Virus biển: "Vũ khí mới" trong biến đổi khí hậu

Virus biển: “vũ khí mới” trong biến đổi khí hậu

Kanika Khanna, Ph.D

Chu trình carbon biển.

Nguồn: Wikipedia

Trong khi thế giới tập trung nhiều vào những tác nhân thông thường gây ra biến đổi khí hậu toàn cầu, như nhiên liệu hóa thạch và nạn phá rừng, thì có một nhóm đối thủ ít ai ngờ tới đã xuất hiện từ sâu thẳm đại dương—virus biển. Những thực thể nhỏ bé nhưng hùng mạnh này hiện đang thu hút sự chú ý khi các nhà khoa học trong việc làm sáng tỏ ảnh hưởng sâu sắc của chúng đối với khí hậu của hành tinh chúng ta.

Với một đội quân ước tính khoảng 10³⁰ hạt virion (bao gồm acid nucleic và vỏ ngoài của protein), virus biển thống trị vùng biển rộng lớn với sự đa dạng đáng kinh ngạc. Tất cả các sinh vật dưới nước đều bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của chúng theo cách này hay cách khác—có thể là vi khuẩn, tảo, sinh vật nguyên sinh hoặc cá. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết liệu tác động thuần túy của virus biển đối với biến đổi khí hậu là tích cực hay tiêu cực. Tuy nhiên, khó có thể bỏ qua những bằng chứng ngày càng nhiều — virus biển sở hữu sức mạnh biến đổi có khả năng định hình lại chính kết cấu của hệ sinh thái biển — và chúng có tác động đối với các chu trình sinh địa hóa trên mọi phương diện tuy khó nhận biết.

 Shunting virus: Làm sáng tỏ chu kỳ carbon của đại dương

 Thể thực khuẩn – virus lây nhiễm vi khuẩn — là virus chiếm ưu thế trong đại dương. Sau khi lây nhiễm, các thể thực khuẩn khiến vật chủ vi khuẩn không may mắn của chúng vỡ ra thông qua một quá trình được gọi là quá trình ly giải virus, do đó giải phóng chất dinh dưỡng và chất hữu cơ vào nước biển xung quanh. Hiện tượng này, được gọi là shunt virus, chuyển hướng sinh khối vi sinh vật từ những sinh vật tiêu thụ thứ cấp trong mạng lưới thức ăn –chẳng hạn như sinh vật phù du và cá –  vào nhóm chất hữu cơ hòa tan được tiêu thụ chủ yếu bởi vi khuẩn dị dưỡng.

Dòng vật chất hữu cơ hòa tan và dạng hạt (POM/DOM) trong đường dẫn shunting virus.

Nguồn: Wikimedia Commons

Khi vi khuẩn chết và trải qua quá trình phân hủy, chất hữu cơ của chúng có khả năng đóng góp vào nhóm chất hữu cơ dạng hạt (POM) hoặc chất hữu cơ hòa tan (DOM). POM bao gồm các cấu trúc phức tạp và không dễ bị vi khuẩn biển phá vỡ. Do đó, nó thường được di chuyển đến những phần sâu hơn của đại dương. Tuy nhiên, DOM dễ tiêu hóa hơn đối với vi khuẩn, do đó được tích hợp vào sinh khối của chúng. Khi sinh khối vi sinh vật trong đại dương mở rộng, nó trở thành nguồn thức ăn cho các sinh vật ở bậc dinh dưỡng cao hơn, bao gồm cả sinh vật phù du, từ đó trở thành mồi cho cá.

Nhưng các thể thực khuẩn cũng có thể làm mồi cho những vi khuẩn này. Người ta ước tính thể thực khuẩn tiêu diệt khoảng 10-20% vi khuẩn dị dưỡng và 5-10% vi khuẩn tự dưỡng trong đại dương hàng ngày, dẫn đến sự giải phóng đáng kể carbon, chất dinh dưỡng và các nguyên tố vi lượng khác vào mạng lưới thức ăn của vi sinh vật. Đến lượt mình, các chất hữu cơ hòa tan sẽ kích hoạt một bữa tiệc vi khuẩn khi các vi khuẩn háo hức tiêu thụ các chất dinh dưỡng và carbon mới có sẵn, hạn chế dòng chảy của chúng qua các bậc dinh dưỡng cao hơn. Do đó, quá trình ly giải virus thúc đẩy quá trình hô hấp của vi khuẩn giúp giữ lại carbon trong đại dương thay vì giải phóng chúng vào khí quyển. Bằng cách này, các thể thực khuẩn gián tiếp giúp cô lập khoảng 3 tỷ tấn carbon mỗi năm.

 Ly giải virus: Thúc đẩy chu trình dinh dưỡng ở vi khuẩn biển

 Sự phân giải virus đóng một vai trò quan trọng trong việc giải phóng các chất dinh dưỡng quan trọng khác vào mạng lưới thức ăn của vi sinh vật trong đại dương, chẳng hạn như nitơ và phốt pho, được gói gọn trong tế bào vi khuẩn dưới dạng axit nucleic và axit amin. Các hợp chất giàu chất dinh dưỡng này thúc đẩy các hoạt động trao đổi chất và tăng trưởng, đồng thời đóng vai trò là nguồn tài nguyên quý giá cho cả vi khuẩn dị dưỡng và tự dưỡng.

Các thể thực khuẩn cũng có thể thay đổi chu trình carbon bằng cách định hình lại quá trình trao đổi chất ở vi khuẩn lam, một trong những nhân tố chính trong quá trình cố định CO₂ toàn cầu. Chẳng hạn, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng thể thực khuẩn lam lây nhiễm  Synechococcus  sp. thay đổi quá trình quang hợp của vật chủ bằng cách tối đa hóa sản xuất năng lượng nhưng ức chế cố định CO₂. Tuy nhiên, ý nghĩa rộng lớn hơn của hiện tượng này ở cấp độ hệ sinh thái vẫn còn bí ẩn và là một lĩnh vực quan trọng cho nghiên cứu khoa học trong tương lai.

Hình ảnh kính hiển vi điện tử lạnh của vi khuẩn lam lây nhiễm vi khuẩn lam biển Prochlorococcus.

Nguồn: Murata K. et al./ Báo cáo khoa học, 2017, có sẵn theo giấy phép CC-BY-4

 Ác mộng tảo nở hoa: virus có phải là chìa khóa

 Tảo biển đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh nồng độ carbon dioxide trong khí quyển thông qua khả năng quang hợp của chúng. Tuy nhiên, ác mộng bắt đầu khi một lượng lớn tảo biển phát triển và nở hoa ngoài vòng kiểm soát trong hệ sinh thái dưới nước. Những bông hoa này đem đến một loạt các tác động bất lợi đối với hệ sinh thái biển: từ sự cạn kiệt oxy, sự gián đoạn chuỗi thức ăn của các loài cho đến việc sản sinh ra các chất độc hại.

Một lần nữa, virus lại bước ra sân khấu. Virus lytic có thể lây nhiễm tảo biển đóng một vai trò quan trọng trong sự tàn lụi của tảo nở hoa và sự gia tăng chất hữu cơ hòa tan, để rồi thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn dị dưỡng xung quanh và hạn chế dòng năng lượng đến các mức dinh dưỡng cao hơn.

Vì vậy, các nhà khoa học đang khám phá ý tưởng sử dụng virus để kiểm soát và loại bỏ tảo nở hoa một cách tự nhiên. Lĩnh vực nghiên cứu thú vị này vẫn đang trong giai đoạn đầu và các nhà khoa học hiện đang tiến hành các nghiên cứu thí điểm quy mô nhỏ để thu thập thêm thông tin và khám phá tiềm năng của phương pháp này. Điển hình là việc nghiên cứu virus Heterosigma akashiwo (HaV), đã cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc ngăn chặn sự tái diễn của thủy triều đỏ độc hại do loài tảo gây hại Heterosigma akashiwo gây ra, tức là bảo vệ nghề cá. Một nghiên cứu khác cho thấy hỗn hợp virus được phân lập từ một hồ nước tự nhiên đã làm giảm 95% sự phong phú của vi khuẩn lam độc hại Microcystis aeruginosa trong môi trường nuôi cấy trong phòng thí nghiệm trong 6 ngày.

Tuy nhiên, một số thách thức hạn chế các ứng dụng quy mô lớn của virus (và vi khuẩn lam) để kiểm soát tảo nở hoa. Động lực của tảo nở hoa trong hệ sinh thái tự nhiên rất phức tạp và việc thực hiện các biện pháp can thiệp bằng virus trên quy mô lớn hơn đặt ra những thách thức về hậu cần và môi trường. Một mối quan tâm đáng kể khác là khả năng phát triển khả năng kháng virus của vi sinh vật, tương tự như cách vi khuẩn tiến hóa kháng thuốc kháng sinh. Một số giải pháp thay thế tiềm năng để khắc phục tình trạng kháng thuốc là sử dụng hỗn hợp virus, thay vì một loại virus lylic đơn lẻ và các virus khác dành riêng cho loài tảo. Bất chấp những hạn chế này, việc sử dụng virus để xử lý tảo nở hoa đầy hứa hẹn và tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực.

 Ngoài tầm giới hạn

 Vai trò của virus biển và thể thực khuẩn trong biến đổi khí hậu toàn cầu vẫn đang diễn ra và còn nhiều điều cần khám phá. Khi các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về lĩnh vực hấp dẫn này, có một số bước đi trong tương lai hứa hẹn nhiều điều thú vị.
 

Virus tupan khổng lồ (loại virus lớn nhất được biết đến trên Trái đất) lây nhiễm amip.

Nguồn: iStock

Trước hết, cần nghiên cứu sâu hơn để khám phá toàn bộ mức độ đa dạng của virus trong đại dương, cũng như sự tương tác giữa virus và các cộng đồng vi sinh vật khác nhau trong các điều kiện môi trường khác nhau. Gần đây, các nhà khoa học đã có một khám phá đáng chú ý về sự tồn tại của "virus khổng lồ”, sở hữu bộ gen cực lớn (có kích thước từ 300-1000 cặp kilobase (kbp)) và lây nhiễm các vật chủ ở đại dương. Điều khiến những virus này trở nên hấp dẫn hơn nữa là phát hiện chúng rất phổ biến và có khả năng lây nhiễm nhiều loại vật chủ nhân chuẩn. Tuy nhiên, mức độ mà virus khổng lồ ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển và các quá trình sinh địa hóa phần lớn vẫn chưa được khám phá, cần được tìm hiểu thêm.

Ngoài ra, việc hiểu các cơ chế đằng sau quá trình tái chế chất dinh dưỡng qua trung gian virus và cô lập carbon có thể mở đường cho các phương pháp đổi mới để giảm thiểu sự nở hoa của tảo và nâng cao hiệu quả cô lập carbon trong đại dương. Hơn nữa, việc tích hợp động lực học của virus vào các mô hình hải dương học sẽ giúp tinh chỉnh các dự đoán về phản ứng của hệ sinh thái đối với biến đổi khí hậu.

Với việc virus ngày càng được công nhận là tác nhân có ảnh hưởng trong đại dương, nghiên cứu sâu hơn về vai trò và sự tương tác của các vi sinh vật biển chắc chắn sẽ góp phần vào khả năng của chúng ta trong việc giảm thiểu các thách thức môi trường và tăng cường sức khỏe cũng như khả năng phục hồi của hệ sinh thái biển trước một thế giới đang thay đổi.