Đang tải... (xem toàn văn)
VI SINH VẬT HỌC VÀ ỨN DỤNG TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ vi sinh được coi là một trong những ngành công nghệ mũi nhọn của công nghệ sinh học, có tác động to lớn đến đời sống con người do việc sử dụng vi sinh vật để tạo ra hàng loạt các sản phẩm như rượu, bia, axit hữu cơ, axit amin, vitamin, kháng sinh, vacxin, Tìm hiểu được các quá trình công nghệ vi sinh, ứng dụng của các vi sinh vật trong thực tiễn nói chung và trong sản xuất nông nghiệp nói riêng không phải chỉ dành cho nhữ.
VI SINH VẬT HỌC VÀ ỨN DỤNG TRONG SẢN XUẤT NƠNG NGHIỆP ĐẶT VẤN ĐỀ Cơng nghệ vi sinh coi ngành công nghệ mũi nhọn cơng nghệ sinh học, có tác động to lớn đến đời sống người việc sử dụng vi sinh vật để tạo hàng loạt sản phẩm rượu, bia, axit hữu cơ, axit amin, vitamin, kháng sinh, vacxin,… Tìm hiểu q trình cơng nghệ vi sinh, ứng dụng vi sinh vật thực tiễn nói chung sản xuất nơng nghiệp nói riêng khơng phải dành cho cán nghiên cứu hay cán làm công tác giảng dạy mà cịn dành cho tầng lớp nơng dân – người trực tiếp ứng dụng công nghệ vi sinh Để đáp ứng nhu cầu tìm hiểu, ứng dụng cơng nghệ vi sinh số “Bác nông dân thông thái”, tác giả tổng hợp khái quát số nội dung sau: i) Đại cương vi sinh vật; ii) Nguyên lý công nghệ vi sinh vật; iii) Một số ứng dụng công nghệ vi sinh vật sản xuất nông nghiệp; iv) kết luận I Đại cương vi sinh vật Khái niệm Vi sinh vật nói chung tồn tự nhiện với số lượng lớn, tồn nơi, ngõ ngách trái đất, từ biển sâu đến đỉnh núi tuyết phủ quanh năm, từ lòng đất đến bầu khí quyển, từ khoang miệng đến dày động vật Vậy vi sinh vật gì? Đó sinh vật đơn bào đa bào nhân sơ nhân thực, có kích thước nhỏ, không quan sát mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi Nói đến vi sinh vật nói đến tất nhóm sau: Virus; Archaea (vi khuẩn cổ); Vi khuẩn; Xạ khuẩn; Vi nấm; Vi tảo Đặc điểm chung vi sinh vật: Kích thước nhỏ bé; Hấp thụ nhiều, chuyển hóa nhanh; Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh; Năng lực thích ứng mạnh dễ phát sinh biến dị; Phân bố rộng, chủng loại nhiều Trên trái đất xác định có khoantg 100 nghìn loại bao gồm: 30 nghìn lồi động vật ngun sinh, 69 nghìn lồi nấm, 1,2 nghìn lồi vi tảo, 2,5 nghìn loại vi khuẩn lam, 1,5 nghìn lồi vi khuẩn, 1,2 nghìn lồi virus Mơi trường nơi sinh sống sinh vật nói chung, bao gồm tất bao quanh chúng Có loại mơi trường chủ yêu là: môi trường nước, môi trường đất, môi trường mặt đất – khơng khí (mơi trường cạn) mơi trường sinh vật Đất mơi trường thích hợp vi sinh vật, số lượng loài vi sinh vật môi trường đất lớn hẳn so với môi trường sống khác Sở dĩ đất nói chung đất trồng trọt nói riêng có khối lượng lớn chất hữu – nguồn thức ăn cho nhóm vi sinh vật dị dưỡng chất vô đất lại nguồn dinh dưỡng cho nhóm vi sinh vật tự dưỡng nhóm vi sinh vật trú đất gồm: vi khuẩn, vi nấm, xạ khuẩn, virus, tảo, động vật nguyên sinh Trong vi khuẩn chiếm nhiều số lượng Ngồi mơi trường đất, mơi trường sống cịn lại vi sinh vật môi trước nước (gồm môi trường nước ngọt, mơi trường nước mặn), mơi trường khơng khí nơi cư trú nhiều vi sinh vật Đặc trưng vi sinh vật lực chuyển hóa mạnh mẽ khả sinh sản nhưnh chóng, chúng cho thấy tầm quan trọng to lớn thiên nhiên hoạt động cải thiện chất lượng sống người nhờ hiểu biết hoạt động sống vi sinh vật Cùng với phát triển khoa học công nghệ đại, vi sinh vật ứng dụng nhiều lĩnh vực khác sống, phải kể đến ứng dụng vi sinh vật nông nghiệp Lịch sử nghiên cứu vi sinh vật Sự phát vi sinh vật gắn liền với phát minh kính hiển vi Anton van Leeuwenhoek (1632 - 1723) người Hà Lan, người kỷ XVII nhìn thấy vi sinh vật nhờ kính hiển vi độ phóng đại 270 - 300 lần mà ông chế tạo (1676) Do hạn chế độ phóng đại độ phân giải kính hiển vi nghiên cứu hiển vi thể sống bị hạn chế đến đầu kỷ XIX kính hiển vi hồn chỉnh đời từ người sáng tạo hàng loạt loại kính hiển vi quang học khác nhiều kiện quan trọng phát Louis Pasteur (1822 - 1895) nhà vi sinh vật học vĩ đại có cơng: - Chấm dứt tranh luận thuyết tự sinh thí nghiệm xuất sắc với bình cổ ngỗng - Phát tác nhân lên men lên men rượu, lên men thối vi sinh vât: vi sinh vật phát triển tạo thành enzyme chịu trách nhiệm tượng lên men - Xác định vai trò tác nhân gây bệnh vi sinh vật bệnh nhiễm trùng - Khái quát hóa vấn đề vaccine tìm phương pháp điều chế số vaccine phòng bệnh vaccine bệnh than, vaccine bệnh tả gà phát minh vaccine dại Robert Koch (1843 - 1910) đóng góp lớn lao cho vi sinh vật học nhờ cơng trình: - Phát triển kỹ thuật cố định nhuộm vi khuẩn - Sử dụng mơi trường đặc để phân lập vi khuẩn rịng - Nêu tiêu chuẩn xác định bệnh nhiễm trùng - Khám phá vi khuẩn lao, vi khuẩn tả Nhờ công lao L.Pasteur, R.Koch nhiều nhà bác học khác, phần lớn vi khuẩn gây bệnh người động vật khám phá đầu kỷ XX Vi sinh học trở thành khoa học ứng dụng quan trọng nhiều lĩnh vực sống, có nơng nghiệp Cấu trúc điển hình vi sinh vật 3.1 Hình thể, kích thước Mỗi loại vi sih vật có hình dạng kích thước định, vách tế bào định Hình thể kích thước vi sinh vật quan sát xác định phương pháp nhuộm quan sát kính hiển vi Vi sinh vật nói có nhiều hình thái khác nhau: hình cầu, hình que, hình xoắn, hình dấu phẩy, hình sợi Kích thước thay đổi tùy theo loại hình loại hình kích thước khác So với virus, kích thước vi khuẩn lớn nhiều, quan sát vi khuẩn kính hiển vi quang học Đơn vị đo kích thước micromet (1 µm = 1/1000 mm) 3.2 Cấu trúc tế bào Vi sinh vật nói chung có cấu trúc tế bào nhân sơ gồm thành phần: màng sinh chất, tế bào chất vùng nhân Ngồi thành phần đó, nhiều loại tế bào nhân sơ cịn có thành phần khác thành tế bào, vỏ nhầy, long roi a Thành tế bào, màng sinh chất, lông roi Phần lớn tế bào nhân sơ có thành tế bào Được cấu tạo peptiđôglican Thành tế bào quy định hình dạng tế bào Dựa vào cấu trúc thành phần hóa học thành tế bào, chia vi sinh vật thành loại : Gram dương gram âm Khi nhuộm phương pháp nhuộm Gram, vi khuẩn Gram dương có màu tím, vi khuẩn Gram âm có màu đỏ Biết khác biệt sử dụng loại thuốc kháng sinh đặc hiệu để tiêu diệt loại vi khuẩn gây bệnh Một số loại tế bào nhân sơ, bên ngồi thành tế bào cịn có lớp vỏ nhầy Những vi khuẩn gây bệnh người có lớp vỏ nhầy bị tế bào bạch cầu tiêu diệt Màng sinh chất vi khuẩn loại tế bào khác cấu tạo từ lớp phơtpholipit prơtêin Một số lồi vi khuẩn cịn có cấu trúc gọi roi (tiên mao) lông nhung mao Lông sợi nhỏ dài (10-20m) bắt nguồn từ bào tương xuyên qua thành tế bào, giúp vi khuẩn di động b Tế bào chất Tế bào chất vùng nằm màng sinh chất vùng nhân nhân.Tế bào chất tế bào nhân sơ gồm thành phần bào tương ribơxơm số cấu trúc khác.Khơng có hệ thống nội màng, bào quan (trừ ribôxôm) khung tế bào Ribôxôm bào quan cấu tạo từ prôtêin rARN, nơi tổng hợp loại prôtêin tế bào.Trong tế bào chất cịn có hạt dự trữ. c Vùng nhân Vùng nhân tế bào sinh vật nhân sơ không bao bọc lớp màng chứa phân tử ADN dạng vịng.Vì thế, tế bào loại gọi tế bào nhân sơ (chưa có nhân hồn chỉnh với lớp màng bao bọc tế bào nhân thực) Ngoài ADN vùng nhân, số tế bào vi khuẩn cịn có thêm nhiều phân tử ADN dạng vòng nhỏ khác gọi plasmit d Các cấu trúc phụ Ngoài thành phần cấu trúc trên, số giống vi khuẩn cịn có phần cấu trúc phụ như: pili, bào tử,… + Pili: số loài Gram (-) mặt ngồi có sợi ngắn nhỏ lơng gọi pili Có loại: pili giới tính để chuyển ADN từ vi khuẩn sang vi khuẩn khác pili bám giúp vi khuẩn bám vào bề mặt + Bào tử: Trong số trường hợp bất lợi điều kiện sống số loài vi khuẩn có khả hình thành bào tử (cịn gọi nha bào) để có sức chống đỡ cao Bào tử có đặc điểm: thành dày cấu tạo gồm nhiều chất canxi dipicolinat, tỷ lệ nước tự thấp Bào tử có khả chịu đựng cao với hoá chất nhiệt độ nên diệt bào tử khó nhiều so với diệt vi khuẩn thể sinh dưỡng Khi điều kiện thuận lợi, bào tử chuyển từ dạng nghỉ sang thể sinh dưỡng + Nội bào tử: Một số vi khuẩn Gram (+) rơi vào tình trạng bất lợi khơ hạn, thiếu thức ăn, nhiệt độ cao bị tác động xạ, chất độc hình thành cấu trúc đề kháng gọi nội bào tử Sinh lý vi sinh vật Sinh lý vi sinh vật nói đến q trình trao đổi chất yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi chất a Quá trình trao đổi chất Trao đổi chất trình hấp thu thức ăn từ môi trường vào thể, chế biến thành chất thể thải sản phẩm cuối mơi trường Q trình hấp thu chất dinh dưỡng gọi trình dinh dưỡng Quá trình chế biến chất dinh dưỡng thành chất thể gọi trình đồng hố Q trình phân huỷ thành phần thể gọi q trình dị hố Q trình oxy hoá chất dinh dưỡng để tạo lượng gọi trình trao đổi lượng Trao đổi chất trao đổi lượng liên quan chặt chẽ với Cơ thể vi sinh vật muốn tạo lượng để hoạt động sống phải dựa vào nguồn dinh dưỡng hấp thu trình trao đổi chất Quá trình trao đổi chất thực nhờ vào lượng tế bào Trao đổi lượng có dạng là: hơ hấp lên men + Hô hấp: chuỗi phản ứng hóa học tham gia hình thành lượng ATP Hơ hấp tế bào gồm giai đoạn bản: 1) Oxi hóa phân tử hữu đường (con đường đường phân đường pentôzơ đường pentôzowphotphat) Tất đường giúp tế bào tạo thành ATP, chất trung gian chưa cacbon, chất mang electron dạng khử cần cho hoạt động sống tế bào; 2) Oxi hóa piruvat chu trình Crep; 3) Tạo thành lượng ATP nhờ photphorin hóa mức chất photphorin hóa oxi hóa chuỗi vận chuyển electron Nếu chất nhận electron cuối oxi có hơ hấp hiếu khí.Và chất nhận electron cuối oxi dạng liên kết hơ hấp kỵ khí + Lên men: chuỗi phản ứng hóa học khơng tham gia hình thành lượng ATP (hoặc có hình thành ATP ít) Trong lên men, chất nhận electron cuối phân tử hữu b Dinh dưỡng Các chất dinh dưỡng vi sinh vật chất vi sinh vật hấp thụ từ môi trường xung quanh chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho trình sinh tổng hợp tạo thành phần tế bào để cung cấp cho trình trao đổi lượng Thành phần hố học tế bào vi sinh vật định nhu cầu dinh dưỡng chúng Thành phần hoá học cấu tạo nguyên tố C, H, O, N, nguyên tố khoảng đa lượng nguyên tố khoáng vi lượng Trong tế bào vi sinh vật hợp chất phân thành nhóm lớn: (1) Nước muối khoáng; (2) Các chất hữu + Nước muối khoáng: Nước chiếm đếm 70 - 90% khối luợng thể sinh vật Tất phản ứng xảy tế bào vi sinh vật địi hỏi có tồn nước Ở vi khuẩn lượng chứa nước thường 70 - 85% + Các chất hữu cơ: Riêng nguyên tố C, H, O, N chiếm tới 90 - 97% tồn chất khơ tế bào Đó nguyên tố chủ chốt để cấu tạo nên protein, axit nucleic, lipit, hidrat cacbon Các nguyên tố khácP, k, S, Ca, Fe, Mg, Cu, Zn, Mo, Mn,… chiếm tỷ lệ nhỏ nhỏ chất khô tế bào thành phần thiếu cấu tạo tế bào c Sinh trưởng vi sinh vật Ở vi sinh vật, nói đến sinh trưởng nói đến tăng trưởng số lượng tế bào quần thể khơng phải kích thước tế bào Tế bào vi sinh vật sinh trưởng cách phân đôi đơn giản Đầu tiên nhiễm sắc thể nhân đôi, gắn màng sinh chất tế bào dài ra, đẩy nhiễm sắc thể tế bào chất hai phía Hình thành màng ngăn giữa, sau tạo vách tế bào hai phần Hai tế bào tách rời dính với tạo thành chuỗi Sinh trưởng vi sinh vật hệ nuôi cấy: + Nuôi cấy không liên tục: suốt thời gian nuôi, không bổ sung thêm chất dinh dưỡng khơng thấy chất tạo thành Q trình diễn theo đường cong sinh trưởng gồm pha khác biệt: 1, Pha tiềm phát (tế bào làm quen với môi trường, tổng hợp enzyme cần thiết để phân giải thức ăn); 2, Pha lũy thừa (quần thể vi sinh vật tăng theo cấp số mũ); 3, Pha cân (Khi chất dinh dưỡng môi trường cạn kiệt, chất thải tích lũy tốc độ sinh sản giảm xuống Số lượng tế bào chết tương đương với số lượng tế bào sinh độ lớn quần thể tế bào ổn định); 4, Pha suy vong (chất dinh dưỡng cạn kiệt, chất thải tích lũy nhiều, số lượng tế bào chất vượt số tế bào sống, quần thể tế bào rơi vào pha chết? + Nuôi cấy liên tục: Liên tục bổ sung dinh dưỡng liên tục lấy sản phẩm tạo thành q trình ni cấy Nhờ quần thể vi sinh vật ln có tốc độ tăng trưởng trao đổi chất mạnh sản phẩm đạt suất cao Các điều kiện ảnh hưởng đến sinh trưởng vi sinh vật: + Nhiệt độ: Tất sinh vật có dải nhiệt độ mà sống Dựa vào nhiệt độ vi sinh vật chia thành nhóm: nhóm ưa lạnh, nhóm ưa ấm, nhóm ưa nhiệt +pH + Oxi +Áp suất thẩm thấu d Các chất ức chế tiêu diệt vi sinh vật Chất kháng khuẩn Chất sát trùng Chất kháng sinh Và số chất II Nguyên lý công nghệ vi sinh vật Khái niệm Theo định nghĩa Liên đoàn châu Âu cơng nghệ sinh học (năm 1981) cơng nghệ sinh học coi tập hợp ngành sinh học học, vi sinh vật học, tế bào học, di truyền học với mục tiêu đạt tới ứng dụng công nghệ vi sinh vật, mô, tế bào nuôi cấu phần tế bào Theo đó, cơng nghệ sinh học lĩnh vực rộng lớn Nếu xếp theo đối tượng sinh học cơng nghệ sinh học chia thành ngành: + Công nghệ sinh học vi sinh vật: công nghệ nhằm khai thác tốt khả kỳ diệu vi sinh vật, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao (công nghệ lên men) + Công nghệ tế bào: công nghệ nhằm tạo điều kiện cho tế bào động, thực vật phát triển tốt môi trường xác định an tồn + Cơng nghệ gen: công nghệ nhằm cải biến chủng gống để nâng cao hiệu suất chủng giống sản xuất đa dạng hóa sản phẩm sinh học Cơng nghệ sinh học vi sinh vật trở thành tảng cho phát triển công nghệ sinh học theo giai đoạn: + Giai đoạn 1: Công nghệ sinh học truyền thống ứng dụng trình dân dã nhằm chế biến, bảo quản loại thực phẩm, xử lý đất đai, phân bón để phục vụ nơng nghiệp + Giai đoạn 2: Công nghệ sinh học cận đại trình sử dụng nồi lên men cơng nghiệp để sản xuất quy mô lớn sản phẩm sinh học mỳ chính, axit amin,… + Giai đoạn 3: Công nghệ sinh học đại chia lĩnh vực nghiên cứu nhỏ chuyên sâu như: công nghệ di truyền, công nghệ tế bào,… Công nghệ sinh học truyền thống – công nghệ lên men Công nghệ lên men công nghệ lâu đời tất q trình cơng nghệ sinh học Lên men q trình chuyển hóa học học nhờ thể sống sản phẩm chúng, thường sinh khí sinh nhiệt Quy trình lên men công nghiệp thường tiến hành theo giai đoạn sau: Giống vi sinh vật Hoạt hóa máy lắc Nhân giống (cấp 1, cấp 2…) Lên men Thu hồi sản phẩm mong muốn Để hiểu rõ quy trình lên men nói chung, cần tìm hiểu khâu quy trình a Chủng giống vi sinh vật Chất lượng chủng giống vi sinh vật khâu quan trọng, định hiệu kinh tế quy trình sản xuất Chất lượng chủng giống phải kiểm tra tất khâu Nhân giống lên men b Sinh trưởng vi sinh vật Sinh trưởng vi sinh vật môi trường lên men tuân theo sinh trưởng môi trường nuôi cấy không liên tục nuôi cấy liên tục tùy vào sản phẩm mong muốn thu c Thiết bị lên men Là hệ thống dây chuyền cơng nghệ, thiết bị phục vụ q trình lên men để thu sản phẩm mong muốn Một số ứng dụng bật công nghệ vi sinh 3.1 Cơng nghệ sản xuất đồ uống có cồn a Ngun lý Lên men rượu trình vi sinh vật học người ứng dụng từ xa xưa chất hóa học ngày làm sáng tỏ Lên men rượu trình lên men phức tạp cần có tham gia nấm men số vi sinh vật khác Qua trình lên men, đường biến đổi thành rượu etylic, CO giải phóng lượng Tác nhân trình lên men rượu nấm men Saccharomyces, tế bào hình ovan, kích thước (3-10) x (5-12) µm, sinh sản vơ tính theo phương pháp nảy chồi, có khả hình thành bào tử điều kiện định thường sống kỵ khí khơng bắt buộc Chúng có khả phân giải kỵ khí loại đường khác nhau, sử dụng nhiều nguồn nitơ hữu cơ, khơng có khả đồng hóa nitrat Vi khuẩn điển hình cho trình lên men rượu S cerevisiae, lên men rượu vang S ellipsoids, lên men bia S carlsbergensic Cơ chế hóa học q trình lên men rượu viết dạng phương trình tổng quát sau: C6H12O6 (glucose) 2C2H5OH (etylic)+ 2CO2 + 113kJ Tuy nhiên, thực tế trình lên men rượu diễn phức tạp với 10 phương trình phản ứng khác cần có tham gia nhiều hệ enzyme xác tác b Ứng dụng Trên sở nguyên lý, tác nhân, chế q trình lên men rượu có nhiều sản phẩm tạo với quy mô công nghiệp như: sản xuất cồn công nghiệp, sản xuất bia, sản xuất rượu vang 3.2 Công nghệ chế biến thực phẩm a Nguyên lý Trong công nghệ chế biến thực phẩm chủ yếu ứng dụng nguyên lý trình lên men lactic Lên men lactic q trình chuyển hóa sinh học kỵ khí hợp chất đường thành axit lactic số sản phẩm khác nhờ vi khuẩn lactic Tác nhân trình lên lactic vi khuẩn lactic Các vi khuẩn xếp chung vào họ Lactobacteriacae, hầu hết vi khuẩn Gram (+), khơng sinh bào tử, khơng di dộng, khơng có enzyme oxydase, catalase enzyme chuyển hóa nitrit thành nitrat Vi khuẩn lactic sử dụng nhiều loại cacbonhydrat Tùy theo cách lên men đường mà vi khuẩn lactic chia làm hai nhóm: Vi khuẩn lactic lên men đồng hình vi khuẩn lactic lên men dị hình + Lên men đồng hình trình lên men mà glucose chuyển hóa hồn tồn thành axit lactic qua đường EMP nhờ xúc tác enzyme lactatdehydrogenase Phương trình tổng quát trình lên men sau: C6H12O6 (glucose) CH3-CHOH-COOH (axit lactic) Các vi khuẩn lên men lactic đồng hình: Streptococcus lactis, Lactobacillus bulgaricus, L acildophilus,… + Lên men lactic dị hình q trình lên men mà sản phẩm tạo ngồi axit lactic cịn có số sản phẩm phụ axit axetic, axit sucxinic, rượu etylic, CO2 10 H2 Các vi khuẩn phân giải glucose qua đường pentozo phosphate Phương trình tổng quát trình lên men sau: 2C6H12O6 (glucose) = CH3-CHOH-COOH (axit lactic) + HOOC-CH2-CH2-COOH (axit sucxinic) + CH3-COOH (axit axetic) + CH3-CH2OH (etanol) + CO2 + H2 b Ứng dụng vi khuẩn lactic Các sản phẩm lên men chua biết đến từ xa xưa, có nhiều loại sản phẩm muối chua truyền thống sữa chua, rau muối chua, thịt chua,… Đây q trình lên men kỵ khí đường thành axit lactic thực vi khuẩn lactic Nhờ có lên men chua sản phẩm có hương vị thơm ngon, hấp dẫn, kích thích tiêu hóa, nâng cao chất lượng dinh dưỡng,c ó lượi cho sức khỏe người làm chậm trình hư hỏng Vi khuẩn lactic sử dụng để muối chua rau ủ chua thức ăn xanh cho gia súc Vi khuẩn lactic sử dụng sản xuất loại đồ uống lên men Vi khuẩn lactic sử dụng trình bảo quản, lên men tôm, cá Vi khuẩn lactic sử dụng trình lên men sản phẩm từ sữa như: lên men sữa chua, lên men sản xuất phomat, … III Công nghệ sinh học vi sinh vật ứng dụng nông nghiệp Từ lâu người tìm cách ứng dụng đặc tính q vi sinh vật sản xuất nông nghiệp như: sử dụng vi sinh vật phân giải cellulose, phân giải protein, cố định đạm, phân giải lân để sản xuất chế phẩm vi sinh cải tạo đất chế phẩm vi sinh xử lý nước thải chế phẩm vi sinh xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất phân bón hữu vi sinh; sử dụng vi sinh vật đối kháng để sản xuất chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học; sử dụng vi sinh vật sản sinh chất kích thích sinh trưởng để sản xuất chế phẩm kích thích sinh trưởng; … Trong phần tác giả đề cấp đến: i) ứng dụng vi sinh vật sản xuất phân bón hữu cơ; ii) ứng dụng vi sinh vật xử lý nước thải; iii) ứng dụng vi sinh vật sản xuất sản xuất, chế biến thức ăn chăn nuôi; iv) Giới thiệu số loại chế phẩm vi sinh lưu hành cho hiệu cao Ứng dụng vi sinh vật sản xuất phân bón hữu 11 Phân hữu sản phẩm tạo thành thơng qua q trình lên men vi sinh vật (ủ compost) hợp chất hữu (phế thải nông nghiệp, lâm nghiệp, phế thải chăn nuôi, phế thải chế biến, phế thải đô thị,phế thải sinh hoạt,…), hợp chất hữu phức tạp tác động vi sinh vật hoạt chất sinh học chúng chuyển hóa thành mùn Các nhóm vi sinh vật tham gia vào trình xử lý hợp chất hữu gồm: + Nhóm vi khuẩn: Bacillus, Clostridium, Lactobacillus,… + Nhóm xạ khuẩn: Streptomyces,… + Nhóm nấm: Trichoderma,… Ứng dụng vi sinh xử lý nước thải Hoạt động sản xuất công – nông nghiệp sinh hoạt hàng ngày người thải chất thải lỏng Nguồn chất thải điều kiện lý tưởng vi sinh vật nước phân giải, làm trả lại nguyên trạng nước ban đầu Tuy nhiên, với tình hình xã hội nay, nước thải bị ô nhiễm nghiêm trọng khả tự làm nước thải vơ khó Do cần phải có tác nhân giúp thúc đẩy trình tự làm diễn nhanh triệt để Khả tự làm nước thải nhờ vi sinh vật, nhờ chế phân giải hợp chất hữu nước cellulose, protein, lignin, …của vi sinh sinh Ứng dụng vi sinh vật sản xuất, chế biến thức ăn chăn ni Một loạt vi sinh vật có khả chuyển hóa hợp chất bon hữu thành protein axit amin,vitamin Có thể lợi dung khả vi sinh vật để sản xuất loại protein đậm đặc làm thức ăn chăn nuôi Một số vi sinh vật khác có khả sản sinh Probiotic có tác dụng điều hịa hệ thống vi sinh vật đường tiêu hóa người ta lợi dụng đặc tính để sản xuất chế phẩm probiotic làm thức ăn bổ sung chăn nuôi Một số chế phẩm vi sinh vật sử dụng rộng rãi nông nghiệp 4.1.Khái niệm Các chủng vi sinh vật hữu ích ứng dụng nơng nghiệp dạng chế phẩm vi sinh Chế phẩm sinh học (Probiotic) chất bổ sung dinh dưỡng chứa 12 vi khuẩn hay vi nấm có ích Chế phẩm vi sinh chế phẩm sinh học gồm tập hợp vi khuẩn có lợi mơi trường để giúp nông nghiệp; thủy sản phát triển bảo vệ mơi trường 4.2.Vai trị chế phẩm vi sinh: Không gây hại đến sức khỏe người, vật nuôi trồng Không gây ô nhiễm môi trường sinh thái Cân hệ vi sinh vật môi trường sinh thái Không làm chai đất mà cải thiện, làm tăng độ phì nhiêu đất Đồng hóa chất dinh dưỡng cho trồng, góp phần làm tăng suất chất lượng nông sản Tiêu diệt sâu hại côn trùng gây hại Tăng sức đềkháng trồng Phân hủy, chuyển hóa chất hữu bền vững, phế thải nông công nghiệp làm môi trường 4.3.Tiêu chuẩn đánh giá chế phẩm sinh học tốt: + Sản phẩm nghiên cứu, ứng dụng quan chuyên môn, Hội đồng khoa học xác nhận + Chế phẩm chứa vi sinh vật có độ an tồn người sử dụng, với vật ni, trồng + Chế phẩm công bố cụ thể mật độ tế bào/ bào tử, định danh đến chi, loài, chủng loại vi sinh vật + Chế phẩm đa công dụng, hướng dẫn sử dụng đơn giản, dễ hiểu, dễ thực + Chế phẩm có nguồn gốc xuất xứ, có số điện thoại tư vấn, hướng dẫn sử dụng 4.4.Giới thiệu số chế phẩm sinh học lưu hành a Chế phẩm vi sinh EMUNIV [6] Xuất xứ: sản phẩm Đề tài “Nghiên cứu chất vi sinh vật chế phẩm EM nghiên cứu sản xuất EM Việt Nam” - Đề tài đặc biệt EM/KHCN, 1997-2000 Công dụng: + Phân hủy thành phần khó tiêu tồn đất thành dạng dinh dưỡng kích thích sinh trưởng thực vật 13 + Cải thiện độ phì nhiêu đất, làm đất tơi xốp, thống khí + Giảm lượng phân bón vơ sử dụng, tăng suất trồn + Hạn chế phát triển cỏ dại sâu bệnh Thành phần: Bacillus subtillis………….3,5 x 108 CFU/ml Bacillus licheniformis…….3,5 x 107 CFU/ml Bacillus megaterium……… x 107 CFU/ml Lactobacillus acidophilus 2,2 x 108 CFU/ml Lactobacillus plantarum….2,2 x 108 CFU/ml Streptomyces sp…………….5 x 107 CFU/ml Saccharomyces cereviseae 2,5 x 107 CFU/ml + Bacillus subtilis: Đây loài vi khuẩn Gram (+), catalase dương tính, có hình que (nên gọi trực khuẩn) Trong điều kiện không thuận lợi thường tồn trạng thái bào tử, bảo vệ lớp vỏ dày, cứng chịu đựng nhiều điều kiện mơi trường khắc nghiệt Lồi ý nhiều có lợi sinh vật mơ hình cho nhiều nghiên cứu khoa học Vi khuẩn Bacillus subtilis: vi khuẩn an tồn, có lợi, có khả sản sinh enzyme tiêu hóa: protease, amylase, cellulose giúp phân giải chất hữu tăng cường hấp thụ chất dinh dưỡng; có khả tổng hợp số chất kháng sinh có tác dụng ức chế sinh trưởng tiêu diệt số vi sinh vật khác [5] + Streptomyces: Là vi khuẩn hình tia – khuẩn lạc mọc theo hình phóng xạ Vi khuẩn dạng sợi đơn bào, phân nhánh Sợi xạ khuẩn gọi khuẩn ti Có loại: 1, Khuẩn ti khí sinh (vươn ngồi khơng khí, từ sợi tạo cuống sinh bào tử sinh sản bào tử vơ tính); 2, Khuẩn ti chất (cắm sâu vào môi trường để thu nhận nước chất dinh dưỡng) Vi khuẩn Streptomyces sp sinh chất kháng sinh để ức chế sinh trưởng tiêu diệt vi sinh vật khác; sinh enzyme để phân giải chất hữu [4] + Lactobacillus: Là vi khuẩn hình que hình cầu, Gram (+), khơng sinh nội bào tử, kỵ khí vi hiếu khí hiếu khí tiện, lên men tạo axit lactic Vi khuẩn Lactobacillus giúp khử mùi 14 + Saccharomyces cereviseae: Thường gọi nấm men, vi nấm đơn bào, có hình trịn hình elip, kị khí khơng bắt buộc Nấm men có hình thức sinh sản: 1, Sinh sản vơ tính nảy chồi; 2, Sinh sản hữu tính hình thức tiếp hợp Saccharomyces cereviseae sinh axit hữu cơ, ethanol giúp ức chế sinh trưởng vi sinh vật khác, giúp khử mùi Ứng dụng chế phẩm: Chế phẩm ứng dụng cải tạo đất; sản xuất phân bón hữu (phân bón hữu dạng rắn, dạng lỏng, phân bón lá,…) ; khử mùi chuồng trại (phun rửa chuồng trại, làm đệm lót sinh học chăn nuôi) ; xử lý phế thải nông nghiệp (gồm phế thải trồng trọt phế thải chăn nuôi) ; xử lý rác thải hữu cơ, nước thải; sản xuất thức ăn chăn nuôi (ủ chua thức ăn cho gia súc, chế biến cám cho gia cầm,…) b Chế phẩm sinh học Metarhizium anisopliae [7] Công dụng: tiêu diệt nhiều loại côn trùng phá hoại mùa màng rầy nâu, bọ xít, bọ dừa, châu chấu, kiến vương hại dừa, bọ cánh cứng hại mía, bọ hại lạc, mối, sâu xanh, sung đất, tuyến trùng, rệp sáp,… Thành phần: Metarhizium anisopliae: 1, x 109 bào tử/gam Metarhizium anisoplae: Bào tử trần, hình trụ, đầu trịn elip (tùy chủng), có màu lục nhạt, kích thước 4,5 – 5,5µm Nhiệt độ sinh trưởng 28 – 30 oC Trên 35oC thường không sinh trưởng Bào tử nảy mầm sau 24h gặp độ ẩm thích hợp 2830oC M anisopliae có khả diệt nhiều lồi trùng phá hoại mùa màng bọ rày, bọ xít, bọ dừa, châu chấu,… Chúng có khả sinh độc tố destrucin A destrucin B độc côn trùng Tuy nhiên cho dù khơng sinh độc tố nấm có khả tiêu diệt trùng Khi bào tử nấm rơi thể côn trùng, gặp độ ẩm cao nảy mầm, đâm xuyên vào thể Khi trùng chết, nấm lại đâm xun ngồi, lúc đầu lớp phấn trắng khớp nối đốt, sau phát triển khắp bề mặt thể trùng hình thành bào tử Bào tử phát tán theo gió nước để lây sang cá thể khác Ứng dụng chế phẩm: Chế phẩm ứng dụng loại thuốc trừ sâu sinh học nhằm tiêu diệt côn trùng gây hại số rau (cây măng tây, rau 15 muốn,…), ăn trái (cây bưởi), công nghiệp (cây chè, hồ tiêu,…) đồng thời tiêu diệt số loại côn trùng truyền bệnh (ruồi nhặng, ruồi nhà,…) trang trại chăn nuôi c Chế phẩm hệ vi sinh kháng nấm [8] Công dụng: + Các vi sinh vật đối kháng tiết enzym phá hủy vách ngăn tế bào nấm bệnh + Tiết chất kháng sinh ức chế sinh trưởng nấm bệnh + Chống nhiễm nấm bệnh gây héo lá, héo cành, thối rễ cho lương thực, ăn quả, rau cơng nghiệp nói chung Thành phần Trichoderma viride …………….8.108CFU/g Bacillus subtilis ………………8.108CFU/g Streptomyces murinus ………….8.108CFU/g Isaria ajavanicus ……………………8.108 CFU/g + Trichoderma loại nấm hoại sinh có khả ký sinh đối kháng với nhiều loại nấm hại gây bệnh trồng, chúng thường sống đất tập trung nhiều khu vực rễ Chủng nấm có đến 33 lồi, hầu hết có lợi cho trồng Một số giúp cố định đạm đất, số khác phân giải lân cơng tiêu diệt lồi nấm bệnh gây hại cho trồng Trichoderma viride có khả ký sinh nấm, sinh kháng sinh, cạnh tranh chất dinh dưỡng không gian với vi sinh vật gây hại; chịu đựng điều kiện bất lợi việc gia tăng phát triển rễ; làm hòa tan cô lập chất dinh dưỡng vô cơ, cảm ứng kháng bệnh, bất hoạt enzyme gây bệnh 16 + Bacillus subtilis: vi khuẩn có khả sản sinh enzyme protease, amylase, cellulose giúp phân giải chất hữu cơ; có khả tổng hợp số chất kháng sinh có tác dụng ức chế sinh trưởng tiêu diệt số vi sinh vật khác + Streptomyces murinus xạ khuẩn có khả sinh chất kháng sinh để ức chế sinh trưởng tiêu diệt vi sinh vật khác; sinh enzyme để phân giải chất hữu + Isari ajavanicus (hay nấm Paecilomyces javanicus) thuộc nhóm nấm bất tồn ký sinh trùng, khuẩn lạc lúc đầu có màu trắng ngà sau chuyển dần sang màu kem đến màu tím nhạt (khi bào tử già) Khi bào tử nấm gặp thể côn trùng, tuyến trùng nảy mầm đâm xuyên vào thể vật chủ, sinh trưởng phát triển gây chết vật chủ Ứng dụng chế phẩm: Chế phẩm ứng dụng phòng trừ bệnh tuyến trùng, vi sinh vật gây rau (rau muống, cà chua,…), công nghiệp (cây chè, hồ tiêu,…), ăn trái (bưởi, long,…) IV Kết luận Vi sinh vật với đa dạng số lượng loài, đa cộng dụng với hoạt chất quý mà chúng sản sinh đóng vai trị vơ quan trọng tự nhiên, cân sinh thái lịch sử hình thành trái đất Do đó, vi sinh vật có tác động đến hoạt động đời sống sinh vật nói chung người nói riêng Đặc biệt, khoa học cơng nghệ phát triển, hiểu biết người giới vi sinh vật mở ra, từ nghiên cứu, ứng dụng vi sinh vật vào lĩnh vực sống vô rộng rãi Những nghiên cứu chuyên sâu vi sinh vật giúp người lợi dụng đặc điểm có lợi khả phân giải chất hữu cơ, khả sinh kháng 17 sinh khả sinh enzyme, khả sinh axit amin, khả sinh chất kích thích sinh trưởng,… đồng thời hạn chế kiểm soát bệnh,dịch hại vi sinh vật gây nấm hại trồng, vi khuẩn gây thối trình lên men,… Nắm kiến thức vi sinh vật, công nghệ sinh học vi sinh vật giúp người dân chọn lựa, ứng dụng chế phẩm vi sinh nơng nghiệp nói riêng cách an tồn, hiệu TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty (2010) Giáo trình Vi sinh vật học Nxb Giáo dục Phạm Văn Ty, Vũ Ngun Thành, (2007), Giáo trình Cơng nghệ sinh học – Tập Công nghệ vi sinh Môi trường Nxb Giáo dục Lê Gia Hy, Khuất Hữu Thanh, (2012) Cơ sở công nghệ vi sinh vật ứng dụng Nxb Giáo dục Lê Thị Kim Tuyến, Vũ Thị Kim Liên, Phạm Văn Ty, 1998 Phát enzym giới hạn số chủng Streptomyces phân lập ngoại thành Hà Nội Tạp chí khoa học Cơng nghệ XXXVI, 6B Đào Thị Lương, Phạm Văn Ty, 1998 Phân lập tuyển chọn vi khuẩn có hoạt tính phân giải xenluloza cao nhằm ứng dụng sản xuất phân bón hữu từ rác phế thải nơng nghiệp Tạp chí khoa học cơng nghệ, XXXVI- 6B Nghiên cứu phân huỷ rác làm phân bón hữu thức ăn chăn nuôi biện pháp vi sinh vật Đề tài cấp Nhà nước, mã số 52D - 04 - 01, 1987-1990 Nghiên cứu vi nấm Metarrhizium anisopliae Đề tài cấp ĐHQG , mã số QG 98 - 14, 1998-1999 Nghiên cứu vi sinh vật đối kháng chống nấm gây bệnh thực vật Đề tài cấp ĐHQG - 630 - 602 , 2003- 2005 18 ... vi sinh vật Cùng với phát triển khoa học công nghệ đại, vi sinh vật ứng dụng nhiều lĩnh vực khác sống, phải kể đến ứng dụng vi sinh vật nông nghiệp Lịch sử nghiên cứu vi sinh vật Sự phát vi sinh. .. nhóm vi sinh vật dị dưỡng chất vô đất lại nguồn dinh dưỡng cho nhóm vi sinh vật tự dưỡng nhóm vi sinh vật trú đất gồm: vi khuẩn, vi nấm, xạ khuẩn, virus, tảo, động vật nguyên sinh Trong vi khuẩn... lân để sản xuất chế phẩm vi sinh cải tạo đất chế phẩm vi sinh xử lý nước thải chế phẩm vi sinh xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất phân bón hữu vi sinh; sử dụng vi sinh vật đối kháng để sản