ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
__________

Nguyễn Thị Giang

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC, KHẢ NĂNG
SỬ DỤNG NITƠ CỦA MỘT SỐ CHỦNG VI KHUẨN
TẠO BIOFILM PHÂN LẬP TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012
i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
__________

Nguyễn Thị Giang

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC, KHẢ NĂNG
SỬ DỤNG NITƠ CỦA MỘT SỐ CHỦNG VI KHUẨN
TẠO BIOFILM PHÂN LẬP TẠI VIỆT NAM
Chuyên ngành

:

Mãsố



Trong hệ thống thiết bị nhân tạo ............................................................... 4

1.2.3.

Trong cơ thể sinh vật ................................................................................. 4

1.3.
1.3.1.

Thành phần và cấu trúc của biofilm ............................................................ 4
Thành phần của biofilm............................................................................. 4

1.3.1.1. Các hợp chất ngoại bào ............................................................................... 4
Bảng 1. Vai trò của các thành phần trong EPS. ....................................................... 6
1.3.1.2. Lông, roi, tiêm mao và các phân tử bám dính ............................................ 6
1.3.2.
1.4.

Cấu trúc của biofilm .................................................................................. 8
Quá trình hình thành màng sinh vật ............................................................ 9

1.4.1. Các yếu tố ảnh hƣởng tới sự hình thành màng sinh vật ................................. 9
1.4.2.

Các giai đoạn của quá trình hình thành màng sinh vật ........................... 11

1. 5. Vai trò của màng sinh vật............................................................................... 16
1.5.1.



Hóa chất ................................................................................................... 27

2.2.3.

Máy móc thiết bị...................................................................................... 28

2.3.

Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 28

2.3.1.

Phƣơng pháp ph n lập vi khu n .............................................................. 28

2.3.2.

Phƣơng pháp đánh giá khả năng h nh thành biofilm .............................. 29

2.3.3.

Phƣơng pháp chụp ảnh tr n k nh hiển vi điện tử qu t............................. 29

2.3.4.

Phƣơng pháp đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng tới sự hình thành biofilm . 30

2.3.4.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ............................................................................ 30
2.3.4.2. Ảnh hƣởng của pH .................................................................................... 30
2.3.4.3. Phƣơng pháp nhuộm Gram ....................................................................... 30

Khả năng phát triển và tạo màng nổi....................................................... 42

3.4.2.

Ảnh hiển vi màng nổi của các chủng nghiên cứu ................................... 43

3.4.3.

Khả năng tạo biofilm bề mặt ................................................................... 44

3.5.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo biofilm của các chủng phân lập 45

3.5.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ............................................................................... 45
3.5.2. Ảnh hƣởng của pH ....................................................................................... 47
3.6.

Phân loại các chủng vi khuẩn dựa trên gen 16S rRNA ............................. 48

3.7.

Khả năng chuyển h a nitơ ......................................................................... 51

3.7.1. Khả năng chuyển hóa amoni ........................................................................ 52
3.7.2. Khả năng chuyển hóa nitrit .......................................................................... 53
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 55
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 63


Optical Density

Mật độ quang học

PE

Polyethylen

Nhựa polyethylen

PVC

Polyvinyl chloride

Nhựa polyvinyl chloride

QCVN

Quy chu n Việt Nam

SEM

Scanning Electron Microscope

Ảnh hiển vi điện tử quét

UV

Ultra violet


thống thoát nƣớc xã Dƣơng Nội tr n môi trƣờng Winogradski 2. ....................................40
Hình 12. Khả năng phát triển và tạo màng sinh vật của các chủng vi khu n phân lập từ
trại nuôi vịt xã Trung Tú trên môi trƣờng Winogradski 2.................................................41
Hình 13: Hình dạng các chủng vi khu n nghiên cứu. .......................................................42
Hình 14. Khả năng tạo biofilm nổi của các chủng nghiên cứu .........................................43
Hình 15. Ảnh hiển vi màng nổi của các chủng vi khu n...................................................44
Hình 16. Khả năng tạo biofilm trên vật liệu nhựa .............................................................45
Hình 17. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng tạo biofilm ...........................................46
Hình 18. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng tạo biofilm ....................................................48
Hình 19. Vị trí phân loại chủng T2.2 với các loài có quan hệ họ hàng gần .....................49
Hình 20. Vị trí phân loại chủng H2.2 với các loài có quan hệ họ hàng gần .....................50
Hình 21. Vị trí phân loại chủng T4.1 với các loài có quan hệ họ hàng gần ....................51
Hình 22. Khả năng chuyển hóa amoni của các chủng H2.2 và T4.1 ................................52
Hình 23. Khả năng chuyển hóa nitrit của chủng LD2.2 và T2.2.......................................53

vii


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Giang

MỞ ĐẦU
Nƣớc thải có hàm lƣợng nitơ cao quá mức cho phép khi đƣợc thải ra sông, hồ
sẽ gây ra hiện tƣợng phú dƣỡng làm nƣớc có màu, mùi khó chịu ảnh hƣởng đến môi
trƣờng sinh thái cũng nhƣ sức khoẻ cộng đồng. Do vậy, việc phải loại bỏ nitơ đến
mức tối thiểu từ các nguồn nƣớc ô nhiễm trƣớc khi đƣa ra môi trƣờng là cần thiết.
Trong số các loại nƣớc thải ô nhiễm, nƣớc thải chăn nuôi là một trong những loại
nƣớc thải có hàm lƣợng nitơ cao, có khả năng g y ô nhiễm môi trƣờng và là sinh
sống phát triển của nhiều nhóm sinh vật gây bệnh và cũng là loại nƣớc thải ô nhiễm

Khái niệm màng sinh vật đƣợc hiểu là tập hợp các quần xã vi sinh vật bám
dính và phát triển trên bề mặt các môi trƣờng khác nhau thông qua mạng lƣới chất
ngoại bào do chính chúng tạo ra [32], [57]. Màng sinh vật có thể hình thành trên bề
mặt môi trƣờng vô sinh hay hữu sinh và là một hiện tƣợng phổ biến xuất hiện trong
tự nhiên, trong đời sống hay trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Các tế bào
vi sinh vật trong một màng sinh vật khác biệt với các tế bào sống trôi nổi tự do bởi
việc tổng hợp các chất ngoại bào giúp các tế bào bám dính với nhau trên bề mặt, sự
giảm tỷ lệ tăng trƣởng, và sự điều hòa tăng hoặc giảm của các gen đặc biệt nào đó.
Khả năng bám d nh của vi sinh vật là một quá trình phức tạp đƣợc điều hòa bởi các
đặc điểm khác nhau về môi trƣờng nuôi cấy, chất nền ngoại bào và bề mặt tế bào
[56]. Vi khu n bắt đầu quá trình tạo màng sinh vật để đáp ứng với những tác động
cụ thể từ môi trƣờng sống nhƣ nguồn chất dinh dƣỡng và oxy.
Quá trình tạo thành màng sinh vật cũng trải qua các biến đổi động học trong
việc chuyển từ đời sống tự do sang dạng sống bám dính trong cấu trúc màng sinh
vật, bao gồm cả việc sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp và gia tăng các chất
chống lại các tác nhân vật lý, hóa học và sinh học gây hại [82].
Sự hình thành màng sinh vật đƣợc coi là một trong số những cơ chế tồn tại
của vi sinh vật, tại đó vi khu n tận dụng đƣợc các nguồn dinh dƣỡng và nhận
đƣợc sự bảo vệ trong các điều kiện bất lợi nhƣ khô hạn, bức xạ cực tím hoặc
những chất độc hại. Mặt khác có thể coi hệ thống màng sinh vật là một mạng
lƣới nhiều gen, tại đó các vật liệu di truyền có thể dễ dàng đƣợc trao đổi qua lại
giữa các tế bào vi sinh vật [65].
Biofilm có thể đƣợc hình thành bởi tập hợp các tế bào của một hoặc nhiều
loài vi sinh vật khác nhƣ nấm, tảo, xạ khu n, vi khu n. Trong biofilm các tế bào tập
hợp thành các đơn vị cấu trúc là các vi khu n lạc. Thành phần này đóng vai trò quan
trọng trong quá trình hình thành biofilm đặc biệt là ở giai đoạn đầu bởi nó quy định
đặc tính hình thành biofilm cho từng loài vi sinh vật, đảm nhiệm chức năng tiết các
hợp chất ngoại bào cũng nhƣ có chứa các yếu tố phụ trợ tế bào nhƣ lông roi, lông
nhung hỗ trợ cho việc bám dính của các tế bào khác lên bề mặt giá thể.


mặt ao, hồ… [67].
Màng sinh vật còn có thể đƣợc tìm thấy ở sa mạc. Một trong những hình
thức phổ biến của dạng màng sinh vật sa mạc đƣợc gọi là vec-ni sa mạc (varnish
desert), một thuật ngữ mô tả hiện tƣợng những hòn đá, vách núi có màng sinh vật
phát triển xuất hiện những vết màu [67].
Đối với thực vật, một số loài thực vật cộng sinh với vi khu n có trong màng
sinh vật bám ở rễ cây. Màng sinh vật đƣợc tạo ra bởi vi khu n cố định nitơ
Rhizobium trong rễ cây có thể giúp ngăn ngừa bệnh cho cây trồng [82].

3


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Giang

1.2.2. Trong hệ thống thiết bị nhân tạo
Trong các thiết bị nhân tạo, màng sinh vật thƣờng xuất hiện ở các dụng cụ dẫn
nƣớc và chứa nƣớc gây tắc nghẽn đƣờng ống, rò rỉ nƣớc hay ô nhiễm môi trƣờng.
Biofilm làm giảm nhiệt trong hệ thống làm mát hoặc hệ thống sƣởi nƣớc [21].
Biofilm trong hệ thống kỹ thuật biển, chẳng hạn nhƣ ống dẫn dầu ngoài khơi,
ống dẫn ga công nghiệp có thể dẫn đến sự ăn mòn đáng kể. Ăn mòn chủ yếu là do
các yếu tố vô sinh. Tuy nhiên, ít nhất 20% nguy n nh n g y ra ăn mòn là do các vi
sinh vật đã bám vào bề mặt kim loại [72].
1.2.3. Trong cơ thể sinh vật
Màng sinh vật có trong rất nhiều bệnh nhiễm trùng của cơ thể, ƣớc tính
khoảng 80% các bệnh nhiễm trùng [61].
Các quá trình truyền nhiễm có li n quan đến biofilm nhƣ nhiễm trùng đƣờng
tiết niệu, nhiễm trùng ống thông, nhiễm trùng tai giữa, hình thành các mảng bám
răng, vi m nƣớu, nhiễm trùng trong bệnh xơ nang ... [68], [44].

uronic (v dụ nhƣ D - glucuronic, D - galacturonic, và axit mannuronic)và liên kết
ceton của pyruvate [74]. Ở những protein ngoại bào, nhiều axit amin khác nhau
mang điện t ch m. Có nhiều nhóm chức hóa học nhƣ carboxyl, phosphate, sulfate
trong các axit amin [79]. T nh chất này rất quan trọng bởi nó cho ph p các ph n tử
polysaccarit ngoại bào li n kết đƣợc với các ion dƣơng hóa trị II nhƣ Ca2+ và Mg2+.
Từ đó h nh thành li n kết ch o giữa các sợi polymer và tạo ra lực li n kết lớn hơn
trong cấu trúc màng sinh vật. Trong trƣờng hợp của một số vi khu n gram dƣơng
nhƣ Staphylococcus, thành phần hóa học của mạng lƣới ngoại bào có thể hoàn toàn
khác nhau và gồm chủ yếu là các ion dƣơng.
Sutherland đã ghi nhận hai thuộc t nh quan trọng của mạng lƣới ngoại bào.
Thứ nhất, thành phần và cấu trúc của các polysaccarit xác định cấu tạo ch nh của
mạng lƣới ngoại bào. V dụ, cấu trúc bộ khung của mạng lƣới ngoại bào ở nhiều vi
khu n chứa nhiều li n kết 1,3 hoặc 1,4-β-D-fructan và có xu hƣớng làm cho nó
cứng chắc hơn, t bị biến dạng và trong một số trƣờng hợp trở n n k m hòa tan hoặc
không hòa tan. Các li n kết khác trong ph n tử polysaccarit nhƣ li n kết 1,2 hoặc
1,6- β -D-glucan giúp cấu trúc mạng lƣới ngoại bào trở n n linh hoạt hơn. Thứ hai,
mạng lƣới ngoại bào của màng sinh vật thƣờng không đồng nhất, có thể thay đổi
theo không gian và thời gian [74].
Leriche và cộng sự [53] đã sử dụng liên kết đặc hiệu của lectin với một loại
đƣờng đơn để đánh giá sự phát triển của màng sinh vật ở các vi sinh vật khác nhau.
Kết quả nghiên cứu cho thấy các sinh vật khác nhau sản xuất một lƣợng chất ngoại
bào khác nhau và lƣợng chất ngoại bào này tăng l n theo thời gian. EPS có thể liên
kết với các ion kim loại, các cation hóa trị hai hay các đại ph n tử khác nhƣ protein,
ADN, lipid…[36]. Điều kiện dinh dƣỡng của môi trƣờng nuôi cấy cũng đƣợc chứng
minh là có ảnh hƣởng đến sự sản xuất chất ngoại bào. Nghiên cứu cho thấy sự dƣ
thừa nguồn carbon sẵn có và sự thiếu hụt hàm lƣợng nitơ, kali, photpho trong môi
trƣờng nuôi cấy đã thúc đ y quá trình tổng hợp EPS [74].
EPS cung cấp thành phần gel ngậm nƣớc cao mà nhờ đó các tế bào vi sinh
vật có thể thiết lập những liên kết hiệp đồng bền vững. Sự t ch nƣớc trong mạng


Hoạt hóa

Polysaccharide t ch điện hoặc
kị nƣớc

Kênh dẫn ion, kênh dẫn nƣớc

Các enzym ngoại bào

Phân hủy các hợp chất hữu cơ

Chất lƣỡng cực

Tƣơng tác bề mặt

Màng bao

Xuất bào, kênh dẫn nƣớc

Lectin

Đặc trƣng, nhận dạng

Axit nucleic

Thông tin di truyền, cấu trúc

Hoạt hóa bề mặt

Thông tin di truyền

vi sinh vật di chuyển trong môi trƣờng nƣớc tốt hơn, tạo n n những tƣơng tác ban
đầu giữa bề mặt và tế bào.
De Flaun, De Weger cùng các cộng sự [29], [31] đã chứng minh sự thiếu
vắng của lông roi làm suy giảm khả năng x m nhiễm của Pseudomonas fluorescens
l n rễ c y khoai t y, lúa m và làm giảm độ bám d nh tế bào của P. aeruginosa và P.
fluorescens l n bề mặt polystyrene [63]. Tƣơng tự, nghi n cứu tr n các chủng
Vibrio cholerae và Escherichia coli đột biến thiếu lông roi đã cho thấy không có sự
h nh thành màng sinh vật nhƣ ở các dạng hoang dại của chúng vẫn thực hiện tr n bề
mặt nhựa polyvinylchloride (PVC) [77].
Ti m mao và các ph n tử bám d nh li n kết với ti m mao cũng có vai trò
quan trọng trong sự bám d nh và x m nhiễm bề mặt. Nghi n cứu của Schmoll và
cộng sự [71] tr n chủng vi khu n g y bệnh E. coli cho thấy biểu hiện của gen sfaA,
một gen mã hóa cho các ph n tử bám d nh ti m mao, đƣợc điều hòa tăng cƣờng khi
có sự tiếp xúc của vi khu n với bề mặt. Ở E. coli, khả năng bám d nh bề mặt giảm
đi khi có sự đột biến ở gen sinh tổng hợp csgA và gen sinh tổng hợp ti m mao type I
fim H, một loại ti m mao chứa các ph n tử đặc hiệu với mannose [66]. Tƣơng tự,
đột biến gen tổng hợp ti m mao hemagglutinin có độ nhạy cao với mannose ở V.
cholerae cũng làm giảm độ bám d nh bề mặt [76].
Nhƣ vậy, có thể nói rằng các loài vi sinh vật có lông roi và ti m mao cũng sẽ
có ƣu thế hơn trong việc di chuyển đến một bề mặt giá thể xác định - nơi có điều
kiện thuận lợi cho việc h nh thành màng sinh vật, đồng thời giúp cho việc bám d nh
ban đầu của tế bào với bề mặt tốt hơn [33].

7


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Giang



P. aeruginosa và K. pneumoniae có thể dày từ 15 – 30 μm. Trong khi đó, màng
sinh vật của cùng một loài th dày 40 μm.
Cấu trúc biofilm không đồng nhất cả về không gian và thời gian. Nó liên tục
thay đổi bởi các quá trình xảy ra ở cả bên trong và ngoài màng. Tolker – Nielsen và
cộng sự đã nghi n cứu vai trò của các tế bào chuyển động trong cấu trúc biofilm
trong dòng tế bào bằng cách kiểm tra sự tƣơng tác của P. aeruginosa và P. putida
trên kính hiển vi laser quét. Khi bổ sung 2 chủng này vào dòng tế bào, mỗi vi khu n
ban đầu tạo thành các vi khu n lạc. Theo thời gian, các khu n lạc có sự xâm lấn vào
nhau. Từ cấu trúc nhỏ gọn của vi khu n lạc biến đổi sang cấu trúc lỏng lẻo hơn,
ngƣời ta quan sát thấy các tế bào bên trong khu n lạc đang chuyển động. Sự chuyển
động cuối cùng dẫn đến sự phân tán khu n lạc, phá vỡ cấu trúc biofilm [75].
1.4. Quá trình hình thành màng sinh vật
1.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành màng sinh vật
Mặt phân cách rắn – lỏng giữa một bề mặt và một môi trƣờng lỏng (nhƣ
nƣớc, máu) tạo một môi trƣờng lý tƣởng cho sự gắn và phát triển của các vi sinh
vật. Sự gắn kết không thể diễn ra nếu không xem xét tới ảnh hƣởng của giá thể, đặc
tính của môi trƣờng lỏng và tính chất của tế bào.
Ảnh hưởng của giá thể
Bề mặt rắn có thể có vài đặc điểm quan trọng trong quá trình gắn.
Characklis đã lƣu ý rằng mức độ quần tụ của vi khu n tăng khi độ thô ráp của bề
mặt tăng. Điều này đƣợc giải th ch là do ở bề mặt thô nhám, lực tƣơng tác giữa
các tế bào với bề mặt giảm đi và diện t ch tiếp xúc đƣợc tăng l n đáng kể so với
các bề mặt trơn nhẵn [22].
Tính chất hóa lý của bề mặt vật liệu cũng ảnh hƣởng mạnh mẽ đến tốc độ và
mức độ bám d nh của tế bào l n bề mặt. Hầu hết các nghi n cứu cho thấy rằng các
vi sinh vật gắn kết với một bề mặt kị nƣớc, không ph n cực nhƣ teflon và nhựa
nhanh hơn và tốt hơn so với bề mặt một vật liệu ƣa nƣớc nhƣ thủy tinh hay kim loại.
Ngay cả khi những kết quả nghi n cứu vào các thời điểm khác nhau có m u thuẫn
v không tồn tại một phƣơng pháp chu n nào để xác định bề mặt kỵ nƣớc [19], [40].

năng gắn của tế bào bề mặt. Một số vi khu n dƣới nƣớc có mang lông nhung cũng
đã đƣợc chứng minh là có liên quan tới việc bám của các vi khu n này vào các tế
bào động vật [23].
Những vi sinh vật có lông roi, lông nhung sẽ giúp cho việc di chuyển trong
môi trƣờng nƣớc tốt hơn n n có hiệu quả tạo biofilm cao hơn. Th nghiệm so sánh
giữa hai Pseudomonas fluorescens cho thấy chủng di động có khả năng h nh thành
biofilm nhanh hơn so với chủng không di động [49]. Đối với loài có lông roi, lông
nhung cúng sẽ có ƣu thế trong việc di chuyển đến một bề mặt giá thể xác định nơi

10


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Giang

có điều kiện thuận lợi cho việc h nh thành biofilm đồng thời giúp cho việc bám d nh
ban đầu của tế bào với bề mặt.
Tuy nhi n một số loài không có phần phụ trợ tế bào nhƣng vẫn có khả năng
h nh thành biofilm mạnh dựa vào khả năng tự tổng hợp sẵn các chất ngoại bào nhƣ
lipopolysaccharide, glycoprotein tạo thành cấu trúc màng giáp (capsule), màng nhày
(slime) hay lớp cơ chất bao quanh tế bào [1]. Đặc t nh này tạo t nh tự kết d nh kết
d nh cho tế bào và chủ yếu có những loài vi sinh vật g y bệnh nhƣ Streptococcus
mutans, Streptococcus salivarius, Xanthomonas, Bacillus anthracis [11].
1.4.2. Các giai đoạn của quá trình hình thành màng sinh vật
Sự hình thành màng sinh vật là một quá trình phát triển mà vi khu n chuyển
từ trạng thái động đơn bào sang một trạng thái tĩnh đa bào. Ở đó, sự sinh trƣởng,
phát triển của vi khu n có những đặc trƣng ri ng. Kết quả nghi n cứu sự h nh thành
biofilm ở nhiều loài vi khu n khác nhau cho ph p đƣa ra một mô h nh giả thuyết
chung về quá tr nh h nh thành biofilm. Mô h nh giả thiết cũng đƣợc điều chỉnh để

môi trƣờng là rất khác nhau đối với từng loài vi khu n. P. aeruginosa và P.
fluorescens sẽ tạo thành biofilm dƣới mọi điều kiện mà chúng sinh trƣởng đƣợc
[64]. Một số chủng Escherichia coli K- 12 và Vibrio cholerae sẽ không tạo thành
biofilm ở môi trƣờng tối thiểu trừ khi đƣợc cung cấp th m các axit amin [66], [77].
Ngoài các yếu tố về dinh dƣỡng của môi trƣờng, các yếu tố khác nhƣ nhiệt độ, pH,
oxy, ion kim loại…cũng ảnh hƣởng tới sự h nh thành màng sinh vật.
Trƣớc khi vi sinh vật bám dính lên bề mặt, các phân tử hữu cơ, protein,
glycoprotein đã tiếp xúc và hình thành nên một màng điều kiện, đó là một khu vực
giàu dinh dƣỡng giúp thuận lợi cho sự trao đổi chất của các tế bào vi sinh vật [16].
Các bề mặt trong môi trƣờng thủy sinh thƣờng đạt đƣợc điều kiện cho sự hấp thụ

12


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

Nguyễn Thị Giang

của các chất vô cơ và hữu cơ. Dƣới một số điều kiện nhất định và tùy thuộc đặc tính
lý hóa, các vi khu n có thể di chuyển hƣớng đến bề mặt bởi chuyển động Brown
hay hóa ứng động và hình thành mối tƣơng tác tạm thời với bề mặt thông qua các
lực tƣơng tác yếu nhƣ lực Van der Waals, lực hút tĩnh điện, liên kết hydro. Nhờ khả
năng di chuyển độc lập bằng co rút tế bào hay sử dụng các tiêm mao cũng nhƣ khả
năng tiết các chất ngoại bào đã giúp cho các tế bào riêng rẽ đƣợc bao bọc trong một
mạng lƣới và bắt đầu sự hình thành màng sinh vật [64].
Tuy nhiên sự liên kết các tế bào này chƣa thật sự chặt chẽ do đó giai đoạn
đầu hình thành màng sinh vật một số tế bào có thể tách rời khỏi bề mặt để tiếp tục
đời sống tự do riêng lẻ. Armitage trong nghiên cứu của mình đã chỉ ra rằng vi khu n
Rhodobacter sphaeroides không hoạt động ri ng lẻ để tạo h nh dạng màng sinh vật
nhƣ các một số loài mà chúng có thể tập hợp lại trong những chuỗi dài giúp khởi

lƣới màng sinh vật dần đƣợc hình thành [73].
Giai đoạn 4: Hình thành một biofilm hoàn chỉnh
Khi tế bào vi sinh vật bám dính không thuận nghịch lên bề mặt thì quá trình
trƣởng thành của màng sinh vật bắt đầu. Trong suốt quá trình này, sự phân chia của
các tế bào vi sinh vật bám dính không thuận nghịch là nguyên nhân giúp các tế bào
ph n chia để lan rộng và phát triển dần lên từ các điểm gắn kết để hình thành các vi
khu n lạc hay các cụm tế bào. Từ một phạm vi ban đầu biofilm có thể mở rộng về
không gian cũng nhƣ độ phức tạp tùy thuộc vào điều kiện môi trƣờng. Một biofilm
hoàn chỉnh có cấu trúc giống nhƣ tháp h nh nấm đƣợc bao quanh bởi các kênh vận
chuyển nƣớc có tính th m thấu cao tạo điều kiện cho việc vận chuyển chất dinh
dƣỡng và oxy vào b n trong biofillm cũng đƣợc quan sát. Các biofilm phát triển khá
chậm thƣờng cần vài ngày để đạt đƣợc cấu trúc hoàn chỉnh. Một biofilm trƣởng
thành đƣợc coi nhƣ một tổ chức tiên tiến luôn có sự thích nghi liên tục với môi
trƣờng bao quanh, điều này cũng có nghĩa là khi điều kiện môi trƣờng bất lợi vi
khu n có thể tách rời khỏi biofilm để tìm một môi trƣờng mới phù hợp hơn [41].
Màng hoàn chỉnh là một cấu trúc phức tạp không đồng nhất của các khu n
lạc ƣu thể và hoạt động sinh trƣởng mạnh cùng với các ezyme, các sản ph m bài tiết
và các kênh nhỏ tạo thành một phần của cấu trúc tổng thể. Trong những trƣờng hợp
nhất định, biofilm sẽ tạo thành dạng cột nhƣ đƣợc nhìn thấy ở hình 3. Vi khu n
chuyển động hóa ứng động và sử dụng tín hiệu cảm biến để kết nối thông tin với
nhau. Các loài khác nhau sử dụng các phân tử khác nhau cho sự kết nối này. Cũng
có những bằng chứng cho thấy các khu n lạc ở gần bề mặt màng sinh vật hoạt động
khác với những khu n lạc khác trong màng. Điều đó chỉ ra rằng, các khu n lạc bị
đột biến mất khả năng cảm biến hoặc chuyển động hóa ứng động không tốt sẽ mất
cấu trúc màng [47].

14


Luận văn Thạc sỹ Sinh học

vậy vấn đề này vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu kỹ. Boyd và Chakrabarty cho rằng
enzyme lyase ph n giải alginate có thể đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn tách
rời của P. aeruginosa [10]. Họ đã cho thấy sự biểu hiện quá mức của enzyme phân
giải alginate có thể tăng tốc độ tách rời và làm bong các tế bào ra khỏi biofilm [19].
Một nghi n cứu của Allison và cộng sự đã chỉ ra rằng màng sinh vật của P.
fluorescens giảm khi giai đoạn ủ đƣợc k o dài và điều đó có thể là mất EPS [15].
1. 5. Vai trò của màng sinh vật
1.5.1. Vai trò của việc hình thành biofilm với vi sinh vật
Biofilm đƣợc h nh thành và xem nhƣ là một hình thức tồn tại phổ biến của
nhiều loài vi sinh vật trong điều kiện tự nhiên bởi nó đem lại những lợi ích nhất
định cho sự tồn tại và phát triển của chính bản thân vi sinh vật.
1.5.1. 1. Bảo vệ tế bào khỏi các điều kiện bất lợi của môi trường
Các tế bào phải trải qua một số các thay đổi về h nh thái, đặc tính sinh lý
khi chuyển sang dạng biofilm và một trong những thay đổi quan trọng là việc
hình thành mạng lƣới các chất ngoại bào bao quanh. Mạng lƣới này giúp giữ lại
chất hữu cơ không hòa tan từ môi trƣờng nƣớc xung quanh tạo điều kiện cho vi
sinh vật sinh trƣởng, phát triển và mở rộng biofilm. Đồng thời nó cũng có vai
trò trong việc kiến tạo cấu trúc không gian 3 chiều đặc trƣng cho biofilm bằng
cách tạo nên một mức độ ổn định, một sự cân bằng nội môi cho các vi sinh vật
sinh sống trong biofilm [78].
Bên cạnh đó một vai trò quan trọng của mạng lƣới ngoại bào là đem lại khả
năng chống lại các tác nhân kháng khu n cho các tế bào sinh sống trong biofilm.
Theo Flemming vi khu n sống trong một biofilm có thể có khả năng kháng đối với
các tác nhân gây hại (chất kháng sinh, chất hoạt động bề mặt...) cao gấp 1000 lần so
với tế bào sống trôi nổi [35].
Mạng lƣới các hợp chất ngoại bào cũng đƣợc ghi nhận có khả năng giúp tế
bào chống lại tác động của kim loại nặng, các ion và chất độc, giúp tế bào tránh

16


nhi n đòi hỏi sự phối hợp của nhiều nhóm vi khu n có cơ chế trao đổi chất khác
nhau để cùng phân giải một hợp chất hữu cơ và việc các vi sinh vật thuộc nhiều
nhóm khác nhau cùng cƣ trú trong biofilm sẽ góp phần thúc đ y các quá trình này
diễn ra nhanh hơn [39].
1.5.1.4. Trao đổi vật chất di truyền
Quá trình truyền gen ngang (horizontal gene transfer) đóng vai trò quan
trọng trong việc thúc đ y sự tiến hóa của các cộng đồng vi sinh vật. Trong đó cơ

17