Tổng quan nghiên cứu
Ngộ độc thực phẩm do vi sinh vật là vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và kinh tế. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mỗi năm có khoảng 600 triệu ca ngộ độc thực phẩm trên toàn thế giới, trong đó 66% do vi sinh vật gây ra, dẫn đến khoảng 420.000 ca tử vong. Bacillus cereus là một trong những tác nhân vi khuẩn phổ biến gây ngộ độc thực phẩm với hai thể bệnh chính: tiêu chảy và nôn mửa. Vi khuẩn này tồn tại rộng rãi trong môi trường như đất, nước thải và nhiều loại thực phẩm như sữa, thịt, rau củ. Các phương pháp truyền thống như xử lý nhiệt, áp suất, tia UV hay sử dụng kháng sinh có thể làm thay đổi chất lượng thực phẩm hoặc gây dư lượng kháng sinh ảnh hưởng sức khỏe người tiêu dùng.
Trong bối cảnh đó, liệu pháp thực khuẩn thể (bacteriophage) được xem là giải pháp tiềm năng do tính đặc hiệu cao, an toàn và thân thiện môi trường. Luận văn tập trung nghiên cứu phân lập và tuyển chọn thực khuẩn thể ly giải đặc hiệu Bacillus cereus nhằm kiểm soát vi khuẩn này trong thực phẩm. Mục tiêu chính là phân lập, sàng lọc thực khuẩn thể có khả năng ly giải đặc hiệu các chủng B. cereus và nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng đến sự ổn định của thực khuẩn thể. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu đất và nước thải tại quận Cầu Giấy, Hà Nội, trong năm 2022, góp phần phát triển công nghệ sinh học ứng dụng trong kiểm soát an toàn thực phẩm tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vi sinh vật và thực khuẩn thể. Bacillus cereus là vi khuẩn gram dương, có khả năng tạo bào tử và sinh độc tố gây ngộ độc thực phẩm. Độc tố của B. cereus gồm độc tố ruột (Nhe, Hbl, CytK) và độc tố gây nôn (cereulide), có tính bền nhiệt và ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng. Thực khuẩn thể là virus đặc hiệu xâm nhiễm và ly giải vi khuẩn, được phân loại theo hình thái và vật liệu di truyền, chủ yếu thuộc bộ Caudovirales với ba họ chính: Myoviridae, Siphoviridae và Podoviridae. Thực khuẩn thể có chu kỳ sinh tan hoặc tiềm tan trong tế bào vật chủ, với khả năng nhân lên và ly giải tế bào vi khuẩn.
Các khái niệm chính bao gồm:
- Phổ vật chủ: phạm vi chủng vi khuẩn mà thực khuẩn thể có thể xâm nhiễm.
- Tỷ lệ lây nhiễm (MOI): tỷ lệ giữa số lượng thực khuẩn thể và tế bào vi khuẩn trong quá trình nhiễm.
- Đường cong sinh trưởng thực khuẩn thể: biểu diễn sự nhân lên và ly giải tế bào của thực khuẩn thể theo thời gian.
- Tính ổn định của thực khuẩn thể: khả năng duy trì hoạt tính trong các điều kiện môi trường khác nhau như nhiệt độ, pH, độ mặn và tia UV.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu gồm 54 mẫu đất và nước thải thu thập tại quận Cầu Giấy, Hà Nội, cùng 4 chủng vi khuẩn Bacillus cereus chuẩn từ Trung tâm Nguồn gen Vi sinh vật Quốc gia. Phương pháp phân lập thực khuẩn thể sử dụng kỹ thuật nhỏ giọt trên thạch hai lớp, làm giàu mẫu với hỗn hợp vi khuẩn chỉ thị, lọc loại bỏ vi khuẩn và tinh sạch thực khuẩn thể qua nhiều lần nhân giống. Phổ vật chủ được khảo sát bằng phương pháp nhỏ giọt trên các chủng vi khuẩn khác nhau.
Tỷ lệ lây nhiễm (MOI) được xác định bằng cách ủ hỗn hợp thực khuẩn thể và vi khuẩn ở các tỷ lệ khác nhau, đo mật độ thực khuẩn thể sau 3,5 giờ. Đường cong sinh trưởng được xây dựng bằng cách theo dõi mật độ thực khuẩn thể và vi khuẩn theo thời gian trong điều kiện MOI tối ưu. Hình thái thực khuẩn thể được quan sát qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để phân loại theo tiêu chuẩn quốc tế.
Các điều kiện ảnh hưởng đến sự ổn định của thực khuẩn thể được khảo sát gồm nhiệt độ (từ -80℃ đến 70℃), pH (2-12), nồng độ NaCl (50-1000 mM) và tia cực tím (bước sóng 254 nm). Mật độ thực khuẩn thể được xác định bằng phương pháp đếm vết tan trên thạch hai lớp. Tất cả thí nghiệm được thực hiện 3 lần, kết quả phân tích thống kê bằng ANOVA với mức ý nghĩa p ≤ 0,05.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Tỷ lệ phân lập thực khuẩn thể: Trong 54 mẫu nghiên cứu, có 17 mẫu (31,48%) phát hiện thực khuẩn thể ly giải B. cereus, trong đó 100% mẫu đất (15/15) và 5,13% mẫu nước thải (2/39) có thực khuẩn thể. Kích thước vết tan trên thạch dao động từ 1-3 mm, thể hiện đa dạng về hoạt tính ly giải.
Phổ vật chủ: Thực khuẩn thể số 24 có khả năng ly giải cả 4 chủng vi khuẩn B. cereus thử nghiệm, thể hiện phổ vật chủ rộng và hoạt lực mạnh nhất. Các dòng khác ly giải từ 1 đến 3 chủng. Phổ vật chủ rộng giúp thực khuẩn thể có tiềm năng ứng dụng cao trong kiểm soát vi khuẩn gây ngộ độc.
Hình thái và phân loại: Qua kính hiển vi điện tử TEM, thực khuẩn thể số 24 có cấu trúc đầu thập nhị diện đường kính 93,3 ± 2,5 nm và đuôi dài co duỗi 131-174 nm, thuộc họ Myoviridae. Kích thước đầu lớn hơn một số thực khuẩn thể tham khảo, đuôi ngắn hơn, phù hợp với đặc điểm thực khuẩn thể ly giải B. cereus phổ biến.
Tỷ lệ lây nhiễm (MOI) tối ưu: MOI 0,01 cho hiệu quả nhân lên cao nhất với mật độ thực khuẩn thể tăng khoảng 5 log sau 3,5 giờ, trong khi MOI cao hơn (1, 10) chỉ tăng khoảng 1 log. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước, cho thấy MOI thấp giúp tối ưu hiệu quả ly giải và giảm chi phí ứng dụng.
Đường cong sinh trưởng: Thực khuẩn thể số 24 có thời kỳ tiềm tàng khoảng 40 phút, hệ số nhân virus trung bình 63 ± 3 PFU/tế bào. Sau 80 phút, vi khuẩn bị ly giải gần như hoàn toàn với giảm mật độ 6,2 ± 0,3 log. Thời gian tiềm tàng ngắn hơn nhiều thực khuẩn thể khác, cho thấy khả năng ly giải nhanh và hiệu quả.
Tính ổn định trong điều kiện môi trường:
- Ổn định cao ở nhiệt độ 4-50℃, giảm mật độ nhẹ ở 37℃ (0,4 log) và 50℃ (0,6 log), giảm mạnh ở 70℃ (5,7 log) sau 1 giờ.
- Ở nhiệt độ lạnh (-20℃, -80℃), mật độ giảm nhanh, mất hoạt tính hoàn toàn sau 10 ngày bảo quản.
- Ổn định ở pH rộng từ 2 đến 12, tối ưu ở pH 6-8, mật độ giảm không đáng kể (~0,3 log) ở pH cực đoan.
- Khả năng chịu tia UV tốt, mật độ giảm 0,8 log sau 20 phút, 2,3 log sau 60 phút chiếu tia UV 254 nm.
- Ổn định trong dung dịch NaCl với nồng độ từ 50 đến 1000 mM, phù hợp với môi trường thực phẩm có độ mặn cao.
Thảo luận kết quả
Kết quả phân lập thực khuẩn thể từ đất cao hơn nhiều so với nước thải, phù hợp với đặc điểm sinh thái của B. cereus và thực khuẩn thể trong môi trường tự nhiên. Phổ vật chủ rộng của thực khuẩn thể số 24 là ưu điểm nổi bật, giúp ứng dụng trong kiểm soát nhiều chủng vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm. Hình thái và kích thước phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về thực khuẩn thể ly giải B. cereus.
MOI thấp tối ưu cho sự nhân lên và ly giải vi khuẩn, giảm chi phí sản xuất và ứng dụng thực tế. Thời kỳ tiềm tàng ngắn và hệ số nhân virus hợp lý giúp thực khuẩn thể số 24 có hiệu quả cao trong việc kiểm soát vi khuẩn. Tính ổn định trong dải nhiệt độ và pH rộng cho thấy khả năng ứng dụng linh hoạt trong nhiều loại thực phẩm và điều kiện bảo quản khác nhau.
Khả năng chịu tia UV tương đối tốt là điểm mạnh giúp thực khuẩn thể duy trì hoạt tính khi tiếp xúc ánh sáng trong quá trình xử lý thực phẩm. Khả năng chịu mặn cao phù hợp với các sản phẩm thực phẩm có hàm lượng muối lớn, mở rộng phạm vi ứng dụng. Tuy nhiên, khả năng chịu lạnh kém đòi hỏi nghiên cứu thêm về môi trường bảo quản tối ưu để duy trì hoạt tính lâu dài.
Các kết quả này tương đồng với nhiều nghiên cứu quốc tế, đồng thời bổ sung dữ liệu mới về thực khuẩn thể ly giải B. cereus tại Việt Nam, góp phần phát triển liệu pháp sinh học an toàn và hiệu quả trong kiểm soát ngộ độc thực phẩm.
Đề xuất và khuyến nghị
Phát triển chế phẩm thực khuẩn thể số 24: Tiến hành quy trình sản xuất quy mô pilot và công nghiệp chế phẩm thực khuẩn thể số 24 để ứng dụng kiểm soát Bacillus cereus trong ngành công nghiệp thực phẩm. Mục tiêu giảm mật độ vi khuẩn gây ngộ độc ít nhất 5 log trong sản phẩm thực phẩm trong vòng 24 giờ. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: Viện Công nghệ sinh học, doanh nghiệp công nghệ sinh học.
Nghiên cứu tối ưu môi trường bảo quản: Khảo sát và phát triển môi trường bảo quản giúp duy trì hoạt tính thực khuẩn thể ở nhiệt độ thấp (-20℃, -80℃) nhằm kéo dài thời gian sử dụng và vận chuyển. Mục tiêu duy trì mật độ thực khuẩn thể trên 10^8 PFU/ml sau 6 tháng bảo quản. Thời gian: 6-12 tháng. Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu vi sinh vật, phòng thí nghiệm chuyên sâu.
Ứng dụng thực khuẩn thể trong quy trình chế biến thực phẩm: Thử nghiệm ứng dụng thực khuẩn thể số 24 trong các sản phẩm thực phẩm có nguy cơ nhiễm B. cereus như sữa, thịt, rau củ lên men, nhằm giảm thiểu nguy cơ ngộ độc thực phẩm. Mục tiêu giảm tỷ lệ vi khuẩn gây bệnh dưới ngưỡng an toàn theo quy định. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: Doanh nghiệp chế biến thực phẩm, viện nghiên cứu.
Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo về ứng dụng thực khuẩn thể trong kiểm soát vi sinh vật gây hại cho các doanh nghiệp và cơ quan quản lý an toàn thực phẩm. Mục tiêu nâng cao nhận thức và kỹ năng ứng dụng công nghệ mới. Thời gian: liên tục. Chủ thể: Học viện Khoa học và Công nghệ, các tổ chức đào tạo.
Xây dựng hệ thống giám sát và đánh giá hiệu quả: Thiết lập hệ thống giám sát hiệu quả ứng dụng thực khuẩn thể trong thực tế, thu thập dữ liệu về giảm ngộ độc thực phẩm do B. cereus, đánh giá tác động kinh tế và sức khỏe cộng đồng. Thời gian: 2-3 năm. Chủ thể: Bộ Y tế, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, viện nghiên cứu.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vi sinh vật học, công nghệ sinh học: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về phân lập, đặc tính và ứng dụng thực khuẩn thể ly giải Bacillus cereus, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn về vi sinh vật và liệu pháp sinh học.
Doanh nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm: Thông tin về thực khuẩn thể đặc hiệu giúp doanh nghiệp phát triển công nghệ kiểm soát vi khuẩn gây ngộ độc, nâng cao chất lượng và an toàn sản phẩm, đáp ứng yêu cầu thị trường và quy định an toàn thực phẩm.
Cơ quan quản lý an toàn thực phẩm và y tế công cộng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, hướng dẫn sử dụng công nghệ sinh học trong kiểm soát ngộ độc thực phẩm, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
Các tổ chức nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh học: Tài liệu là nguồn tham khảo quan trọng để phát triển các chế phẩm sinh học mới, mở rộng ứng dụng thực khuẩn thể trong y tế, nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm.
Câu hỏi thường gặp
Thực khuẩn thể là gì và tại sao lại được sử dụng để kiểm soát Bacillus cereus?
Thực khuẩn thể là virus đặc hiệu xâm nhiễm và ly giải vi khuẩn. Chúng có tính đặc hiệu cao, an toàn cho người và môi trường, không làm thay đổi chất lượng thực phẩm. Do đó, thực khuẩn thể được xem là giải pháp hiệu quả để kiểm soát B. cereus gây ngộ độc thực phẩm.Phổ vật chủ của thực khuẩn thể số 24 rộng đến mức nào?
Thực khuẩn thể số 24 có khả năng ly giải cả 4 chủng Bacillus cereus thử nghiệm, thể hiện phổ vật chủ rộng, giúp kiểm soát nhiều chủng vi khuẩn gây bệnh khác nhau, tăng hiệu quả ứng dụng trong thực tế.MOI tối ưu là gì và tại sao MOI thấp lại hiệu quả hơn?
MOI (Multiplicity of Infection) là tỷ lệ giữa số thực khuẩn thể và tế bào vi khuẩn. MOI 0,01 là tối ưu trong nghiên cứu này vì giúp thực khuẩn thể nhân lên mạnh nhất, ly giải hiệu quả vi khuẩn mà không gây lãng phí tài nguyên, giảm chi phí sản xuất.Thực khuẩn thể số 24 có thể chịu được những điều kiện môi trường nào?
Thực khuẩn thể số 24 ổn định ở nhiệt độ từ 4 đến 50℃, pH rộng từ 2 đến 12, chịu được nồng độ muối cao và có khả năng chống chịu tia UV tương đối tốt, phù hợp với nhiều điều kiện bảo quản và ứng dụng trong thực phẩm.Làm thế nào để bảo quản thực khuẩn thể số 24 hiệu quả?
Nghiên cứu cho thấy thực khuẩn thể số 24 kém ổn định ở nhiệt độ đông lạnh (-20℃, -80℃). Do đó, bảo quản ở 4℃ và thường xuyên nhân giống mới là phương pháp hiệu quả hiện tại. Cần nghiên cứu thêm môi trường bảo quản để kéo dài thời gian sử dụng.
Kết luận
- Phân lập thành công 17 dòng thực khuẩn thể ly giải đặc hiệu Bacillus cereus từ mẫu đất và nước thải tại Hà Nội, với tỷ lệ phân lập từ đất đạt 100%.
- Thực khuẩn thể số 24 có phổ vật chủ rộng, ly giải hiệu quả 4 chủng vi khuẩn B. cereus, thuộc họ Myoviridae với cấu trúc đầu đuôi đặc trưng.
- MOI tối ưu là 0,01, thời kỳ tiềm tàng khoảng 40 phút, hệ số nhân virus 63 PFU/tế bào, cho thấy khả năng ly giải nhanh và hiệu quả.
- Thực khuẩn thể số 24 ổn định trong dải nhiệt độ 4-50℃, pH 2-12, chịu được nồng độ muối cao và tia UV, phù hợp ứng dụng trong ngành thực phẩm.
- Đề xuất phát triển chế phẩm thực khuẩn thể, tối ưu bảo quản và ứng dụng trong kiểm soát ngộ độc thực phẩm do Bacillus cereus tại Việt Nam.
Hành động tiếp theo: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển công nghệ chế phẩm thực khuẩn thể, đồng thời triển khai thử nghiệm ứng dụng thực tế trong ngành công nghiệp thực phẩm để nâng cao an toàn và chất lượng sản phẩm.