Biofilm -Màng sinh học

Biofilm - Màng sinh học Nhiều nhận định về vi khuẩn được dựa trên những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nơi vi khuẩn tồn tại, lơ lửng trong môi trường giàu dinh dưỡng. Thế nhưng, vi khuẩn trong thế giới tự nhiên thì ứng xử khác với tụi vi khuẩn trong phòng thí nghiệm. Là vì, thiên nhiên, nơi kẻ thù thì nhiều mà thức ăn lại không bao nhiêu, là môi trường khắc nghiệt hơn nhiều so với phòng thí nghiệm. Để tồn tại, vi khuẩn phải học cách bám lên bề mặt, liên kết chặt chẽ với các loài khác để cộng sinh và tự bảo vệ mình. Cái thế giới thu nhỏ - gắn kết lại với nhau bằng một thứ “chất nhầy” pô-li-xa-ca-rít do vi khuẩn sản sinh ra , thành một thứ gọi là “Màng Sinh học”. Màng sinh học là cấu trúc thường gặp trong thế giới tự nhiên. Người yêu thủy sinh vốn không lạ gì với cặn máy lọc hoặc váng trên mặt nước; đó (cặn hoặc váng trên mặt nước) là những ví dụ điển hình của màng sinh học. Những trường hợp màng sinh học được nghiên cứu nhiều nhất (dĩ nhiên những thứ mang lại rắc rối cho ta thì phải được ưu tiên nghiên cứu kỹ nhất), là: 1. cao răng; 2. bệnh nhân bị xơ nang vì viêm phổi mãn tính; 3. ống nước và thân tàu bị ăn mòn; và 4. sự nhiễm bẩn ở các thứ như kính áp tròng, tim nhân tạo và các thiết bị cấy ghép y khoa. Lý do khiến vi khuẩn gắn vào và tạo nên Màng Sinh học lên bề mặt là vì bề mặt là nơi chất dinh dưỡng tích tụ lại. Chính do mọi bề mặt đều có điện tích âm, điện tích âm thì sẽ hút i-on dương và các-bon hữu cơ hoà tan. Rồi các hợp chất mang điện tích dương tích tụ lại bên nhau lại sẽ thu hút các hợp chất mang điện tích âm. Vì thế, ngay cả trong môi trường nước nghèo chất dinh dưỡng, thường cũng có vừa đủ chất hữu cơ bám vào bề mặt để giúp vi khuẩn phát triển. Khi các hợp chất hữu cơ tụ lại trên mặt nước, chúng sẽ thu hút các vi khuẩn, tảo và động vật nguyên sinh thích ăn chúng đến, theo thời gian sẽ phát triển thành một màng sinh học, được gọi là neuston (sinh vật sống trong màng mặt nước/váng bề mặt). Vi khuẩn bám vào bề mặt theo nhiều cách khác nhau. Vài lọai vi khuẩn tự bản thân đã có tính kết dính ; cơ bản chúng là “cục keo” bao phủ bởi các màng dính lipopolysaccharide hoặc bởi các phần phụ gốc prô-tê-in. Các vi khuẩn khác chỉ tổng hợp chất kết dính cần thiết khi xuất hiện bề mặt cho chúng bám vào. Chẳng hạn như, trong vòng 15 phút khi vi khuẩn gây viêm đường hô hấp - Psuedomonas aeruginosa’s gặp một mặt kính, nó sẽ kích hoạt ngay một gen cần để tổng hợp polysaccharide. Khi vi khuẩn đã gắn vào bề mặt, chúng chia ra và liên tục sản xuất thật nhiều polysaccharides để tạo nên Màng Sinh học “hòan chỉnh.” Một Màng Sinh học hòan chỉnh có thể dầy từ 600-900 um, tức là dầy gấp mấy trăm lần một con vi khuẩn đơn lẻ.(một con vi khuẩn dài khoảng 1um) Màng sinh học không phải là một chất vô định hình, hay một khối đặc sệt các polysaccharides và vi khuẩn như có người đã nghĩ; nó có tổ chức và cấu trúc. Thậm chí là khu vực dầy nhất của màng sinh học cũng cho luồng nước chảy qua. Nước chảy qua các cấu trúc hình nấm của những khối cầu vi khuẩn, qua đó, cung cấp dinh dưỡng cho chúng và đem chất thải đi. Rõ ràng, cấu trúc bên trong của màng sinh học không được cấu thành theo cách ngẫu nhiên. Các nhà nghiên cứu cho biết có sự trao đổi thông tin liên tục diễn ra giữa các vi khuẩn để đảm bảo màng sinh học được hình thành một cách chính xác. (Các vi khuẩn đột biến không thể truyền thông với nhau để tạo nên các màng sinh học bất thường.) Các màng sinh học không luôn luôn giống y chang nhau, theo kiểu gồm nhiều lớp vi khuẩn hiếu khí bên trên và nhiều lớp vi khuẩn kỵ khí bên dưới. Do các luồng nước chảy qua khuấy động nên các vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí song song tồn tại trong các hốc nhỏ ở khắp trong màng sinh học. Vì thế, các nhà nghiên cứu thiệt ngạc nhiên khi thấy quá trình khử ni-tơ xảy ra trong một bộ lọc xục khí vốn dùng để xử lý nước thải.(Cái lọc này cũng giống như “lọc” thẩm thấu/chảy nhỏ giọt.) họ thấy lượng vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn tạo ni-tơ (nitrat hóa), vi khuẩn khử ni-tơ, và vi khuẩn kỵ khí, cả ở đáy và trên cùng, bằng y như nhau. Và làm thêm những thí nghiệm khác, họ thấy có các hoạt động trao đổi chất qua lại giữa các vi khuẩn tạo ni-tơ (hiếu khí) và vi khuẩn khử ni-tơ (ky ̣khí) y như nhau ở cả tầng đáy cũng như tầng trên cùng. Có thể vi khuẩn tạo ni-tơ và các vi khuẩn khác đã lập được một mối quan hệ tương hỗ hai bên cùng có lợi và chặt chẽ trong các màng sinh học của các bộ lọc sinh học. Vì các vi sinh hiếu khí bình thường phóng thích/nhả a-mô- ni-ắc trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, các vi khuẩn tạo ni-tơ có thể dùng a-mô-ni-ắc (cố định đạm) làm nguồn năng lượng cho mình. Rồi đến lượt các vi khuẩn khử ni-tơ chuyên tiêu thụ a-xít, nên, có thể đã bảo vệ cho các vi khuẩn tạo ni-tơ - vốn đặc biệt nhạy cảm với tính a-xít. Vi khuẩn trong màng sinh học có nhiều thuận lợi hơn là những vi khuẩn lơ lửng tự do trong nước. Trước hết, chúng chia sẻ thông tin di truyền và trao đổi chất cho nhau. Ví dụ như, trong màng sinh học ở cao răng, vi khuẩn Veillonella sử dụng lắc-tát do vi khuẩn Streptococcus sinh ra. Thứ nhì, vi khuẩn trong màng sinh học được bảo vệ khỏi kẻ thù và các hoá chất độc hại. Trong thế giới dưới nước, màng sinh học bảo vệ vi khuẩn khỏi bị các động vật nguyên sinh, các loại tảo độc hại (dinoflagellates – tảo roi) và khuẩn độc (Myxobacteria – niêm khuẩn) làm hại. Về bệnh của người, màng sinh học giúp vi khuẩn không bị thuốc kháng sinh, hoá chất, kháng thể, tế bào miễn dịch v.v… làm hại. Vì thế, các tế bào lơ lửng của trực khuẩn mủ xanh - Pseudomonas aeruginosa sẽ bị tiêu diệt bởi 0,050 mg/ml tobramycin - kháng sinh dùng trong thuốc nhỏ mắt trong khi nhiều hơn thế 20 lần thuốc này (0.1 mg/ml) mà vẫn không diệt được trực khuẩn mủ xanh khi nó là hoá chất ức chế ni-tơ - nitrapyrin, sự tăng trưởng của vi khuẩn trong trường hợp cấy màng sinh học không bị ảnh hưởng gì cả, còn sự tăng trưởng của vi khuẩn sống trong môi trường cấy lơ lửng bị giảm 82 %. Các nhà nghiên cứu đã dùng kết quả thí nghiệm của họ để giải thích tại sao chất ức chế ni-tơ (nitrapyrin) không ngăn chặn được quá trình sinh ra ni-tơ ngoài thực tế cho nông dân, như đã tiên liệu theo nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Vì thế, tuy chất ức chế ni-tơ (nitrapyrin) là chất ức chế hiệu quả đối với N.europaea sống lơ lửng trong môi trường giàu dinh dưỡng trong phòng thí nghiệm, nhưng lại không có hiệu lực trong những điều kiện khi vi khuẩn có thể bám vào các hạt đất và trú ngụ bên trong màng bảo vệ sinh học. Phân biệt Biofilm và surface scum Surface scum: váng bề mặt; màng bề mặt. Surface scum dùng để chỉ chung chung các lọai váng trên mặt nước (váng protein, váng bụi, váng cặn thải, váng vi sinh…) Biofilms: màng sinh học: lớp váng trên mặt nước hay lớp màng nhầy vi sinh bám trên mọi bề mặt (mặt lá, mặt kính, mặt nước…) Các thuât ngữ sử dụng Biofilms: màng sinh học Bacteria: vi khuẩn microcosm: thế giới thu nhỏ, mô hình thu nhỏ polysaccharide: đường đa phân tử, hợp chất hữu cơ hy- đrát các-bon gồm nhiều phân tử đường đơn liên kết với nhau về mặt hoá học norm: quy chuẩn, mô hình, tiêu chuẩn debris: rác, mảnh vỡ, mảnh vụn scum: váng surface scum: váng bề mặt dental plaque: cao răng, vôi răng cystic fibrosis: xơ nang contamination: ô uế; nhiễm bẩn negative charge: điện tích âm nutrient-depleted: không có chất dinh dưỡng adhere: dính chặt; bám vào protozoa: sinh vật đơn bào neuston: sinh vật sống trong màng mặt nước/váng bề mặt lipopolysaccharide: chất nhầy kết dính, một phần (tất yếu) không thể thiếu trong màng tế bào của một số dòng vi khuẩn gam âm proteinaceous appendages: thể phụ gốc protéin Psuedomonas aeruginosa: vi khuẩn gây viêm phổi, viêm đường hô hấp amorphous: chất vô định hình gelatinous mass of polysaccharides: khối sệt dính poly sắc ca rít Anaerobic: kỵ khi ́Microniches: lỗ nhỏ li ti, hốc vi ti Denitrification: sự khử ni-tơ aerobic filter: bộ lọc xục khí waste water treatment: xử lý nước thải trickle ‘filter’: lọc thẩm thấu/lọc nhỏ giọt aerobic heterotroph: vi sinh vật hiếu khí heterotroph: vi sinh vật cần CO2 và chất hữu cơ khác để sống và có năng lượng nitrify: nitrat hóa metabolic: trao đổi chất, chuyển hoá denitrify: khử ni-tơ lactate: lắc-tát (muối hoặc ét-xte của a-xít lắc-tích) Streptococcus bacteria: liên cầu khuẩn; khuẩn cầu chuỗi; khuẩn liên cầu; khuẩn gây ra loét giác mạc có mủ Veillonella bacteria: liên khuẩn gam âm kỵ khí sống ký sinh trong miệng và ruột người và động vật Predator: động vật ăn thịt; kẻ thù predatory algae: tảo độc dinoflagellate: trùng roi, tảo roi Myxobacteria: niêm khuẩn, vi khuẩn nhầy (vi khuẩn hoại sinh hiếu khí, có thể tạo nên thể quả màu sáng nhìn thấy được bằng mắt thường. Các tế bào tạo khối nhầy có hình que đơn bào, đàn hồi, gram dương, sinh sản phân đôi. Sống trong đất, phân động vật, xác thực vật thối rữa. Gồm các chi chủ yếu: Myxococcus, Archangium, Melittangium, Stigmatella, Polyangium, Chondromyces. Nguồn: TĐ BKTT VN) Antibiotic: thuốc kháng sinh Antibodies: kháng thể ̉immune cells: tế bào miễn dịch Pseudomonas aeruginosa: trực khuẩn mủ xanh ; tobramycin: kháng sinh có trong thuốc nhỏ mắt inhibitory: ngăn chặn, hạn chế, kềm chế nitrapyrin: chất ức chế ni-tơ potent: có hiệu lực, hiệu nghiệm inhibitor: chất ức chế N.europaea: Nitrosomonas europaea: Vi khuẩn tạo ni- tơ (cố định đạm), đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp đạm cho cây trồng, được sử dụng trong xử lý nước thải nhờ khả năng ô-xi hoá a-mô-ni-ắc thành ni-trát (nitrát hóa).