Vi khuẩn được cho là những sinh vật đầu tiên xuất hiện trên trái đất, cách đây khoảng 4 tỷ năm. Hóa thạch lâu đời nhất được biết đến là các sinh vật giống vi khuẩn. Vi khuẩn có thể sử dụng hầu hết các hợp chất hữu cơ và một số hợp chất vô cơ làm thực phẩm và một số có thể tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt. Có rất nhiều loại vi khuẩn khác nhau và được chia thành những loại và nhóm khác nhau, mỗi một nhóm có các đặc tính rất riêng biệt. 

Sự quan tâm ngày càng tăng về chức năng của hệ vi sinh vật đường ruột khiến vai trò của vi khuẩn trở nên cần thiết trong sức khỏe con người.

Vi khuẩn là gì?

Vi khuẩn là các sinh vật đơn bào không phải là thực vật và động vật, chúng có cấu trúc và hoạt động đơn giản hơn nhiều so với các tế bào có màng nhân (eucaryote). Vi khuẩn là những tế bào đơn giản nhất và nhỏ hơn tế bào người rất nhiều, bằng 1/100 kích thước tế bào người. Các tế bào người lớn nhất bằng đường kính của sợi tóc, nhưng đa phần các tế người nhỏ bằng 1/10 đường kính sợi tóc. Bởi vì vi khuẩn rất nhỏ nên chúng ta chỉ có thể nhìn thấy được qua kính hiển vi. Một gam đất thường chứa khoảng 40 triệu tế bào vi khuẩn. Một ml nước ngọt thường chứa khoảng một triệu tế bào vi khuẩn. Phần lớn sinh khối của trái đất được cho là tạo thành từ vi khuẩn.

Các loại vi khuẩn

Có rất nhiều loại vi khuẩn khác nhau. Một cách để phân loại chúng là hình dạng. Có ba hình dạng cơ bản.

Hình cầu: Vi khuẩn có hình dạng giống như quả bóng được gọi là cầu khuẩn. Ví dụ như nhóm liên cầu, chịu trách nhiệm về "viêm họng liên cầu khuẩn".

Hình que: Chúng được gọi là trực khuẩn (trực khuẩn đơn). Một số vi khuẩn hình que bị cong. Chúng được gọi là nhóm vi khuẩn vibrio. Ví dụ về vi khuẩn hình que bao gồm Bacillus anthracis (B. anthracis), hoặc bệnh than (bệnh nhiễm khuẩn cấp tính).

Xoắn ốc: Chúng được gọi là xoắn ốc. Nếu phần xoắn của chúng rất chặt thì được gọi là nhóm vi khuẩn spirochetes. Các bệnh Leptospirosis (bệnh xoắn khuẩn gây ra), bệnh Lyme (bệnh nhiễm trùng) và giang mai là do vi khuẩn ở hình dạng này gây ra.

Có nhiều biến thể trong mỗi nhóm hình dạng. Sự khác nhau về kích thước và hình dạng của vi khuẩn là do tất cả chúng có gien khác nhau (ADN). Toàn bộ các đặc tính này gọi là hình thái học của vi khuẩn. Vi khuẩn cũng có thể tồn tại ở các dạng đơn bào hoặc thành nhóm như các chuỗi, các cặp và các cụm.

Kết cấu

Tế bào vi khuẩn khác với tế bào thực vật và động vật. Vi khuẩn là prokaryote, có nghĩa là chúng không có hạt nhân.

Một tế bào vi khuẩn bao gồm:

- Vỏ (capsule): Vỏ của vi khuẩn là một lớp nhầy lỏng lẻo, không rõ rệt bao quanh vi khuẩn, được quan sát bằng phương pháp nhuộm mực nho. Chỉ có một số loài vi khuẩn và trong những điều kiện nhất định mới hình thành vỏ. Khuẩn lạc của những vi khuẩn có vỏ thường nhầy, ướt và sáng. Vỏ của vi khuẩn đóng vai trò bảo vệ cho vi khuẩn trong những điều kiện nhất định. Ngoài ra, vỏ của vi khuẩn còn có giữ được khả năng gây bệnh của vi khuẩn, ví như các chủng phế cầu không tổng hợp được vỏ đều không có khả năng gây bệnh vì chúng nhanh chóng bị thực bào bởi cơ chế bảo vệ của cơ thể.

- Vách (cell wall): Một lớp được làm bằng polymer gọi là peptidoglycan. Vách tế bào cho vi khuẩn hình dạng của nó.

- Màng nguyên sinh (cytoplasma membrane): Được tìm thấy bên trong thành tế bào, giúp tạo ra năng lượng và vận chuyển hóa chất. Màng nguyên sinh là một lớp màng mỏng có tính đàn hồi, bao gồm 60% protein, 40% lipid chủ yếu là các phospholipid. Màng nguyên sinh thực hiện một số chức năng quan trọng quyết định sự tồn tại của tế bào vi khuẩn

- Chất nguyên sinh (cytoplasma): Chất nguyên sinh của vi khuẩn chứa những thành phần hoà tan như protein, peptid, acid amin, vitamin, ARN, ribosom, các muối khoáng, một số nguyên tố hiếm và sắc tố, ngoài ra nó còn chứa các hạt vùi. Bản chất hạt vùi là những không bào chứa lipid, glycogen và một số chất có tính đặc trưng cao với một số loại vi khuẩn. Vì vậy, nó có ý nghĩa trong chẩn đoán như ở vi khuẩn bạch hầu có hạt vùi chứa polymetaphosphat.

- DNA: Chứa tất cả các di truyền được sử dụng trong sự phát triển và chức năng của vi khuẩn. Nó nằm bên trong tế bào chất.

- Ribosome: Đây là nơi các protein được tạo ra, hoặc được tổng hợp. Ribosome là các hạt phức tạp được tạo thành từ các hạt giàu RNA.

- Lông (Flagellum): Lông là những sợi protein dài và xoán tạo thành từ các acid amin dạng D. Lông là cơ quan di dộng trong môi trường thích hợp, nó chỉ có ở một số loại vi khuẩn nhất định. Vị trí lông của các vi khuẩn cũng có đặc điểm khác nhau, là đặc điểm để phân loại vi khuẩn ví dụ như phẩy khuẩn tả có lông ở một đầu, nhiều loại vi khuẩn khác có lông quanh thân như (Salmonella, E.coli), một vài vi khuẩn khác lại có một chùm lông ở đầu.

- Pili: Pili là cơ quan phụ của vi khuẩn như lông, nó có thể mất đi nhưng không ảnh hưởng tới sự tồn tại của vi khuẩn. Chức năng chính của pili là để bám vào các tế bào có màng nhân (eucaryote), khả năng gây bệnh của một số loại vi khuẩn cũng liên quan đến sự tồn tại của pili, nếu vi khuẩn lậu mất pili sẽ không thể gây bệnh được. 

Vi khuẩn hấp thụ dinh dưỡng như thế nào?

Trong khi hầu hết vi khuẩn phải tìm thức ăn (đường, protein (chất đạm), vitamin) để sống, một số khác có thể tự tạo ra thức ăn cho chúng từ các thứ trong môi trường như ánh nắng và carbon dioxide. Một số vi khuẩn cần năng lượng từ môi trường để làm thức ăn, trong khi một số vi khuẩn khác có thể tự tạo ra năng lượng bằng cách sử dụng các nguyên tố khác chung quanh nó.

Vi khuẩn dị dưỡng hoặc heterotrophs, có được năng lượng của chúng thông qua việc tiêu thụ carbon hữu cơ. Hầu hết hấp thụ các chất hữu cơ chết, chẳng hạn như phân hủy thịt. Một số vi khuẩn ký sinh này giết chết vật chủ, trong khi những vi khuẩn khác giúp vật chủ.

Vi khuẩn tự dưỡng (hoặc chỉ là tự dưỡng) tạo ra thức ăn của riêng chúng, hoặc thông qua quang hợp, sử dụng ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide, hoặc hóa hợp chất, sử dụng carbon dioxide, nước và các hóa chất như amoniac, nitơ, lưu huỳnh và các chất khác

Vi khuẩn sử dụng quang hợp được gọi là photoautotrophs. Một số loại, ví dụ, cyanobacteria tạo ra oxy. Đây đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra oxy trong bầu khí quyển của trái đất. Những loại khác, chẳng hạn như heliobacteria, không tạo ra oxy.

Những vi khuẩn sử dụng chemosynthesis được gọi là chemoautotrophs. Những vi khuẩn này thường được tìm thấy trong các lỗ thông hơi đại dương và trong rễ của các loại đậu, như cỏ linh lăng, cỏ ba lá, đậu Hà Lan, đậu, đậu lăng và đậu phộng.

Vi khuẩn sống ở đâu?

Vi khuẩn có thể được tìm thấy trong đất, nước, thực vật, động vật, chất thải phóng xạ, sâu trong lớp vỏ trái đất, băng và sông băng, và suối nước nóng. Có vi khuẩn trong tầng bình lưu, từ 6 đến 30 dặm lên trong khí quyển, và ở các vùng sâu, xuống 32.800 feet hoặc sâu 10.000 mét.

Aerobes, hoặc vi khuẩn hiếu khí, chỉ có thể phát triển ở nơi có oxy. Một số loại có thể gây ra vấn đề cho môi trường của con người, chẳng hạn như ăn mòn, ô nhiễm, các vấn đề với độ trong của nước và mùi hôi.

Anaerobes, hoặc vi khuẩn kỵ khí, chỉ có thể phát triển ở nơi không có oxy. Ở người, loại vi khuẩn này chủ yếu ở đường tiêu hóa. Chúng cũng có thể gây ra chứng hoại thư khí, uốn ván, ngộ độc và hầu hết các bệnh nhiễm trùng răng miệng. Các vi khuẩn kỵ khí có thể sống có hoặc không có oxy, nhưng chúng thích môi trường có oxy hơn. Chúng chủ yếu được tìm thấy trong đất, nước, thảm thực vật và một số hệ thực vật bình thường của con người và động vật. Ví dụ như Salmonella.

Có những loài vi khuẩn gây bệnh trên người, động vật và thực vật, chúng có thể lây nhiễm bằng cách có mặt trong những gì mà bạn ăn và uống. Một vài loài vi khuẩn có hại như E. coli, Salmonella, Campylobacter và Legionella.

Mesophiles, hoặc vi khuẩn mesophilic, là vi khuẩn chịu trách nhiệm cho hầu hết các bệnh nhiễm trùng ở người. Chúng phát triển mạnh ở nhiệt độ vừa phải, khoảng 37 độ C. Đây là nhiệt độ của cơ thể con người. Các ví dụ bao gồm Listeria monocytogenes, Pesudomonas maltophilia, Thiobacillus novellus, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli và Clostridium kluyveri.

Hệ thực vật đường ruột của con người, hoặc hệ vi sinh đường ruột, có chứa vi khuẩn có lợi như mesophilic, chẳng hạn như chế độ ăn uống Lactobacillus acidophilus.

Vi khuẩn cực đoan có thể chịu được các điều kiện được coi là quá khắc nghiệt đối với hầu hết các dạng sống. Thermophiles có thể sống ở nhiệt độ cao, lên đến 75 đến 80 độ C, và hyperthermophiles có thể sống ở nhiệt độ lên đến 113 độ C. Sâu trong đại dương, vi khuẩn sống trong bóng tối hoàn toàn bởi các lỗ thông hơi nhiệt, nơi cả nhiệt độ và áp suất đều cao. Chúng tự tạo thức ăn bằng cách oxy hóa lưu huỳnh đến từ sâu bên trong trái đất.

Những dạng vi khuẩn cực đoan khác bao gồm:

- Halophiles, chỉ tìm thấy trong môi trường mặn

- Acidophiles, một số trong đó sống trong môi trường có tính axit như pH0

- Alkaliphiles, sống trong môi trường alkiline lên đến pH 10.5

Sự sinh sản và chuyển đổi của vi khuẩn

Vi khuẩn có thể sinh sản và thay đổi bằng các phương pháp sau:

- Phân hạch nhị phân: Một hình thức sinh sản vô tính, trong đó một tế bào tiếp tục phát triển cho đến khi một thành tế bào mới phát triển qua trung tâm, hình thành hai tế bào. Sau đó tách ra, làm cho hai tế bào với cùng một vật liệu di truyền.

- Chuyển giao vật liệu di truyền: Các tế bào có được vật liệu di truyền mới thông qua các quá trình được gọi là liên hợp, chuyển hóa hoặc truyền tải. Những quá trình này có thể làm cho vi khuẩn mạnh hơn và có khả năng chống lại các mối đe dọa, chẳng hạn như thuốc kháng sinh.

- Bào tử: Khi một số loại vi khuẩn có ít tài nguyên, chúng có thể hình thành bào tử. Các bào tử giữ nguyên liệu DNA của sinh vật và chứa các enzym cần thiết cho sự nảy mầm. Chúng có khả năng chống lại các áp suất môi trường. Các bào tử có thể vẫn không hoạt động trong nhiều thế kỷ, cho đến khi điều kiện thích hợp xảy ra. Sau đó, chúng có thể kích hoạt lại và trở thành vi khuẩn. Các bào tử có thể tồn tại qua các giai đoạn biến đối của môi trường, bao gồm tia cực tím (UV) và bức xạ gamma, làm khô, phơi nhiễm hóa chất của nhiệt độ.

Một số vi khuẩn tạo ra endospores, hoặc bào tử nội bào, trong khi những vi khuẩn khác tạo ra exospores, được giải phóng ra ngoài. Chúng được gọi là u nang. Clostridium là một ví dụ về một vi khuẩn hình thành endospore. Có khoảng 100 loài Clostridium, bao gồm Clostridium botulinim (C. botulinim) hoặc ngộ độc botulism, chịu trách nhiệm cho một loại ngộ độc thực phẩm gây tử vong, và Clostridium difficile (C. Difficile), gây viêm đại tràng và các vấn đề đường ruột khác.

Sử dụng vi khuẩn trong đời sống

Vi khuẩn thường được cho là có hại, nhưng bên cạnh đó có rất nhiều vi khuẩn có ích. Chúng ta sẽ không tồn tại nếu không có chúng. Ngay chính khí oxy chúng ta hít thở hàng ngày cũng được tạo ra bởi hoạt động của vi khuẩn.

Sự tồn tại của con người

Nhiều vi khuẩn trong cơ thể đóng một vai trò quan trọng trong sự tồn tại của con người. Vi khuẩn trong hệ thống tiêu hóa phá vỡ các chất dinh dưỡng, chẳng hạn như chuyển hóa đường thành các dạng năng lượng mà cơ thể có thể sử dụng.

Vi khuẩn không độc hại cũng giúp ngăn ngừa bệnh tật bằng cách chiếm những nơi gây bệnh, vi khuẩn muốn gắn vào. Một số vi khuẩn bảo vệ chúng ta khỏi bệnh tật bằng cách tấn công các tác nhân gây bệnh.

Cố định protid

Vi khuẩn lấy nitơ và giải phóng nó khi sử dụng thực vật chết. Cây cần nitơ trong đất để sống, nhưng chúng không thể tự tạo ra được. Để đảm bảo điều này, nhiều hạt giống cây trồng có một thùng nhỏ vi khuẩn được sử dụng khi cây mầm nảy mầm.

Công nghệ thực phẩm           

Vi khuẩn axit lactic, như Lactobacillus và Lactococcus cùng với nấm men và nấm mốc, hoặc nấm, được sử dụng để chế biến các loại thực phẩm như pho mát, nước tương, natto (đậu nành lên men), giấm, sữa chua và dưa chua.

Không chỉ là quá trình lên men hữu ích cho việc bảo quản thực phẩm, nhưng một số loại thực phẩm này có thể mang lại lợi ích cho sức khỏe. Ví dụ, một số loại thực phẩm lên men có chứa các loại vi khuẩn tương tự như các loại liên quan đến sức khỏe đường tiêu hóa. Một số quá trình lên men dẫn đến các hợp chất mới, chẳng hạn như axit lactic, mà dường như có tác dụng chống viêm. Cần có thêm điều tra để xác nhận lợi ích sức khỏe của thực phẩm lên men.

Vi khuẩn trong công nghiệp và nghiên cứu

Vi khuẩn có thể phá vỡ các hợp chất hữu cơ. Điều này rất hữu ích cho các hoạt động như xử lý chất thải và làm sạch tràn dầu và chất thải độc hại. Các ngành công nghiệp dược phẩm và hóa chất sử dụng vi khuẩn trong sản xuất một số hóa chất nhất định. Vi khuẩn được sử dụng trong sinh học phân tử, sinh hóa và nghiên cứu di truyền, bởi vì chúng có thể phát triển nhanh và tương đối dễ thao tác. Các nhà khoa học sử dụng vi khuẩn để nghiên cứu cách thức hoạt động của các gen và enzyme.

Vi khuẩn là cần thiết để tạo ra kháng sinh. Bacillus thuringiensis (BT) là một loại vi khuẩn có thể được sử dụng trong nông nghiệp thay vì thuốc trừ sâu. Nó không có những hậu quả không mong muốn về môi trường liên quan đến việc sử dụng thuốc trừ sâu.

Một số vi khuẩn gây nguy hiểm

Đó là một số loại vi khuẩn có thể gây bệnh ở người, chẳng hạn như dịch tả, bạch hầu, kiết lỵ, bệnh dịch hạch, viêm phổi, lao (TB), thương hàn và nhiều bệnh khác. Nếu cơ thể con người tiếp xúc với vi khuẩn mà cơ thể không nhận ra là hữu ích, hệ miễn dịch sẽ tấn công chúng. Phản ứng này có thể dẫn đến các triệu chứng sưng và viêm mà chúng ta thấy. Nhiễm khuẩn/nhiễm trùng là sự gia tăng một chủng vi khuẩn có hại nào đó tại bất kì bộ phận nào của cơ thể.

Sức đề kháng

Năm 1900, viêm phổi, lao và tiêu chảy là ba nguyên nhân chết người lớn nhất ở Hoa Kỳ (Mỹ). Kỹ thuật tiệt trùng và thuốc kháng sinh đã giúp suy giảm đáng kể tử vong do bệnh do vi khuẩn gây ra.

Tuy nhiên, việc lạm dụng thuốc kháng sinh đang làm cho nhiễm khuẩn khó điều trị hơn. Khi vi khuẩn biến đổi, chúng trở nên kháng nhiều hơn với các loại thuốc kháng sinh hiện có, khiến nhiễm trùng khó điều trị hơn. Vi khuẩn biến đổi một cách tự nhiên, nhưng việc lạm dụng thuốc kháng sinh đang đẩy nhanh quá trình này.

"Ngay cả khi các loại thuốc mới được phát triển mà không có thay đổi hành vi, kháng kháng sinh sẽ vẫn là một mối đe dọa lớn." Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO)

Vì lý do này, các nhà khoa học và cơ quan y tế đang kêu gọi các bác sĩ không kê toa thuốc kháng sinh trừ khi cần thiết, và để mọi người thực hành các cách phòng ngừa bệnh khác như vệ sinh thực phẩm tốt, rửa tay, tiêm vắc-xin và quan hệ tình dục an toàn.

Hệ vi sinh đường ruột

Nghiên cứu gần đây đã dẫn đến một sự phát triển mới và ngày càng tăng về cách cơ thể con người tương tác với vi khuẩn, và đặc biệt là các vi khuẩn sống trong đường ruột, được gọi là hệ vi sinh đường ruột, hoặc hệ thực vật đường ruột.

Trong năm 2009, các nhà nghiên cứu đã công bố những phát hiện cho thấy phụ nữ béo phì có nhiều khả năng có một loại vi khuẩn đặc biệt là Selenomonas noxia (S. noxia) trong miệng của họ. Vào năm 2015, các nhà khoa học tại Đại học Bắc Carolina đã phát hiện ra rằng ruột của người bị chán ăn có chứa vi khuẩn "rất khác", hoặc cộng đồng vi sinh vật, so với những người không mắc bệnh này. Họ cho rằng điều này có thể có tác động tâm lý.

Về lịch sử của vi khuẩn

Hơn 2000 năm trước, một tác giả người La Mã, Marcus Terentius Varro, đã cho rằng bệnh tật có thể là do những con vật nhỏ bé nổi lên trong không khí gây ra. Ông khuyên mọi người nên tránh những nơi lầy lội trong công trình xây dựng vì chúng có thể khiến côn trùng xâm nhập vào cơ thể qua miệng và lỗ mũi và gây bệnh.

Vào thế kỷ 17, một nhà khoa học người Hà Lan, Antonie van Leeuwenhoek đã tạo ra một kính hiển vi một thấu kính mà ông đã nhìn thấy cái mà ông gọi là động vật, sau này được gọi là vi khuẩn. Ông được coi là nhà vi sinh học đầu tiên.

Trong thế kỷ 19, các nhà hóa học Louis Pasteur và Robert Koch nói rằng các bệnh do vi trùng gây ra. Điều này được gọi là Lý thuyết Germ.

Vào năm 1910, nhà khoa học Paul Ehrlich đã tuyên bố phát triển loại kháng sinh đầu tiên, Salvarsan. Ông đã sử dụng nó để chữa bệnh giang mai. Ông cũng là nhà khoa học đầu tiên phát hiện vi khuẩn bằng cách sử dụng vết bẩn.

Năm 2001, Joshua Lederburg đặt ra thuật ngữ "hệ vi sinh đường ruột", và các nhà khoa học trên toàn thế giới hiện đang tìm cách mô tả và hiểu chính xác hơn về cấu trúc, loại và cách sử dụng của "hệ thực vật đường ruột" hoặc vi khuẩn trong cơ thể con người.

Nguồn: Theo Medicalnewstoday.com

Thanh Hòa - Tạp chí Dược Mỹ phẩm