Một số loài sử dụng format và rượu bậc hai như 2-propanol, 2-butanol làm cơ chất. Phần lớn các loài đều có khả năng sinh trưởng tự dưỡng, sử dụng CO₂ làm nguồn cacbon duy nhất, tuy nhiên acetate và cao men thường có tác dụng thúc đẩy sinh trưởng. Ammonium, sulfid (H₂S) và sulfur được sử dụng làm nguồn nitơ và lưu huỳnh để sinh trưởng. Các loài Methanobacterium hiện có được phân lập từ những môi trường có nồng độ muối thấp như bể lên men kỵ khí, cặn bùn, nước ngầm v.v., vì thế chúng thường bị ức chế ở nồng độ muối từ 0,2 M trở lên. Chi Methanobrevibacter gồm những loài có tế bào hình que ngắn hoặc hình cầu, có khả năng sinh mêtan từ H₂ + CO₂ hoặc  format. Các loài Methanobrevibacter được phân lập từ hệ tiêu hoá của động vật, vì thế thường có nhu cầu dinh dưỡng phức tạp. Khác với hai chi trên, các loài thuộc chi Methanosphaera có tế bào hình cầu và hoàn toàn không có khả năng khử CO₂ thành CH₄, mà chỉ tạo CH₄ trên nguồn cơ chất H₂ + methanol (xem bảng 4). Chúng không có khả năng sinh trưởng tự dưỡng, thường có nhu cầu về vitamin và acid amin. Các loài được biết đến cho tới nay đều được phân lập từ hệ đường ruột của động vật có vú.

Bảng  6. Một số đặc điểm hình thái và sinh lý của các họ Cổ khuẩn sinh mêtan chuẩn

Họ Methanothermaceae chỉ gồm một chi Methanothermus, cả hai loài thuộc chi này đều là cổ khuẩn ưa nhiệt cực đoan phát triển ở nhiệt độ tối ưu 83-88 °C, bị ức chế ở nhiệt độ dưới 60 °C hoặc trên 97 °C. Môi trường sống của chúng là các nguồn nước nóng có nhiệt độ trong khoảng 85 – 101 °C. Tế bào của Methanothermus có một lớp bề mặt (S-layer) bảo vệ bên ngoài lớp pseudomurein. H₂ + CO₂ được sử dụng làm cơ chất sinh mêtan.

Họ Methanococcaceae có một chi Methanococcus gồm sáu loài sống ở môi trường ấm hoặc nhiệt độ cao. Các loài đều có tế bào hình cầu không đều, đường kính 1–2 mm, có lớp bề mặt (S-layer) cấu tạo từ protei bảo vệ bên ngoài, chuyển động nhờ tiêm mao. H₂ + CO₂ và format được sử dụng làm cơ chất sinh mêtan, không loài nào có khả năng sử dụng acetate, các hợp chất có nhóm methyl hay rượu. Phần lớn các loài đều có thể cố định CO₂; nguồn nitơ, lưu huỳnh được sử dụng là ammonium, nitơ khí, alanin, purin, sulfid và lưu huỳnh tự do. Tất cả các loài được phân lập cho đến nay đều có nguồn gốc từ môi trường biển và có nhu cầu về muối để sinh trưởng.

Họ Methanosarcinaceae gồm toàn bộ các loài cổ khuẩn có khả năng sử dụng acetat hoặc các hợp chất có nhóm methyl làm cơ chất để sinh mêtan. Các loài thuộc họ này hoàn toàn không chuyển hoá format, và đa số không có khả năng phát triển trên nguồn cơ chất H₂ + CO₂. Có tất cả bảy chi đã được mô tả cho đến nay, được xếp thành 3 nhóm dựa trên các đặc điểm hình thái và sinh lý. Thuộc nhóm thứ nhất có chi Methanosarcina gồm sáu loài, có tế bào hình cầu không đều, đứng một mình hay tạo thành nhóm, sử dụng acetate, methanol, H₂ + CO₂ làm cơ chất sinh mêtan; nhóm thứ hai gồm chi Methanosaeta có đặc điểm phát triển với tốc độ rất chậm trên nguồn cơ chất acetat; và nhóm thứ ba gồm các chi còn lại có đặc điểm chung là ưa mặn và sử dụng các hợp chất có nhóm methyl làm cơ chất sinh mêtan.

Họ Methanomicrobiaceae gồm sáu chi với hình thái khác nhau: hình cầu (Methanogenium, Methanoculleus), hình đĩa (Methanoplanus), hình que (Methanomicrobium, Methanolacinia) hay hình xoắn (Methanospirillum), nhưng giống nhau về các đặc điểm sinh lý. Trừ một trường hợp ngoại lệ còn tất cả các loài đều sử dụng H₂ + CO₂ và format làm cơ chất, có khả năng cố định CO₂, tuy nhiên acetat và pepton đều có tác dụng kích thích sinh trưởng. Hai chi Methanogenium và Methanoculleus được phân biệt với các chi khác nhờ tốc độ phát triển chậm ở điệu kiện tối ưu, có nhu cầu dinh dưỡng phức tạp, thành phần GC trong ADN cao và yêu cầu NaCl thấp. Chi Methanoplanus và Methanospirillum dễ dạng được phân biệt bởi hình dạng tế bào đặc biệt. Hai chi Methanomicrobium và Methanolacinia gồm các loài có tế bào hình que nhuộm Gram (-) và có thành phần GC trong ADN cao hơn các chi khác.

Họ Methanocorpusclaceae có đặc điểm gần với họ Methanomicrobia-ceae và chỉ có một chi, Methanocorpusculum, có tế bào hình cầu nhỏ. Methanocorpusculum khác với Methanococcus ở nhu cầu dinh dưỡng phức tạp và với các chi Methanogenium hay Methanoculleus nhờ khả năng phát triển trên môi trường không có NaCl.

Methanothermus	Methanococcus

Methanosarcina	Methanospirillum

Methanomicrobium	Methanobacterium

Methanogenium	Methanoculleus	Methanosaeta

Hình 10. Hình thái tế bào của một số loài cổ khuẩn sinh mêtan                       

Cổ khuẩn sinh mêtan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, điển hình nhất là trong các công nghệ xử lý chất thải giầu hữu cơ, chuyển hoá chất hữu cơ thành mêtan và CO₂. Do khả năng sử dụng cơ chất hạn hẹp nên cổ khuẩn sinh mêtan ít được đưa vào các qui trình xử lý ở dạng chủng đơn mà thường ở dạng hỗn hợp với các loài dị dưỡng có khả năng chuyển hoá chất hữu cơ trong chất thải thành nguồn cơ chất thích hợp cho chúng. Các loài vi sinh vật được sử dụng đồng thời với cổ khuẩn sinh mêtan trong các qui trình xử lý chất thải hữu cơ thường là các loài có khả năng lên men đường, protein như Lactobacillus, Eubacterium, Clostridium, Klebsiella, hay Leuconostoc. Ngoài ra, cổ khuẩn sinh mêtan còn được sử dụng để phân huỷ các hợp bền vững làm ô nhiễm môi trường như các hợp chất thơm và cao phân tử mạch thẳng chứa halogen. Cùng với vi khuẩn khử sulfat, cổ khuẩn sinh mêtan còn là tác nhân gây ăn mòn kim loại ở điều kiện không có oxygen.

Cổ khuẩn ưa mặn Halobacteriales

Đây là một nhóm cổ khuẩn đa dạng, thuộc lớp Halobacteriales, sống ở các môi trường có nồng độ muối cao như là các hồ nước mặn trong tự nhiên, các cánh đồng muối hay trong thực phẩm muối như thịt muối, cá muối làm nước mắm. Các loài cổ khuẩn thuộc nhóm này có nhu cầu về muối rất cao, đôi khi đến nồng độ bão hoà. Theo nguyên tắc phân loại chung, những sinh vật được gọi là ưa mặn cực đoan (extreme halophiles) có nhu cầu về muối cho sinh trưởng tối thiểu là 1,5 M (khoảng 9%) NaCl và phát triển tối ưu ở nồng độ 2-4 M NaCl (12-23%). Trong thực tế, các vi sinh vật ưa mặn cực đoan có thể sống ở nồng độ 5,5 M NaCl (32%, nồng độ bão hoà của NaCl), tuy nhiên ở điều kiện này nhiều loài phát triển với tốc độ rất chậm.

Phần lớn các loài cổ khuẩn ưa mặn đều dinh dưỡng theo phương thức hoá dưỡng hữu cơ và đại đa số các loài đều là hiếu khí. Nguồn năng lượng phổ biến nhất là các acid amin, acid hữu cơ. Ngoài ra chúng còn có nhu cầu lớn về các yếu tố sinh trưởng khác, chủ yếu là vitamin. Một vài loài thuộc chi Halobacterium có khả năng oxygen hoá hydrat-cacbon, nhưng khả năng này không phổ biến trong các thành viên khác. Cổ khuẩn ưa mặn có đủ các thành phần của chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp hiếu khí. Bên cạnh đó một số loài Halobacterium có khả năng sinh trưởng kỵ khí theo hình thức lên men đường hay hô hấp khử nitrat hoặc fumarat.

Theo như tên gọi, các loài cổ khuẩn ưa mặn đều có nhu cầu về muối natri rất lớn. Thí nghiệm ở Halobacterium cho thấy không thể thay thế Na⁺ bằng các ion khác, thậm chí là K⁺. Tế bào Halobacterium không ngừng bơm một lượng lớn ion K⁺ từ ngoài môi trường vào trong tế bào làm nồng độ ion này trong tế bào thậm chí còn cao hơn nồng độ Na⁺ ở bên ngoài, nhờ đó giữ được thế cân bằng ion dương ở hai phía của màng và tránh được lực thẩm thấu phá vỡ tế bào. Cấu tạo hoá học của thành tế bào ở Halobacterium là glycoprotein đặc biệt giàu các acid amin mang điện tích dương như aspartat và glutamat. Nhóm carboxy của các acid amin này liên kết với ion Na⁺ (hướng ra phía ngoài), và vì thế khi thiếu Na⁺ thành tế bào sẽ lập tức bị phá vỡ.

Một đặc điểm thích nghi với nồng độ muối cao khác ở cổ khuẩn ưa mặn cực đoan là phần lớn các protein trong nguyên sinh chất đều phân cực, có tính acid cao và hoạt tính phụ thuộc vào ion K⁺. Trong môi trường có nồng độ ion rất cao như nguyên sinh chất ở cổ khuẩn ưa mặn cực đoan (Bảng 7) thì chỉ có protein phân cực mới tồn tại được trong dung dịch, các protein không phân cực ở điều kiện này sẽ bị kết dính và mất hoạt tính.

Bảng 7. Nồng độ các ion bên trong tế bào Halobacterium salinarum

Một số loài cổ khuẩn ưa mặn cực đoan ví dụ như Halobacterium salinarum có khả năng sử dụng năng lượng ánh sáng để tổng hợp ATP. Tuy nhiên, không như ở vi khuẩn hay thực vật bậc cao, quá trình quang hợp ở đây diễn ra hoàn toàn không có sự tham gia của chlorophill hay bacteriochlorophill. Chức năng thu nạp ánh sáng và bơm proton qua màng tế bào được thực hiện bởi protein trong màng tế bào là bacteriorhodopsin liên kết với một phân tử tương tự như carotenoid. Các sắc tố này làm cho tế bào chuyển màu nâu khi thực hiện quang hợp. Tuy nhiên Halobacterium salinarum chỉ thực hiện quang hợp ở điều kiện thiếu oxygen và chất dinh dưỡng hữu cơ, khi không thể thực hiện được các khả năng dinh dưỡng khác. Năng lượng tạo ra từ quá trình quang hợp chỉ đủ để chúng sinh trưởng với tốc độ rất chậm. Năng lượng ánh sáng xúc tác bơm proton, đồng thời tác động lên quá trình bơm ion Na⁺ ra ngoài tế bào (theo cơ chế vận chuyển ngược chiều của Na⁺/H⁺) và kéo theo một số chu trình thu nạp chất dinh dưỡng khác vào trong tế bào như acid amin (theo cơ chế đồng vận chuyển với ion Na⁺) hay ion K⁺. Ngoài ra, nhóm cổ khuẩn này còn có bộ máy halorhodopsin hoạt động nhờ năng lượng ánh sáng, có chức năng bơm ion Cl^- vào trong tế bào.

Cổ khuẩn ưa mặn có hình thái rất đa dạng (Hình 11), từ hình que, hình cầu cho đến các hình dạng vô cùng đặc biệt. Về phả hệ, dựa trên trình tự 16S rARN cổ khuẩn ưa mặn phân nhánh rất gần với cổ khuẩn sinh mêtan (Hình 8). Các loài cổ khuẩn ưa mặn được biết đến hiện nay được xếp vào 14 chi với 35 loài được mô tả chính thức, trong đó 6 chi đồng thời là cổ khuẩn ưa kiềm cực đoan (extreme alkaliphiles) (Bảng 8).

Halobacterium	Haloferax

Natronobacterium	Natronococcus	Haloarcula

Hình 11. Hình thái một vài đại diện cổ khuẩn ưa mặn

Bảng 8. Các chi và loài cổ khuẩn ưa mặn

T = chi chuẩn của họ hoặc loài chuẩn của chi; (-) chưa xác định

Cổ khuẩn ưa nhiệt cao (hyperthermophiles)

Cổ khuẩn ưa nhiệt cao là những sinh vật có khả năng sống ở điều kiện nhiệt độ cao hơn cả trong giới sinh vật, chúng đều có nhiệt độ sinh trưởng tối ưu trên 80 °C, nhiều loài có thể sinh trưởng ở nhiệt độ nước sôi hoặc cao hơn nữa (Bảng 9). Đa số các loài cổ khuẩn ưa nhiệt cao được phân lập từ môi trường có nhiệt độ cao và nhiều các hợp chất lưu huỳnh, ví dụ như các tầng nham thạch bên núi lửa; môi trường có nhiệt độ cao và giàu lưu huỳnh như vậy được gọi là solfatar. Tuỳ thuộc vào đặc điểm địa chất của vùng mà môi trường solfatar mang tính kiềm hoặc acid nhẹ (pH 5-8). Trong một số trường hợp pH trong môi trường xuống rất thấp do acid sulfurich được tạo ra từ việc oxygen hoá H₂S và S⁰ bởi một số loài vi khuẩn và cổ khuẩn.

Bảng 9. Các đại diện cổ khuẩn ưa nhiệt cao

Ngoại trừ một vài trường hợp, đa số cổ khuẩn ưa nhiệt cao sinh trưởng kỵ khí bắt buộc và thực hiện dinh dưỡng theo phương thức hoá dưỡng hữu cơ hoặc hoá dưỡng vô cơ. Hầu hết các loài đều có nhu cầu về lưu huỳnh, hoặc làm chất nhận điện tử trong hô hấp kỵ khí, hoặc làm chất cho điện tử trong hô hấp hiếu khí. Các loài kỵ khí có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ và vô cơ (như H₂) để khử lưu huỳnh S⁰ thành H₂S. Ngược lại, các loài hiếu khí oxygen hoá H₂S, S⁰ thành acid sulfuric. Ngoài ra, một số loài có khả năng thực hiện hô hấp kỵ khí sử dụng các chất nhận điện tử khác ngoài S⁰ như là nitrat (Pyrolobus, Pyrobaculum), sulfat (Archaeoglobus) hay sinh metan (Methanopyrus).

Về hình thái, cổ khuẩn ưa nhiệt cao tương đối đa dạng, nhiều loại có hình dạng tế bào đặc biệt (Hình 12). Theo trình tự 16S rARN, cổ khuẩn ưa nhiệt cao chia thành hai nhóm rõ rệt là (1) các loài sống ở môi trường nước ngọt trên đất liền (các suối nước nóng, miệng núi lửa, v.v) và (2) các loài sống ở những vùng núi lửa dưới đáy đại dương với nhiều đại diện sinh trưởng ở trên 100 °C nhờ áp lực của nước biển (Bảng 9). Tuy nhiên đối với một số loài, vị trí trên cây phân loại vẫn chưa được xác định rõ. Đặc biệt ở đây hai nhóm vi khuẩn Thermotoga và Aquifex cũng được đưa vào vì mặc dù là vi khuẩn nhưng chúng có rất nhiều đặc điểm tương đồng với cổ khuẩn ưa nhiệt cao. Trên cây phân loại hai nhóm vi khuẩn này phân nhánh sâu nhất, chúng là những đại diện vi khuẩn cổ nhất được biết đến. Thêm vào đó phải kể đến chi Archaeoglobus, một nhóm cổ khuẩn có khả năng khử sulfat, là đặc điểm chung của một nhóm vi khuẩn lớn thuộc nhánh d-Proteobacteria. Nhiều giả thuyết cho rằng đây là hình thái tồn tại trung gian giữa cổ khuẩn ưa nhiệt và vi khuẩn khử sulfat.

Sulfolobus	Acidianus	Thermoproteus

 

Thermofilum	Desulfurococcus	Pyrobaculum

Pyrodictium	Pyrococcus	Pyrolobus

Thermodiscus	Staphylothermus	Thermococcus

Aeropyrum	Hyperthermus	Metallosphaera	Archaeoglobus

Hình 12. Một số đại diện cổ khuẩn ưa nhiệt cao

Thermoplasmatales

Cuối cùng phải kể đến một nhóm nhỏ gồm những đại diện cổ khuẩn có hình thái cũng như vị trí phân loại đặc biệt thuộc lớp Thermoplasmatales. Đây là những vi sinh vật ưa nhiệt và pH thấp (thermoacidophilic), hô hấp kỵ khí không bắt buộc, thường sử dụng các hợp chất hữu cơ làm cơ chất nhưng cũng có loài có khả năng sinh trưởng tự dưỡng. Lớp Thermoplasmatales gồm ba họ, mỗi họ mới chỉ có một chi đại diện, đó là họ Thermoplasmaceae với chi Thermoplasma, họ Picrophilaceae với chi Picrophilus và họ Ferroplasmaceae với chi Ferroplasma. Tất cả các đại diện của Thermoplasmatales đều bền vững với các chất ức chế thành tế bào như ampicillin, vancomycin và streptomycin.

Các loài Thermoplasma có đặc điểm nổi bật là không có thành tế bào, vì thế trước đây chúng được xếp vào cùng với nhóm vi khuẩn mycoplasma. Về vị trí phân loại dựa trên trình tự 16S rARN Thermoplasma được xếp vào nhóm Euryarchaeota, giữa hai lớp Methanobacteriales và Archaeoglobales. Chi Thermoplasma hiện có hai loài, T. acidophillum phân lập từ bãi thải khai thác than và T. volcanium phân lập từ suối nước nóng (Hình 13) khác nhau chủ yếu ở thành phần GC của ADN (T. acidophillum 46 mol% GC và T. volcanium 38 mol% GC). Thermoplasma sinh trưởng tối ưu ở 55 °C, pH 2 trên môi trường tổng hợp, hô hấp kỵ khí không bắt buộc. Để tồn tại được trong môi trường nhiệt độ cao và pH thấp mà không có thành tế bào, Thermoplasma có màng tế bào rất đặc biệt cấu tạo từ lipopolysaccharid (so sánh với lipoglycan ở mycoplasma) và glycoprotein. Đặc biệt lipopolysaccharid có thành phần tetraete-lipid với đơn nguyên là mannoza và glucoza, giúp cho cấu trúc màng tế bào bền vững trong điều kiện nhiệt độ và độ acid cao. Giống như mycoplasma, Thermoplasma có genom rất nhỏ, khoảng 1100 kb (so với genom E. coli là 4700 kb) với thành phần GC của ADN là 46 mol%. ADN có cấu trúc hạt (như nucleosom ở tế bào sinh vật nhân thật) nhờ liên kết với một loại protein có trình tự acid amin tương đồng với histon trong nhân của sinh vật nhân thật.

Chi Picrophilus có hai loài đại diện là P. oshimae và P. torridus, sự khác biệt giữa hai loài rất nhỏ, chỉ dựa trên 3% khác biệt về trình tự 16S rARN và phân tích ADN bằng enzyme giới hạn. Cả hai loài thuộc chi này đều được phân lập từ môi trường solfatar (nhiệt độ cao, giàu hợp chất lưu huỳnh) ở Nhật bản. Hai loài đều bị ức chế ở nồng độ NaCl 0,2M, chứng tỏ chúng có nguồn gốc từ đất liền. Khác với Thermoplasma, tế bào của Picrophilus có lớp bề mặt (S-layer) bảo vệ bên ngoài, vì thế chúng mẫn cảm đối với chloramphenicol và novobiocin, trong khi đó các đại diện khác của Thermoplasmatales lại có tính đề kháng với hai chất kháng sinh này. Picrophilus sinh trưởng hiếu khí bắt buộc, có nhiệt độ sinh trưởng tối ưu 60 °C, pH tối ưu 0,7, thậm chí phân chia tế bào vẫn diễn ra tại pH 0, vì thế chúng được gọi là vi sinh vật ưa acid cực đoan (hyperacidophilic).

Chi Ferroplasma cũng gồm hai loài, F. acidiphilum và F. acidarmanus, tuy nhiên mới chỉ có loài F. acidiphilum được mô tả và đưa vào danh sách phân loại chính thức. Hai loài này khác nhau ở khả năng sinh trưởng trên chiết xuất nấm men và pH tối ưu, còn trình tự 16S rARN của chúng hoàn toàn giống nhau. Ferroplasma được phân lập từ các bể tách vàng từ quặng arsenopyrit/pyrite ở Kazacstan. Cả hai loài đều sinh trưởng tối ưu ở nhiệt độ 37 °C. Khác với hai chi Thermoplasma và Picrophilus, các loài Ferroplasma sinh trưởng vô cơ tự dưỡng (chemolithotrophy). F. acidiphilum sử dụng pyrite (FeS₂) làm nguồn năng lượng (oxygen hoá tạo ra Fe³⁺) và CO₂ làm nguồn cacbon để sinh trưởng. Ngoài ra F. acidiphilum còn có thể sinh trưởng hữu cơ, sử dụng chiết xuất nấm men làm cơ chất, trong khi đó F. acidarmanus không có khả năng này.

Thermoplasma acidophilum	Thermoplasma volcanium

Hình 13. Đại diện chi Thermoplasma

Kết luận

Cổ khuẩn là một nhóm vi sinh vật đa dạng, không những về hình thái và sinh lý, mà còn về môi trường sống, trong đó nhiều nơi có điều kiện vô cùng khắc nghiệt mà chi cổ khuẩn mới có khả năng tồn tại được. Tuy nhiên những loài cổ khuẩn được chúng ta biết đến và trình bày ở đây mới chỉ chiếm một phần rất nhỏ của toàn bộ lĩnh giới. Hiện nay với các kỹ thuật sinh học phân tử tiên tiến người ta có thể tiến hành nghiên cứu và thu thập một lượng thông tin đáng kể về cổ khuẩn mà không cần thông qua con đường phân lập và nuôi cấy cổ truyền. Các trình tự 16S rADN có được trực tiếp từ môi trường cho thấy tính đa dạng cao và sự có mặt của cổ khuẩn ở nhiều môi trường sống khác nhau, chứng tỏ cổ khuẩn có vai trò rất quan trọng trong hệ sinh thái trên trái đất mà hiện nay con người còn chưa hiểu rõ được.

Tài liệu tham khảo

1.     Dworkin W., Falkow S., Rosenberg E., Schleifer K.-H. & Stackebrandt E. (ed.). 2000. The Prokaryotes: an Evolving electronic resource for the microbiological community. Springer-Verlag, New York.

2.     Heribert Cypionka. 2003. Grundlagen der Mikrobiologie (German), 2^th edition. Springer, Berlin-Heidelberg.

3.     Krieg N.R. & Holt J.G. (ed.) 1984. Bergey’s manual of systematic bacteriology. Williams & Wilkins, Baltimore, USA.

4.     Lengeler J.W., Drews G. & Schlegel H.G. 1999. Biology of the prokaryotes. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, Germany.

5.     Michael T. Madigan, John M. Martinko & Jack Parker. 1997. Brock Biology of microorganisms, 8^th edition. Prentice Hall International, Inc.