cứu và phân loại
- 4. Môi trường sống của vi khuẩn
- 5. Cấu tạo hình thái học của vi khuẩn
- 6. Hình thái và cấu trúc vi khuẩn
- 7. Các loại vi khuẩn hiện nay
- 8. Sinh lý của vi khuẩn
- 9. Lợi ích của vi khuẩn là gì?
- 10. Phân biệt virus và vi khuẩn
- 11. Tạm kết
1. Vi khuẩn là gì?
Vi khuẩn là các sinh vật đơn bào với kích thước hiển vi chỉ từ 0.2-10μm. Chúng tồn tại ở khắp mọi nơi, mọi bề mặt và ngay cả trong sinh vật khác. Hầu hết vô hại nên chúng đóng vai trò quan trọng trong cân bằng hệ sinh giới. Điển hình là các lợi khuẩn trong đường ruột giúp cân bằng hệ vi sinh và cải thiện hệ tiêu hóa. Tuy nhiên, vẫn còn một số hại khuẩn gây bệnh nhiễm khuẩn, nhiễm trùng cho sinh vật. Nó khiến cơ thể xuất hiện một số triệu chứng như sốt, nôn mửa, tiêu chảy, ho, hắt hơi và mệt mỏi.
Tùy vào nguồn gây bệnh mà có phương pháp điều trị phù hợp. Bác sĩ sử dụng thuốc kháng sinh (antibiotic) để điều trị bệnh do vi khuẩn gây ra. Còn nó không có tác dụng với virus. Do đó, với bệnh nhiễm trùng do virus cần thuốc kháng virus.
2. Nguồn gốc và tiến hóa
Tổ tiên của vi khuẩn là những sinh vật đơn bào. Chúng là dạng sinh vật sống đầu tiên trên Trái Đất cách 4 tỉ năm. Chỉ trong khoảng 3 tỷ năm, mọi sinh vật bao gồm vi sinh vật, vi khuẩn và vi khuẩn cổ đều là dạng sống phổ biến (DeLong EF, Pace NR (2001). “Environmental diversity of bacteria and archaea”. Syst Biol. 50 (4): 470–8). Mặc dù đã xuất hiện các hóa thạch nhưng lịch sử tiến hóa, thời điểm xuất phát của chúng vẫn còn gây tranh cãi. Trình tự gen được dùng để tái dựng phát sinh loài. Các nghiên cứu đều chỉ ra nguồn gốc phân nhánh đều từ dòng vi khuẩn cổ/nhân chuẩn (Brown JR, Doolittle WF (1997). “Archaea and the prokaryote-to-eukaryote transition”. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 61 (4): 456–502).
Vi khuẩn liên quan đến lần phân nhánh tiến hóa lớn thứ hai. Chúng là kết quả do vi khuẩn trước đó tham gia vào tập hợp nội cộng sinh với tổ tiên. Đồng thời, vi khuẩn nhân chuẩn cũng liên quan đến vi khuẩn cổ. Nó liên quan đến khả năng nhấn chìm của tế bào nhân chuẩn nguyên thủy trong cộng sinh alpha-proteobacterial. Hình thành nên mitochondria, hydrogenosome. Tiếp đó, một số sinh vật nhân chuẩn chứa ty thể cũng nhấn chìm các sinh vật khác như cyanobacterial. Từ đó, hình thành lục lạp trong tảo và thực vật. Chưa kể, một số tảo còn có nguồn gốc từ cộng sinh. Tại đây, eukaryota nhấn chìm tảo eukaryotia đã tạo ra “thế hệ thứ 2” (McFadden GI (1999). “Endosymbiosis and evolution of the plant cell”. Current Opinion in Plant Biology. 2 (6): 513–9). Sự kiện này có tên gọi là nội cộng sinh thứ 2.
3. Lịch sử nghiên cứu và phân loại
Vi khuẩn đầu tiên được phát hiện dưới kính hiển vi bằng Antony van Leeuwenhoek năm 1683. Thuật ngữ “vi khuẩn” được đề xuất bởi Christian Gottfried Ehrenberg năm 1828. Theo tiếng Hy Lạp, nó có nghĩa là “cái que nhỏ”. Louis Pasteur (1822-1895) và Robert Koch (1843-1910) mô tả chúng là những sinh vật mang và gây ra bệnh.
Ban đầu, vi khuẩn, virus được gọi là nấm có kích thước hiển vi (schizomycetes). Trừ nhóm vi khuẩn lam (cyanobacteria) quang hợp được xếp vào nhóm tảo. Tuy nhiên, khi xuất hiện các công trình nghiên cứu về cấu trúc tế bào, vi khuẩn mới được xếp vào nhóm riêng. Vào năm 1956, Hebert Copeland xếp chúng vào giới Mychota. Sau đó, đổi tên thành Sinh vật khởi sinh (Monera), Sinh vật nhân sơ (Prokaryota), cuối cùng là Vi khuẩn (Bacteria). Nó được xem như một tròn hai nhóm chính của sinh giới. Tồn tại song song với sinh vật nhân chuẩn.
Năm 1977, Carl Woese chia sinh vật nhân sơ dựa trên trình tự 16S rRNA. Bao gồm vực Vi khuẩn chính thức (Eubacteria) và Vi khuẩn cổ Archaebacteria. Hai nhóm này cùng sinh vật nhân chuẩn, tiến hóa độc lập hình thành nên phân loại 3 vực. Bao gồm: Vi khuẩn (Bacteria), Vi khuẩn cổ (Archaea) và Sinh vật nhân chuẩn (Eucarya). Tuy nhiên, một số quan điểm lại chỉ ra các khác biệt di truyền. Cả hai nhóm này đều sinh trưởng từ vi khuẩn chính thức.
4. Môi trường sống của vi khuẩn
Vi khuẩn được tìm thấy ở mọi nơi trên Trái Đất. Chúng còn có thể tồn tại trong tầng bình lưu, từ 9.7 km đến 48.3 km trong bầu khí quyển. Thậm chí, có mặt ở cả đại dương với độ sâu tận 10km (3).
- Vi khuẩn hiếu khí tồn tại ở nơi có nồng độ oxy trung bình trở lên.
- Vi khuẩn vi hiếu khí sống ở nơi có nồng độ Oxy thấp (2-10%).
- Vi khuẩn kỵ khí thường phát triển ở nơi không có oxy. Điển hình là trong hệ tiêu hóa, răng miệng. Hệ vi sinh vật đường ruột chứa vi khuẩn ưa ấm có lợi như Lactobacillus acidophilus.
- Vi khuẩn tùy nghi sống được ở môi trường có hoặc không có oxy. Chúng chủ yếu tồn tại ở môi trường có oxy như đất, nước, thảm thực vật và một số cơ quan.
- Vi khuẩn chịu ấm gây ra đa số bệnh nhiễm trùng ở người. Nhiệt độ phù hợp để phát triển là 37°C, tương đương với nhiệt độ cơ thể người.
- Vi khuẩn chịu cực hạn với nhiệt độ sống cao lên đến 75 – 80°C, thậm chí ở 113°C.
- Vi khuẩn chịu mặn chỉ tồn tại trong môi trường mặn.
- Vi khuẩn chịu axit phát triển dễ dàng trong môi trường axit, thậm chí axit mạnh (pH=0).
- Vi khuẩn chịu kiềm có thể tồn tại trong môi trường kiềm với độ pH lên đến 10,5.
- Vi khuẩn chịu hàn chịu được môi trường lạnh như ở sông băng.
- Vi khuẩn có thể tồn tại ở các lỗ thông thủy nhiệt với nhiệt độ và áp suất cao. Chúng tự tạo ra thức ăn nhờ oxy hóa lưu huỳnh từ sâu bên trong lòng đất.
5. Cấu tạo hình thái học của vi khuẩn
5.1 Kích thước
Vi khuẩn có nhiều kích thước khác nhau. Kích thước tế bào chỉ bằng 1/10 tế bào nhân thực với chiều dài từ 0,5–5,0 micromet. Đa số, phải sử dụng kính hiển vi để quan sát. Tuy nhiên, một số loài vẫn có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Chẳng hạn, Thiomargarita namibiensis dài 0,5 milimet, Epulopiscium fishelsoni đạt 0,7 mm. Còn Thiomargarita phóng đại có thể lên đến 2 cm. Khuẩn nhỏ nhất thuộc chủng Mycoplasma, dài 0,3 micromet. Kích thước này tương đương với kích thước virus lớn nhất.
5.2 Hình dạng
Đa phần đều có dạng hình cầu, có tên là cầu khuẩn. Còn dạng hình que, gọi là trực khuẩn. Một số chủng loại được gọi là vibrio, có hình que hơi cong hoặc dấu phẩy. Những xoắn khuẩn khác có thể có hình xoắn ốc (spirilla) hay cuộn chặt (spirochaetes). Một số ít có hình độc đáo như hình ngôi sao. Sự đa dạng này được quy định bởi vi khuẩn thành tế bào (cell wall) và bộ xương tế bào (cytoskeleton). Điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp thu chất dinh dưỡng, bám vào bề mặt, bơi qua chất lỏng và thoát khỏi động vật ăn thịt.
5.3 Đa tế bào (Multicellularity)
Đa số khuẩn đều tồn tại ở dạng đơn lẻ. Một số khác lại liên kết theo kiểu đặc trưng. Cụ thể: Vi khuẩn lậu cầu tạo lưỡng bội, liên cầu hình thành chuỗi và tụ cầu liên kết thành cụm hình chùm nho. Từ đó, chúng có thể tạo ra cấu trúc đa bào lớn hơn như các sợi dài của Actinomycetota, Myxobacteria và sợi nấm phức tạp của Streptomyces. Tuy nhiên, cấu trúc này chỉ được nhìn thấy trong một số trường hợp cụ thể.
Trong trường hợp thiếu axit amin, myxobacteria nhận thấy các tế bào xung quanh nhờ cảm ứng số lượng, lại gần và tập hợp thành quả thể. Kích thước có thể lên đến 500 micromet với khoảng 100.000 tế bào. Tại đây, chúng thực hiện một số chức năng riêng biệt. Chẳng hạn 1/10 tế bào di chuyển đến đỉnh của quả thể và biệt hóa ở dạng ngủ đông gọi là myxospore. Nhờ đó, có thể chống lại các môi trường hạn hán và khắc nghiệt khác.
5.4 Màng sinh học (Biofilms)
Vi khuẩn bám vào bề mặt và hình thành lớp dày gọi là màng sinh học. Các mảng tập hợp lớn hơn là thảm vi sinh vật. Chúng có thể dày từ micromet đến nửa mét. Đồng thời, bao gồm nhiều loại vi khuẩn, sinh vật nguyên sinh và cổ khuẩn. Trong màng sinh học, chúng được sắp xếp phức tạp dựa theo các thành phần cấu trúc. Mạng lưới kênh hỗ trợ mở rộng quy mô khuếch tán chất dinh dưỡng. Trong đất hoặc bề mặt thực vật, đa phần chúng bám lên bề mặt màng sinh học.
Cấu trúc màng sinh học thường xuyên xuất hiện trong trường hợp nhiễm khuẩn mãn tính hoặc nhiễm trùng được cấy ghép, Bởi vậy, nó có vai trò quan trọng trong y học. Các vi khuẩn được bao bọc trong màng sinh học dễ sống sót hơn các chủng loại phân lập riêng biệt.
Xem thêm:
- Vi sinh vật là gì? Đặc điểm, phân loại và ứng dụng chi tiết
- Bào tử lợi khuẩn – Chìa khóa cân bằng hệ vi sinh
6. Hình thái và cấu trúc vi khuẩn
Vi khuẩn có tế bào nhân sơ, nhân chỉ có nhiễm sắc thể. Chúng không có ty lạp thể, màng nhân và bộ máy phân bào. Tuy nhiên, cấu trúc tế bào lại rất phức tạp. Dưới đây là chi tiết một số thành phần:
6.1 Thành tế bào
Thành tế bào quy định hình dạng vi khuẩn. Nó bao bọc màng sinh chất, được làm bằng polymer (peptidoglycan). Thành tế bào được nhận thấy bằng hiện tượng ly tương, nhuộm và phân lập trực tiếp.
- Thành tế bào vi khuẩn gram dương: Độ dày của vách tế bào rơi vào khoảng 15 – 50 nm. Mucopeptit (murein) là thành phần chính, chất trùng hợp với đơn vị hóa học là các amin. N-acetyl glucosamin, axit N-acetyl muramic và chuỗi peptit ngắn chứa alanin, axit glutamic, axit diaminopimelic hoặc lysin. Tại đây còn chứa các vi khuẩn gram dương bao gồm axit teichoic. Trong một số loài, axit teichoic chiếm 30% trọng lượng vách tế bào.
- Thành tế bào vi khuẩn Gram âm: Lớp mucopeptit mỏng hơn 10nm cùng hai lớp lipoprotein và lipopolysaccharide. Trong đó, lipoprotein chứa tất cả axit amin. Nếu thiếu axit teichoic, thành tế bào chỉ chứa lượng lipit chiếm khoảng 20% trọng lượng khô của vách tế bào.
Vai trò của thành tế bào:
- Duy trì hình dạng: Vách cứng quy định khung, hình thể vi khuẩn.
- Quyết định tính bắt màu gram: Việc bắt màu gram phụ thuộc vào tính thẩm thấu khác nhau đối với cồn của hai nhóm vi khuẩn. Lysozyme làm biến đổi vi khuẩn gram dương thành protoplast không có vách. Còn protoplast lại bắt màu gram âm.
- Hình thành kháng nguyên thân O của vi khuẩn đường ruột: Điều chế kháng nguyên 0 hỗ trợ xử lý không di động bằng nhiệt và cồn. Từ đó, tạo ra nội độc tố, được giải tỏa khi ly giải. Đây là các phức hợp lipopoly-saccarit sản xuất từ vách tế bào.
6.2 Vỏ
Vỏ là lớp cấu trúc nhầy xung quanh vách tế bào. Nó thường là polysaccharide. Chỉ có vỏ B.anthracis là polypeptide acid D-glutamic. Chúng được tìm thấy trong huyền dịch mực tàu. Chúng được phát hiện dựa trên màu sắc, phản ứng phình vỏ hoặc bằng kỹ thuật nhuộm. Ngoài ra, quá trình đột biến hình thành vỏ cũng rất dễ nhận biết. Nhiệm vụ của nó là bảo vệ vi khuẩn chống thực bào và virus muốn gắn vào vách.
6.3 Màng tế bào chất (màng nguyên tương)
Màng tế bào chất là màng bán thấm với độ dày khoảng 10 nm, sát vách tế bào. Nó được chứng minh sự hiện diện bằng ly tương hoặc nhuộm với xanh Victoria 4R. Nó chứa 60 – 70% lipit, 20 – 30% protein và ít hydrat cacbon. Màng nguyên tương ngăn chặn khả năng thẩm thấu của tế bào cũng như phẩm vật xâm nhập. Đồng thời, nó còn hỗ trợ xúc tác quá trình vận chuyển. Ngoài ra, lớp màng này còn chứa nhiều hệ thống enzyme với chức năng giống với ti lạp thể. Những chỗ lõm ở màng sinh tương có tên là mạc thể. Ở khuẩn Gram dương, mạc thể phát triển thành hình nhiều lá đồng tâm. Còn với Gram âm, mạc thể chỉ là vết nhăn bình thường.
6.4 Tế bào chất (nguyên tương)
Tế bào chất được bao bọc bởi màng nguyên tương gel. Nó có đến 80% nước, protein có tính chất enzyme, cacbohydrat, lipid, ion vô cơ và một số hợp chất khác. Nguyên tương số lượng lớn hạt hình cầu đường kính 18 nm, gọi là ribosome. Ngoài ra, còn có các hạt dự trữ glycogen, granulosa hoặc polymetaphotphat.
6.5 Ribosome
Đây là nơi sản xuất và tổng hợp protein, do các hạt RNA tạo thành.
6.6 Thể nhân
Thể nhân được phát hiện dưới kính hiển vi ánh sáng sau nhuộm hoặc soi trực tiếp. Chúng có thể có hình cầu, que, quả tạ hoặc chữ V. Nhân không có màng nhân và bộ máy phân bào. Nó chỉ là sợi DNA trọng lượng phân tử 3×109 dallon. Đồng thời, chứa duy nhất một nhiễm sắc thể dài khoảng 1mm nếu không xoắn. Nhân nối liền ở một đầu với thể mạc giúp tách rời 2 nhiễm sắc thể con sau khi tách đôi sợi nhiễm sắc thể mẹ. Màng nguyên tương tự động như một bộ máy gián phân với mạc thể có nhiệm vụ thai vô sắc.
6.7 Tiêu mao, nhung mao
Bộ phận này quyết định đến tính di động. Lông dài 3 – 12 mm hình sợi gợn sóng với độ mảnh là 10 – 20 nm. Do đó, cần nhuộm với axit tannic để hình thành kết tủa dày lông giúp dễ nhận biết. Lông nằm dưới màng nguyên tương và chuyển động xoay tròn. Protein hình thành tập hợp các đơn vị phụ gọi là flagellin dưới dạng cấu trúc hình trụ rỗng. Cách thức mọc lông là đặc tính di truyền. Lông giúp duy trì cân bằng cơ học và kháng nguyên.
6.8 Pili
Pili là phụ bộ hình sợi, mềm mại, mảnh, có đường kính 2 – 3 nm, độ dài 0,3 – 1nm và mang bản chất protein. Chúng được phát hiện trong màng nguyên tương và xuyên qua vách tế bào. Thành phần này có cả trong khuẩn gram âm và gram dương. Pili F có chức năng và hỗ trợ chúng bám vào niêm mạc cũng như bề mặt khác.
6.9 Nha bào
Các chủng Bacillus, Clostridium và Sporosarcina hình thành nội nha bào. Mỗi tế bào phát sinh một nha bào. Nha bào nằm ở giữa, đầu nút hoặc gần đầu nút. Vách nha bào chứa mucopeptide và axit dipicolinic. Nha bào kháng hóa chất độc do khả năng không thẩm thấu, đề kháng với nhiệt dẫn đến mất nước cao. Với khả năng chịu đựng cao, nha bào có chức năng quan trọng liên quan đến khả năng lây bệnh của trực khuẩn.
7. Các loại vi khuẩn hiện nay
Vi khuẩn được phân loại dựa trên một số tiêu chí sau:
- Hình thái học
- Nhuộm soi
- Sự bao bọc
- Sự yêu cầu oxy
7.1 Hình thái học
- Hình cầu (cầu khuẩn): giống quả bóng với đường kính khoảng 1 μm. Đồng thời, tập hợp thành nhóm liên cầu khuẩn như liên cầu khuẩn viêm họng.
- Hình que (trực khuẩn): có hình que cong với kích thước từ 0,5-1,0-4 μm. Ví dụ như Bacillus anthracis (B. anthracis) hoặc khuẩn bệnh than (anthrax).
- Hình xoắn ốc (xoắn khuẩn) như Leptospirosis, bệnh Lyme và giang mai.
- Hình dấu phẩy: Chỉ có một phần của hình xoắn, điển hình là phẩy khuẩn tả.
- Hình xoắn khuẩn: có hơn 2 vòng xoắn với kích thước 0,5-3-5-40 μm. Hầu hết đều thuộc loại hoại sinh. Còn lại ít gây bệnh hơn như xoắn khuẩn giang mai, Leptospira, Borrelia.
- Các hình dạng khác: Song cầu (Diplococci) là cầu khuẩn tạo thành từng cặp như phế cầu. Những cầu khuẩn tập hợp thành chuỗi gọi là liên cầu khuẩn (Streptococci). Còn nếu tạo thành chùm nho gọi là tụ cầu (Staphylococci).
7.2 Nhuộm soi
Nhuộm Gram giúp xác định loại vi khuẩn. Khuẩn Gram dương giữ lại thuốc nhuộm tinh thể màu tím (xanh đậm). Còn gram âm thể hiện màu đỏ. Chúng có màng ngoài bổ sung chứa lipopolysaccharide (endotoxin) làm tăng độc tính. Phương pháp nhuộm Ziehl-Neelsen và Kinyoun là nhuộm acid giúp định hình mycobacteria, nhất là M. tuberculosis. Đồng thời, xác định một số vi khuẩn gram dương Nocardia, động vật đơn bào. Nhuộm huỳnh quang (auramine-rhodamine) giúp phát hiện sinh vật có tính axit. Tuy nhiên, cần được soi dưới kính hiển vi huỳnh quang đặc biệt.
7.3 Sự bao bọc
Một số vi khuẩn có vỏ nang như Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae. Nó giúp bảo vệ chúng khỏi các tế bào thực bào nuốt. Chưa kể, nó còn làm tăng độc tính.
7.4 Sự yêu cầu oxy
- Vi khuẩn hiếu khí (hiếu khí bắt buộc) cần oxy để sản sinh năng lượng và phát triển trong môi trường nuôi cấy. Năng lượng được tạo ra trong quá trình hô hấp hiếu khí.
- Vi khuẩn kị khí (bắt buộc kị khí) không cần oxy. Chúng không thể phát triển trong môi trường có không khí. Năng lượng được sản xuất thông qua quá trình lên men và hô hấp kị khí. Chúng có nhiều ở hệ tiêu hoá, sinh dục nữ, kẽ răng miệng,…
- Vi khuẩn gây bệnh có thể phát triển ở mọi điều kiện môi trường. Chúng tạo ra năng lượng thông qua lên men hoặc hô hấp kị khí khi thiếu oxy hoặc có oxy. Microaerophilic thích sức căng oxy giảm (ví dụ, từ 2 đến 10%). Còn Chlamydiae là ký sinh trùng nội bào nhận năng lượng từ tế bào chủ chứ không tự sản sinh được.
8. Sinh lý của vi khuẩn
8.1 Dinh dưỡng
Vi khuẩn hấp thụ dinh dưỡng theo nhiều cách khác nhau.
- Vi khuẩn dị dưỡng tiêu thụ carbon hữu cơ để sản sinh và hấp thụ năng lượng. Đa phần là các chất hữu cơ chết như thịt phân hủy. Một số chủng ký sinh có thể giết chết hoặc hỗ trợ vật chủ.
- Vi khuẩn tự dưỡng tạo ra thức ăn bằng cách:
– Quang hợp: Dùng ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide.
– Tổng hợp hóa học: Dùng carbon dioxide, nước và các hóa chất (amoniac, nitơ, lưu huỳnh,…) - Vi khuẩn quang dưỡng lấy dinh dưỡng thông qua quang hợp. Các chủng như vi khuẩn lam (tảo lam) sẽ sản sinh oxy. Đây là nguồn cung cấp oxy quan trọng trong bầu khí quyển. Một số khác như heliobacteria, thường trong hệ tiêu hóa, không tạo ra oxy.
- Vi khuẩn dùng hóa tổng hợp có tên là hóa dưỡng. Chúng tồn tại ở các lỗ thông nhiệt của đại dương và rễ của một số loại đậu. Cụ thể là cỏ ba lá, đậu Hà Lan, đậu lăng,…
8.2 Sinh sản của vi khuẩn
Cùng BCC tìm hiểu ngày một số hình thức sinh sản của vi khuẩn:
Nhân lên bằng nguyên phân
Ở vi khuẩn đơn bào, quá trình nhân lên bằng phân liệt làm tăng số lượng vi khuẩn nuôi cấy. Mỗi thế hệ là sự tăng đôi tế bào trong khoảng thời gian cần thiết. Tùy chủng loại mà có thời gian thế hệ tương ứng. Ví dụ: 20 phút ở S.aureus E.coli, 20 – 24 giờ ở vi khuẩn lao.
Bào tử
Trong môi trường cạn kiệt dinh dưỡng, vi khuẩn có thể tạo bào tử. Từ đó, tăng khả năng chống chịu với môi trường khắc nghiệt. Chúng chứa vật chất di truyền và enzyme cần thiết để duy trì sự sống. Vi khuẩn có thể tạo nội bào tử hoặc ngoại bào tử, được gọi là u nang. Clostridium là ví dụ điển hình hình thành nội bào tử. Có khoảng 100 loài Clostridium. Một số loài gây ngộ độc, viêm đại tràng, thậm chí tử vong.
Vi khuẩn chỉ sinh sản vô tính, không sinh sản hữu tính (tái tổ hợp di truyền). Chúng sinh sản bằng hình thức chia đôi, hay trực phân. Một tế bào phân chia thành 2 tế bào con bằng cách tạo vách ngăn đôi. Dù không có sinh sản hữu tính, một số biến dị, đột biến vẫn xảy ra nhờ tái tổ hợp di truyền. Nhờ đó, chúng được nhận một số đặc tính di truyền từ mẹ. Có ba kiểu tái tổ hợp di truyền:
- Biến nạp: chuyển DNA trần giữa các tế nào nhờ môi trường lỏng bên ngoài.
- Tải nạp: chuyển DNA thông qua thể thực khuẩn.
- Giao nạp: chuyển DNA giữa các khuẩn thông qua cấu trúc protein (pilus – lông giới tính).
Vi khuẩn, sau khi nhận DNA, sẽ tiến hành phân chia và truyền gen tái tổ hợp cho thế hệ sau. Một số loài có plasmid chứa DNA ở ngoài nhiễm sắc thể. Trong điều kiện thích hợp, chúng tập hợp thành các khúm có thể nhìn thấy như bacterial mat.
8.3 Hô hấp
Hô hấp là quá trình trao đổi chất, tạo năng lượng để hình thành chất mới. Các vi khuẩn gây bệnh thu nhận năng lượng từ một cơ chất cacbon nhờ oxy hoá. Nhiều loài dùng oxy tự nhiên để oxy hóa coenzyme khử. Tuy nhiên, một số loại không dùng oxy tự do nên kém phát triển trong môi trường có oxy tự do.Bên cạnh đó, có một số loại vi khuẩn hiếu khí tồn tại và phát triển được trong môi trường không có không khí.
8.4 Chuyển hóa
Vi khuẩn sinh sản và phát triển nhờ enzyme mang bản chất protein. Mỗi loại có hệ thống enzyme tương ứng khác nhau. Chúng có khối lượng lớn và dễ bị phá hủy bởi nhiệt. Enzyme được phân loại dựa theo tính chất phản ứng như enzym thủy phân, oxy hoá, khử hidro, CO2,… Dựa theo chất bị tác dụng, có enzyme phân hủy protein, glucid, acid nucleic,… Dựa theo vị trí, có enzyme nội bào hoặc ngoại bào. Enzyme nội bào tham gia vào quá trình chuyển hóa. Còn enzyme ngoại bào giúp phân hủy thành các chất nhỏ và dễ tiêu thụ.
Trong quá trình chuyển hóa, một số chất được hình thành như nội độc tố, ngoại độc tố và chất kháng kháng sinh. Ngoại độc tố tiết ra ngoài tế bào là protein tan được trong nước, độc tố rất cao. Nội độc tố mang chất độc của trực khuẩn gram âm. Độc lực của nội độc tố không mạnh bằng ngoại độc tố. Nó nằm trong vách của vi khuẩn và giải phóng khi chúng bị tiêu diệt.
8.5 Sự trao đổi chất
Vi khuẩn thể hiện sự đa dạng trong trao đổi chất. Nó được phân loại dựa trên nguồn năng lượng, chất nhận electron và nguồn carbon. Quang dưỡng và quang hóa là hai phương thức lấy năng lượng chính. Còn lithotrophs và organotrophs sử dụng hợp chất vô cơ và hữu cơ tương ứng. Việc chọn lựa các hợp chất này ảnh hưởng đến phân loại và chức năng sinh thái. Một số khuẩn như diazotrophs, có khả năng cố định nitơ, đóng vai trò quan trọng trong quá trình khử nitơ và sinh thái môi trường.
Quá trình trao đổi chất của chúng cũng đóng góp vào các vấn đề môi trường. Chẳng hạn như tạo ra các dạng thủy ngân độc hại hoặc giảm thiểu năng lượng thông qua lên men. Sự linh hoạt của vi khuẩn kỵ khí trong chuyển đổi giữa các quá trình trao đổi chất làm chúng trở thành yếu tố quan trọng trong quản lý môi trường.
8.6 Di truyền học của vi khuẩn
Các vi khuẩn thường có một nhiễm sắc thể hình tròn, với kích thước DNA biến đổi từ 160.000 cặp bazơ đến 12.200.000 cặp bazơ. Ngoại lệ bao gồm các loại chứa nhiễm sắc thể tuyến tính hoặc nhiều nhiễm sắc thể. Chúng có thể mang plasmid, DNA ngoại sắc chứa gen quan trọng như kháng kháng sinh. Bộ gen mã hóa từ vài trăm đến vài nghìn gen, thường liên tục và ít intron hơn so với sinh vật nhân thực.
Vi khuẩn thừa hưởng giống hệt bản sao gen của bố mẹ, nhưng có thể tiến hóa thông qua đột biến gen. Đột biến có thể xuất phát từ sai sót sao chép DNA hoặc gặp đột biến. Tỉ lệ đột biến khác nhau giữa các loài và dòng vô tính. Vi khuẩn cũng chuyển gen qua các cơ chế như biến nạp, tải nạp và tiếp hợp. Việc chuyển gen ngang giữa các loài có thể xảy ra, có thể dẫn đến sự chuyển giao kháng kháng sinh và có ảnh hưởng đáng kể trong tự nhiên.
Xem thêm:
- Vi khuẩn là gì? Sinh vật cần thiết cho mọi hoạt động sống
- Virus là gì? Chi tiết đặc điểm và một số ứng dụng
9. Lợi ích của vi khuẩn là gì?
Không phải tất cả vi khuẩn đều có hại. Một số còn mang đến nhiều lợi ích bất ngờ. Con người thậm chí không thể sống nếu thiếu oxy do hoạt động của chúng tạo ra. (4) Tùy chủng loại, số lượng và vị trí xuất hiện, chúng có thể có lợi hoặc hại.
9.1 Lợi khuẩn
-
Sự sống con người
Vi khuẩn giúp hỗ trợ cân bằng hệ tiêu hóa phân hủy. Cụ thể là tăng cường khả năng hấp thu chất dinh dưỡng và cải thiện tiêu hóa. Chúng còn có thể hạn chế bệnh tật bằng cách chiếm đóng nơi cư trú của chúng. Thậm chí, chúng còn có thể tấn công và tiêu diệt mầm bệnh. Nhiều vi khuẩn được tìm thấy sống cộng sinh trong cơ thể người hay các sinh vật khác. Vi khuẩn cộng sinh trong ruột già còn ngăn chặn hại khuẩn phát triển.
-
Cố định nitơ
Vi khuẩn giúp tổng hợp và cố định nitơ cho thực vật. Đồng thời, hỗ trợ quá trình nảy mầm. Chúng lấy nitơ cho cây và thải ra để cây sử dụng khi chúng chết. Sinh vật sống trong nốt rễ biến nitơ thành ammoniac bằng enzyme tiết ra. Một số loại khác lại lấy phân tử khí nitơ làm nguồn nitơ và chuyển nitơ thành các hợp chất nitơ. Nó được gọi là quá trình cố định đạm.
-
Công nghệ thực phẩm
Vi khuẩn axit lactic cùng men và nấm được sử dụng phổ biến trong công nghệ thực phẩm. Chẳng hạn như đậu nành, sữa chua, pho mát, nước tương, giấm, dưa chua,… Không chỉ bảo quản thực phẩm tốt mà còn mang đến nhiều lợi ích cho sức khỏe. Đặc biệt là hệ tiêu hóa. Hoặc tạo ra các hợp chất mới như axit lactic giúp chống viêm.
-
Ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu
Vi khuẩn giúp phân giải các hợp chất hữu cơ giúp xử lý nước thải độc hại và sự cố tràn dầu. Một số nhóm vi sinh “chuyên hóa” rất quan trọng trong việc hình thành khoáng chất từ nhóm hợp chất hữu cơ. Điều này giúp nó được ứng dụng trong công nghiệp và cải thiện sinh học.
-
Công nghiệp dược phẩm và sản xuất hóa chất
Vi khuẩn được ứng dụng trong sinh học phân tử, hóa sinh và nghiên cứu di truyền. Bởi chúng có thể phát triển nhanh chóng và dễ sử dụng nhằm hỗ trợ nghiên cứu hoạt động của gen và enzyme.
-
Tạo ra kháng sinh
Bacillus thuringiensis (Bt) được sử dụng như thuốc bảo vệ thực vật. Từ đó, ngăn chặn các hậu quả do thuốc trừ sâu gây ra. Áp dụng công nghệ sinh học, các vi khuẩn có thể được “thiết kế” để sản xuất dược phẩm như insulin,…
9.2 Hại khuẩn
Vi khuẩn có hại gây ra một số bệnh ở người, đặc biệt là hệ tiêu hóa. Chẳng hạn như uốn ván (tetanus), sốt thương hàn (typhoid fever), giang mai (syphilis), tả (cholera),… Khi xâm nhập, hệ thống miễn dịch sẽ được kích hoạt để tiêu diệt chúng. Nó dẫn đến các triệu chứng sưng và viêm. Chưa kể, một số khuẩn còn biến đổi kháng kháng sinh do lạm dụng. Điều này khiến quá trình điều trị khó khăn và nguy hiểm hơn.
10. Phân biệt virus và vi khuẩn
Vi khuẩn và virus được phân biệt dựa trên một số đặc điểm. Cụ thể là cấu trúc, kích thước, hình dạng và cách sinh sản.
10.1 Cấu trúc
Vi khuẩn không có nhân và bao gồm mọi đặc điểm của sinh vật sống. Các tế bào vi khuẩn chứa DNA nằm trong tế bào chất và bào quan. Nhờ đó, chúng có thể sinh sản và lấy năng lượng từ môi trường.
Virus tồn tại và phát triển dưới dạng hạt axit nucleic được bao quanh bởi protein. Một số loại virus có màng bổ sung là vỏ. Chúng giúp virus xâm nhập bằng cách hợp nhất với màng tế bào và thoát ra bằng nảy chồi. Một số virus không có vỏ thường thâm nhập thông qua nhập bào và thoát ra bằng xuất bào hoặc ly giải tế bào.
10.2 Kích thước và hình dạng
Vi khuẩn có đa dạng hình dáng và kích thước. Một số hình dạng phổ biến là hình que, hình cầu và xoắn ốc. Kích thước rơi vào khoảng 200-1000 nm. Một số tế bào lớn có thể được nhìn thấy bằng mắt thường.
Hình dạng và kích thước của Virus phụ thuộc vào lượng axit nucleic và protein chứa trong đó. Virus thường có hình que, đa diện hoặc nón. Một số virus có hình dạng phức tạp hơn do sợi đuôi protein kéo dài và gắn trong vỏ bọc.
10.3 Cách thức sinh sản
Cách thức sinh sản của vi khuẩn và virus hoàn toàn khác biệt. Vi khuẩn sinh sản vô tính bằng cách phân hạch nhị phân. Một tế bào duy nhất được sao chép và phân chia thành tế bào giống hệt. Trong điều kiện thuận lợi, vi khuẩn có thể tăng trưởng với cấp số nhân.
Còn virus chỉ sinh sản sao chép nhờ tế bào sống trợ giúp. Bởi chúng không có bào quan cần thiết cho sự sinh sản. Trong quá trình sao chép, virus vận chuyển vật liệu di truyền vào tế bào. Sau đó, virus sẽ hình thành, phá vỡ tế bào và lây nhiễm sang tế bào khác.
11. Tạm kết
Vi khuẩn là các sinh vật nhỏ vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại của cuộc sống trên Trái Đất. Chúng không chỉ đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, duy trì cân bằng sinh học mà còn mang lại nhiều lợi ích trong lĩnh vực y học, công nghiệp và nông nghiệp. Mặc dù nhỏ bé, nhưng chúng lại có ảnh hưởng sâu sắc đến hệ sinh thái và sự phát triển của loài người, đồng thời mở ra những cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng khoa học. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Vi sinh vật trong mọi lĩnh vực.
