công nghệvisinhvật và ứngdụngcủanó TS. Nguyễn Khắc Thái Sơn - Chuyên ngành Trồng trọt Giáo viên Khoa Tài nguyên và MT - ĐT. 0988 717622 1. Mở đầu Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về “công nghệsinh học”, nhưng đến nay định nghĩa được nhiều nhà khoa học cũng như nhiều nước trên thế chấp nhận có nội dung như sau: Côngnghệsinh học là các quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp có sự tham gia của các tác nhân sinh học (ở mức độ cơ thể, tế bào hoặc dưới tế bào) dựa trên các thành tựu tổng hợp của nhiều bộ môn khoa học, phục vụ cho việc tăng của cải vật chất của xã hội và bảo vệ lợi ích của con người. Nếu phân loại theo tác nhân sinh học tham gia thì côngnghệ sinh học visinhvật (gọi tắt là công nghệvisinh vật) là một nhánh củacôngnghệsinh học. Vậy, có thể hiểu: Công nghệvisinhvật là các quá trình sản xuất ở quy mô công nghiệp có sự tham gia củavisinhvật dựa trên các thành tựu tổng hợp của nhiều bộ môn khoa học, phục vụ cho việc tăng của cải vật chất của xã hội và bảo vệ lợi ích của con người. Bài viết này nhằm giới thiệu những suy nghĩ của tôi về công nghệvisinhvật và ứngdụngnó trong cuộc sống. 2. Sơ lược về lịch sử phát sinh, phát triển củacôngnghệvisinhvật 2.1. Giai đoạn trước khi phát hiện ra thế giới visinhvật Từ trước công nguyên, trong cuốn “Những quan sát về cây cối”, nhà triết học Phrastes (Hy Lạp) dã coi cây họ đậu như một nguồn bồi bổ lại sức lực cho đất. Sau đó, người cổ La Mã đã đề nghị luân canh cây họ hoà thảo với cây họ đậu. Từ thế kỷ 16 về trước, mặc dù con người ta đã biết áp dụng một số quy luật của thiên nhiên như: luân canh giữa cây họ hoà thảo với cây họ đậu, ủ men nấu rượu, làm tương… nhưng vẫn không biết giải thích tại sao. 2.2. Giai đoạn phát hiện ra thế giới visinhvật Đến thế kỷ 17, nhà bác học An Tôn Van Lơ Ven Húc (Hà lan) đã chế tạo được kính hiển vi nguyên thuỷ, nhờ đó đã phát hiện ra một thế giới sinhvật mới đó là thế giới visinh vật. Đến thế kỷ 19, Pasteur (Pháp) đã chỉ ra rằng visinhvật dóng vai trò quyết định trong quá trình lên men, nhờ đó mở ra một giai đoạn mới là ứngdụngvisinhvật trong công cuộc sống 2.3. Giai đoạn sản xuất vàứngdụngcôngnghệvisinhvật Năm 1885, Pasteur đã thành công trong việc chế tạo vaccine phòng bệnh dại. Năm 1886, Hellrigel và Uyn Fac đã tìm ra cơ chế cố định nitơ phân tử. Từ năm 1900-1914, nhiều nước trên thế giới đã sản xuất chế phẩm visinh vật. Nhiều nhà khoa học đã ví “mỗi nốt sần ở rễ cây họ đậu là một nhà máy sản xuất phân đạm tí hon”. Năm 1964, nhờ có chương trình sinh học quốc tế đã có nhiều loại chế phẩm visinhvật ra đời như: chế phẩm visinhvật đồng hoá nitơ phân tử, chế phẩm visinhvậtdùng trong bảo vệ thực vật, chế phẩm visinhvậtdùng xử lí ô nhiễm môi trường, vaccine phòng chống bệnh cho người vàvật nuôi… ở Việt Nam, những nghiên cứu về visinhvật mới chính thức được đưa vào các chương trình khoa học từ những năm 1960. 3. Điểm qua một số hướng nghiên cứu ứngdụngcôngnghệvisinhvật trong cuộc sống 3.1. Một số hướng nghiên cứu ứngdụngcôngnghệvisinhvật trong nông nghiệp * ứngdụng trực tiếp + Phân bón visinh vật: là sản phẩm chứa một hay nhiều loài visinhvật sống đã được tuyển chọn có mật độ theo tiêu chuẩn đã quy định, có tác dụng tạo ra các chất dinh dưỡng hoặc các hoạt chất sinh học có ích cho cây trồng hoặc cải tạo đất. Ví dụ: Chế phẩm Nitragin, Azotobacterin chứa các visinhvật có khả năng cố định nitơ tự do trong không khí. Chế phẩm Photphobacterin chứa các visinhvật có khả năng phân giải photpho khó tan trong đất. Hoặc các chế phẩm nấm rễ, chế phẩm tảo lam… Kết quả nghiên cứu của tôi cho thấy phun chế phẩm EM (Effective Micro-organisms) thứ cấp có tác dụng làm tăng năng suất và chất lượng quả vải. + Chế phẩm visinhvậtdùng bảo vệ thực vật: Hiện nay, việc ứngdụng các visinhvật để bảo vệ thực vật đang được quan tâm vìnó ít gây độc hại và đảm bảo cân bằng sinh thái; có thể kể đến một số các chế phẩm sau: - Virus gây bệnh cho côn trùng: Người ta thường dùng các virus đa diện ở nhân (NPV) để gây cho côn trùng ngừng ăn, ít hoạt động, trương phù. Hiện nay, người ta đã sản xuất được chế phẩm này để trừ sâu xanh, sâu róm thông… - Vi khuẩn gây bệnh cho côn trùng và chuột: Hiện nay, người ta đã sản xuất được một số chế phẩm từ vi khuẩn gây bệnh cho côn trùng và chuột như chế phẩm Bt. để trừ sâu tơ, sâu xanh bướm trắng hại rau hoặc chế phẩm Biorat, chế phẩm Miroca để gây bệnh đường ruột cho chuột. - Ngoài ra, người ta còn nghiên cứu sản xuất các nấm gây bệnh cho côn trùng, động vật nguyên sinh ký sinh côn trùng, tuyến trùng ký sinh côn trùng. - Visinhvật đối kháng: Ngoài việc ứngdụng các visinhvật gây bệnh cho côn trùng và dịch hại như trên, người ta đã nghiên cứu tìm ra các loài nấm, các loài vi khuẩn, các loài virus đối kháng với các visinhvật gây bệnh hoặc cỏ dại tức là khi có mặt những loài visinhvật này thì các visinhvật gây bệnh mà đối kháng với chúng sẽ không phát sinh, phát triển được. Ví dụ: sử dụng nấm Penicillium (các dạng oxalicum, frequentans, vermiculatum, nigricans, chrysogetum) để đối kháng với các nấm Pythium spp. Rhioctonica solani, Selerotium cepivorum, Vertcillium alboatrum; sử dụngvi khuẩn Steptomyces griseoviridy để đối kháng với bệnh nấm Fusarium . + ứngdụngcôngnghệvisinhvật để sản xuất men tiêu hoá cho vật nuôi: Người ta đã sản xuất các men tiêu hoá cho vật nuôi bằng cách sử dụng những vi khuẩn có lợi cho hệ tiêu hoá như vi khuẩn Bacillus subtilis… * ứngdụng gián tiếp - Sản xuất phân bón hữu cơ sinh học (compost): Phân bón hữu cơ sinh học là loại phân bón được tạo thành nhờ quá trình lên men các chất hữu cơ có nguồn gốc khác nhau (phế thải của sản xuất nông lâm nghiệp, phế thải củacông nghiệp chế biến, phế thải sinh hoạt…) bằng visinhvật hoặc các hoạt chất sinh học của chúng tạo thành mùn. Ví dụ lên men bã mía, mùn cưa, rơm rạ, rác thải hữu cơ, than bùn… bằng visinhvật hữu hiệu (EM) thành phân bón (gọi là Bokashi). Kết quả nghiên cứu của tôi cho thấy sử dụng EM để chế than bùn thành phân hữu cơ sinh học bón cho vải, dứa đều cho năng suất không thua kém so với bón bằng phân trâu bò cùng lượng. Sử dụng phân này trộn với đất làm giá thể để trồng dứa nuôi cấy mô ở vườn ươm rất tốt. - Cải tạo giống cây trồng bằng visinh vật: Hiện nay, người ta đã dùngvi khuẩn chuyển gen vào cây trồng thông qua các tế bào bị thương để từ đó nuôi cấy nhân nhanh các tế bào này trong môi trường nhân tạo rồi cho tái sinh thành giống cây mới. - Sản xuất chất điều hoà sinh trưởng từ visinh vật: Người ta có thể sản xuất các chất điều hoà sinh trưởng như Gibberellin, Auxin từ visinh vật. - Sản xuất thức ăn cho vật nuôi từ visinh vật: Dùngvisinhvật có ích để lên men thức ăn cho vật nuôi (dạng Bokashi), dạng thức ăn này làm cho vật nuôi tiêu hoá tốt, ngủ nhiều, tăng trọng nhanh. - ứngdụngcôngnghệvisinhvật để sản xuất vaccine và kháng sinh cho vật nuôi: Một phần lớn các loại vaccine và kháng sinhdùng cho vật nuôi hiện nay đều được sản xuất từ visinh vật. Ví dụ vaccine phòng bệnh lở mồm long móng đối với gia súc, vaccine phòng bệnh Niu cát sơn ở gia cầm, vaccine gumboro phòng bệnh suy giảm miễn dịch cho gia cầm… Các loại thuốc kháng sinh sử dụng để chữa bệnh cho vật nuôi hiện nay cũng phần lớn có nguồn gốc từ visinh vật. 3.2. Một số hướng nghiên cứu ứngdụngcôngnghệvisinhvật trong bảo vệ môi trường * Khử mùi hôi thối trong môi trường sống: Mùi hôi thối của rác thải, của chuồng trại chăn nuôi là do một nhóm visinhvật tạo ra. Người ta đã sử dụng một số nhóm visinhvật khác để ức chế sự hoạt động của các visinhvật này. Cụ thể, dùngvisinhvật hữu hiệu (EM) phun vào các bãi rác hoặc chuồng trại chăn nuôi có thể làm giảm tới 70-90 % mùi hôi thối. Hiện nay, tất cả các bãi rác lớn ở Việt Nam đều dùng EM để xử lý. Dùng EM làm cho rác được phân giải triệt để hơn nên kéo dài thời gian sử dụng bãi rác góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế của bãi chứa rác. Ví dụ: - Tại Công ty xử lý rác thải thành phố Hồ Chí Minh (HOWADICO) sử dụng chế phẩm EM thứ cấp pha loãng theo tỷ lệ 1/400 phun vào rác thải đô thị sau 3 tuần phun mùi hôi giảm dần; sau 3 tháng theo đánh giá chung của toàn bộ công nhân công trường xử lý rác, mùi hôi giảm khoảng 75-80 %. - Sở Khoa học Côngnghệvà Môi trường tỉnh Vĩnh Long kết hợp với trung tâm CTA đã tiến hành thử nghiệm sử dụng chế phẩm EM để xử lý mùi hôi trong chăn nuôi với lượng dùng 1 lít dung dịch EM thứ cấp 1 % phun cho 1m2 bề mặt chuồng, sau 24 giờ mùi hôi đã giảm rõ. Sau 3-4 ngày phun liên tục mùi hôi giảm đến 80 %. - Tại Công ty TAMICO (TP. Hồ Chí Minh): Dùng EM thứ cấp pha loãng 0,5% phun lên tường, sàn nhà nơi chứa da, nơi thuộc da và toàn bộ mặt bằng sản xuất củaCông ty; phun thường xuyên 15 ngày liên tục từ ngày thứ 16 trở đi phun cách nhật. Kết quả là mùi hôi giảm rõ rệt, các thông số kiểm nghiệm môi trường đều đạt ở mức cho phép. * Phân huỷ chất thải trong môi trường sống: Chúng ta thử hình dung, nếu không có thế giới visinhvật thì trên mặt đất hiện nay không còn chỗ đặt chân do đã bị phủ kín bởi rác thải. Xã hội càng phát triển thì rác thải càng nhiều và xử lí rác thải càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Có rất nhiều phương pháp xử lí rác thải nhưng dùngvisinhvật để phân huỷ rác đang được coi là giải pháp hữu hiệu nhất. Tuỳ theo loại rác thải mà người ta chọn lựa các nhóm visinhvật khác nhau để phân huỷ chúng. - Phân huỷ chất thải hữu cơ: Hiện nay, đối với rác thải hữu cơ thì việc dùngvisinhvật để xử lí thành phân hữu cơ dùng bón cho cây trồng, cải tạo đất là vấn đề đang được quan tâm. Người ta dùng các vi khuẩn, nấm sợi, xạ khuẩn để phân giải xenluloza, lignin… Ví dụ, người ta sử dụng EM ủ với các chất thải hữu cơ không phải phân chuồng để chế biến thành phân bón hữu cơ chất lượng cao. - Phân huỷ chất thải vô cơ trong công nghiệp: Rác thải vô cơ là loại khó xử lí, ngoài biện pháp tái chế, thiêu huỷ, chôn lấp thì con người cũng đang nghiên cứu tìm kiếm các chủng visinhvật có khả năng phân huỷ chúng. Ngày nay, người ta đã tìm ra và đang thử nghiệm các chủng visinhvật phân huỷ xăng dầu, các kim loại nặng… 3.3. Một số hướng nghiên cứu ứngdụngcôngnghệvisinhvật trong công nghiệp * ứngdụngcôngnghệvisinhvật trong chế biến thực phẩm: Việc ứngdụngvisinhvật trong chế biến thực phẩm đã được con người sử dụng từ rất lâu và ngày càng rộng rãi. Hiện nay, phần lớn các côngnghệ chế biến thực phẩm đều có sử dụngvisinhvật bằng côngnghệ lên men. Ví dụ sản xuất bánh mỳ, rượu, bia, sữa chua, nước mắm, chế biến tinh bột, nước uống lên men . * ứngdụngcôngnghệvisinhvật trong sản xuất nguồn năng lượng: Các nhà khoa học đã dự báo nguồn năng lượng bằng than, dầu khí… là những loại năng lượng chính hiện nay con người đang sử dụng nhưng là ngườn tài nguyên không tái tạo nên ngày càng bị cạn kiệt. Ngược lại, nhu cầu của con người về năng lượng lại càng ngày càng tăng nên các nhà khoa học đã nghĩ đến việc tạo ra và sử dụng những nguồn năng lượng thay thế. Trong các hướng đó có hướng sản xuất cồn và khí đốt biogas. - ứngdụngcôngnghệvisinhvật trong sản xuất cồn công nghiệp: Hướng này là dùngvisinhvật lên men tinh bột để tạo ra cồn công nghiệp. Hiện nay, nhiều nước đã sản xuất cồn để dùng thay thế một phần năng lượng cho xăng dầu. Theo tôi, nguồn cồn là vô tận vì cách chính để sản xuất ra cồn hiện nay là lên men tinh bột (thế mà nguồn tinh bột sẽ là vô tận, không bị cạn kiệt vì có sự tái tạo). Vấn đề còn khó khăn khi thay thế toàn bộ xăng dầu bằng cồn là chúng ta phải sản xuất ra được cồn 99 % chứ không phải là cồn 96 % như hiện nay. - ứngdụngcôngnghệvisinhvật trong sản xuất khí đốt biogas: Hướng này là việc ứngdụngvisinhvật để lên men yếm khí các chất hữu cơ thành khí đốt (chủ yếu là dùng chất thải củavật nuôi). Nó vừa bổ sung cho nguồn năng lượng là khí đốt, vừa có tác dụng góp phần bảo vệ môi trường. Ngoài ra, côngnghệvisinhvật còn được ứngdụng trong công nghiệp sản xuất các chất tăng hương vị thực phẩm như: amino acid, vitamin, các chất màu thực phẩm, keo thực phẩm; sản xuất các dung môi hữu cơ như: ethanol, acetone…; sản xuất các acid hữu cơ như: acid lactic, acid citric… 3.4. Một số hướng nghiên cứu ứngdụngcôngnghệvisinhvật trong y tế - ứngdụngcôngnghệvisinhvật để sản xuất vaccine cho con người: Một phần lớn các vaccine phòng bệnh cho con người có nguồn gốc từ visinh vật. Vaccine được chế tạo trực tiếp từ các visinhvật gây bệnh gọi là vaccine thế hệ cũ. Hiện nay, người ta chế tạo các vaccine thế hệ mới không phải trực tiếp từ các visinhvật gây bệnh mà từ ribosome trong tế bào vi khuẩn hoặc các mảnh của virus (như vỏ virus) hoặc dùng kỹ thuật gen để tạo ra các vaccine từ việc tổng hợp kháng nguyên của virus hay vi khuẩn. Các vaccine này an toàn hơn rất nhiều so với vaccine thế hệ cũ. - ứngdụngcôngnghệvisinhvật để sản xuất kháng sinh cho con người vàvật nuôi: Kháng sinh chế từ visinhvậtdùng để chữa bệnh cho con người được người ta sản xuất từ lâu. Từ những loại thuốc kháng sinh được sản xuất từ lâu mà nay vẫn dùng như: steptomycine, penicyline… đến nay con người đã tìm thấy khoảng 2.500 loại thuốc kháng sinh, trong đó phần lớn có nguồn gốc từ visinhvật - ứngdụngcôngnghệvisinhvật để sản xuất men tiêu hoá cho con người: Đây là một ứngdụng trực tiếp các visinhvật có lợi cho hệ tiêu hoá để kích thích tiêu hoá cho con người. Hầu hết các men tiêu hoá hiện nay dùng cho con người trên thị trường đều có chứa các visinhvật thuộc nhóm Bacillus subtilis như: Biosubtilic, Bidisubtilic, Antibio, Biofidin, Biobaby… - Ngoài ra, con người còn ứngdụngcôngnghệvisinhvật để sản xuất kích tố sinh trưởng cho con người (HGH = Human Growth Hormone), là chất có trong tuyến yên của người, giúp cho con người tăng trưởng chiều cao; sản xuất Insulin, là protein có tác dụng điều hoà lượng đường trong máu người; sản xuất Interferon, là một protein có tác dụng giúp cơ thể người chống lại nhiều loại bệnh… 4. Một số khó khăn khi ứngdụngcôngnghệvisinhvật trong cuộc sống Côngnghệvisinhvật đã, đang và sẽ được ứngdụng rất nhiều trong cuộc sống nhưng khi ứngdụng cũng còn gặp những khó khăn nhất định. Theo tôi, phải kể đến các khó khăn sau: 4.1. Visinhvật là một thực thể sống nhưng không nhìn thấy bằng mắt thường : Mặc dù, visinhvật là một thực thể sống nhưng do cơ thể quá nhỏ bé, chúng ta không thể nhìn thấy được bằng mắt thường nên con người không thể biết được visinhvật trong các chế phẩm này có còn sống hay không, nếu còn sống thì mật độ là bao nhiêu, có đảm bảo so với quy định nữa hay không. Đây chính là lí do làm cho người sử dụng chưa thực sự yên tâm đối với những loại sản phẩm có nguồn gốc từ visinhvật mà hiện nay chưa kiểm duyệt chặt chẽ như các phân bón vi sinh, thuốc chuột vi sinh… Thật vây, khi sử dụng những sản phẩm này, người ta thường gặp tình trạng không ổn định chất lượng. Điều này là do mật độ visinhvật có lúc không còn được đảm bảo theo tiêu chuẩn quy định mà khi mua mắt họ không thể nhận biết được. 4.2. Visinhvật có tốc độ phát sinh, phát triển rất nhanh : Do cơ thể visinhvật nhỏ bé, mắt thường không nhìn thấy được nhưng lại có khả năng sinh sôi rất nhanh nên khó có thể bảo quản và giữ giống visinhvật trong điều kiện bình thường. Việc này chỉ có thể thực hiện được tốt trong điều kiện nhân tạo trong phòng thí nghiệm. 4.3. Cơ thể visinhvật dễ bị biến đổi kiểu gien : Cơ thể visinhvật có cấu tạo hết sức đơn giản, thậm chí với virus còn chưa có cấu tạo đến mức tế bào nên dưới tác động của ngoại cảnh nó rất dễ bị biến đổi về kiểu gen. Do đó, nó dễ dàng phát sinh ra loài mới 5. Kết luận Côngnghệvisinhvật có khả năng ứngdụng vào rất nhiều khía cạnh của cuộc sống như: nông nghiệp, công nghiệp, môi trường, y tế… Trong cuộc sống không thể thiếu visinhvật được nhưng do cơ thể nó rất nhỏ bé (mắt thường không nhìn thấy được), cấu tạo rất đơn giản, sinh sôi nhanh, vòng đời ngắn nên: 1- Khó xác định được mật độ visinhvật trong các chế phẩm củanó nếu không không có trang thiết bị chuyên dùng nên một số phẩm khi dùng không còn đảm bảo về mật độ. 2- Khó có thể bảo quản và giữ giống visinhvật trong điều kiện bình thường. 3- Dễ bị biến đổi về kiểu gen nên dễ sinh ra loài mới. Tài liệu tham khảo 1. Đái Duy Ban, Lê Thanh Hoà (1996), Côngnghệsinh học đối với vật nuôi và cây trồng, Nxb Nông nghiệp, Tr. 175-177, 200-227. 2. Bùi Thị Thu Hương (1998), Tổng quan các nghiên cứu về EM (Effective Micro-organisms) tại Việt nam, Niên luận khoa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội. 3. Nguyễn Đức Lượng (2001), Côngnghệsinh học, Nxb Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, Tr. 267- 231. 4. Lương Đức Phẩm (2002), Côngnghệ xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học, Nxb Giáo dục. 5. Nguyễn Khắc Thái Sơn (2002), Nghiên cứu hiệu quả ứngdụng kỹ thuật thuỷ canh vào giai đoạn vườn ươm để sản xuất cây giống chuối và dứa cấy mô, Luận án tiến sĩ nông nghiệp, Trường Đại học Nông nghiệp I, Hà Nội 6. Nguyễn Khắc Thái Sơn (2003), ảnh hưởng của chế phẩm visinhvật hữu hiệu (EM) thứ cấp tới năng suất và chất lượng quả vải, Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Số12, Tr. 1540-1542. 7. Nguyễn Xân Thành, Lê Văn Hưng, Phạm Văn Toản (2003), Giáo trình côngnghệvisinhvật trong sản xuất nông nghiệp và xử lí ô nhiễm môi trường, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội. 8. Nguyễn Văn Uyển, Nguyễn Tiến Thắng (2000), Những kiến thức cơ bản về côngnghệsinh học, Nxb Giáo dục, Tr. 40-79, 95-116, 178-180. 9. EM application manual for countries (1995), Apnan Asia-Pacific Natural Agriculture Network 10. Eparvier, A.; Lemanceau, P.; Alabouvette, C. (1991), “Population dynamics of non-pathogenic Fusarium and fluorescent Pseudomonas strains in rockwool, a substratum for soilless culture”. FEMS Microbiol. Ecol. 11. Lemanceau, P. and Alabouvette, C. (1991), “Biologycal control of fusarium diseases by fluorescent Pseudomonas and non-pathogeic Fusarium”, Crop Protection, pp. 279-286. 12. Rankin, L.; Paulitz, T. C. (1994), “Evaluation of rhizosphere bacteria for biological control of Pythium root rot of greenhouse cucumbers in hydroponic culture”, Plant disease, pp. 447-451. 13. Van Steekelenburg, N. A. M. (1991), “Effect of Trichoderma harzianum on incidence of Fusarium crown and root rot in rockwool-grown tomatoes”, Biotic Interactions and Soil-borne diseases, pp. 199- 205. TS. Nguyễn Khắc Thái Sơn . nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi sinh vật trong công nghiệp * ứng dụng công nghệ vi sinh vật trong chế biến thực phẩm: Vi c ứng dụng vi sinh vật trong chế. khăn khi ứng dụng công nghệ vi sinh vật trong cuộc sống Công nghệ vi sinh vật đã, đang và sẽ được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống nhưng khi ứng dụng cũng