Mở đầu
Những
vi sinh vật có khả năng sinh methane
(mêtan), mẫn cảm với oxygen và có
cấu trúc màng tế bào đặc biệt đã
được biết đến từ lâu nhưng mãi đến
cuối những năm 1970 chúng mới được
nhìn nhận như đại diện của một dạng
sống thứ ba trên trái đất bên cạnh
vi khuẩn và sinh vật nhân thật, đó
là cổ khuẩn. Carl R. Woese và
cộng sự (1977) sau khi xem xét trình
tự 16S rARN nhận thấy rằng các sinh
vật nhân nguyên thuỷ (Prokaryote)
cần được chia thành hai nhóm khác
biệt nhau hoàn toàn là Vi khuẩn (Eubacteria
hay Bacteria) và Cổ khuẩn (Archaeabacteria
hay Archaea), và cùng với
các Sinh vật nhân thật (Eukarya)
làm thành ba lĩnh giới (Domains) ở
sinh vật (Hình 1). Các nghiên cứu
sâu hơn về phả hệ và đặc điểm sinh
lý sinh hoá cho thấy rằng cổ khuẩn
được tách ra từ rất sớm trong quá
trình tiến hoá, chúng không gần vi
khuẩn nhiều hơn so với sinh vật nhân
thật, do vậy tên gọi Archaea
được đề xuất thay cho
Archaeabacteria. Hiện nay cả hai
tên gọi Archaea và
Archaeabacteria đều được sử dụng
trong các tài liệu vi sinh vật, tuy
nhiên thuật ngữ Archaea chính
xác hơn vì rõ ràng cổ khuẩn không
phải vi khuẩn mà là một nhóm vi sinh
vật riêng biệt.

Hình 1.
Ba lĩnh giới của sinh vật: Vi khuẩn
(Bacteria), Cổ khuẩn (Archaea) và
Sinh vật nhân thật (Eukarya).
Cổ khuẩn là
một nhóm vi sinh vật đặc biệt
Cổ khuẩn (Archaea)
bắt nguồn từ tiếng La tinh
Archaios có nghĩa là cổ,
là một nhóm vi sinh vật có nhiều đặc
điểm rất khác biệt (Bảng 1).
Bảng 1.
Những đặc điểm khác biệt của cổ
khuẩn so với vi khuẩn và sinh vật
nhân thật
Đặc
điểm |
Vi
khuẩn (Bacteria) |
Cổ khuẩn(Archaea) |
Sinh vật nhân thật
(Eukarya) |
Thành tế
bào
|
Peptidoglycan |
Pseudo-peptidoglycan,
protein,
polysaccharid,
glycoprotein |
cellulose, carbonat,
silicat, chitin… |
Màng tế
bào |
Este-lipid |
Ete-lipid |
Este-lipid |
ARN
polymeraza (trên khuôn ADN) |
Chỉ có
một loại
4 đơn vị
2abb’
|
Có nhiều
loại
7
-
12 đơn vị |
Có ba
loại
7
-
12 đơn vị |
Ribosom |
70 S |
70 S |
80 S |
Phản ứng của ribosom với độc
tố bạch hầu |
Đề kháng |
Mẫn cảm |
Mẫn cảm |
Cũng như tế bào
vi khuẩn, tế bào cổ khuẩn (ngoại trừ
chi Thermoplasma) có thành tế
bào bên ngoài giữ chức năng bảo vệ.
Tuy nhiên, không như ở vi khuẩn,
thành tế bào của cổ khuẩn không chứa
peptidoglycan và vì thế không bị phá
huỷ dưới tác dụng của lysozym. Cổ
khuẩn có rất nhiều dạng cấu trúc
thành tế bào khác nhau. Một số cổ
khuẩn (như các loài sinh methane) có
thành tế bào cấu tạo bởi một loại
polysaccharid rất giống với
peptidoglycan được gọi là
pseudo-peptidoglycan (pseudomurein).
Chuỗi pseudo-peptidoglycan gồm các
đơn nguyên N-acetyl-glucosamin và
N-acetyl-alosamin-uronic acid (thay
cho N-acetyl-muramic acid trong
peptidoglycan). Ngoài ra, ở đây cầu
nối glycosid
b1-3
thay thế cho cầu nối glycosid
b1-4
ở peptidoglycan. Một số cổ khuẩn
khác lại hoàn toàn không có cả
peptidoglycan và
pseudo-peptidoglycan trong thành tế
bào mà thay vào đó là hỗn hợp gồm
polysaccharid, glycoprotein hoặc
protein. Ví dụ như các loài
Methanosarcina (cổ khuẩn sinh
methane) có thành tế bào là một lớp
polysaccharid dày cấu tạo từ
glucoza, glucuronic acid,
galactosamin và acetat. Các loài cổ
khuẩn ưa mặn cực đoan (extreme
halophiles) như là Halococcus
có thành tế bào tương tự như
Methanosarcina nhưng chứa nhiều
hợp chất có nhóm sulfat giống như
chondroitin sulfat ở tổ chức liên
kết của động vật. Dạng cấu trúc
thành tế bào phổ biến nhất ở cổ
khuẩn là lớp paracrystallin bề mặt
(S-layer) gồm protein hay
glycoprotein. Cấu trúc này được tìm
thấy ở các đại diện thuộc tất cả các
nhóm cổ khuẩn, từ ưa mặn cực đoan
(extremely halophilic), ưa nhiệt cực
đoan (extremely thermophilic) và cả
các loài sinh methane. Đặc biệt các
chi Methanospirillum và
Methanothrix (cổ khuẩn sinh
methane) có cấu trúc thành tế bào vô
cùng phức tạp. Các loài thuộc hai
chi này mọc thành chuỗi dài gồm
nhiều tế bào, ở giữa mỗi cặp tế bào
có một lớp đệm dày và toàn bộ cấu
trúc chuỗi đó lại được bọc kín trong
một lớp paracrystallin bề mặt.
 |
Hình 2.
Lipid
trong màng tế bào của cổ
khuẩn (ete-lipid) khác
với của vi khuẩn và sinh
vật nhân thật
(este-lipid) |
Thành phần và cấu
trúc lipid của màng tế bào là một
trong những đặc điểm nổi bật phân
biệt cổ khuẩn và hai nhóm còn lại.
Trong khi ở vi khuẩn và sinh vật
nhân thật cầu nối acid béo-glycerol
trong lipid màng tế bào là liên kết
este (ester) thì ở cổ khuẩn lại là
liên kết ete (ether) (Hình 2). Acid
béo trong este-lipid thường là các
phân tử ngắn, mạch thẳng. Trái lại,
acid béo trong ete-lipid là các phân
tử mạch dài, phân nhánh, thuộc cả
hai dạng phytanyl (C20-cacbuahydro
tổng hợp từ isopren) và biphytanyl
(C40). Do chỉ có ở cổ
khuẩn và không bị biến đổi dưới
nhiệt độ cao nên isopren-lipid được
lấy làm chất chỉ thị của cổ khuẩn
hoá thạch.
Enzyme polymeraza
thực hiện quá trình sao mã trên
khuôn ADN (DNA-dependent RNA
polymerase) ở ba lĩnh giới sinh vật
cũng có nhiều điểm khác nhau. Vi
khuẩn chỉ có một loại ARN-polymeraza
có cấu trúc không gian đơn giản, gồm
bốn chuỗi polypeptid 2a,
1b,
1b’
và một nhân tố
s
không cố định. Cổ khuẩn có nhiều
loại ARN-polymeraza, cấu trúc mỗi
loại lại phức tạp hơn nhiều so với
ARN-polymeraza vi khuẩn.
ARN-polymeraza của cổ khuẩn sinh
methane và các loài ưa mặn
(halophilic) gồm tám chuỗi
polypeptid (5 chuỗi dài và 3 chuỗi
ngắn). ARN-polymeraza ở cổ khuẩn ưa
nhiệt cao (hyper-thermophilic) lại
phức tạp hơn, gồm ít nhất 10 chuỗi
peptid. Polymeraza thực hiện quá
trình tổng hợp ARN thông tin (mARN)
ở sinh vật nhân thật gồm 10-12 chuỗi
polypeptid có kích thước tương tự
như ở ARN-polymeraza của cổ khuẩn ưa
nhiệt cao. Ngoài ra, sinh vật nhân
thật còn có hai loại ARN-polymeraza
khác nữa đặc hiệu cho quá trình tổng
hợp ARN của ribosom (rARN) và ARN
vận chuyển (tARN). Như vậy chất
kháng sinh rifampicin có tác dụng ức
chế đơn vị
b
của polymeraza chỉ có hiệu quả đối
với vi khuẩn vì cổ khuẩn và sinh vật
nhân thật không có loại polymeraza
này.
Với những điểm
khác biệt trong trình tự 16S rARN
cũng như cấu trúc ARN-polymeraza,
hiển nhiên bộ máy sinh tổng hợp
protein của ba lĩnh giới sinh vật
cũng sẽ không đồng nhất. Tuy có kích
thước của ribosom giống với vi khuẩn
(70S) nhưng cổ khuẩn lại có nhiều
bước trong quá trình sinh tổng hợp
protein rất giống với sinh vật nhân
thật (80S ribosom). Nhiều chất kháng
sinh ức chế quá trình sinh tổng hợp
protein ở vi khuẩn lại không có hiệu
lực đối với cổ khuẩn và sinh vật
nhân thật (Bảng 2). Ngoài ra, tương
tự như ở sinh vật nhân thật, nhân tố
kéo dài EF-2 trong ribosom ở cổ
khuẩn có phản ứng với độc tố bạch
hầu, một loại độc tố vô hại đối với
vi khuẩn. Tuy nhiên nhân tố EF-2 ở
cổ khuẩn mang tính đặc hiệu cao,
nhân tố này hoàn toàn không hoạt
động trong môi trường ribosom của vi
khuẩn hoặc sinh vật nhân thật. Các
thí nghiệm lai ribosom in vitro
cho thấy ribosom ghép giữa đơn vị
lớn (50S) của cổ khuẩn và đơn vị nhỏ
(40S) của sinh vật nhân thật vẫn
thức hiện chức năng giải mã một cách
bình thường, trong khi đó việc ghép
tương tự giữa vi khuẩn và sinh vật
nhân thật lại hoàn toàn không tương
thích. Như vậy cấu trúc bộ máy sinh
tổng hợp protein của cổ khuẩn có
nhiều điểm tương đồng với sinh vật
nhân thật hơn là với vi khuẩn.
Giống như vi
khuẩn, cổ khuẩn có một nhiễm sắc thể
dạng vòng, tuy nhiên genom của cổ
khuẩn thường nhỏ hơn nhiều so với
genom của vi khuẩn. Chẳng hạn ADN
của Escherichia coli là 2,5 x
109 Da, trong khi đó ADN
của Thermoplasma acidophilum
là 0,8 x 109 Da, hay của
Methanobacterium là 1,1 x 109
Da. Ngoài ra thành phần GC
(mol%) của ADN ở cổ khuẩn dao động
trong phạm vi rất lớn, từ 21 đến 68
%, chứng tỏ tính đa dạng của cổ
khuẩn. So sánh trình tự đầy đủ của
genom ở cổ khuẩn Methanococcus
jannaschi với genom của vi khuẩn
và sinh vật nhân thật cho thấy 56%
trong 1738 gen không tương đồng.
Bảng 2. Tính
mẫn cảm của đại diện ba lĩnh giới
sinh vật đối với các chất ức chế quá
trình sinh tổng hợp protein
Chất kháng sinh |
Tác dụng ức chế |
Cổ khuẩn |
Vi khuẩn |
Sinh vật nhân thật |
Methano-bacterium |
Sulfo-lobus |
Escheri-chia coli |
Saccharomyces
cerevisae |
Cycloheximid |
Ức chế bước khởi đầu |
- |
- |
- |
+ |
Virginiamycin, pulvomycin |
Ức chế bước kéo dài |
+ |
- |
+ |
- |
Neomycin, puromycin |
Dừng tổng hợp sớm |
+ |
+ |
+ |
+ |
Rifamycin |
Ức chế
enzyme ARN polymeraza |
- |
- |
+ |
- |
Erythromycin, streptomycin,
chloramfenicol |
Tăng tần số mắc lỗi và một
số hiệu ứng khác |
- |
- |
+ |
- |
Các hình thức dinh dưỡng ở cổ
khuẩn
Cổ khuẩn có nhiều hình thức dinh
dưỡng: hoá dưỡng hữu cơ
(chemoorganotrophy), hoá dưỡng vô cơ
(chemolithotrophy), tự dưỡng
(autotrophy), hay quang hợp
(phototrophy). Hoá dưỡng hữu cơ là
hình thức dinh dưỡng của nhiều loài
cổ khuẩn, tuy nhiên các chu trình
phân giải chất hữu cơ thường có một
số điểm khác biệt so với vi khuẩn.
Cổ khuẩn ưa mặn (halophiles) và ưa
nhiệt cực đoan (extreme
thermophiles) phân giải glucoza theo
một dạng cải biên của con đường
Entner-Doudoroff (E-D). Nhiều loài
cổ khuẩn lại có khả năng sản sinh ra
glucoza từ các chất ban đầu không
phải là hydratcarbo
(gluconeogenesis) thông qua các bước
đảo ngược của quá trình glycolysis
(con đường Embden-Meyerhof). Oxygen
hoá acetat thành CO2 được
thực hiện qua chu trình TCA (đôi khi
với một số thay đổi trong các bước
phản ứng), hoặc qua con đường
acetyl-CoA (Ljungdahl-Wood). Các
thành phần của chuỗi vận chuyển điện
tử như ở vi khuẩn đều được tìm thấy
ở cổ khuẩn, trong đó cytochrom-a,
-b và
-c có ở các loài ưa mặn cực
đại, cytochrom-a
có ở một số loài ưa nhiệt cao. Mô
phỏng dựa trên chuỗi chuyển điện tử
ở phần lớn cổ khuẩn cho thấy chúng
thu nạp điện tử từ chất cho vào
chuỗi ở nấc thang NADH, oxygen hoá
chất nhận điện tử cuối cùng là O2,
S0 hay một số chất khác,
đồng thời tạo ra lực đẩy proton
(proton motiv force) để tổng hợp ATP
nhờ bộ máy ATPaza khư trú trong màng
tế bào. Hoá dưỡng vô cơ khá phổ biến
ở cổ khuẩn, trong đó hydro thường
được sử dụng làm chất cho điện tử.
Tự dưỡng đặc biệt phổ biến
ở cổ khuẩn và diễn ra dưới nhiều
hình thức khác nhau. Ở cổ khuẩn sinh
methane và cổ khuẩn hoá dưỡng vô cơ
ưa nhiệt cao CO2 được
chuyển hoá thành các hợp chất hữu cơ
qua con đường acetyl-CoA, trong đó
một số loài có cải biên ở các bước
phản ứng khác nhau. Một số loài cổ
khuẩn khác (như Thermoproteus)
cố định CO2 theo chu
trình citric acid đảo ngược, tương
tự như ở vi khuẩn lam lưu huỳnh. Mặc
dù các loài cổ khuẩn ưa nhiệt cực
đoan đều thực hiện hình thức dinh
dưỡng hữu cơ nhưng nhiều loài vẫn có
khả năng cố định CO2 và
thực hiện quá trình này theo chu
trình Calvin, tương tự như ở vi
khuẩn và sinh vật nhân thật.
Khả năng quang hợp có ở một
số loài cổ khuẩn ưa mặn cực đoan,
tuy nhiên khác với vi khuẩn, quá
trình này được thực hiện hoàn toàn
không có sự tham gia của chlorophill
hay bacteriochlorophill mà nhờ một
loại protein ở màng tế bào là
bacteriorhodopsin kết gắn với phân
tử tương tự như carotenoid có khả
năng hấp phụ ánh sáng, xúc tác cho
quá trình chuyển proton qua màng
nguyên sinh chất và sử dụng để tổng
hợp ATP. Tuy nhiên, bằng hình thức
quang hợp này cổ khuẩn ưa mặn cực
đoan chỉ có thể sinh trưởng với tốc
độ thấp trong điều kiện kỵ khí, khi
môi trường thiếu chất dinh dưỡng hữu
cơ.
Môi trường sống của cổ khuẩn và
giả thuyết về hình thành sự sống
trên trái đất
Cổ khuẩn được biết đến như những vi
sinh vật thích nghi với các môi
trường có điều kiện cực đoan
(extreme) như nhiệt độ cao
(thermophilic), nơi lạnh giá
(psychrophilic), nồng độ muối cao
(halophilic) hay độ acid cao
(acidophilic) v.v. Đó cũng là một lý
do giải thích tại sao cổ khuẩn lại
khó được phân lập và nuôi cấy trong
điều kiện phòng thí nghiệm. Trong
giới sinh vật, cổ khuẩn có các đại
diện cư trú ở các điều kiện nhiệt độ
cao hơn cả (Bảng 3, Hình 3), nhiều
loài có thể sống ở nhiệt độ trên 100
°C
dưới áp suất cao như ở các miệng núi
lửa dưới đáy đại dương. Cơ chế thích
nghi của tế bào vi sinh vật với
nhiệt độ cao như vậy còn đang được
nghiên cứu. Ở cổ khuẩn, một số
phương thức thích nghi với nhiệt độ
cao được biết đến như tác dụng của
enzyme gyraza trong việc bảo vệ cấu
trúc xoắn của ADN dưới tác động của
nhiệt, hay ete-lipid, nhất là C40-lipid
trong màng tế bào của cổ khuẩn, giúp
làm tăng đô bền vững của màng. Tuy
nhiên cổ khuẩn không chỉ sống ở các
môi trường cực đoan. Ngoài đại dương
cổ khuẩn tồn tại với một số lượng
lớn. Trên đất liền các loài cổ khuẩn
sinh methane ưa ấm có mặt ở nhiều
môi trường khác nhau, như các bể lên
men chất thải hữu cơ, các chân ruộng
lúa ngập nước, đường tiêu hoá của
động vật v.v.
Bảng 3.
Nhiệt độ phát triển cao nhất của các
đại diện sinh vật trên trái đất
Cá
38
°C
Côn
trùng
50
Động vật đơn bào
50
Tảo
56
Nấm
60
Vi khuẩn thường
90
Cổ
khuẩn 113
Khả năng thích nghi đối với các điều
kiện sống cực đoan của cổ khuẩn là
cơ sở để giả thuyết rằng chúng là
những sinh vật sống đầu tiên xuất
hiện trên trái đất. Trái đất của
chúng ta trong thời kỳ đầu có nhiệt
độ rất cao, khoảng 100
°C trở lên, chứa nhiều ammon
và khí methane trong khí quyển, do
vậy những dạng sống đầu tiên phải là
các sinh vật yếm khí và ưa nhiệt cao
(hyper-thermophiles). Với các đặc
điểm sinh lý như tính ưa nhiệt, sống
kỵ khí, sử dụng các chất hữu cơ và
vô cơ là nguồn năng lượng, các loài
cổ khuẩn ưa nhiệt cao có lẽ phù hợp
với dạng sống nguyên thuỷ mô phỏng
theo điều kiện của trái đất trong
thời kỳ đầu. Trong thực tế, chất chỉ
thị mạch isoprene-lipid thành phần
màng tế bào của cổ khuẩn được tìm
thấy trong các lớp trầm tích có tuổi
là 3,8 tỷ năm. Các nghiên cứu dựa
trên trình tự 16S rARN cho thấy cổ
khuẩn, đặc biệt là nhóm cổ khuẩn ưa
nhiệt cao, tiến hoá chậm hơn đáng kể
so với vi khuẩn và sinh vật nhân
thật. Tuy nhiên tốc độ tiến hoá chậm
của cổ khuẩn so với hai lĩnh giới
còn lại có thể do môi trường sống
khắc nghiệt của chúng tạo ra. Cho
đến nay câu hỏi về nguồn gốc sự sống
và vai trò của cổ khuẩn trong đó vẫn
còn đang tiếp tục được tranh luận.
Hình 3.
Một
trong những nơi đầu tiên cổ khuẩn
được tìm thấy: suối nước nóng
trong công viên Quốc gia Yellowstone
(Mỹ).
Phả hệ cổ khuẩn
dựa trên trình tự 16S rARN
Dựa trên so sánh
trình tự 16S rARN các đại diện cổ
khuẩn đã phân lập được chia thành
hai nhóm chính là Euryarchaeota
và Crenarchaeota (Hình 4,5).
Euryarchaeota là nhóm cổ
khuẩn được biết rõ nhất, bao gồm
nhiều loài sinh methane, cổ khuẩn ưa
mặn, khử sulfat (Archaeoglobales),
Thermoplasmalates và
Thermococcales. Nhóm
Crenarchaeota gồm ba lớp
Desulfococcales, Sulfolobales
và Thermoproteales. Sau này
nhóm cổ khuẩn Korarchaeota
được đề xuất thêm (Hình 6), tuy
nhiên chỉ dựa trên các trình tự 16S
rADN có được từ các mẫu ADN tách
trực tiếp từ môi trường chứ chưa có
đại diện nào được phân lập và nuôi
cấy trong phòng thí nghiệm.

Hình
4.
Các đại diện của
hai nhóm cổ khuẩn Crenarchaeota
và Euryarchaeota.

Hình 5.
Hình thái một số đại diện của hai
nhóm cổ khuẩn Euryarchaeota
và Crenarchaeota
 |
 |
Hình
6 Mối liên quan phả hệ
của ba nhóm cổ khuẩn
Euryarchaeota và
Crenarchaeota và
Korarchaeota |
Hình
7
Nanoarchaeum equitans
(cầu khuẩn nhỏ) trên bề mặt
Ignicoccus sp. (cầu
khuẩn lớn) |
Gần đây (2002),
nhóm nghiên cứu của giáo sư Stetter,
một trong những nhà nghiên cứu cổ
khuẩn hàng đầu thế giới, công bố sự
hiện diện của nhóm cổ khuẩn thứ tư,
Nanoarchaeota, gồm những cổ
khuẩn có kích thước rất nhỏ với một
đại diện duy nhất được tìm thấy là
Nanoarchaeum equitans (Hình
7). Loài cổ khuẩn này có tế
bào hình cầu, đường kính 400 nm,
sống bám trên bề mặt tế bào của một
loài cổ khuẩn mới Ignicoccus
sp., phân lập từ mẫu nước nóng ở độ
sâu 106 m dưới đáy biển. Đây là một
loài ưa nhiệt cực đoan, phát triển ở
nhiệt độ tối ưu 75-98
°C. Nhiều
trình tự 16S rARDN trực tiếp có được
từ môi trường có nhiệt độ cao cũng
khẳng định sự tồn tại và khác biệt
của nhóm Nanoarchaeota so với
các nhóm cổ khuẩn còn lại.
Đa dạng và các
nhóm cổ khuẩn đại diện
Xét về các đặc
điểm sinh lý, cổ khuẩn có thể phân
thành bốn nhóm chính là sinh methane
(methanogens), cổ khuẩn ưa nhiệt cao
(hyper-therrmophiles), cổ khuẩn ưa
mặn (halophiles) và cổ khuẩn ưa acid
(acidophiles) thuộc lớp
Thermoplasmatales với nhiều đại diện
đã được phân lập và nghiên cứu trong
phòng thí nghiệm (Hình 8).

Hình 8.
Đại diện các
nhóm cổ khuẩn chính
Cổ khuẩn sinh
methane (methanogens)
Trong cổ khuẩn, các
loài sinh methane làm thành một nhóm
lớn và đa dạng với các đặc điểm
chung là (1) tạo khí methane như sản
phẩm cuối cùng của chu trình trao
đổi năng lượng và (2) sống kỵ khí
bắt buộc. Cổ khuẩn sinh methane thu
năng lượng cho quá trình sinh trưởng
từ việc chuyển hoá một số chất thành
khí methane. Nguồn cơ chất chủ yếu
của các vi sinh vật này là hydro,
format và acetat. Ngoài ra, một số
hợp chất C1 như metanol,
trimethylamin, dimethylsulfid và
rượu như isopropanol, isobutanol,
cyclopentanol, etanol cũng được sử
dụng làm cơ chất (Bảng 4).
Quá trình sinh
methane ở cổ khuẩn có thể coi như là
quá trình hô hấp kỵ khí, trong đó
chất nhận điện tử là CO2
hoặc nhóm methyl trong các hợp chất
C1 và acetat. Tuy nhiên,
như ta thấy trong bảng 4, năng lượng
được giải phóng ra trong các phản
ứng tạo methane đều rất nhỏ. Để so
sánh ta có thể lấy năng lượng giải
phóng từ phản ứng oxygen hoá glucoza
bằng oxygen C6H12O6
+ 6 O2
® 6 CO2
+ 6 H2O (∆G0’
=
-2870
kJ/mol). Là những sinh vật duy nhất
có khả năng tạo ra khí methane, cổ
khuẩn sinh methane có những enzyme
và coenzyme thiết yếu cho quá trình
tổng hợp methane và đóng vai trò chỉ
thị cho nhóm, ví dụ như coenzyme F420
và coenzyme M. Sự hiện diện của
coenzyme F420 khiến cho
các tế bào của cổ khuẩn sinh methane
có tính tự phát sáng dưới ánh đèn
huỳnh quang (bước sóng 350-420
nm). Mặc dù hiện tượng tự phát sáng
này có thể mạnh, yếu, hay đôi khi
mất hẳn, tuỳ thuộc vào các pha sinh
trưởng của tế bào, nhưng đó vẫn là
một đặc điểm đơn giản và tiện lợi để
nhận biết cổ khuẩn sinh methane dưới
kính hiển vi. Bên cạnh đó, trình tự
acid amin trong các chuỗi peptid của
coenzyme M cũng được dùng để phân
loại cổ khuẩn sinh methane. Những
nghiên cứu trong lĩnh vực này cho
thấy sự tương đồng giữa cây phân
loại dựa trên trình tự 16S rARN và
cây phân loại dựa trên trình tự acid
amin của các đơn vị
a và
b trong
coenzyme M.
Bảng 4. Phản
ứng tạo methane trên các cơ chất
khác nhau và năng lượng được giải
phóng từ đó
Phản
ứng sinh methane |
Năng
lượng được giải phóng
DG0’
(kJ/
methane) |
4H2
+ CO2
®
CH4 + 2H2O |
-135,6 |
4 Format
®
CH4 + 3CO2
+ 2H2O |
-130,1 |
4
Isopropanol + CO2
®
CH4 + 4 Aceton +
2H2O |
-
36,5 |
2 Etanol
+ CO2
®
CH4 + 2 Acetat |
-116,3 |
Metanol +
H2
®
CH4 + H2O |
-112,5 |
4 Metanol
®
3CH4 + CO2
+ 2H2O
|
-104,9 |
4
Methylamin + 2H2O
®
3CH4 + CO2
+ 4NH4+
|
-
75,0 |
2
Dimethylamin + 2H2O
®
3CH4 + CO2
+ 2 NH4+ |
-
73,2 |
4
Trimethylamin + 6H2O
®
9 CH4 + 3CO2
+ 4 NH4+ |
-
74,3 |
2
Dimethylsulfid + 2H2O
®
3CH4 + CO2
+ H2S |
-
73,8 |
Acetat
®
CH4 + CO2 |
-
31,0 |
Những
nơi thông thường có thể tìm thấy cổ
khuẩn sinh methane là các bể lên men
hữu cơ kỵ khí, các lớp trầm tích
thiếu oxygen, đất ngập úng và hệ
đường ruột của động vật. Khi ở dạng
chủng đơn cổ khuẩn sinh methane rất
nhạy cảm với oxygen, tuy vậy trong
tự nhiên chúng có thể tồn tại ở môi
trường hiếu khí nhờ được bao bọc và
bảo vệ bởi các vi sinh vật hiếu khí
và kỵ khí khác. Trong môi trường kỵ
khí, cổ khuẩn sinh methane phải cạnh
tranh về cơ chất, đặc biệt là hydro
và acetat, với các nhóm vi sinh vật
sử dụng chất nhận điện tử có hiệu
điện thế khử dương tính hơn so với
CO2 như là nitơrat,
sulfat và ôxit sắt III. Như vậy cổ
khuẩn sinh methane sẽ chiễm lĩnh các
môi trường nơi không có nhiều các
loại chất nhận điện tử tiềm năng
này. Do không có khả năng sử dụng
rộng rãi các loại cơ chất khác nhau,
trong tự nhiên cổ khuẩn sinh methane
thường phải phụ thuộc vào các loài
vi khuẩn lên men vì chúng chuyển hoá
đa dạng chất hữu cơ thành các acid
hữu cơ, hydro, format và acetate,
trong đó hydro, format và acetate là
nguồn thức ăn trực tiếp cho cổ khuẩn
sinh methane, còn các acid hữu cơ
sản phẩm của quá trình lên men như
propyonat, butyrate thì cần phải
được một nhóm vi khuẩn khác chuyển
hoá thành cơ chất thích hợp rồi mới
đến lượt cổ khuẩn chuyển thành khí
methane. Có hai hình thức cộng sinh:
bắt buộc và không bắt buộc. Trong
hình thức cộng sinh giữa cổ khuẩn
sinh methane và vi khuẩn lên men,
chỉ có cổ khuẩn phụ thuộc vào mối
liên hệ này do nhu cầu về thức ăn
còn các hoạt động trao đổi chất của
chúng hoàn toàn không có ảnh hưởng
gì tới các vi khuẩn lên men, vì thế
hình thức này được gọi là cộng sinh
không bắt buộc.
 |
Hình 9 : Cộng sinh
giữa
Methanobrevibacter
(tế bào trực khuẩn)
và
Synthrophobacter (tế
bào hình oval). |
Cộng sinh bắt
buộc diễn ra giữa cổ khuẩn sinh
methane và một nhóm vi khuẩn cộng
sinh bắt buộc, trong đó cả đôi bên
cùng cần đến nhau, ví dụ như hiện
tượng cộng sinh giữa
Methanobrevibacter và
Synthrophobacter (Hình 9). Nhóm
vi khuẩn cộng sinh trong mối liên
kết này oxygen hoá acid hữu cơ như
propionate, các acid có mạch carbon
dài hơn, các hợp chất thơm và chuyển
điện tử sang proton hay CO2,
tạo thành hydro hay format tương
ứng. Nhóm vi khuẩn cộng sinh này chỉ
có thể thực hiện được trao đổi chất
khi nồng độ hydro và format trong
môi trường xung quanh được giữ ở mức
rất thấp, và nhiệm vụ đó do cổ khuẩn
sinh methane đảm nhiệm. Các loài
sinh methane thường có mặt trong mối
liên kết cộng sinh bắt buộc là
Methanoplanus endosymbiosus, các
loài Methanobrevibacter, và
Methanobacterium formicicum.
Ở một số môi
trường đặc biệt như các suối nước
nóng hay các tầng nham thạch núi lửa
cổ khuẩn sinh methane thường có mặt
với số lượng lớn. Trong trường hợp
này chúng sống tự do, không phụ
thuộc vào các vi sinh vật khác vì
nguồn cơ chất chủ yếu được sử dụng ở
đây là hydro, sản phẩm có được từ
con đường lý hoá chứ không qua con
đường sinh học.
Hiện nay tổng số
cổ khuẩn sinh methane được biết đến
là 50 loài thuộc 19 chi, sáu họ và
ba lớp (Bảng 5 và 6). Sự phân loại
này dựa trên trình tự 16S rARN hiện
có, tuy nhiên chúng ta có thể hình
dung được rằng theo thời gian khi
những loài mới được biết thêm thì có
thể bảng phân loại này sẽ cần phải
thay đổi.
Bảng 5. Các
nhóm phân loại chính của cổ khuẩn
sinh methane
Lớp |
Họ |
Chi |
Methanobacteriales |
Methanobacteriaceae (T) |
Methanobacterium
(T) |
-nt- |
-nt- |
Methanobrevibacter |
-nt- |
-nt- |
Methanosphaera |
-nt- |
Methanothermaceae |
Methanothermus
(T) |
Methanococcales |
Methanococcaeae (T) |
Methanococcus
(T) |
Methanomicrobiales |
Methanosarcinaceae |
Halomethanococcus |
-nt- |
-nt- |
Methanococcoides |
-nt- |
-nt- |
Methanohalobium |
-nt- |
-nt- |
Methanohalophilus |
-nt- |
-nt- |
Methanolobus |
-nt- |
-nt- |
Methanosarcina
(T) |
-nt- |
-nt- |
Methanosaeta
(Methanothrix) |
-nt- |
Methanomicrobiacaea (T) |
Methanoculleus |
-nt- |
-nt- |
Methanogenium |
-nt- |
-nt- |
Methanolacinia |
-nt- |
-nt- |
Methanomicrobium
(T) |
-nt- |
-nt- |
Methanoplanus |
-nt- |
-nt- |
Methanospirillum |
-nt- |
Methanocorpusculaceae |
Methanocorpusculum
(T) |
T = họ/ chi chuẩn; -nt- như trên
Về hình thái, cổ khuẩn sinh methane
rất đa dạng, trong đó một số loài có
hình dạng đặc trưng dễ nhận biết
dưới kính hiển vi như
Methanosarcina,
Methanospirillum hay
Methanosaeta (Hình 10). Ngoài
ra, một trong những đặc điểm quan
trọng dùng để phân loại nhóm cổ
khuẩn này là nguồn cơ chất có thể sử
dụng để sinh methane (Bảng 6).
Họ
Methanobacteriaceae có thành tế bào
cấu tạo từ pseudomurein, vì thế bắt
mầu Gram (+).
Họ Methanobacteriaceae gồm có ba chi
là Methanobacterium,
Methanobrevibacter và
Methanosphaera. Các loài thuộc
chi Methanobacterium có tế
bào hình que hoặc hình sợi, đôi khi
tạo nhóm gồm nhiều tế bào. Tất cả
các loài thuộc chi này đều có khả
năng sinh methane từ H2 +
CO2, một số loài sử dụng. |