Vi sinh vật là gì? Đặc điểm, phân loại và ứng dụng chi tiết

Vi sinh vật với khả năng chuyển hóa mạnh mẽ và sinh sản nhanh chóng tạo nên hệ sinh thái đa dạng sinh vật và ứng dụng hiệu quả mọi lĩnh vực

Vi sinh vật là các sinh thể siêu nhỏ có vai trò quan trọng trong hệ sinh thái và nhiều lĩnh vực khoa học. Từ vi khuẩn đến vi rút, vi sinh vật không chỉ góp phần duy trì sự cân bằng tự nhiên. Nó còn được ứng dụng trong y học, công nghiệp và nông nghiệp. Khám phá về vi sinh vật giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự đa dạng của cuộc sống. Đồng thời, ứng dụng chúng trong cải thiện chất lượng cuộc sống và sức khỏe con người.

1. Vi sinh vật

Vi sinh vật (Microorganism, microbe) là sinh vật rất nhỏ, phải sử dụng kính hiển vi để quan sát. Chúng tồn tại ở dạng đơn bào hoặc tế bào. Thuật ngữ này không tương đương với bất kỳ đơn vị nào trong sinh giới. Khi nghiên cứu, các nhà khoa học phải sử dụng phương pháp nuôi cấy vô khuẩn. Chúng là loài xuất hiện đầu tiên trên trái đất và tồn tại ở mọi khu vực sống.
Từ thời cổ đại, đã có những nghi ngờ về sự tồn tại của vi sinh vật. Đến thập niên 1670, nhà khoa học Anton van Leeuwenhoek đã sử dụng kính hiển vi để quan sát “động vật nhỏ”. Ông được coi là nhà sinh vật học đầu tiên.[2][3] Vào thập niên 1850, Louis Pasteur đã phát hiện vi sinh vật có thể khiến thực phẩm hư hỏng, phản bác thuyết tự sinh. Đến thập niên 1880, Robert Koch phát hiện một số vi sinh vật gây bệnh lao, tả, bạch hầu và than.
Vi sinh được ứng dụng trong đa dạng lĩnh vực. Đặc biệt có vai trò quan trọng với sức khỏe con người. Nó được dùng trong sản xuất enzyme, hợp chất hoạt tính sinh học. Ngoài ra, men vi sinh còn được dùng trong lên men thực phẩm và xử lý nước thải. Chưa kể, nó còn là thành phần thiết yếu trong nông nghiệp nhờ khả năng cải tạo đất màu mỡ. Trong cơ thể người, vi sinh vật giúp cải thiện hệ tiêu hóa và tăng cường sức đề kháng. Tuy nhiên, một số loài lại gây bệnh cho con người.

2. Đặc điểm của vi sinh vật

2.1 Kích thước nhỏ

Vi sinh vật rất nhỏ với kích thước trung bình từ 0.2-10μm (1μm = 10-3mm). Con người phải sử dụng kính hiển vi để quan sát hình dạng của chúng.

2.2 Hấp thụ nhiều, chuyển hóa nhanh

Vi sinh vật nhỏ nhưng có khả năng hấp thụ và chuyển hóa mạnh mẽ. Chỉ trong 1 giờ, Lactobacillus có thể phân giải lượng Lactose có khối lượng lớn gấp 1000-10.000 lần so với khối lượng chúng. Với năng lượng chuyển hóa nhanh, vi sinh vật mang đến nhiều lợi ích lớn cho thiên nhiên và cuộc sống.

2.3 Sinh trưởng và phát triển nhanh

Vi sinh vật sinh trưởng và phát triển với tốc độ nhanh hàng đầu. Với vi khuẩn E.coli, trong môi trường phù hợp, cứ 20 phút, chúng lại phân chia 1 lần. Sau 24 giờ, từ 1 tế bào E.coli, có thể hình thành nên 4,7.1021 tế bào.

2.4 Thích nghi tốt, dễ phát sinh biến dị

Vi sinh vật có thể tồn tại ở điều kiện môi trường khắc nghiệt nhất. Phần lớn chúng tồn tại ở môi trường nitơ lỏng (-196 °C). Bởi vậy, hầu hết cơ sở nghiên cứu đều bảo quản chủng vi sinh quý trong nitơ lỏng. Chúng cũng dễ dàng phát sinh biến dị do là tế bào đơn bào, đơn bội. Bởi vậy, chúng có thể sinh trưởng, phát triển nhanh chóng và tiếp xúc trực tiếp với tự nhiên.

2.5 Phân bố rộng, nhiều chủng loại

Vi sinh vật là loại sinh vật xuất hiện đầu tiên trên Trái Đất. Chúng phân bố rộng khắp với đa dạng chủng loại. Ví dụ như trong đất, không khí, thực phẩm, cơ thể người, động vật,… Hiện có khoảng 100.000 loài vi sinh vật. Trong đó, có 30.000 loài động vật nguyên sinh, 2.500 loài vi khuẩn lam, 1.500 loài vi khuẩn, 1.200 loài vi tảo, 1.200 loài virus, rickettsia và 69.000 loài nấm. Do dễ phát sinh đột biến nên số lượng vi sinh lớn hơn nhiều. Điển hình là tăng thêm 1500 loài nấm mới mỗi năm.

Xem thêm:

• Vi khuẩn là gì? Sinh vật cần thiết cho mọi hoạt động sống
• Vi khuẩn có lợi – Chìa khóa đa năng cho cuộc sống đột phá

3. Phân loại và cấu trúc

3.1 Tiến hóa

Vi sinh vật đơn bào là dạng sinh vật sống đầu tiên trên Trái Đất, khoảng 3,5 tỷ năm trước. Chúng có xu hướng tiến hóa với tốc độ tương đối nhanh. Hầu hết chúng đều có thể tự sinh sản nhanh chóng. Còn vi khuẩn có thể tự do trao đổi gen nhờ tiếp hợp, biến nạp và tải nạp. Phép chuyển gen ngang thúc đẩy quá trình tiến hóa của vi sinh vật để thích nghi với áp lực môi trường. Đây là tiến trình thiết yếu trong y học. Bởi nó dẫn đến phát triển vi khuẩn gây bệnh kháng thuốc.
Năm 2012, một chủng loại vi sinh vật chuyển tiếp tồn tại giữa sinh vật nhân sơ và nhân thực được tìm thấy. Parakaryon myojinensis có kích thước nhỏ. Vật chất của nhân được bọc bởi lớp màng như ở sinh vật nhân thực. Từ đó, sinh ra hiện tượng nội cộng sinh. Đây là dạng tiến hóa đầu tiên của chúng. Nó thể hiện quá trình phát triển từ sinh vật nhân sơ thành nhân thực.

3.2 Cổ khuẩn

Đây là sinh vật đơn bào nhân sơ với vực sống đầu tiên trong hệ thống ba vực của Carl Woese. Những sinh vật này không có nhân tế bào và bào quan liên kết màng. Cổ khuẩn khác vi khuẩn cả về mặt di truyền và hóa sinh. Màng tế bào vi khuẩn được tạo ra từ phosphoglyceride với liên kết ester. Còn màng cổ khuẩn được hình thành từ ether lipid. Ban đầu chúng là các sinh vật ưa cực tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt. Tuy nhiên, chúng lại được phát hiện ở mọi loại sinh cảnh.
Các vực chứa cả cổ khuẩn và vi khuẩn giúp hình thành đa dạng nhóm sinh vật. Chúng được tìm thấy trong đất, nước, không khí, suối nước nóng hoặc sâu bên trong lớp vỏ Trái Đất. Số lượng sinh vật nhân sơ rơi vào khoảng 5×1030, chiếm đến một nửa sinh khối trên Trái Đất. Tính đa dạng sinh học của sinh vật nhân sơ cũng không nhỏ. Năm 2016, ước tính có khoảng 1 nghìn tỷ loài trên Trái Đất, chủ yếu là vi sinh vật. Tế bào cổ khuẩn ở một số loài tổng hợp và chuyển DNA thông qua tiếp xúc trực tiếp. Nhất là trong môi trường gây tổn hại DNA.

3.3 Vi khuẩn

Vi khuẩn cũng là một trong những sinh vật nhân sơ – đơn bào. Chúng có kích thước nhỏ, chỉ được nhìn thấy dưới kính hiển vi. Chúng hoạt động và sinh sản dưới dạng tế bào đơn lẻ. Tuy nhiên, một số ít tổng hợp thành tập đoàn đa bào như vi khuẩn nhầy và E.coli. Bộ gen thưởng là nhiễm sắc thể nhân sơ. Dù có thể chứa các đoạn DNA nhỏ (plasmid). Vi khuẩn có thành tế bào bao quanh giúp bảo vệ và tạo độ cứng cho tế bào. Phương thức sinh sản là trực phân, một số ít mọc chồi.
Một số loài có thể vận chuyển DNA nhờ chuyển gen ngang (biến nạp tự nhiên).[62] Một số loài hình thành nội bào tử có thể phục hồi nhanh chóng. Đây được coi là cơ chế tồn tại của vi khuẩn. Trong điều kiện tối ưu, số lượng vi khuẩn có thể tăng sinh gấp đôi nhanh chóng chỉ sau mỗi 20 phút.

3.4 Sinh vật nhân thực

Hầu hết sinh vật sống được nhìn bằng mắt thường ở dạng trưởng thành là sinh vật nhân thực. Thế nhưng, nhiều sinh vật nhân thực còn là vi sinh vật. Sinh vật nhân thực chứa một số bào quan như nhân tế bào, bộ máy Golgi và ty thể. Nhân là một bào quan chứa DNA quy định bộ gen. Còn DNA được sắp xếp trong nhiễm sắc thể phức tạp. Ty thể hỗ trợ trao đổi chất. Bởi đây là nơi diễn ra chu trình acid citric và phosphoryl oxy hóa. Chúng tiến hóa từ vi khuẩn cộng sinh và một chút gen còn lại. Tế bào thực vật có thành tế bào chứa lục lạp ngoài những bào quan khác. Lục lạp điều chế năng lượng từ ánh sáng nhờ quang hợp.
Sinh vật nhân thực đơn bào chỉ có một tế bào duy nhất trong suốt vòng đời. Nó rất quan trọng bởi hầu hết sinh vật nhân thực đa bào chỉ có hợp tử từ khi bắt đầu sự sống. Chúng có thể là đơn bội hoặc lưỡng bội. Một số sinh vật còn có nhiều nhân tế bào. Chúng thường sinh sản bằng phương thức vô tính nhờ nguyên phân. Trong điều kiện nghèo nàn chất dinh dưỡng và một số vấn đề liên quan đến gây hại DNA, chúng sẽ sinh sản hữu tính bằng giảm phân và thụ tinh.

Sinh vật nguyên sinh

Sinh vật nguyên sinh, chủ yếu là đơn bào có kích thước rất nhỏ. Nhóm vi sinh vật này đa dạng đến mức rất khó phân loại. Một số loài tảo (sinh vật nguyên sinh đa bào và nấm nhầy) có chu kỳ sống độc nhất liên quan đến chuyển đổi giữa đơn bào, khuẩn lạc và đa bào.[70] Các sinh vật nguyên sinh rất đa dạng. Tuy nhiên, nhiều quần xã vi sinh nhân thực vẫn chưa được tìm thấy.

Nấm

Nấm có một số loài đơn bào như nấm men làm bánh (Saccharomyces cerevisiae) và nấm men phân tách (Schizosaccharomyces pombe). Một số nấm gây bệnh như Candida albicans có thể biến đổi dưới nhiều dạng kiểu hình. Đồng thời, phát triển dưới dạng tế bào đơn lẻ và sợi nấm tùy môi trường.

Thực vật

Tảo lục là nhóm sinh vật nhân thực quang hợp. Dù một số loài được phân loại là sinh vật nguyên sinh. Tuy nhiên, một số khác như luân tảo được phân loại cùng thực vật có phôi thuộc nhóm thực vật trên cạn. Chúng phát triển dưới dạng tế bào đơn lẻ hoặc chuỗi dài. Tảo lục chứa trùng roi khuẩn lạc và đơn bào cũng như nhiều dạng khuẩn lạc, dâu khuẩn và dạng sợi. Ở Charales, các tế bào biệt hóa thành mô riêng biệt. Có khoảng 6.000 loài tảo lục.

4. Sinh thái học

Vi sinh vật phổ biến ở mọi môi trường tự nhiên, từ cực Bắc đến cực Nam, sa mạc, đại dương và độ sâu biển. Có loại vi sinh vật ưa cực thích nghi với môi trường khắc nghiệt, thậm chí sống ở độ sâu 7 km dưới bề mặt Trái Đất và có khả năng tồn tại trong không gian. Một số khác cộng sinh với sinh vật lớn hơn, mang lại lợi ích hoặc gây hại. Vi khuẩn sử dụng mạng lưới điều hoà để thích nghi với môi trường và kiểm soát phản ứng dựa trên biến đổi môi trường. Cụ thể là tương tác giữa các DNA, RNA, protein và chất trao đổi giúp điều hòa biểu hiện gen. Mạng lưới này giúp vi sinh vật phối hợp và tích hợp tín hiệu môi trường, đóng vai trò quan trọng trong chu trình sinh địa hóa bằng cách phân hủy và cố định đạm. Cùng BCC khám phá ngay.

4.1 Sinh vật ưa cực

Sinh vật ưa cực là nhóm vi sinh vật phát triển ở điều kiện khắc nghiệt nhất. Các sinh vật ưa nhiệt độ cao có thể phát triển ở nhiệt độ đến 130 °C. Ngược lại, sinh vật ưa lạnh có thể tồn tại ở nhiệt độ cực thấp, thậm chí là −17 °C. Đối với những sinh vật ưa mặn như Halobacterium salinarum, chúng có thể phát triển ở mức độ muối cao đến mức bão hòa.
Sinh vật ưa kiềm có thể tồn tại ở môi trường có độ pH kiềm từ 8,5–11. Còn sinh vật ưa acid có thể phát triển ở mức độ pH dưới 2,0. Sinh vật ưa áp suất thuỷ tĩnh prospers ở áp suất rất cao, từ 1.000–2.000 atm đến 0 atm.
Nhiều sinh vật ưa cực, như Deinococcus radiodurans, có thể chống lại tác động của tia X, với khả năng chống phóng xạ lên đến 5k Gy. Không chỉ mở rộng sự sống trên Trái Đất, chúng còn có thể được ứng dụng trong công nghệ sinh học, nhờ cơ chế tiến hóa độc đáo. Quan trọng hơn, khả năng tồn tại của sinh vật ưa cực trong môi trường khắc nghiệt mở đường cho tiềm năng tìm kiếm sự sống ngoài trái đất. Đồng thời, mở ra nhiều triển vọng mới.

4.2 Thực vật và đất

Quá trình chu trình nitơ trong đất chủ yếu phụ thuộc vào khả năng cố định nitơ từ khí quyển, với sự hỗ trợ của một số sinh vật đặc biệt. Tại nốt sần rễ của cây họ đậu, vi khuẩn thuộc các chi Rhizobium, Mesorhizobium, Sinorhizobium, Bradyrhizobium, và Azorhizobium đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Rễ cây không chỉ tạo ra một khu vực hỗ trợ chật hẹp. Chúng còn tạo điều kiện sống cho quần xã vi sinh vật rễ, bao gồm nhiều loại vi sinh vật khác nhau. Các thành viên trong quần xã này có khả năng tương tác với nhau và với cây xung quanh thông qua tín hiệu và tác nhân. Ví dụ, qua cơ chế giao tiếp hóa học, nấm rễ cộng sinh có thể tương tác với hệ thống rễ của nhiều loại cây, tạo ra một mối quan hệ cộng sinh. Tuy nhiên, các tín hiệu này có thể bị “nghe lén” bởi các vi sinh khác, như vi khuẩn đất Myxococcus xanthus, chuyên ăn thịt các vi khuẩn khác.
Hiện tượng “nghe lén” và cản trở tín hiệu có thể có ảnh hưởng lớn đến quá trình tiến hóa. Ví dụ, cặp tín hiệu-nhận tin, như thực vật-vi sinh vật, có thể mất khả năng giao tiếp với quần thể lân cận do sự thay đổi của những loài “nghe lén”. Để thích nghi và tránh xa những loài này, phân hóa tín hiệu trở thành một giải pháp, khiến chúng bị cô lập và không thể tương tác với các quần thể khác.

4.3 Cộng sinh

Địa y là hiện tượng cộng sinh nấm vĩ mô với tảo vi sinh quang hợp hoặc với vi khuẩn lam.

5. Sự phân bố vi sinh vật trong cơ thể con người

Trên cơ thể người, có khoảng 200 vi sinh vật tồn tại. Cụ thể:

5.1 Trên da

Da tiếp xúc trực tiếp với nhiều vi sinh, gồm cả những loại ký sinh trên da. Chúng lấy thức ăn trên da từ chất tiết của tuyến bài tiết. Những vùng da ẩm thường là nơi cư trú của nhiều loại vi sinh. Chẳng hạn như da đầu, da mặt, kẽ ngón tay, chân,… Tùy vị trí, số lượng trung bình khoảng 102 – 103 vi sinh vật/cm2 da.
Một số chủng loại tồn tại trên da như:

• Cầu khuẩn gram dương (Peptostreptococcus, Micrococcus sp., S.epidermidis)
• Trực khuẩn gram dương (Propionibacterium, Corynebacterium, Bacillus, Diphtheroid)
• Tắm rửa thường xuyên hạn chế đến 90% vi sinh vật trên da. Tuy nhiên, chúng nhanh chóng được bổ sung từ các tuyến bài tiết và vùng lân cận. Bởi vậy, con người cần vệ sinh sạch sẽ để giảm thiểu tối đa vi khuẩn.

5.2 Ở đường hô hấp

• Ở mũi: Corynebacterium, S.epidermidis, S.aureus và Streptococcus
• Ở họng miệng: Chủ yếu là liên cầu khuẩn
• Ở đường hô hấp trên: Adeno, S.pneumoniae, Herpes, M.Catarrhalis, Rhino, Streptococcus, S.aureus
• Ở đường hô hấp dưới: thường không có.

5.3 Ở đường tiêu hoá

• Ở miệng: Nơi đây có số lượng lớn vi khuẩn do điều kiện thuận lợi bên trong khoang miệng. Một số vi khuẩn tồn tại: liên cầu khuẩn (S.sanguinis, S.mitis, S.Mutans.), cầu khuẩn kị khí (Veillonella, Peptostreptococcus), tụ cầu (S.epidermidis), Lactobacillus, song cầu gram âm (Moraxella catarrhalis, Neisseria), S.aureus, Enterococcus,…
• Trong dạ dày: Hầu hết chúng đều bị phá hủy ở dạ dày. pH axit ở dạ dày đảm bảo lượng vi sinh vật tối thiểu là 103 vi sinh vật/gram thức ăn. H.Pylori và vi khuẩn lao là một số chủng trong dạ dày. H.pylori khiến người nhiễm tiến triển thành bệnh loét dạ dày – tá tràng.
• Vi sinh vật ở ruột: pH ở ruột >7, có tính kiềm. Do ít enzyme ly giải nên số lượng vi sinh ít. Càng xuống dưới, số lượng càng tăng dần. Ở tá tràng, có 103 vi khuẩn/ml dịch. Còn ở đại tràng, con số này là 108 – 1011 vi sinh vật/gram phân. Chúng chiếm đến 10 – 30% khối lượng phân.
• Vi khuẩn trong ruột non: Enterococcus, Lactobacillus, Candida albicans.
• Vi khuẩn trong đại tràng người: vi khuẩn kỵ khí (Bacteroides, Lactobacillus, Clostridium, Peptococcus), vi khuẩn ưa khí, kỵ khí tùy ngộ (E.coli, Proteus, Klebsiella, Lactobacillus, Enterobacter, Enterococcus, B.cereus,…). Các vi khuẩn này giúp tổng hợp vitamin A, chuyển hóa sắc tố mật, tăng khả năng hấp thu chất dinh dưỡng và chống lại các tác nhân gây bệnh.

5.4 Ở đường tiết niệu

Vi sinh vật thường không có ở đường tiết niệu vô trùng và nước tiểu. Chỉ ở phía ngoài cùng đường tiết niệu niệu đạo có một ít vi khuẩn. Ví dụ như: E.coli, Enterococcus faecalis, Proteus,… Chúng có thể ở trong nước tiểu đầu với 104 vi sinh vật/ml.

5.5 Trong cơ quan sinh dục

• Ở trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ: Âm đạo chứa một số vi khuẩn như Lactobacillus acidophilus, cầu khuẩn và trực khuẩn (E.coli).
• Ở phụ nữ tuổi dậy thì đến mãn kinh: Mô âm đạo chứa số lượng lớn glycogen do estrogen trong máu. Lactobacillus hỗ trợ chuyển hóa glycogen thành axit lactic. Điều này quy định tính axit của pH âm đạo (pH 4 – 5). Từ đó, có khả năng chống lại vi khuẩn và nấm. Khi người phụ nữ bước sang tuổi mãn kinh hoặc sử dụng thuốc kháng sinh, Lactobacillus bị ức chế khiến nấm và vi khuẩn phát triển mạnh. Một số sinh vật tồn tại gồm: Lactobacillus, Bacteroides, Peptostreptococcus, S.epidermidis, G.vaginalis, liên cầu nhóm B, C.albicans,…
• Vi sinh vật cả có lợi và hại luôn tồn tại trong cơ thể con người. Do đó, cần duy trì chế độ ăn uống, rèn luyện và vệ sinh sạch sẽ để cân bằng hệ vi sinh. Từ đó, hạn chế tối đa vi khuẩn có hại.

6. Môi trường sống của vi sinh vật

6.1 Môi trường nước

Mỗi môi trường nước sẽ có tính chất vật lý và hóa học riêng biệt. Do đó, các vi sinh vật cũng được phân phối tùy theo đặc trưng của từng môi trường. Chúng có mặt ở khắp mọi nơi trong nguồn nước. Một số yếu tố quyết định đến sự phân bố vi sinh vật bao gồm: chất hữu cơ, độ pH, nhiệt độ, ánh sáng và muối.
Nguồn nhiễm của vi sinh vật còn đến từ một số môi trường khác. Điển hình là đất hoặc chất thải của con người, động vật. Các môi trường nước đặc trưng phải kể đến như: nước nguyên chất, nước ngọt, nước ngầm và nước suối, nước ở ao hồ và sông, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước mặn nên cần phải xử lý qua lọc tổng đầu nguồn.

6.2 Môi trường đất

Đất là môi trường thích hợp cho nhiều loại vi sinh vật phát triển do chứa lượng lớn chất hữu cơ. Một số nhóm vi sinh vật tiêu biểu là vi khuẩn, vi nấm, xạ khuẩn, tảo, virus, nguyên sinh động vật. Trong đó, vi khuẩn chiếm số lượng lớn nhất. Bao gồm: vi khuẩn kị khí, hiếu khí, tự dưỡng, dị dưỡng,… Nếu phân theo nguồn dinh dưỡng thì có tự dưỡng cacbon, dị dưỡng amin, vi khuẩn cố định nitơ,… Trên mặt đất, số lượng vi sinh vật ít hơn. Đó là do độ ẩm không thích hợp và ánh nắng mặt trời khiến chúng khó tồn tại. Trong đất, những khu vực giàu hữu cơ, chất mùn với độ ẩm thích hợp có nhiều sinh vật hơn so với đầm lầy, cống rãnh, ao hồ,… Bên cạnh đó, những nơi nhiều cát và đá cũng có ít vi sinh vật.

6.3 Môi trường không khí

Môi trường không khí cũng tồn tại vi sinh vật. Nó có nguồn gốc từ đất, nước, con người, thực vật, động vật. Sau đó, theo gió và bụi phân tán trong không khí. Do đó, một hạt bụi cũng chứa nhiều sinh sinh vật. Đặc biệt là dưới dạng bào tử với khả năng tồn tại lâu. Nếu là vi sinh vật gây bệnh thì đây là nguồn lây lan nguy hiểm trong không khí. Điển hình là vi khuẩn mang mầm bệnh về đường hô hấp. Từ đó, tăng khả năng nhiễm bệnh. Sự phân bố phụ thuộc vào:

• Khí hậu trong năm: số lượng vi sinh vật ít nhất vào mùa đông và nhiều nhất vào mùa hè.
• Hoạt động sống của con người: Tình trạng ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến số lượng tăng, giảm vi sinh vật. Chẳng hạn như: giao thông, vận tải, chăn nuôi, sản xuất nông nghiệp, bệnh tật,…
• Khu vực địa lý: Những nơi phát triển, đông dân cư, xe cộ có số lượng vi sinh vật lớn hơn ở vùng núi và biển. Ngoài ra, còn phụ thuộc vào chiều cao của lớp không khí. Không khí càng cao thì số lượng càng ít.

7. Ứng dụng của vi sinh vật

Với khả năng chuyển hóa mạnh mẽ và sinh sản nhanh chóng, vi sinh vật được ứng dụng hiệu quả trong một số lĩnh vực. Cụ thể là nông nghiệp, chế biến thực phẩm, chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản, y học, xử lý nước thải,… Cùng BCC khám phá chi tiết ứng dụng của chúng.

7.1 Sản xuất thực phẩm

Vi sinh vật được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp thực phẩm. Cụ thể là xúc tác quá trình lên men làm sữa chua, pho mát, sữa đông, kefir, ayran, đồ chua,… Nuôi cấy lên men mang đến hương thơm và hương vị đặc trưng, ức chế vi sinh vật không mong muốn. Ngoài ra, chúng còn được dùng làm men nở bánh mỳ, chuyển hóa đường thành cồn trong sản xuất rượu và bia.
Một số ứng dụng của vi sinh vật trong công nghiệp:

Một số ứng dụng của vi sinh vật trong công nghiệp:

7.2 Giải pháp hỗ trợ xử lý nước

Vi sinh vật còn được dùng làm chế phẩm xử lý nước thải. Chức năng này phụ thuộc vào khả năng hô hấp các chất hòa tan. Từ đó, có thể làm sạch nước bị ô nhiễm chất hữu cơ. Hô hấp có thể là hiếu khí với lớp lọc chứa lượng lớn oxy như bộ lọc cát chậm. Phân hủy kỵ khí nhờ sinh vật sinh methan hình thành khí methan hữu ích dưới dạng sản phẩm phụ.

7.3 Tạo ra năng lượng

Vi sinh vật là thành phần quan trọng trong quá trình lên men tạo ethanol và trong lò phản ứng biogas tạo methan. Tảo còn được sử dụng để điều chế nhiên liệu lỏng và vi khuẩn. Từ đó, chuyển đổi chất thải nông nghiệp và đô thị thành nhiên liệu có thể sử dụng.

7.4 Sản xuất hóa chất và enzyme

Rất nhiều hóa chất thương mại, công nghiệp, enzyme và các phân tử hoạt tính sinh học khác được sản xuất từ vi sinh vật. Acid hữu cơ có quy mô sản xuất lớn bằng lên men vi sinh. Bao gồm:

• Acid acetic, hóa chất do acid acetic tiết ra (Acetobacter aceti)
• Acid butyric do Clostridium butyricum sản sinh
• Acid lactic do Lactobacillus và các vi khuẩn acid lactic khác tạo ra
• Acid citric do nấm mốc Aspergillus niger điều chế

Một số vi sinh vật được sử dụng để điều chế phân tử mang hoạt tính sinh học. Chẳng hạn như Streptokinase (chiết xuất từ Streptococcus), Cyclosporin A (chiết xuất từ nấm ascomycete Tolypocladium inflatum) và statin (chiết xuất từ nấm men Monascus purpureus).

7.5 Vi sinh vật được sử dụng cho mục đích khoa học

Vi sinh vật là thành phần quan trọng trong đột phá khoa học. Một số lĩnh vực phải kể đến như công nghệ sinh học, sinh học phân tử, hóa sinh và di truyền học. Nấm men Saccharomyces cerevisiae và Schizosaccharomyces pombe là đối tượng nghiên cứu quan trọng. Bởi chúng là các sinh vật nhân thực đơn giản dễ dàng thao tác và phát triển nhanh chóng. Chúng đặc biệt giá trị trong di truyền học, hệ gen học và protein học. Chúng được khai thác để điều chế steroid và chữa trị các bệnh về da. Các nhà nghiên cứu cũng đang xem xét sử dụng chúng trong pin nhiên liệu sống và giảm thiểu tình trạng ô nhiễm.

7.6 Chiến tranh

Thời Trung Cổ, chiến tranh sinh học là một trong những chiến lược nguy hiểm và có sức tàn phá nhất. Xác chết nhiễm bệnh bị ném vào lâu đài bằng máy bắn đá hoặc vũ khí công thành khác. Những người tiếp xúc gần với mầm bệnh sẽ bị nhiễm và lây lan nhanh chóng. Thời hiện đại, khủng bố sinh học có vụ tấn công Rajneeshee năm 1984 và giáo phái Shinrikyo Aum phát tán bệnh than ở Tokyo năm 1993.

7.7 Đất

Vi sinh vật cung cấp nhiều chất dinh dưỡng và khoáng chất trong đất. Nhờ đó, cây trồng có thể sinh trưởng, phát triển và gia tăng năng suất. Chúng tạo ra hormon kích thích tăng trưởng, nâng cao hệ miễn dịch và giảm phản ứng căng thẳng. Do đó, đa dạng vi khuẩn đất hạn chế bệnh và tăng năng suất cho cây.

Xem thêm:

• Virus là gì? Chi tiết đặc điểm và một số ứng dụng
• Ký sinh trùng là gì? Cơ chế sống gửi và nguy cơ tiềm ẩn

8. Vi sinh vật và sức khỏe con người

Vai trò của hệ vi sinh vật bình thường trên cơ thể người

• Vi khuẩn tiết enzyme cần thiết giúp cơ thể tăng cường hấp thu chất dinh dưỡng. Ví dụ như vi khuẩn đường ruột (E.coli) sản xuất vitamin K, B12,…
• Ngăn chặn vi khuẩn gây bệnh xâm nhập từ nơi khác tới
• Kích thích sản sinh kháng thể phản ứng chéo

Chuyển hóa, tái tạo chất dinh dưỡng từ chất hữu cơ như:

• Cố định đạm (chuyển hóa nitơ thành hợp chất nitơ)
• Cộng sinh (ức chế hại khuẩn phát triển)
• Phân giải cellulose (do vi khuẩn hiếu khí phân giải)

8.1 Hệ vi sinh đường ruột ở người

Vi sinh vật có thể sống nội cộng sinh với sinh vật lớn hơn khác. Chẳng hạn như, cộng sinh của vi sinh vật rất quan trọng với hệ thống miễn dịch. Chúng tạo hệ vi sinh đường ruột (hệ vi khuẩn chí đường ruột) trong ống tiêu hóa, giúp tăng cường hệ miễn dịch đường ruột. Đồng thời, tổng hợp vitamin (acid folic, biotin) và lên men carbohydrat phức tạp. Một số vi sinh vật có lợi cho sức khỏe như probiotic giúp nâng cao sức đề kháng. Con người có thể bổ sung probiotic thông qua chế phẩm bổ sung hoặc phụ gia thực phẩm. Vi khuẩn còn được sử dụng trong sản xuất thuốc trị bệnh như insulin hoặc cải thiện sinh học với chất thải độc hại.

8.2 Mầm bệnh từ vi sinh vật

Vi sinh vật là tác nhân gây nên nhiều bệnh truyền nhiễm. Cụ thể:

• Vi khuẩn gây bệnh: dịch hạch, bệnh lao, bệnh than,…
• Ký sinh nguyên sinh gây bệnh: sốt rét, bệnh ngủ, kiết lỵ, toxoplasmosis,…
• Nấm gây bệnh: nấm da, candida, histoplasmosis,…
• Còn virus mầm bệnh gây bệnh: cúm, sốt vàng, AIDS,… không được xếp vào dạng vi sinh vật. Nhiều mầm bệnh vi sinh có thể sinh sản hữu tính giúp chúng sống sót trong vật chủ bị nhiễm bệnh.

8.3 Vệ sinh và vi sinh thực phẩm

Vệ sinh là việc làm quan trọng để tránh nhiễm trùng hoặc làm hỏng thực phẩm. Nó được thực hiện bằng cách loại bỏ vi sinh vật xung quanh. Vi khuẩn có mặt ở mọi nơi. Do đó, cần giảm thiểu tối đa vi sinh vật có hại thay vì tiêu diệt. Trong chế biến thực phẩm, một số phương pháp bảo quản, nấu nướng, vệ sinh dụng cụ,… giúp hạn chế vi khuẩn. Nếu cần vô trùng hoàn toàn các dụng cụ y tế, nồi hấp giúp tiêu diệt vi sinh vật bằng nhiệt độ và áp suất.

9. Tạm kết

Vi sinh vật là một phần quan trọng của cuộc sống, đóng vai trò quyết định trong nhiều khía cạnh của hệ sinh thái và sức khỏe con người. Từ vi sinh vật trong đất đến trong cơ thể, chúng đều đóng góp quan trọng đối với sự cân bằng và duy trì cuộc sống. Sự hiểu biết về chúng không chỉ mở ra cánh cửa cho nghiên cứu khoa học mà còn giúp chúng ta duy trì một môi trường sống lành mạnh và thúc đẩy sự phát triển bền vững. 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.

Tham vấn chuyên môn

TS. Đào Thị Lương

Tiến sĩ sinh học

Nguyên Phó phòng Bảo tàng Giống Vi sinh vật - Viện Vi sinh vật và Công nghệ Sinh học

Bích Vũ

Content Writer of BCC

5/5 - (4 bình chọn)

Layout

Tên *

Email *

Số điện thoại *

Lời nhắn

Gửi đi