Vi sinh là gì ? Giới thiệu về vi sinh vật

Trong lĩnh vực nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản, “vi sinh” là cụm từ quen thuộc được nhắc đến như một giải pháp sinh học an toàn, thân thiện với môi trường và con người. Nhưng ít ai thực sự hiểu rõ “vi sinh” là gì, hay nó có đồng nghĩa với “vi sinh vật” hay không. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu cặn kẽ khái niệm đó một cách chính xác và toàn diện.

1. Giới thiệu chung về vi sinh vật

Từ “vi sinh” vốn là cách gọi rút gọn, phổ biến trong dân gian, còn tên khoa học chính xác của nó là vi sinh vật (microorganisms). Đây là nhóm sinh vật có kích thước vô cùng nhỏ bé, chỉ có thể quan sát được qua kính hiển vi quang học hoặc điện tử.

Trong thế giới tự nhiên, có vô số vi sinh vật tồn tại, và chỉ một phần rất nhỏ trong số đó gây ra các bệnh nguy hiểm cho người, động vật hoặc thực vật. Còn lại, phần lớn vi sinh vật đóng vai trò tích cực trong đời sống và các quá trình sinh học của Trái Đất.

Vi sinh vật (nguồn: nguoi-viet.com)

Từ xa xưa, con người đã biết tận dụng lợi ích của vi sinh vật, dù khi ấy họ chưa hề biết đến sự tồn tại của chúng. Những hoạt động như ủ rượu, làm tương, muối dưa, muối cà, chế biến nước mắm, giấm, chao hay sữa chua đều dựa trên các quá trình lên men tự nhiên của vi sinh vật.

Ngoài ra, người nông dân cũng biết áp dụng những phương pháp truyền thống để hạn chế sự phát triển của vi sinh vật gây hại, chẳng hạn như phơi khô, ướp muối, làm mứt hay sấy khô thực phẩm để bảo quản được lâu hơn.

Vi sinh vật học ngày nay được xem là nền tảng quan trọng cho sự hình thành và phát triển của Công nghệ sinh học (CNSH). Quá trình phát triển của lĩnh vực này được chia thành ba giai đoạn lớn, phản ánh sự tiến bộ của khoa học và khả năng ứng dụng của con người vào thực tế.

Giai đoạn đầu tiên là Công nghệ sinh học truyền thống, gắn liền với những phương pháp dân gian như chế biến, bảo quản thực phẩm hay xử lý đất đai, phân bón trong nông nghiệp. Dù đơn giản, đây chính là nền móng cho các ứng dụng vi sinh hiện đại sau này.

Kế tiếp là Công nghệ sinh học cận đại, khi con người bắt đầu sử dụng các thiết bị lên men công nghiệp để sản xuất hàng loạt các sản phẩm sinh học như bột ngọt (mì chính), lysine, các axit amin, dung môi hữu cơ, kháng sinh, vitamin (B2, B12, C…), hay enzym công nghiệp. Ở giai đoạn này, vi sinh vật đã được khai thác có hệ thống để phục vụ quy mô công nghiệp.

Cuối cùng là Công nghệ sinh học hiện đại, bao gồm các lĩnh vực chuyên sâu như công nghệ di truyền, công nghệ tế bào, công nghệ enzym và protein, công nghệ vi sinh – lên men, và công nghệ môi trường. Đây là giai đoạn mà con người đã có thể tạo ra các cơ thể mang gen tái tổ hợp (recombinant gene), mở ra khả năng ứng dụng to lớn trong nông nghiệp, y học, và xử lý môi trường.

2. Vi sinh vật được phân loại như thế nào

Trong tự nhiên, vi sinh vật không thuộc một nhóm phân loại riêng biệt nào trong giới sinh vật học. Thay vào đó, chúng là tập hợp của những sinh vật có kích thước cực kỳ nhỏ, đến mức mắt thường không thể nhìn thấy. Để quan sát và nghiên cứu chúng, các nhà khoa học phải sử dụng kính hiển vi quang học hoặc kính hiển vi điện tử, giúp phóng đại hình ảnh hàng nghìn lần so với thực tế.

Đặc điểm chung của các sinh vật được xếp vào nhóm “vi sinh vật” chính là kích thước hiển vi và khả năng sinh trưởng trong môi trường đặc biệt. Việc nghiên cứu về chúng không thể thực hiện bằng cách quan sát thông thường mà phải nuôi cấy trong điều kiện vô khuẩn.

Chỉ khi được tách biệt khỏi các yếu tố ngoại lai, vi sinh vật mới có thể phát triển ổn định và cho phép con người khảo sát đặc tính sinh học của từng loài.

Từ trước đến nay, khoa học đã xây dựng nhiều hệ thống phân loại sinh vật khác nhau. Tuy nhiên, dù theo tiêu chí nào thì các bậc phân loại cơ bản của sinh vật, trong đó có vi sinh vật, vẫn được sắp xếp từ cao xuống thấp theo thứ tự như sau:

• Giới (Kingdom)
• Ngành (Phylum)
• Lớp (Class)
• Bộ (Order)
• Họ (Family)
• Chi (Genus)
• Loài (Species)

Đây là hệ thống chuẩn mà các nhà sinh học trên thế giới vẫn sử dụng cho đến ngày nay.

Trong các nghiên cứu hiện đại, ngoài những cấp độ phân loại trên, người ta còn bổ sung thêm một cấp cao hơn gọi là Lĩnh giới (Domain). Cấp độ này giúp mở rộng khả năng phân biệt giữa các nhóm sinh vật có cấu trúc tế bào và vật chất di truyền khác nhau.

Ngoài ra, còn có các cấp trung gian như Loài phụ (Subspecies), Chi phụ (Subgenus), Họ phụ (Subfamily), Bộ phụ (Suborder),Lớp phụ (Subclass), Ngành phụ (Subphylum). Điều này giúp việc phân loại được chi tiết và chính xác hơn.

Bậc phân loại

Theo thống kê của giới khoa học, trong tổng số hơn 1,5 triệu loài sinh vật đã được mô tả, có khoảng 200.000 loài vi sinh vật được xác định rõ ràng. Con số này bao gồm khoảng 100.000 loài động vật nguyên sinh và tảo, 90.000 loài nấm, 2.500 loài vi khuẩn lam và 1.500 loài vi khuẩn thật sự.

Tuy nhiên, đây vẫn chỉ là phần nổi của tảng băng — bởi mỗi năm, các nhà nghiên cứu vẫn liên tục phát hiện thêm hàng nghìn loài vi sinh vật mới, mở rộng hiểu biết của con người về thế giới sinh học vi mô.

Đặc biệt, virus là một dạng rất đặc biệt, thường được xem là phi tế bào vì chúng không có cấu trúc cơ thể hoàn chỉnh. Do đó, virus không được tính vào nhóm vi sinh vật nói trên, mặc dù chúng cũng chỉ có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử.

Cho đến nay, các nhà khoa học đã đặt tên cho khoảng 4.000 loài virus, và con số này vẫn tiếp tục tăng khi những loại virus mới được phát hiện trong các hệ sinh thái khác nhau.

3. Các đặc điểm chung của vi sinh vật

3.1. Vi sinh vật – những sinh vật đầu tiên xuất hiện trên Trái Đất

Trái Đất được hình thành cách đây khoảng 4,6 tỷ năm, và các dấu vết đầu tiên của sự sống được tìm thấy trong các tầng đá cổ niên đại 3,5 tỷ năm. Những dấu tích này là các vi sinh vật hóa thạch – tổ tiên xa xưa nhất của mọi sinh vật hiện nay.

Dưới kính hiển vi, chúng có hình dạng rất giống vi khuẩn lam (Cyanobacteria) tồn tại trong các thủy vực ngày nay.

Nhà khoa học J. William Schopf là người đầu tiên phát hiện ra dạng hóa thạch này ở miền Tây nước Úc. Sau đó, các nghiên cứu khác tiếp tục ghi nhận dấu vết của chi Gloeodiniopsis có niên đại khoảng 1,5 tỷ năm, và chi Palaeolyngbya khoảng 950 triệu năm. Những phát hiện này khẳng định rằng vi sinh vật chính là nền tảng đầu tiên của sự sống trên hành tinh chúng ta.

Paleobiologist J. William Schopf (nguồn: Newsroom)

3.2. Kích thước cực nhỏ bé

Điểm nổi bật nhất của vi sinh vật chính là kích thước hiển vi, chỉ có thể quan sát được bằng dụng cụ chuyên dụng. Phần lớn vi khuẩn, nấm men hay tảo đơn bào được đo bằng đơn vị micromet (µm) – tương đương một phần triệu mét. Trong khi đó, virus còn nhỏ hơn nhiều, kích thước chỉ ở mức nanomet (nm) – tức một phần tỷ mét.

Kích thước các loài sinh vật (nguồn: vietnam12h.com)

Chú thích:

• Electron microscope: kính hiển vi điện tử
• Light microscope: kính hiển vi quang học
• Unaided eye: mắt thường

Chính vì nhỏ bé như vậy nên vi sinh vật có khả năng xâm nhập, phân tán và sinh sôi ở những nơi mà sinh vật đa bào không thể tồn tại. Kích thước nhỏ cũng giúp chúng hấp thu chất dinh dưỡng nhanh, đồng thời tăng diện tích tiếp xúc với môi trường xung quanh, tạo lợi thế lớn cho quá trình sống và phát triển.

3.3. Hấp thu mạnh, chuyển hóa cực nhanh

Mặc dù có kích thước nhỏ, vi sinh vật lại sở hữu khả năng trao đổi chất mạnh mẽ đáng kinh ngạc. Cấu trúc cơ thể đơn giản giúp chúng hấp thu chất dinh dưỡng trực tiếp qua màng tế bào và chuyển hóa nhanh hơn nhiều lần so với động – thực vật bậc cao.

Xem thêm Sự khác biệt giữa vi sinh vật tự dưỡng và vi sinh vật dị dưỡng

Chẳng hạn, chỉ trong một giờ, một tế bào Lactobacillus có thể phân giải lượng đường lactose gấp 100 đến 10.000 lần khối lượng cơ thể của chính nó. Tương tự, nấm men có tốc độ tổng hợp protein cao gấp 1.000 lần đậu tương và hơn 100.000 lần so với trâu bò. Chính đặc tính này khiến vi sinh vật trở thành “nhà máy sinh học” lý tưởng trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và dược phẩm.

Lactobacillus (nguồn: Nova-Manson)

3.4. Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh

Không một sinh vật nào trên Trái Đất có tốc độ sinh sản và phát triển nhanh như vi sinh vật. Trong điều kiện thuận lợi, chỉ từ một tế bào ban đầu, sau 24 giờ có thể sinh ra hàng triệu đến hàng tỷ tế bào con. Tốc độ này gọi là thời gian thế hệ (generation time) – thước đo đặc trưng cho khả năng nhân đôi của chúng.

Ví dụ, nấm men rượu (Saccharomyces cerevisiae) có chu kỳ thế hệ khoảng 120 phút, trong khi tảo Chlorella mất khoảng 7 giờ, và vi khuẩn lam Nostoc cần đến 23 giờ để hoàn tất một vòng sinh trưởng. Dù khác nhau về tốc độ, nhưng nhìn chung, vi sinh vật luôn có khả năng nhân số lượng cực nhanh, giúp chúng chiếm lĩnh mọi môi trường sống.

Saccharomyces cerevisiae (nguồn: nptyeast.vn)

3.5. Khả năng thích nghi và biến dị mạnh mẽ

Vi sinh vật được xem là bậc thầy của sự thích nghi. Trong suốt hàng tỷ năm tiến hóa, chúng đã hình thành nên cơ chế điều hòa trao đổi chất linh hoạt, cho phép tồn tại trong nhiều điều kiện khắc nghiệt – nơi mà các sinh vật khác không thể sống sót.

Một số loài ưa nhiệt có thể phát triển ở môi trường trên 80°C, trong khi loài khác vẫn sống được ở vùng băng vĩnh cửu. Có vi sinh vật chịu được độ mặn cực cao, pH rất thấp hoặc rất kiềm, thậm chí tồn tại trong môi trường phóng xạ. Ngoài ra, nhờ sinh sản nhanh và cấu trúc đơn bội, vi sinh vật dễ phát sinh biến dị di truyền, tạo nên những dòng mới chỉ sau vài thế hệ.

Vi sinh vật (nguồn: tailieumoitruong.org)

Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống … do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị. Chỉ sau một thời gian ngắn đã có thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các hế hệ sau. Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất.

3.6. Phân bố rộng, chủng loại đa dạng

Vi sinh vật hiện diện ở khắp mọi nơi: trong không khí, đất, nước, cơ thể sinh vật, thực phẩm, thậm chí cả ở những nơi con người tưởng chừng không có sự sống. Chúng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các chu trình sinh – địa – hóa học như chu trình nitơ, carbon, lưu huỳnh, giúp cân bằng và duy trì hệ sinh thái toàn cầu.

Vòng tuần hoàn sinh-địa-hoá học (biogeochemical cycles) (nguồn: sciencedirect.com)

Đặc biệt, vi sinh vật thể hiện sự đa dạng trong phương thức dinh dưỡng. Có loài tự dưỡng nhờ ánh sáng (quang tự dưỡng), có loài dị dưỡng bằng hợp chất hữu cơ (hóa dị dưỡng). Một số khác lại sống ký sinh hoặc cộng sinh, tham gia vào mối quan hệ phức tạp giữa các sinh vật khác nhau. Chính nhờ sự đa dạng này, vi sinh vật trở thành một phần không thể thiếu trong sự vận hành của hành tinh.

Xem thêm 5 điểm khác nhau giữa vi sinh hiếu khí và vi sinh kỵ khí

Nguồn: Vi sinh vật học – Phần 1: Thế giới vi sinh vật – GS. TS Sinh học Nguyễn Lân Dũng