Công nghệ sinh học là việc ứng dụng các cá thể, hệ thống hoặc quá trình sinh học vào việc sx và phục vụ đời sống. Ứng dụng : chuyển đổi gen manh tính trạng tốt vào giống cây trồng và pp chọn giống truyền thống; tạo giống đồng hợp tử thông qua túi phấn ; ứng dụng kỹ thuật tái tổ hợp DNA ; kích thích đa dạng di truyền ; tạo ra những chế phẩm sinh học bảo vệ cây trồng, vật nuôi…
1 Công nghệ sinh học vai trò CNSH nông nghiệp Công nghệ sinh học việc ứng dụng cá thể, hệ thống trình sinh học vào việc sx phục vụ đời sống Ứng dụng : chuyển đổi gen manh tính trạng tốt vào giống trồng pp chọn giống truyền thống; tạo giống đồng hợp tử thông qua túi phấn ; ứng dụng kỹ thuật tái tổ hợp DNA ; kích thích đa dạng di truyền ; tạo chế phẩm sinh học bảo vệ trồng, vật nuôi… Năng lượng tái tạo ứng dụng cho phát triển Năng lượng tái tạo lượng từ nguồn liên tục mà theo chuẩn mực người vô hạn nhưnăng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng địa nhiệt Nguyên tắc việc sử dụng lượng tái sinh tách phần lượng từ quy trình diễn biến liên tục môi trường đưa vào sử dụng kỹ thuật Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc lượng tồn nhiều đến mức mà trở thành cạn kiệt sử dụng người (năng lượng Mặt Trời) lượng tự tái tạo thời gian ngắn liên tục ( lượng sinh khối) Ứng dụng : Đun nước nóng, phát điện lượng tái tạo (mặt trời, thủy triều, địa nhiệt ), nhiên liệu động Nhiên liệu sinh học tiềm Nhiên liệu sinh học : loại nhiên liệu hình thành từ hợp chất có nguồn gốc động thực vật nhiên liệu chế xuất từ chất béo động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ), ngũ cốc ,chất thải nông nghiệp (rơm rạ, phân, ), sản phẩm thải CN (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải ) NLSH gồm : diesel dinh học, khí sinh học, xăng sinh học nguyên liệu rắn Tiềm : Vn có tiềm lượng xăng dầu sinh học Nhiều loại ngô, mía, sắn sản xuất cồn sinh học tình hình đất đai Vn cho phép hình thành vùng sản xuất tập trung Còn mỡ cá, dầu thải công nghiệp nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học Ước tính VN sx 5tr l cồn sinh học 500tr l diesel sinh học có sữ quy hoạch thực vùng nguyên liệu theo hướng sử dụng đất triệt để thay đổi giống trồng hợp lý Ô nhiễm môi trường đất biện pháp xử lý Đất ô nhiễm bị gây có mặt hóa chất xenobiotic (sản phẩm người) thay đổi môi trường đất tự nhiên Nó đặc trưng gây nên hoạt động công nghiệp, hóa chất nông nghiệp, vứt rác thảikhông nơi quy định Các hóa chất phổ biến bao gồm hydrocacbon dầu, hydrocacbon thơm nhiều vòng (như naphthalene and benzo(a)pyrene), dung môi, thuốc trừ sâu, chì, kim loại nặng Mức độ ô nhiễm có mối tương quan với mức độ công nghiệp hóa cường độ sử dụng hóa chất Biện pháp xử lý : + Xử lý chỗ :bay hơi, ngâm chiết, thực vật… +Loại bỏ nguồn gây ô nhiễm +Điều tra phân tích đất + Làm sách hóa đồng ruộng +Thay đổi trồng lợi dụng hấp thu sinh vật + đầu tư xây dựng hệ thống thu gom, phân loia5 xử lý CTR + Hạn chế sử dụng hóa chất, sử dụng cách + Tuyên truyền thực luật môi trường Các biện pháp ứng phó xử lý dầu tràn Việc ngăn, quây dầu tràn tiến hành công cụ kỹ thuật cao đơn giản sử dụng phao quây dầu chuyên dùng dùng tre nứa kết thành phao ngăn dầu lan tràn, sau nhanh chóng thu gom cách, từ bơm hút vớt thủ công; dùng rơm rạ loại vật liệu xốp dễ ngấm dầu thả xuống nước cho dầu thấm vào, sau vớt lên gom giữ vào nơi an toàn Trường hợp tràn dầu khơi, xa bờ, xem xét dùng chất phân tán dầu nhằm ngăn không cho dầu có khả loang vào gây ô nhiễm đến bờ, khu vực thường khu vực nhạy cảm, nơi sinh sống loại động thực vật, khu bảo tồn thiên nhiên ven biển, khu rừng ngập mặn cần ưu tiên bảo vệ Khi dầu lan dạt vào bờ, cần nhanh chóng biện pháp, phương tiện, từ thô sơ (như xẻng, xô, chậu ) đại (như xe hút nước, bơm dầu, xe ủi, ô tô tải ) tổ chức thu gom váng dầu , cặn dầu Váng dầu, cặn dầu vật liệu bám dầu (như đất, cát, cành cây, rác bám dầu v.v ) cần gom nơi, ngăn quây cách ly không cho thấm môi trường xung quanh quan chuyên môn hướng dẫn xử lý Ngoài biện pháp cần thiết khẩn cấp nêu trên, nước tiên tiến sử dụng công cụ hỗ trợ để giúp công tác khắc phục cố tràn dâu có hiệu như: sử dụng vệ tinh để theo dõi vệt dầu loang theo hướng gió thủy triều để có biện pháp xử lý kịp thời Dùng loại tàu phao chuyên dụng để rải chất phân tán ngăn chặn vết dầu loang giúp cho việc thu gom dễ dàng Ngoài hóa chất phân tán, biện pháp khác dùng vi sinh vật tác nhân sinh học nhằm phân tán phân hủy dầu 5.Mối tương quan CNSH ngành khoa học khác 6.Ứng dụng công nghệ sinh học CP 7.Ứng dụng CNSH sản xuất sử dung nhiên liệu Nhiên liệu sinh học gồm : hệ 1, +Thế hệ 1: hệ đầu tiên, sản xuất từ thực vật dầu mỡ động vật + Thế hệ 2: Nhiên liệu tạo thành từ nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy phân hủy nhiệt – tổng hợp hóa học thành nhiên liệu sinh học +Thế hệ : Nhiên liệu tạo loại vi tảo nước, đất âm, sinh lượng lớn 7-30 hệ trước diện tích đất trồng Tuy nhiên hệ ảnh hưởng đến vấn đề an ninh lương thực hệ chưa ngiên cứu để ứng dụng rộng nên hầu hết sử dụng hệ Thế hệ tổng hợp đường chính: + Thủy phân sinh học sinh khối tạo đường tan tách lignin sau thông qua trình lên men dùng xúc tác enzim chuyển hóa thành nhiên liệu +Lỏng hóa sinh khối tạo dầu sinh học chuyển chất xúc tác, dehydro hóa- oxy hóa tạo nhiên liệu +Khí hóa sinh khối tạo khí tổng hợp qua tổng hợp Fischer tao nhiên liệu Để đảm bào an ninh lượng, bảo vệ môi trường thúc đẩy kinh tế phát triển vùng sâu, vùng xa nước ta đẩy mạnh việc sử dụng nhiên liệu sinh học sản xuất đời sống nhằm thay cho nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống Vai trò CNSH hệ thống xử lý nước thải Phương pháp xử lý nước thải công nghệ sinh học ứng dụng để xử lý chất hữu hoà tan có nước thải số chất ô nhiễm vô khác H2S, sunfit, ammonia, nitơ… dựa sở hoạt động vi sinh vật để phân huỷ chất hữu gây ô nhiễm Vi sinh vật sử dụng chất hữu số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng phát triển Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học chia làm loại: +Phương pháp kỵ khí sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động điều kiện oxy; +Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động điều kiện cung cấp oxy liên tục Quá trình phân huỷ chất hữu nhờ vi sinh vật gọi trình oxy hoá sinh hoá Để thực trình này, chất hữu hoà tan, chất keo chất phân tán nhỏ nước thải cần di chuyển vào bên tế bào vi sinh vật theo giai đoạn sau: +Chuyển chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật; +Khuyếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm chênh lệch nồng độ bên bên tế bào; +Chuyển hoá chất tế bào vi sinh vật, sản sinh lượng tổng hợp tế bào Tốc độ trình oxy hoá sinh hoá phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng tạp chất mức độ ổn định lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý Ở điều kiện xử lý định, yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hoá chế độ thuỷ động, hàm lượng oxy nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng nguyên tố vi lượng Vai trò CNSH xử lý chất thải Chất thải gồm có hữu cơ, vô cơ, sinh học khí Các trình xử lý sinh học chất thải người thực bắt chước diễn tự nhiên *Chất thải hữu xử lý dựa vào hoạt động phân huỷ vi sinh vật nhằm phân hủy chất hữu rác Để đạt hiệu cao triệt để, cần phải tạo điều kiện tối ưu cho vi sinh vật tham gia phân huỷ tách chất thải hữu khỏi hỗn hợp rác Các pp xử lý : +Phương pháp kỵ khí sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động điều kiện oxy +Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động điều kiện cung cấp oxy liên tục * Việc xử lý kim loại (vô ) = vật liệu sinh học thường qua dạng : khử độc tính kim loại phục hồi kim loại có giá trị cao Các pp xử lý: + Hấp thu sinh học + Lắng ngoại bào 10.Các giai đoạn phân hủy kỵ khí chất thải Quá trình phân huỷ kỵ khí chất hữu trình sinh hoá phức tạp tạo hàng trăm sản phẩm phản ứng trung gian Ta biểu diễn đơn giản sau: Chất hữu CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + tế bào Quá trình phân huỷ kỵ khí xảy theo giai đoạn: - Giai đoạn 1: Thuỷ phân, cắt mạch hợp chất cao phân tử; - Giai đoạn 2: Acid hoá; - Giai đoạn 3: Acetate hoá; - Giai đoạn 4: Methane hoá Các chất thải hữu chứa nhiều chất hữu cao phân tử protein, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… giai đoạn thuỷ phân, cắt mạch tạo thành phân tử đơn giản hơn, dễ phân huỷ Các phản ứng thuỷ phân chuyển hoá protein thành amino acids, carbohydrates thành đường đơn, chất béo thành acid béo Trong giai đoạn acid hoá, chất hữu đơn giản lại tiếp tục chuyển hoá thành acetic acid, H2 CO2 Các acid béo dễ bay chủ yếu acetic acid, propionic acid lactic acid Bên cạnh đó, CO H2O, methanol, rượu đơn giản khác hình thành trình cắt mạch carbohydrates Vi sinh vật chuyển hoá methane phân huỷ số loại chất định CO + H2, formate, acetate, methanol, methylamines CO Các phương trình phản ứng xảy sau: 4H2 + CO2 => CH4 + 2H2O 4HCOOH => CH4 + CO2 + 2H2O CH3COOH => CH4 + CO2 4CH3OH => 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + H2O => 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3 Tuỳ theo trạng thái bùn, chia trình xử lý kỵ khí thành: · Xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng trình tiếp xúc kỵ khí, trình xử lý bùn kỵ khí với dòng nước từ lên · Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám trình lọc kỵ khí 11 So sánh thiết kế truyền thống thiết kế công nghệ Các vấn đề Thiết kế truyền thống Thiết kế công nghệ Năng lượng sử dụng nhiều Hiệu suất Thấp cao Phát triển bền vững Không tốt Tốt Chi phí Thấp cao Khả ứng dụng Rộng rãi Hạn hẹp ảnh hưởng MT Không tốt Tốt 11.Ứng dụng công nghệ định hướng phát triển Ngày nay, công nghệ sinh học ứng dụng vào nhiều lĩnh vực sống: công nghiệp, nông nghiệp, y học Bằng kiến thức sinh học thực vật, động vật, nấm, vi khuẩn, sử dụng "công nghệ DNA tái tổ hợp" nhà khoa học cố gắng tạo trồng, vật nuôi có suất chất lượng cao, loại thực phẩm, dược phẩm phục vụ cho việc chữa bệnh cho người công nghệ tế bào kĩ thuật chuyển gen phát triển Việt Nam Công nghệ sinh học lĩnh vực rộng tham gia vào nhiều khâu lĩnh vực khác: +Tin sinh học lĩnh vực đa ngành giải vấn đề sinh học cách sử dụng kỹ thuật tính toán, làm cho tổ chức nhanh chóng phân tích liệu sinh học cấu trúc gen, chức gen, + Công nghệ sinh học lam thuật ngữ sử dụng để mô tả ứng ụng công nghệ sinh học hàng hải thủy sản + Công nghệ sinh học đỏ ứng dụng công nghệ sinh học y dược :sản xuất kháng sinh, chữa bệnh qua gen + Công nghệ sinh học trắng công nghệ sinh học công nghiệp : nuôi cấy vi sinh vật hữu ích, dùng enzyme sản xuất để tăng hiệu sản xuất Định hướng phát triển : - Phát triển ứng dụng công nghệ sinh học vào ngành sản xuất cho ngày tiết kiệm tài nguyên, hiệu suất cao hiệu tốt, giải vấn đề môi trường (tái tạo tiềm kiếm tài nguyên, ô nhiễm môi trường )… 12.Công nghệ sinh học kiểm soát côn trùng sâu bệnh Các ưu diểm chế phẩm sinh học kiểm soát côn trùng sâu bệnh : + không gây ảnh hưởng tiêu cực đến người, vây trồng môi trường + cân hệ sinh thái + tăng độ phì cho đất,tăng sức đề kháng cho trồng, đồng hóa chất dinh dưỡng làm tăng suất + góp phần phân hủy, chuyển hóa chất hữu bền vững, phế thải nông nghiệp, công nghiệp… Một số ứng dụng : + chuyển gen, phân tích gen…làm nên giống trồng với sức đề kháng cao bị sâu bệnh ảnh hưởng với suất cao + sử dụng vi sinh vật, thiên địch kiềm chế dịch hại + trực tiếp sử dụng chế phẩm sinh học (từ nấm, tuyến trùng, vi sinh ) để tiêu diệt côn trùng bệnh hại cách triệt để thời gian hợp lý mà không ảnh hưởng xấu đến môi trường đất, suất hệ sinh thái 13.Công nghệ sinh học sản xuất phân bón cho nông nghiệp Dựa vào nguyồn nguyên liệu sẵn có cộng với ứng dụng từ công nghệ sinh học ta làm loại phân bón có hiệu không thua so với phân bón hóa học cho loại trồng đất + sản xuất phân bón rễ (làm từ rơm rạ, vỏ cà phê, thân bắp…) với vi sinh vật bacillus, lactobacillus, trichoderma + sản xuất phân bón chứa đạm cao (làm từ thân lạc, đậu nành, bèo hoa dâu ) với vi sinh vật phân giải lân hữu (bacillus sp pseudomonas sp) vô ( họ vi khuẩn bacillus , nấm penicillin, bột apatit…) + sản xuất phân hữu sinh học ( làm từ vỏ giáp xác, rong, tảo, sinh khối giàu protein ) với vi sinh vật( bacillus sp, pseudomonas, lactobacillus ) enzyme ( protease, amylase, xelluase ) 14.Ứng dụng CNSH sản xuất phân bón từ rác thải sinh hoạt Hiện xử lý rác thải sinh hoạt vấn đề lớn quốc gia giới Sản xuất compost giải pháp, có vài ngoại lệ, thích hợp cho nguồn nguyên liệu hạn chế có sẵn nước phát triển Một đặc điểm làm cho sản xuất compost đặc biệt phù hợp khả thích nghi cao với nhiều tình khác nhau, phần yêu cầu cần thiết cho trình sản xuất compost linh động thay đổi Giải pháp sản xuất compost tận dụng nhiều lợi ích hệ thống sinh học: giảm chi phí cho trang thiết bị chi phí vận hành, thân thiện với môi trường tạo sản phẩm có ích Có phương pháp để làm compost : +Sử dụng trùng đất : sử dụng trùng đất làm công cụ để phân giải chất hữu có rác thải sinh hoạt thành compost Ích lợi : giảm kích thước hạt, sản phẩm chất lượng cao (giàu nitơ), tăng trao đổi cacbon dinh dưỡng + Thêm vi sinh vật để thúc đẩy trình phân hủy chất hữu rác thải sinh hoạt thành compost Ích lợi : hiệu suất cao, thời gian ngắn, tăng trao đổi chất 15 Ứng dụng CNSH xử lý khí CO2 16.Nhiên liệu sinh học tiềm Trong số nguồn lượng thay dầu mỏ sử dụng (năng lượng gió, lượng mặt trời, lượng hạt nhân,…), lượng sinh học xu phát triển tất yếu, nước nông nghiệp nhập nhiên liệu, lợi ích như: công nghệ sản xuất không phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu chỗ, tăng hiệu kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động sở hạ tầng có giá thành cạnh tranh so với xăng-dầu NLSH nhiên liệu có nguồn gốc từ vật liệu sinh khối củi, gỗ, rơm, trấu, phân mỡ động vật dạng nhiên liệu thô NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm: loại cồn sản xuất công nghệ sinh học để sản xuất Gasohol (Methanol, Ethanol, Buthanol, nhiên liệu tổng hợp Fischer Tropsch); loại dầu sinh học để sản xuất diesel sinh học (dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật) Hay nói cách khác; NLSH loại nhiên liệu hình thành từ hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học) Ví dụ nhiên liệu chế xuất từ chất béo động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương ), chất thải nông nghiệp (rơm rạ, phân, ), sản phẩm thải công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải ), Việt Nam có tiềm lớn nguồn lượng tái tạo phân bổ rộng khắp toàn quốc Sinh khối từ sản phẩm hay chất thải nông nghiệp có sản lượng tương đương 10 triệu dầu/năm Tiềm khí sinh học xấp xỉ 10 tỉ m năm thu từ rác, phân động vật chất thải nông nghiệp Tiềm kỹ thuật thuỷ điện nhỏ (30%) lại chất khác nước N2, O2, H2S, CO, … thuỷ phân môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20-40ºC, sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động đốt Để sử dụng biogas làm nhiên liệu phải xử lý biogas trước sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S ăn mòn chi tiết động cơ, sản phẩm SOx khí độc Hơi nước có hàm lượng nhỏ ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp tỷ lệ không khí/nhiên liệu Biogas Khí sinh học tạo nhờ trình ủ lên men chất hữu phân động vật, thức ăn thừa, nước thải cống rãnh, phế thải nông nghiệp Khí sinh học cung cấp điện năng, chất đốt, nhiên liệu cho xe cộ, … Bã thải trình phân hủy dùng làm thức ăn cho vật nuôi, dùng làm phân trộn, phân bón hay chất dinh dưỡng cho trồng 18.Ứng dụng CNSH phục hồi tài nguyên thiên nhiên