Bacillus là một loại vi khuẩn Gram dương, hình que, hình trụ được tìm thấy rộng rãi trong đất, nước và không khí. Chi này bao gồm nhiều loài khác nhau – một số hoặc các thành viên có lợi cho các hệ sinh thái trên cạn và dưới nước khác nhau, trong khi những loài khác có hại cho các sinh vật khác.
Hình 1. Vi khuẩn Probiotic.
Các thành viên của chi này có khả năng thích nghi cao và khá cứng cáp nhờ khả năng hình thành nội bào tử – cấu trúc bảo vệ chúng khỏi nhiều điều kiện môi trường tiêu cực, bao gồm nhiệt độ rất cao và rất thấp, cực kỳ khô hạn, bức xạ và hóa chất độc hại. Bacillus có thể không hoạt động trong nhiều năm ở dạng này và hoạt động trở lại khi điều kiện thuận lợi.
Ngoài nội bào tử, những vi khuẩn đáng kinh ngạc này còn có nhiều khả năng sinh lý giúp chúng thích nghi với các môi trường khác nhau và chịu đựng các điều kiện gây tử vong cho nhiều sinh vật khác.
Từ khám phá đến hôm nay
Hình 2. Christian Gottfried Ehrenberg. Nguồn: Wikimedia Commons.
Chi Bacillus được phát hiện vào năm 1835 bởi Christian Gottfried Ehrenberg, nhà tự nhiên học và nhà hiển vi học người Đức, một nhà nghiên cứu xuất sắc trong thế kỷ 19. Đồng nghiệp trẻ hơn của Ehrenberg, Ferdinand Julius Cohn, sau này đặt tên cho chi là Bacillus , theo hình dạng của những vi khuẩn này ( bacillus có nghĩa là "cây gậy" trong tiếng Latinh). Ông cũng phát hiện ra rằng những vi khuẩn này có hai dạng khác nhau – một dạng không chịu được nhiệt và dạng còn lại. Đây là sự phát hiện ra nội bào tử và khả năng đáng kinh ngạc của chúng để chống lại các điều kiện môi trường bất lợi.
Nghiên cứu vẫn tiếp tục trong những thế kỷ tiếp theo và khi các phương pháp phân tử được cải thiện, kiến thức của chúng ta về những vi khuẩn đa năng này cũng vậy. Ngay sau đó, người ta đã phát hiện ra rằng một số loài Bacillus có thể tạo ra các chất chuyển hóa và phân tử hữu ích hỗ trợ quá trình xử lý sinh học đối với đất và nước bị ô nhiễm, cũng như giúp thực vật và động vật chống lại sâu bệnh – khiến chúng trở thành ứng cử viên hàng đầu cho ngành y tế nuôi trồng thủy sản ngày nay.
Bacillus trong nuôi trồng thủy sản
Dân số thế giới ngày càng tăng và những lo ngại về môi trường đã gây áp lực đáng kể lên các nhà sản xuất thực phẩm toàn cầu trong việc cung cấp đủ thực phẩm chất lượng cao, hiệu quả về chi phí. Trong nuôi trồng thủy sản, mật độ thả nuôi cao hơn đã làm tăng sản lượng lương thực nhưng cũng góp phần làm gia tăng dịch bệnh và nhu cầu thức ăn.
Trước đây, nuôi trồng thủy sản dựa vào việc sử dụng kháng sinh để kiểm soát bệnh và sử dụng thức ăn bột cá và dầu cá (FMFO) để đáp ứng hai thách thức này. Tuy nhiên, các nghiên cứu đang ngày càng chỉ ra những vấn đề lớn với cả tình trạng kháng kháng sinh và tác động môi trường của FMFO .
Để giải quyết hai vấn đề này, các nhà khoa học ngày càng tìm đến đồng minh tự nhiên của hầu hết các sinh vật đa bào – vi khuẩn có lợi (thường được gọi là men vi sinh).
Bacillus là một loại vi khuẩn có lợi phổ biến cho các ứng dụng sức khỏe động vật do bốn đặc điểm chính:
Độ bền vượt trội (do cấu trúc nội bào tử của nó)
Khả năng sinh lý vượt trội
Hoạt động của enzyme phong phú
Tốc độ tăng trưởng nhanh
Nhưng chính xác thì làm thế nào mà những vi khuẩn đáng kinh ngạc này lại có tác động tích cực đến sự tăng trưởng và phát triển của cá và động vật giáp xác? Hãy cùng tìm hiểu.
Bacillus mang lại lợi ích gì trong nuôi trồng thủy sản?
Hình 3 . Cơ chế hoạt động của Bacillus.
Dù được sử dụng làm chế phẩm sinh học hoặc để xử lý nước bằng phương pháp sinh học, các loài Bacillus đều có tác dụng có lợi trên nhiều khía cạnh của quy trình sản xuất nuôi trồng thủy sản và mang lại sự bảo vệ lâu dài.
Dưới đây là một vài trong số những lợi ích chính đó và cơ chế mà các chủng Bacillus sử dụng để đạt được chúng:
1. Cải thiện chất lượng nước
Các ngành nuôi trồng thủy sản thâm canh rất dễ bị ảnh hưởng bởi chất lượng nước kém do mật độ thả nuôi cao và tỷ lệ cho ăn quá mức. Kết quả là sự tích tụ chất thải hữu cơ, nitơ và phốt pho đồng thời tạo ra các điều kiện căng thẳng cho cá và tôm (làm suy yếu hệ thống miễn dịch của chúng) và tạo môi trường thuận lợi cho mầm bệnh phát triển.
Hình 4. Tóm tắt các cơ chế mà Bacillus sử dụng để giảm thiểu tác nhân gây bệnh trong nuôi trồng thủy sản. Nguồn: https://doi.org/10.1007/s10695-019-00754-y
Bacillus có thể ổn định chất lượng nước bằng cách tăng tốc chu kỳ chất thải và tăng khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cá và tôm. Những vi khuẩn gram dương này sử dụng các loại carbohydrate khác nhau làm nguồn năng lượng chính. So với vi khuẩn gram âm, chúng hiệu quả hơn trong việc chuyển hóa chất hữu cơ và biến nó thành CO2. Kết quả là các loài Bacillus có thể làm giảm đáng kể sự tích tụ chất thải hữu cơ.
Sự tích tụ của thức ăn thừa, phân và dư lượng hữu cơ làm tăng hàm lượng nitrat và phốt phát trong cả nước ngọt và nước mặn. Điều này thường dẫn đến tỷ lệ mắc bệnh và tảo nở hoa cao hơn.
Nhiều người chọn cách điều chỉnh chất lượng nước bằng cách bổ sung thêm nước ngọt, nhưng cách làm đó ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường tự nhiên, vì nước thải thường được thải trở lại sông và biển. Nhiều loài Bacillus có thể tạo ra các exo-enzym kích thích quá trình khoáng hóa và cho phép xử lý sinh học quá trình nitrat hóa và phốt phát trong nước bị ô nhiễm. Bằng cách giảm nồng độ các ion amoniac, nitrit và phốt phát , các loài Bacillus có thể cải thiện chất lượng nước và cung cấp một môi trường lành mạnh cho cá, động vật có vỏ và tôm.
Các loài thường được sử dụng để cải thiện chất lượng nước bao gồm Bacillus amyloliquefaciens , B. licheniformis, B. subtilis, B. polymyxa, B. laterosporus và B. circulans .
2. Ức chế trực tiếp bệnh tật
Một số loài Bacillus (ví dụ: B. subtilis, B. mycoides, ) được tìm thấy tự nhiên trong hệ vi sinh vật đường ruột của một số loài cá và có thể đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại mầm bệnh .
Những loài này có thể tạo ra các hợp chất có đặc tính ức chế giúp chúng có lợi thế cạnh tranh với các vi khuẩn có khả năng gây hại khác. Bacteriocin là những peptide nhỏ thể hiện hoạt tính kháng sinh và có thể được sử dụng thành công để điều trị vi khuẩn kháng kháng sinh.
Ngoài bacteriocin, Bacillus cũng có thể tạo ra chất kháng sinh; Sản xuất kháng sinh là một cơ chế rất quan trọng mà Bacillus sử dụng để chống lại các vi khuẩn khác – khoảng 4-5% bộ gen của B. subtilis chỉ dành cho việc sản xuất kháng sinh. Bacillus có thể tạo ra nhiều loại kháng sinh có hiệu quả chống lại nhiều loại vi khuẩn khác nhau và thậm chí cả vi rút. Nhiều người sẽ hỏi liệu những hợp chất này có góp phần gây ra tình trạng kháng kháng sinh hay không và câu trả lời đơn giản là có. Tuy nhiên, xét rằng Bacillus sử dụng kết hợp nhiều cơ chế khác nhau chứ không chỉ cơ chế này, tỷ lệ vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh ít có khả năng xảy ra hơn so với ứng dụng truyền thống của các hợp chất này.
Nhiều loài Bacillus cũng được biết đến với hoạt động ly giải mạnh mẽ, làm tăng khả năng cung cấp chất dinh dưỡng trong ruột và cũng có đặc tính kháng khuẩn. Enzyme lytic có thể làm suy giảm thành tế bào của vi khuẩn gây bệnh, khiến chúng chết đi. Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu thêm về chủ đề này, vì vi khuẩn có lợi cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các enzym này do tính đặc hiệu thấp của chúng.
Các loài được sử dụng cho mục đích này bao gồm Bacillus subtilis , B. licheniformis , B. coagulans và B. amyloliquefaciens .
3. Kích thích miễn dịch / Ức chế gián tiếp bệnh
Bên cạnh các chất ức chế, Bacillus còn tạo ra các hợp chất có thể kích thích các phản ứng miễn dịch tự nhiên và gián tiếp ngăn chặn sự phát triển của bệnh trong thời gian dài.
Nhiều chủng Bacillus có những công cụ mạnh mẽ giúp chúng cạnh tranh thành công với các vi sinh vật khác. Một trong những công cụ đó là dập tắt đại biểu - ức chế biểu hiện gen độc lực - trong đó các hợp chất được tạo ra ngăn chặn các phân tử tín hiệu cần thiết để kích hoạt gen độc lực ở vi khuẩn gây bệnh. Bằng cách này, ngay cả khi vi khuẩn gây bệnh có mặt, các chủng trực khuẩn này sẽ phá vỡ cơ chế truyền tín hiệu của chúng và ngăn không cho chúng gây ra bất kỳ tác hại nào lớn hơn cho vật chủ. Cơ chế này giúp các loài trực khuẩn này đánh bại các vi khuẩn có hại và mang lại sự cân bằng cho hệ vi sinh vật đường ruột của tôm cá.
Các vị trí bám dính là các bề mặt trên mô của vật chủ nơi vi khuẩn có thể bám vào và thiết lập các khuẩn lạc. Để lây nhiễm cho vật chủ, vi khuẩn gây bệnh cần bám vào các vị trí này. Bacillus , cùng với các nền văn hóa sinh học khác, có thể ngăn chặn điều này ở một số loài thủy sinh. Mặc dù bằng chứng vẫn đang được xây dựng dựa trên các ứng dụng cụ thể, nhưng người ta tin rằng những chủng này xâm chiếm ruột, không để lại chỗ cho mầm bệnh, do đó vô hiệu hóa chúng về mặt vật lý.
Cuối cùng, Bacillus và vi khuẩn gây bệnh sử dụng các nguồn dinh dưỡng tương tự nhau. Xét rằng Bacillus có tốc độ phát triển nhanh hơn hầu hết các mầm bệnh, chúng thường vượt trội hơn chúng và làm giảm lượng thức ăn có sẵn cho chúng. Bị thiếu chất dinh dưỡng, mầm bệnh phát triển yếu và trở nên nhạy cảm hơn với tác động của các hợp chất và enzym mà Bacillus tạo ra.
4. Cải thiện tốc độ tăng trưởng và sử dụng thức ăn
Tương tự như việc sử dụng men vi sinh ở người, men vi sinh nuôi trồng thủy sản đã được nghiên cứu để phân lập khả năng giúp động vật thủy sinh sử dụng chất dinh dưỡng hiệu quả hơn . Bằng cách cho phép sử dụng hiệu quả hơn các chất dinh dưỡng, một số chủng Bacillus có thể làm giảm nhu cầu thức ăn, cải thiện tỷ lệ chuyển đổi thức ăn và giảm giá sản xuất.
Bên cạnh việc trực tiếp làm tăng tính sẵn có của các chất dinh dưỡng với hoạt động trao đổi chất của nó, khả năng tăng cường miễn dịch và xử lý sinh học trong nước của nó có thể làm tăng sự phát triển của cá trưởng thành và tỷ lệ sống sót của ấu trùng, dẫn đến Tỷ lệ chuyển đổi thức ăn được cải thiện.
Phần kết luận
Bacillus sử dụng một loạt các cơ chế để mang lại lợi ích đáng kể cho sản xuất nuôi trồng thủy sản – một cách tự nhiên, bền vững. Những vi khuẩn này kích thích chu kỳ dinh dưỡng, điều này vừa làm tăng chất lượng nước vừa cung cấp chất dinh dưỡng cho cá và tôm. Bằng cách cạnh tranh không gian và chất dinh dưỡng, đồng thời tạo ra nhiều loại enzyme, bacteriocin và kháng sinh, Bacillus có thể vượt qua vi khuẩn gây bệnh và mang lại lợi ích sức khỏe cho nhiều loài thủy sinh. Cuối cùng, chúng có lợi thế là sinh vật sống; kết quả là chúng có thể tự thiết lập và sinh sản và mang lại sự bảo vệ lâu dài.
Tham khảo các dòng sản phẩm có chứa hàm lượng 10¹³ các chủng Bacillus cho môi trường Arica biopro tại đây và Vi sinh tươi cho tiêu hóa Ecador Pro tại đây