Kích thước nhỏ bé

Vi sinh vật thường là những cơ thể đơn bào, nên khi nói về kích thước của vi sinh vật cũng là nói về kích thước tế bào của chúng. Thông thường vi sinh vật có kích thước tế bào từ 1 đến 10 micromet (1 $\mu$m=10^-3mm), tùy theo chúng thuộc nhóm procaryot hay eucaryot, trong khi tế bào thực vật hay tế bào động vật có đường kính khoảng 100 $\mu$m (khoảng 1.1 – 40). Tuy nhiên với những phát hiện gần đây thì có những tế bào procaryot rất nhỏ hoặc rất lớn – lớn hơn cả tế bào eucaryot thong thường. Dưới đây là một vài số liệu về kích thước của vi khuẩn.

Nhỏ nhất và…

Điều cần nhận ra là kích thước rất nhỏ bé của vi sinh vật có những ý nghĩa rất quan trọng về hình thái học, về hoạt tính và tính linh động trong trao đổi chất, về sự phân bố sinh thái; và chúng ta phải có những phương pháp làm việc đặc biệt với chúng trong phòng thí nghiệm. Ở một góc độ khác cũng cần thấy rằng mặc dù kích thước rất nhỏ bé, vi sinh vật vẫn thực hiện rất hữu hiệu mọi chức năng mà mỗi cơ thể đa bào thực hiện: hấp thụ và tiêu hóa chất dinh dưỡng, thu nhận năng lượng, sinh tổng hợp, tích lũy chất dự trữ, tiếp nhận và xử lý các tác động của môi trường, chuyển sang giai đoạn nghỉ trong những điều kiện môi trường bất lợi.

Vi sinh vật là một hợp phần của môi trường sống

Vi sinh vật do có kích thước hiển vi và do có nhiều khả năng sinh học rất đặc biệt mà tồn tại ở hầu khắp mọi nơi trên trái đất: ngay xung quanh chúng ta (đất, nước, không khí, đồ dung, thực phẩm), và ngay trên bề mặt cơ thể, trong cơ thể chúng ta (trên da, trong xoang miệng, xoang ruột…)

Trong tự nhiên, ở những môi trường bình thường – nơi có các điều kiện thuận lợi cho hầu hết cơ thể sống (về chất dinh dưỡng, nhiệt độ, pH, oxi…) – thì có một khu hệ vi sinh vật phong phú về chủng loại và đông đúc về số lượng. Ví dụ: trong 1gam đất ở tầng canh tác có thể có tới khoảng hơn 20 tỷ vi khuẩn, vài chục triệu vi nấm, vài chục nghìn vi tảo; trên cơ thể chúng ta, trong 1cm² da của vùng trán có thể có tới bốn mươi nghìn vi khuẩn Staphylococcus epidermidis, còn ở vùng các ngón chân thì số vi khuẩn này là hơn một triệu; đó là chưa kể các vi sinh vật khác.

Đặc biệt, ở những môi trường cực trị (extreme environments), nơi mà mọi động vật và thực vật không thể tồn tại, thì vẫn có một số vi sinh vật sinh trưởng

Các môi trường cực trị ấy là những nơi có một hay nhiều điều kiện rất khắc nghiệt như nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp, pH rất axit hoặc rất kiềm, độ mặn cao, áp suất cao, nghèo dinh dưỡng, không có oxi…

Riêng về nhiệt độ, những giới hạn trên về nhiệt độ đối với cổ khuẩn (Archaea), vi khuẩn (bacteria), và vi sinh vật có nhân thật (eukaryotic microorganisms) là 113, 95, và 62^oC, theo thứ tự, trong khi đó hầu hết động vật và thực vật không thể sinh trưởng ở trên 50^oC.

Một vài ví dụ về các vi sinh vật sống trong các môi trường cực trị được nêu ra dưới đây.

• Cổ khuẩn Pyrolobus fumari có khoảng nhiệt độ sinh trưởng từ 90 đến 113^oC, trong đó nhiệt độ tối ưu ở 105^oC, sống tại các “cột khói đen” ở các vùng biển sâu trên 1000m
• Cổ khuẩn Cenarchacum symbiosum thuộc nhóm ưa lạnh (psychrophiles) sinh trưởng nhanh nhất ở nhiệt độ 15^oC hoặ ;c thấp hơn – được phân lập ở ngoài khơi bờ biển California
• Cổ khuẩn Thermoplasma volcanium sinh trưởng tối ưu ở 55^oC và pH 2, được phân lập từ các vùng có núi lửa ở nhiều nơi trên thế giới.
• Các loài cổ khuẩn Picrophilus oshimae và P. toridus thuộc nhóm cực kì ưa axit (extreme acidophile) – có pH tối ưu cho sinh trưởng là 3 hoặc thấp hơn nữa – đã được phân lập từ những vùng có núi lửa ở miền bắc Nhật Bản
• Những vi sinh vật cực kì ưa kiềm (extreme alkalophiles) sinh trưởng tối ưu ở pH 10 hoặc cao hơn. Trong số này, nhiều chủng Bacillus đã được phân lập từ các môi trường sống pH>10, như các suối kiềm và các hồ giàu cacbonat. Những chủng Bacillus này có thể sinh trưởng ở pH 11. Ngoài ra người ta cũng quan sát thấy các cơ thể giống Bacillus ở trong ruột già của một loài mối ăn đất – nơi có điều kiện rất kiềm, pH tới 12, mặc dù chưa biết rõ những cơ thể này có hoạt tính trao đổi chất hay không.
• Những vi sinh vật cực kì ưa mặn (extreme halophiles) sinh trưởng được trong khoảng nồng độ muối 2,0 – 5,2 M, với nồng độ tối ưu là 3M. Trong số này có loài cổ khuẩn Halobacterium lacusprofundi và một số loài tảo lục Dunaliella sinh trưởng ở Hồ Sâu (Deep Lake) thuộc Nam Cực – nơi có nồng độ muối 4,5M và nhiệt độ dưới 0^oC trong 8 tháng mỗi năm. Với các cực trị về nhiệt độ, độ muối, lực ion và về năng suất sản xuất bậc một (10^og.C/m²/năm) thì Hồ Sâu được coi là một trong những môi trường sống khắc nghiệt nhất trên trái đất.
• Tại các vùng biển sâu (sâu hơn 1000m), không những áp suất nước rất lớn (khoảng 1100 atm), mà nhiệt độ thì rất lạnh (<5^oC), hầu như không có ánh sáng và rất nghèo dinh dưỡng (oligotrophic). Tuy nhiên, tại các “cột khói đen” (“black smoker”) trong vùng biển sâu thì nhiệt độ lại rất cao (270-380^oC) và chất dinh dưỡng rất dồi dào. Vì thế tại vùng biển sâu có hai nhóm vi sinh vật ưa áp suất nước (barophiles) sinh trưởng: một nhóm gồm các vi khuẩn ưa lạnh – ưa áp suất hoặc cực kì ưa áp suất [psychophilic (extreme) barophilic bacteria], và một nhóm gồm các cổ khuẩn cực kì ưa nhiệt – ưa áp suất (hyperthermobarophilic archaea). Nhóm đầu chủ yếu gồm 5 chi của $\gamma$-proteobacteria: Photobacterium, Shewanella, Colwenia, Moritella, và một nhóm mới chứa chủng CNPT3, cũng như chủng DSK25 thuộc chi Bacillus. Trong nhóm thứ hai thì có Pyrococcus spp
• Các cổ khuẩn sinh metan (methanogenic Archaea, methanogens) là một nhóm ưa cực trị đặc biệt bởi sự đa dạng về các điều kiện cực trị mà các thành viên của nhóm thích ứng với:

• Một số sống ở nhiệt độ gần độ không của Nam Cực, như Methanococcoides burtonii và Methanogenium frigidum, còn số khác thì sống ở 110^oC trong các giếng thủy nhiệt (hydrothermal vents) ở đáy đại dương, như Methanopyrus kandleri, Methanothermus fervidus, Methanoremus sociabilis, Methanococcus jannaschii, và Methanococcus igneus.
• Phạm vi rộng về độ muối, từ nước ngọt đến nước biển bão hòa muối. Methanohalobium evestigatum được phân lập từ một thảm vi sinh vật ở Hồ Sivash và sinh trưởng ở pH trung tính, độ mặn cao (2,6 – 5,1 M)
• Phạm vi pH rộng, từ kiềm đến axit: Methanosalsus zhilinaeae thì ưa kiềm (pH 8,2 – 10,3), còn Methanosarcina sp. thì ưa axit (pH 4 – 5).

• Các vi sinh vật dinh dưỡng ít (oligotrophs) được hiểu là những vi sinh vật sinh trưởng trong một môi trường nghèo dinh dưỡng (chứa 0,2 – 16,8 mg cacbon hữu cơ hòa tan/L). Vi khuẩn siêu hiển vi (ultramicrobacterium) dinh dưỡng ít Sphingomonas sp.,chủng RB2256, là một trong số đó, được phân lập từ vịnh Resurrestion, Alaska.
• Deinococcus radiodurans là một vi khuẩn đề kháng bức xạ, nó có thể sống sót ở nhiệt độ chiếu xạ đủ giết chết hầu hết các loại bào tử là 3 000 000 rad (trong khi liều gây chết với người là 500 rad). Vi khuẩn này được phân lập lần đầu năm 1956 từ hộp thịt đã chiếu xạ bằng tia $\gamma$. Sau đó, các loài Deinococcus đã được tìm thấy trong bụi, trong thịt chế biến, trong dụng cụ y tế, vải, thực phẩm khô, phân động vật. Tuy vậy, chúng ta vẫn chưa biết rõ nơi sống tự nhiên của vi khuẩn này.
• Một số vi sinh vật ưa các điều kiện cực trị khác như tính độc của dung môi hữu cơ, của hydrocacbon, của kim loại nặng: Vi khuẩn Rhodococcus sp. có thể sinh trưởng trên benzene như nguồn cacbon duy nhất

• Các cổ khuẩn ưa mặn, nấm Xeromyces bisporus, và các vi sinh vật sống trong đá (endolithic microorganisms) được coi là nhóm ưa khô hạn (xerophiles) hoặc chịu được khô hạn (xerotolerants).