Chương III an toàn sinh học đối với vi sinh vật

Exotoxin là những chất độc được tiết ra bởi các sinh vật như nấm, vi khuẩn, tảo, hoặc sinh vật đơn bào.. Một số chính phủ trong lịch sử đã cố gắng để khai thác các vi sinh vật sản xuất c

CHƯƠNG III

AN TOÀN SINH HỌC ĐỐI VỚI VI

SINH VẬT

TS LÊ XUÂN ĐẮC VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

0912049887; lxdac@yahoo.com

3.1 Giới thiệu chung về các nhóm vi sinh vật độc hại và phân loại mức độ nguy hiểm của chúng

3.2 Quy chế ATSH đối với vi sinh vật

Giới thiệu chung về các nhóm vi sinh vật độc

hại và phân loại mức độ nguy hiểm của chúng

Có nhiều loại vi sinh vật độc hại (gây bệnh cho người, động vật, thực vật ) bao gồm vi khuẩn (vi trùng), siêu vi trùng và ký sinh trùng Riêng vi

trùng và siêu vi trùng có thể gây ra các bệnh

nhiễm trùng (infectious diseases) có khả năng lây lan từ cơ thể sinh vật này này sang cơ thể sinh vật khác.

• Vi sinh vật là những sinh vật đơn bào có kích thước

nhỏ, không quan sát được bằng mắt thường mà phải

sử dụng kính hiển vi Thuật ngữ vi sinh vật không tương đương với bất kỳ đơn vị phân loại nào trong phân loại khoa học Nó bao gồm cả virus, vi khuẩn, archaea, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh.v.v

Đặc điểm chung

• Kích thước nhỏ bé Kích thước vi sinh vật thường được đo bằng micromet

• Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh Vi khuẩn lactic

(Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải một lượng

đường lactose nặng hơn 1000-10000 lần khối lượng của

chúng

• Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh So với các sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng cực kì lớn Khả năng phát tán nhanh và rộng

• Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị

• Phân bố rộng, chủng loại nhiều Vi sinh vật có ở khắp mọi nơi

trên trái đất, ngay ở điều kiện khắc nghiệt nhất như ở nhiệt độ

cao trong miệng núi lửa, nhiệt độ thấp ở Nam cực, và áp suất lớn dưới đáy đại dương vẫn thấy sự có mặt của vi sinh vật Vi sinh vật

có khoảng trên 100 nghìn loài bao gồm 30 nghìn loài động vật

nguyên sinh, 69 nghìn loài nấm, 1,2 nghìn loài vi tảo, 2,5 nghìn

loài vi khuẩn lam, 1,5 nghìn loài vi khuẩn, 1,2 nghìn loài virus

• Do tính chất dễ phát sinh đột biến nên số lượng loài vi sinh vật

tìm được ngày càng tăng, chẳng hạn về nấm trung bình mỗi năm lại được bổ sung thêm khoảng 1500 loài mới.

• Vai trò: Phân giải xác sinh vật chết, tạo nguồn thức

ăn cho nhiều sinh vật khác, Đối với con người, vi sinh vật có vai trò có ích như:thực hiện quá trình lên men rượu, vai trò to lớn trong công nghệ sinh học Vai trò có hại như: gây bệnh, phá hủy nhiều sản phẩm như đồ ăn, quần áo

• 1 Trong tự nhiên:

- Có lợi:

+ Vi sinh vật là mắt xích quan trọng trong các chu trình

chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tự nhiên

+ Tham gia vào việc gìn giữ tính bền vững của hệ sinh thái

và bảo vể môi trường

- Có hại :

+ Gây bệnh cho người ĐV, TV

+ VSV là nguyên nhân gây hư hỏng thực phẩm

2 Trong nghiêm cứu di truyền

Là đối tượng lí tưởng trong công nghệ di truyền, công nghệ sinh học…

3 Trong đời sống

- Sản xuất sinh khối, và các chất có hoạt tính sinh học

+ Sản xuất axit amin

+ Sản xuất chất xúc tác sinh học ( các enzim ngoại bào :

amilaza, prôteaza )

+ Sản xuất gôm sinh học:

+ Sản xuất chất kháng sinh

- Được sử dụng trong ngành công nghiệp lên men, nhiều sản

phẩm lên men VSV đã đựoc sản xuất lớn ở qui mô công nghiệp

- Bảo vệ môi trường: VSV tham gia tích cực vào quá trình phân giải các phế thải nông nghiệp, phế thải công nghiệp, rác sinh

hoạt, phân hủy dầu (vi sinh vật ăn dầu), phân hủy chất độc (ví dụ: phân hủy Dioxin)

Trong sản xuất nông nghiệp :

+ Được sử dụng làm phân bón, thuốc trừ sâu vi

sinh và các chế phẩm vi sinh dùng trong chăn nuôi + Tham gia vào quá trình tạo mùn, quá trình phân giải xác hữu cơ thành dạng đơn giản dùng làm thức

ăn cho cây trồng

- Có vai trò quan trọng trọng ngành năng lượng:

Các VSV chuyển hóa chất hữu cơ thành cồn, gas …

Độc tố (Toxin)

Độc tố do vi sinh vật là do sản phẩm được sản xuất bởi các vi sinh vật gây bệnh đã được cư trú trong cơ thể Vi sinh vật có thể nhập vào sinh vật chủ bằng nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như sử dụng thực phẩm bị ô nhiễm hoặc nước uống sinh hoạt Vi sinh vật cũng có thể được xâm nhiễm thông qua các vết thương, hoặc tiếp xúc trực tiếp với các nguồn bệnh hoặc

do hơi thở chứa vi sinh vật truyền qua không khí Các loại độc tố của vi sinh vật phát tán phụ thuộc vào tùy loài vi sinh vật.

- Nội độc tố (Endotoxin): là những chất do vi sinh vật tổng hợp nên có khả năng gây độc cho người nhưng không tiết ra ngoài Ví dụ: Nội độc tố vi

khuẩn gây bệnh thương hàn.

- Ngoại độc tố (Exotoxin): là những chất do vi sinh vật tổng hợp và tiết ra ngoài có khả năng gây độc cho người Ví dụ: Ngoại độc tố của vi khuẩn bạch hầu, uốn ván

Exotoxin là những chất độc được tiết ra bởi các sinh vật như nấm, vi khuẩn, tảo, hoặc sinh vật đơn bào Các

ngoại độc tố thường rất nguy hiểm Một số lượng rất

nhỏ có thể gây tử vong cho một sinh vật chủ, chất độc

lây lan một cách nhanh chóng các sinh vật chủ, đây là cơ hội để thực hiện cuộc chiến tranh sinh học Một số chính phủ trong lịch sử đã cố gắng để khai thác các vi sinh vật sản xuất chất độc trong chiến tranh, và sự phát triển của

vũ khí vi sinh vật đã dẫn đến việc tạo ra một hiệp ước

cấm chiến tranh sinh học do lo ngại rằng các sinh vật

như vậy có thể vượt ra ngoài tầm kiểm soát.

Một số sinh vật tiết ra ngoại độc tố ổn định, trong khi những sinh vật khác chỉ sản xuất ra ngoại độc tố khi cần thiết, và trong một số trường hợp, chúng chỉ

được phát tán trong quá trình tách chiết, khi các tế bào bị phá vỡ như là một sinh vật chết Chúng

thường là các protein tương tác với các protein và

enzyme được tìm thấy trong cơ thể của cơ thể vật

chủ Exotoxin một có thể được phân loại theo các loại

mô đích, như neurotoxins rằng mục tiêu tế bào thần kinh và các độc tố được tấn công qua đường tiêu hóa.

Exotoxin của vi sinh vật có thể tấn công vùng sâu,

vùng xa, hơn là cần phải được tiếp xúc trực tiếp với các mô đích Exotoxin có thể đi vào máu và đi khắp các bộ phận của cơ thể, sử dụng hệ thống tuần hoàn của cơ thể như là một phương thức phân phối độc tố Một số ngoại độc tố có thể hỗ trợ sự xâm nhập của vi khuẩn khác, tức là ngoại độc tố phá vỡ các mô để

cho phép các sinh vật khác thâm nhập sâu hơn vào các bộ phận của cơ thể.

Các nhóm vi sinh vật độc hại (gây bệnh)

Phân loại theo tính chất, cấu tạo sinh học

- 2 nhóm vi sinh vật gây hại chính

+ Vi khuẩn – vi trùng + Virus – siêu vi khuẩn – siêu vi trùng Ngoài ra còn có 2 nhóm khác:

+ Nấm + Ricketsia

• Nấm: là loại vi sinh vật đơn bào hoặc đa bào, có

nguồn gốc thực vật, sống ký sinh trên các sinh vật khác, nấm có thể trực tiếp gây bệnh hoặc tiết ra

chất gây bệnh Nấm có dạng hình sợi, bề dày từ 5µm.

1-• Ricketsia: là loại sinh vật trung gian giữa vi khuẩn

và virus Nó có nhiều dạng: hình cầu, hình thoi,

hình que ngắn Kích thước dài 0,5µm rộng 0,2µm

Vi khuẩn - Vi trùng

Vi khuẩn (tiếng Anh và tiếng Latinh là bacterium, số nhiều

bacteria) đôi khi còn được gọi là vi trùng, nó thuộc loại ký sinh

trùng Vi khuẩn là một nhóm sinh vật đơn bào, có kích thước nhỏ (kích thước hiển vi) và thường có cấu trúc tế bào đơn giản

không có nhân, bộ khung tế bào (cytoskeleton) và các bào quan

như ty thể và lục lạp Cấu trúc tế bào của vi khuẩn thuộc sinh vật nhân sơ, khác với các sinh vật có cấu trúc tế bào phức tạp hơn gọi là sinh vật nhân chuẩn.

Vi khuẩn là nhóm hiện diện đông đảo nhất trong sinh giới

Chúng hiện diện khắp nơi trong đất, nước và ở dạng cộng sinh với các sinh vật khác

Nhiều tác nhân gây bệnh (pathogen) là vi khuẩn Hầu hết vi

khuẩn có kích thước nhỏ, thường chỉ khoảng 0,5 – 5,0µm,

mặc dù có loài có đường kính đến 0,3mm (Thiomargarita)

Chúng thường có vách tế bào, như ở tế bào thực vật và nấm, nhưng với thành phần cấu tạo rất khác biệt Nhiều vi khuẩn

di chuyển bằng tiên mao (flagellum) có cấu trúc khác với tiên

mao của các nhóm khác.

Vi khuẩn có loại gây bệnh cho người có loại không, có loại

bình thường thì không gây bệnh nhưng lúc cơ thể bị suy giảm sức đề kháng thì gây bệnh Cũng có loại có ích cho cơ thể, ví

dụ các vi khuẩn thường trú trong ruột.

Dựa trên hình thể có thể chia vi khuẩn làm 4 loại:

- Cầu khuẩn: Tụ cầu, Liên cầu

- Trực khuẩn: vi trùng lao, phong

- Phẩy khuẩn: vi trùng tả

- Xoắn khuẩn: vi trùng giang mai

Tuy nhiên khi môi trường sống thay đổi thì hình dạng của vi khuẩn có thể thay đổi.

- Có loại di động (trực khuẩn có lông, xoắn khuẩn), loại không

di động Vi khuẩn loại di động lây lan mạnh hơn.

- VK sinh sản bằng 2 cách

+ Trực phân: sinh sản vô tính bằng cách phân đôi

+ Bào tử hóa: khi điều kiện sống không thuận lợi, nhân và một phần chất nguyên sinh bọc lấy nhân để biến thành một dạng

đặc biệt gọi là bào tử có khả năng tồn tại trong điều kiện môi trường khắc nghiệt Khi vi khuẩn bị ly giải thì bào tử trở thành

tự do, và nếu gặp hoàn cánh thuận lợi thì bào tử lại biến thành con vi khuẩn như trước Ví dụ: Vi khuẩn uốn ván có thể biến thành dạng bào tử và tồn tại trong đất sâu trong thời gian nhiều năm và khi có điều kiện lọt vào cơ thể người thì lại phát triển lại

Về mặt dinh dưỡng có 2 loại:

+ VK tự dưỡng: vi khuẩn sử dụng các chất vô cơ trong tự

nhiên để tổng hợp các chất hữu cơ cần thiết

+ VK dị dưỡng: sử dụng các chất hữu cơ có sẵn.

Nhiều vi khuẩn cần những yếu tố phát triển là những chất cần

thiết cho hoạt động sống của vi khuẩn nhưng vi khuẩn không

tự tổng hợp được.

- Về mặt hô hấp có 2 loại vi khuẩn:

+ Hiếu khí: cần có ôxy tự do

+ Yếm khí: tự phân tích lấy ôxy từ các hợp chất.

Nhiều loại vi khuẩn yếm khí nguy hiểm phát triển mạnh

trong các vết thương sâu, băng chặt có thể làm hoại tử thậm chí dẫn đến tử vong.

+ 0-4 o C ức chế sự phát triển của vi khuẩn

+ 18-40 o C vi khuẩn hoạt động được (37 o C tốt nhất)

+ > 40 o C bắt đầu bị tiêu diệt, tùy loại mà nhiệt độ tiêu diệt có khác nhau.

1.3.2 Yếu tố hóa học

Có một số loại hóa chất tác động đến vi khuẩn: hoặc kích thích

sự phát triển hoặc ngược lại ức chế, tiêu diệt vi khuẩn Ví dụ: các chất sát khuẩn như cồn 70 o , nước Javel

1.3.3 Yếu tố sinh học

- Kháng sinh có thể tiêu diệt hoặc ức chế sự phát triển của vi khuẩn

- Hệ thống miễn dịch của cơ thể cũng là một yếu tố bảo vệ

quan trọng chống lại sự tấn công của vi khuẩn Có miễn dịch không đặc hiệu và miễn dịch đặc hiệu.

- Virus, còn gọi là siêu vi khuẩn hay siêu vi trùng, là một vật thể nhỏ xâm nhiễm vào cơ thể sống, thuộc loại ký sinh Virus là

những tác nhân gây nhiễm trùng có kích thước nhỏ nhất

(đường kính 20-300 nm) Virus có tính kí sinh nội bào bắt buộc; chúng chỉ có thể sinh sản bằng cách xâm chiếm tế bào khác vì chúng thiếu bộ máy ở mức tế bào để tự sinh sản Thuật ngữ

virus thường chỉ các vật thể xâm nhiễm sinh vật nhân chuẩn

(sinh vật đa bào hay đơn bào), trong khi thuật ngữ Thực khuẩn

thể (bacteriophage hay phage) được dùng để chỉ các vật thể xâm

nhiễm sinh vật nhân sơ (vi khuẩn hoặc vi khuẩn cổ).

- Virus điển hình mang một lượng nhỏ của một loại axit nucleic (DNA hoặc RNA) bao quanh bởi lớp áo bảo vệ (vỏ capsid) cấu tạo bằng protein, glicoprotein Toàn bộ phân tử virus được gọi

là virion

- Điều quan trọng là bộ gen của virus không chỉ mã hoá cho các protein cần để bao bọc vật liệu di truyền của nó mà còn mã hoá cho các protein cần cho virus sinh sản trong chu kì xâm nhiễm của nó.

• Virus không có khả năng phát triển và tự nhân lên nếu

không có tế bào sống.

• - Về mặt cấu tạo gồm 2 phần:

• + Vỏ: được cấu tạo bằng những tiểu đơn vị protein Một số siêu virus ngoài vỏ có thêm màng bọc ngoài.

• + Nhân: chất liệu di truyền là một chuỗi kép ADN hoặc

một chuỗi đơn ARN.

- Ánh sáng: tia cực tím có thể giết được một số loại virus.

- Nhiệt độ: tùy loại virus.

2.3.2 Nhân tố hóa học

Các chất sát trùng có thể tiêu diệt được virus.

2.3.3 Nhân tố sinh vật

- Interferon: bản chất là 1 protein được tạo nên bởi tế bào khi

tế bào này bị nhiễm virus lnterferon có khả năng ngăn chặn

sự phát triển của virus, được dùng để điều trị và phòng bệnh

do virus.

- Hệ thống miễn dịch

Chú ý: kháng sinh không tiêu diệt hoặc ức chế được virus.

Ký sinh vật

Ký sinh vật là những sinh vật phải sống nhờ ký sinh vào những sinh vật khác (ký chủ).

Có nhiều loại ký sinh trùng khác nhau:

- Ký sinh vật thuộc giới động vật:

+ Đơn bào (Protozoa): ngành giả túc, trùng roi,

trùng lông, bào tử trùng.

+ Đa bào (Metozoa): ngành giun sán, chân đốt.

- Ký sinh vật thuộc giới thực vật (vi nấm).

- Có 2 hình thức ký sinh:

+ Ký sinh vĩnh viễn: trong quá trình sống, ký sinh vât phải luôn luôn sống trên ký chủ.

+ Ký sinh tạm thời: chỉ bám vào ký chủ khi cần thức ăn.

- Về phương diện số lượng ký chủ phân biệt:

+ KSV đơn ký: chỉ sống bám một loại ký chủ duy nhất

+ KSV đa ký: sống bám trên nhiều lọai ký chủ

Các yếu tố tác động đến ký sinh vật cũng bao gồm yếu tố vật

lý (tia xạ, nhiệt độ ), hóa chất và sinh học (hệ miễn dịch ).

Phân loại các vi sinh vật gây bệnh theo nhóm nguy cơ

Việc phân loại các vi sinh vật gây bệnh theo nhóm nguy cơ

dựa vào các yếu tố sau:

• Khả năng gây bệnh của vi sinh vật.

• Phương thức lan truyền bệnh và yếu tố vật chủ Những yếu

tố này có thể bị ảnh hưởng bởi tính miễn dịch hiện có của

cộng đồng trong vùng, mật độ và sự di chuyển của các quần thể vật chủ, sự hiện diện của các trung gian truyền bệnh thích hợp và tiêu chuẩn của vệ sinh môi trường.

• Các biện pháp phòng ngừa hiệu quả như tiêm vắc xin

(miễn dịch chủ động) hoặc sử dụng huyết thanh (miễn dịch thụ động), các biện pháp vệ sinh như vệ sinh nước uống và thức ăn, kiểm soát nguồn động vật hoặc côn trùng.

• Các biện pháp điều trị hiệu quả như miễn dịch thụ động, miễn dịch chủ động sau khi phơi nhiễm và sử dụng thuốc kháng sinh, kháng virus hay hóa trị liệu, cần quan tâm đến khả năng xuất hiện các chủng vi sinh vật kháng thuốc.

Dựa theo các đặc điểm trên, các loại vi sinh vật gây bệnh được chia thành 4 nhóm nguy cơ:

Nhóm nguy cơ 1 (không có hoặc nguy cơ lây nhiễm cá thể và 

cộng đồng thấp):

Các vi sinh vật thường không có khả năng gây bệnh cho

người hoặc động vật

Ví dụ: Bacillus subtilis, Naegleria gruberi

Nhóm nguy cơ 2 (có nguy cơ lây nhiễm cho cá thể nhưng ít có 

nguy cơ lây nhiễm cho cộng đồng): 

Tác nhân gây bệnh có khả năng gây bệnh cho người hoặc

động vật, nhưng không trở thành mối nguy hiểm lớn đối với cán bộ xét nghiệm (CBXN), cộng đồng, vật nuôi hay môi

trường

Có phương pháp dự phòng và điều trị hiệu quả

Khả năng lây truyền trong cộng đồng thấp Ví dụ: Vi rút

Viêm gan B, vi khuẩn tả, vi rút cúm A/H1N1

Nhóm nguy cơ 3 (nguy cơ lây nhiễm cho cá thể cao, nguy cơ 

lây nhiễm cho cộng đồng thấp):

Tác nhân gây bệnh thường gây bệnh nặng cho người và động vật, tuy nhiên trong điều kiện bình thường thì không lây

nhiễm từ cá thể này sang cá thể khác

Có biện pháp điều trị và phòng chống hiệu quả

Ví dụ: Vi khuẩn than, vi rút cúm A/H5N1, vi rút SARS

Nhóm nguy cơ 4 (nguy cơ lây nhiễm cho cá thể và cộng đồng 

cao):

Tác nhân gây bệnh thường gây bệnh nặng cho người và động vật, đồng thời dễ lây truyền từ cá thể này sang cá thể khác một cách trực tiếp hoặc gián tiếp

Chưa có các biện pháp điều trị và phòng chống hiệu quả

Ví dụ: Vi rút Ebola, vi rút Marburg, vi rút Congo-Crimean hemorrhagic