Luận án tiến sĩ HUS nghiên cứu vi khuẩn trong chất nhầy san hô ở hai quần đảo cát bà và long châu, việt nam

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1 Tìm hiểu các đặc điểm quần xã vi khuẩn trong lớp chất nhầy của các loài san hô khác nhau, sự khác biệt của chúng theo trạng thái sức khỏe của san hô và giữa môi trư

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

========

PHẠM THẾ THƯ

NGHIÊN CỨU VI KHUẨN TRONG CHẤT NHẦY SAN HÔ

Ở HAI QUẦN ĐẢO CÁT BÀ VÀ LONG CHÂU, VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Hà Nội - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

========

PHẠM THẾ THƯ

NGHIÊN CỨU VI KHUẨN TRONG CHẤT NHẦY SAN HÔ

Ở HAI QUẦN ĐẢO CÁT BÀ VÀ LONG CHÂU, VIỆT NAM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Phạm Thế Thư, là nghiên cứu sinh của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, chuyên ngành Vi sinh vật học, mã số 62 42 01 07, khóa học 2011 –

2014, xin cam đoan:

Đề tài luận án Tiến sĩ Sinh học này là công trình nghiên cứu của riêng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Yvan Bettarel và PGS.TS Bùi Thị Việt Hà Các tài liệu tham khảo và các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác sử dụng trong luận án này với mục đích phân tích và so sánh đã được trích dẫn đầy đủ, minh bạch, theo quy định và đúng các nguồn công bố Toàn bộ nội dung và các kết quả nghiên cứu trong luận án đều đảm bảo tính trung thực, có đủ độ tin cậy, đảm bảo tính mới mẻ, không trùng lặp và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nghiên cứu sinh

Phạm Thế Thư

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành luận án này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Yvan Bettarel

và PGS.TS Bùi Thị Việt Hà đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Viện Tài nguyên và Môi trường biển, Phòng Sinh vật Phù du và Vi sinh vật biển, các thầy cô thuộc Bộ môn Vi sinh vật học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tôi học tập và thực hiện luận án này

Xin chân thành cảm ơn TS Thierry Bouvier (Viện Nghiên cứu Phát triển - IRD, Pháp) trong việc hướng dẫn phân tích mẫu trên máy đo dòng tế bào (Flow Cytometry); ThS Corrine Bouvier (IRD, Pháp) trong việc hướng dẫn phân tích đa dạng vi khuẩn bằng phương pháp điện di biến tính (DGGE); ThS Nguyễn Thị Thanh Thủy (Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương) trong việc phân tích mẫu trên kính hiển vi điện tử; PGS.TS Nghiêm Ngọc Minh và ThS Cung Thị Ngọc Mai thuộc Viện Công nghệ Sinh học (IBT) đã tạo điều kiện cho tôi phân tích mẫu trên máy DGGE tại Phòng Công nghệ Sinh học Môi trường (IBT); ThS Nguyễn Đăng Ngải, Viện Tài nguyên và Môi trường (IMER) trong việc thu mẫu và phân loại các loài san hô; ThS Justine Brune (IRD, Pháp), TS Chu Văn Thuộc, ThS Cao Văn Lương, ThS Phạm Văn Lượng và CN Trịnh Văn Quảng (IMER) trong việc khảo sát thu mẫu và đo các thông số môi trường

Luận án thực hiện với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (mã số VAST07.03/11-12); đề tài Nghị định thư Việt – Pháp

nghiên cứu về ảnh hưởng của muội than tới hệ vi sinh vật biển Vịnh Hạ Long và đề

tài ―CORINE‖ thuộc chương trình EC2CO (Pháp)

Cuối cùng, xin cảm ơn những người thân yêu trong gia đình, đã là nguồn động viên lớn giúp tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Nghiên cứu sinh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 16

1.1 San hô và rạn san hô 16

1.1.1 Khái niệm về san hô và rạn san hô 16

1.1.2 Giá trị và thực trạng của san hô 18

1.2 Dinh dưỡng và quan hệ giữa các đối tác trong holobiont san hô 20

1.3 Đặc điểm và chức năng của lớp chất nhầy trong đời sống của san hô 22

1.4 Bệnh và tác nhân gây bệnh trên san hô 24

1.4.1 Một số khái niệm và quan điểm về bệnh 24

1.4.2 Thực trạng bệnh trên san hô 26

1.4.3 Bệnh dải trắng (White plague) trên san hô 29

1.5 Vi khuẩn, vi rút và sức khỏe san hô 30

1.6 Vi khuẩn trong hệ thống phòng vệ của lớp chất nhầy san hô 34

1.7 Đặc điểm môi trường tự nhiên và san hô vùng nghiên cứu 37

1.7.1 Đặc điểm môi trường tự nhiên vùng nghiên cứu 37

1.7.2 Thực trạng và xu hướng biến động của san hô vùng nghiên cứu 39

1.7.3 Tình hình dịch bệnh trên san hô vùng nghiên cứu 41

1.8 Luận giải các vấn đề và giả thuyết nghiên cứu của luận án 42

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45

2.1.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 45

2.1.2 Đối tượng nghiên cứu 45

2.2 Phương pháp nghiên cứu 48

2.2.1 Phác đồ nghiên cứu của luận án 48

2.2.2 Phương pháp thu và xử lý mẫu ngoài thực địa 49

2.2.3 Phương pháp phân tích chất lượng nước 51

2.2.4 Phương pháp định lượng vi rút và vi khuẩn (Leruste và cs, 2012; Patel và cs, 2007) 51

2.2.5 Phương pháp nuôi cấy vi khuẩn dị dưỡng và Vibrio 55

2.2.6 Phương pháp xác định tỉ lệ tế bào vi khuẩn có hoạt động hô hấp bằng máy đo dòng tế bào – Flow Cytometry (Marine và cs, 2013) 55

2.2.7 Phương pháp đánh giá đa dạng chức năng của vi khuẩn bằng đĩa sinh thái - Biolog Ecoplate (Christian và Lind, 2006) 56

2.2.8 Phương pháp xác định đa dạng di truyền quần xã vi khuẩn bằng kỹ thuật điện di biến tính (DGGE) 59

2.2.8.1 Phương pháp tách chiết DNA tổng số (Muyzer và cs, 1993) 59

2.2.8.2 Phương pháp phản ứng chuỗi trùng hợp (Muyzer và cs, 1993) 59

2.2.8.3 Điện di kiểm tra sản phẩm DNA tổng số và sản phẩm PCR 60

2.2.8.4 Phương pháp điện di biến tính - DGGE (Marine và cs, 2013; Muyzer và cs, 1993) 60

2.2.9 Phương pháp hình thái học so sánh trên kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 61

2.2.10 Phương pháp đọc trình tự nucleotide 62

2.3 Phương pháp xử lý số liệu 63

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 64

3.1 Đặc điểm của quần xã vi khuẩn trong lớp chất nhầy của san hô khỏe mạnh 64

3.1.1 Mật độ vi khuẩn và vi rút tổng số trong lớp chất nhầy của san hô 64

3.1.2 Tỉ lệ các nhóm hình thái vi khuẩn 69

3.1.3 Mật độ vi khuẩn dị dưỡng và nhóm vi khuẩn Vibrio 70

3.1.4 Đặc điểm hoạt động của vi khuẩn trong chất nhầy san hô 72

3.1.4.1 Tỷ lệ vi khuẩn có hoạt động hô hấp 72

3.1.4.2 Hoạt động chuyển hóa chất hữu cơ 73

3.1.5 Đa dạng di truyền của vi khuẩn trong chất nhầy san hô 77

3.1.5.1 Số lượng đơn vị phân loại phân tử trong quần xã vi khuẩn 77

3.1.5.2 Mật độ DNA của các đơn vị phân loại 80

3.1.5.3 Sự phân bố của các đơn vị phân loại trong các quần xã vi khuẩn 81

3.1.5.4 Hệ số đa dạng Shannon (H’) của các quần xã vi khuẩn 83

3.1.6 Đặc điểm phân loại học vủa vi khuẩn trong lớp chất nhầy san hô 84

3.2 Đặc điểm quần xã vi khuẩn trong lớp chất nhầy của san hô bị bệnh 97

3.2.1 Mật độ vi khuẩn tổng số trong lớp chất nhầy san hô bị bệnh 98

3.2.2 Vi khuẩn dị dưỡng và nhóm Vibrio trong chất nhầy san hô bị bệnh 99

3.2.3 Tỷ lệ vi khuẩn có hoạt động hô hấp trong chất nhầy san hô bị bệnh 100

3.2.4 Số lượng đơn vị phân loại phân tử của quần xã vi khuẩn trong chất nhầy san hô bị bệnh 102

3.2.5 Khả năng chuyển hóa các chất hữu cơ của vi khuẩn trong chất nhầy san hô bị bệnh 102

3.2.6 Hình thái của vi khuẩn phân bố trong lớp chất nhầy san hô bị bệnh 105

3.3 Bàn luận về kết quả nghiên cứu 110

3.3.1 Sự khác biệt của quần xã vi khuẩn trong lớp chất nhầy giữa các loài san hô 110

3.3.2 Sự khác biệt của quần xã vi sinh vật trong chất nhầy san hô so với trong môi trường nước và vai trò của chúng trong sức khỏe san hô 111

3.3.3 Sự khác biệt của quần xã vi sinh vật trong chất nhầy san hô giữa

hai khu vực nghiên cứu và vai trò của chúng trong sức khỏe san

hô 114

3.3.4 Hoạt động của vi khuẩn và vi rút liên quan tới sức khỏe san hô 118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123

Kết luận 123

Kiến nghị 124

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

Tài liệu tiếng Việt 125

Tài liệu tiếng Anh 125

PHỤ LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AWCD Average Well Color Development – Giá trị trung bình của sự

tăng độ mầu trong mỗi giếng thí nghiệm

dịch nhầy

cứu khoa học quốc gia (Pháp)

CTD Conductivity, Temperature and Depth – Độ dẫn điện, nhiệt độ,

độ sâu

IRD Institute of Research for the Development – Viện Nghiên cứu

Phát triển (Pháp)

Cát Bà

vực Long Chau

chất nhầy san hô

môi trường nước

Thông tin Công nghệ Sinh học quốc gia (Mỹ)

TCBS Thiosulfate Citrate Bile Salts Sucrose Agar - Môi trường nuôi

cấy vi khuẩn Vibrio

TE Tris-EDTA buffer - Dung dịch đệm

qua

VBR Virus-to-bacterium ratio - Tỉ lệ vi rút so với vi khuẩn

Bảng 3.1 Các thông số về vi khuẩn, vi rút trong MT chất nhầy san hô

và MT nước, ở hai khu vực Cát Bà và Long Châu

66

Bảng 3.2 Kết quả kiểm định ANOVA một yếu tố của các thông số

nghiên cứu giữa các môi trường và các khu vực nghiên cứu

67

Bảng 3.4 Mức độ tương đồng của các đơn vị phân loại nghiên cứu

đối với một số trình tự nucleotide trên NCBI

84

Bảng 3.5 Mức độ tương đồng của các chủng vi khuẩn nghiên cứu với

các trình tự nucleotide trên NCBI

89

Bảng 3.6 Thành phần loài vi sinh vật có thể có đã được ghi nhận

trong lớp chất nhầy san hô ở hai vùng nghiên cứu

95

Bảng 3.7 Sự khác biệt về các thông số môi trường nước ở hai khu

vực (Cát Bà, Long Châu) tại thời điểm thu mẫu (5/2012)

114

Bảng 3.8 Hệ số tương quan Pearson giữa các đặc điểm của vi rút và

quần xã vi khuẩn trong chất nhầy san hô khu vực Cát Bà và Long Châu

121

Hình 1.3 Số lượng bài báo ISI có liên quan tới san hô và chất nhầy

san hô (Bythell và Wild, 2011)

Hình 1.6 Mô hình về vai trò của vi rút trong hệ thống phòng vệ

(kháng khuẩn) của lớp chất nhầy san hô (Barr và cs, 2013b)

35

Hình 1.7 Giả thuyết về (a) điều kiện môi trường thay đổi làm xáo

trộn cấu trúc quần xã vi khuẩn trên san hô và về (b) vi rút kiểm soát sức khỏe san hô (Bettarel và cs, 2014)

43

Châu, Việt Nam)

45

Hình 2.2 Ảnh hai loài san hô ở trạng thái khỏe mạnh và bị bệnh

dải trắng

46

Hình 2.4 Thu mẫu nước, san hô và chất nhầy của san hô ngoài

thực địa

49

Hình 2.6 Sơ đồ các bước định lượng vi rút, vi khuẩn trên kính hiển

vi huỳnh quang

54

Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm bằng đĩa sinh thái - Biolog Ecoplate 57

Hình 3.1 Mật độ vi khuẩn và vi rút trong chất nhầy của các loài

san hô và trong môi trường nước

Hình 3.4 Mật độ vi khuẩn dị dưỡng và nhóm Vibrio trong chất

nhầy san hô

70

Hình 3.5 Tỷ lệ tế bào vi khuẩn có hoạt động hô hấp trong chất

nhầy san hô

71

Hình 3.6 Khả năng chuyển hóa chất hữu cơ của các quần xã vi

khuẩn trong chất nhầy san hô

72

xã vi khuẩn trong chất nhầy san hô và trong môi trường nước vùng nghiên cứu

73

Hình 3.8 Khả năng chuyển hóa các chất hữu cơ của quần xã vi

khuẩn trong chất nhầy san hô và trong môi trường nước

75

Hình 3.10 Các đơn vị phân loại trên bản điện di đồ biến tính

(DGGE) của các mẫu nghiên cứu

77

Hình 3.11 Số lượng đơn vị phân loại di truyền của các quần xã vi

khuẩn trong chất nhầy san hô và môi trường nước ở hai vùng nghiên cứu

78

nghiên cứu dựa trên thành phần các đơn vị phân loại di truyền

79

Hình 3.13 Tổng mật độ DNA từ các OTU của các quần xã vi khuẩn

trong chất nhầy san hô và trong môi trường nước vùng nghiên cứu

80

Hình 3.14 Chỉ số đa dạng sinh học H’ của quần xã vi khuẩn trong

chất nhầy san hô và trong môi trường nước vùng nghiên cứu

82

Hình 3.15 Sơ đồ nhánh về tương quan di truyền giữa một số đơn vị

phân loại với các trình tự đã được công bố trên NCBI

86

vi khuẩn với các trình tự trên NCBI

Hình 3.21 Khả năng chuyển hóa các chất hữu cơ của quần xã vi

khuẩn trong chất nhầy san hô bị bệnh dải trắng

102

vi khuẩn trong chất nhầy san hô bị bệnh dải trắng

103

Hình 3.23 Trung bình khả năng chuyển hóa chất hữu cơ của quần xã

vi khuẩn trong chất nhầy san hô khỏe mạnh và bị bệnh dải trắng

104

Hình 3.24a Hình ảnh lát cắt mỏng của mô san hô Acropora

hyacinthus khỏe mạnh trên kính hiển vi điện tử

105

Hình 3.24b Hình ảnh lát cắt của mô san hô Acropora hyacinthus bị

bệnh dải trắng trên kính hiển vi điện tử

105

Hình 3.25a Hình ảnh hiển vi điện tử của tế bào Zooxanthellae trên

san hô Goniopora pectinata khỏe và bị bệnh dải trắng (k

- khỏe, b - bệnh)

106

Hình 3.25b Hình ảnh hiển vi điện tử của tế bào vi khuẩn trên

Goniopora pectinata bị bệnh dải trắng

106

Hình 3.25c Hình ảnh hiển vi điện tử của vi rút có trong mẫu san hô

Goniopora pectinata bị bệnh dải trắng

106

MỞ ĐẦU

Hệ sinh thái rạn san hô đóng vai trò quan trọng đối với hệ sinh vật biển và đối với đời sống của con người, chúng là nơi sinh cư của các sinh vật biển và

là nơi khai thác thủy sản làm thực phẩm cung cấp cho hơn 500 triệu người

Tuy nhiên, các hệ sinh thái rạn san hô đã và đang bị suy giảm rất mạnh mẽ, trong đó một trong những nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm là dịch bệnh

Hơn nữa, nguyên nhân gây bệnh dịch san hô hiện vẫn chưa được xác định rõ ràng Do đó, các nghiên cứu về quá trình sinh thái và sinh lý dẫn đến các bệnh trên san hô, trong đó có vai trò của vi sinh vật là hết sức có ý nghĩa Chúng không chỉ cung cấp thông tin khoa học về sinh thái vi sinh vật trên san hô mà còn góp phần cung cấp cơ sở cho việc xác định các tác nhân gây bệnh cho san

hô, hướng tới bảo vệ, phục hồi và phát triển bền vững các hệ sinh thái san hô

San hô cùng với các vi sinh vật khác nhau trên chúng, như vi khuẩn, vi tảo,

vi nấm, vi rút… tạo thành một tập đoàn sinh vật gọi là holobiont san hô

Trong đó, vi khuẩn, đặc biệt là hệ vi khuẩn trong lớp dịch nhầy có vai trò và chức năng quan trọng đối với sự sống của san hô, như chức năng dinh dưỡng (cung cấp phần lớn nhu cầu nitơ cho san hô) và chức năng bảo vệ (bằng cách tổng hợp chất kháng sinh chống lại tác nhân gây bệnh) Mặt khác, trong môi trường thủy vực, vi rút là một yếu tố sinh học phổ biến, phong phú nhất, có sự

đa dạng và đóng vai trò quan trọng nhất trong việc kiểm soát số lượng vi khuẩn Tuy nhiên, số lượng và vai trò của vi rút trên san hô vẫn chưa được biết nhiều, đặc biệt là về mối quan hệ giữa vi rút với san hô và với các nhóm sinh vật khác trong holobiont theo hướng hỗ sinh hay có thể gây bệnh cho san

hô Do vậy, những thông tin về vi khuẩn, vi rút và vai trò hoạt động của chúng trong holobiont san hô có liên quan tới sức khỏe san hô là hết sức có ý nghĩa

Mặt khác, mặc dù san hô ở Việt Nam cũng đã và đang bị suy thoái mạnh

mẽ trên khắp các vùng biển, trong đó có nguyên nhân từ dịch bệnh Tuy nhiên, chưa có một công trình nghiên cứu nào được thực hiện liên quan tới bệnh trên san hô nói chung và vi sinh vật trên san hô nói riêng

Xuất phát từ những lý do trên, việc thực hiện luận án “Nghiên cứu vi

khuẩn trong chất nhầy san hô ở hai quần đảo Cát Bà và Long Châu, Việt Nam” là hết sức có ý nghĩa và mang tính cấp thiết

Luận án được thực hiện với các mục tiêu và nội dung nghiên cứu được đặt

ra cụ thể như sau:

MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 1) Có được sự hiểu biết về các đặc điểm của quần xã vi khuẩn trong chất nhầy san hô ở hai quần đảo Cát Bà và Long Châu, Việt Nam

2) Có được cơ sở khoa học về mối tương quan giữa các hợp phần vi khuẩn, vi rút và môi trường có liên quan tới sức khỏe của san hô

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1) Tìm hiểu các đặc điểm quần xã vi khuẩn trong lớp chất nhầy của các loài san hô khác nhau, sự khác biệt của chúng theo trạng thái sức khỏe của san

hô và giữa môi trường chất nhầy so với môi trường nước

2) Xác định ảnh hưởng của sự khác nhau về điều kiện môi trường giữa quần đảo Cát Bà và Long Châu tới quần xã vi khuẩn trong lớp chất nhầy của san

hô nghiên cứu

3) Xác định mối tương quan giữa vi khuẩn và vi rút trong môi trường chất nhầy san hô cũng như sự biến động của của chúng theo trạng thái sức khỏe của san hô

4) Tìm hiểu vai trò và cơ chế hoạt động của vi khuẩn trong hệ thống phòng

vệ của lớp chất nhầy san hô

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 1) Bổ sung một số dữ liệu mới, có tính hệ thống và đồng bộ về quần xã vi khuẩn và vi rút trong lớp chất nhầy của 12 loài san hô phân bố tại khu vực quần đảo Cát Bà và Long Châu, Việt Nam

2) Cung cấp thêm cơ sở khoa học có liên quan tới vai trò và hoạt động của vi khuẩn, vi rút trên san hô, và có liên quan tới sức khỏe san hô

3) Góp phần phát triển hướng nghiên cứu bệnh trên san hô nhằm hướng tới bảo vệ, phục hồi và phát triển bền vững các hệ sinh thái san hô đang bị suy giảm trên khắp các vùng biển Việt Nam

ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN Luận án được xem là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam về vi khuẩn và vi rút trên san hô, về vai trò của chúng trong dịch bệnh của san hô

Luận án đã cung cấp các cơ sở khoa học minh chứng được bốn vấn đề sau:

(1) Có sự khác nhau lớn về quần xã vi khuẩn trong lớp chất nhầy san hô so với trong môi trường nước, cũng như giữa các loài và giữa các chi san hô

(2) Có mối tương quan giữa vi rút với sự phong phú và đa dạng (di truyền và chức năng) của vi khuẩn trong lớp chất nhầy san hô

(3) Các đặc điểm hóa học của lớp chất nhầy san hô cùng với hệ vi sinh vật trong đó (vi khuẩn, vi rút) đã tạo nên khả năng thích ứng nhất định của san

hô trước sự thay đổi của điều kiện môi trường nước

(4) Điều kiện môi trường có vai trò thúc đẩy hoạt động của bacteriophage trên san hô, làm tăng cường sự ổn định hoặc suy giảm sức khỏe của san hô

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 San hô và rạn san hô

1.1.1 Khái niệm về san hô và rạn san hô

Theo Nguyễn Đăng Ngải và cộng sự (2008), san hô là tên gọi chung của của lớp động vật bậc thấp (Anthozoa), thuộc ngành động vật ruột khoang (Coelenterata) trong hệ thống phân loại động vật San hô là những cá thể hình trụ nhỏ (gọi là polyp), có hàng xúc tu ở trên đầu để bắt mồi trong môi trường nước (Hình 1.1) Chúng tồn tại và phân bố rộng rãi ở nhiều vùng biển khác nhau

Súc tua

Miệng Ruột Xương

Polyp

Hình 1.1 Cấu tạo một polyp (a) và tế bào gai dùng bắt mồi của san hô

(b) [Nguồn ảnh: http://www.expeditionsczm.com/coral-reef-system/]

Trong lớp san hô có nhiều bộ khác nhau như: san hô cứng, san hô mềm, san hô xanh, san hô đen, san hô lửa… nhưng quan trọng và ý nghĩa nhất là bộ san hô cứng (Scleractinian) hay còn gọi là san hô tạo rạn hoặc san hô đá San

hô thường sống ở vùng biển nông ven bờ vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, trải dài từ khoảng 30o vĩ tuyến bắc đến 30o vĩ tuyến nam, nơi mà nhiệt độ nước

biển hiếm khi xuống dưới 18oC Diện tích phân bố của san hô trên toàn thế giới lên đến 600 ngàn km2

Polyp san hô có thể phát triển bằng hai cách: đẻ trứng (sinh sản hữu tính)

và nảy chồi (sinh sản vô tính) Khi sinh sản hữu tính, polyp san hô đẻ ra trứng

và tinh trùng Trứng thụ tinh tiếp tục phát triển và tạo nên ấu trùng san hô với kích thước nhỏ bé và phát triển thành polyp san hô Theo cách thứ hai (mọc chồi), những polyp nhỏ đầu tiên xuất hiện ở mặt bên của polyp cũ và lớn dần thành những polyp riêng biệt với bộ xương do tự chúng sinh ra

Các yếu tố của môi trường tự nhiên như ánh sáng, trầm tích, độ muối, biên

độ triều, nhiệt độ và độ sâu đều có ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố, giới hạn sinh trưởng và phát triển của san hô và rạn san hô

Các cá thể san hô (polyp) sống cạnh nhau tạo thành các tập đoàn, với nền móng là đá vôi được hình thành từ các xác san hô chết, vỏ hoặc xương của các loài sinh vật khác, tạo thành rạn san hô (AAB và cs, 2008) Một số rạn san

hô có thể có diện tích lên tới hàng trăm kilomet vuông Các rạn san hô được phân chia thành 4 loại phổ biến (Hình 1.2): (1) Rạn riềm (fringing reef): là dạng phổ biến, có cấu trúc đơn giản với sự phát triển đi lên của nền đá vôi từ sườn dốc thoải ven biển, ven đảo Do tồn tại ở gần bờ, bị ảnh hưởng bởi sự đục nước, nên chúng hiếm khi vươn đến độ sâu lớn (2) Rạn dạng nền (platform reef): có cấu trúc đơn giản đặc trưng bởi sự cách biệt với đường bờ

và có thể thay đổi lớn về hình dạng (3) Rạn chắn (barrier reef): được phát triển trên gờ của thềm lục địa Rạn chắn là cấu trúc rạn nổi lên từ biển sâu và nằm xa bờ (4) Rạn san hô vòng (atoll): là những vùng rạn rộng lớn nằm ở vùng biển sâu Mỗi rạn san hô vòng là tập hợp của các đảo nổi và bãi ngầm bao bọc một đầm (lagoon) rộng lớn với đường kính có thể lên đến 50 km

Hình 1.2 Mô hình lát cắt dọc của các loại hình thái rạn san hô (a – Rạn riềm,

b – Rạn nền, c – Rạn chắn, d – Rạn vòng; (nguồn ảnh:

http://www.naturefoundationsxm.org/education/coral_reefs/coral_reefs.htm)

1.1.2 Giá trị và thực trạng của san hô

Hệ sinh thái rạn san hô là hệ sinh thái có sự đa dạng sinh học cao trên trái đất, chúng là nơi khai thác nguồn lợi sinh vật biển làm thực phẩm cung cấp cho hơn 500 triệu người (Hoegh-Guldberg và cs, 2011) Ngoài ra, các rạn san

hô còn có nhiều giá trị to lớn khác như giá trị du lịch, giá trị bảo vệ bờ biển, giá trị bảo tồn…, ước tính hàng năm các rạn san hô mang lại trị giá kinh tế khoảng 375 tỉ đô la (Costanza và cs, 1997) Các rạn san hô là nơi hoạt động kinh tế của hàng triệu người trên 100 quốc gia khác nhau Khu vực các rạn san hô và vùng ven biển lân cận là nơi tạo ra lượng hàng hoá, và dịch vụ chiếm khoảng 38 % trong tổng số lượng hàng hóa và dịch vụ được tạo ra từ toàn bộ các hệ sinh thái trên toàn trái đất, và nhiều lượng tạo ra từ tổng các hệ sinh thái trên cạn (Cesar và cs, 2003) Ở Hawai, giá trị kinh tế trực tiếp từ rạn san hô đóng góp ít nhất 360 triệu đô la hàng năm cho nền kinh tế địa phương (Cesar và Van Beukering, 2004)

Tuy nhiên, các rạn san hô trên toàn thế giới đã và đang phải đối mặt với sự suy thoái và hủy diệt đến từ thiên nhiên và hoạt động của con người (Baker và

cs, 2008; Hughes và cs, 2003), chúng đang phải tiếp tục đối mặt với nguy cơ suy giảm và thậm chí có thể còn suy giảm nhanh hơn trong thời gian tới (Carpenter và cs, 2008; Pandolfi và cs, 2011) Khoảng 60 % các rạn san hô hiện đang bị đe dọa bởi các hoạt động của con người và gần 10 % các rạn san

hô đã bị hư hại nghiêm trọng hoặc bị phá hủy (Cesar và cs, 2003) Một trong các dấu hiệu chính thể hiện sự suy thoái của san hô là sự xuất hiện của các bệnh lý mới, đã và đang gây ảnh hưởng đến rạn san hô trên toàn thế giới (Pollock và cs, 2011; Rosenberg và cs, 2009) Mặc dù có sự nỗ lực của cộng đồng khoa học quốc tế nhằm bảo vệ di sản sinh học này, nhưng các quá trình sinh thái và sinh lý dẫn đến các bệnh trên san hô vẫn chưa được chứng minh

rõ ràng

Tác động của hoạt động nhân sinh lên hệ sinh thái rạn san hô đang ngày càng gia tăng trên từng vùng cũng như trên mức độ toàn cầu Con người đang gây tác động lớn lên các rạn san hô, trong đó phải kể đến việc khai thác quá mức, gây ô nhiễm môi trường ven biển, và phá hủy vật lý tới các rạn san hô

Trên quy mô toàn cầu, biến đổi khí hậu đang là mối đe dọa lớn cho các rạn san hô Sự tăng lên của nồng độ CO2 trong khí quyển là một trong những nguyên nhân làm tăng nhiệt độ đại dương cũng như làm axit hóa đại dương (Harvell và cs, 2007) Sự tác động từ con người cũng như từ tự nhiên đã và đang phá vỡ sự cân bằng động trong các mối quan hệ cộng sinh đa đối tác của san hô (Rohwer và cs, 2010) Mỗi yếu tố tác động cũng như sự tác động cộng hưởng của các yếu tố có thể đưa đến nhiều áp lực cho sự sống của san hô, dẫn đến san hô bị bệnh và cuối cùng là san hô chết (Hoegh-Guldberg và cs, 2007)

phân bố rộng rãi từ Bắc tới Nam, hiện cũng đã và đang chịu nhiều sức ép từ tự

nhiên và con người, như đánh bắt cá bằng thuốc nổ, hóa chất độc, khai thác san hô bừa bãi, hoạt động du lịch và các hoạt động kinh tế xã hội khác Hiện nay, ước tính chín phần mười trong số hơn 1000 km vuông rạn san hô ở Việt Nam đang ở tình trạng nguy cấp, 96% san hô đang bị đe dọa, trong đó 75% bị

đe dọa nghiêm trọng và rất nghiêm trọng (AAD và cs, 2005)

Trước tình hình trên, việc bảo vệ, phục hồi và phát triển hệ sinh thái rạn san hô đang được xem là hết sức quan trọng và cấp bách

1.2 Dinh dưỡng và quan hệ giữa các đối tác trong holobiont san hô

San hô cứng lấy thức ăn bằng cách tự bắt mồi và sử dụng các hợp chất hữu

cơ được tạo ra bởi vi tảo và vi khuẩn cộng sinh trên chúng Ngược lại, san hô cung cấp cho tảo nơi sống và các chất bài tiết như phospho và nitrat Tảo đáp ứng tới 80% nhu cầu thức ăn tổng số cho san hô, vi khuẩn cộng sinh trên san

hô có thể cung cấp tới 50% nhu cầu ni tơ cho san hô (Ferrer và Szmant, 1988)

Do vậy, mặc dù hầu hết các rạn san hô tồn tại trong môi trường nghèo chất dinh dưỡng vô cơ như phosphat, nitrat và sắt nhưng chúng lại có năng suất sinh cao Vì mỗi loài san hô có đặc trưng riêng về sinh trưởng, nhu cầu thức

ăn và khả năng sinh sản nên mỗi loài cũng có khả năng thích ứng riêng với sự tác động của bão tố, sinh vật ăn thịt, bệnh tật và sinh vật hại Mỗi loài san hô cũng có sự cạnh tranh với các loài san hô khác về không gian, ánh sáng và các lợi ích khác Kết quả của các mối quan hệ và sự cân bằng động giữa chúng đã tạo nên tính đa dạng sinh học cao của quần xã san hô Đặc biệt, có sự cộng sinh đa dạng và phong phú giữa san hô và các vi sinh vật khác, bao gồm vi khuẩn, vi khuẩn cổ (Archaea), vi rút, vi nấm, vi tảo…, tất cả chúng tạo thành một tập đoàn sinh vật gọi là Holobiont san hô (Knowlton và Rohwer, 2003)

Trong đó, vi tảo cộng sinh san hô (zooxanthellae) đã được biết đến như một đối tác cộng sinh bắt buộc của san hô, chúng cung cấp phần lớn dinh dưỡng các bon cho nhu cầu của vật chủ san hô thông qua quá trình quang hợp và góp

phần vào quá trình hình thành xương của san hô (Muscatine và Weis, 1992)

Do vậy, trong holobiont san hô thì từng nhóm sinh vật đều có vai trò và sự ảnh hưởng của chúng tới các nhóm sinh vật khác, cũng như tới vật chủ san hô

Vi sinh vật có tính đa dạng cao và chiếm số lượng nhiều nhất trong các sinh vật có liên quan đến san hô và rạn san hô, với ước tính có hơn 100 triệu

vi khuẩn trên một cm2 của một san hô khỏe mạnh (Paul và cs, 1986) Có gần một tỷ vi khuẩn và 10 tỷ vi rút trong mỗi lít nước biển khu vực rạn san hô (Bowler và cs, 2009) Hệ vi khuẩn đã được biết là đóng vai trò quan trọng trong chức năng của hệ sinh thái, tham gia các chu trình sinh địa hóa và các quá trình sinh thái của hệ (Balser và cs, 2006) và có khả năng thực hiện chức năng quan trọng trong môi trường rạn san hô Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng, có sự khác biệt về thành phần loài của vi khuẩn giữa một số loài san hô (Bourne và Munn, 2005; Rohwer và cs, 2002) và chúng đóng vai trò tích cực trong việc duy trì sức khỏe và khả năng phục hồi của san hô (Rosenberg và cs, 2007b) Lớp chất nhầy, bộ xương và các mô của san hô khỏe mạnh đều có sự hiện diện một số lượng lớn các sinh vật, trong đó có vi tảo, vi khuẩn và vi khuẩn cổ mang lại nhiều lợi ích cho san hô như quá trình quang hợp, cung cấp các chất dinh dưỡng và chống lại sự nhiễm trùng (Kim, 2006) Vi sinh vật cũng là đối tượng đầu tiên của holobiont phản ứng với các tác động của môi trường, vì chúng có khả năng phát triển nhanh, trao đổi chất mạnh so với san hô hoặc vi tảo zooxanthellae (Rohwer và cs, 2010) Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy rằng, vi khuẩn sống trên san hô có vai trò quan trọng trong chu trình sinh hóa của các loài san hô, như một số san hô có

vi khuẩn cộng sinh tham gia chu trình ni tơ, bao gồm cả quá trình nitrat hóa, đồng hóa amoni, amôn hóa và ô xy hóa khử amôn (Kimes và cs, 2010; Olson

và cs, 2009; Raina và cs, 2009) Một số vi khuẩn sống trên san hô đã được

chuyển hóa khí nitơ thành amoniac Vi khuẩn cố định nitơ rất hữu ích cho hoạt động của các loài vi tảo cộng sinh san hô trong điều kiện môi trường bị giới hạn nguồn nitơ vô cơ (Lesser và cs, 2007) Mối quan hệ trong sự trao đổi chất giữa các sinh vật cộng sinh trên san hô đã tạo nên khả năng phát triển mạnh của chúng và của vật chủ san hô ở các vùng biển nghèo dinh dưỡng

1.3 Đặc điểm và chức năng của lớp chất nhầy trong đời sống của san hô

Sinh học dịch nhầy Các quá trình trong HST Sinh học San hô

Vi sinh vật cộng sinh san hô

giảm san hô….đang gia tăng mạnh mà các vi sinh vật cộng sinh san hô cũng

có chiều hướng gia tăng

Mặt khác, lớp chất nhầy là một bộ phận của cơ thể san hô [Hình 1.4;

Rosenberg và cs (2007b)], được tiết ra từ các tế bào lớp biểu mô của chúng

Lớp chất nhầy này được cấu thành từ hỗn hợp của các poly - glycoprotein gọi

là mucin và các dịch tiết khác như các chất béo, chúng cung cấp một nguồn dinh dưỡng quan trọng cho hệ sinh thái rạn san hô (Brown và Bythell, 2005)

Theo Crossland (1987), polysaccharide trong chất nhầy chỉ chiếm khoảng 20 - 30% trong tổng số các hợp chất carbon được tiết ra, phần còn lại bao gồm các chất hữu cơ hòa tan dạng lipid (DOC-lipid), chủ yếu là các este Ngoài ra, có

sự biến động về thành phần và sự sản sinh chất nhầy giữa các loài san hô (Crossland, 1987; Ducklow & Mitchell, 1979; Meikle và cs, 1988)

Đặc biệt, lớp chất nhầy đóng vai trò hết sức quan trọng đối với sự sống của san hô, với hàng loạt các chức năng khác nhau như cung cấp các chất dinh dưỡng hữu cơ, bảo vệ cho san hô và vận động của san hô (Denny, 1988) Chất nhầy san hô còn đóng vai trò trong hạn chế và chống lại các tác động xấu từ môi trường xung quanh, như vi sinh vật gây bệnh, lắng đọng trầm tích, tia cực tím từ mặt trời, chống khô khi bị nhô lên mặt nước và các chất ô nhiễm (Brown và Bythell, 2005)

Có thể nói, lớp chất nhầy san hô là cửa ngõ trao đổi giữa san hô với môi trường xung quanh Do vậy, khi điều kiện môi trường sống của san hô bị xáo trộn, lớp chất nhầy là nơi bị tác động đầu tiên Đặc biệt, trong holobiont san

hô thì hệ vi sinh vật trên lớp chất nhầy là nhóm sinh vật đầu tiên phản ứng lại với các tác động của môi trường, chúng là nhóm sinh vật có một số lợi thế về khả năng phát triển nhanh, trao đổi chất mạnh hơn so với san hô và vi tảo cộng sinh zooxanthellae (Rohwer và cs, 2010) Như vậy, dịch bệnh trên san

hô và nguyên nhân gây bệnh cho san hô là có tiềm năng liên quan tới hệ vi sinh vật trên lớp chất nhầy của san hô, sự thay đổi các đặc điểm về thành phần, cấu trúc và hoạt động của chúng có thể là biểu hiện cho sự thay đổi sức khỏe của san hô

1.4 Bệnh và tác nhân gây bệnh trên san hô

1.4.1 Một số khái niệm và quan điểm về bệnh

Hầu hết các bệnh trên san hô không thể xác định được nguyên nhân qua triệu chứng bệnh, bởi bệnh san hô được cho là kết quả của sự tác động tổng hợp của nhiều yếu tố (Weil, 2004; Willis và cs, 2004) và áp lực từ môi trường (Lesser và cs, 2007) Cho đến nay, sự hiểu biết về các yếu tố cơ bản gây ra các bệnh trên san hô vẫn còn rất hạn chế Trước hết, để xác định được nguyên nhân gây bệnh cho san hô thì cần phân biệt rõ ràng đặc điểm của trạng thái

san hô khỏe mạnh và san hô bị bệnh Theo định nghĩa được công nhận phổ biến nhất về trạng thái bị bệnh của sinh vật thì bất kỳ sự thay đổi nào của trạng thái sức khỏe bình thường của sinh vật đều được xem là bị bệnh (Lightner và Redman, 1998) Tuy nhiên đối với san hô, chưa có một định nghĩa nào về trạng thái san hô khỏe mạnh Những dấu hiệu biểu hiện bệnh chỉ

có thể nhìn thấy rõ ràng ở giai đoạn cuối của sự tiến triển bệnh (Ainsworth và

cs, 2007) Như vậy, việc xác định tác nhân gây ra các triệu chứng bệnh là rất quan trọng, chúng là cơ sở để cảnh báo và áp dụng các biện pháp hạn chế sự bùng phát và lây lan của chúng Tuy nhiên cho tới nay, vẫn chưa có những thông tin rõ ràng về các tác nhân gây bệnh và các biểu hiện bệnh lý trên san

hô, nhất là các bệnh mới xuất hiện (Willis và cs, 2004)

Hiện nay, nhiều bệnh do đa tác nhân đang được nghiên cứu bằng cách kết hợp nhiều phương pháp Như sự kết hợp giữa phương pháp truyền thống theo thuyết Henle-Koch và các phương pháp hiện đại như các công cụ sinh học phân tử (Richardson và cs, 2001), hay sự kết hợp phương pháp sinh lý bệnh học và các phương pháp mô bệnh học (Work và Aeby, 2006) Việc phân lập được vi khuẩn gây bệnh là rất thuận lợi cho việc nghiên cứu nguyên nhân bệnh Tuy nhiên, các kết quả đạt được vẫn chưa đủ cơ sở để lý giải tại sao dịch bệnh có thể bùng phát trong môi trường này nhưng lại không bùng phát ở các môi trường khác

Để hiểu được sự phức tạp của việc hình thành bệnh, một khái niệm về bộ

ba yếu tố hình thành bệnh (disease triad) đã được đưa ra (Snieszko, 1974)

Trong đó, bệnh được ví như một hình tam giác cân mà ba đỉnh tam giác đại diện cho ba yếu tố hình thành bệnh: mầm bệnh, vật chủ (sự nhạy cảm) và các yếu tố môi trường (Hình 1.5) Tuy nhiên trong thực tế, hầu hết các bệnh trên san hô đã được xác định trong ba thập kỷ qua là thông qua quan sát những dấu hiệu biểu hiện bệnh trên các loài san hô (dựa trên một yếu tố là vật chủ)

Nhưng với bệnh tẩy trắng san hô, vai trò của yếu tố môi trường như nhiệt độ

và tình trạng ô nhiễm môi trường do hoạt động nhân sinh đã được xem xét (Hoegh-Guldberg, 1999) Chỉ mới gần đây, do lo sợ các bệnh truyền nhiễm ở san hô có thể lây lan rộng, nên các mầm bệnh đối với san hô đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu, như nguồn gốc mầm bệnh và sự lây lan của chúng (Rosenberg và cs, 2007a; Sharon và Rosenberg, 2008) Hiện nay, việc xác định các nguyên nhân gây bệnh trên san hô là rất phức tạp, chẩn đoán bệnh của san hô vẫn dựa chủ yếu vào dấu hiệu biểu hiện bệnh có thể nhìn thấy

VI SINH VẬT GÂY BỆNH

Hình 1.5 Ba yếu tố hình thành bệnh (Snieszko, 1974)

1.4.2 Thực trạng bệnh trên san hô

Bệnh trên san hô xuất hiện nhiều nhất tại vùng biển Caribbean (Porter và

cs, 2001; Weil, 2004), và ít gặp ở vùng biển Ấn Độ Dương Theo Harvell và cộng sự (2007), kết quả khảo sát sơ bộ tại các vùng biển của Úc, Philippines, Palau và Đông Phi cho thấy, nhiều loại bệnh mới đã xuất hiện và đã gây hại ở tất cả các địa điểm được khảo sát Theo số liệu ghi nhận, số lượng các bệnh trên san hô không phải là bệnh chết trắng đã tăng hơn 50 lần từ 1965 đến năm

2005 (Sokolow, 2009) Các dịch bệnh đã góp phần làm giảm đáng kể số lượng san hô và độ phủ san hô (Gardner và cs, 2003; Rogers, 2009) Từ khi

bệnh vành đen (BBD – Black Band Disease) được ghi nhận lần đầu tiên vào năm 1973 (Antonius, 1973) đến nay, hơn 35 bệnh trên san hô đã được ghi nhận, trong đó 29 bệnh ghi nhận ở biển Caribbean (Weil, 2004) và 7 bệnh ở biển Ấn Độ - Thái Bình Dương (Willis và cs, 2004), nhưng mới có 5 bệnh bệnh truyền nhiễm đã được xác định được tác nhân gây bệnh (Patterson và cs, 2002; Pollock và cs, 2011)

Theo Sutherland và cộng sự (2004), bệnh trên san hô là một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng đến các rạn san hô, có đến 82% số loài của vùng Caribê và 25% số loài của vùng Ấn Độ - Thái Bình Dương bị nhiễm bệnh (Sutherland và cs, 2004) Các chương trình quan trắc dài hạn trên rạn Great Barrier Reef đã tìm thấy sự gia tăng bệnh trên san hô trong 5 năm gần đây, chúng đã là nguyên nhân gây chết trong một thời gian dài cho nhiều rạn san hô (Hayes và Goreau, 1998) và có nguy cơ làm thay đổi cấu trúc quần xã san hô, góp phần làm suy giảm đa dạng sinh học trên rạn san hô và ảnh hưởng đến tính đa dạng của san hô trên toàn cầu (Santavy, 1997)

Các bệnh truyền nhiễm của san hô có thể có các dấu hiệu biểu hiện như gây tổn thương hoặc xuất hiện các ban khác biệt ở mô Một số bệnh trên san

hô có thể bị gây ra bởi một loại sinh vật (Kushmaro và cs, 1996) còn các bệnh khác có liên quan đến nhiều sinh vật như nhiều loài vi khuẩn khác nhau là các tác nhân gây bệnh cơ hội khi điều kiện môi trường sống không thuận lợi (Lesser và cs, 2007; Rohwer và cs, 2010; Sekar và cs, 2006) Ví dụ bệnh vành đen (BBD – Black Band Disease) được chứng minh là do sự tác động kết hợp

của các yếu tố, bao gồm cả sinh khối Cyanobacteria tạo ra sự thiếu ôxy và

góp phần vào sự gia tăng sunfua, điều này làm độc đối với các mô san hô bên dưới Tuy nhiên, bệnh thường là do nhiều tác nhân gây ra như nhiều loại vi khuẩn (Sekar và cs, 2006) Sự ảnh hưởng từ hoạt động đánh bắt quá mức, sự phú dưỡng cũng như biến đổi khí hậu, axit hóa đại dương trên toàn cầu dường

như là thuận lợi cho sự xuất hiện của các bệnh trên san hô (Harvell và cs, 2007) Nhiệt độ gây ra bệnh chết trắng của san hô cũng làm tăng tính nhạy cảm của san hô với tác nhân gây bệnh cơ hội, và một số sinh vật gây bệnh dường như cũng trở nên nguy hiểm hơn trong điều kiện nhiệt độ cao Vi

khuẩn Vibrio shiloi và Vibrio corallilyticus lần lượt gây chết trắng cho san hô

Oculina patagonica và Pocillopora damicornis Bệnh này được chứng minh

xuất hiện trong điều kiện môi trường không thuận với san hô hoặc khi nhiệt

độ môi trường tăng (Ben-Haim và Rosenberg, 2002; Kushmaro và cs, 1996)

Một nghiên cứu gần đây sử dụng phương pháp metagenomics tiến hành thí nghiệm với sự tăng nhiệt độ, bổ sung chất dinh dưỡng và giảm độ pH đã cho

thấy sự gia tăng đáng kể lượng Virus herpes trong san hô (Vega-Thurber và cs,

2009)

Trước thực trạng suy thoái của san hô đã và đang diễn ra trên toàn cầu cùng với sự xuất hiện của các loại bệnh lý mới trên san hô (Pollock và cs, 2011; Rosenberg và cs, 2009), các nhà khoa học đã có sự nỗ lực lớn trong việc bảo vệ các rạn san hô Tuy nhiên, các quá trình sinh thái và sinh lý thành bệnh trên san hô cũng như các tác nhân gây bệnh vẫn chưa được xác định một cách rõ ràng Vấn đề cấp bách đặt ra là cần phải tiến hành nghiên cứu, xem xét tổng thể các yếu tố có liên quan tới san hô ở tất cả các mức độ khác nhau

Từ mức độ vĩ mô như biến đổi khí hậu, tăng nhiệt độ, axit hóa đại dương cho tới mức hệ sinh thái, quần xã, quần thể, cá thể, ở các khía cạnh khác nhau về mối quan hệ giữa chúng, đặc biệt là mối tương tác giữa san hô – các sinh vật trên san hô – môi trường sống (Hình 1.5) Để có được một bức tranh tổng thể, luận giải một cách toàn diện và triệt để cho cơ chế gây bệnh, bùng phát dịch bệnh, việc tìm hiểu sự phân bố, hoạt động và mối tương tác qua lại của vi khuẩn, vi rút trên san hô ở trong các điều kiện môi trường khác nhau, cũng như xem xét sự biến động của hệ vi sinh vật trên san hô ở trạng thái khỏe

mạnh và bị bệnh so với trong môi trường nước là hết sức cần thiết Chúng sẽ cung cấp các cơ sở khoa học quan trọng cho việc xác định sự xuất hiện tác nhân gây bệnh

1.4.3 Bệnh dải trắng (White plague) trên san hô

Bệnh dải trắng (White plague disease) trên san hô là một trong những bệnh gây chết nhiều cho các loài san hô phiến và san hô khối ở phía tây Đại Tây Dương (Miller và cs, 2006) Bệnh này lần đầu tiên được quan sát thấy ở Florida vào năm 1975 và xuất hiện nhiều vào năm 1995 và sau đó lan rộng ra khắp khu vực, với dịch diễn ra khắp vùng Caribê vào năm 2001 Nó đã trở thành bệnh phổ biến nhất và nguy hiểm nhất đối với san hô, bệnh này đã ảnh hưởng đến khoảng một nửa số lượng loài san hô tạo rạn và các loài san hô vùng biển Caribê Bệnh dải trắng ở vùng Caribê được mô tả với sự gây tổn thương và lan ra ngoại biên của tập đoàn san hô và sau đó tiến triển nhanh (mm đến cm mỗi ngày) trên bề mặt của tập đoàn, dẫn đến chết một phần hay toàn thể tập đoàn san hô (Miller và cs, 2006; Richardson và cs, 2001) Bệnh được chia thành ba loại (Dustan, 1977; Richardson và cs, 1998; Richardson

và cs, 2001): loại I đã được mô tả đầu tiên vào năm 1970 và 1980, bệnh loại II được ghi nhận đầu tiên vào giữa những năm 1990, và bệnh loại III được ghi nhận đầu tiên vào năm 2000 Dấu hiệu của tất cả các dạng của bệnh dải trắng

là tương tự nhau, và chúng có khả năng nhiễm trên nhiều loài san hô khác nhau Sự khác biệt lớn nhất giữa ba loại hình bệnh là tỷ lệ lây lan và mức độ gây thiệt hại cho mô san hô Mức độ gây hại lớn nhất là ở loại III và ít nhất là loại I: trong loại I có sự phá hủy khoảng 0,3 mm mô san hô mỗi ngày Loại II gây chết san hô nhiều hơn, với tỷ lệ tử vong 2 cm mỗi ngày Loại III giết chết

mô san hô với tốc độ lớn hơn 2 cm mô san hô mỗi ngày và chủ yếu bắt gặp ở

san hô tạo rạn Vi khuẩn Aurantimonas coralicida gây bệnh truyền nhiễm đã

được cho là nguyên nhân tạo nên bệnh dải trắng loại II trong san hô

Dichocoenia stokesii (Denner và cs, 2003; Richardson và cs, 1998), nhưng A

coralicida không phải luôn luôn thấy hiện diện khi quần thể san hô bị nhiễm

bệnh dải trắng Do đó, vi khuẩn A coralicida có thể có liên quan đến sức

khỏe san hô nhưng không phải là nguyên nhân chính tạo nên bệnh dải trắng

trên san hô Montastraea annularis (Pantos và cs, 2003), hoặc có thể chúng

chỉ là nguyên nhân gây bệnh dải trắng ở một số khu vực địa lý nhất định hoặc

ở trên một số loài san hô nhất định (Cardenas và cs, 2012; Sunagawa và cs, 2009)

Trong san hô bị bệnh dải trắng, xuất hiện một vành trắng đậm giữa danh giới phần mô san hô khỏe mạnh và bộ xương san hô trần (phần đã bị bệnh), nhưng trong phần mô san hô khỏe mạnh thì không có biểu hiện gì khác biệt khi nhìn bằng mắt thường Bệnh dải trắng trên san hô có thể lây lan dễ dàng

từ san hô này tới san hô kế tiếp

1.5 Vi khuẩn, vi rút và sức khỏe san hô

San hô ở trạng thái khỏe mạnh, cùng với các vi sinh vật khác nhau như vi khuẩn, vi tảo, vi nấm, vi rút…tạo thành một tập đoàn sinh vật gọi là holobiont san hô (Marhaver và cs, 2008) Chúng sống trong mối quan hệ chặt chẽ với với nhau và với động vật chủ san hô ở lớp chất nhầy – mucus microlayer, trong xương và trong các mô san hô (Rosenberg và cs, 2007b) Theo nhiều nghiên cứu cho thấy, mối quan hệ tương hỗ giữa san hô và các sinh vật sống trên chúng được hình thành từ rất sớm trong chu trình sống của san hô, chúng tồn tại và đóng vai trò quan trọng trong suốt quá trình sống và phát triển của san hô (Rosenberg và cs, 2007b) Trong đó, vai trò quan trọng nhất của sinh vật sống trên san hô là cung cấp dinh dưỡng cho san hô [cung cấp phần lớn nhu cầu nitơ cho san hô; (Lesser và cs, 2004)] và đóng vai trò bảo vệ [bằng cách tổng hợp chất kháng sinh để chống lại tác nhân gây bệnh; (Kvennefors

và cs, 2012a; Rypien và cs, 2010; Shnit-Orland và cs, 2012)] Trạng thái cân

bằng động giữa các sinh vật trong holobion san hô là kết quả của sự tương tác năng động giữa các vi sinh vật cộng sinh trong điều kiện môi trường nhất định,

điều này đã được khái quát trong giả thuyết “Coral probiotic‖ của Reshef và

cs (2006) Theo thuyết này, một số bệnh trên san hô có thể là kết quả của một

sự thay đổi đột ngột về cấu trúc của quần xã vi khuẩn trong lớp chất nhầy để đáp ứng lại sự xáo trộn/thay đổi của môi trường (đặc biệt là tăng nhiệt độ, hay thay đổi chất dinh dưỡng, axit hóa, v.v.) Sự thay đổi và tiếp đến là sự biến mất của các vi khuẩn cộng sinh quan trọng nhưng nhạy cảm, tạo điều kiện cho

sự hình thành một tập đoàn vi khuẩn cơ hội mới trong hệ (có thể hoặc không thể gây bệnh), dẫn đến mất trạng thái cân bằng động giữa vi sinh vật và san

hô với điều kiện môi trường, và cuối cùng sẽ dẫn đến bệnh tật và gây chết cho san hô (Krediet và cs, 2013a; Rosenberg và cs, 2009) Một số kết quả nghiên cứu gần đây cũng cho thấy sự đúng đắn của giả thuyết này Ví dụ, Bourne và cộng sự (2008) cùng với Littman và cộng sự (2011) đã chỉ ra rằng, có sự biến

động mạnh về thành phần hệ vi khuẩn sống trên loài Acropora millepora bị

bệnh tẩy trắng (bleaching disease) tại rạn san hô Great Barier thông qua các kết quả phân tích bằng phương pháp DGGE và metagenomics Điều này cũng được chứng thực bởi kết quả thí nghiệm về ―stress‖ nhiệt; theo đó, bệnh tẩy trắng dẫn đến tăng gen độc lực và các sinh vật có khả năng gây bệnh (Vega-Thurber và cs, 2009) Tương tự, Lins-de-Barros (2012) cũng đã ghi nhận là có

sự biến động mạnh về thành phần loài trong hệ vi khuẩn sống trên san hô

Sidastrea stellata khi bị tẩy trắng thông qua thư viện gen 16S rRNA

Trong số các bệnh trên san hô xuất hiện những năm gần đây, bệnh tẩy trắng (bleaching disease) được coi là bệnh phổ biến nhất (Hoegh-Guldberg và

cs, 2011) Tuy nhiên, nguyên nhân của bệnh này vẫn đang còn được tranh luận Đa số các nhà sinh học về san hô cho rằng, tẩy trắng san hô là do sự mất

vi tảo zooxanthellae (Symbiodinium spp) cộng sinh nội bào của san hô; sự mất

vi tảo này là kết quả trực tiếp của sự tăng nhiệt độ kéo dài, tăng ánh sáng hoặc

sự thay đổi yếu tố vật lý hoặc hóa học trong môi trường (Hoegh-Guldberg, 2004) Tuy nhiên, giả thuyết liên quan tới vai trò của sinh vật nhân sơ trong

sự xuất hiện và phát triển của bệnh lý đặc biệt này đã và đang được tranh luận

từ mười năm qua Đặc biệt, sự xuất hiện của sinh vật nhân sơ đã được ghi nhận trong giai đoạn đầu của nhiều loại bệnh khác nhau: như bệnh vành đen – Black band (Bourne và cs, 2011), bệnh vành trắng – white band (Lentz và cs, 2011), bệnh dải trắng – white plague (Cardenas và cs, 2012), bệnh đốm trắng – white pox (Alagely và cs, 2011), v.v Nhưng cho tới nay, khả năng gây ra bệnh tẩy trắng san hô của sinh vật nhân sơ vẫn chưa được xác định rõ ràng

Mặc dù số lượng các công bố những chứng cứ mới về vai trò tiềm năng của sinh vật nhân sơ đối với sức khỏe san hô ngày càng tăng trong thời gian qua (Hình 1.3), nhưng vẫn còn một số vấn đề chưa được làm sáng tỏ và chưa chắc chắn, ví dụ như tất cả các trường hợp tẩy trắng san hô đều chưa chứng minh được rõ ràng về tác nhân gây bệnh (Ainsworth và cs, 2008) Do vậy, các nghiên cứu xác định thành phần và cấu trúc của hệ vi khuẩn trên san hô khỏe mạnh sẽ là cơ sở để phát hiện nhóm vi khuẩn cơ hội hay gây bệnh trong trường hợp điều kiện môi trường bị thay đổi hoặc trong trường hợp san hô có biểu hiện bệnh

Mặt khác, trong môi trường nước, bên cạnh lượng chất dinh dưỡng, hai yếu tố sinh học chính có vai trò kiểm soát số lượng sinh vật nhân sơ (prokaryote) là sinh vật ăn thịt (chủ yếu là tảo doi dị dưỡng - nanoflagellates

và ciliates) (Sanders và cs, 1992) và quá trình sinh tan bởi vi rút (Fuhrman, 1999) Tuy nhiên, đối với vi khuẩn trên san hô, sự bắt mồi/ăn thịt của động vật nguyên sinh và vi tảo dị dưỡng chắc chắn không phải là yếu tố quan trọng mang tính quyết định tỷ lệ chết của chúng, vì vi tảo dị dưỡng và ciliates thường rất hiếm khi xuất hiện trong lớp chất nhầy san hô (Sweet và Bythell,

2012) Hơn nữa, lớp chất nhầy san hô có thành phần chính là các polysacharide, glycoprotein, những chất tạo ra tính nhớt cao, đã làm hạn chế khả năng dính bám của các sinh vật khác lên chúng và đây cũng là một hình thức tự vệ trước kẻ thù của san hô Do đó, rõ ràng rằng, quá trình sinh tan bởi

vi rút được xem như tác nhân thuyết phục nhất để giải thích cho cơ chế kiểm soát số lượng vi khuẩn trong holobiont san hô Trong các hệ sinh thái thủy vực, vi rút đã được ghi nhận là yếu tố quan trọng nhất trong việc kiểm soát số lượng vi khuẩn (Fuhrman, 1999), thậm chí đây được coi là đối tượng chịu trách nhiệm tới 100% tỷ lệ chết của vi khuẩn (Noble và Fuhrman, 2000)

Trong đại dương, vi rút là yếu tố sinh học phổ biến và phong phú nhất, có thành phần đa dạng và biến động mạnh (Suttle, 2007) Ảnh hưởng của chúng lên các chức năng của hệ sinh thái thủy vực là rất lớn (Rohwer và Thurber, 2009), như khả năng tham gia vào chu trình vật chất (Middelboe và cs, 2003), kiểm soát sự nở hoa của tảo (Baudoux và cs, 2006; Brussaard, 2004), là nguồn dinh dưỡng cho các sinh vật đơn bào (Bettarel và cs, 2005) và vận chuyển các vật liệu di truyền giữa các sinh vật (Lang và cs, 2012) Mặc dù các nghiên cứu gần đây mới chỉ tập trung vào vi rút phù du, nhưng đã có một luồng ánh sáng mới trong nghiên cứu vi rút khi chúng được xác định là có thể xâm chiếm lên bề mặt hữu cơ và vô cơ trơ (Weinbauer và cs, 2009) cũng như

bề mặt sống (Abedon, 2011; Rohwer và cs, 2002), là bề mặt của nhiều thủy sinh vật khác khác nhau, như cá (Beklioglu và cs, 2006), sứa (Ferguson và cs, 2010) và san hô (Davy và Patten, 2007) Tuy nhiên, vai trò của những loại vi rút sống trên bề mặt của các sinh vật này (epibiotic) vẫn còn chưa được biết, đặc biệt có rất ít các nghiên cứu được thực hiện và quan tâm tới mối quan hệ giữa chúng với vật chủ theo hướng hỗ sinh hay có thể gây bệnh Trong các thực thể sinh học hình thành nên holobiont san hô, vi rút là đối tượng ít được

nghiên cứu nhất, ý nghĩa sinh thái của chúng trong sức khỏe san hô vẫn chưa được xác định rõ ràng (Garren và Azam, 2012c)

Do vậy, với vai trò là một thành phần chính trong holobiont san hô, vi rút

là đối tượng có tiềm năng đóng vai trò quan trọng đối với sức khỏe của san hô, đặc biệt là liên quan tới hoạt động của hệ vi khuẩn trên san hô Vì vậy, trong hướng nghiên cứu sinh thái học vi sinh vật trên san hô, những nghiên cứu về

vi rút là rất cần thiết và có ý nghĩa, góp phần thiết lập các cơ sở khoa học nhằm xác định các tác nhân gây bệnh cho san hô và các cơ chế hình thành bệnh Qua đó, có những biện pháp phù hợp cho công tác bảo vệ sức khỏe san

hô và hướng tới phát triển bền vững các hệ sinh thái rạn san hô

1.6 Vi khuẩn trong hệ thống phòng vệ của lớp chất nhầy san hô

Trong lớp chất nhầy của động vật đa bào nói chung và san hô nói riêng, Ig protein (Ig - immunoglobulin) có sự đa dạng và có vai trò quan trọng trong quá trình đáp ứng miễn dịch của các động vật có xương sống, như sự kết dính với các tế bào vi khuẩn (Barr và cs, 2013c; Fraser và cs, 2006) Ig có mặt ở vị trí khoảng một phần tư của đuôi thể thực khuẩn DNA như Caudovirales (Fraser và cs, 2006) Đáng chú ý là, Ig chỉ được tìm thấy trong các protein cấu trúc của virion và thường được lộ trên bề mặt của virion Vì vậy, chúng liên kết với carbohydrate trên bề mặt của vi khuẩn trong quá trình xâm nhiễm (Fraser và cs, 2007; Fraser và cs, 2006) Tuy nhiên, trong glycoprotein của chất nhầy thì các phân tử lớn như polisacarit có hàng trăm chuỗi glycan thò ra (tiếp xúc với) môi trường xung quanh, nên chúng có tiềm năng kết dính với thể thực khuẩn qua mối liên kết với protein Ig Hơn nữa, thể thực khuẩn có thể sử dụng nhiều loại protein Ig khác nhau (có hơn 1013 lựa chọn khác nhau)

để thích ứng với các vật chủ luôn luôn có sự thay đổi trong lớp chất nhầy

Các nghiên cứu metagenomic đã ghi nhận rằng, có sự phân bố rộng và sự

đa dạng cao của vi khuẩn, thực khuẩn thể trong môi trường chất nhầy của các

sinh vật, ví dụ như đường ruột, đường hô hấp của người, của san hô (Breitbart

và cs, 2002; Eckburg và cs, 2005; Marhaver và cs, 2008; Willner và cs, 2012)

Sự thích nghi của hệ vi khuẩn cộng sinh trong môi trường chất nhầy của các sinh vật đã được ghi nhận (McFall-Ngai và cs, 2013) Tuy nhiên, mãi gần đây mới có những nghiên cứu về ảnh hưởng của thể thực khuẩn trong các hệ sinh vật cộng sinh của các vật chủ (McFall-Ngai và cs, 2013; Minot và cs, 2012)

Do vậy, mặc dù đã có một vài nghiên cứu về vai trò của vi khuẩn, vi rút trong lớp chất nhầy của các sinh vật khác nhau nhưng vai trò của chúng trong hệ thống phòng vệ, miễn dịch của lớp chất nhầy thì chưa được biết

Các cơ chế hoạt động của vi khuẩn, thể thực khuẩn trong lớp niêm mạc (chất nhầy) tham gia vào hệ thống phòng vệ của các sinh vật đa bào nói chung

và san hô nói riêng được mô phỏng trên mô hình BAM (Bacteriophage Adherence to Mucus) của Barr và cộng sự (2013), hình 1.6

Theo đó, hình 1.6: (1) chất nhầy được sản xuất và tiết ra bởi lớp tế bào biểu bì (2) vi rút (phage) gắn với các đầu sợi glycan của sợi glycoprotein của lớp dịch nhầy thông qua các phân tử protein trên vỏ của vi rút (như là Ig) (3) các phage được gắn vào chất nhầy đã tạo ra lớp kháng khuẩn thông qua cơ chế nhiễm sinh tan, làm hạn chế khả năng dính bám và phát triển trên lớp chất nhầy của các vi khuẩn ngoại lai xâm nhập, bảo vệ lớp tế bào biểu bì của vật chủ Do đó phage bám vào chất nhầy có chức năng cộng sinh với san hô (4) quá trình sinh tan trên vi khuẩn và sự kết dính đặc hiệu giữa các protein trên

vỏ capsid với các phần đầu glycan của các sợi glycoprotein dịch nhầy giúp duy trì mật độ cao của phage trong dịch nhầy (5) cùng với chất nhầy, phage liên tục được giải phóng ra môi trường nước xung quanh Ngược lại, đây cũng

là một phương thức duy trì ổn định mật độ phage trong dịch nhầy

1) Các tế bào biểu mô tiết dịch nhầy

chất nhầy qua Ig

dịch nhầy tạo khả năng kháng khuẩn

Hình 1.6 Mô hình về vai trò của vi rút trong hệ thống phòng vệ (kháng

khuẩn) của lớp chất nhầy san hô (Barr và cs, 2013b) Trên san hô, chất nhầy được tiết ra liên tục bởi lớp tế bào biểu mô và cũng được thải ra ngoài môi trường liên tục, đồng thời với chúng là vi rút và vi khuẩn cũng được thải liên tục ra môi trường xung quanh Mặt khác, mật độ vi khuẩn, vi rút trong lớp chất nhầy luôn cao và ổn định nên chắc chắn phải tồn tại một cơ chế nào đó để cung cấp liên tục lượng vi khuẩn, vi rút bù lại lượng

bị mất đi Có thể, thể thực khuẩn nhiễm vào vi khuẩn ưu thế trong lớp chất nhầy ở dạng tiềm sinh, với tốc độ phát triển mạnh của vi khuẩn chủ làm chúng phân tán ra khắp quần xã vi khuẩn trong lớp chất nhầy Quá trình sinh tan của thể thực khuẩn sẽ cung cấp một lượng lớn thể thực khuẩn, đảm bảo duy trì ổn định số lượng của chúng trong môi trường chất nhầy luôn luôn biến động Đây cũng là phương thức hoạt động của hệ thống phòng vệ trong lớp chất nhầy của sinh vật chủ (Barr và cs, 2013b) Khi vật liệu di truyền (genome) của thể thực khuẩn chèn vào vật liệu di truyền của vi khuẩn, chúng

có chức năng bảo vệ vi khuẩn chủ khỏi bị nhiễm bởi các thể thực khuẩn khác, đây là mặt có ích của vi rút trong lớp chất nhầy Mặt khác, các thể thực khuẩn