Cấu tạo và thành phần tế bào vi khuẩn

Cấu trúc của tế bào vi khuẩn khác với tế bào của vi sinh vật khác.
Dựa vào cấu trúc có thể thấy được sự khác nhau giữa tế bào vi khuẩn và tế bào động thực vật theo bảng sau:

Bảng 2. So sánh tế bào động – thực vật với tế bào vi khuẩn

STT	Tế bào động vật và thực vật	Tế bào vi khuẩn
Nhân	Có màng nhân Nhiều nhiễm sắc thể hình que Có bộ máy phân bào	Không có màng Một nhiễm sắc thể hình tròn Không có phân bào
Nguyên sinh chất	Thường có lưới nội bào Có ty thể Đôi khi có lục lạp Chuyển động dòng nội bào Ribosom 80S gắn vào lưới nội chất. 70S   gắn lưới nội chất	Không có lưới nội bào Không có ty lạp thể Không có lục lạp Không chuyển động dòng nội bào 70 S trong bào quan
Các phân tử nhỏ	Không có glycopeptit màng	Có glycopeptit màng

1. Thành tế bào (Cell wall)

Thành tế bào còn gọi là vách tế bào, chiếm 10-40% trọng lượng khô của tế bào, độ dày thành tế bào vi khuẩn Gram âm là 10nm Gram dương là 14-18nm. Thành tế bào là lớp cấu trúc ngoài cùng, có độ rắn chắc nhất định để duy trì hình dạng tế bào, có khả năng bảo vệ tế bào đối với một số điều kiện bất lợi. Nồng độ đường muối bên trong tế bào thường cao hơn bên ngoài tế bào (áp suất thẩm thấu tương đương với dung dịch glucose 10-20%) do đó tế bào hấp thu khá nhiều nước từ bên ngoài vào. Nếu không có thành tế bào vững chắc thì tế bào sẽ bị phá vỡ. Khi thực hiện co nguyên sinh rồi quan sát dưới kính hiển vi, thấy rõ lớp thành tế bào. Quan sát dưới kính hiển vi điện tử thấy rõ hơn.

Thành tế bào vi khuẩn G^- và G⁺ có sự sai khác về thành phần cấu tạo như sau:

Vi khuẩn Gram dương có thành phần cấu tạo cơ bản là pepidoglycan (PG) hoặc còn gọi là glucopeptit, murein,...chiếm 95 % trọng lượng khô của thành, tạo ra một màng polime xốp, không hòa tan và rất bền vững, bao quanh tế bào thành mạng lưới. Cấu trúc của PG gồm 3 thành phần: N. acetylglucozamin, N. acetylmuramic và galactozamin. Thành tế bào vi khuẩn Gram dương chứa PG đầy đủ 4 lớp (chiếm >50% trọng lượng khô của thành). Ngoài ra còn thấy thành phần acid teichoic (là các polime của glycerol và ribitol photphat), gắn với PG hay màng tế bào.

Vi khuẩn Gram âm

Vách vi khuẩn Gram âm gồm một màng ngoài và một khoang chu chất chứa 1-2 lớp PG (chiếm 5-10%) trọng lượng khô vách, giữa lớp PG và màng ngoài có cầu nối lipoprotein. Ngoài ra ở màng ngoài còn có thành phần lipopolysaccharit (LPS) và các protein. LPS chiếm 1-50% trọng lượng khô của vách. Phần lipd của LPS là nội độc tố (gây sốt, tiêu chảy, phá hủy hồng cầu)        

Bảng 3. So sánh thành phần vách tế bào vi khuẩn Gram (+) và Gram (-)

Thành phần	Tỷ lệ % đối với khối lượng khô của thành tế bào vi khuẩn
	G+	G-
Peptidoglycan Acid teicoic Lipid Protein	30-95 Cao Hầu như không Không hoặc ít	5-20 0 20 Cao

   

Trong những trường hợp sau đây có thể không quan sát thấy sự có mặt của thành tế bào:

Thể nguyên sinh (Protoplast): Sau khi dùng lysozyme để phá vỡ thành tế bào hoặc dùng penicillin ức chế sự tổng hợp thành tế bào có thể chỉ tạo ra những tế bào chỉ được bao bọc bởi màng tế bào chất. Thường gặp ở vi khuẩn G ⁺.

Thể cầu (tế bào trần, sphaeroplast): là thể nguyên sinh chỉ còn sót lại một phần thành tế bào, thường chỉ gặp ở vi khuẩn   G^-.

Vi khuẩn dạng L: Năm 1935 Viện nghiên cứu dự phòng Lister ở Anh phát hiện ra một dạng đột biến không có thành tế bào ở trực khuẩn Streptobacillus moniliformis. Tế bào của chúng phình to lên và rất mẫn cảm với áp suất thẩm thấu. Nhiều vi khuẩn G ^-và G⁺ đều có thể hình thành dạng L. Trước đây người ta hay nhầm lẫn thể nguyên sinh và thể cầu với dạng L. Hiện nay ta chỉ coi dạng L là chủng vi khuẩn không có thành tế bào được sinh ra do đột biến trong phòng thí nghiệm và có thể mang tính di truyền ổn định.

Mycoplasma: Một dạng vi khuẩn không có thành tế bào được sinh ra trong quá trình tiến hoá lâu dài của tự nhiên.

Thể nguyên sinh và thể cầu có đặc điểm chung là không có thành tế bào, tế bào trở nên có hình cầu, rất mẫn cảm với áp suất thẩm thấu, có thể có tiên mao, nhưng không di động được, không mẫn cảm với thực khuẩn thể, không phân bào được,...

Thành tế bào có các chức năng chủ yếu sau:

-                      Duy trì hình dạng của tế bào

-                      Duy trì áp suất thẩm thấu bên trong tế bào   

-                      Hỗ trợ sự chuyển động của tiên mao

-                      Giúp tế bào đề kháng với các lực tác động bên ngoài

-                      Cần thiết cho quá trình phân cắt bình thường của tế bào

-                      Điều tiết sự xâm nhập của một số chất, ngăn cản sự thất thoát các enzyme, sự xâm nhập của các chất hóa học hoặc enzyme từ bên ngoài gây hại tế bào, như muối mật, enzyme tiêu hóa, lysozim, chất kháng sinh.   

-                      Có liên quan mật thiết đến tính kháng nguyên, của vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt liên quan đến nội độc tố của vi khuẩn Gram âm.

-                      Có vai trò trong việc bắt màu thuốc nhuộm khi nhuộm Gram.

2.2.2. Màng tế bào chất

Màng tế bào chất còn được gọi là màng tế bào hay màng chất (Cytoplasmic membrane), viết tắt là CM, dày khoảng 7-8 nm.

Có cấu tạo 3 lớp: hai lớp phân tử protein (chiếm hơn 50% trọng lượng khô   của màng và 10-20% protein tế bào) và một lớp kép photpholipit (20-3% trọng lượng khô của màng) nằm ở giữa, 70-90% lipid của tế bào tập trung ở photpholipit của màng. Sự phân bố protein và photpholipit ở màng nguyên sinh chất khác nhau ở từng vùng. Sự phân bố đó tạo nên các lỗ hổng trên màng thuận lợi cho sụ vận chuyển.

Protein của màng gồm có hai dạng: protein cấu trúc và enzyme.

Enzyme gồm có: permeaza vận chuyển các chất vào tế bào và các enzyme tổng hợp các chất murein, photpholipit, LPS,...

Hai lớp phosphor lipid (PL), chiếm khoảng 30-40% khối lượng và các protein nằm phía trong, phía ngoài hay xuyên qua màng chiếm 60-70% khối lượng. Mỗi phân tử PL chứa một đầu tích điện hay phân cực (đầu phosphate) và một đuôi không tích điện hay không phân cực (hydrat carbon). Đầu phosphate còn gọi là đầu háu nước, còn đầu hidratcarbon còn gọi là đầu kỵ nước. Hai lớp phân tử PL một lớp có gốc phosphat quay vào trong một lớp có gốc phosphat quay ra ngoài màng làm màng hóa lỏng và cho phép các protein di động tự do. Sự hóa lỏng động học này cần thiết cho các chức năng của màng. Cách sắp xếp của PL như vậy gọi là mô hình khảm lỏng.

Hầu hết màng tế bào chất của vi khuẩn không chứa các sterol, như cholesterol, do đó không cứng như màng CM của các tế bào có nhân thật. Mycoplasma là nhóm vi khuẩn nhân thật không có thành tế bào. CM có chứa sterol do đó khá vững chắc.

CM là hàng rào đối với các phân tử tan trong nước và có tính chọn lọc hơn so với thành tế bào. Tuy vậy CM có chứa các protein đặc biệt gọi là permease, chúng có thể vận chuyển các phân tử nhỏ vào tế bào theo cơ chế thụ động không cần năng lượng hay chủ động, cần năng lượng.

CM ở tế bào vi khuẩn là vị trí làm nhiệm vụ hô hấp (tương tự như màng trong có dạng gấp khúc ở ty thể của các tế bào nhân thật). CM có chứa các protein của chuỗi hô hấp và các enzyme tổng hợp ATP. Các vi khuẩn lưu huỳnh màu tía còn chứa bộ máy quang hợp.

Ở CM ta gặp các enzyme tham gia tổng hợp lipid màng, PG, acid teicoic, LPS, và còn gặp các polysaccarit đơn giản.

CM còn chứa các vị trí gắn với nhiễm sắc thể và plasmid đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối các yếu tố di truyền vào các tế bào con.

Ở nhiều vi khuẩn, nhất là vi khuẩn G⁺, CM xâm nhập vào tế bào chất và tạo thành các hệ thống ống gọi là Mesosom. Mesosom   nằm gần CM hay đâm sâu vào trong tế bào chất.

Sự gấp khúc của CM vào bên trong chỉ gặp ở một số nhóm vi khuẩn quang hợp hay các vi khuẩn có hoạt tính hô hấp cao chẳng hạn như Azotobacter, vi khuẩn nitrate hoá. Do có gấp khúc mà diện tích CM tăng lên một cách đáng kể, thích ứng được hoạt động hô hấp quang hợp ở các nhóm vi khuẩn này.

Nhìn chung CM có các chức năng sau

-                      Duy trì áp suất thẩm thấu tế bào.

-                      Khống chế sự vận chuyển, trao đổi ra vào tế bào của các chất dinh dưỡng, các sản phẩm trao đổi chất.

-                      Duy trì một áp suất thẩm thấu bình thường bên trong tế bào.

-                      Là nơi sinh tổng hợp một số thành phần của tế bào như vách, giáp mô, do trong màng có chứa enzyme và ribosom.

-                      Là nơi tiến hành các quá trình photphoril oxy hoá và photphoril quang hợp.

-                      Là nơi tổng hợp nhiều loại enzyme.

-                      Cung cấp năng lượng cho hoạt động của tiên mao

-                      Có quan hệ đến sự phân chia tế bào.

3. Tế bào chất (Cytoplasm)

Tế bào chất toàn bộ phần nằm trong màng tế bào trừ nhân. Đây là vùng dịch thể dạng keo đồng nhất khi tế bào non và có cấu trúc lổn nhổn khi tế bào già. Nguyên sinh chất có hai bộ phận chính:

-                      Cơ chất tương bào: chủ yếu chứa các enzyme.

-                      Các cơ quan con: mesosom, ribosom, không bào, hạt sắc tố, chất dự trữ.

4. Mesosom

Là thể hình cầu giống như cái bong bóng, mesosom có đường kính khoảng 250nm, gồm nhiều lớp bện chặt với nhau, nằm sát vách tế bào chỉ xuất hiện khi tế bào phân chia. Hình thành vách ngăn tế bào trong phân bào và là trung tâm hô hấp của tế bào vi khuẩn hiếu khí.

Trong mesosom có nhiều hệ thống enzym vận chuyển điện tử.

5. Ribosom

Ribosom có đường kính 15-20nm, hằng số lắng 70S (tiểu thể lớn 50S và tiểu thể nhỏ 30S). Ribosom chứa 40-60% ARN và 35-60% protein và một ít lipid, một số men như ribonucleaza,... và một ít chất khoáng. Mỗi tế bào chứa khoảng 10.000 ribosom chiếm 40% trọng lượng khô tế bào, khi đang phát triển mạnh có thể tăng đến 15.000 ribosom (E. coli).

Phần protein của ribosom làm thành một mạng lưới bao quanh phần ARN. Trong tế bào vi khuẩn phần lớn ribosom nằm tự do trong tế bào chất, phần ít bám trên màng nguyên sinh chất.

Ribosom là trung tâm tổng hợp protein của tế bào. Nhưng không phải mọi ribosom đều có khả năng tham gia vào quá trình này. Số ribosom tham gia vào quá trình này chiếm khoảng 5-10% và được liên kết với nhau gọi là polisom hay polyribosom. Sự liên kết này thực hiện được nhờ mARN. Các ribosom tự do gắn vào một đầu của mARN, được hoạt hóa và chuyển dịch dọc theo sợi mARN này. Chuỗi polypeptid liên kết với ribosom được dài dần ra, do tuần tự được lắp thêm các acid amin mới. Khi đọc xong một sợi mARN và giải phóng ra một chuỗi polypeptid mới thì ribosom lại tách khỏi đầu cuối của tập hợp, sau đó tham gia vào một mARN khác.

6. Các hạt dự trữ

Trong nguyên sinh chất thấy xuất hiện các hạt có hình dạng, kích thước và thành phần hóa học khác nhau. Sự xuất hiện của các hạt này không thường xuyên, phụ thuộc vào điều kiện môi trường và giai đoạn phát triển của tế bào, đó là các hạt dự trữ hạt vùi không phải là các cơ quan con như ribosom, mesosom,...Chúng có hình dạng và kích thước khác nhau và sự có mặt của chúng không ổn định, phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh. Nhiều loại hạt được vi sinh vật sử dụng như các chất dự trữ. Chúng thường được hình thành khi tế bào tổng hợp thừa các chất đó và được sử dụng khi thiếu thức ăn.

Các hạt hydrat carbon: các hạt này chứa tinh bột hoặc glycogen hoặc các chất tương tự nằm trong tế bào chất như những chất dự trữ. Khi thiếu thức ăn vi khuẩn sẽ lấy các hạt này làm nguồn năng lượng hoặc nguồn thức ăn carbon.

Hạt volutin: đây là các chất dị nhiễm sắc (bắt màu đỏ khi nhuộm xanh metylen trong khi tế bào chất bắt màu xạnh). Trừ một số vi khuẩn (như Corynebacbacterium, Mycobacterium,...) thường xuyên chứa các hạt volutin ở giai đoạn sinh trưởng cuối, còn thông thường vi sinh vật chỉ chứa hạt volutin trong điều kiện dinh dưỡng bất thường (thiếu chất nào đó). Volutin là một phức chất, cấu tạo bởi polyphosphat, lipoprotein, ARN và Mg⁺². Trong số các hạt volutin có thể có là giọt mỡ, xuất hiện nhiều khi nuôi cấy vi khuẩn trên môi trường chứa nhiều đường, glycerin hoặc các hợp chất carbon đễ đồng hóa khác.

Giọt lưu huỳnh: Một số vi khuẩn ưu lưu huỳnh, có chứa thường xuyên các giọt lưu huỳnh trong tế bào, do kết quả oxy hóa H₂S sinh ra. Giọt lưu huỳnh được dùng làm nguồn năng lượng khi đã sử dụng hết H₂S của môi trường xung quanh.

H₂S + 1/2O₂" S + H₂O + Q1

2S   + 3O₂ + H₂O " 2H₂SO₄ + Q2

Tinh thể diệt côn trùng: Trong một vài vi khuẩn có thể chứa thêm một tinh thể đặc biệt. Vi khuẩn Bacillus thuringiensis hoặc B. dendrolimus,... Các tinh thể đặc biệt này có khả năng giết hại một số côn trùng phá hoại mùa màng. Hiện nay, người ta sử dụng các vi khuẩn này trong công tác bảo vệ thực vật để chống lại một số sâu trong nông nghiệp. Ví dụ sản phẩm BT tức là vi khuẩn B. thuringiensis có khả năng giết sâu tơ trên cải bắp.

Không bào khí: Các vi khuẩn quang hợp thủy sinh không có tiên mao, chứa các không bào khí trong tế bào chất. Chúng được bao bọc bởi một lớp màng protein dày khoảng 2 nm, không bào khí đóng vai trò điều tiết tỷ trọng để tế bào nổi lên những tầng nước thích hợp. Thường gặp ở các chi vi khuẩn như Halobacterium, Penlodictyon, Rhodopseudomonas, các chi vi khuẩn lam như: Anabaena.

7. Thể nhân (nuclear body)

Nhân là một cấu trúc ADN kép, xoắn lại khép kín thành hình cầu, hình que, hình quả tạ hay hình chữ V. Nhân tiếp xúc trực tiếp với nguyên sinh chất, liên kết với protein HU(tương tự histon) và gắn vào màng tế bào. Nhân phân chia đơn giản bằng cách thắt lại không có sự gián phân bởi vì nhân vi khuẩn là một nhiễm sắc thể duy nhất. Tế bào vi khuẩn ở thời kỳ ổn định chỉ có một nhân nhưng trong quá trình tiền phân bào thì có từ 2 - 4 nhân.

Thể nhân là nhân nguyên thủy chưa có màng nhân, đặc trưng cho các cơ thể thuộc giới Monera (hay Prokaryota). Thể nhân còn gọi là vùng nhân, thể giống nhân, khi nhuộm bằng thuốc thử Feulgen hoặc Shiff có thể quan sát thấy thể nhân có hình dạng bất định, bắt màu tím. Thể nhân của vi khuẩn là một nhiễm sắc thể duy nhất cấu tạo bởi một sợi ADN xoắn kép, rất dài và cuộn lại thành hình vòng tròn. Nhân tế bào vi khuẩn không phân hóa thành khối rõ rệt còn gắn với màng tế bào chất. Như vậy, phần lớn các tế bào của các vi sinh vật có nhân nguyên thủy là tế bào đơn bội. NST của vi khuẩn có chiều dài thay đổi trong khoảng 0,25-3mm và chứa 6,6-13x10⁶cặp base nitơ, số lượng hệ gen của vi khuẩn thay đổi tùy thuộc vào điều kiện nuôi cấy. Khi nuôi cấy tĩnh tế bào E. coli   chứa 1-4 genom (bộ gen).

Trong NST vi khuẩn ngoài ADN còn có protein và ARN. Phần lớn protein để cấu tạo nên enzyme ARN-polymeraza. Phân tử ADN là những chuỗi xoắn kép, khép vòng dính với ARN ở giữa đầu mút của nhiều búi khác nhau.

Ngoài NST, nhiều vi khuẩn còn chứa ADN ngoài NST, đấy cũng là những sợi ADN kép, dạng vòng kín, có khả năng sao chép độc lập gọi là plasmid.

Thể nhân chứa đựng thông tin di truyền của vi khuẩn.

Thuốc nhuộm Shiff (nhuộm ADN): Fucsin base 1g hòa vào 20mL nước cất sôi, lắc đun cho sôi trong 5 phút. Làm nguội 50⁰C lọc, cho thêm 20 mL HCl 1N và để nguội 20⁰C. Sau đó thêm 1g Metabisulfite Natri (hoặc Kali) cất vào chỗ tối. Sau 24 giờ cho vào 2g than hoạt tính, lắc đều, lọc cất chỗ tối 0-4⁰C. Trước khi dùng nên làm ấm, để nhiệt độ phòng. Thuốc nhuộm Shiff không màu hoặc vàng sáng. Để lâu thì đục, không dùng được.

8. Bao nhầy (capsula)

Một số loài vi khuẩn bên ngoài thành tế bào còn có chứa một lớp bao nhầy hay còn gọi là lớp giáp mô (vỏ nhầy). Đó là một lớp vật chất dạng keo, có độ dày bất định.

Vỏ nhầy có hai loại, vỏ nhầy lớn và vỏ nhầy nhỏ. Vỏ nhầy lớn có chiều dày lớn hơn 0,2 mm nên thấy được dưới kính hiển vi quang học. Còn vỏ nhầy nhỏ có chiều dày dưới 0,2 mm, chỉ quan sát được qua kính hiển vi điện tử.

 Một số vi khuẩn không có vỏ nhầy nhưng được bao phủ bởi một lớp dịch nhầy không giới hạn xác định và không có cấu trúc rõ ràng. Ví dụ: Chi Xanthomonas.

Một số vi khuẩn vỏ là lớp chất nhầy liên kết yếu, lớp chất nhầy này có khi có kích thước rất lớn so với kích thước tế bào, ví dụ Leuconostoc mesenteroides trong hải sâm.

Một số khác lớp vỏ nhầy có liên kết vững chắc, dính sát vào vách tế bào, trong trường hợp này, vỏ nhầy được gọi là giáp mô, có kích thước mỏng (Microcapsula) hay dày (Macrocapsula). Trong điều kiện tự nhiên ở các tế bào ký sinh bắt buộc nhất thiết xuất hiện giáp mô trong cơ thể vật chủ. Giáp mô bảo vệ vi khuẩn khỏi các yếu tố chống vi khuẩn của cơ thể vật chủ. Khả năng bảo vệ vi khuẩn phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hóa học chủ yếu của giáp mô và độ thẩm thấu của nó.

Thành phần hóa học chủ yếu của vỏ là polyglycozit (chủ yếu ở cầu khuẩn) và polypeptit (chủ yếu ở Bacillus). Ở Mycobacterium màng ngoài cấu tạo từ lipid dạng sáp. Hơn nữa màng lipid này phủ tế bào từ ngoài ở Mycobacterium ovis, M. tuberculosis, M. bovis và như được thẩm hút vào vách tế bào như M. avium      

Công dụng của vỏ nhầy là để bảo vệ tế bào vi khuẩn và là nơi tích lũy chất dinh dưỡng của vi khuẩn. Ví dụ phế cầu khuẩn Streptococcus pneumoniae khi có vỏ nhầy sẽ không bị bạch cầu thực bào, còn nếu mất vỏ nhầy sẽ bị thực bào mau lẹ.

Nhuộm vỏ nhầy là phương pháp làm tiêu bản âm bằng cách trộn vi khuẩn với mực tàu.

Một số vi khuẩn, khi môi trường nuôi cấy cạn dần chất dinh dưỡng vi khuẩn tiêu thụ đến chất dinh dưỡng có trong vỏ nhầy, làm cho vỏ nhầy tiêu biến dần đi.

Phần lớn thành phần hóa học của vỏ nhầy là nước (98%) và polysaccarit.

Vi khuẩn có vỏ nhầy sẽ cho khuẩn lạc tròn ướt, láng trơn, còn vi khuẩn không có vỏ nhầy hoặc dịch nhầy sẽ tạo thành khuẩn lạc khô xù xì. Còn các lớp vi khuẩn có lớp dịch nhầy nhớt sẽ cho những khuẩn lạc nhầy nhớt.

9. Tiêm mao (Flagella) và nhung mao (pilus hay fimbria)

Một số loại vi khuẩn có khả năng di động một cách chủ động nhờ những cơ quan đặc biệt gọi là tiêm mao (flagella từ tiếng La Tinh có nghĩa là cái roi) hay còn gọi là tiêm mao (tricha, trichos).

Vi khuẩn có thể có tiêm mao hoặc không có tiêm mao tùy từng chi. Tiêm mao là những sợi nguyên sinh chất rất mảnh, rộng khoảng 0,01-0,05 mm, cấu tạo từ các sợi protein bện xoắn vào nhau. Các sợi protein này khác với protein màng và có tính kháng nguyên H. Trên bề mặt thành tế bào các sợi protein này liên kết với các protein khác của vách tế bào. Phần lõi của tiêm mao gắn chặt với nền vách tế bào và màng nguyên sinh chất bởi một (ở vi khuẩn Gram dương) hoặc hai (ở vi khuẩn Gram âm) đôi vòng nhẫn. Nhờ vòng nhẫn này xoay, tiêm mao quay quanh trục của nó và làm cho vi khuẩn di động. Nguồn năng lượng này nhờ ATP hoặc thế năng điện hóa học trong và ngoài màng. Nhiệm vụ chính của tiêm mao là giúp cho vi khuẩn di dộng một cách chủ động.

Tùy theo số lượng của tiêm mao người ta chia vi khuẩn thành các loại sau:               

-                      Không có tiêm mao (vô mao khuẩn), không di động một cách chủ động được.

-                      Tiêm mao mọc ở đỉnh: một tiêm mao mọc ở một đỉnh (đơn mao khuẩn). Ví dụ: vi khuẩn Xanthomonas campestris.

-                      Có thể là một chùm tiêm mao mọc ở đỉnh (chùm mao khuẩn). Ví dụ: Pseudomonas solanacearum.

-                      Mỗi đỉnh có một chùm tiêm mao. Ví dụ: Spirillum volutans.

-                      Tiêm mao mọc xung quanh (chu mao khuẩn): Ví dụ: Escherichiae,...

Cấu tạo của tiêm mao

Nhờ kính hiển vi điện tử, chúng ta có thể quan sát được cấu tạo các tiêm mao của vi khuẩn. Tiêm mao xuất phát từ lớp ngoại nguyên sinh chất, phía bên trong màng nguyên sinh chất.

Gốc tiêm mao có hai hạt: gốc có đường kính 40 nm, kế đó là các móc để tiêm mao đính vào tế bào vi khuẩn, đường kính của móc lớn hơn đường kính của tiêm mao. Quan sát một số tế bào vi khuẩn. Ví dụ: như xoắn thể (Spirillum), tiêm mao do nhiều sợi nhỏ xoắn lại với nhau.

Tốc độ và kiểu di động của vi khuẩn không giống nhau tùy loài và tùy vị trí của tiêm mao. Các loại vi khuẩn có tiêm mao mọc ở một đầu có tốc độ di chuyển mạnh mẽ nhất (60 -120 mm/giây). Nhìn chung các loài vi khuẩn khác di chuyển chậm hơn khoảng 2 - 10 mm/giây. Vi khuẩn có tiêm mao ở một đầu di chuyển theo một hướng rõ rệt, nhưng vi khuẩn tiêm mao chu mao thì lại di chuyển theo một kiểu quay lung tung.

Sự có mặt hay không và số lượng, vị trí tiêm mao là một yếu tố để định tên của vi khuẩn. Có nhiều vi khuẩn giống hệt nhau về hình thái nhưng khác nhau về khả năng di động hoặc về vị trí sắp xếp của tiêm mao.

Tuy nhiên, điều kiện môi trường và thời gian nuôi cấy có thể ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng di động của các loài vi khuẩn có tiêm mao. Nhiệt độ cao quá hoặc thấp quá, pH môi trường, nồng độ muối, nồng độ đường, sự có mặt của chất độc, các sản phẩm trao đổi chất của bản thân vi khuẩn, tác động của năng lượng bức xạ,... không những ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển mà còn làm đình chỉ hẳn sự di chuyển của vi khuẩn.

Đối với vi khuẩn không có tiêm mao, trong môi trường lỏng chúng vẫn có thể chuyển động hỗn loạn do hiện tượng va chạm không ngừng của các phân tử vật chất trong chất lỏng (chuyển động Brown).

Ngoài tiêm mao, một số vi khuẩn còn có sợi pili, đó là những sợi tiêm mao rất ngắn và mảnh khoảng 0,3-1mm, đường kính khoảng 0,01 mm và thường có khoảng 100-400 sợi trên một tế bào. Pili không phải là cơ quan di động mà là phương tiện giúp cho vi khuẩn bám được tốt trên bề mặt của cơ chất. Pili còn có thể tham gia vào quá trình dinh dưỡng của vi khuẩn, giúp cho bề mặt tế bào hấp thu chất dinh dưỡng lên rất nhiều lần.

Ngoài ra ở một số vi khuẩn có một số sợi pili (nhung mao) sinh dục có nhiệm vụ tiếp nhận các đoạn ADN từ bên ngoài vào, trong trường hợp có trao đổi tín hiệu di truyền, nhất là trong lúc hai vi khuẩn tiếp hợp nhau. Nhung mao còn là chỗ bám cho thực khuẩn thể. Số lượng nhung mao thông thường có hàng trăm nhưng nhung mao sinh dục thì chỉ có 1-5 mà thôi.

10. Nha bào và sự hình thành nha bào (spore)

Nha bào là một một kết cấu do sự biến đổi của tế bào sinh dưỡng trong một giai đoạn nào đó của quá trình sinh trưởng của vi khuẩn. Mỗi tế bào chỉ có thể tạo ra một nha bào. Thường gặp nha bào ở hai chi trực khuẩn Gram dương là Bacillus và Clotridium. Một số loài trong phẩy khuẩn (Dessulfovibrio desulfuricans), cầu khuẩn (Sarcina ureae), xoắn khuẩn (Spirillium volutans) cũng có khả năng sinh nha bào.

Nha bào của Bacillus không vượt quá chiều ngang của tế bào vi khuẩn, do đó khi vi khuẩn mang nha bào vẫn không thay đổi hình dạng. Ví dụ: Trực khuẩn gây bệnh nhiệt thán Bacillus anthracis, trực khuẩn sinh chất kháng sinh Bacillus subtillis.

Nha bào Clostridium chiều ngang của nha bào thường lớn hơn chiều ngang của tế bào vi khuẩn, nên khi mang nha bào vi khuẩn bị biến đổi hình dạng như hình thoi, hình vợt, hình dùi trống. Clostridium là loại vi khuẩn kỵ khí bắt buộc.

Dưới kính hiển vi điện tử, nha bào có nhiều lớp màng bao bọc, lớp ngoài cùng gọi là lớp màng ngoài của nha bào. Kế đó là lớp vỏ của nha bào gồm nhiều lớp, có tác dụng ngăn chặn sự thẩm thấu của nước và các chất hòa tan trong nước. Dưới đó là lớp màng trong và trong cùng là lớp khối tế bào chất có cấu tạo đồng nhất.

Nha bào không giữ nhiệm vụ sinh sản như ở các ngành vi sinh vật khác mà chỉ giữ chức năng lưu tồn mà thôi. Nha bào có khả năng lưu tồn tốt trong những điều kiện khó khăn của môi trường sống, nha bào có khả năng sống rất lâu. Người ta phát hiện có nha bào vi khuẩn trong xác sinh vật cổ đại (1000 năm) hoặc dưới đáy băng hà (3000 năm) hoặc trong quặng mỏ (250 triệu năm) đến nay vẫn còn sống.

Nhiệt độ 100⁰C, nha bào của một số loài của Bacillus có thể chịu được từ 2,5-20 giờ. Nha bào của vi khuẩn có thể chịu được 100⁰C trong 5 ngày liền. Muốn tiêu diệt nha bào của vi khuẩn phải thanh trùng ở 121⁰C trong 15-30 phút với nhiệt độ ướt hoặc 165-170 ⁰C trong 2 giờ với nhiệt độ khô.

Ngoài việc chịu được nhiệt độ khô cao, nha bào có thể chịu được khô hạn cũng như tác động của nhiều loại hóa chất, cũng như các loại tia sáng.

Trong HgCl₂ tế bào vi khuẩn chết ngay nhưng nha bào sống được đến hai giờ.

Quá trình hình thành nha bào: Các tế bào sinh nha bào khi gặp điều kiện thiếu thức ăn, hoặc có tích lũy các sản phẩm trao đổi chất có hại sẽ bắt đầu thực hiện quá trình hình thành nha bào. Về mặt hình thái học, có thể chia quá trình hình thành nha bào ra làm các giai đoạn:

-                      Hình thành những búi chất nhiễm sắc.

-                      Tế bào bắt đầu phân cắt không đối xứng, tạo ra một vùng nhỏ gọi là tiền bào tử.

-                      Tiền bào tử hình thành hai lớp màng, tăng cao tính kháng bức xạ.

-                      Lớp vỏ sơ khai hình thành giữa hai lớp màng của bào tử sau khi đã tích lũy nhiều PG và tổng hợp ADP, tích lũy canci, tính chiết quang cao.

-                      Kết thúc việc hình thành áo nha bào.

-                      Kết thúc việc hình thành vỏ nha bào. Nha bào thành thục, bắt đầu có tính kháng nhiệt.

-                      Bào nang vỡ ra, bào tử thoát ra ngoài.

Nha bào được bao bọc bởi nhiều lớp màng. Ngoài cùng là màng ngoài. Dưới đó là lớp vỏ, vỏ bào tử gồm nhiều lớp, không thấm nước. Dưới lớp vỏ là lớp màng trong của bào tử. Trong cùng là khối tế bào chất có cấu tạo đồng nhất, thành phần hóa học của nha bào: nước chiếm 40% ở dạng liên kết, nhiều ion Ca⁺², acid dipicolinic (acid này chỉ có ở nha bào).

Nha bào vi khuẩn khi chín rất khó bắt màu. Nếu nhuộm bằng các phương pháp nhuộm thông thường ta không thấy rõ bào tử. Để quan sát được nha bào ta phải dùng phương pháp nhuộm màu đặc biệt. Trước tiên dùng acid để xử lý, sau đó mới nhuộm màu. Màu của nha bào khi đó rất khó tẩy. Dùng cồn hay acid để tẩy phần còn lại của tế bào rồi nhuộm bổ sung bằng thuốc nhuộm thứ hai.

Nha bào của vi khuẩn không chứa chức năng của cơ quan sinh sản như bào tử   của sinh vật khác. Đây là hình thức sống tiềm sinh của vi khuẩn. Bào tử giúp cho vi khuẩn vượt qua những điều kiện bất lợi của ngoại cảnh. Bào tử thường được sinh ra trong điều kiện khó khăn như thiếu thức ăn, nhiệt độ và pH không thích hợp, môi trường tích lũy nhiều sản phẩm trao đổi chất có hại,... Tuy nhiên, vi khuẩn nhiệt thán, hình thành nha bào trong điều kiện có lợi nhất định: sự có mặt của oxy khí quyển, nhiệt độ thích hợp (vì vậy cấm mổ xác súc vật chết do bệnh nhiệt thán). Chính vì vậy người ta coi nha bào là hình thức tổ chức lại tế bào chất để nâng cao sức sống của vi khuẩn.

Một số nha bào đóng vai trò truyền bệnh (như than, uốn ván, hoại thư sinh hơi, ngộ độc thức ăn,...). Làm vô hoạt nha bào của một số vi khuẩn loại này là nguyên tắc để chế ra một số vaccin.

Sự nẩy mầm của nha bào: Quá trình chuyển từ trạng thái nghỉ sang tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn được gọi là quá trình nẩy mầm của nha bào. Quá trình này gồm 3 giai đoạn: hoạt hóa, nẩy mầm và sinh trưởng.