Bài giảng Sinh thái vi sinh vật: Chương 3 - TS. Nguyễn Xuân Cảnh

Bài giảng Sinh thái vi sinh vật: Chương 3 Tương tác giữa các vi sinh vật, cung cấp cho người học những kiến thức như: Phân loại các mối quan hệ chính ở vi sinh vật; Quan hệ cộng sinh; Cộng sinh giữa nấm và vi khuẩn; Tương tác giữa các sinh vật nhân sơ; Các tương tác giới tính. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương 3 Tương tác giữa các vi sinh vật

• Phân loại các mối quan hệ chính ở vi sinh vật

• Quan hệ cộng sinh

• Cộng sinh giữa nấm và vi khuẩn

• Tương tác giữa các sinh vật nhân sơ

• Các tương tác giới tính

Giới thiệu chung

- Cùng với sự phát triển của các quần thể vi sinh vật thì nhu cầu về dinh

dưỡng và không gian sống của vi sinh vật cũng ngày càng tăng lên Điều này

khiến cho các vi sinh vật biến đổi không ngừng để có thể tồn tại được trong

môi trường sống

- Vi sinh vật không chỉ phản ứng với môi trường hóa học mà chúng còn tương

tác với các vi sinh vật khác trong môi trường trực tiếp của chúng Bản chất

và mức độ tương tác giữa các vi sinh vật phụ thuộc vào loại vi sinh vật, cũng

như sự lớn mạnh của quần thể vi sinh vật

Các mối quan hệ giữa vi sinh vật và vật chủ

Mối quan hệ Đặc điểm Loài A Loài B

Một sinh vật có lợi và sinh vật còn lại không

bị ảnh hưởng hay tổn hại gì

Quan hệ trung lập (Neutralism)

Mối quan hệ độc lập xảy ra khi các vi sinh vật không bị ảnh hưởng bởi các vi sinh

vật khác mặc dù chúng tồn tại và phát triển rất gần nhau

Quan hệ hội sinh (Commensalism)

- Quan hệ hội sinh giữa hai vi sinh vật là quan hệ mà ở đó một sinh vật sẽ có

lợi, còn sinh vật còn lại (vật chủ) sẽ không bị ảnh hưởng gì

- Khi vi sinh vật sống hội sinh bị tách ra khỏi vật chủ thì chúng vẫn có thể phát

triển trong các điều kiện vật lý và hóa học thuận lợi

- Một số trường hợp về quan hệ hội sinh xảy ra giữa các vi sinh vật:

(1) Một loài vi sinh vật không thể sử dụng cơ chất nào đó nhưng lại có khả

năng biến đổi cơ chất này thành thành một hợp chất khác dễ dàng cho loài

vi sinh vật thứ hai sử dụng,

(2) Một vi sinh vật cung cấp các vitamin, axit amin và các yếu tố tăng trưởng

khác cho vi sinh vật còn lại,

(3) Một vi sinh vật làm thay đổi môi trường hóa lý để tạo điều kiện thuận lợi

cho vi sinh vật còn lại phát triển

Quan hệ cạnh tranh (Competition)

- Khi hai hay nhiều loài vi sinh vật sử dụng cùng chất dinh dưỡng hoặc nơi để

sống thì một số quần thể sẽ bị tổn hại Sự cạnh tranh giữa các loài vi sinh vật có

thể là do sự sẵn có của nguồn nitơ, cacbon, chất cho và nhận điện tử, vitamin, ánh

sáng và nước

- Sự cạnh tranh giữa các vi sinh vật có thể dẫn đến việc loại trừ các loài vi sinh vật

khác hoặc dẫn đến việc thành lập một trạng thái ổn định mà ở đó có nhiều loài vi

sinh vật cùng tồn tại

- Mối quan hệ cạnh tranh có thể thấy dễ dàng trong môi trường thủy sinh, ở đó

hoạt động quang hợp diễn ra mạnh mẽ khiến cho hiện tưởng nở hoa của các loài

tảo cát và vi khuẩn lam xuất hiện

- Các ví dụ khác về việc loại trừ vi khuẩn thông qua sự cạnh tranh trong quá trình

lên men lactic các sản phẩm thực phẩm (dưa cải bắp, dưa chua) và trong chất thải

mỏ axit (nơi môi trường có tính axit cao)

Quan hệ ký sinh (Parasitism)

- Mối quan hệ ký sinh xảy ra khi một loài sinh vật sử dụng chất dinh dưỡng

từ một loài sinh vật khác để tăng trưởng

- Ký sinh ở động vật có hai loại: (1) vòng đời trực tiếp không đòi hỏi vật chủ

trung gian và (2) vòng đời gián tiếp đòi hỏi vật chủ trung gian

- Đối với vi sinh vật thì ví dụ phổ biến nhất về ký sinh bắt buộc chính là

virus tấn công các tế bào cụ thể bởi hoạt động độc lập của các vật chủ trung

gian

Treponema pallidum

Rickettsia rickettsii

Quan hệ bắt mồi (Predation)

- Vi khuẩn ăn thịt có sự đa dạng trong cách phân loại và dường như đã tiến hóa

mạnh trên trái đất, có thể nhằm hoàn thiện chu trình của các hợp chất cacbon hoặc

nitơ hữu cơ

- Những sinh vật prokaryote đặc biệt này có mặt khắp nơi trong tự nhiên, trong đất,

môi trường thủy sinh,và nước thải Các loại vi sinh vật này có thể là những sinh vật

ăn thịt bắt buộc, tức là chúng không thể phát triển mà thiếu các con mồi hoặc chúng

cũng có thể phát triển độc lập với các con mồi

Các thành viên thuộc nhóm vi khuẩn

bắt mồi được gọi là BALO

(Bdellovibrio and like organisms) là vi

khuẩngram âm, có khả năng di động

nhờ tiên mao cực Vi khuẩn này có ba

kiểu săn mồi:

(1) Epibiotic, tăng trưởng trên bề mặt

của con mồi;

(2) Periplasmic, tăng trưởng ở giữa

màng trong và ngoài của vi khuẩn

gram âm;

(3) Cytoplasmic, phát triển bên trong

tế bào chất của con mồi

Vi khuẩn Dạng săn mồi Hình thức

Alpha-proteobacteria

Ensifer adhaerens

Micavibrio

Wolfpack Epibiotic

Không bắt buộc Bắt buộc

Beta-proteobacteria

Aristabacter necator

Cuprividus necator

Không cụ thể Không cụ thể

Không bắt buộc Không bắt buộc

Bắt buộc Bắt buộc Không bắt buộc Bắt buộc

Deltaproteobacteria

Lysobacter

Wolfpack

Không bắt buộc

Hoạt động bắt mồi của một số vi khuẩn

Quan hệ đối kháng (Amensalism/ antagonism)

- Sự cạnh tranh giữa các loài do các hoạt động hoặc tạo ra sản phẩm bất lợi thường

được gọi là đối kháng

- Hoạt động đối kháng thường tập trung vào việc loại trừ các sinh vật vì nguồn dinh

dưỡng hạn chế chứ không phải vì không gian sống Đa số sự đối kháng xảy ra giữa

các vi sinh vật có mối quan hệ gần gũi với nhau

- Các sản phẩm có hoạt tính bao gồm:

Actinomycetes

Other bacteria

Fungi

Quan hệ tương hỗ (Synergism/ syntrophism)

- Quan hệ tương hỗ là mối quan hệ giữa các loài sinh vật mà trong đó

chúng tạo điều kiện thuận lợi cho nhau để cùng phát triển

- Ở vi sinh vật, mối quan hệ giữa hai loài được gọi là tương hỗ

(syntrophism) khi hai loài đó đòi hỏi cùng một nguồn chất cho điện tử để

sinh trưởng

- Sự tương hỗ cho phép một sinh vật có thể loại bỏ sản phẩm cuối cùng

của quá trình trao đổi chất ở sinh vật còn lại và do đó cho phép cả hai sinh

vật phát triển với điều kiện tối ưu nhất

- Dạng thứ tương hỗ thứ hai có thể quan sát là việc đồng nuôi cấy hai loài

vi sinh vật và chúng có khả năng đồng hóa chất cho điện tử, trong khi đó

nếu nuoi cấy riêng từng loài thì chúng không có khả năng này

- Trong dạ dày trâu bò, Clostridium cellobioparum thủy phân cellulose thành các

polymer có trọng lượng phân tử thấp và sau đó được lên men biến đổi thành axit

acetic, axit lactic, CO2 và H2 Tuy nhiên, sau đó vi khuẩn này bị ức chế bởi sự

tích lũy H2 và lúc đó sự phát triển của chúng phụ thuộc vào vi khuẩn có khả năng

tạo ra khí metan để loại bỏ H2 Sự tác động của vi sinh vật thứ hai nhằm loại bỏ

sản phẩm cuối cùng của vi sinh vật đầu tiên nhưng lại gây ra sự ức chế đối với

chúng là một ví dụ điển hình về mối quan hệ tương hỗ

- Trong môi trường nuôi cấy thuần khiết, Syntrophus aciditrophicus có thể phát

triển dựa trên năng lượng sinh ra từ quá trình lên men của axit crotonic

Methanospirillum hungatei sử dụng axit formic và khí hydro để tạo ra khí metan

Khi thực hiện đồng nuôi cấy, cả hai loại vi sinh vật này có thể phát triển trong

môi trường có chứa axit bezoic, butyric, hexanoic và heptanoic, trong khi đó thì

cả hai sinh vật này không thể sinh trưởng riêng rẽ trong môi trường thuần khiết

có chứa axit hữu cơ

Quan hệ cộng sinh (Symbiotic)

Tảo cát (Diatoms)

- Tảo cát là loại tảo đơn bào có thành tế bào cấu trúc từ silica, chúng được tìm

thấy cả trong môi trường nước ngọt và nước biển Một số loài vi khuẩn lam có

mối quan hệ nội bào và ngoại bào với tảo cát và được gọi là các cyanobionts

- Khả năng cố định nitơ của các cyanobiont có vai trò quan trọng trong việc

cung cấp ammonia cho tảo cát để phát triển

- Mặc dù các cyanobiont cũng có khả năng cố định cacbon dioxit, nhưng tảo cát

vẫn thực hiện quá trình cố định cacbon dioxit rồi cung cấp đường cho các

symbiont

- Trong các trường hợp các cyanobiont là nội bào thì có từ hai đến năm tế bào

vi khuẩn lam xuất hiện trong tế bào chất của tế bào chủ

Địa y (Lichen)

Địa y được hình thành nhờ việc nội cộng sinh giữa các loài vi sinh vật mà cụ thể

là giữa nấm sợi có vách ngăn và vi khuẩn lam

Crustose Foliose Frutiose

- Sinh sản hữu tính: Vì hầu hết nấm thuộc

địa y đều là nấm túi, bào tử túi được giải

Hatena

- Hatena (tiếng Nhật có nghĩa là không phổ biến) là một sinh vật eukaryote đơn

bào được tìm thấy ở đại dương và ở trong môi trường đó chúng liên kết với tế bào

tảo xanh

- Vật chủ, Hatena arenicola là một sinh vật dị dưỡng có khả năng di động nhờ hai

tiên mao sử dụng tảo làm nguồn thức ăn thông qua một ống thức ăn phức tạp

- Khi Nephroselmis là loài tảo được sử dụng làm thức ăn cho Hatena arenicola thì

nó trở thành lục lạp nội cộng sinh (endosymbiont) thay thế cho bộ phận cung cấp

dinh dưỡng của Hatena arenicola

- Endosymbiont có vai trò cảm nhận ánh sáng giúp cho vật chủ hướng tới cường độ

ánh sáng tối ưu nhất Thiếu endosymbiont, Hatena arenicola không thể phân chia

tế bào, nhưng khi có endosymbiont thì tế bào được nhân lên nhanh chóng Sau

phân chia, hai tế bào con của Hatena nhận được có những đặc điểm khác nhau, một

tế bào có chứa lục lạp và có màu lục trong khi tế bào kia không màu do không chứa

lục lạp

- Vòng đời của Hatena không ổn định vì chúng luôn thay đổi trạng thái từ dị dưỡng

sang tự dưỡng và ngược lại

Cộng sinh giữa vi khuẩn và động vật nguyên sinh

- Một số tảo giáp (dinoflagellate) không sinh sắc tố có chứa vi khuẩn lam ở trong

các túi bên ngoài tế bào chủ Các vi khuẩn lam này dễ dàng được xác định bởi sự

khác biệt của chúng trong sự sắp xếp thylakoid, carboxysome và dạng tế bào

- Sinh vật chủ có thể chuyển vi khuẩn lam vào các khu vực có nồng độ oxy thấp và

sự cố định nitơ ở mức phù hợp Dinoflagellate có lợi khi sử dụng nitơ được tạo ra

từ vi khuẩn lam

- Tảo Cyanophora paradoxa chứa một loại tế bào giống vi khuẩn lam hoạt động

như một sinh vật cộng sinh nội bào, và trùng Paramecium bursaria có tế bào chất

chứa tảo xanh Chlorella

Paramecium bursaria

Quan hệ cộng sinh giữa nấm và vi khuẩn

Bệnh lem lép hạt lúa (Rice seeding blight) là do nấm Rhizopus microsporus với vi

khuẩn nội cộng sinh Burknolderia gây ra Vi khuẩn này tiết ra độc tố rhizoxin hại

lúa đồng thời sự có mặt của vi khuẩn này giúp cho nấm tạo ra bào tử Bào tử nấm

mang vi khuẩn dẫn tới liên kết giữa vi khuẩn và nấm được tồn tại và duy trì trong

thời gian dài

Sự tương tác giữa các sinh vật nhân sơ

Cộng sinh hai loài

Chlorochromatium aggregatum là tên gọi đầu tiên khi nghiên cứu hiện tượng vi

khuẩn ngưng kết trong môi trường nước kị khí Sau này đã xác định được có hai

loài vi khuẩn cùng sống trong mối quan hệ cộng sinh trong đó một loài vi khuẩn

khử sulphate chuyển hóa sulphate thành sulphide còn loài kia là vi khuẩn tự dưỡng

quang Chlorobium chlorochromatii năng sử dụng sulphide như chất cho điện tử

Năm 2002, Karrl Stetter đã phát hiện ra một mối quan hệ cộng sinh đặc biệt giữa

hai loài vi khuẩn cổ ưa nhiệt là Nanoarchaeum equitans và lgnicoccus sp

Nanoarchaeum equitans có kích thước rất nhỏ bé chỉ khoảng 400 nm và chỉ sống

khi đồng nuôi cấy với lgnicoccus sp Phân tích hệ gen cho thấy kích thước hệ gen

của Nanoarchaeum equitans khoảng 0,49 Mpb và nó thiếu hụt các gen để tổng hợp

hầu hết nucleotides, lipids, cofactors, amino acids Do vậy chúng nhận những

thành phần này từ lgnicoccus sp

Quan hệ bắt mồi

Sự tương tác giới tính