Bacillus sp là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về Bacillus sp

Bacillus sp là thuật ngữ dùng để chỉ các loài chưa xác định cụ thể trong chi Bacillus — một chi vi khuẩn Gram dương phổ biến, hình que, có khả năng tạo nội bào tử. Chúng có mặt rộng rãi trong tự nhiên: từ đất, nước, không khí, cho đến hệ sinh vật trên cơ thể người và động vật. Chi Bacillus hiện nay bao gồm hàng trăm loài được phân lập, định danh và nghiên cứu sâu rộng, trong đó nhiều loài có giá trị ứng dụng trong nông nghiệp, y học và công nghiệp vi sinh.

Với cấu trúc tế bào đơn giản nhưng chức năng sinh học phức tạp, Bacillus sp thường là đối tượng nghiên cứu trong sinh học phân tử và vi sinh vật học ứng dụng. Đây cũng là nhóm vi khuẩn có tốc độ phát triển nhanh, dễ nuôi cấy, có thể tạo sinh khối lớn trong thời gian ngắn. Nhờ đó, chúng trở thành vật chủ tiềm năng cho biểu hiện protein tái tổ hợp và sản xuất enzyme công nghiệp.

Một số loài phổ biến trong chi này bao gồm:

• Bacillus subtilis: mô hình nghiên cứu di truyền, sản xuất enzyme và probiotic.
• Bacillus thuringiensis: sản xuất protein độc tố diệt côn trùng.
• Bacillus cereus: có thể gây ngộ độc thực phẩm.
• Bacillus anthracis: tác nhân gây bệnh than ở người và động vật.

Đặc điểm hình thái và sinh lý

Bacillus sp có hình dạng hình que (rod-shaped), di động nhờ tiên mao (flagella) hoặc không di động tùy theo loài. Chúng là vi khuẩn Gram dương, nghĩa là vách tế bào có lớp peptidoglycan dày, giữ màu tím sau quá trình nhuộm Gram.

Kích thước tế bào thường dao động từ 0.5–2.5 µm đường kính và 1.2–10 µm chiều dài. Trong điều kiện nuôi cấy trên môi trường rắn, Bacillus có thể tạo khuẩn lạc tròn, nhẵn hoặc nhăn nheo, màu trắng đến kem hoặc vàng nhạt.

Về sinh lý, các đặc điểm nổi bật bao gồm:

• Hiếu khí hoặc vi hiếu khí (sử dụng oxy trong quá trình hô hấp tế bào).
• Có khả năng sử dụng đa dạng nguồn carbon và nitơ.
• Khả năng sinh enzyme ngoại bào mạnh (amylase, protease, lipase,...).
• Sinh trưởng ở dải nhiệt độ rộng, phổ biến từ 25°C đến 45°C, một số loài chịu được nhiệt độ đến 60°C.

Bảng dưới đây tổng hợp một số thông số sinh học cơ bản của các loài Bacillus tiêu biểu:

Loài	Hình thái	Nhiệt độ sinh trưởng tối ưu	Đặc điểm nổi bật
B. subtilis	Hình que, có tiên mao	30–37°C	Sản xuất enzyme công nghiệp
B. thuringiensis	Hình que, tạo tinh thể độc tố	25–30°C	Diệt sâu bọ, dùng làm thuốc trừ sâu sinh học
B. cereus	Hình que, di động	30–37°C	Tiết độc tố gây ngộ độc thực phẩm

Khả năng tạo nội bào tử

Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của Bacillus sp là khả năng tạo nội bào tử (endospore). Nội bào tử là cấu trúc sinh tồn đặc biệt giúp vi khuẩn chống chọi lại các điều kiện bất lợi như nhiệt độ cao, tia UV, hóa chất độc hại hoặc thiếu hụt chất dinh dưỡng.

Quá trình tạo nội bào tử bao gồm các giai đoạn:

1. Phát hiện tín hiệu stress (thiếu chất dinh dưỡng, pH bất lợi,...)
2. Khởi động chuỗi gene tạo bào tử
3. Phân chia bất đối xứng tạo tiên bào tử và tế bào mẹ
4. Tổng hợp vỏ bào tử (spore coat) và thành phần lõi
5. Chín và giải phóng khỏi tế bào mẹ

Cấu trúc của một nội bào tử gồm các lớp:

• Lõi (core): chứa DNA, enzyme và ion Ca²⁺-DPA (dipicolinic acid) giúp ổn định cấu trúc DNA.
• Lớp vỏ trong (cortex): chứa peptidoglycan lạ, giúp bào tử mất nước và bền nhiệt.
• Lớp vỏ ngoài (coat): cấu tạo protein, giúp kháng enzyme và hóa chất.
• Lớp ngoại cùng (exosporium): chỉ có ở một số loài, như B. anthracis.

Vai trò trong môi trường

Bacillus sp đóng vai trò tích cực trong nhiều chu trình sinh học của hệ sinh thái, đặc biệt là chu trình carbon và nitơ. Nhờ khả năng tiết enzyme ngoại bào mạnh, chúng phân giải cellulose, hemicellulose, protein, tinh bột và chất hữu cơ phức tạp, hỗ trợ phân hủy sinh học tự nhiên.

Trong nông nghiệp, Bacillus sp được xem là vi khuẩn có lợi:

• Hòa tan phosphate và khoáng chất giúp cây dễ hấp thu
• Kích thích sinh trưởng thông qua hormone thực vật như auxin, gibberellin
• Ức chế nấm bệnh và vi khuẩn gây hại thông qua cạnh tranh dinh dưỡng và tiết kháng sinh

Một số chế phẩm sinh học thương mại sử dụng Bacillus như:

Tên sản phẩm	Chủng vi khuẩn	Công dụng
Serenade®	B. subtilis QST 713	Kiểm soát nấm bệnh hại cây trồng
EcoClean®	B. licheniformis, B. subtilis	Xử lý nước thải, phân giải hữu cơ

Ứng dụng trong công nghiệp

Các loài Bacillus sp đã và đang được khai thác mạnh mẽ trong nhiều ngành công nghiệp nhờ vào khả năng sinh trưởng nhanh, tiết enzyme ngoại bào mạnh, và khả năng lên men hiệu quả. Một số chủng đã được cấp phép sử dụng thương mại và sản xuất ở quy mô công nghiệp, đặc biệt trong ngành thực phẩm, dược phẩm, nông nghiệp và xử lý sinh học.

Ứng dụng phổ biến bao gồm:

• Sản xuất enzyme công nghiệp: Bacillus subtilis và Bacillus licheniformis là hai chủng được sử dụng để sản xuất các enzyme như amylase, protease, cellulase, và xylanase, ứng dụng trong sản xuất bột giặt, chế biến thực phẩm và dệt may.
• Lên men thực phẩm: B. subtilis được sử dụng để lên men đậu nành tạo ra natto, món ăn truyền thống của Nhật Bản giàu vitamin K2 và lợi khuẩn.
• Sản xuất thuốc trừ sâu sinh học: B. thuringiensis (Bt) tạo protein độc tố (Cry protein) tiêu diệt sâu non của côn trùng. Đây là cơ sở để sản xuất thuốc trừ sâu sinh học và cây trồng biến đổi gen kháng sâu.

Bảng dưới đây tổng hợp một số sản phẩm thương mại có nguồn gốc từ Bacillus:

Tên sản phẩm	Chủng Bacillus	Ứng dụng
Protex® 6L	B. licheniformis	Protease dùng trong xử lý da, bột giặt
Glucanase TGA	B. subtilis	Thủy phân glucan trong chế biến thực phẩm
Bt Kurstaki	B. thuringiensis var. kurstaki	Thuốc trừ sâu sinh học

Tiềm năng trong y học và công nghệ sinh học

Một số chủng Bacillus có khả năng sản sinh các chất kháng khuẩn, peptide kháng sinh và enzyme có hoạt tính sinh học cao, khiến chúng trở thành đối tượng tiềm năng trong nghiên cứu và phát triển dược phẩm. Các hợp chất sinh học này bao gồm lipopeptide, polyketide và các kháng sinh như bacitracin, subtilin, iturin, surfactin và fengycin.

Ứng dụng trong y học:

• Kháng sinh: Bacitracin – kháng sinh phổ rộng được sản xuất từ B. subtilis và B. licheniformis – được dùng trong điều trị nhiễm khuẩn ngoài da.
• Chất hoạt động bề mặt sinh học: Surfactin có tác dụng kháng vi sinh vật, kháng virus, và phá vỡ màng sinh học của vi khuẩn kháng thuốc.
• Hệ vi sinh vật probiotic: Một số chủng Bacillus như B. coagulans, B. clausii được dùng trong điều trị rối loạn tiêu hóa, hỗ trợ đường ruột khỏe mạnh.

Ngoài ra, Bacillus còn là vật chủ biểu hiện hiệu quả trong công nghệ di truyền, nhờ ưu điểm:

• Không sinh độc tố nội bào
• Dễ dàng tạo dòng và biểu hiện protein ngoại lai
• Hệ thống tiết protein ra môi trường ngoại bào mạnh mẽ

Các nghiên cứu gần đây đang tập trung vào sử dụng Bacillus như nền tảng cho sản xuất vaccine tái tổ hợp và enzyme công nghệ cao.

Khả năng kiểm soát sinh học và xử lý môi trường

Bacillus sp đã chứng minh hiệu quả trong kiểm soát sinh học (biocontrol) nhờ khả năng ức chế sự phát triển của các vi sinh vật gây hại thông qua tiết kháng sinh, cạnh tranh dinh dưỡng, và tạo biofilm bảo vệ rễ cây. Một số chủng còn có khả năng thúc đẩy tăng trưởng cây trồng (PGPR – Plant Growth-Promoting Rhizobacteria).

Trong xử lý môi trường, Bacillus có thể:

• Phân hủy chất hữu cơ trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt
• Khử nitrat, amoni, và photphat trong hệ thống nuôi thủy sản
• Tham gia vào chu trình tái chế chất thải nông nghiệp
• Phân hủy thuốc trừ sâu tồn dư và hợp chất độc hại

Một số ứng dụng thực tiễn bao gồm:

• Chế phẩm sinh học xử lý bùn và khử mùi trong chăn nuôi
• Ứng dụng trong biofilter của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS)
• Phân vi sinh cải tạo đất nghèo dinh dưỡng hoặc đất nhiễm mặn

Phân loại và đa dạng di truyền

Chi Bacillus hiện nay rất đa dạng với hơn 300 loài được mô tả chính thức. Việc phân loại các loài Bacillus không chỉ dựa vào hình thái, sinh hóa mà ngày càng dựa nhiều hơn vào phân tích trình tự gen như:

• Gen 16S rRNA
• Gen gyrB, recA, rpoB
• Phân tích toàn bộ genome (Whole Genome Sequencing)

Các công cụ sinh học phân tử hiện đại đã giúp xác định và phân tách nhiều loài Bacillus có hình thái tương tự nhưng khác biệt về mặt di truyền. Nhiều chủng được phân lập từ các môi trường cực đoan như suối nước nóng, biển sâu, sa mạc,... cho thấy khả năng thích nghi vượt trội của nhóm vi khuẩn này.

Dưới đây là ví dụ về sự khác biệt giữa một số loài Bacillus trên cơ sở chỉ số giống nhau trung bình của toàn bộ genome (ANI - Average Nucleotide Identity):

Cặp loài	ANI (%)	Phân loại
B. subtilis – B. amyloliquefaciens	~85%	Khác loài
B. thuringiensis – B. cereus	>98%	Cùng loài phức hợp B. cereus

Thách thức và giới hạn

Bên cạnh tiềm năng lớn, Bacillus sp cũng đặt ra một số rủi ro sinh học. Một số chủng có khả năng gây bệnh hoặc tạo độc tố ảnh hưởng đến sức khỏe người và động vật, ví dụ:

• B. cereus: tiết enterotoxin gây tiêu chảy hoặc emetic toxin gây nôn mửa
• B. anthracis: tác nhân gây bệnh than nghiêm trọng

Một số lo ngại khác bao gồm:

• Khả năng chuyển gen kháng kháng sinh giữa các loài vi khuẩn
• Khó kiểm soát độ ổn định di truyền khi dùng quy mô lớn
• Rủi ro sinh thái nếu Bacillus được giải phóng đại trà vào môi trường

Các vấn đề trên đòi hỏi quy trình kiểm định nghiêm ngặt về an toàn sinh học trước khi ứng dụng đại trà.

Kết luận

Bacillus sp là một nhóm vi khuẩn đặc biệt quan trọng với khả năng sống sót cao, hoạt tính sinh học phong phú và tiềm năng ứng dụng rộng lớn. Từ môi trường tự nhiên đến các ngành công nghiệp hiện đại, Bacillus đóng vai trò thiết yếu trong các quá trình sinh học và công nghệ sinh học. Tuy nhiên, việc khai thác và ứng dụng Bacillus cần đi kèm với cơ chế kiểm soát rủi ro chặt chẽ nhằm đảm bảo an toàn sinh học và bền vững môi trường.

Tài liệu tham khảo

1. Cutting, S. M. (2011). Bacillus probiotics. Food Microbiology, 28(2), 214–220. https://doi.org/10.1016/j.fm.2010.03.007
2. Logan, N. A., & De Vos, P. (2009). Genus I. Bacillus. In Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology (Vol. 3). Springer.
3. Schallmey, M., Singh, A., & Ward, O. P. (2004). Developments in the use of Bacillus species for industrial production. Canadian Journal of Microbiology, 50(1), 1–17. https://doi.org/10.1139/w03-076
4. US Environmental Protection Agency. Bacillus thuringiensis (Bt) for Pest Control. https://www.epa.gov/ingredients-used-pesticide-products/bacillus-thuringiensis-bt
5. National Center for Biotechnology Information (NCBI). Bacillus. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Browser/wwwtax.cgi?id=1386