Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu chung về vi khuẩn Lam 1. Vị trí của vi khuẩn Lam trong sinh giới Giới (Regnum) là một bậc trong loại bậc phân loại lớn nhất, bao gồm những sinh vật có chung đặc điểm nhất định. Vậy có bao nhiêu giới sinh vật? Đây là câu hỏi thật khó trả lời một cách chính xác.
Hệ thống phân loại của Linnaeus (1737, 1753) chia tất cả sinh vật thành 2 giới: Thực vật và Động vật, tác giả đã chọn đặc điểm của cơ quan sinh sản làm tiêu chuẩn phân loại, mặt khác Linnaeus đã đề xuất cách đặt tên kép (Binomial naming system) đối với các loài thực vật bằng tiếng Latin - đó là cách đặt tên hợp lý mà ngày nay chúng ta đang sử dụng. Đến năm 1866 Haeckel chia sinh vật làm 3 giới gồm Protista, Thực vật và Động vật. Vào năm 1937, Chatton chia sinh vật làm hai trên giới (superkingdoms) là trên giới Prokaryota và trên giới Eukaryota, trong đó tảo được xếp vào cả hai trên giới. Hệ thống phân loại 4 giới của Copeland (1956) gồm giới sinh vật phân cắt hoặc Khởi sinh (Monera), giới Nguyên sinh (Protista), giới Thực vật (Plantea), giới Động vật (Animalia), trong đó xếp toàn bộ tảo vào giới Nguyên sinh (Protista) cùng với Nấm và Động vật nguyên sinh.
Hệ thống phân loại 4 giới của Gordon (1975) gồm giới tiền nhân (Prokaryota), giới Thực vật (Plantea), giới Nấm (Fungi), giới Động vật (Animalia) ông đã bỏ giới Nguyên sinh (Protista) và xếp nó vào giới Thực vật. Hệ thống phân loại 5 giới của Whittaker (1969) gồm giới Khởi sinh (Monera), giới Nguyên sinh (Protista), giới Nấm (Fungi), giới Thực vật (Plantae) và giới Động vật (Animalia), trong đó thực vật nổi xếp vào giới 5 Nguyên sinh (Protista), còn tảo đỏ, tảo nâu và một số tảo lục lại được xếp vào giới Thực vật (Plantea). Hệ thống phân loại 5 giới của Margulis (1978) gồm giới tiền nhân (Prokayota) tức sinh vật phân cắt có Vi khuẩn và Vi khuẩn cổ, 4 giới còn lại gồm giới Nguyên sinh (Protista), giới Nấm (Fungi), giới Thực vật (Plantae), giới Động vật (Animalia), trong đó xếp toàn bộ tảo vào giới Nguyên sinh (Ptotista) [26]. Sơ đồ ba lãnh giới của sinh giới (Woese và cs.
Trong đó, VKL thuộc lãnh giới Vi khuẩn [159]. Ngày nay, cùng với sự phát triển của sinh học phân tử dẫn đến sự thay đổi vị trí các ngành trong các giới khác nhau, vì vậy quan điểm trên của Woese (1990) [159] về số lượng các giới có thể ngày càng nhiều hơn. Đặc điểm cơ bản của vi khuẩn Lam VKL là những cơ thể mà tế bào của chúng chưa có nhân điển hình, không có màng nhân, vật chất di truyền được tập trung trong chất nhân, DNA tạo thành một sợi duy nhất khép lại thành vòng [69]. Khác với vi khuẩn, VKL sống tự dưỡng, có màu xanh lam do chứa diệp lục a, phycoxian màu lam và phycoerytrin màu đỏ (thuộc nhóm biliprotein).
Trong quá trình quang hợp, chúng thải O2 ra môi trường ngoài. Cùng với Prochlorales, VKL xếp vào nhóm vi sinh vật quang tự dưỡng [141]. Hình dạng tế bào sinh dưỡng của VKL đa dạng: hình cầu, elíp rộng hay hình elíp kéo dài, hình quả lê, hình trứng, dạng hình thoi, hình ống. Màng tế bào VKL có cấu tạo tương tự như màng tế bào vi khuẩn gram âm (Gram-negative bacteria).
Lớp trong cùng là peptidoglycan (murein), lớp ngoài cấu tạo bởi protein và liposacarit. Một số loài VKL có màng tế bào hoá nhầy hoặc hình thành bao nhầy chuyên hoá bao quanh tế bào, nhóm tế bào hay toàn bộ dãy tế bào (sợi). Bao có thể đồng nhất hay phân lớp. Chất nguyên sinh của tế bào VKL đậm đặc hơn tế bào thực vật khác, nó không chuyển động và chứa rất ít không bào.
Trong tế bào của VKL thường có không bào khí. Không bào khí nhằm giúp cho chúng dễ trôi nổi trong nước. Đôi khi không bào khí chỉ xuất hiện trong một số tế bào của sợi, có tác dụng phóng xuất tảo đoạn ra khỏi bao. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng sự xuất hiện các không bào khí này có liên quan tới sự giảm thiểu lượng dưỡng khí hòa tan trong môi trường và sự bổ sung vào trong môi trường sản phẩm của sự lên men sinh học [39], [41], [62].
VKL có thể là những dạng đơn bào, tập đoàn hay dạng sợi. Dạng đơn bào có thể hình cầu, hình trụ hoặc hình elíp, có hoặc không có màng nhầy. VKL dạng tập đoàn thường có dạng hình cầu, hình trụ, hình elíp đôi khi dạng bản hay dạng khối còn những cơ thể dạng sợi có thể phân nhánh hoặc không phân nhánh. 7 Dạng sợi đơn giản không phân nhánh gồm một dãy tế bào là đặc điểm của Lyngbya, Anabaena và Nostoc.
Ở một số chi trichom không có bao (Oscillatoria, Spirulina), số khác có bao nhưng chỉ chứa một trichom (Phormidium, Lyngbya) hoặc có nhiều trichom (Microcoleus, Schizothrix). Tế bào đầu ngọn hay gốc của trichom ở một số loài có hình dạng khác nhau, đó là một trong những đặc điểm giúp ta phân loại về mặt hình thái. Dạng sợi phân nhánh gồm có các kiểu: phân nhánh thực và phân nhánh giả. Phân nhánh thực là đặc điểm của VKL thuộc họ Hapalosiphonaceae.
Sự phân nhánh thực được xảy ra từ một tế bào sinh dưỡng nào đó của trichom, nó phân chia theo chiều dọc, sau đó một trong những tế bào con mới hình thành tạo mấu lồi ở phía bên và tiếp tục phân chia theo hướng đó. Kiểu này thường gặp trong các chi Hapalosiphon, Fischerella, Westiellopsis. Phân nhánh giả thường gặp ở các chi Plectonema, Scytonema, Tolypothrix… Đó là khi ở trong bao, trichom bị đứt đoạn, sau đó hai đầu đoạn đứt mới hình thành tế bào phân chia, chọc thủng bao chui ra ngoài cho hai nhánh giả, trường hợp đó là sự phân nhánh đôi; còn nếu một đầu sợi chui ra khỏi bao, đầu kia vẫn ở trong bao thì được gọi là phân nhánh đơn [38], [99]. Nhiều loài VKL dạng sợi có tế bào dị hình (TBDH) (heterocysts) ở đầu tận cùng của sợi hoặc giữa sợi.
Đó là những tế bào đặc biệt có kích thước lớn hơn tế bào sinh dưỡng. Màng của chúng có hai lớp, nội chất màu vàng nhạt chứa rất ít sắc tố, không chứa không bào khí và các hạt dự trữ. Nơi tiếp xúc giữa tế bào dị hình với tế bào sinh dưỡng có một hạt gọi là hạt cực (polar granule) có tính chiết quang cao [54]. TBDH có thể đơn độc hay nối tiếp nhau thành chuỗi.
Chức năng của TBHD là nơi diễn ra quá trình cố định N2, sinh sản và là cơ quan liên kết, điều hoà quá trình hình thành bào tử [141]. Hầu hết những VKL có khả năng có định N2 đều có TBDH. Nhiều loài đơn bào hay dạng sợi không có TBDH cũng có khả năng này [50], [143], [144], [148]. 8 Trong chu trình sống, VKL không có giai đoạn nào mang roi và không có sinh sản hữu tính.
Hình thức duy nhất là sinh sản vô tính. Thông thường là phân chia tế bào làm đôi hoặc nhờ sự hình thành tảo đoạn (hormogonia), nội bào tử (endospore), ngoại bào tử (exospore) hoặc bảo tử nghỉ (ankinete) [67], [101]. Phân loại vi khuẩn Lam 1. Sơ lược về lịch sử nghiên cứu phân loại vi khuẩn Lam Phân loại học (Taxonomy) là khoa học về mô tả, phân biệt, đặt tên các sinh vật, góp nhóm thành các taxon, sắp xếp các taxon theo hệ thống tôn ti trật tự (Hierachy).
Phân loại học là cơ sở của các ngành khoa học trong lĩnh vực sinh học, nó đồng thời là một bộ phận của Hệ thống học. Hệ thống học (Systematics) là khoa học về đa dạng sinh vật cùng tất cả và từng mối quan hệ qua lại giữa chúng với nhau nhằm xây dựng Hệ thống phát sinh chủng loại (Phylogeny) hay Hệ thống tiến hóa (Evolution System) của từng nhóm hay toàn bộ thế giới sinh vật. Hệ thống học là khoa học cơ sở đồng thời là khoa học tổng hợp cao nhất về hệ thống tri thức ở mọi mức độ về sinh học [26]. Loài phân loại (Taxonomical species) hay còn gọi là loài hình thái - địa lý (Geo - morphological species): dựa trên quan điểm về mối quan hệ nhân quả giữa hình thái và địa lý trong quá trình hình thành các đặc điểm của loài mà Grant (1957, 1963) đã đưa ra khái niệm loài phân loại, thường được gọi là loài hình thái địa lý.
Theo quan điểm này, loài là một đơn vị phát sinh chủng loại gồm một hay nhiều nhóm sinh vật có nguồn gốc chung, có tổ hợp các đặc điểm giống nhau và phân biệt với các loài khác bởi các đặc điểm, trong đó sự ngắt quãng về hình thái địa lý là tiêu chuẩn đầu tiên có tính quyết định trong việc phân biệt loài [26]. Xuất phát từ những quan điểm khác nhau từ trước đến nay đang tồn tại nhiều hệ thống phân loại VKL tuỳ theo mỗi mức độ nghiên cứu. Công trình 9 nghiên cứu phân loại VKL đầu tiên đã được Agardhi (1824), Kuetzing (1843) tiến hành, và hệ thống phân loại VKL do Thuret (1875) đặt nền móng, về sau được Kirchner (1900) phát triển thêm. Sự sửa đổi và bổ sung hệ thống phân loại của Thuret và Kirchner được bắt đầu thực hiện vào đầu thế kỷ XX và tiếp sau đó có nhiều công trình phân loại VKL của các nhà tảo học đã khiến cho tri thức về VKL được tăng tiến rất nhiều [67], [128], [141].
Theo hệ thống của Geitler (1932) theo [95] tảo Lam có một lớp (Cyanophyceae) gồm 4 bộ: Chroococcales, Dermocarpales, Nostocales và Hormogonales. Hệ thống của Desikachary (1959): tảo Lam được chia thành 5 bộ: Chroococcales, Chamaesiphonales, Pleurocapsales, Nostocales và Stigonematales [67]. Hệ thống phân loại của Golerbackh (1977) [168] đã chia Ngành tảo Lam thành 10 bộ, thuộc 3 lớp: Chroococcophyceae, Chamaesiphonophyceae và Hormogoniophycecae. Stanier và Cohen - Bazire (1977) [141], cho rằng VKL gồm 27 chi của 6 phân nhóm (Subgroup): Chroococcocean, Pleurocapsalean, Oscillatorian, Nostocalean, Rivularean và Stigonematalean.
Cơ sở của sự phân chia này chủ yếu dựa vào đặc điểm hình thái ở các giai đoạn phát triển cá thể của các chủng VKL trong nuôi trồng như đơn bào hay đa bào, có TBDH hay không có TBDH, sự hình thành và vị trí của TBDH, phân nhánh thật hay phân nhánh giả. Rippka và cộng sự (1979) [128] dựa trên các đặc điểm sinh trưởng, kiểu phân chia tế bào, quang dị dưỡng, khả năng tổng hợp nitrogenase trong điều kiện kị khí hay hiếu khí, sự tồn tại của c- phicocyanin, sống ở môi trường nước ngọt hay nước mặn đã chia VKL thành 5 nhóm gồm 22 chi. Trong những năm gần đây, Komárek và cộng sự đã lần lượt xuất bản 3 tập sách phân loại VKL ở miền Trung Châu Âu (Komárek & Anagnostidis 10 1999, 2005, Komárek 2013) [96], [97], [94]. Trong bộ sách này, VKL được chia thành 3 bộ: Chroococcales, Oscillatoriales và Nostocales.