CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ VI KHUẨN 1. Đặc điểm vi khuẩn Vi khuẩn là nhóm vi sinh vật có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu trúc nhân hoàn chỉnh, vi khuẩn có các đặc điểm đặc trưng: kích thước nhỏ bé, hấp thụ nhiều và chuyển hóa nhanh, sinh trưởng nhanh và phát triển mạnh, thích ứng mạnh, dễ phát sinh biến dị, nhiều chủng loại và phân bố rộng [12].
Vi khuẩn có kích thước rất nhỏ, thay đổi tùy từng loài, đường kính từ 0,2 – 2,0 µm, chiều dài từ 2 – 10 µm, một số vi khuẩn có kích thước dài đến vài chục micromet. Vi khuẩn có hình thái riêng, đặc tính sinh vật riêng, chúng có khả năng gây bệnh cho người, động vật và thực vật, một số có khả năng tiết chất kháng khuẩn. Phương thức dinh dưỡng đa dạng, đa số vi khuẩn sống hoại sinh trong tự nhiên [13]. Mỗi loại vi khuẩn có hình dạng và kích thước nhất định.
Các hình dạng và kích thước này là do vách tế bào của vi khuẩn quyết định. Hình thái là một tiêu chuẩn rất quan trọng để xác định vi khuẩn [12]. Về hình thái, có thể chia vi khuẩn thành 3 nhóm lớn sau: i) Cầu khuẩn (Cocci): Là những vi khuẩn có hình cầu, mặt cắt của chúng có thể là những hình tròn, nhưng cũng có thể là hình bầu dục hoặc ngọn nến. Đường kính trung bình khoảng 0,5 – 1 µm.
Cầu khuẩn lại được chia làm nhiều loại như: đơn cầu khuẩn (Micrococcus), song cầu khuẩn (Diplococcus), tứ cầu khuẩn (Tetracoccus), tụ cầu khuẩn (Staphylococcus), liên cầu khuẩn (Streptococcus). ii) Trực khuẩn (Bacilli): Là những vi khuẩn hình que, đầu tròn hay vuông, kích thước vi khuẩn gây bệnh thường gặp là 0,5 – 1 x 2 – 5 µm. Các trực khuẩn không gây bệnh thường có kích thước lớn hơn [12]. Một số loại trực khuẩn thường gặp bao gồm: Trực khuẩn Gram dương, sống hiếu khí sinh nha bào: Bacillus anthracis, Bacillus subtilis, v.; Trực khuẩn Gram âm, sống hiếu khí, không sinh nha bào, thường có tiên mao ở xung quanh thân vi khuẩn: Salmonella, Escherichia, Shigella, Proteus, v.
iii) Xoắn khuẩn (Spirillum, Spirochete): Là những vi khuẩn có hình sợi lượn sóng và di động. Chiều dài của các vi khuẩn loại này có thể tới 30 µm. Trong loại này có 3 giống vi khuẩn gây bệnh quan trọng là Treponema, Leptospira và Borrelia [12]. Luan van 9 Ngoài những vi khuẩn có hình dạng điển hình như trên còn có những loại vi khuẩn có hình thái trung gian: Trung gian giữa cầu khuẩn và trực khuẩn là cầu – trực khuẩn, như vi khuẩn dịch hạch (Yersinia pestis); Trung gian giữa trực khuẩn và xoắn khuẩn là phẩy khuẩn mà điển hình là phẩy khuẩn tả (Vibrio cholerae) [12].
Việc nghiên cứu đặc điểm hình thái của vi khuẩn được thực hiện thông qua sự hỗ trợ của các thiết bị chuyên dụng như kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử. Mỗi loại vi khuẩn đều có cấu trúc tế bào và hình dạng khác nhau. Do đó để nhận diện được vi khuẩn phải thực hiện qua nhiều phương pháp, kỹ thuật. Một trong số đó là phương pháp nhuộm Gram [14].
Nhuộm Gram là kỹ thuật nhuộm sử dụng nhiều loại hóa chất để phân biệt 2 nhóm vi khuẩn là Gram dương (+) và Gram âm (–) dựa trên cấu tạo vách tế bào của vi khuẩn. Đây là phương pháp được phát minh bởi nhà khoa học có tên Hans Christian Gram từ năm 1884 và đến nay vẫn được ứng dụng phổ biến [15]. Đặc tính bắt màu của vi khuẩn trong phương pháp nhuộm Gram là do vách tế bào quyết định, từ đó dẫn đến sự khác nhau trong kết quả nhuộm, vi khuẩn Gram dương sẽ bắt màu từ xanh đến tím, vi khuẩn Gram âm sẽ bắt màu từ hồng đến đỏ [14]. Sự khác nhau giữa vi khuẩn Gram dương và Gram âm được tóm tắt trong Bảng 1.
Luan van 10 Bảng 1. Sự khác nhau giữa vi khuẩn Gram dương và Gram âm [14] Vi khuẩn Gram dương Vi khuẩn Gram âm Cấu tạo bên ngoài có 2 lớp: Cấu tạo bên ngoài có 3 lớp: - Bên trong là màng nguyên sinh. - Bên trong là màng nguyên sinh. - Bên ngoài là lớp peptidoglycan - Lớp peptidoglycan mỏng (5 – 10 % dày (60 – 100 % peptidoglycan).
- Bên ngoài là lớp lipopolysaccharide. Hàm lượng lipid thấp Hàm lượng lipid cao Không có nội độc tố Có nội độc tố Không có khoảng chu chất Có khoảng chu chất (periplasmic (periplasmic space) space) Không có kênh porin Có kênh porin Dễ bị tổn thương bởi sự tấn công của Chống lại sự tấn công của lysozyme lysozyme và penicillin và penicillin Lớp peptidoglycan có chứa acid Lớp peptidoglycan không chứa acid teichoic teichoic 1. Tác động của vi khuẩn Vi khuẩn tham gia tích cực vào việc khép kín vòng tuần hoàn các vật chất trong tự nhiên, làm sạch môi trường. Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon, nitơ… các chu trình vật chất có ý nghĩa quyết định cho sự sống của sinh vật trên trái đất.
Tham gia chuyển hóa, phân hủy các chất khó tiêu trong đất thành các chất dễ tiêu cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, một số loại vi khuẩn làm giàu dinh dưỡng bằng cách cố định nitơ cho đất. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm và dược phẩm: ứng dụng quá trình lên men để sản xuất thực phẩm, sản xuất men vi sinh, sản xuất vaccine, các loại thuốc, hormon, v. mang lại giá trị kinh tế cao. Vi khuẩn là đối tượng để Luan van 11 nghiên cứu về di truyền phân tử, hóa sinh học, vì chúng có số lượng gen ít, phát triển nhanh, kích thước nhỏ, nên dễ dàng cho sự nghiên cứu và thực nghiệm.
Nhiều loại vi khuẩn gây bệnh cho người, động vật, thực vật. Vi khuẩn là căn nguyên của các bệnh nhiễm trùng, gây ô nhiễm môi trường, hủy hoại thức ăn và các sản phẩm sinh học cần bảo quản, là mối đe dọa tiềm tàng trong tương lai khi tình trạng kháng thuốc của vi khuẩn ngày càng tăng [12, 13]. Vi khuẩn gây bệnh cho thủy, hải sản Dân số thế giới tính đến năm 2020 là 7,795 tỷ người [16]. Với quy mô dân số hiện tại và được dự báo có thể đạt đến 10,5 tỷ người vào năm 2050 thì an ninh lương thực, thực phẩm được xem như một vấn đề cấp bách trên toàn cầu [17].
Từ nhu cầu trên đã thúc đẩy sự phát triển của các ngành sản xuất thực phẩm. Nuôi trồng thủy sản đã có bước phát triển mạnh mẽ trong những thập kỷ qua và tiếp tục dẫn đầu trong việc sản xuất thực phẩm từ thủy sản tại châu Á và trên toàn cầu. Hơn 91 % sản lượng nuôi trồng thủy sản được sản xuất tại châu Á (102,9 triệu tấn trong năm 2017). So sánh sản lượng nuôi trồng thủy sản và đánh bắt cá trên toàn cầu trong giai đoạn từ 1950 – 2017 [18] Tổng sản lượng nuôi trồng thủy sản toàn cầu đã vượt qua sản lượng đánh bắt cá toàn thế giới 18,32 triệu tấn (Hình 1.1), giá trị của ngành ước tính hơn 250 tỷ USD (tính đến năm 2017) [18].
Hơn 95 % sản lượng của ngành được Luan van 12 sản xuất tại các nước đang phát triển, tốc độ tăng trưởng sản lượng trung bình hằng năm đạt 6,13 %, giúp tạo ra hàng nghìn việc làm và góp phần tăng trưởng kinh tế ở những quốc gia này [18]. Tuy nhiên, cùng với việc tăng cường hoạt động nuôi trồng thủy sản, dịch bệnh bùng phát, đặc biệt là các bệnh nhiễm khuẩn, ngày càng trở thành một thách thức lớn đối với việc mở rộng sản xuất và ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế của một số quốc gia. Dịch bệnh đã làm nền kinh tế toàn cầu bị tổn thất hơn 9 tỷ USD mỗi năm (số liệu công bố năm 2010); gây thiệt hại cho Trung Quốc hơn 120 triệu USD trong giai đoạn từ 1990 – 1992 [19, 20]. Ước tính có khoảng 15 % thiệt hại do cá chết vì dịch bệnh trong các lồng lưới và ao nuôi trong tổng số 16.100 trang trại nuôi cá tại Brazil [21, 22].
Tại Việt Nam, bệnh hoại tử gan tụy cấp tính (hay còn gọi là Hội chứng tôm chết sớm) là bệnh nặng nhất hiện nay ảnh hưởng đến nuôi tôm nước lợ. Căn bệnh này gây ra thiệt hại lớn cho người nuôi tôm ở Đồng bằng sông Cửu Long, nơi có hơn 70 % sản lượng tôm của Việt Nam. Thiệt hại do hội chứng tôm chết sớm đã được ghi nhận ở khoảng 59.000 ha trang trại ở Đồng bằng sông Cửu Long khi bệnh mới xuất hiện vào năm 2011, đến năm 2017 bệnh đã lan ra 294 xã thuộc 86 huyện của 25 tỉnh trong cả nước [23]. Dịch bệnh gia tăng là một trong những hệ quả của việc tăng cường nuôi trồng thủy sản.
Các yếu tố môi trường như chất lượng nước xấu, nhiệt độ không thích hợp, mật độ nuôi dày, quản lý chăm sóc kém, thức ăn và con giống không đảm bảo chất lượng làm cho động vật thủy sản bị giảm sức đề kháng, các tác nhân gây bệnh phát triển. Đồng thời, động vật thủy sản sống trong môi trường nước với mật độ nuôi cao làm cho bệnh có điều kiện lây lan nhanh chóng và gây thiệt hại lớn [24]. Một trong những nguyên nhân gây bệnh phổ biến cho thủy sản là vi khuẩn. Vi khuẩn gây bệnh ở động vật thủy sản đã phân lập được vài trăm loài thuộc 9 họ, vi khuẩn điển hình là nhóm vi khuẩn Aeromonas spp.
gây bệnh ở động vật thủy sản nước ngọt và nhóm Vibrio spp. gây bệnh ở động vật thủy sản nước mặn [24]. Một số vi khuẩn gây bệnh cho thủy, hải sản được thống kê trong Bảng 1. Luan van 13 Bảng 1.
Một số vi khuẩn gây bệnh cho thủy, hải sản [24, 25] Tên vi khuẩn Tên bệnh Đối tượng mắc bệnh Flexibacter columnaris Bệnh Columnaris ở cá Cá nước ngọt Flexibacter maritimus Bệnh Columnaris ở cá Cá nước mặn Flavobacterium branchiophila Bệnh thối mang ở cá Cá Myxococcus piscicolas Cytophaga spp. Bệnh vi khuẩn dạng sợi Giáp xác mặn hay ngọt Leucothrix mucor Flavobacterium spp. Hafnia alvei Bệnh hoại tử nội tạng Cá da trơn Proteus rettgeri Bệnh xuất huyết Cá Bệnh xuất huyết đốm đỏ Aeromonas spp. ở cá, đốm nâu ở tôm Cá, tôm càng xanh Edwardsiella spp.
Bệnh nhiễm trùng máu Cá Bênh đỏ thân và ăn mòn Vibrio alginolyticus vỏ kitin ở tôm, bệnh xuất Cá, tôm huyết ở cá biển Bênh đỏ thân và ăn mòn Vibrio anguillarum vỏ kitin ở tôm, bệnh xuất Cá, tôm huyết ở cá Vibrio Bệnh phát sáng, đỏ thân Tôm parahaemolyticus và ăn mòn vỏ kitin ở tôm Vibrio harveyi Bệnh phát sáng ở tôm Tôm Pasteurella piscinida Bệnh nhiễm khuẩn Cá biển Pseudomonas spp. Bệnh xuất huyết Cá Luan van 14 Một trong những nguyên nhân gây bệnh phổ biến, gây thiệt hại lớn cho nuôi trồng thủy sản không thể không kể đến chi Vibrio.