Hình 1: Kích thước tương đối của các vi sinh vật, vật thể vi mô và phi vi mô khác nhau. Lưu ý rằng một loại virus điển hình có kích thước khoảng 100 nm, nhỏ hơn 10 lần so với một loại vi khuẩn thông thường (~1 µm), nhỏ hơn ít nhất 10 lần so với một tế bào thực vật hoặc động vật điển hình (~10–100 µm). Một vật thể phải có kích thước khoảng 100 µm mới có thể nhìn thấy được mà không cần kính hiển vi.
Kích thước của các loại vi sinh vật
Hầu hết các vi khuẩn là đơn bào và đủ nhỏ để có thể nhìn thấy chúng bằng độ phóng đại nhân tạo. Tuy nhiên, có một số vi khuẩn đơn bào có thể nhìn thấy được bằng mắt thường và một số sinh vật đa bào có kích thước cực nhỏ. Một vật thể phải có kích thước khoảng 100 micromet (µm) mới có thể nhìn thấy được mà không cần kính hiển vi, nhưng hầu hết các vi sinh vật đều nhỏ hơn thế nhiều lần. Đối với một số góc độ, hãy xem xét rằng một tế bào động vật điển hình có chiều ngang khoảng 10 µm nhưng vẫn ở kích thước cực nhỏ. Tế bào vi khuẩn thường có kích thước khoảng 1 µm, còn virus có thể nhỏ hơn vi khuẩn 10 lần (Hình 1).
Xem Hình 2 bên dưới để biết đơn vị đo chiều dài được sử dụng trong vi sinh.
Hình 2: Đơn vị chiều dài đo kích thước các vi sinh vật
Các vi sinh vật khác nhau không chỉ về kích thước mà còn về cấu trúc, môi trường sống, sự trao đổi chất và nhiều đặc điểm khác. Mặc dù chúng ta thường nghĩ vi sinh vật là đơn bào, nhưng cũng có nhiều sinh vật đa bào quá nhỏ để có thể nhìn thấy nếu không có kính hiển vi. Một số vi khuẩn, chẳng hạn như virus, thậm chí còn ở dạng vô bào (không bao gồm tế bào).
Các vi sinh vật được tìm thấy ở mỗi lĩnh vực trong số ba lĩnh vực của sự sống: Archaea, Vi khuẩn và Eukarya. Vi khuẩn trong miền Vi khuẩn và Archaea đều là sinh vật nhân sơ – Prokaryotes (tế bào của chúng không có nhân), trong khi vi khuẩn trong miền Eukarya là sinh vật nhân chuẩn – Eukaryotes (tế bào của chúng có nhân).
Một số vi sinh vật, chẳng hạn như virus, không thuộc bất kỳ lĩnh vực nào trong ba lĩnh vực của sự sống. Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu ngắn gọn về từng nhóm vi khuẩn rộng lớn. Các chương sau sẽ đi sâu hơn về các loài đa dạng trong mỗi nhóm.
Vi sinh vật nhân sơ
Vi khuẩn được tìm thấy ở hầu hết mọi môi trường sống trên trái đất, bao gồm cả bên trong và trên cơ thể con người.
Hầu hết các vi khuẩn đều vô hại hoặc hữu ích, nhưng một số lại là mầm bệnh, gây bệnh ở người và các động vật khác.
Vi khuẩn là sinh vật nhân sơ vì vật liệu di truyền (ADN) của chúng không nằm trong nhân thực sự. Hầu hết các vi khuẩn đều có thành tế bào chứa peptidoglycan.
Vi khuẩn thường được mô tả dưới dạng hình dạng chung của chúng. Các hình dạng phổ biến bao gồm hình cầu (coccus), hình que (trực khuẩn) hoặc hình cong (spirillum, spirochete hoặc Vibrio). Hình 3 ở phía dưới cho thấy các ví dụ về những hình dạng này.
Chúng có khả năng trao đổi chất đa dạng và có thể phát triển trong nhiều môi trường khác nhau, sử dụng các kết hợp dinh dưỡng khác nhau. Một số vi khuẩn có khả năng quang hợp, chẳng hạn như vi khuẩn lam chứa oxy và vi khuẩn lưu huỳnh xanh thiếu oxy và vi khuẩn không chứa lưu huỳnh màu xanh lá cây; những vi khuẩn này sử dụng năng lượng có nguồn gốc từ ánh sáng mặt trời và cố định carbon dioxide để phát triển. Các loại vi khuẩn khác không quang hợp, lấy năng lượng từ các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ trong môi trường của chúng.
Hình 3: Các hình dạng vi khuẩn phổ biến. Lưu ý coccobacillus là sự kết hợp giữa hình cầu (coccus) và hình que (trực khuẩn). Nguồn ảnh: CDC Hoa Kỳ.
Archaea cũng là sinh vật nhân sơ đơn bào. Vi khuẩn cổ và vi khuẩn có lịch sử tiến hóa khác nhau, cũng như những khác biệt đáng kể về di truyền, con đường trao đổi chất và thành phần thành tế bào và màng của chúng.
Không giống như hầu hết các vi khuẩn, thành tế bào vi khuẩn cổ không chứa peptidoglycan, nhưng thành tế bào của chúng thường được cấu tạo từ một chất tương tự gọi là pseudopeptidoglycan.
Giống như vi khuẩn, vi khuẩn cổ được tìm thấy ở hầu hết mọi môi trường sống trên trái đất, ngay cả những môi trường khắc nghiệt như rất lạnh, rất nóng, rất bazơ hoặc rất axit ( Hình 4). Một số vi khuẩn cổ sống trong cơ thể con người, nhưng không có vi khuẩn nào được chứng minh là mầm bệnh ở người.
Hình 4: Một số vi khuẩn cổ sống trong môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như hồ Morning Glory, một suối nước nóng ở Công viên Quốc gia Yellowstone. Sự khác biệt về màu sắc trong hồ bơi là do các cộng đồng vi khuẩn khác nhau có khả năng phát triển mạnh ở các nhiệt độ nước khác nhau.
Vi sinh vật nhân chuẩn
Nhóm Eukarya chứa tất cả các sinh vật nhân chuẩn, bao gồm cả sinh vật nhân chuẩn đơn bào hoặc đa bào như sinh vật nguyên sinh, nấm, thực vật và động vật.
Đặc điểm xác định chính của sinh vật nhân chuẩn là tế bào của chúng chứa nhân.
Protists
Là một nhóm sinh vật nhân chuẩn không chính thức không phải là thực vật, động vật hoặc nấm. Một số loài tảo là sinh vật nguyên sinh và một số khác là vi khuẩn; tất cả động vật nguyên sinh đều là ví dụ của sinh vật nguyên sinh.
Tảo (Algae)
hầu hết được tạo thành từ các sinh vật nguyên sinh có thể đơn bào hoặc đa bào và rất khác nhau về kích thước, hình dáng và môi trường sống (Hình 5).
Sinh vật nguyên sinh tảo được bao quanh bởi thành tế bào làm từ cellulose, một loại carbohydrate.
Tảo là sinh vật quang hợp lấy năng lượng từ mặt trời và giải phóng oxy và carbohydrate vào môi trường.
Vi khuẩn lam, một loại vi khuẩn, cũng được coi là một loại tảo, nhưng những sinh vật này là vi khuẩn nhân sơ và do đó có thành tế bào dựa trên peptidoglycan, không giống như thành tế bào dựa trên cellulose của các sinh vật nguyên sinh tảo.
Bởi vì các sinh vật khác có thể sử dụng chất thải của tất cả các loại tảo để làm năng lượng nên tảo là một phần quan trọng của nhiều hệ sinh thái.
Nhiều sản phẩm tiêu dùng có chứa các thành phần có nguồn gốc từ tảo, chẳng hạn như carrageenan hoặc axit alginic, được tìm thấy trong một số nhãn hiệu kem, nước sốt salad, đồ uống, son môi và kem đánh răng. Một dẫn xuất của tảo cũng đóng một vai trò nổi bật trong phòng thí nghiệm vi sinh.
Agar, một loại gel có nguồn gốc từ tảo, có thể được trộn với nhiều chất dinh dưỡng khác nhau và được sử dụng để phát triển vi sinh vật trong đĩa Petri. Tảo cũng đang được phát triển như một nguồn nhiên liệu sinh học tiềm năng.
Hình 5: Các loại tảo cát, một loại tảo, sống trong băng biển hàng năm ở McMurdo Sound, Nam Cực. Tảo cát có kích thước từ 2 μm đến 200 μm và được hiển thị ở đây bằng kính hiển vi ánh sáng. (Nguồn ảnh: Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ).
Động vật nguyên sinh (Protozoa)
Là sinh vật đơn bào tạo nên xương sống của nhiều lưới thức ăn bằng cách cung cấp chất dinh dưỡng cho các sinh vật khác.
Động vật nguyên sinh rất đa dạng. Một số động vật nguyên sinh di chuyển nhờ sự trợ giúp của các cấu trúc giống như lông gọi là lông mao hoặc cấu trúc giống như roi gọi là roi. Một số khác mở rộng một phần màng tế bào và tế bào chất để tự đẩy mình về phía trước. Những phần mở rộng tế bào chất này được gọi là chân giả (“chân giả”).
Một số động vật nguyên sinh có khả năng quang hợp; những người khác ăn vật liệu hữu cơ. Một số sống tự do, trong khi một số khác sống ký sinh, chỉ có thể tồn tại bằng cách lấy chất dinh dưỡng từ sinh vật chủ.
Hầu hết các động vật nguyên sinh đều vô hại, nhưng một số là mầm bệnh có thể gây bệnh ở động vật hoặc con người (Hình 6).
Hình 6: Giardia lamblia, một loại ký sinh trùng đơn bào trong đường ruột lây nhiễm sang người và các động vật có vú khác, gây tiêu chảy nặng. (Nguồn ảnh: CDC Hoa Kỳ).
Nấm (Fungi)
cũng là sinh vật nhân chuẩn. Một số loại nấm đa bào, chẳng hạn như nấm, trông giống thực vật nhưng thực tế chúng khá khác nhau. Nấm không quang hợp và thành tế bào của chúng thường được làm từ chitin chứ không phải cellulose.
Nấm đơn bào—nấm men—được đưa vào nghiên cứu về vi sinh vật. Có hơn 1000 loài nấm men đã được biết đến.
Nấm men được tìm thấy ở nhiều môi trường khác nhau, từ biển sâu đến rốn con người. Một số loại men có những công dụng hữu ích trong công nghiệp thực phẩm như làm nở bánh mì và lên men đồ uống; nhưng nấm men cũng có thể khiến thức ăn bị hư hỏng. Một số thậm chí còn gây ra các bệnh như nhiễm nấm âm đạo và tưa miệng (Hình 7).
Hình 7: Candida albicans là một loại nấm đơn bào hoặc nấm men. Nó là tác nhân gây nhiễm trùng nấm âm đạo cũng như bệnh tưa miệng, một bệnh nhiễm trùng nấm men ở miệng thường gây ra cho trẻ sơ sinh. C. albicans có hình thái tương tự như vi khuẩn coccus; tuy nhiên, nấm men là sinh vật nhân chuẩn (lưu ý nhân) và lớn hơn nhiều. (Nguồn ảnh: CDC Hoa Kỳ).
Các loại nấm khác được các nhà vi trùng học quan tâm là các sinh vật đa bào được gọi là nấm mốc.
Nấm mốc (Molds) được tạo thành từ các sợi dài tạo thành các khuẩn lạc có thể nhìn thấy được (Hình 8).
Nấm mốc được tìm thấy ở nhiều môi trường khác nhau, từ đất, thức ăn thối rữa cho đến các góc phòng tắm ẩm ướt. Nấm mốc đóng một vai trò quan trọng trong việc phân hủy thực vật và động vật chết. Một số loại nấm mốc có thể gây dị ứng và một số loại khác tạo ra chất chuyển hóa gây bệnh gọi là độc tố nấm mốc. Nấm mốc đã được sử dụng để sản xuất dược phẩm, bao gồm penicillin, một trong những loại thuốc kháng sinh được kê toa phổ biến nhất và cyclosporine, được sử dụng để ngăn ngừa đào thải nội tạng sau khi cấy ghép.
Hình 8: Các khuẩn lạc nấm cực nhỏ thường có thể được quan sát bằng mắt thường, như được thấy trên bề mặt của những quả cam bị mốc này.
Giun sán
Giun ký sinh đa bào được gọi là giun sán về mặt kỹ thuật không phải là vi sinh vật vì hầu hết đều đủ lớn để có thể nhìn thấy mà không cần kính hiển vi. Tuy nhiên, những con giun này thuộc lĩnh vực vi sinh học vì các bệnh do giun sán gây ra liên quan đến trứng và ấu trùng cực nhỏ.
Một ví dụ về giun sán là giun guinea, hay Dracunculus medinensis, gây chóng mặt, nôn mửa, tiêu chảy và loét đau ở chân và bàn chân khi giun chui ra khỏi da (Hình 9).
Nhiễm trùng thường xảy ra sau khi một người uống nước có chứa bọ chét bị nhiễm ấu trùng giun guinea. Vào giữa những năm 1980, ước tính có khoảng 3,5 triệu trường hợp mắc bệnh giun guinea, nhưng căn bệnh này phần lớn đã được loại bỏ. Năm 2014, chỉ có 126 trường hợp được báo cáo nhờ nỗ lực phối hợp của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và các nhóm khác cam kết cải thiện vệ sinh nước uống.
Hình 9: (a) Sán dây bò, Taenia saginata , lây nhiễm cho cả gia súc và người. Trứng T. saginata có kích thước cực nhỏ (khoảng 50 µm), nhưng những con giun trưởng thành như con được hiển thị ở đây có thể dài tới 4–10 m, cư trú trong hệ thống tiêu hóa. (b) Một con giun guinea trưởng thành, Dracunculus medinensis , được lấy ra qua vết thương trên da bệnh nhân bằng cách quấn nó quanh que diêm. (Nguồn ảnh: CDC Hoa Kỳ).
Virus
Virus là các vi sinh vật không có tế bào, có nghĩa là chúng không bao gồm các tế bào. Về cơ bản, virus bao gồm các protein và vật liệu di truyền—ADN hoặc ARN, nhưng không bao giờ có cả hai—trơ bên ngoài cơ thể vật chủ. Tuy nhiên, bằng cách kết hợp với tế bào chủ, virus có thể lợi dụng cơ chế tế bào của vật chủ để nhân lên và lây nhiễm sang các vật chủ khác.
Virus có thể lây nhiễm vào tất cả các loại tế bào, từ tế bào của con người đến tế bào của các vi sinh vật khác. Ở người, virus là nguyên nhân gây ra nhiều bệnh, từ cảm lạnh thông thường đến Ebola chết người (Hình 10). Tuy nhiên, nhiều loại virus không gây bệnh.
Hình 10: 1.20 (a) Các thành viên của họ virus Corona có thể gây nhiễm trùng đường hô hấp như cảm lạnh thông thường, hội chứng hô hấp cấp tính nặng (SARS) và hội chứng hô hấp Trung Đông (MERS). Ở đây chúng được xem dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). (b) Ebolavirus, một thành viên của họ Filovirus, được hiển thị bằng TEM. (Nguồn ảnh: CDC Hoa Kỳ).
Vi sinh vật như một lĩnh vực nghiên cứu
Vi sinh vật học là một thuật ngữ rộng bao gồm việc nghiên cứu tất cả các loại vi sinh vật khác nhau. Nhưng trong thực tế, các nhà vi trùng học có xu hướng chuyên về một trong nhiều lĩnh vực con.
Ví dụ, vi khuẩn học là nghiên cứu về vi khuẩn; nấm học là nghiên cứu về nấm; động vật nguyên sinh là nghiên cứu về động vật nguyên sinh; ký sinh trùng học là nghiên cứu về giun sán và các loại ký sinh trùng khác; và virus học là nghiên cứu về virus.
Miễn dịch học, nghiên cứu về hệ thống miễn dịch, thường được đưa vào nghiên cứu vi sinh vì sự tương tác giữa vật chủ và mầm bệnh là trọng tâm trong sự hiểu biết của chúng ta về các quá trình bệnh truyền nhiễm. Các nhà vi trùng học cũng có thể chuyên về một số lĩnh vực vi sinh nhất định, chẳng hạn như vi sinh lâm sàng, vi sinh môi trường, vi sinh ứng dụng hoặc vi sinh thực phẩm.
