2. Mục tiêu nghiên cứu
1.3. Tổng quan về nhóm vi sinh vật Probitics
Probiotics là những vi sinh vật như vi khuẩn hay nấm men. Chúng thường được ứng dụng trong sản xuất chế phẩm sinh học xử lý môi trường ô nhiễm. Trên thực tế có rất nhiều loại probiotics khác nhau, phổ biến là các nhóm:
- Khuẩn Lactic acid (Lactobacillus): Lactobacillus reuteri; Lactobacillus acidophilus; Lactobacillus bulgaricus; Lactobacillus casei; Lactobacillus plantarum; Lactobacillus rhamnosus; Lactobacillus GG.
- Khuẩn Bacillus:Bacillus clausii.; Bacillus polyfermenticus.; Bacillus subtilis.; Bacillus coagulans
- Nấm men(Saccharomyces)
Trong sản xuất chế phẩm sinh học xử lý nước thải ô nhiễm người ta thường sử dụng chủng vi khuẩnBacillus (điển hình làBacillus subitilus), nhóm vi khuẩn Lactic và nấm men.
11
1.3.1. Bacillus subtilis
a. Đặc điểmhình thái
Bacillus subtilis là trực khuẩn nhỏ, dạng hình que, hai đầu tròn, bắt màu tím Gram (+), kích thước 0,5 - 0,8µm x 1,5 - 3µm, đơn lẻ hoặc thành chuỗi ngắn.
- Vi khuẩn có khả năng di động, có 8 - 12 lông, sinh bào tử hình bầu dục nhỏ hơn nằm giữa hoặc lệch tâm tế bào, kích thước từ 0,8 - 1,8µm.
Hình 1.1 Tế bào vi khuẩn Bacillus subtilis quan sát dưới kính hiển vi - Bào tử phát triển bằng cách nảy mầm do sự nứt của bào tử, không kháng acid, có khả năng chịu nhiệt (ở 100oC trong 180 phút), chịu ẩm, tia tử ngoại, tia phóng xạ, áp suất, chất sát trùng. Bào tử có thể sống vài năm đến vài chục năm.
b. Đặc điểm sinh hóa học và phân bố trong tự nhiên
Vi khuẩnBacillus subtilis thuộc nhóm vi sinh vật hiếu khí hay kỵ khí tùy nghi.
Chúng phân bố hầu hết trong môi trường tự nhiên, phần lớn cư trú trong đất và rơm rạ, cỏ khô nên được gọi là “trực khuẩn cỏ khô”. Thông thường đất trồng trọt có khoảng 106 - 107 triệu CFU/g. Đất nghèo dinh dưỡng ở vùng sa mạc, đất hoang thì sự hiện diện của chúng rất hiếm.
Bacillus subtilis có khả năng phát triển trong môi trường có pH dao động từ
4 - 9, tối ưu với pH = 7 và sinh trưởng tốt nhất ở 37oC. Khả năng sinh trưởng trong môi trường kiềm hoặc acid của vi khuẩn Bacillus subtilis là do chúng có thể acid hóa hoặc kiềm hóa tế bào chất so với môi trường bên ngoài để duy trì độ pH tế bào chất tương thích với tính toàn vẹn cấu trúc và chức năng tối ưu của các protein tế bào chất hỗ trợ sự tăng trưởng. [22]
12
Hơn nữa, dòng vi khuẩn này có khả năng tạo bào tử, các bào tử này như một phương tiện để tồn tại những điều kiện môi trường khắc nghiệt cho phép chúng sinh trưởng và tồn tại lâu dài. [20]
Vi khuẩnBacillus subtilis có khả năng sản xuất kháng sinh bacitracin có khả năng chống lại nhiều loài vi khuẩn Gram dương và Gram âm. Trong đó có cả một số vi khuẩn gây bệnh như vi khuẩn Vibrio harveyi. Các chất sinh học này được tạo ra ngay cả khiBacillus subtilis còn sống hay đã chết.
Bacillus subtilis cần các nguyên tố C, H, O, N và một số nguyên tố vi lượng để phát triển; quan trọng nhất là carbon và nitơ; có khả năng dùng các hợp chất vô cơ làm nguồn carbon.
Bacillus subtilis ở thể hoạt động có thể tổng hợp các chất có hoạt tính sinh học: vitamin, axit amin, kháng sinh, enzym protease, α-amylase và một số enzym có lợi khác.
Trong điều kiện tự nhiên, môi trường kỵ khí làm oxi hóa các chất hữu cơ dẫn đến quá trình phân hủy chậm và không hoàn toàn. Lúc này tích lũy nhiều acid hữu cơ, rượu và H2S. Tuy nhiên với khả năng thích nghi và sinh trưởng tốt trong môi trường kỵ khí Bacillus vẫn tiết ra các enzyme đặc hiệu cạnh tranh nguồn dinh dưỡng với các vi sinh vật kỵ khí từ đó làm giảm lượng khí H2S và các độc tố tích tụ.
[19]
1.3.2. Vi khuẩn Lactic
a. Lactobacillus acidophilus
❖ Đặc điểm
Lactobacillus acidophilus thuộc họ vi khuẩn Lactic. Chúng có dạng trực khuẩn dài và chịu nhiệt. Tế bào hình que, đầu tròn, kích thước 0,6 – 0,9 × 1,5 – 6
µm đứng riêng rẽ, xếp thành đôi hay thành chuỗi ngắn, không di động, không sinh bào tử, tế bào non bắt màu Gram dương, tế bào già trở thành Gram âm. Vi hiếu khí, nhiệt độ thích hợp là 37◦C, không phát triển ở 20 – 22◦C và 43 – 48◦C.
Lên men Lactic đồng hình, tích tụ 2,2% acid lactic trong môi trường, không phát triển trong môi trường hydratcarbon, môi trường khoai tây, phát triển tốt trên môi trường dịch thể cao nấm men.
13
Lactobacillus acidophilus là một dạng probiotic được sử dụng thường xuyên nhất. Là vi khuẩn có lợi cư trú trong ruột, âm đạo, trong phân người và động vật. Chúng có khả năng sinh Bacteriocin là chất có hoạt tính ức chế các vi khuẩn gây bệnh đường ruột.
Lactobacillus acidophilus có khả năng lên men các loại đường: glucose, fructose, galactose, mannose, maltose, lactose và không lên men xylose, arabinose, ramnose, glycerol, mannitol, sorbitol, inositol. Cho các phản ứng: methyl red (+), indol (-), VP (-), citrate (-), catalase (-), khả năng đông vón sữa (+).
❖ Quá trình trao đổi chất
Hiện nay các thành viên của phức hợpLactobacillus acidophilus được phân
vào nhóm lên men đồng hình bắt buộc. Hexose được lên men để tạo thành acid lactic theo con đường EMP. Chúng có enzyme aldolase nhưng thiếu phosphoketolase, không lên men gluconat và pentose. Tất cả các loại đều tạo đồng phân dạng D và L của acid lactic. [17]
Hình 1.2 Tế bào vi khuẩnLactobacillus acidophilus quan sát dưới kính hiển vi
b. Lactobacillus bulgaricus
❖ Nguồn gốc
Lactobacillus bulgaricus là một loài vi khuẩn thuộc nhóm được gọi là trực khuẩn lactic, có hoạt tính sinh học. Nó có những đặc điểm rất đặc biệt, vì nó thiết lập mối liên hệ cộng sinh với nấm men và hình thành các tập đoàn có thể thay đổi về ngoại hình.
Lactobacillus bulgaricus là một trong những vi khuẩn đầu tiên được biết đến với hoạt động của chế phẩm sinh học, được sử dụng để lên men sữa cừu và thu được sữa chua, phô mai, trong số các sản phẩm khác.
14
❖ Đặc điểm
Lactobacillus bulgaricus là trực khuẩn gram dương được đặc trưng bởi dài và đôi khi chúng tạo thành sợi. Chúng có dạng cấu trúc phức tạp, bởi vì chúng có thể có các hình dạng theo 3 cách khác nhau: cán mỏng, cuộn và chập. Sinh ra acid lactic, tạo ra nhiều chất chống vi khuẩn khác nhau như acid hữu cơ, diacetyl, hydrogen peroxide và các bacteriocin nên ngăn cản được sự hiện diện và phát triển của các vi khuẩn gây bệnh.
Lactobacillus bulgaricus không hình thành bào tử và không di động. Chúng cũng không gây bệnh và được coi là aciduric hoặc acidophilic (những vi sinh vật ưa axit), vì chúng đòi hỏi độ pH thấp (4 – 5,4) để có thể sinh trưởng và phát triển.
Lactobacillus bulgaricus ưa nhiệt, phát triển tốt ở 30 – 45oC, lên men đường glucose, lactose, sinh tổng hợp protein. [10]
Hình 1.3 Tếbào vi khuẩn Lactobacillus bulgaricus quan sát dưới kính hiển vi 1.3.3. Saccharomyces
a. Đặc điểm hình thái
Về đặc điểm hình thái, tế bào nấm men Saccharomyces có dạng hình cầu hay hình trứng. Kích thước tế bào của nấm men thay đổi tùy thuộc theo giống loài, tuổi và điều kiện nuôi cấy. Chiều rộng trung bình của nấm men từ 2,5 – 10 mm và chiều dài khoảng 4,5 đến 21 mm, tối đa có chủng loài đạt chiều dài đến 30 mm. Cấu tạo của nấm men bao gồm: vỏ tế bào, màng nguyên sinh chất, nguyên sinh chất, ty thể lạp, nhân tế bào, không bào, bộ máy golgi, hạt volutin, ribosome, hạt chất béo và bầu mô.
15
b. Đặc tính sinh học
- Saccharomyces là một vi sinh vật nhân chuẩn đơn bào, có màu vàng