Vi sinh vật dạy chúng ta những gì để thích ứng với biến đổi khí hậu?

Nguồn: American Society for Microbiology

Trong thời đại biến đổi khí hậu, cuộc sống sẽ phát triển như thế nào trong một môi trường biến động nhanh chóng? Quan trọng hơn, liệu con người có thể thích nghi nhanh chóng với những biến đổi này? Những câu hỏi này thường trực trong tâm trí của nhiều người, khi những tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu, như kiểu thời tiết bất thường, nhiệt độ tăng, bão gia tăng và lũ lụt … diễn ra ngày càng nhiều. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến mọi sinh vật sống trên Trái đất, từ con người đến loài tảo Zooxanthellae nhỏ bé cư trú trong các rạn san hô. Tuy nhiên, sự thay đổi là một phần của tiến hóa và bằng cách nào đó, nhiều loài vi rút, vi khuẩn và vi khuẩn cổ đã tồn tại qua các điều kiện khắc nghiệt và thay đổi trong hơn 3 tỷ năm qua.

Với bộ gen nhỏ hơn và chu kỳ sinh sản ngắn, các dạng sống cực nhỏ thường có lợi thế lớn hơn nhiều so với các sinh vật lớn trong việc thích nghi với các môi trường mới: từ miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển sâu đến băng hà. Các VSV sống sót trong những môi trường khắc nghiệt này thường có khả năng thực hiện các phản ứng sinh hóa – tạo ra hoặc phá vỡ các khoáng chất, biến đổi các nguyên tố từ dạng này thành dạng khác và tạo ra các hợp chất – làm thay đổi đáng kể môi trường xung quanh ngay lập tức và tác động đến toàn bộ hành tinh.

“VSV đã sống trong hành tinh của chúng ta hàng tỷ năm và tồn tại qua nhiều thay đổi,” Tiến sĩ Gemma Reguera, tổng biên tập Tạp chí VSV học Ứng dụng và Môi trường cho biết. “Điều làm tôi ngạc nhiên là các VSV luôn tìm ra cách để thích nghi. Và bất chấp tất cả những thay đổi mà, VSV vẫn tồn tại và thậm chí còn có thể phát triển. "

Trong khi một số vi khuẩn có lợi trong việc hạn chế biến đổi khí hậu – đóng vai trò là động lực chính của các chu trình nguyên tố (carbon, nitơ và phốt pho) hoặc tiêu thụ khí nhà kính, như mêtan và carbon dioxide – thì có những vi khuẩn khác lại góp phần làm tăng khí mê-tan, carbon dioxide hoặc nitơ oxit trong môi trường. Thậm chí ít được mong đợi hơn, một số vi khuẩn, nấm và vi rút gây bệnh đang tìm cách phát triển mạnh trong môi trường mới khi khí hậu thay đổi.

Các VSV trong môi trường trên cạn và dưới nước tiêu thụ và tạo ra các khí nhà kính như CO₂, CH₄ và N₂O.

Nguồn: Cavicchioli, R. và đồng nghiệp, năm 2019.

Reguera cho biết bà hy vọng những bài học kinh nghiệm từ VSV có lợi và có hại có thể giúp ích trong tương lai: “Tìm hiểu về cách chúng phát triển là rất quan trọng vì hoạt động tập thể của những vi khuẩn này đang thực sự biến đổi Trái đất… Bằng cách học hỏi [từ VSV], chúng ta có thể giải quyết các vấn đề về biến đổi khí hậu.” “Các nghiên cứu khoa học mới nhắc đi nhắc lại rằng con người có những cơ hội mới sử dụng VSV mang lại lợi ích cho mình trong các giải pháp thích ứng với biến đổi khí hậu,” Tiến sĩ Nguyen K. Nguyen, Giám đốc Học viện Vi sinh Hoa Kỳ cho biết.

Chúng ta có thể khám phá các nguồn nhiên liệu thay thế

Vi khuẩn rất thành thạo trong việc sử dụng các hợp chất và phương pháp khác nhau làm nguồn năng lượng. Trên thực tế, vi khuẩn chịu trách nhiệm cho phần lớn quá trình quang hợp trên Trái đất, một quá trình loại bỏ carbon khỏi khí quyển và tạo ra oxy như một sản phẩm phụ. Nghiên cứu các VSV sử dụng mêtan và các khí nhà kính độc hại khác làm nguồn năng lượng cũng có thể cung cấp cái nhìn sâu hơn về cách nhân loại có thể bắt chước các quá trình này để tìm ra các cách sử dụng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch.

Các VSV đã được khai thác để sản xuất nhiên liệu sinh học như cồn sinh học, diesel sinh học và mêtan, từ các phụ phẩm, phế thải của các ngành nông nghiệp và công nghiệp. Thông qua công nghệ chuyển đổi năng lượng vi sinh, VSV chuyển hóa năng lượng hóa học trong sinh khối của các nguyên liệu hữu cơ thô thành năng lượng hóa học dưới dạng etanol hoặc hydro. Ngoài ra, vi khuẩn có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro – loại khí được đốt cháy để tạo ra năng lượng điện hoặc dùng cho động cơ đốt trong.

Trong kinh tế sinh học tuần hoàn (CBE), phế thải và nguyên liệu đầu vào được thu hồi, tái chế và tái sử dụng để sản xuất hàng hóa một cách bền vững từ các nguồn sinh học.

Nguồn: Stegmann et al. Năm 2020.

Một công nghệ khác thuộc nhóm chuyển đổi năng lượng của VSV là pin nhiên liệu VSV, một lò phản ứng sinh học trong đó vi khuẩn biến đổi năng lượng hóa học khi sinh khối trực tiếp biến thành năng lượng điện. Chẳng hạn, nấm men Saccharomyces cerevisiae trong thực tế có thể sản xuất ethanol xenlulo một cách hiệu quả. Tương tự, tảo Bắc Cực – được trồng ở nhiệt độ lạnh, chỉ sử dụng ánh sáng, carbon dioxide và một số khoáng chất – được phân hủy để sản xuất dầu diesel sinh học và cồn sinh học, sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. “Các nguồn năng lượng do vi khuẩn tạo ra có thể cung cấp một giải pháp thay thế xanh hơn và bền vững hơn cho nhiên liệu hóa thạch,” báo cáo của Học viện Vi sinh Hoa Kỳ nêu rõ.

Một cách tiếp cận toàn cầu

Các vi khuẩn gây bệnh phổ biến nhất thường thành công vì chúng đã thích nghi để phát triển mạnh trong nhiệt độ cơ thể người hoặc vật chủ. Khi khí hậu ấm lên, những khu vực từng quá lạnh – không thể hỗ trợ những vi khuẩn này, hoặc vật trung gian truyền bệnh của chúng – đã trở thành những lựa chọn thay thế thích hợp. Môi trường ấm hơn cũng có thể chọn lọc các mầm bệnh có thể tồn tại tốt hơn ở nhiệt độ cơ thể bình thường và cao hơn, khiến vật chủ khó đào thải hơn, như trường hợp nấm Candida auris thích nghi với môi trường ấm áp. Các mầm bệnh động vật và thực vật cũng có thể tàn phá động vật hoang dã hoặc các loài cây trồng thiếu các phản ứng miễn dịch đối với các VSV ngoại lai. Ví dụ, vi rút Dengue, tác nhân gây bệnh sốt xuất huyết, một bệnh thường chỉ gặp ở vùng nhiệt đới, nay đã được phát hiện ở Hoa Kỳ. Tương tự, các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt như bão, lũ lụt và cháy rừng có thể ảnh hưởng sâu rộng hơn nữa đến sự phân bố của VSV bằng cách làm xáo trộn và vận chuyển các sinh vật trước đó đã ngủ yên trong đất hoặc trong băng.

Nhiệt độ tăng, khí hậu thay đổi, mầm bệnh và VSV có hại được cho là ​​sẽ mở rộng khu vực hoạt động của chúng.

Biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến nhiều loại môi trường sống và các chức năng liên quan của hệ sinh thái. Sự thay đổi theo mùa đã dẫn đến các sự kiện “thủy triều đỏ” xảy ra thường xuyên hơn và lâu hơn ở các vùng ven biển trong những tháng mùa hè, cũng như sự gia tăng các trường hợp nhiễm vi khuẩn Vibrio, gây ra bởi vi khuẩn biển Vibrio spp. Sự phát triển quá mức của vi khuẩn lam –vi khuẩn quang hợp – được tìm thấy trong môi trường ấm áp, giàu dinh dưỡng, bao gồm cả nguồn nước ngọt, dẫn đến việc tăng cao nồng độ các chất độc hại cho môi trường và con người. Ngay trong môi trường băng giá, sự gia tăng hoạt động của VSV có thể góp phần tạo ra các vòng phản hồi giữ lại bức xạ mặt trời và cho phép VSV tăng trưởng.

Hãy cùng nhau hành động

Biến đổi khí hậu tác động nhiều đến cộng đồng và hệ sinh thái bằng cách tạo ra các điều kiện không thể dung nạp được cho các VSV bản địa. Các rạn san hô – nguồn cung cấp thực phẩm và bảo vệ bờ biển quan trọng cho hàng trăm triệu người trên toàn thế giới – dựa vào các cộng đồng VSV cộng sinh bao gồm cả tảo quang hợp. Khi nhiệt độ tăng lên san hô có xu hướng đẩy ra xa các VSV và tăng mức độ axit hóa đại dương, khiến san hô kém khả năng chống chọi với bệnh tật và dẫn đến hiện tượng tẩy trắng san hô. Nghiên cứu đang tiến hành cho thấy việc cấy ghép các loài cộng sinh từ những loài san hô chịu nhiệt hơn có thể giúp tăng khả năng chịu nhiệt cho những cá thể dễ bị tổn thương. Hiểu rõ các yếu tố làm cho một hệ VSV san hô có khả năng phục hồi tốt hơn các hệ VSV khác có thể cung cấp manh mối để cứu các hệ sinh thái này.

VSV trong đất là yếu tố không thể thiếu trong ứng phó với biến đổi khí hậu, đặc biệt là trong nông nghiệp và bối cảnh dân số toàn cầu gia tăng. Các VSV trong đất phân hủy các chất hữu cơ đã thối rữa thành nhiên liệu và cacbon cho tầng sinh quyển bên dưới, đồng thời cung cấp chất dinh dưỡng thiết yếu cho cây. Tổ chức Nông lương (FAO) dự đoán  rằng do hoạt động của con người và biến đổi khí hậu, hiện tượng xói mòn đất có thể dẫn đến thiệt hại từ 20-80% sản lượng nông nghiệp. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đang tận dụng khả năng tự nhiên của một số VSV để cô lập carbon và nghiên cứu việc sử dụng các biện pháp can thiệp của VSV để tái tạo đất hoặc tăng cường khả năng phục hồi cho cây trồng. Ví dụ, khi bón vào đất, một số loại nấm có thể giúp cây trồng tăng cường khả năng chống hạn, điều này rất quan trọng trong thời kỳ khô hạn. Các phương pháp xử lý vi khuẩn cũng có thể làm tăng khả năng chống chịu của thực vật đối với stress nhiệt bằng cách giảm các loại oxy phản ứng, tăng cường khả năng miễn dịch của thực vật và hỗ trợ giảm stress do hạn hán cho cây.

Hệ VSV gắn liền với cây trồng – giúp tăng cường sức khỏe và cung cấp dinh dưỡng – là những yếu tố ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường và thực tiễn nông nghiệp.

Nguồn: Compant et al., năm 2019.

Lớp phủ hạt giống là một phương pháp phân phối hiệu quả đối với nhiều loại lợi khuẩn và đã được chứng minh là giúp tăng cường sức khỏe cây trồng. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng VSV cộng sinh của thực vật có thể thích nghi với nhiệt độ ấm lên và cung cấp cho cây nhiều chất dinh dưỡng hơn khi cây tăng tốc độ quang hợp do nồng độ carbon tăng (mặc dù chỉ ở một mức độ hạn chế). Ví dụ vi khuẩn rhizobacteria thúc đẩy tăng trưởng thực vật, vi khuẩn cố định đạm và nấm rễ lợi khuẩn quý giá trong việc thay đổi hệ sinh thái và có thể giúp khôi phục những vùng đất bạc màu, suy kiệt.

Và tự mình dọn dẹp

VSV đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp và môi trường bằng cách phân hủy chất thải hữu cơ. Trong nhiều thế kỷ, các cộng đồng VSV đã làm sạch nước trong các trung tâm xử lý nước thải. Nghiên cứu gần đây cho thấy khả năng phân hủy này mở rộng đến các chất độc hại, vật liệu nổ và thậm chí cả nhựa. Nhiều vi khuẩn có khả năng “cố định” carbon hoặc nitơ tương tự, biến các chất không sử dụng được thành dạng có thể sử dụng được.

Đại dương và đất là nơi sinh sống của các cộng đồng VSV rộng lớn, không phải ngẫu nhiên mà đó là những nơi diễn ra hầu hết các quá trình biến đổi carbon trên Trái đất. Các khu vực ít ôxy trong đại dương cũng là nơi sinh sống của các vi khuẩn cổ tạo mêtan, bằng cách biến đổi mêtan và sunfat thành cacbonat và sunfua. Các VSV kỵ khí khác trong môi trường xung quanh tiêu thụ nhiều khí mê tan này, ngăn không cho nó tiếp cận khí quyển. Trên đất liền, các nhà khoa học Anh gần đây đã phát triển một cách để chuyển đổi CO₂ trong khí quyển bằng cách sử dụng Escherichia coli. Tương tự, một nghiên cứu sau vụ tràn dầu Deepwater Horizon đã gợi ý tiềm năng đầy hứa hẹn của các cộng đồng VSV “ăn dầu” trong quá trình phân hủy dầu thành hydrocacbon phức hợp.

Tương lai khí hậu

Nhiều chuyên gia về VSV đều có chung quan điểm: bất kể khí hậu thay đổi như thế nào thì VSV gần như được đảm bảo thích nghi để tồn tại. Mặc dù con người không có các khả năng như VSV về sinh lý, tỷ lệ sao chép và khả năng thích ứng, nhưng chúng ta có thể học hỏi từ VSV để thích nghi với môi trường thay đổi. Các nhà khoa học đang nỗ lực tìm hiểu các phương pháp sinh tồn và thích nghi của VSV để chuẩn bị cho tất cả sự sống trên hành tinh đối mặt với các tác động không thể tránh khỏi của biến đổi khí hậu.

Trong 5 năm tới, Học viện vi sinh Hoa Kỳ sẽ tập trung vào việc thúc đẩy sự hiểu biết về mối quan hệ giữa VSV và biến đổi khí hậu và xây dựng một chương trình để cung cấp thông tin cho các nhà làm chính sách về biến đổi khí hậu. Khoa học về VSV có thể đưa ra cái nhìn sâu sắc có giá trị trong các lĩnh vực khác nhau trong việc nhân loại phải thích ứng với biến đổi khí hậu, từ phát triển nhiên liệu thay thế đến ngăn chặn sự lây lan của mầm bệnh. Báo cáo  của Hiệp hội vi sinh Hoa Kỳ kết luận : “Bằng cách làm việc cùng với các VSV, con người có thể học cách thích ứng với khí hậu thay đổi và xây dựng một tương lai khỏe mạnh, bền vững và linh hoạt hơn” .