1. Bacillus subtilis là gì?

Bacillus subtilis, hay còn gọi là trực khuẩn subtilis, là một loại vi khuẩn hình que, gram dương thuộc nhóm vi khuẩn có lợi. Bacillus subtilis có khả năng tạo bào tử bền vững, giúp chúng tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm thấp, và ánh sáng cực tím. Với khả năng sản xuất enzyme - chất kháng khuẩn tự nhiên và hỗ trợ nhiều quá trình sinh học.

B. Subtilis (và Bacillus sub. là viết tắt của Bacillus subtilis) là một trong những vi sinh vật đầu tiên được nghiên cứu kỹ lưỡng với trình tự bộ B. subtilis gen hoàn chỉnh, mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, y học, và môi trường.

Bacillus subtilis đã được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) công nhận là an toàn (GRAS - Generally Recognized As Safe).

2. Đặc điểm sinh học của bacillus subtilis

2.1. Cấu trúc và đặc tính

Bacillus sub. có hình dạng hình que, kích thước từ 4-10 micromet. Đây là một loại vi khuẩn thuộc nhóm gram dương, với thành tế bào dày chứa peptidoglycan, giúp chúng kháng lại các điều kiện bất lợi và các tác nhân hóa học.

Ảnh minh họa Bacillus subtilis

 

2.2. Bộ gen và khả năng thích nghi

Bộ gen của B. subtilis chứa hơn 4.100 gen, trong đó có nhiều gen thiết yếu liên quan đến sản xuất enzyme, điều chỉnh môi trường sống và tạo bào tử. Hệ gen này được điều khiển bởi hệ số sigma, cho phép Bacillus subtilis thích nghi linh hoạt với các môi trường khác nhau, từ đất đai đến cơ thể sinh vật.

2.3. Tạo bào tử và màng sinh học

• Bào tử subtilis: Bacillus subtilis có khả năng tạo bào tử khi gặp điều kiện bất lợi. Bào tử này bảo vệ các vật chất di truyền và enzyme bên trong, giúp vi khuẩn tồn tại qua các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao hoặc hóa chất tác động.

Ảnh minh họa cấu tạo của bào tử B.subtilis và lát cắt qua kính hiển vi điện tử

Chú thích: Chromosome: Nhiễm sắc thể; Core: Lõi; Inner forespore membrane: Màng trong của bào tử; Cortex: Vỏ; Outer forespore membrane: Màng ngoài của bào tử; Basement layer: Lớp nền; Inner coat: Lớp vỏ trong; Outer coat: Lớp vỏ ngoài; Crust: Vỏ bọc.

 

• Màng sinh học subtilis: Vi khuẩn này cũng hình thành các màng sinh học, giúp bảo vệ chúng khỏi các tác động bên ngoài và tăng khả năng tương tác với các sinh vật khác hoặc bề mặt.

3. Ứng dụng của bacillus subtilis trong các lĩnh vực

Ứng dụng B. subtilis cho kỹ thuật di truyền, sản xuất hóa chất hoặc enzyme công nghiệp, nông nghiệp, y học và vật liệu sinh học. Công cụ CRISPR/cas9 đã được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật di truyền của B. subtilis. Loại vi khuẩn này có thể được sử dụng để sản xuất nhiều loại enzyme công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như α-amylase, xylanase, lichenase, lipase, cellulase hoặc pectinase. Nó cũng có thể được sử dụng để sản xuất các hóa chất khác nhau, chẳng hạn như riboflavin, menaquinone-7, inositol hoặc N-acetylglucosamine. Trong nông nghiệp, nó có thể được sử dụng làm phụ gia thức ăn chăn nuôi. Màng sinh học của B. subtilis có thể được sử dụng làm vật liệu sinh học trong in 3D. Trong y học, B. subtilis có thể được sử dụng để sản xuất vắc xin.

Nguồn: Microb Cell Fact 19, 173 (2020).

3.1. Ứng dụng bacillus subtilis trong nông nghiệp

Bacillus sub. được xem là một công cụ sinh học hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp nhờ khả năng:

• Cải thiện chất lượng đất: Vi khuẩn này phân giải các chất hữu cơ trong đất, cung cấp các hợp chất dinh dưỡng như axit amin và enzyme cho cây trồng hấp thụ.

• Phòng chống bệnh trên cây trồng: B. subtilis sản xuất các peptide kháng khuẩn và enzyme tiêu diệt vi khuẩn, nấm gây bệnh. Điều này giúp giảm thiểu sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật độc hại.

• Kích thích tăng trưởng cây trồng: Vi khuẩn này sản sinh các chất kích thích tăng trưởng, như auxin, giúp cây phát triển nhanh hơn và tăng năng suất.

3.2. Trong công nghiệp thực phẩm

• Sản xuất enzyme: B. subtilis là nguồn sản xuất enzyme quan trọng như amylase, protease, và lipase, được sử dụng trong chế biến thực phẩm như sản xuất bia, nước tương, và bánh mì.

• Lên men thực phẩm: Vi khuẩn này được sử dụng trong các sản phẩm thực phẩm lên men, chẳng hạn như Natto – món ăn truyền thống của Nhật Bản. Những thực phẩm này không chỉ giàu dinh dưỡng mà còn hỗ trợ tiêu hóa.

3.3. Trong y học và dược phẩm

• Chế phẩm probiotic: Bacillus sub. thường được sử dụng trong các sản phẩm probiotic, hỗ trợ cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột, tăng cường sức khỏe tiêu hóa và hệ miễn dịch.

• Nghiên cứu sinh học phân tử: Vi khuẩn này, cùng với Escherichia coli, là mô hình phổ biến để nghiên cứu biểu hiện gen, trình tự DNA, và phát triển các phương pháp điều trị y học mới.

3.4. Trong xử lý môi trường

Xử lý nước thải

• Bacillus sub. được ứng dụng trong các chế phẩm sinh học xử lý nước thải nhờ khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ và loại bỏ chất độc hại.

Cải thiện môi trường

•  Vi khuẩn này giúp giảm ô nhiễm sinh học, đồng thời cải thiện chất lượng đất và nước trong các hệ sinh thái tự nhiên.

3.5. Ứng dụng bacillus subtilis trong nuôi tôm và nuôi trồng thủy sản

3.5.1 Cải thiện chất lượng nước ao nuôi

Một trong những vấn đề lớn trong nuôi trồng thủy sản là sự tích tụ chất hữu cơ, bùn đáy, và khí độc như amoniac (NH3), nitrit (NO2-), hoặc hydro sulfide (H2S). Những khí này không chỉ gây ô nhiễm môi trường ao nuôi mà còn làm giảm năng suất nuôi trồng. Bacillus subtilis giải quyết vấn đề này bằng cách:

Vai trò ứng dụng B. subtilis trong nuôi trồng thủy sản

1. Phân hủy chất hữu cơ:

   • Bacillus subtilis sản xuất enzyme như protease, lipase, và amylase, giúp phân hủy thức ăn dư thừa, phân thải của tôm cá, và các chất hữu cơ lắng đọng ở đáy ao.

   • Quá trình này làm giảm bùn đáy, hạn chế môi trường sống cho vi khuẩn gây bệnh.

2. Giảm khí độc trong nước:

   • Bacillus subtilis sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon, giảm thiểu sự hình thành Amoniac (NH₃) và Nitrit (NO₂^-)

   • Đồng thời, vi khuẩn này cạnh tranh với vi khuẩn gây hại trong việc sử dụng các hợp chất hữu cơ, từ đó kiểm soát sự phát triển của các vi sinh vật có hại.

3. Cải thiện độ trong của nước:

   • Khi chất hữu cơ được phân hủy hiệu quả, nước ao trở nên trong hơn, tạo điều kiện tốt cho tôm cá phát triển và giảm nguy cơ bùng phát dịch bệnh.

Kết quả là môi trường ao nuôi ổn định hơn, giảm chi phí xử lý nước và tăng hiệu quả kinh tế.

3.5.2 Hỗ trợ tiêu hóa và sức khỏe của tôm cá

Khi được bổ sung vào thức ăn, Bacillus subtilis mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho sức khỏe và khả năng sinh trưởng của tôm cá:

1. Cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột:

   • Bacillus sub. giúp duy trì hệ vi sinh vật có lợi trong đường ruột, ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn gây hại như Vibrio spp., vi khuẩn thường gây các bệnh nguy hiểm cho tôm cá.

2. Tăng khả năng hấp thụ dinh dưỡng:

   • Bacillus sub. sản xuất các enzyme như cellulase và protease, hỗ trợ phân giải các chất khó tiêu hóa trong thức ăn thành các dạng dễ hấp thụ hơn.

   • Điều này giúp tôm cá tận dụng tối đa dưỡng chất từ thức ăn, tăng trọng nhanh hơn mà không cần tăng lượng thức ăn.

3. Tăng cường miễn dịch tự nhiên:

   • B. subtilis kích thích hệ miễn dịch tự nhiên của tôm cá thông qua việc sản xuất các hợp chất kháng khuẩn và kháng nấm tự nhiên.

   • Vi khuẩn này cũng giúp giảm stress cho tôm cá trong điều kiện nuôi thâm canh hoặc khi nhiệt độ, độ mặn của nước thay đổi.

3.5.3 Ứng dụng mang lại hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường

Việc sử dụng B. subtilis không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế cho người nuôi mà còn góp phần bảo vệ môi trường nuôi trồng:

• Giảm chi phí xử lý môi trường:

  • Với khả năng cải thiện chất lượng nước và giảm bùn đáy, Bacillus subtilis giảm đáng kể các chi phí liên quan đến xử lý ao nuôi và cải tạo môi trường trước các vụ nuôi mới.

• Tăng năng suất và chất lượng tôm cá:

  • Tôm cá nuôi trong môi trường ổn định, sử dụng thức ăn bổ sung Bacillus subtilis, thường lớn nhanh, ít bệnh, và đạt chất lượng cao hơn.

  • Điều này giúp người nuôi đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe của thị trường xuất khẩu, tăng giá trị kinh tế.

• Giảm tác động môi trường:

  • Việc sử dụng Bacillus subtilis thay thế cho các hóa chất xử lý nước giúp giảm ô nhiễm hóa học trong môi trường nuôi trồng và các khu vực xung quanh.

 

4. Lợi ích của bacillus subtilis đối với đời sống

4.1. Cải thiện tiêu hóa và sức khỏe đường ruột

Bacillus subtilis hỗ trợ cân bằng hệ vi sinh vật trong đường ruột, tạo điều kiện thuận lợi cho các vi khuẩn có lợi phát triển. Điều này giúp cải thiện sức khỏe tiêu hóa, tăng cường khả năng hấp thu dinh dưỡng và giảm nguy cơ mắc bệnh đường ruột.

4.2. Tăng cường hệ miễn dịch

Các peptide và enzyme do Bacillus subtilis sản xuất có khả năng kích thích hệ miễn dịch, giúp cơ thể chống lại vi khuẩn và virus gây hại.

4.3. Giảm thiểu sử dụng hóa chất độc hại

Trong nông nghiệp và công nghiệp, Bacillus subtilis thay thế các hóa chất độc hại bằng các chế phẩm sinh học an toàn, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.

5. Các sản phẩm chứa bacillus subtilis

5.1. Men vi sinh và chế phẩm sinh học

• Các sản phẩm probiotic chứa Bacillus sub. được sử dụng rộng rãi để hỗ trợ tiêu hóa và cải thiện sức khỏe đường ruột.

• Chế phẩm sinh học chứa Bacillus subtilis giúp xử lý đất và nước giúp cải thiện chất lượng nước, năng suất cây trồng và bảo vệ môi trường.

5.2. Thức ăn chăn nuôi và thủy sản

• Nhiều sản phẩm thức ăn bổ sung Bacillus subtilis đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong việc cải thiện tiêu hóa và tăng cường sức đề kháng cho gia súc, gia cầm và thủy sản. 

• Bacillus sub. hoạt động bằng cách sản xuất các enzyme như amylase, protease, và cellulase, giúp phân giải các chất dinh dưỡng khó tiêu trong thức ăn thành các hợp chất dễ hấp thụ hơn. 

• Đồng thời, vi khuẩn này giúp cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột, hạn chế sự phát triển của vi khuẩn có hại, giảm nguy cơ mắc các bệnh đường ruột phổ biến.

5.3. Chế phẩm công nghiệp

• B. subtilis là thành phần cốt lõi trong nhiều sản phẩm enzyme phục vụ công nghiệp, đặc biệt là trong chế biến thực phẩm và xử lý nước thải. 

• Các enzyme như amylase, protease, và lipase được sản xuất bởi Bacillus subtilis giúp tối ưu hóa quá trình chế biến thực phẩm, từ việc làm mềm bánh mì, sản xuất bia, đến chế biến các sản phẩm sữa.

6. Câu hỏi thường gặp về bacillus subtilis

6.1. Bacillus subtilis có tác dụng phụ không?

Bacillus sub. thường được coi là an toàn và hiếm khi gây tác dụng phụ, đặc biệt khi sử dụng theo liều lượng khuyến cáo. 

Tuy nhiên, ở một số trường hợp hiếm gặp, người dùng có thể gặp khó chịu đường ruột nhẹ như đầy hơi hoặc tiêu chảy khi bắt đầu sử dụng. 

Những tác dụng này thường tự hết sau vài ngày khi cơ thể quen với vi sinh B. subtilis.

6.2. Ai nên sử dụng Bacillus subtilis?

• Người cần cải thiện tiêu hóa: Bacillus subtilis rất hữu ích cho những người gặp vấn đề về tiêu hóa, đầy hơi hoặc mất cân bằng vi sinh vật đường ruột.
• Người nuôi tôm, cá hoặc gia súc: Sử dụng chế phẩm chứa Bacillus subtilis giúp cải thiện sức khỏe vật nuôi và tăng năng suất.
• Người tìm kiếm chế phẩm sinh học: Những người muốn cải thiện sức khỏe tổng thể hoặc tăng cường miễn dịch cũng có thể sử dụng.

6.3. Bacillus subtilis có tương tác với thuốc khác không?

B. subtilis thường không tương tác với các loại thuốc khác. Tuy nhiên, nếu đang dùng kháng sinh, vi khuẩn có lợi như B. subtilis có thể bị tiêu diệt bởi thuốc, làm giảm hiệu quả. Để tránh điều này, bạn nên sử dụng Bacillus sub. cách kháng sinh ít nhất 3-5 giờ.

6.4. Bacillus spp có phải Bacillus subtilis ?

Không. Bacillus spp không đồng nghĩa với Bacillus subtilis.

Để hiểu rõ hơn, chúng ta cùng tìm hiểu:

• Bacillus spp:

  • spp là viết tắt của species (loài) trong tiếng Latin.
  • Bacillus spp là cách viết tắt chung để chỉ tất cả các loài thuộc chi Bacillus. Chi Bacillus là một chi vi khuẩn Gram dương, hình que, có khả năng tạo bào tử.
  • Ví dụ: Ngoài Bacillus subtilis, chi Bacillus còn bao gồm nhiều loài khác như Bacillus clausii, Bacillus lichenifornis, Bacillus amyloliquefaciens, v.v... Mỗi loài có những đặc điểm sinh học, khả năng đối kháng trực tiếp và ứng dụng khác nhau.

• Bacillus subtilis:

  • Là một loài cụ thể thuộc chi Bacillus.
  • Được biết đến rộng rãi nhờ khả năng tạo bào tử, chịu được điều kiện khắc nghiệt và có nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, công nghiệp và y tế.

Tóm lại

B. Subtilis là một vi khuẩn đa năng với ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp (nuôi tôm cá, gia súc, gia cầm, trồng cây, rau cũ, ...), công nghiệp thực phẩm, y học và xử lý môi trường 

Với khả năng cải thiện môi trường, hỗ trợ sức khỏe và tăng năng suất nuôi trồng, đặc biệt là nuôi tôm cá, Bacillus subtilis không chỉ mang lại giá trị kinh tế cao mà còn góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống.