CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
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 nhƣ 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 xƣơng và trong các mô san hô (Rosenberg và cs, 2007b). Theo nhiều nghiên cứu cho thấy, mối quan hệ tƣơng hỗ giữa san hô và các sinh vật sống trên chúng đƣợc hình thành từ rất sớm trong chu trình sống của san hơ, chúng tồn tại và đóng vai trị quan trọng trong suốt q trình sống và phát triển của san hơ (Rosenberg và cs, 2007b). Trong đó, vai trị quan trọng nhất của sinh vật sống trên san hô là cung cấp dinh dƣỡng cho san hô [cung cấp phần lớn nhu cầu nitơ cho san hơ; (Lesser và cs, 2004)] và đóng vai trị 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 tƣơng tác năng động giữa các vi sinh vật cộng sinh trong điều kiện môi trƣờng nhất định, điều này đã đƣợc khái quát trong giả thuyết “Coral probiotic‖ của Reshef và cs (2006). Theo thuyết này, một số bệnh trên san hơ 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 trƣờng (đặc biệt là tăng nhiệt độ, hay thay đổi chất dinh dƣỡng, axit hóa, v.v.). Sự thay đổi và tiếp đến là sự biến mất của các vi khuẩn cộng sinh quan trọng nhƣng nhạy cảm, tạo điều kiện cho sự hình thành một tập đồn vi khuẩn cơ hội mới trong hệ (có thể hoặc khơng thể gây bệnh), dẫn đến mất trạng thái cân bằng động giữa vi sinh vật và san hô với điều kiện môi trƣờng, 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 thơng qua các kết quả phân tích bằng phƣơng pháp DGGE và metagenomics. Điều này cũng đƣợc 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). Tƣơng 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 thƣ viện gen 16S rRNA.
Trong số các bệnh trên san hô xuất hiện những năm gần đây, bệnh tẩy trắng (bleaching disease) đƣợc coi là bệnh phổ biến nhất (Hoegh-Guldberg và cs, 2011). Tuy nhiên, nguyên nhân của bệnh này vẫn đang còn đƣợc 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 trƣờng (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 đƣợc tranh luận từ mƣời năm qua. Đặc biệt, sự xuất hiện của sinh vật nhân sơ đã đƣợc ghi nhận trong giai đoạn đầu của nhiều loại bệnh khác nhau: nhƣ 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.. Nhƣng cho tới nay, khả năng gây ra bệnh tẩy trắng san hô của sinh vật nhân sơ vẫn chƣa đƣợc xác định rõ ràng.
Mặc dù số lƣợng 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), nhƣng vẫn cịn một số vấn đề chƣa đƣợc làm sáng tỏ và chƣa chắc chắn, ví dụ nhƣ tất cả các trƣờng hợp tẩy trắng san hô đều chƣa chứng minh đƣợc 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 trƣờng hợp điều kiện môi trƣờng bị thay đổi hoặc trong trƣờng hợp san hơ có biểu hiện bệnh.
Mặt khác, trong môi trƣờng nƣớc, bên cạnh lƣợng chất dinh dƣỡng, hai yếu tố sinh học chính có vai trị kiểm sốt số lƣợng sinh vật nhân sơ (prokaryote) là sinh vật ăn thịt (chủ yếu là tảo doi dị dƣỡng - 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 dƣỡng chắc chắn không phải là yếu tố quan trọng mang tính quyết định tỷ lệ chết của chúng, vì vi tảo dị dƣỡng và ciliates thƣờng 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 trƣớc kẻ thù của san hơ. Do đó, rõ ràng rằng, q trình sinh tan bởi vi rút đƣợc xem nhƣ tác nhân thuyết phục nhất để giải thích cho cơ chế kiểm sốt số lƣợng vi khuẩn trong holobiont san hô. Trong các hệ sinh thái thủy vực, vi rút đã đƣợc ghi nhận là yếu tố quan trọng nhất trong việc kiểm soát số lƣợng vi khuẩn (Fuhrman, 1999), thậm chí đây đƣợc coi là đối tƣợng chịu trách nhiệm tới 100% tỷ lệ chết của vi khuẩn (Noble và Fuhrman, 2000). Trong đại dƣơng, 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 hƣởng của chúng lên các chức năng của hệ sinh thái thủy vực là rất lớn (Rohwer và Thurber, 2009), nhƣ khả năng tham gia vào chu trình vật chất (Middelboe và cs, 2003), kiểm sốt sự nở hoa của tảo (Baudoux và cs, 2006; Brussaard, 2004), là nguồn dinh dƣỡng 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, nhƣng đã có một luồng ánh sáng mới trong nghiên cứu vi rút khi chúng đƣợc xác định là có thể xâm chiếm lên bề mặt hữu cơ và vô cơ trơ (Weinbauer và cs, 2009) cũng nhƣ bề mặt sống (Abedon, 2011; Rohwer và cs, 2002), là bề mặt của nhiều thủy sinh vật khác khác nhau, nhƣ cá (Beklioglu và cs, 2006), sứa (Ferguson và cs, 2010) và san hơ (Davy và Patten, 2007). Tuy nhiên, vai trị của những loại vi rút sống trên bề mặt của các sinh vật này (epibiotic) vẫn còn chƣa đƣợc biết, đặc biệt có rất ít các nghiên cứu đƣợc thực hiện và quan tâm tới mối quan hệ giữa chúng với vật chủ theo hƣớng hỗ sinh hay có thể gây bệnh. Trong các thực thể sinh học hình thành nên holobiont san hơ, vi rút là đối tƣợng ít đƣợc
nghiên cứu nhất, ý nghĩa sinh thái của chúng trong sức khỏe san hô vẫn chƣa đƣợc xác định rõ ràng (Garren và Azam, 2012c).
Do vậy, với vai trò là một thành phần chính trong holobiont san hơ, vi rút là đối tƣợng có tiềm năng đóng vai trị quan trọng đối với sức khỏe của san hô, đặc biệt là liên quan tới hoạt động của hệ vi khuẩn trên san hơ. Vì vậy, trong hƣớng 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 cơng tác bảo vệ sức khỏe san hô và hƣớng tới phát triển bền vững các hệ sinh thái rạn san hơ.
1.6. Vi khuẩn trong hệ thống phịng vệ của lớp chất nhầy san hô
Trong lớp chất nhầy của động vật đa bào nói chung và san hơ nói riêng, Ig protein (Ig - immunoglobulin) có sự đa dạng và có vai trị quan trọng trong quá trình đáp ứng miễn dịch của các động vật có xƣơng sống, nhƣ 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 tƣ của đuôi thể thực khuẩn DNA nhƣ Caudovirales (Fraser và cs, 2006). Đáng chú ý là, Ig chỉ đƣợc tìm thấy trong các protein cấu trúc của virion và thƣờng đƣợc 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 nhƣ polisacarit có hàng trăm chuỗi glycan thò ra (tiếp xúc với) mơi trƣờng 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 ln ln 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 mơi trƣờng chất nhầy của các
sinh vật, ví dụ nhƣ đƣờng ruột, đƣờng hô hấp của ngƣời, 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 trƣờng chất nhầy của các sinh vật đã đƣợc ghi nhận (McFall-Ngai và cs, 2013). Tuy nhiên, mãi gần đây mới có những nghiên cứu về ảnh hƣởng 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 trị của vi khuẩn, vi rút trong lớp chất nhầy của các sinh vật khác nhau nhƣng vai trò của chúng trong hệ thống phịng vệ, miễn dịch của lớp chất nhầy thì chƣa đƣợc 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 hơ nói riêng đƣợc mơ phỏng trên mơ hình BAM (Bacteriophage Adherence to Mucus) của Barr và cộng sự (2013), hình 1.6.
Theo đó, hình 1.6: (1) chất nhầy đƣợc 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 (nhƣ là Ig). (3) các phage đƣợc 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 hơ. (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 đƣợc giải phóng ra mơi trƣờng nƣớc xung quanh. Ngƣợc lại, đây cũng là một phƣơng thức duy trì ổn định mật độ phage trong dịch nhầy.
1)Các tế bào biểu mô tiết
dịch nhầy 2)Vi rút gắn với chất nhầy qua Ig 3)Vi rút gắn trên dịch nhầy tạo khả năng kháng khuẩn 4)Vi rút nhân lên
thuận lợi hơn khi gắn trên lớp chất nhầy
5)Vi rút, vi khuẩn
cùng chất nhầy ln được giải phóng ra
mơitrường
Hình 1.6. Mơ hình về vai trị 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 đƣợc tiết ra liên tục bởi lớp tế bào biểu mô và cũng đƣợc thải ra ngồi mơi trƣờng liên tục, đồng thời với chúng là vi rút và vi khuẩn cũng đƣợc thải liên tục ra môi trƣờng 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 lƣợng vi khuẩn, vi rút bù lại lƣợng bị mất đi. Có thể, thể thực khuẩn nhiễm vào vi khuẩn ƣu 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 lƣợng lớn thể thực khuẩn, đảm bảo duy trì ổn định số lƣợng của chúng trong môi trƣờng chất nhầy luôn luôn biến động. Đây cũng là phƣơng 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
tự do ngồi mơi trƣờng có khả năng lây nhiễm và giết chết các vi khuẩn có tính nhạy cảm trong dịch nhầy san hơ, mà các vi khuẩn nhạy cảm này lại đóng vai trò cạnh tranh với các vi khuẩn chủ của các thể thực khuẩn đó (Duerkop và cs, 2012; Furuse và cs, 1983; Weinbauer, 2004). Cả hai cơ chế này đều có thể mang lại lợi ích cho sinh vật chủ đa bào của chúng, bằng cách góp phần vào lựa chọn và duy trì số lƣợng vi khuẩn hữu ích trong lớp niêm mạc/chất nhầy – đây cũng là minh chứng cho vai trò của thể thực khuẩn trong mối quan hệ cộng sinh của chúng với các động vật đa bào, cũng nhƣ với san hô.
1.7. Đặc điểm môi trƣờng tự nhiên và san hô vùng nghiên cứu
1.7.1. Đặc điểm môi trường tự nhiên vùng nghiên cứu
Quần đảo Cát Bà và quần đảo Long Châu cách nhau khoảng 25 km, nhƣng điều kiện môi trƣờng nƣớc của chúng là tƣơng đối khác nhau. Ở khu vực quần đảo Cát Bà chịu ảnh hƣởng trực tiếp từ khối nƣớc của các cửa sông đổ ra, và là vùng có nhiều hoạt động nhân sinh diễn ra tấp nập và ngày càng gia tăng, nhƣ các hoạt động du lịch, nuôi trồng hải sản, tàu bè…. Theo thống kê, ở khu vực quần đảo Cát Bà có khoảng 2000 tàu thuyền thƣờng xuyên hoạt động, có khoảng 1500 lồng bè nuôi thủy sản hoặc kết hợp giữa nuôi thủy sản với nhà hàng nổi. Do đó, mơi trƣờng nƣớc trong khu vực này có xu hƣớng ơ nhiễm cao: hàm lƣợng dầu trong nƣớc ở khu vực này (cao nhất đạt 0,59 mg/L), cao hơn nhiều lần so với giới hạn cho phép (0,03 mg/L) của Việt Nam, hay nồng độ chì, kẽm, đồng trong nƣớc (2003-2004) cũng cao hơn 3-4 lần so với năm 1996 trở về trƣớc (Lƣu-Văn-Diệu, 2005). Mặt khác, vịnh Cát Bà có độ sâu tƣơng đối thấp (3-7 mét), độ đục lớn và hàm lƣợng các chất dinh dƣỡng cao (Latypov, 2005) nên hầu hết các rạn san hô trong khu vực đều chịu ảnh hƣởng bởi sự lắng đọng trầm tích, ơ nhiễm và sự xáo trộn trầm tích do dịng chảy và sóng (Lang và cs, 2004; Tran và cs, 2004). Ngƣợc lại, khu vực quần đảo Long
Châu nằm xa đất liền hơn (cách bờ khoảng 25 - 30 km) và cũng ít chịu ảnh hƣởng trực tiếp từ các hoạt động nhân sinh (ví dụ nhƣ sự lắng đọng trầm tích ít hơn, các chất dinh dƣỡng, Chl a đều thấp hơn sơ với khu vực Cát Bà (LaJeunesse và cs, 2010). Hơn nữa, do khu vực quần đảo Long Châu có sự trao đổi nƣớc tốt hơn khu vực quần đảo Cát Bà, nên khả năng ô nhiễm trong môi trƣờng nƣớc ở Long Châu cũng thấp hơn ở Cát Bà.
Nhiều số liệu lịch sử đã cho thấy, đặc điểm môi trƣờng ở hai khu vực quần đảo Cát Bà và quần đảo Long Châu là khác nhau (Suzanne và cs, 2011). Ngoài ra, sự khác biệt này cũng đƣợc ghi nhận trong kết quả nghiên cứu các thơng số hóa lý môi trƣờng nƣớc ở hai khu vực Cát Bà và Long Châu (bảng 1.1) tại thời điểm thu mẫu (5/2012). Do đó, sự khác nhau của điều kiện môi