Vi khuẩn là gì? Nguồn gốc, môi trường, cấu tạo, di truyền học của vi khuẩn

16/04/2022

Vi khuẩn trong tiếng Anh là “ bacterium ”, viết số nhiều là “ bacteria ”, là cách viết Latinh của tiếng Hy Lạp Cổ đại “ βακτήριον ”, có nghĩa là ” cây gậy, cây gậy “, vì những vi trùng tiên phong được phát hiện có hình que .

Vi khuẩn là một nhóm vi sinh vật nhân sơ đơn bào có kích thước rất nhỏ, đôi khi còn được gọi là vi trùng, một số thuộc loại ký sinh trùng. Chúng tạo thành một vùng lớn các vi sinh vật nhân sơ (prokaryotic). Có chiều dài điển hình là vài micromet, vi khuẩn là một trong những dạng sống đầu tiên xuất hiện trên Trái đất và có mặt trong hầu hết các môi trường sống của nó.

Vi khuẩn sống trong đất, nước, suối nước nóng có tính axit, chất thải phóng xạ, và sinh quyển sâu của vỏ Trái đất. Vi khuẩn rất quan trọng trong nhiều quá trình của quy trình dinh dưỡng bằng cách tái chế những chất dinh dưỡng như cố định và thắt chặt nitơ từ khí quyển. Chu trình dinh dưỡng gồm có quy trình phân hủy xác chết ; vi trùng chịu nghĩa vụ và trách nhiệm cho quy trình tiến độ thối rữa trong quy trình này. Trong những hội đồng sinh vật xung quanh miệng phun thủy nhiệt và thấm lạnh, vi trùng ưa nhiệt cung ứng những chất dinh dưỡng thiết yếu để duy trì sự sống bằng cách chuyển hóa những hợp chất hòa tan, ví dụ điển hình như hydro sunfua và metan, thành nguồn năng lượng. Vi khuẩn cũng sống trong những mối quan hệ cộng sinh ( symbiotic ) và kí sinh ( parasitic ) với thực vật và động vật hoang dã. Hầu hết vi trùng chưa được đặc trưng và có nhiều loài không hề nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu về vi trùng được gọi là vi khuẩn học ( bacteriology ), một nhánh của vi sinh vật học ( microbiology ) .
Con người và hầu hết những loài động vật hoang dã khác mang theo hàng triệu vi trùng. Hầu hết nằm trong ruột, và có rất nhiều trên da. Hầu hết những vi trùng trong và trên khung hình là vô hại hoặc được tạo ra bởi những tính năng bảo vệ của mạng lưới hệ thống miễn dịch ( immune system ), mặc dầu nhiều vi trùng có lợi, đặc biệt quan trọng là những vi trùng trong ruột. Tuy nhiên, 1 số ít loài vi trùng có năng lực gây bệnh và gây ra những bệnh truyền nhiễm, gồm có bệnh tả, bệnh giang mai, bệnh than, bệnh phong, bệnh lao, bệnh uốn ván và bệnh dịch hạch. Các bệnh do vi trùng gây tử trận phổ cập nhất là nhiễm trùng đường hô hấp. Thuốc kháng sinh ( Antibiotics ) được sử dụng để điều trị những bệnh nhiễm trùng do vi trùng và cũng được sử dụng trong nông nghiệp, làm cho thực trạng kháng thuốc kháng sinh ngày càng trở nên nghiêm trọng. Vi khuẩn rất quan trọng trong giải quyết và xử lý nước thải và sự cố tràn dầu, sản xuất pho mát và sữa chua trải qua quy trình lên men, tịch thu vàng, paladi, đồng và những sắt kẽm kim loại khác trong nghành nghề dịch vụ khai thác mỏ, cũng như trong công nghệ sinh học, sản xuất thuốc kháng sinh và hóa chất khác .
Từng được coi là thực vật cấu thành lớp nấm phân hạch ( schizomycetes ), vi trùng ngày này được xếp vào nhóm sinh vật nhân sơ. Không giống như tế bào của động vật hoang dã và những sinh vật nhân thực ( eukaryotes ), tế bào vi trùng không chứa nhân và hiếm khi có những bào quan có màng phủ bọc. Mặc dù thuật ngữ vi trùng theo truyền thống cuội nguồn gồm có tổng thể những sinh vật nhân sơ, cách phân loại khoa học đã biến hóa sau khi phát hiện vào những năm 1990 rằng sinh vật nhân sơ gồm có hai nhóm sinh vật rất khác nhau tiến hóa từ một tổ tiên chung cổ đại. Các nghành tiến hóa này được gọi là vi trùng và cổ khuẩn ( archaea ) .

1. Nguồn gốc và sự tiến hóa ban đầu của vi khuẩn

Tổ tiên của vi trùng là vi sinh vật đơn bào ( unicellular microorganisms ), là dạng sống tiên phong Open trên Trái đất, khoảng chừng 4 tỷ năm trước. Trong khoảng chừng 3 tỷ năm, hầu hết những sinh vật đều ở dạng cực nhỏ, vi trùng và cổ khuẩn là những dạng sống thống trị. Mặc dù có sống sót những hóa thạch vi trùng, ví dụ điển hình như stromatolite, nhưng việc thiếu hình thái đặc biệt quan trọng của chúng khiến chúng không được sử dụng để kiểm tra lịch sử vẻ vang tiến hóa của vi trùng hoặc xác lập thời hạn Open của một loài vi trùng đơn cử. Tuy nhiên, trình tự gen hoàn toàn có thể được sử dụng để tái tạo lại hệ phát sinh loài vi trùng ( bacterial phylogeny ), và những điều tra và nghiên cứu này chỉ ra rằng vi trùng độc lạ tiên phong khỏi dòng dõi cổ khuẩn hay sinh vật nhân thực. Tổ tiên chung gần đây nhất của vi trùng và cổ khuẩn có lẽ rằng là loài siêu ưa nhiệt sống cách đây khoảng chừng 2,5 tỷ – 3,2 tỷ năm. Sự sống sớm nhất trên cạn hoàn toàn có thể là vi trùng cách đây khoảng chừng 3,22 tỷ năm .

Nguồn gốc và sự tiến hóa ban đầu của vi khuẩn

Vi khuẩn cũng tham gia vào sự phân kỳ tiến hóa lớn thứ hai, đó là của cổ khuẩn và sinh vật nhân thực. Ở đây, sinh vật nhân thực là tác dụng của sự xâm nhập của cổ khuẩn đại vào những link nội cộng sinh với tổ tiên của những tế bào nhân thực, mà bản thân chúng hoàn toàn có thể có tương quan đến Archaea. Điều này tương quan đến việc những tế bào tiền nhân thực hấp thụ những tế bào cộng sinh alphaproteobacteria để tạo thành ty thể ( mitochondria ) hoặc hydrogenosomes, vẫn được tìm thấy trong tổng thể những sinh vật nhân thực đã biết ví dụ như ở động vật hoang dã nguyên sinh ” amitochondrial ” cổ đại. Sau đó, một số ít sinh vật nhân thực đã chứa ty thể cũng biến hóa vi trùng lam như sinh vật, dẫn đến sự hình thành lục lạp ( chloroplasts ) ở tảo và thực vật. Đây được gọi là nhiễm trùng nội sinh nguyên phát ( primary endosymbiosis ) .

2. Môi trường sống của vi khuẩn

Vi khuẩn xuất hiện khắp nơi, sống trong mọi môi trường sống hoàn toàn có thể có trên hành tinh gồm có đất, dưới nước, sâu trong vỏ Trái đất và thậm chí còn cả những môi trường khắc nghiệt như suối nước nóng có tính axit và chất thải phóng xạ. Có khoảng chừng 2 × 1030 vi trùng trên Trái đất, tạo thành một sinh khối ( biomass ) chỉ xếp sau giới thực vật. Chúng có nhiều trong những hồ và đại dương, trong băng ở Bắc Cực, và những suối địa nhiệt, nơi chúng cung ứng những chất dinh dưỡng thiết yếu để duy trì sự sống bằng cách quy đổi những hợp chất hòa tan, ví dụ điển hình như hydro sunfua và metan thành nguồn năng lượng .

Môi trường sống của vi khuẩn

Vi khuẩn sống trên cả thực vật và động vật hoang dã. Hầu hết không gây bệnh, có lợi cho môi trường sống và thiết yếu cho sự sống. Đất là nguồn vi trùng đa dạng và phong phú và một vài gam chứa khoảng chừng một nghìn triệu vi trùng trong số đó. Tất cả chúng đều rất thiết yếu cho hệ sinh thái đất, phân hủy chất thải ô nhiễm và tái chế chất dinh dưỡng. Chúng thậm chí còn còn được tìm thấy trong khí quyển và một mét khối không khí chứa khoảng chừng một trăm triệu tế bào vi trùng. Các đại dương và biển có khoảng chừng 3 x 1026 vi trùng cung ứng tới 50 % lượng oxy mà con người hít thở. Chỉ có khoảng chừng 2 % những loài vi trùng đã được nghiên cứu và điều tra khá đầy đủ .
Vi khuẩn ưa nhiệt

3. Cấu tạo hình thái học của vi khuẩn

a. Kích thước (Size)

Vi khuẩn hiển thị rất nhiều hình dạng và kích cỡ. Tế bào vi trùng có kích cỡ bằng 1/10 tế bào nhân thực và thường có chiều dài 0,5 – 5,0 micromet. Tuy nhiên, một số ít loài hoàn toàn có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Ví dụ : Thiomargarita namibiensis dài tới nửa milimet, Epulopiscium fishelsoni đạt 0,7 mm và Thiomargarita phóng đại hoàn toàn có thể dài tới 2 cm. Trong số những vi trùng nhỏ nhất là những thành viên của chi Mycoplasma, chỉ có kích cỡ 0,3 micromet nhỏ bằng những vi rút ( virus ) lớn nhất. Một số vi trùng thậm chí còn hoàn toàn có thể nhỏ hơn, nhưng những vi trùng siêu nhỏ này chưa được nghiên cứu và điều tra kỹ lưỡng .

Cấu tạo hình thái học của vi khuẩn

b. Hình dạng (Shape)

Hầu hết những loài vi trùng đều có hình cầu, được gọi là cầu khuẩn ( cocci, từ tiếng Hy Lạp “ kókkos ” ) hoặc hình que, được gọi là trực khuẩn ( bacilli, từ tiếng Latinh là “ baculus ” ). Một số vi trùng được gọi là vibrio, có hình dạng giống như hình que hơi cong hoặc hình dấu phẩy. Những xoắn khuẩn khác hoàn toàn có thể có hình xoắn ốc được gọi là spirilla hoặc cuộn chặt được gọi là spirochaetes. Một số ít những hình dạng không bình thường khác đã được miêu tả, ví dụ điển hình như vi trùng hình ngôi sao 5 cánh. Sự phong phú về hình dạng này được xác lập bởi vi trùng thành tế bào ( cell wall ) và bộ xương tế bào ( cytoskeleton ). Nó rất quan trọng vì hoàn toàn có thể ảnh hưởng tác động đến năng lực vi trùng thu nhận chất dinh dưỡng, bám vào mặt phẳng, bơi qua chất lỏng và thoát khỏi động vật hoang dã ăn thịt .

c. Đa tế bào (Multicellularity)

Hầu hết những loài vi trùng sống sót đơn thuần dưới dạng tế bào đơn lẻ ; những người khác link theo những kiểu đặc trưng : Vi khuẩn lậu cầu tạo thành lưỡng bội ( cặp ), liên cầu tạo thành chuỗi và tụ cầu nhóm với nhau trong những cụm hình chùm nho. Vi khuẩn cũng hoàn toàn có thể nhóm lại để tạo thành những cấu trúc đa bào lớn hơn, ví dụ điển hình như những sợi dài của những loài Actinomycetota, những tập hợp của những loài Myxobacteria và những sợi nấm phức tạp của những loài Streptomyces. Những cấu trúc đa bào này thường chỉ được nhìn thấy trong những điều kiện kèm theo nhất định .
Ví dụ : khi thiếu axit amin, vi trùng myxobacteria phát hiện ra những tế bào xung quanh trong một quy trình được gọi là cảm ứng số lượng ( quorum sensing ), chuyển dời về phía nhau và tập hợp lại để tạo thành quả thể ( fruiting bodies ) dài tới 500 micromet và chứa khoảng chừng 100.000 tế bào vi trùng. Trong những quả thể này, vi trùng triển khai những trách nhiệm riêng không liên quan gì đến nhau. Ví dụ : khoảng chừng 1/10 tế bào vận động và di chuyển đến đỉnh của quả thể và biệt hóa thành trạng thái ngủ đông chuyên biệt được gọi là myxospore, có năng lực chống lại sự khô và những điều kiện kèm theo môi trường bất lợi khác cao hơn .

d. Màng sinh học (Biofilms)

Vi khuẩn thường bám vào những mặt phẳng và tạo thành những tập hợp xum xê được gọi là màng sinh học ( biofilms ) và những thành tạo lớn hơn được gọi là thảm vi sinh vật ( microbial mats ). Những màng sinh học và thảm này hoàn toàn có thể dày từ vài micromet đến độ sâu nửa mét và hoàn toàn có thể chứa nhiều loài vi trùng, sinh vật nguyên sinh ( protists ) và cổ khuẩn .
Vi khuẩn sống trong màng sinh học bộc lộ sự sắp xếp phức tạp của những tế bào và những thành phần ngoại bào, tạo thành những cấu trúc thứ cấp, qua đó có mạng lưới những kênh để cho phép chất dinh dưỡng khuếch tán tốt hơn. Trong môi trường tự nhiên, ví dụ điển hình như đất hoặc mặt phẳng của thực vật, phần đông vi trùng bám vào những mặt phẳng trong màng sinh học .
Màng sinh học cũng rất quan trọng trong y học, vì những cấu trúc này thường Open trong những trường hợp nhiễm vi trùng mãn tính hoặc nhiễm trùng những thiết bị y tế được cấy ghép và vi trùng được bảo vệ trong màng sinh học khó bị tàn phá hơn nhiều so với vi trùng được phân lập riêng không liên quan gì đến nhau .

4. Cấu trúc tế bào của vi khuẩn

a. Các cấu trúc nội bào (Intracellular structures)

Tế bào vi trùng được bảo phủ bởi màng tế bào ( cell membrane ), màng này được tạo ra hầu hết từ những phospholipid. Màng này phủ bọc những chất bên trong tế bào và hoạt động giải trí như một hàng rào để giữ những chất dinh dưỡng, protein và những thành phần thiết yếu khác của tế bào chất bên trong tế bào. Không giống như tế bào nhân thực, vi trùng thường thiếu những cấu trúc link màng lớn trong chất tế bào của chúng như nhân, ty thể, lục lạp và những bào quan khác có trong tế bào nhân thực. Tuy nhiên, một số ít vi trùng có những bào quan link với protein trong tế bào chất của vi trùng giúp ngăn những góc nhìn trao đổi chất của vi trùng, ví dụ điển hình như carboxysome. Ngoài ra, vi trùng có một bộ xương tế bào đa thành phần để trấn áp sự bản địa hóa của những protein và axit nucleic trong tế bào và quản trị quy trình phân loại tế bào ( cell division ) .

Cấu trúc tế bào của vi khuẩn

Nhiều phản ứng sinh hóa xảy ra do thang độ nồng độ ( concentration gradients ) qua những màng tạo ra nguồn năng lượng tương tự như như pin. Sự thiếu vắng màng bên trong nói chung ở vi trùng là những phản ứng luân chuyển electron xảy ra qua màng tế bào, giữa tế bào chất ( cytoplasm ) và bên ngoài tế bào hoặc giữa những ngoại chất ( periplasm ). Tuy nhiên, ở nhiều vi trùng quang hợp, màng sinh chất ( plasma membrane ) rất gấp và lấp đầy phần đông tế bào bằng những lớp màng thu nhận ánh sáng. Những phức tạp thu nhận ánh sáng này thậm chí còn hoàn toàn có thể hình thành cấu trúc phủ bọc lipid được gọi là lục lạp trong vi trùng lưu huỳnh xanh. Màng sinh chất của tế bào vi trùng không có Colesteron .
Vi khuẩn không có nhân bao quanh màng, và vật chất di truyền của chúng thường là một nhiễm sắc thể ( transduction ) hình tròn trụ đơn của DNA nằm trong tế bào chất trong một khung hình có hình dạng không bình thường được gọi là vùng nhân ( nucleoid ). Vùng nhân chứa nhiễm sắc thể với những protein và RNA link của nó. Giống như toàn bộ những sinh vật khác, vi trùng chứa ribosome để sản xuất protein, nhưng cấu trúc của ribosome vi trùng khác với cấu trúc của sinh vật nhân thực và cổ khuẩn .
Một số vi trùng tạo ra những hạt tàng trữ chất dinh dưỡng nội bào ( intracellular ), ví dụ điển hình như glycogen, polyphosphat, lưu huỳnh hoặc polyhydroxyalkanoat. Các vi trùng như vi trùng lam quang hợp, tạo ra những không bào khí ( gas vacuoles ) bên trong, chúng sử dụng để kiểm soát và điều chỉnh sự nổi của chúng, được cho phép chúng chuyển dời lên hoặc xuống những lớp nước với cường độ ánh sáng và mức độ dinh dưỡng khác nhau .

b. Cấu trúc ngoại bào (Extracellular structures)

Xung quanh bên ngoài của màng tế bào là thành tế bào. Thành tế bào vi trùng cấu trúc hầu hết từ peptidoglycan ( còn gọi là murein ), được tạo ra từ những chuỗi polysaccharid link chéo với nhau bởi những peptit chứa D – axit amin. Thành tế bào vi trùng khác với thành tế bào của thực vật và nấm, được cấu trúc từ xenlulo và kitin, tương ứng. Thành tế bào của vi trùng cũng khác với thành tế bào của cổ khuẩn, không chứa peptidoglycan. Chức năng của thành tế bào vi trùng là thiết yếu cho sự sống sót của nhiều vi trùng và kháng sinh penicillin ( do một loại nấm có tên là Penicillium sinh ra ) có năng lực hủy hoại vi trùng bằng cách ức chế một bước trong quy trình tổng hợp peptidoglycan .
Nói một cách rộng ra, có hai loại thành tế bào khác nhau ở vi trùng, phân loại vi trùng thành vi trùng Gram dương ( Gram-positive ) và vi trùng Gram âm ( Gram-negative ). Tên gọi bắt nguồn từ phản ứng của tế bào với nhuộm Gram, một thử nghiệm truyền kiếp để phân loại những loài vi trùng .
Vi khuẩn gram dương có thành tế bào dày chứa nhiều lớp axit peptidoglycan và teichoic. Ngược lại, vi trùng Gram âm có thành tế bào tương đối mỏng mảnh gồm có một vài lớp peptidoglycan được bảo phủ bởi một màng lipid thứ hai chứa lipopolysaccharid và lipoprotein. Hầu hết những vi trùng có thành tế bào Gram âm, và chỉ những thành viên của nhóm Bacillota và actinomycetota ( trước đây được gọi là vi trùng Gram dương có G + C thấp và G + C cao ) có sự sắp xếp Gram dương sửa chữa thay thế. Những độc lạ về cấu trúc này hoàn toàn có thể tạo ra sự độc lạ về tính nhạy cảm với kháng sinh. Ví dụ : vancomycin chỉ hoàn toàn có thể hủy hoại vi trùng Gram dương và không có hiệu suất cao so với những vi trùng gây bệnh Gram âm, ví dụ điển hình như Haemophilus influenzae hoặc Pseudomonas aeruginosa. Một số vi trùng có cấu trúc thành tế bào không phải là Gram dương hoặc Gram âm cổ xưa. Điều này gồm có những vi trùng quan trọng về mặt lâm sàng như vi trùng mycobacteria có thành tế bào peptidoglycan dày như vi trùng Gram dương, nhưng cũng có lớp lipid bên ngoài thứ hai .
Ở nhiều loài vi trùng, một lớp S gồm những phân tử protein xếp thành từng mảng chắc như đinh bao trùm bên ngoài tế bào. Lớp này cung ứng sự bảo vệ hóa học và vật lý cho mặt phẳng tế bào và hoàn toàn có thể hoạt động giải trí như một hàng rào khuếch tán đại phân tử ( macromolecular ). Các lớp S có công dụng phong phú và được biết là yếu tố độc lực ở những loài Campylobacter và chứa những enzym mặt phẳng trong Bacillus stearothermophilus .
Trùng roi ( Flagella ) là cấu trúc protein cứng, có đường kính khoảng chừng 20 nanomet và chiều dài lên đến 20 micromet được sử dụng để hoạt động. Trùng roi được thôi thúc bởi nguồn năng lượng được giải phóng bằng cách chuyển những ion xuống một gradient điện hóa qua màng tế bào .
Fimbriae ( nhiều lúc được gọi là ” đính kèm pili ” ) là những sợi protein nhỏ, thường có đường kính từ 2 – 10 nanomet và chiều dài lên đến vài micromet. Chúng phân bổ trên mặt phẳng tế bào và trông giống như những sợi lông mịn khi nhìn dưới kính hiển vi điện tử. Fimbriae được cho là có tương quan đến việc bám vào mặt phẳng rắn hoặc với những tế bào khác và rất thiết yếu cho độc lực ( virulence ) của một số ít vi trùng gây bệnh. Pili ( Pilus ) là phần phụ của tế bào, lớn hơn một chút ít so với fimbriae, hoàn toàn có thể chuyển vật chất di truyền giữa những tế bào vi trùng trong một quy trình được gọi là tiếp hợp ( conjugation ), nơi chúng được gọi là pili tiếp hợp hoặc pili giới tính. Chúng cũng hoàn toàn có thể tạo ra hoạt động mà chúng được gọi là pili loại IV .
Glycocalyx được tạo ra bởi nhiều vi trùng để bao quanh tế bào của chúng và khác nhau về độ phức tạp về cấu trúc : từ một lớp chất nhờn không được tổ chức triển khai gồm những chất cao phân tử ngoại bào đến một viên nang có cấu trúc cao. Những cấu trúc này hoàn toàn có thể bảo vệ những tế bào khỏi bị nhấn chìm bởi những tế bào nhân thực như đại thực bào ( macrophages – một phần của mạng lưới hệ thống miễn dịch của con người ). Chúng cũng hoàn toàn có thể hoạt động giải trí như kháng nguyên và tham gia vào quy trình nhận dạng tế bào, cũng như tương hỗ gắn vào những mặt phẳng và hình thành màng sinh học .
Cấu tạo những cấu trúc ngoại bào này phụ thuộc vào vào mạng lưới hệ thống bài tiết của vi trùng. Các protein này chuyển từ tế bào chất vào ngoại chất hoặc vào môi trường xung quanh tế bào. Nhiều loại mạng lưới hệ thống bài tiết đã được biết đến và những cấu trúc này thường rất thiết yếu cho độc lực của vi trùng gây bệnh và đang được điều tra và nghiên cứu sâu xa .

c. Nội bào tử (Endospores)

Một số chi vi trùng Gram dương, ví dụ điển hình như Bacillus, Clostridium, Sporohalobacter, Anaerobacter và Heliobacterium, hoàn toàn có thể hình thành những cấu trúc ngủ đông, có năng lực kháng cao được gọi là nội bào tử ( endospores ). Nội bào tử tăng trưởng trong tế bào chất của tế bào và chỉ có một nội bào tử duy nhất tăng trưởng trong mỗi tế bào. Mỗi nội bào tử chứa một lõi DNA và ribosome được bao quanh bởi một lớp vỏ và được bảo vệ bởi một lớp áo cứng nhiều lớp gồm có peptidoglycan và nhiều loại protein .
Các bào tử nội bào tử không cho thấy sự trao đổi chất hoàn toàn có thể phát hiện được và hoàn toàn có thể sống sót những điều kiện kèm theo khắc nghiệt về vật lý và hóa học, ví dụ điển hình như mức độ cao của tia UV, bức xạ gamma, chất tẩy rửa, chất khử trùng, nhiệt, ngừng hoạt động, áp suất và hút ẩm. Trong trạng thái không hoạt động giải trí này, những sinh vật này hoàn toàn có thể vẫn sống sót trong hàng triệu năm và nội bào tử thậm chí còn còn được cho phép vi trùng sống sót khi tiếp xúc với chân không và bức xạ trong khoảng trống, hoàn toàn có thể vi trùng hoàn toàn có thể phân bổ khắp Vũ trụ bởi bụi khoảng trống, thiên thạch, tiểu hành tinh, sao chổi, hành tinh hoặc trải qua panspermia khuynh hướng. Vi khuẩn hình thành nội bào tử cũng hoàn toàn có thể gây bệnh : ví dụ, bệnh than hoàn toàn có thể lây nhiễm khi hít phải nội bào tử Bacillus anthracis và nhiễm nội bào tử Clostridium tetani gây ra bệnh uốn ván, giống như bệnh ngộ độc gây ra độc tố do vi trùng tăng trưởng từ bào tử tiết ra. Nhiễm trùng Clostridioides difficile là một yếu tố trong cơ sở chăm nom sức khỏe thể chất cũng do vi trùng hình thành bào tử gây ra .

5. Sự trao đổi chất (Metabolism)

Vi khuẩn biểu lộ rất nhiều kiểu trao đổi chất ( metabolism ). Sự phân bổ những đặc thù trao đổi chất trong một nhóm vi trùng theo truyền thống cuội nguồn được sử dụng để xác lập phân loại của chúng, nhưng những đặc thù này thường không tương ứng với những phân loại di truyền văn minh. Sự trao đổi chất của vi trùng được phân loại thành những nhóm dinh dưỡng trên cơ sở ba tiêu chí chính : nguồn nguồn năng lượng, những chất cho electron được sử dụng và nguồn cacbon được sử dụng để tăng trưởng .

Sự trao đổi chất (Metabolism)

Vi khuẩn hoặc lấy nguồn năng lượng từ ánh sáng bằng cách sử dụng quang hợp ( photosynthesis ) quy trình này được gọi là quang dưỡng ( phototrophy ). Hoặc bằng cách phá vỡ những hợp chất hóa học bằng cách sử dụng quy trình oxy hóa ( oxidation ) quy trình này được gọi là quang hóa ( chemotrophy ). Nhiều vi trùng sử dụng những hợp chất hóa học làm nguồn nguồn năng lượng bằng cách chuyển những electron từ chất cho electron nhất định đến chất nhận electron sau cuối trong phản ứng oxy hóa khử. Phản ứng này giải phóng nguồn năng lượng hoàn toàn có thể được sử dụng để thôi thúc quy trình trao đổi chất. Các sinh vật hóa học được phân loại nhiều hơn theo những loại hợp chất mà chúng sử dụng để chuyển electron. Vi khuẩn sử dụng những hợp chất vô cơ như hydro, carbon monoxide hoặc amoniac làm nguồn electron được gọi là sinh vật tự dưỡng ( lithotrophs ), trong khi những sinh vật sử dụng những hợp chất hữu cơ được gọi là sinh vật hữu cơ ( organotrophs ). Các hợp chất được sử dụng để nhận electron cũng được sử dụng để phân loại vi trùng : sinh vật hiếu khí sử dụng oxy làm chất nhận electron sau cuối, trong khi sinh vật kỵ khí sử dụng những hợp chất khác như nitrat, sunfat hoặc carbon dioxide .
Nhiều vi trùng lấy carbon của chúng từ carbon hữu cơ khác, được gọi là dị dưỡng ( heterotrophy ). Những loài khác như vi trùng lam và 1 số ít vi trùng màu tía là tự dưỡng, có nghĩa là chúng thu được carbon tế bào bằng cách cố định và thắt chặt carbon dioxide. Trong những trường hợp không bình thường, khí metan hoàn toàn có thể được vi trùng dị dưỡng sử dụng làm nguồn cung ứng electron và chất nền cho quy trình đồng điệu cacbon .
Các loại dinh dưỡng trong quy trình trao đổi chất của vi trùng :

Theo nhiều cách, sự trao đổi chất của vi trùng cung ứng những đặc thù có ích cho sự không thay đổi sinh thái xanh và cho xã hội loài người. Một ví dụ là một số ít vi trùng được gọi là diazotrophs có năng lực cố định và thắt chặt khí nitơ bằng cách sử dụng enzyme nitrogenase. Đặc điểm quan trọng với môi trường này hoàn toàn có thể được tìm thấy ở vi trùng thuộc hầu hết những loại trao đổi chất được liệt kê ở trên. Điều này dẫn đến những quy trình quan trọng về mặt sinh thái xanh của quy trình khử nitơ, khử sunfat và tạo acetogenes, tương ứng. Quá trình trao đổi chất của vi trùng cũng rất quan trọng trong những phản ứng sinh học so với ô nhiễm ; ví dụ như vi trùng khử sunfat chịu nghĩa vụ và trách nhiệm phần đông trong việc tạo ra những dạng thủy ngân có độc tính cao ( metyl và dimethylmercury ) trong môi trường. Vi khuẩn kỵ khí không hô hấp sử dụng quy trình lên men để tạo ra nguồn năng lượng và giảm nguồn năng lượng, tiết ra những loại sản phẩm phụ trao đổi chất ( ví dụ điển hình như ethanol trong sản xuất bia ) làm chất thải. Các vi trùng kỵ khí nuôi cấy hoàn toàn có thể quy đổi giữa quy trình lên men và những chất nhận electron đầu cuối khác nhau tùy thuộc vào điều kiện kèm theo môi trường mà chúng tự tìm thấy .

6. Tăng trưởng và sinh sản của vi khuẩn

Không giống như ở sinh vật đa bào ( multicellular organisms ), sự ngày càng tăng kích cỡ tế bào ( tăng trưởng tế bào ) và sinh sản bằng cách phân loại tế bào được link ngặt nghèo trong sinh vật đơn bào ( unicellular organisms ). Vi khuẩn tăng trưởng đến một kích cỡ cố định và thắt chặt và sau đó sinh sản trải qua phân hạch nhị phân ( binary fission ), là một hình thức sinh sản vô tính ( asexual reproduction ). Trong điều kiện kèm theo tối ưu, vi trùng hoàn toàn có thể tăng trưởng và phân loại cực kỳ nhanh gọn, 1 số ít quần thể vi trùng hoàn toàn có thể nhân đôi nhanh nhất cứ sau 17 phút. Trong quy trình phân loại tế bào, hai bản sao giống hệt nhau tế bào con được tạo ra. Một số vi trùng, trong khi vẫn sinh sản vô tính, hình thành những cấu trúc sinh sản phức tạp hơn giúp phân tán những tế bào con mới hình thành. Các ví dụ gồm có sự hình thành quả thể do vi trùng myxobacteria và sự hình thành sợi nấm trên không của những loài Streptomyces, hoặc nảy chồi. Quá trình nảy chồi tương quan đến việc một tế bào hình thành một phần lồi bị vỡ ra và tạo ra một tế bào con .

Tăng trưởng và sinh sản của vi khuẩn

Trong phòng thí nghiệm, vi trùng thường được nuôi cấy bằng môi trường rắn hoặc lỏng. Môi trường nuôi cấy rắn, ví dụ điển hình như đĩa thạch, được sử dụng để phân lập những dòng vi trùng nuôi cấy thuần túy. Tuy nhiên, môi trường tăng trưởng dạng lỏng được sử dụng khi cần đo sự tăng trưởng hoặc khối lượng lớn tế bào. Sự tăng trưởng trong môi trường lỏng được khuấy trộn xảy ra dưới dạng huyền phù tế bào ( cell suspension ) đồng đều, làm cho những mẫu cấy thuận tiện phân loại và chuyển giao, mặc dầu việc phân lập vi trùng đơn lẻ khỏi môi trường lỏng là rất khó. Việc sử dụng môi trường tinh lọc ( môi trường có bổ trợ hoặc thiếu chất dinh dưỡng đơn cử, hoặc có thêm kháng sinh ) hoàn toàn có thể giúp xác lập những sinh vật đơn cử .
Hầu hết những kỹ thuật nuôi cấy vi trùng trong phòng thí nghiệm đều sử dụng hàm lượng chất dinh dưỡng cao để tạo ra một lượng lớn tế bào với giá rẻ và nhanh gọn. Tuy nhiên, trong môi trường tự nhiên, chất dinh dưỡng bị hạn chế, có nghĩa là vi trùng không hề liên tục sinh sản vô thời hạn. Sự hạn chế về chất dinh dưỡng này đã dẫn đến sự tăng trưởng của những kế hoạch tăng trưởng khác nhau ( triết lý tinh lọc r / K ). Một số sinh vật hoàn toàn có thể tăng trưởng cực kỳ nhanh gọn khi những chất dinh dưỡng có sẵn, ví dụ điển hình như sự hình thành của tảo ( vi trùng lam ) nở hoa thường xảy ra trong những hồ vào mùa hè. Các sinh vật khác có năng lực thích nghi với môi trường khắc nghiệt, ví dụ điển hình như sản xuất nhiều loại thuốc kháng sinh bởi streptomyces ức chế sự tăng trưởng của vi sinh vật cạnh tranh đối đầu. Trong tự nhiên, nhiều sinh vật sống trong những hội đồng ( ví dụ : màng sinh học ) hoàn toàn có thể được cho phép tăng cường phân phối chất dinh dưỡng và bảo vệ khỏi những áp lực đè nén môi trường. Những mối quan hệ này hoàn toàn có thể thiết yếu cho sự tăng trưởng của một sinh vật hoặc nhóm sinh vật đơn cử ( sinh vật tổng hợp ) .
Sự tăng trưởng của vi trùng theo bốn quá trình. Khi một quần thể vi trùng lần tiên phong bước vào một môi trường có chất dinh dưỡng cao được cho phép tăng trưởng, những tế bào cần phải thích nghi với môi trường mới của chúng .
– Giai đoạn đầu của sinh trưởng là quy trình tiến độ trễ ( lag phase ), tiến trình tăng trưởng chậm lại khi những tế bào đang thích nghi với môi trường dinh dưỡng cao và sẵn sàng chuẩn bị cho sự tăng trưởng nhanh. Giai đoạn trễ có vận tốc sinh tổng hợp cao, vì những protein thiết yếu cho sự tăng trưởng nhanh gọn được sản xuất .
– Giai đoạn tăng trưởng thứ hai là tiến trình logarit ( logarithmic phase ), còn được gọi là tiến trình hàm mũ. Giai đoạn log được ghi lại bằng vận tốc tăng trưởng nhanh gọn theo cấp số nhân. Tốc độ tế bào tăng trưởng trong quy trình tiến độ này được gọi là vận tốc tăng trưởng ( k ), và thời hạn để những ô nhân đôi được gọi là thời hạn tạo ( g ). Trong tiến trình log, những chất dinh dưỡng được chuyển hóa ở vận tốc tối đa cho đến khi một trong những chất dinh dưỡng hết sạch và mở màn hạn chế sự tăng trưởng .
– Giai đoạn thứ ba của sự tăng trưởng là tiến trình tĩnh ( stationary phase ) là do những chất dinh dưỡng hết sạch. Các tế bào giảm hoạt động giải trí trao đổi chất và tiêu thụ những protein không thiết yếu của tế bào. Giai đoạn tĩnh là sự quy đổi từ trạng thái tăng trưởng nhanh sang trạng thái phản ứng căng thẳng mệt mỏi và có sự ngày càng tăng biểu lộ của những gen tương quan đến quy trình thay thế sửa chữa DNA, chuyển hóa chất chống oxy hóa và luân chuyển chất dinh dưỡng .
– Giai đoạn ở đầu cuối là quá trình chết ( death phase ), là quá trình vi trùng hết sạch chất dinh dưỡng và chết .

7. Di truyền học của vi khuẩn (Genetics)

Hầu hết những vi trùng có một nhiễm sắc thể hình tròn duy nhất hoàn toàn có thể có size chỉ từ 160.000 cặp bazơ ở vi trùng nội cộng sinh Carsonella ruddii, đến 12.200.000 cặp bazơ ( 12,2 Mbp ) ở vi trùng sống trong đất Sorangium cellulosum. Có nhiều ngoại lệ cho điều này, ví dụ 1 số ít loài Streptomyces và Borrelia chứa một nhiễm sắc thể tuyến tính đơn, trong khi một số ít loài Vibrio chứa nhiều hơn một nhiễm sắc thể. Vi khuẩn cũng hoàn toàn có thể chứa plasmid, những phân tử DNA ngoài nhiễm sắc thể nhỏ hoàn toàn có thể chứa những gen cho những tính năng hữu dụng khác nhau như năng lực kháng kháng sinh, năng lực trao đổi chất hoặc những yếu tố độc lực khác nhau .

Di truyền học của vi khuẩn (Genetics)

Bộ gen của vi trùng thường mã hóa từ vài trăm đến vài nghìn gen. Các gen trong bộ gen của vi trùng thường là một đoạn DNA liên tục đơn lẻ và mặc dầu có 1 số ít loại intron khác nhau sống sót ở vi trùng, chúng hiếm hơn nhiều so với ở sinh vật nhân thực .
Vi khuẩn là sinh vật vô tính, thừa kế một bản sao giống hệt bộ gen của cha mẹ. Tuy nhiên, tổng thể những vi trùng hoàn toàn có thể tiến hóa bằng cách tinh lọc những biến hóa so với DNA vật chất di truyền của chúng do tái tổng hợp hoặc đột biến gen ( mutations ). Đột biến đến từ những lỗi được thực thi trong quy trình sao chép DNA hoặc do tiếp xúc với những đột biến. Tỷ lệ đột biến rất khác nhau giữa những loài vi trùng khác nhau và thậm chí còn giữa những dòng vô tính khác nhau của một loài vi trùng. Những đổi khác di truyền trong bộ gen của vi trùng đến từ đột biến ngẫu nhiên trong quy trình sao chép hoặc ” đột biến hướng stress ” ( stress-directed mutation ), trong đó những gen tương quan đến một quy trình hạn chế tăng trưởng đơn cử có tỷ suất đột biến tăng lên .
Một số vi trùng cũng chuyển vật chất di truyền giữa những tế bào. Điều này hoàn toàn có thể xảy ra theo ba cách chính :
– Đầu tiên, vi trùng hoàn toàn có thể lấy DNA ngoại sinh từ môi trường của chúng, trong một quy trình được gọi là biến nạp ( transformation ). Nhiều vi trùng hoàn toàn có thể tiếp đón DNA từ môi trường một cách tự nhiên, trong khi những vi trùng khác phải được biến hóa về mặt hóa học để khiến chúng tiếp đón DNA. Sự tăng trưởng năng lượng trong tự nhiên thường gắn liền với những điều kiện kèm theo môi trường khắc nghiệt, và có vẻ như là một sự thích nghi để tạo điều kiện kèm theo thay thế sửa chữa những tổn thương DNA trong tế bào nhận .
– Thứ hai, vi trùng chuyển vật chất di truyền là bằng cách tải nạp ( transduction ), khi tích hợp thực khuẩn đưa DNA ngoại lai vào nhiễm sắc thể. Nhiều loại xạ khuẩn sống sót, 1 số ít chỉ lây nhiễm và ngăn ngừa vi trùng chủ của chúng, trong khi những loại khác chèn vào nhiễm sắc thể của vi trùng. Vi khuẩn chống lại sự xâm nhiễm của phage trải qua mạng lưới hệ thống sửa đổi số lượng giới hạn làm suy giảm DNA ngoại lai và một mạng lưới hệ thống sử dụng trình tự CRISPR để giữ lại những đoạn gen của phage mà vi trùng đã tiếp xúc trong quá khứ, điều này được cho phép chúng ngăn ngừa sự nhân lên của virus trải qua một hình thức can thiệp RNA .
– Phương pháp chuyển gen thứ ba là tiếp hợp, nhờ đó DNA được chuyển qua tiếp xúc trực tiếp với tế bào. Trong những trường hợp thường thì, quy trình tải nạp, tiếp hợp và biến nạp tương quan đến việc chuyển DNA giữa những vi trùng riêng không liên quan gì đến nhau của cùng một loài, nhưng đôi lúc sự chuyển giao hoàn toàn có thể xảy ra giữa những thành viên thuộc những loài vi trùng khác nhau và điều này hoàn toàn có thể gây ra những hậu quả đáng kể, ví dụ điển hình như chuyển giao kháng thuốc kháng sinh. Trong những trường hợp như vậy, việc thu nhận gen từ vi trùng khác hoặc từ môi trường được gọi là chuyển gen ngang ( horizontal gene transfer ) và hoàn toàn có thể thông dụng trong điều kiện kèm theo tự nhiên .

8. Đặc tính hành vi của vi khuẩn

a. Sự chuyển động của vi khuẩn (Movement)

Nhiều vi trùng có tính di động ( motile ), hoàn toàn có thể tự vận động và di chuyển bằng nhiều chính sách khác nhau. Nghiên cứu cho thấy vận động và di chuyển tốt nhất trong số này là hình roi ( flagella ), những sợi dài được quay bởi một bộ phần ở đuôi tạo ra hoạt động giống như cánh quạt. Trùng roi ( flagellum ) được tạo ra từ khoảng chừng 20 protein, với khoảng chừng 30 protein khác thiết yếu để điều hòa và lắp ráp. Trùng roi là một cấu trúc quay được điều khiển và tinh chỉnh bởi một bộ phận hoàn toàn có thể đảo ngược ở đế sử dụng gradien điện hóa qua màng để cung ứng nguồn năng lượng .

Sự chuyển động của vi khuẩn (Movement)

Vi khuẩn hoàn toàn có thể sử dụng trùng roi theo nhiều cách khác nhau để tạo ra những kiểu vận động và di chuyển khác nhau. Nhiều vi trùng ( ví dụ điển hình như E. coli ) có hai hình thức chuyển dời riêng không liên quan gì đến nhau : chuyển dời về phía trước ( lượn lờ bơi lội ) và nhào lộn. Cú lộn nhào được cho phép họ định hướng lại và làm cho hoạt động của họ trở thành một bước đi ngẫu nhiên ba chiều. Các loài vi trùng khác nhau về số lượng và sự sắp xếp của những roi trên mặt phẳng của chúng ; một số ít có một trùng roi đơn ( monotrichous ), một trùng roi ở mỗi đầu ( amphitrichous ), những cụm roi ở những cực của tế bào ( lophotrichous ), trong khi những người khác có những roi phân bổ trên hàng loạt mặt phẳng của tế bào phúc mạc ( peritrichous ). Trùng roi của một nhóm vi trùng độc nhất, xoắn khuẩn, được tìm thấy giữa hai màng trong khoảng trống ngoại chất. Chúng có một khung hình xoắn đặc biệt quan trọng xoay quanh khi nó vận động và di chuyển .
Hai loại hoạt động khác của vi trùng được gọi là hoạt động co giật ( twitching motility ) dựa vào cấu trúc được gọi là tiêm mao loại IV và hoạt động lượn sử dụng những chính sách khác. Khi hoạt động co giật, tiêm mao giống hình que vươn ra khỏi tế bào, link với một số ít chất nền, sau đó co lại, kéo tế bào về phía trước .
Vi khuẩn di động bị lôi cuốn hoặc đẩy lùi bởi 1 số ít kích thích trong những hành vi được gọi là “ taxes ” : chúng gồm có điều hòa hóa học, điều hòa quang học, taxi nguồn năng lượng và tinh chỉnh và điều khiển từ tính. Trong một nhóm đặc biệt quan trọng, vi trùng myxobacteria, những vi trùng riêng không liên quan gì đến nhau chuyển dời cùng nhau để tạo thành những đợt tế bào sau đó phân hóa để hình thành quả thể chứa bào tử. Vi khuẩn myxobacteria chỉ vận động và di chuyển khi ở trên mặt phẳng rắn, không giống như E. coli, chuyển dời trong môi trường lỏng hoặc rắn .
Một số loài Listeria và Shigella chuyển dời bên trong tế bào vật chủ bằng cách chiếm đoạt bộ xương tế bào, bộ xương thường được sử dụng để chuyển dời những bào quan bên trong tế bào. Bằng cách thôi thúc quy trình polyme hóa actin ở một cực của tế bào, chúng hoàn toàn có thể hình thành một loại đuôi đẩy chúng qua tế bào chất của tế bào chủ .

b. Quá trình liên lạc của vi khuẩn (Communication)

Một số ít vi trùng có hệ thống hóa học tạo ra ánh sáng. Hiện tượng phát quang sinh học này thường xảy ra ở vi trùng sống chung với cá và ánh sáng hoàn toàn có thể dùng để lôi cuốn cá hoặc những động vật hoang dã lớn khác .
Vi khuẩn thường hoạt động giải trí như một tập hợp đa bào được gọi là màng sinh học, trao đổi nhiều loại tín hiệu phân tử để liên lạc giữa những tế bào và tham gia vào những hành vi đa bào phối hợp .
Các quyền lợi chung của sự hợp tác đa bào gồm có sự phân loại lao động của tế bào, tiếp cận những nguồn tài nguyên mà những tế bào đơn lẻ không hề sử dụng hiệu suất cao, bảo vệ tập thể chống lại những chất đối kháng và tối ưu hóa sự sống sót của quần thể bằng cách phân hóa thành những loại tế bào riêng không liên quan gì đến nhau. Ví dụ : vi trùng trong màng sinh học hoàn toàn có thể có năng lực kháng những tác nhân kháng khuẩn tăng hơn 500 lần so với vi trùng ” phiêu sinh ” ( planktonic ) riêng không liên quan gì đến nhau của cùng một loài .
Một loại tiếp xúc giữa những tế bào bằng tín hiệu phân tử được gọi là cảm ứng số lượng ( quorum sensing ), ship hàng mục tiêu xác định liệu có tỷ lệ đủ cao để góp vốn đầu tư vào những quy trình tiến độ chỉ thành công xuất sắc nếu số lượng lớn tựa như như trong việc bài tiết những enzym tiêu hóa hoặc phát ra ánh sáng .
Cảm biến số lượng được cho phép vi trùng phối hợp biểu lộ gen và được cho phép chúng sản xuất, giải phóng và phát hiện những chất tự động hóa hoặc pheromone tích tụ với sự tăng trưởng của quần thể tế bào .

9. Phân loại vi khuẩn

Cây phát sinh loài ( Classification seeks ) bộc lộ sự phong phú của vi trùng so với những sinh vật khác. Ở đây vi trùng được đại diện thay mặt bởi ba siêu nhóm chính : vi trùng siêu vi khuẩn CPR, vi trùng Terrabacteria và vi trùng Gracilicutes theo những nghiên cứu và phân tích bộ gen gần đây ( 2019 ) .

Cây phát sinh loài (Classification seeks)

Phân loại tìm cách diễn đạt sự phong phú của những loài vi trùng bằng cách đặt tên và phân nhóm những sinh vật dựa trên những điểm tương đương. Vi khuẩn hoàn toàn có thể được phân loại dựa trên cấu trúc tế bào, sự trao đổi chất của tế bào hoặc dựa trên sự độc lạ trong những thành phần tế bào, ví dụ điển hình như DNA, axit béo, sắc tố, kháng nguyên và quinon. Mặc dù những chương trình này được cho phép xác lập và phân loại những chủng vi trùng, nhưng vẫn chưa rõ liệu những độc lạ này biểu lộ sự độc lạ giữa những loài riêng không liên quan gì đến nhau hay giữa những chủng của cùng một loài. Sự không chắc như đinh này là do thiếu những cấu trúc đặc biệt quan trọng ở hầu hết những vi trùng, cũng như sự chuyển gen ngang ( lateral gene ) giữa những loài không tương quan. Do chuyển gen ngang, 1 số ít vi trùng có quan hệ họ hàng gần hoàn toàn có thể có hình thái và chuyển hóa rất khác nhau. Để khắc phục thực trạng không chắc như đinh này, phân loại vi trùng văn minh nhấn mạnh vấn đề vào hệ thống hóa phân tử, sử dụng những kỹ thuật di truyền như xác lập tỷ suất guanin cytosine, lai bộ gen-gen, cũng như xác lập trình tự những gen chưa trải qua quy trình chuyển gen bên thoáng đãng, ví dụ điển hình như gen rRNA. Việc phân loại vi trùng được xác lập bằng cách công bố trên Tạp chí Quốc tế về Vi khuẩn có Hệ thống ( Bergey International Journal of Systematic Bacteriology ) và Sổ tay về Vi khuẩn có Hệ thống ( Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology ). Ủy ban quốc tế về vi trùng học có mạng lưới hệ thống – International Committee on Systematic Bacteriology ( ICSB ) duy trì những quy tắc quốc tế về việc đặt tên vi trùng và những phân loại phân loại cũng như xếp hạng chúng trong Bộ luật quốc tế về hạng mục vi trùng ( International Code of Nomenclature of Bacteria ) .
Trong lịch sử dân tộc, vi trùng được coi là một phần của họ Thực vật, giới Thực vật, và được gọi là ” Schizomycetes ” ( nấm phân hạch ). Vì nguyên do này, vi trùng tập thể và những vi sinh vật khác trong vật chủ thường được gọi là ” hệ thực vật ” ( flora ). Thuật ngữ vi trùng theo truyền thống lịch sử được vận dụng cho toàn bộ những sinh vật nhân sơ đơn bào, cực nhỏ. Tuy nhiên, mạng lưới hệ thống học phân tử cho thấy sự sống của sinh vật nhân sơ gồm có hai nghành riêng không liên quan gì đến nhau, khởi đầu được gọi là Vi khuẩn Eubacteria và Cổ khuẩn, nhưng lúc bấy giờ được gọi là Vi khuẩn và Cổ khuẩn tiến hóa độc lập với tổ tiên chung cổ đại. Cổ khuẩn và sinh vật nhân thực có quan hệ thân thiện với nhau hơn là vi trùng. Hai miền này cùng với sinh vật nhân thực là cơ sở của mạng lưới hệ thống ba miền, hiện là mạng lưới hệ thống phân loại được sử dụng thoáng đãng nhất trong vi sinh vật học. Tuy nhiên, do sự sinh ra tương đối gần đây của mạng lưới hệ thống học phân tử và sự ngày càng tăng nhanh gọn số lượng trình tự bộ gen sẵn có, việc phân loại vi trùng vẫn là một nghành đang biến hóa và lan rộng ra .

Phân loại vi khuẩn

Việc xác lập vi trùng trong phòng thí nghiệm đặc biệt quan trọng có tương quan trong y học, nơi việc điều trị đúng mực được xác lập bởi loài vi trùng gây nhiễm trùng. Do đó, nhu yếu xác lập những tác nhân gây bệnh ở người là động lực chính cho sự tăng trưởng của những kỹ thuật xác lập vi trùng .
Nhuộm Gram được tăng trưởng vào năm 1884 bởi Hans Christian Gram, đặc trưng cho vi trùng dựa trên đặc thù cấu trúc của thành tế bào của chúng. Các lớp peptidoglycan dày trong thành tế bào Gram dương có màu tím, trong khi thành tế bào mỏng dính Gram âm có màu hồng. Bằng cách phối hợp hình thái học và nhuộm Gram, hầu hết vi trùng hoàn toàn có thể được phân loại thuộc một trong bốn nhóm ( cầu khuẩn Gram dương, trực khuẩn Gram dương, cầu khuẩn Gram âm và trực khuẩn Gram âm ). Một số sinh vật được xác lập tốt nhất bằng những vết bẩn khác với vết Gram, đặc biệt quan trọng là vi trùng mycobacteria hoặc Nocardia, cho thấy tính bền axit trên Ziehl-Neelsenhoặc những vết bẩn tương tự như. Các sinh vật khác hoàn toàn có thể cần được xác lập bằng sự tăng trưởng của chúng trong môi trường đặc biệt quan trọng, hoặc bằng những kỹ thuật khác, ví dụ điển hình như huyết thanh học ( serology ) .
Kỹ thuật nuôi cấy được phong cách thiết kế để thôi thúc sự tăng trưởng và xác lập những vi trùng đơn cử, đồng thời hạn chế sự tăng trưởng của những vi trùng khác trong mẫu. Thường thì những kỹ thuật này được phong cách thiết kế cho những vật mẫu đơn cử. Ví dụ : một mẫu đờm sẽ được giải quyết và xử lý để xác lập sinh vật gây viêm phổi, trong khi mẫu phân được nuôi cấy trên môi trường tinh lọc để xác lập sinh vật gây tiêu chảy, đồng thời ngăn ngừa sự tăng trưởng của vi trùng không gây bệnh. Các vật mẫu thường vô trùng, ví dụ điển hình như máu, nước tiểu hoặc dịch tủy sống, được nuôi trong những điều kiện kèm theo được phong cách thiết kế để tăng trưởng tổng thể những sinh vật hoàn toàn có thể. Khi một sinh vật gây bệnh đã được phân lập, nó hoàn toàn có thể được đặc trưng thêm bởi hình thái, những kiểu sinh trưởng ( ví dụ điển hình như sinh trưởng hiếu khí hoặc kỵ khí ), kiểu tán huyết và nhuộm màu .
Cũng như phân loại vi trùng, việc xác lập vi trùng ngày càng được sử dụng nhiều hơn bằng những giải pháp phân tử ( molecular ) và quang phổ khối lượng ( mass spectroscopy ). Hầu hết vi trùng chưa được xác lập đặc thù và hoàn toàn có thể có những loài không hề nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Chẩn đoán bằng cách sử dụng những công cụ dựa trên DNA, ví dụ điển hình như phản ứng chuỗi polymerase ngày càng thông dụng do tính đặc hiệu và vận tốc của chúng so với những giải pháp dựa trên nuôi cấy. Các chiêu thức này cũng được cho phép phát hiện và xác lập những tế bào sống được nhưng không hề nuôi cấy đang hoạt động giải trí trao đổi chất nhưng không phân loại. Tuy nhiên, ngay cả khi sử dụng những chiêu thức nâng cấp cải tiến này, tổng số loài vi trùng vẫn chưa được biết đến và thậm chí còn không hề ước tính một cách chắc như đinh. Theo phân loại lúc bấy giờ, có ít hơn 9.300 loài sinh vật nhân sơ đã biết, gồm có vi trùng và cổ khuẩn ; nhưng những nỗ lực để ước tính số lượng thực sự của sự phong phú vi trùng đã xê dịch từ 107 đến 109 và thậm chí còn những ước tính phong phú này hoàn toàn có thể bị xô lệch theo nhiều Lever .

10. Tương tác với các sinh vật khác

Bất chấp sự đơn thuần rõ ràng của chúng, vi trùng hoàn toàn có thể hình thành những link phức tạp với những sinh vật khác. Các mối quan hệ cộng sinh này hoàn toàn có thể được chia thành chủ nghĩa ký sinh ( parasitism ), chủ nghĩa tương hỗ ( mutualism ) và chủ nghĩa tương sinh ( commensalism ) .

Tương tác với các sinh vật khác

a. Vi khuẩn Commensal

Từ ” commensalism ” có nguồn gốc từ từ ” commensal “, có nghĩa là ” ăn cùng bàn ” và tổng thể thực vật và động vật hoang dã đều bị vi trùng commensal xâm lăng. Ở người và những động vật hoang dã khác, hàng triệu con sống trên da, đường hô hấp, ruột và những lỗ thông khác. Được gọi là ” hệ thực vật thông thường ” hoặc ” commensals “, những vi trùng này thường không gây hại nhưng hoàn toàn có thể xâm nhập vào những vị trí khác của khung hình và gây nhiễm trùng. Escherichia coli là một sinh vật sống trong ruột người nhưng hoàn toàn có thể gây nhiễm trùng đường tiết niệu. Tương tự, liên cầu khuẩn là một phần của hệ thực vật thông thường trong miệng người .

b. Vi khuẩn ăn thịt (Predators)

Một số loài vi trùng hủy hoại và sau đó tiêu thụ những vi sinh vật khác, những loài này được gọi là vi trùng ăn thịt ( predatory bacteria ). Chúng gồm có những sinh vật như Myxococcus xanthus, tạo thành những đám tế bào tàn phá và tiêu hóa bất kể vi trùng nào mà chúng gặp phải. Các vi trùng này tiêu thụ trực tiếp những vi trùng khác hoặc bám vào con mồi để tiêu hóa chúng và hấp thụ chất dinh dưỡng hoặc xâm nhập vào tế bào khác và nhân lên bên trong bào tương ( cytosol ). Những vi trùng săn mồi này được cho là đã tiến hóa từ những đại thực bào ( saprophages ) tiêu thụ những vi sinh vật đã chết, trải qua sự thích nghi được cho phép chúng quấn lấy và giết chết những sinh vật khác .

c. Những vi khuẩn theo chủ nghĩa tương hỗ (Mutualists)

Một số vi trùng hình thành những link khoảng trống ngặt nghèo thiết yếu cho sự sống sót của chúng. Một sự link tương hỗ như vậy được gọi là sự chuyển giao hydro giữa những loài, xảy ra giữa những cụm vi trùng kỵ khí tiêu thụ những axit hữu cơ, ví dụ điển hình như axit butyric hoặc axit propionic tạo ra hydro, và vi trùng methanogenic archaea tiêu thụ hydro. Các vi trùng trong nhóm này không hề tiêu thụ axit hữu cơ vì phản ứng này tạo ra hydro tích tụ trong môi trường xung quanh chúng. Chỉ có sự link mật thiết với loài vi trùng tiêu thụ hydro mới giữ cho nồng độ hydro đủ thấp để vi trùng tăng trưởng .
Trong đất, vi sinh vật cư trú ở tầng sinh quyển ( rhizosphere – vùng gồm có mặt phẳng rễ và lớp đất bám vào rễ sau khi lắc nhẹ ) triển khai quy trình cố định và thắt chặt đạm, chuyển khí nitơ thành những hợp chất chứa nitơ. Điều này cung ứng một dạng nitơ dễ hấp thụ cho nhiều loài thực vật, chúng không hề tự cố định và thắt chặt nitơ. Nhiều vi trùng khác được tìm thấy như thể sinh vật sống cộng sinh ở người và những sinh vật khác. Ví dụ : sự hiện hữu của hơn 1.000 loài vi trùng trong hệ thực vật đường ruột thông thường của con người hoàn toàn có thể góp thêm phần vào năng lực miễn dịch đường ruột, tổng hợp vitamin, ví dụ điển hình như axit folic, vitamin K và biotin, quy đổi đường thành axit lactic cũng như lên men carbohydrate phức tạp không tiêu hóa được. Sự hiện hữu của vi trùng đường ruột này cũng ức chế sự tăng trưởng của vi trùng có năng lực gây bệnh ( thường trải qua loại trừ cạnh tranh đối đầu ) và những vi trùng có lợi này được bán dưới dạng thực phẩm tính năng bổ trợ probiotic .
Gần như tổng thể sự sống của động vật hoang dã đều phụ thuộc vào vào vi trùng để sống sót vì chỉ có vi trùng và 1 số ít cổ khuẩn mới chiếm hữu những gen và enzym thiết yếu để tổng hợp vitamin B12, còn được gọi là cobalamin và cung ứng nó qua chuỗi thức ăn. Vitamin B12 là một loại vitamin tan trong nước, tham gia vào quy trình trao đổi chất của mọi tế bào trong khung hình con người. Nó là một đồng yếu tố trong quy trình tổng hợp DNA, và trong cả quy trình chuyển hóa axit béo và axit amin. Nó đặc biệt quan trọng quan trọng trong hoạt động giải trí thông thường của hệ thần kinh trải qua vai trò của nó trong tổng hợp myelin .

d. Vi khuẩn gây bệnh (Pathogens)

Cơ thể liên tục tiếp xúc với nhiều loài vi trùng, gồm có cả vi trùng có lợi, tăng trưởng trên da và màng nhầy, và vi trùng hoại sinh hầu hết tăng trưởng trong đất và vật chất thối rữa. Máu và dịch mô chứa những chất dinh dưỡng đủ để duy trì sự tăng trưởng của nhiều vi trùng. Cơ thể có những chính sách bảo vệ được cho phép nó chống lại sự xâm nhập của vi sinh vật vào những mô của nó và tạo cho nó năng lực miễn dịch tự nhiên hoặc năng lực đề kháng bẩm sinh chống lại nhiều vi sinh vật. Không giống như 1 số ít vi rút, vi trùng tiến hóa tương đối chậm nên nhiều bệnh do vi trùng cũng xảy ra ở những động vật hoang dã khác .
Nếu vi trùng hình thành mối link ký sinh với những sinh vật khác thì chúng được xếp vào nhóm tác nhân gây bệnh. Vi khuẩn gây bệnh là nguyên do chính gây tử trận và bệnh tật ở người và gây ra những bệnh nhiễm trùng như uốn ván ( do Clostridium tetani ), sốt thương hàn, bạch hầu, giang mai, dịch tả, bệnh do thực phẩm, bệnh phong ( do Micobacterium leprae ) và bệnh lao ( gây ra do Mycobacterium tuberculosis ). Nguyên nhân gây bệnh cho một bệnh y khoa chỉ hoàn toàn có thể được phát hiện nhiều năm sau đó, như trường hợp của Helicobacter pylori và bệnh loét dạ dày tá tràng. Các bệnh do vi trùng cũng xảy ra trong nông nghiệp, với vi trùng gây bệnh đốm lá, cháy lá và héo rũ trên cây xanh, cũng như bệnh Johne, viêm vú, vi trùng salmonella và bệnh than ở động vật hoang dã trang trại .
Mỗi loài mầm bệnh có một phổ tương tác đặc trưng với vật chủ của chúng. Một số sinh vật, ví dụ điển hình như Staphylococcus hoặc Streptococcus hoàn toàn có thể gây nhiễm trùng da, viêm phổi, viêm màng não và nhiễm trùng huyết, một phản ứng viêm body toàn thân tạo ra sốc, giãn mạch lớn và tử trận. Tuy nhiên, những sinh vật này cũng là một phần của hệ vi sinh thông thường của con người và thường sống sót trên da hoặc trong mũi mà không gây ra bất kể bệnh tật nào. Các sinh vật khác luôn gây bệnh cho người, ví dụ điển hình như Rickettsia, là ký sinh nội bào bắt buộc chỉ hoàn toàn có thể tăng trưởng và sinh sản trong tế bào của những sinh vật khác. Một loài Rickettsia gây ra bệnh sốt phát ban, trong khi một loài khác gây ra bệnh sốt đốm Rocky Mountain. Chlamydia, một nhóm ký sinh nội bào bắt buộc khác, chứa những loài hoàn toàn có thể gây viêm phổi hoặc nhiễm trùng đường tiết niệu và hoàn toàn có thể tương quan đến bệnh tim mạch vành. Một số loài, ví dụ điển hình như Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia cenocepacia và Mycobacterium avium là mầm bệnh thời cơ và gây bệnh đa phần ở những người bịức chế miễn dịch hoặc xơ nang. Một số vi trùng tạo ra độc tố, là nguyên do gây bệnh. Đây là nội độc tố ( endotoxins ), đến từ những tế bào vi trùng bị hỏng và ngoại độc tố ( exotoxins ) được tạo ra bởi vi trùng và thải ra môi trường. Ví dụ : vi trùng Clostridium botulinum tạo ra extoxin cực mạnh gây tê liệt hô hấp và Salmonellae tạo ra nội độc tố gây viêm dạ dày ruột. Một số ngoại độc tố hoàn toàn có thể được quy đổi thành độc tố, được sử dụng làm vắc-xin để ngăn ngừa bệnh .
Nhiễm trùng do vi trùng hoàn toàn có thể được điều trị bằng thuốc kháng sinh, được phân loại là diệt khuẩn nếu chúng hủy hoại vi trùng hoặc kìm khuẩn nếu chúng chỉ ngăn ngừa sự tăng trưởng của vi trùng. Có nhiều loại kháng sinh và mỗi loại ức chế một quy trình khác nhau so với mầm bệnh được tìm thấy trong vật chủ. Một ví dụ về cách kháng sinh tạo ra độc tính tinh lọc là chloramphenicol và puromycin ức chế ribosome của vi trùng, nhưng không phải ribosome của sinh vật nhân thực khác nhau về cấu trúc. Thuốc kháng sinh được sử dụng cả trong điều trị bệnh cho người và nuôi thâm canh để thôi thúc sự tăng trưởng của động vật hoang dã, nơi chúng hoàn toàn có thể góp thêm phần vào sự tăng trưởng nhanh gọn của thực trạng kháng thuốc kháng sinh trong quần thể vi trùng. Có thể ngăn ngừa nhiễm trùng bằng những giải pháp sát trùng như khử trùng da trước khi dùng kim tiêm đâm vào da và bằng cách chăm nom ống thông trong nhà đúng cách. Các dụng cụ phẫu thuật và nha khoa cũng được khử trùng để tránh bị nhiễm khuẩn. Các chất khử trùng như thuốc tẩy được sử dụng để tàn phá vi trùng hoặc những mầm bệnh khác trên mặt phẳng để ngăn ngừa ô nhiễm và giảm rủi ro tiềm ẩn nhiễm trùng hơn nữa .

11. Tầm quan trọng của vi khuẩn trong công nghệ và công nghiệp

Vi khuẩn axit lactic như loài Lactobacillus và loài Lactococcus phối hợp với nấm men và nấm mốc, đã được sử dụng hàng ngàn năm để chế biến thực phẩm lên men, ví dụ điển hình như pho mát, dưa chua, nước tương, dưa bắp cải, giấm, rượu. và sữa chua .

Tầm quan trọng của vi khuẩn trong công nghệ và công nghiệp

Khả năng phân hủy nhiều loại hợp chất hữu cơ của vi trùng là rất đáng chú ý quan tâm và đã được sử dụng trong giải quyết và xử lý chất thải và giải quyết và xử lý sinh học. Vi khuẩn có năng lực tiêu hóa hydrocacbon trong dầu mỏ thường được sử dụng để làm sạch dầu tràn. Phân bón đã được thêm vào một số ít bãi biển ở Prince William Sound trong nỗ lực thôi thúc sự tăng trưởng của những vi trùng tự nhiên này sau vụ tràn dầu Exxon Valdez năm 1989. Những nỗ lực này đã có hiệu suất cao trên những bờ biển không bị phủ quá dày bởi dầu. Vi khuẩn cũng được sử dụng để giải quyết và xử lý sinh học những chất thải ô nhiễm trong công nghiệp. Trong ngành công nghiệp hóa chất, vi trùng quan trọng nhất trong việc sản xuất những hóa chất tinh khiết đối quang để sử dụng làm dược phẩm hoặc hóa chất nông nghiệp .
Vi khuẩn cũng hoàn toàn có thể được sử dụng thay thế sửa chữa thuốc trừ sâu trong việc trấn áp dịch hại sinh học. Điều này thường tương quan đến Bacillus thuringiensis ( còn gọi là BT ), một loại vi trùng Gram dương, sống trong đất. Các phân loài của vi trùng này được sử dụng làm thuốc trừ sâu đặc hiệu Lepidopteran dưới những tên thương mại như Dipel và Thuricide. Vì tính đặc hiệu của chúng, những loại thuốc trừ sâu này được coi là thân thiện với môi trường, ít hoặc không ảnh hưởng tác động đến con người, động vật hoang dã hoang dã, động vật hoang dã thụ phấn và hầu hết những loài côn trùng nhỏ có ích khác .
Do năng lực tăng trưởng nhanh gọn và năng lực thao tác tương đối thuận tiện, vi trùng là đối tượng người tiêu dùng điều tra và nghiên cứu cho những nghành nghề dịch vụ sinh học phân tử, di truyền và hóa sinh. Bằng cách tạo đột biến trong DNA của vi trùng và kiểm tra những kiểu hình thu được, những nhà khoa học hoàn toàn có thể xác lập công dụng của gen, enzym và con đường trao đổi chất ở vi trùng, sau đó vận dụng kiến ​ ​ thức này cho những sinh vật phức tạp hơn. Mục đích hiểu được hóa sinh của tế bào đạt đến bộc lộ phức tạp nhất của nó trong việc tổng hợp một lượng lớn tài liệu động học và bộc lộ gen của enzyme thành những quy mô toán học của hàng loạt sinh vật. Điều này hoàn toàn có thể đạt được ở 1 số ít vi trùng được nghiên cứu và điều tra kỹ lưỡng, với những quy mô chuyển hóa Escherichia coli hiện đang được sản xuất và thử nghiệm. Sự hiểu biết này về sự trao đổi chất và di truyền của vi trùng được cho phép sử dụng công nghệ sinh học so với vi trùng kỹ thuật sinh học để sản xuất những protein điều trị, ví dụ điển hình như insulin, những yếu tố tăng trưởng hoặc kháng thể .
Vì tầm quan trọng của chúng so với nghiên cứu và điều tra nói chung, những mẫu của những chủng vi trùng được phân lập và dữ gìn và bảo vệ trong những Trung tâm Tài nguyên Sinh vật ( Biological Resource Centers ). Điều này bảo vệ sự sẵn có của chủng này cho những nhà khoa học trên toàn quốc tế .

12. Lịch sử vi khuẩn học

Vi khuẩn lần tiên phong được quan sát bởi nhà hiển vi người Hà Lan Antonie van Leeuwenhoek vào năm 1676 bằng cách sử dụng kính hiển vi một thấu kính do chính ông phong cách thiết kế. Sau đó, ông đã công bố những quan sát của mình trong một loạt những bức thư gửi tới Thương Hội Hoàng gia London ( Royal Society of London ). Vi khuẩn là mày mò hiển vi đáng quan tâm nhất của Leeuwenhoek. Chúng chỉ ở mức số lượng giới hạn những gì thấu kính đơn thuần của ông hoàn toàn có thể tạo ra và trong một trong những thời gian gián đoạn điển hình nổi bật nhất trong lịch sử vẻ vang khoa học, không ai khác hoàn toàn có thể nhìn thấy chúng lần nữa trong hơn một thế kỷ. Các quan sát của ông cũng gồm có những động vật hoang dã nguyên sinh mà ông gọi là “ animalcules ” và phát hiện của ông đã được xem xét lại dưới những phát hiện gần đây hơn về kim chỉ nan tế bào .
Christian Gottfried Ehrenberg đưa ra từ ” vi trùng ” vào năm 1828. Trên trong thực tiễn, sinh vật mà ông tìm ra là một chi chứa vi trùng hình que không sinh bào tử, trái ngược với Bacillus – một chi hình que sinh bào tử. Vi khuẩn có hình dạng được Ehrenberg xác lập năm 1835 .
Louis Pasteur đã chứng tỏ vào năm 1859 rằng sự tăng trưởng của vi sinh vật gây ra quy trình lên men và sự tăng trưởng này không phải do tự phát ( nấm men và nấm mốc, thường tương quan đến quy trình lên men, không phải là vi trùng, mà là nấm ). Cùng với Robert Koch đương thời, Pasteur là người sớm ủng hộ lý thuyết vi trùng của bệnh tật. Trước họ, Ignaz Semmelweis và Joseph Lister đã nhận ra tầm quan trọng của việc khử trùng tay trong y tế. Ý tưởng của Semmelweis đã bị khước từ và cuốn sách của ông về chủ đề này bị hội đồng y tế lên án, nhưng sau đó những bác sĩ của Lister đã khởi đầu vệ sinh tay của họ vào những năm 1870. Trong khi Semmelweis, người mở màn với những quy tắc về rửa tay trong bệnh viện của mình vào những năm 1840 trước khi Viral sáng tạo độc đáo về chính vi trùng và cho rằng những bệnh là do ” phân hủy chất hữu cơ động vật ” .

Louis Pasteur đã chứng minh vào năm 1859 rằng sự phát triển của vi sinh vật

Robert Koch, một nhà tiên phong trong nghành vi sinh y học, đã điều tra và nghiên cứu về bệnh tả, bệnh than và bệnh lao. Trong điều tra và nghiên cứu của mình về bệnh lao, Koch sau cuối đã chứng tỏ được triết lý về vi trùng, mà ông đã nhận được giải Nobel vào năm 1905. Trong những định đề của Koch, ông đã đưa ra những tiêu chuẩn để kiểm tra xem một sinh vật có phải là nguyên do gây ra bệnh hay không, và những định đề này vẫn còn được sử dụng ngày này .
Ferdinand Cohn được cho là người sáng lập ngành vi khuẩn học, nghiên cứu và điều tra vi trùng từ năm 1870. Cohn là người tiên phong phân loại vi trùng dựa trên hình thái của chúng .

Mặc dù vào thế kỷ 19, người ta biết rằng vi khuẩn là nguyên nhân của nhiều bệnh, nhưng vẫn chưa có phương pháp điều trị kháng khuẩn hiệu quả nào. Năm 1910, Paul Ehrlich đã phát triển loại thuốc kháng sinh đầu tiên, bằng cách thay đổi thuốc nhuộm chọn lọc Treponema pallidum – loại xoắn khuẩn gây bệnh giang mai – các hợp chất tiêu diệt mầm bệnh một cách có chọn lọc. Ehrlich đã được trao giải Nobel năm 1908 cho công trình nghiên cứu miễn dịch học và đi tiên phong trong việc sử dụng chất nhuộm màu để phát hiện và xác định vi khuẩn, với công trình nghiên cứu của ông là cơ sở của phương pháp nhuộm Gram và Ziehl-Neelsen.

Một bước tiến lớn trong nghiên cứu và điều tra vi trùng đến vào năm 1977 khi Carl Woese nhận ra rằng cổ khuẩn có một dòng tiến hóa riêng không liên quan gì đến nhau từ vi trùng. Phân loại phát sinh loài mới này nhờ vào vào trình tự sắp xếp của RNA ribosome 16S, và chia sinh vật nhân sơ thành hai miền tiến hóa, như một phần của mạng lưới hệ thống ba miền .

Chia sẻ :

Source: https://vvc.vn
Category : Môi trường