Công nghệ vi sinh vật trong sản xuất nông nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trường

Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học nông nghiệp I Hà Nội Nguyễn Xuân Thành - Lê Văn Hng - Phạm Văn Toản Chủ biên hiệu đính PGS.TS Nguyễn Xuân Thành Giáo trình Công nghệ vi sinh vật sản xuất nông nghiệp xử lý ô nhiễm môi trờng Nhà xuất nông nghiệp Hà Nội - 2003 Trường ĐH Nông nghiệp Hà Nội Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nơngnghiệp Lời nói đầu Công nghệ vi sinh vật (Microbial Technology) phận quan trọng Công nghệ sinh học, môn khoa học nghiên cứu hoạt động sống cđa vi sinh vËt, nh»m khai th¸c chóng tèt nhÊt vào quy trình sản xuất quy mô công nghiệp Những tiến công nghệ sinh học vi sinh vật ngày xâm nhập sâu lĩnh vực hoạt động ngời Với mục tiêu cho phát triển công nghệ vi sinh nói riêng công nghệ sinh học nói chung phải thực phục vụ cho ấm no hạnh phúc toàn nhân loại, nghĩa phải ngăn chặn thảm họa chiến tranh vũ khí sinh học Điều phù hợp với sách Đảng Nhà nớc thể nghị 18 CP ngày 11/3/1994 Thủ tớng phủ Phơng hớng phát triển công nghệ sinh học Việt Nam đến năm 2010 Giáo trình Công nghệ vi sinh vật sản xuất nông nghiệp xử lý ô nhiễm môi trờng đợc biên soạn với mục đích trang bị cho sinh viên khối Nông - Lâm nghiệp nói chung, đặc biệt sinh viên ngành Cây trồng, Nông hoá - Thổ nhỡng, Bảo vệ thực vật, Làm vờn, Thuỷ nông cải tạo đất Môi trờng kiến thức hoạt động sống vi sinh vật, tính đa dạng chúng tự nhiên mối quan hệ hữu vi sinh vật với thể sống khác, nhằm cân hệ sinh thái học, tạo nhiều cải cho xà hội, phát triển nông nghiệp sinh thái sạch, bền vững chống ô nhiễm môi trờng Giáo trình gồm chơng, đợc phân công biên soạn nh sau: Chơng 1, 2, PGS TS Nguyễn Xuân Thành Chơng 4, PGS.TS Nguyễn Xuân Thành, TS Phạm Văn Toản Chơng TS Lê Văn Hng, PGS.TS Nguyễn Xuân Thành Lĩnh vực Công nghệ vi sinh vật rộng đa dạng, đề cập đợc phần công nghệ vi sinh vật thâm canh trồng, bảo vệ thực vật xử lý ô nhiễm môi trờng Trong trình biên soạn chắn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đợc nhiều ý kiến đóng góp nhà khoa học, bạn đồng nghiệp độc giả để chất lợng giáo trình ngày cao Chúng xin chân thành cám ơn Tập thể tác giả Trường ĐH Nơng nghiệp Hà Nội Giáo trình Công nghệ vi sinh vật nôngnghiệp Chơng lịch sử triển vọng Công nghệ sinh học công nghệ vi sinh vật nông nghiệp I Khái niệm chung Thuật ngữ * Công nghệ sinh học trình sản xuất quy mô công nghiệp có tham gia tác nhân sinh học (ở mức độ thể, tế bào dới tế bào) dựa thành tựu tổng hợp nhiều môn khoa học, phục vụ cho việc gia tăng cải vật chất xà hội bảo vệ lợi ích ngời Công nghệ sinh học mét lÜnh vùc khoa häc c«ng nghƯ rÊt réng, cã thể chia công nghệ sinh học thành ngành sau: + Công nghệ vi sinh vật: Là ngành công nghệ nhằm khai thác tốt khả kỳ diệu thể vi sinh vật Nhiệm vụ công nghệ vi sinh tạo đợc điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao nhất, phục vụ cho việc làm tăng cải vật chất xà hội, đáp ứng nhu cầu sống ngời cân sinh thái môi trờng + Công nghệ tế bào: Các tế bào động, thực vật với máy di truyền đặc trng cho loài giống đợc tạo điều kiện phát triển môi trờng xác định an toàn Kỹ thuật nuôi cấy mô đợc coi là kỹ thuật chủ yếu công nghệ tế bào + Công nghệ gen: Là ngành công nghệ sử dụng phơng pháp thực nghiệm ứng dụng thành tựu sinh học phân tử, di truyền học phân tử để tạo nên tổ hợp tính trạng di truyền mong muốn loài sinh vật Từ giúp điều khiển theo định h−íng tÝnh di trun cđa sinh vËt C«ng nghƯ gen đợc coi mũi nhọn công nghệ sinh học, chìa khóa để giúp mở ứng dụng míi c«ng nghƯ vi sinh vËt Néi dung yêu cầu môn học + Nắm đợc nguyên lý công nghệ vi sinh vật, chất loại chế phẩm vi sinh vật, quy trình công nghệ, hiệu tác dụng cách sư dơng cđa tõng lo¹i chÕ phÈm dïng lÜnh vực nông nghiệp xử lý phế thải nông, công nghiệp chống ô nhiễm môi trờng + Định hớng nghiên cứu lĩnh vực công nghệ vi sinh vật để tạo nhiều loại chế phẩm vi sinh vật hữu ích ứng dụng sản xuất nông nghiệp phục vụ đắc lực cho hoạt động sống ngời + Tuyên truyền hớng dẫn ngời dân sử dụng loại chế phẩm vi sinh vật, nhằm tạo nhiều cải vật chất bảo vệ môi trờng sinh thái xanh sạch, phát triển nông nghiệp bền vững II Lịch sử công nghệ sinh học chế phẩm vi sinh vật Lịch sử phát triển công nghệ sinh học (CNSH) từ sinh học mô tả đến sinh học thực nghiệm, b−íc tiÕn bé cđa khoa häc vỊ sù sèng g¾n liỊn víi sù tiÕn bé cđa vËt lý, ho¸ häc, học toán học Sự gắn bó trớc hết việc đa vào ngành sinh học phơng pháp nghiên cứu mới, thiết bị, công cụ có khả giúp ngời ngày bớc sâu vào giới vô sống Các phơng pháp hóa học giúp tìm hiểu thành phần thể vai trò đại phân tử Kính hiển vi điện tử giúp nhìn thấy Trng H Nụng nghip Hà Nội Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nôngnghiệp chụp ảnh cấu trúc vi mô tế bào, gần chụp đợc phân tử protein hình thành với tham gia phân tử ARN thông tin ribosome ảnh chụp chứng minh cho giả thuyết trớc đến trình quan trọng sù sèng nh− di trun, sinh tr−ëng ph¸t triĨn, quang hợp, hô hấp đà đợc mô tả, lý giải chi tiết mức độ phân tử hầu hết sách giáo khoa Tất tích luỹ lợng dẫn đến bớc nhảy vọt chất Thập niên 1980 - 1990 năm sau ®ã ®ang chøng kiÕn mét sù kiƯn nh¶y vät vỊ chất: đời bùng nổ CNSH hay đợc gọi Cuộc cách mạng CNSH Trong nông nghiệp gọi Cuộc cách mạng xanh lần thứ hai CNSH môn khoa học nh toán, lý, hoá, sinh học phân tử, mà phạm trù sản xuất Bản thân Công nghệ gen CNSH, mà thành phần chủ chốt sở để giúp cho sù tiÕn bé nhanh chãng cđa CNSH C¸c t¸c nhân dới tế bào nh enzyme tham gia vào trình CNSH, nhánh quan trọng CNSH Nông nghiệp công nghiệp truyền thống CNSH, không sử dụng tổng hợp thành tựu đại nhiều môn khoa học, nhng CNSH đóng góp lớn vào nông nghiệp công nghiệp chế biến để đa hai ngành sản xuất truyền thống vào vị trí CNSH không tạo thêm cải vật chất, mà hớng vào việc bảo vệ tăng chất lợng sống ngời Lịch sử phát triển vi sinh vật chia giai đoạn: a) Giai đoạn trớc phát giới vi sinh vật Từ xa xa, năm 372 - 287 trớc Công nguyên, nhà triết học cổ Hy Lạp (theo Phrastes) tập Những quan sát cối đà coi họ đậu nh nguồn bồi bổ lại sức lực cho đất Nhận xét đà đợc ngời cổ La Mà quan tâm vào năm 30 trớc công nguyên Họ đà đề nghị luân canh hoà thảo với họ đậu Trớc kỷ 15, tất kiện xảy tự nhiên sống ngời đợc cho "do Chúa trời định sẵn hay ma quỷ ám hình" Nhng ngời đà biết áp dơng mét sè quy lt tÊt u cđa thiªn nhiªn vào sống, nh: ủ men nấu rợu, xen canh luân canh hoà thảo với họ đậu Họ khái niệm chất công nghệ, mà hoàn toàn làm theo kinh nghiệm cảm tính Tuy nhiên, Tổ tiên đà thành thạo việc sử dụng phơng pháp vi sinh vật để chế biến thực phẩm b) Giai đoạn phát giới vi sinh vật Thế kỷ 17, nhà bác học tiếng ngời Hà Lan - An Tôn Van Lơ Ven Húc (1632 -1723) đà chế tạo đợc loại dụng cụ nhiều lớp kính ghép lại với có độ phóng đại 160 lần, kính hiển vi nguyên thuỷ Bằng loại dụng cụ An Tôn Van Lơ Ven Húc đà phát giới giới huyền ảo loài vi sinh vật Ông không ngời phát giới vi sinh vật, mà có nhiều công trình khoa học đợc ông viết tuyển tập Những bí ẩn thiên nhiên năm 1695 Đầu kỷ 19, nhiều công trình khoa học đời phải kể đến công trình nghiên cứu nhà bác học tiếng ngời Pháp - Pasteur (1822 - 1895), tiếp Ivanopkii (1864), Helrigell Uyn Fac (1886), Vinagratxkii, BeyJerinh, Kôk Những công trình nghiên cứu họ sở cho phát triển công nghệ vi sinh, nhờ loạt loại chế phẩm vi sinh vật đời, Pasteur ®· chØ r»ng vi sinh vËt ®ãng vai trò định trình lên men Kết nghiên cứu Pasteur sở cho phát triển công nghiệp lên men sản xuất dung môi hữu nh: axeton (acetone), ethanol, butanol, izopropanol Trường ĐH Nông nghiệp Hà Nội Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nơngnghiệp c) Giai đoạn sản xuất ứng dụng công nghệ vi sinh vật Cuối kỷ 19 đầu kỷ 20 Pasteur đà chế thành công Vaccine phòng bệnh dại (1885); năm 1886 Hellrigel Uyn Fac đà tìm chế trình cố định nitơ phân tử; năm 1895 - 1900 Anh , Mỹ, Ba Lan Nga bắt đầu sản xuất chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ phân tử; năm 1907 Mỹ ngời ta gọi chế phẩm vi sinh vật nitơ; năm 1900 - 1914 nhiỊu n−íc trªn thÕ giíi triĨn khai sản xuất chế phẩm vi sinh vật: Canađa, Tân Tây Lan, áo Theo Fret cộng sự, thời gian có 10 nhà máy xí nghiệp sản xuất chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ phân tử, có xí nghiệp châu âu xí nghiệp Tân Tây Lan Từ nhiều công trình nghiên cứu đợc công bố Từ năm1964 vấn đề cố định nitơ phân tử đợc coi hai vấn đề quan trọng Chơng trình sinh học quốc tế (IBP) Nhiều nhà khoa học đà ví Mỗi nốt sần rễ họ đậu nhà máy sản xuất phân đạm tí hon Nhờ có Chơng trình nhiều loại chế phẩm vi sinh vật đợc đời, đợc áp dụng nhiều lĩnh vực nông nghiệp nh: Chế phẩm vi sinh vật đồng hoá nitơ phân tử; Chế phẩm vi sinh vật đa chức năng; Chế phẩm vi sinh vật dùng bảo vệ thực vật; Vaccine phòng chống loại bệnh cho ng−êi, gia sóc gia cÇm; ChÕ phÈm vi sinh vËt xư lý « nhiƠm m«i tr−êng ë ViƯt Nam, nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật đợc tiến hành từ năm đầu thập kỷ 60 đến sau năm 80 đợc đa vào chơng trình khoa học cấp Nhà nớc nh: Sinh học phục vụ nông nghiệp giai đoạn 1982-1990, Chơng trình "Công nghệ sinh học" KC.08 giai đoạn 1991-1995, Chơng trình "Công nghệ sinh học phục vụ phát triển nông, lâm nghiệp bền vững, bảo vệ môi trờng sức khoẻ ngời" KHCN.02 giai đoạn 1996-2000 chơng trình "Nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ sinh học" giai đoạn sau 2001 Ngoài chơng trình Quốc gia nhiều Bộ, Ngành triển khai nhiều đề tài, dự án vấn đề III ứng dụng công nghệ vi sinh vËt Trong lÜnh vùc y tÕ T×nh h×nh sức khoẻ nhân loại tình trạng đáng lo ngại Hầu nh lúc có khoảng 1/3 dân số toàn cầu trạng thái bất ổn Công nghệ vi sinh đà đóng góp việc tìm kiếm nhiều loại dợc phẩm quan trọng, chẩn đoán điều trị nhiều loại bệnh hiểm nghèo cho ngời, gia súc gia cầm + Vaccine: Trong trình tìm kiếm biện pháp, thuốc phòng trị loại bệnh truyền nhiễm công nghệ vi sinh đà tạo vaccine, nhÊt lµ vaccine thÕ hƯ míi Vaccine thÕ hệ có u diểm là: Rất an toàn cho ngời sử dụng không chế từ vi sinh vật gây bệnh, giá thành hạ không nuôi cấy virus phôi thai gà hay tổ chức mô động vật vốn phức tạp tốn - Vaccine ribosome: CÊu t¹o tõ ribosome cđa tõng lo¹i vi khuẩn gây bệnh (thơng hàn, tả, dịch hạch ), u điểm loại vaccine độc có tính miễn dịch cao - Vaccine mảnh virus: Là vaccine chế tạo từ glycoprotein vỏ virus g©y bƯnh nh− virus cóm - Vaccine kü tht gen: Là vaccine chế tạo từ vi khuẩn hay nấm men tái tổ hợp có mang gen mà hóa việc tổng hợp protein kháng nguyên virus hay vi khuẩn gây bệnh + Insulin: Việc sản xuất insulin quy mô công nghiệp ngày thành công rực rỡ công nghệ gen Insulin protein đợc tuyến tụy tiết nhằm điều hòa lợng đờng máu Thiếu hụt insulin máu làm rối loạn hầu hết trình trao đổi chất thể dẫn đến tích nhiều đờng nớc tiểu Để điều trị bệnh ngời bệnh phải tiêm insulin Loại insulin chế từ tuyến tuỵ gia súc hay đợc tổng hợp insulin đờng hóa học Quá trình tổng hợp phức tạp, tốn Trường ĐH Nơng nghiệp Hà Nội Giáo trình Công nghệ vi sinh vật nôngnghiệp Năm 1978, H Boger đà chế insulin thông qua kỹ thuật di truyền vi khn Escherichia coli, thĨ ng−êi ta ®· chun gen chi phèi tÝnh tr¹ng t¹o insulin cđa ng−êi sang cho Escherichia coli Với Escherichia coli đà tái tổ hợp gen này, qua nuôi cấy nồi lên men có dung tÝch 1000 lÝt, sau mét thêi gian g¾n cã thĨ thu đợc 200 gam insulin tơng đơng với lợng insulin chiÕt rót tõ 8.000 - 10.000 bß + Interferon: Interferon có chất protein, chất giúp cho thể chống lại đợc nhiều loại bệnh Để có đợc interferon ngời ta phải tách chiết chúng từ huyết máu nên tốn Cũng nh insulin, ngời ta chế interferon thông qua đờng vi sinh vật Năm 1980, Gilbert đà thành công việc chế interferon từ Escherichia coli, năm 1981 họ thu nhận interferon từ nấm men Saccaromyces cerevisiae cho lợng tăng gấp 10.000 lần so víi ë tÕ bµo Escherichia coli + KÝch tè sinh trởng HGH (Human growth homone) HGH đợc tuyến yên tạo nên, thông thờng muốn chế đợc HGH ngời ta phải trích từ tuyến yên tử thi, tử thi cho 4- 6mg HGH, theo tính toán muốn chữa khỏi cho ngời lùn phải cần 100 - 150 tử thi Năm 1983, thành công công nghệ vi sinh đà giúp ngời chế đợc HGH từ vi sinh vật Cứ lít dịch lên men Escherichia coli thu đợc lợng HGH tơng ứng với 60 tử thi + ChÊt kh¸ng sinh Kh¸ng sinh chÕ tõ vi sinh vật đợc ngời đầu t sản xuất từ lâu Đến ngời ta đà tìm thấy có tới 2500 loại thuốc kháng sinh với cấu trúc phân tử đa dạng số chủ yếu có nguồn gốc từ vi sinh vËt Trong lÜnh vùc n«ng nghiƯp + Cải tạo giống trồng: Thông qua kỹ thuật di truyền với hỗ trợ vi sinh vật, ngời đà tạo đợc giống trồng có nhiều tính u việt cho suất cao, chất lợng nông sản tốt, sức đề kháng sâu bệnh cao + Sản xuất phân bón vi sinh vật: Phân bón vi sinh vật sản phẩm chứa hay nhiều loài vi sinh vật sống đà đợc tuyển chọn có mật độ đảm bảo tiêu chuẩn đà ban hành có tác dụng tạo chất dinh dỡng hoạt chất sinh học có tác dụng nâng cao suất, chất lợng nông sản cải tạo đất Các loại phân bón vi sinh vật kể đến phân vi sinh vật cố định nitơ - đạm sinh học (Nitragin, Azotobacterin, Azospirillum), phân vi sinh vật phân giải hợp chất phospho khó tan - phân l©n vi sinh (Photphobacterin), chÕ phÈm nÊm rƠ, chÕ phÈm tảo lam + Sản xuất phân hữu sinh học, loại sản phẩm đợc tạo thành thông qua trình lên men vi sinh vật hợp chất hữu có nguồn gốc khác (phế thải nông, lâm nghiệp, phế thải chăn nuôi, phế thải chế biến, phế thải đô thị, phế thải sinh hoạt ), hợp chất hữu phức tạp dới tác động vi sinh vật hoạt chất sinh học chúng đợc chuyển hoá thành mùn + Sản xuất thức ăn chăn nuôi: Một loạt vi sinh vật có khả chuyển hoá hợp chất cacbon hữu thành protein acid amin, vitamin Có thể lợi dụng 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 hoà hệ thống vi sinh vật đờng tiêu hoá ngời ta đà lợi dụng đặc tính vi sinh vật để sản xuất chế phẩm probiotic làm thức ăn bổ sung chăn nuôi + Sản xuất chÊt kÝch thÝch sinh tr−ëng Gibberellin, Aucin tõ vi sinh vËt Trường ĐH Nông nghiệp Hà Nội Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nơngnghiệp + S¶n xuÊt chÕ phÈm vi sinh vËt dïng b¶o vƯ thùc vËt: Bt., Biospor, Enterobacterin, Bathurin, Trong lÜnh vùc c«ng nghiệp + Sản xuất cồn làm nguồn lợng thay xăng dầu chạy xe loại: Công nghệ vi sinh lên men nguyên liệu rẻ tiền nh rỉ đờng để sản xuất cồn chạy xe thay xăng dầu Năm 1985 Brazil đà sản xuất tỷ lít cồn/năm dùng để chạy xe + Tạo khí sinh học (Biogas): Th−êng Biogas chøa kho¶ng 60 - 80% khÝ methane (CH4) đợc sinh trình lên men phế thải hữu Nguyên lý trình lªn men m khÝ cđa nhãm vi sinh vËt m khí chịu nhiệt Trong trình phân huỷ chuyển hóa hợp chất hữu ngời ta thu đợc biogas, phần cặn bà lại làm phân bón cho trồng + Bảo vệ môi trờng: Công nghệ vi sinh ®· tham gia tÝch cùc vÊn ®Ị xư lý phế thải công nông nghiệp, rác thải sinh hoạt, nớc thải làm môi trờng công nghệ vi sinh vật hảo khí, bán hảo khí yếm khí Đây vấn đề nóng hổi, cấp thiết toàn cầu IV Vấn đề CNSH để phát triển kinh tế x hội triển vọng công nghệ vi sinh vËt thÕ kû 21 VÊn ®Ị CNSH để phát triển kinh tế xà hội toàn cầu Trong khoảng 50 năm sau đại chiến lần thứ 2, song song với việc hoàn thiện quy trình CNSH truyền thống đà có từ trớc, số hớng nghiên cứu phát triển CNSH đà hình thành phát triển mạnh mẽ nhờ loạt phát minh quan trọng ngành sinh học nói chung sinh học phân tử nói riêng, lần xác định đợc cấu trúc protein, xây dựng mô hình cấu trúc đờng xoắn kép phân tử ADN (watson Krick, 1953) * Một số hớng phát triển công nghệ sinh học Lĩnh vực ứng dụng Nông nghiệp Tạo chủng vi sinh vật để làm giống sản xuất chế phẩm vi sinh vật, áp dụng lĩnh vực nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi, thuỷ hải sản, thuỷ nông cải tạo đất, phân bón, bảo vệ thực vật ) Sản xuất hàng hoá Sản xuất acid hữu (citric acid, itaconic acid, acetic acid ), sư dơng ezyme lµm chất tẩy rửa Năng lợng Gia tăng phạm vi sử dụng biogas, xây dựng dự án sản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu Kiểm soát môi trờng Hoàn thiện phơng pháp kiểm soát dự đoán tình trạng môi trờng Tuyển chọn chủng vi sinh vật để xử lý phế thải (rắn + lỏng) làm môi trờng Công nghiệp thực phẩm Xây dựng hoàn thiện phơng pháp chế biến bảo quản lơng thực, thực phẩm Sản xuất chất bổ sung vào thực phẩm, sử dụng protein đơn bào enzyme công nghƯ chÕ biÕn thùc phÈm VËt liƯu Hoµn thiƯn quy trình tuyển khoáng, tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả khai thác kim loại, đá quý hoàn thiện phơng pháp kiểm soát trình phá huỷ sinh học Y tế Dùng enzyme tạo cảm biến sinh học thiết bị phân tích y tÕ Sư dơng enzyme vµ tÕ bµo vi sinh vật sản xuất loại thuốc Sử dụng enzyme số chủng vi sinh vật để chẩn đoán chữa trị bệnh Trng H Nụng nghip H Ni Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nơngnghiệp Ch−¬ng hai Cơ sở hóa sinh di truyền học công nghệ sinh học vi sinh vật I Phân loại sản phẩm Các chất đợc sản xuất đờng lên men nhờ vi sinh vật đa dạng Để tiện cho nghiên cứu ứng dụng phải tiến hành phân loại sản phẩm lên men công nghiệp dựa vào tiêu chuẩn sinh lý sinh hóa trao đổi chất vi sinh vật Chính công tác phân loại sản phẩm việc làm cần thiết c«ng nghƯ vi sinh Sinh khèi (vËt chÊt tÕ bào) Việc tổng hợp sinh khối tế bào trình thực để sản xuất protein vi sinh vật Quá trình thực chất trình sinh trởng vi sinh vật Quá trình đà phát triển chế điều hòa trao đổi chất đảm bảo phần lớn đến mức cho phép chất dinh dỡng cung cấp đợc sử dụng vào trình tổng hợp thành phần tế bào Sản phẩm trao đổi chất + Sản phẩm trình lên men: Lên men đờng trình trao đổi lợng Ngoài việc cung cấp lợng cho tế bào vi sinh vật, cung cấp sản phẩm có giá trị cho ng−êi nh−: ethanol, acid acetic, acid lactic, acid propionic, khÝ methane, chất giàu hữu khác + Các chất trao đổi bậc 1: Là nhng viên gạch cấu trúc nên vật chất tế bào, số cao phân tử sinh học chất có phân tử lợng thấp: amino acid, nucleozide, nucleotide, đờng Ngoài ra, chất trao đổi bậc sản phẩm trình trao đổi chất trung gian nh acid hữu chu trình Tricarboxylic + Các chất trao đổi bậc 2: Là chất trao đổi có phân tử lợng thấp, không gặp thể vi sinh vật Những chất chức chung trao đổi chất tế bào nh: chất kháng sinh, độc tố, chất cã ho¹t chÊt kÝch thÝch sinh tr−ëng nh− gibberellin + Enzyme: Là protein xúc tác có biến đổi chất tế bào Mỗi tế bào vi sinh vật có khoảng 1000 loại enzyme khác với số phân tử lên đến 106, gồm enzyme nội enzyme ngoại bào nh: amylase, proteaea, cellulase enzyme nội bào chiếm đa số Các sản phẩm sù chun hãa chÊt tÕ bµo vi sinh vËt → Sản phẩm Tiền sản phẩm Tế bào vi sinh vật thông qua hệ enzyme đóng vai trò xúc tác cho phản ứng chuyển hóa chất Về mặt lý thuyết phản ứng xảy nhờ xúc tác hóa học Tuy nhiên trình không thực đợc điều kiện bình thờng, mà thực điều kiện đặc biệt (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm) thích hợp cho trình chuyển hóa, trờng hợp ngời ta chuyển sang sản xuất c«ng nghƯ vi sinh vËt VÝ dơ tõ ethanol chun ®Õn acetic acid ph¶i dïng chđng Acetobacter, Acetomonas ®Ĩ chun hãa Trường ĐH Nông nghiệp Hà Nội Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nơngnghiệp II Mèi quan hÖ sinh trởng vi sinh vật tạo thành sản phẩm Trong điều kiện nuôi cấy tĩnh, trình sinh trởng vi sinh vật trải qua pha, đợc biểu diễn đồ thị (hình 1) Sinh trởng tạo sản phẩm Giai đoạn dinh dỡng Thời gian Giai đoạn đặc thù Thời gian Hình 1: Mối quan hệ sinh trởng tạo thành sản phẩm vi sinh vật Trong điều kiện nuôi cấy toàn trình sinh trởng vi sinh vật gắn liền với thay đổi theo thời gian Trong môi trờng, chất dinh dỡng theo thời gian giảm, tơng ứng số lợng tế bào vi sinh vật tăng lên, đồng thời hoạt tính trao đổi chất tế bào thay đổi Lúc sản phẩm trao đổi chất có vai trò khác tế bào Có thể tạm chia sản phẩm thành loại sau: + Loại sản phẩm mà hình thành gắn liền với sinh trởng vi sinh vật, nh chất trao đổi bậc 1: Các enzyme, sản phẩm trình lên men Sự tổng hợp loại sản phẩm xảy thời gian sinh trởng tiÕp diƠn sau sinh tr−ëng ®· kÕt thóc + Loại sản phẩm mà hình thành chúng không cÇn thiÕt cho sinh tr−ëng cđa vi sinh vËt, nh− chất trao đổi bậc Sự tổng hợp chất xảy sau sinh trởng đà kết thúc (ở vào pha tĩnh Giáo trình vi sinh vật đại cơng) Sự tạo thành sản phẩm giai đoạn đợc gọi sản xuất hay giai đoạn đặc thù, giai đoạn dinh dỡng Tuy có nhiều sản phẩm mà hình thành không nằm hai giai đoạn trên, tạm gọi dạng trung gian, ví dụ hình thành amino acid, sản phẩm đợc hình thành giai đoạn dinh d−ìng, nh−ng nã vÉn cßn tiÕp diƠn sau sinh trởng đà kết thúc, trình tổng hợp amino acid tiếp diễn sở sai hỏng điều hòa trao đổi chất tổng hợp Từ cho thấy, công nghệ lên men đòi hỏi nhà sản xuất phải biết sản phẩm cần thu đợc sinh giai đoạn trình nuôi cấy, đồng thời phải biết tìm biện pháp tối u hóa trình nuôi cấy hiệu suất tạo sản phẩm cao Nghĩa tìm điều kiện nuôi cấy đảm bảo cho vi sinh vật đạt trạng thái sinh trởng, phát triển tối u Trong công nghệ lên men, đích cuối cần phải đạt là: từ chất ban đầu với dung tÝch nåi lªn men nhá nhÊt, thêi gian ngắn, thu hoạch sản phẩm mong muốn với suất cao Nh giảm đợc giá thành Một quy trình công nghệ nh hoµn thiƯn Trường ĐH Nơng nghiệp Hà Nội Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nơngnghiệp III Những nguyên tắc điều hòa trao đổi chất Trong hoạt động sống mình, vi sinh vật tạo sản phẩm trao đổi chất thành phần cấu tạo nên tế bào mức cần thiết cho sinh trởng, phát triển, sinh sản trì loài Có nghĩa tự nhiên sinh sản d thừa sản phẩm trao đổi chất bậc 1, Điều hòa hoạt tính enzyme nhờ kìm hÃm liên kết ngợc Ngời ta đà nhận thấy: sản phẩm cuối trình sinh tổng hợp chất có khả gây ức chế trình tổng hợp Sản phẩm cuối dù đợc vi sinh vật tổng hợp nên hay thu nhận từ môi trờng ngoài, nồng độ d thừa so với nhu cầu thể vi sinh vật ảnh hởng đến enzyme chuỗi sinh tổng hợp Sơ đồ chuỗi phản ứng sinh hóa xảy để tổng hợp chất (X): (a) (b) (c) A B C X Enzyme (a) enzyme dị lập thể, có đặc điểm cấu trúc hình không gian có mặt sản phẩm cuối nhằm giảm bớt hoạt tính xúc tác enzyme này, vị trí gắn với chất A (trung tâm xúc tác), có hay nhiều vị trí gắn với sản phẩm cuối X gọi trung tâm dị lập thể Trung tâm xúc tác trung tâm dị lập thể tách biệt không gian cấu trúc Trạng thái hoạt động enzyme đợc đặc trng chỗ có khả gắn với chất A bên cạnh chất A có hiƯn diƯn cđa X ë møc ®é d− thõa so với nhu cầu thể vi sinh vật, xảy bao vây trung tâm dị lập thể, làm cho trung tâm xúc tác bị biến đổi cấu hình không gian đến mức khiến cho enzyme (a) gắn đợc với chất A, mà gắn với X Nh enzyme (a) không cã hiƯu lùc viƯc chun hãa A thµnh B Chuỗi sinh tổng hợp X bị gián đoạn Khi X bị giảm số lợng Sự điều hòa mức độ enzyme Sự cảm ứng ức chế trình tổng hợp enzyme Trong nuôi cÊy vi sinh vËt cã mét chÊt khã ®ång hãa, vi sinh vật phải tiết vào môi trờng vài enzyme tơng ứng để phân huỷ chất thành chất đồng hóa đợc Enzyme đợc hình thành đợc gọi enzyme cảm ứng Cơ chất kích thích trình đợc gọi chất cảm ứng Sự cảm ứng ức chế trình tổng hợp enzyme vi sinh vật đà đợc Học thuyết operon F Jacob J Monod tìm năm 1966 Học thuyết operon giúp làm sáng tỏ chế điều hòa chơng trình làm việc gen trình tổng hợp protein - enzyme + Nhóm gen cấu trúc: Nhóm gen đảm bảo việc mà hóa cấu trúc phân tử protein - enzyme Các gen thờng xếp liền Trong trờng hợp Lac coli, gen cấu trúc gồm ba gen ký hiƯu lµ A, B vµ C - Gen A m· hãa thø tù amino acid cña β-galactosidase - Gen B m· hãa cÊu tróc cđa enzyme thÈm thÊu galactosidepermease cần thiết cho trình vận chuyển lactose vào tế bµo - Gen C m· hãa cÊu tróc cđa enzyme thiogalactoseacetyltransferase Cả ba gen cấu trúc nói tạo thành đơn vị phiên mà Trng H Nụng nghip H Nội Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nôngnghiệp 10 Vi sinh vËt C¸c chÊt → + O2 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ C¸c chất dinh dỡng bẩn hữu Sản phẩm trình oxy hóa (đờng, rợu, CO2+ H2O) Sản phẩm đà đợc tổng hợp + (tế bào vi sinh vật + sản phẩm khác) Sự oxy hóa hợp chất hữu số chất khoáng tế bào vi sinh vật nhờ vào trình hô hấp, nhờ lợng vi sinh vật khai thác đợc trình hô hấp mà chúng tổng hợp chất để phục vụ cho trình sinh trởng, phát triển Kết số lợng tế bào vi sinh vật không ngừng tăng lên Quá trình liên tục xảy nồng độ chất xung quanh tế bào giảm dần Các thành phần thức ăn từ môi trờng bên (nớc thải) lại khuếch tán bổ sung thay vào Thông thờng trình khuếch tán chất môi trờng xảy chậm trình hấp thụ qua màng tế bào, nồng độ chất dinh dỡng xung quanh tế bào thấp nơi xa tế bào Đối với sản phẩm tế bào tiết ngợc lại, nhiều so với nơi xa tế bào * Yếu tố môi trờng ảnh hởng đến trình xử lý nớc thải Để tạo điều kiện cho trình xử lý nớc thải biện pháp sinh học điều kiện hiếu khí cần điều chỉnh yếu tố môi trờng sau: + Oxy (O2): Trong công trình xử lý hiếu khí O2 thành phần quan trọng môi trờng, cần đảm bảo đủ O2 liên tục suốt trình xử lý nớc thải hàm lợng O2 hòa tan nớc khỏi bể lắng đợt hai không nhỏ mg/lít + Nồng độ chất bẩn hữu phải thấp ngỡng cho phép Nếu nồng độ chất bẩn hữu vợt ngỡng cho phép ảnh hởng xấu đến hoạt động sống vi sinh vật, đa nớc thải vào công trình xử lý cần kiểm tra số BOD, COD nớc thải Hai số phải có nồng độ nhỏ 500mg/lít Nếu dùng bể aeroten, BODtp không đợc 1000mg/lít, số BODtp vợt giới hạn cho phép cần lấy nớc ô nhiễm không bị ô nhiễm để pha loÃng + Nồng độ chất dinh dỡng cho vi sinh vật: Để vi sinh vật tham gia phân giải nớc thải cách có hiệu quả, cần phải cung cấp cho chúng đầy đủ chất dinh dỡng Lợng chất dinh dỡng cho vi sinh vật không đợc thấp giá trị bảng 20 Bảng 20: Nồng độ chất dinh dỡng cho vi sinh vật để xử lý n−íc th¶i (theo M.X Moxitrep, 1982) BODtP cđa n−íc thải (mg/ lít) Nồng độ nitrogen muối ammonium(mg/l) Nồng ®é phospho P2O5 (mg/l) < 500 15 500 - 1000 25 Ngoài nguồn nitơ phospho có nhu cầu nh đà nêu bảng trên, nguyên tè dinh d−ìng kho¸ng kh¸c nh− K, Ca, S th−êng đà có nớc thải không cần phải bổ sung Nếu thiếu nitơ việc làm chậm trình oxy hóa, làm cho bùn hoạt tính khó lắng dễ trôi theo nớc khỏi bể lắng Để xác định sơ lợng chất dinh dỡng cần thiết nhiều loại nớc thải công nghiƯp, cã thĨ chän tû lƯ sau: BODtP : N : P = 100 : : Trường ĐH Nơng nghiệp Hà Nội Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nôngnghiệp 96 Ngoài yếu tố khác môi trờng xử lý nh pH, nhiệt độ ảnh hởng đáng kể đến trình hoạt động sống vi sinh vật thiết bị xử lý Thực tÕ cho thÊy pH tèi −u bĨ xư lý hiếu khí 6,5 - 8,6; nhiệt độ - 37oC * Để xử lý nớc thải theo biện pháp hiếu khí, thờng đợc sử dụng hai loại công trình là: bể lọc sinh học (biofilter) bể sục khÝ (aeroten) - BĨ läc sinh häc (biofilter): Lµ thiÕt bị xử lý nớc thải dựa nguyên tắc lọc víi sù tham gia cđa vi sinh vËt ThiÕt bÞ làm bê tông có dạng hình tròn hay hình chữ nhật có hai đáy (hình 21) Đáy gọi đáy dẫn lu, đợc cấu tạo bê tông cốt thép có lỗ thủng với tổng diện tích lỗ thủng nhỏ - 6% diện tích đáy Đáy dới đợc xây kín, có độ dốc định để nớc dễ dàng chảy phía thông với bể lắng thứ cấp, nơi chứa nớc thải sau đà xử lý xong bể nớc đợc lu lại thời gian ngắn để lắng cặn trớc hòa vào hệ thống thoát së ChiỊu cao cđa bĨ läc hay cđa cét nguyªn liệu phụ thuộc vào thành phần nớc thải nh khả oxy hóa màng sinh vật Lu lợng dòng chảy nớc thải phụ thuộc vào khả oxy hóa màng sinh vật Nớc thải vào Vật Vâtliệu liệulọc lọc Nớc thải sau xử lý Không khí vào bể Bể lắng thứ cấp Đáy dẫn lu Đáy dới có độ dốc Hình 21 Bể lọc nớc thải sinh học Để tạo điều kiện hiếu khí cho trình xử lý, từ phía dới đáy dẫn lu ngời ta cho không khí lên qua vật liệu lọc mang thông khí tự nhiên hay thổi khí quạt Vật liệu dùng bể lọc loại đá cuội, đá dăm xỉ than đá (theo phơng pháp cổ điển) Để tăng diện tích tiếp xúc vi sinh vật nớc thải, đồng thời tránh tình trạng tắc ngẽn dòng chảy thiết bị lọc sinh học, ngời ta thay vật liệu lọc mang làm vật liệu nhẹ, xốp có cấu tạo dạng ống dạng miếng, chúng đợc thiết kế cho có nhiều nếp gấp để tăng diện tích bề mặt Nớc thải có chứa vi sinh vật tham gia xử lý đợc tới từ xuống lớp vật liệu lọc hay mang theo nguyên tắc chênh lệch Khi dòng nớc thải chảy qua vật liệu lọc hay mang, vi sinh vật phát triển tạo thành màng sinh vật bám vào khắp bề mặt nguyên liệu lọc mang khu trú Nh nớc thải theo dòng chảy từ xuống tiếp xúc với màng sinh vật Khi xảy trình oxy hóa chất bẩn có nớc thải, để cuối Trng H Nụng nghiệp Hà Nội Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nôngnghiệp 97 đến bể lắng thứ cấp, nớc thải có số BOD5 giảm nhiều so với nớc thải cha xử lý Trong trình vận hµnh cđa bĨ läc sinh vËt, sù sinh tr−ëng vµ chết màng sinh vật xảy không ngừng Khi màng sinh vật bị chết bị tách khỏi nơi bám bị theo dòng nớc chảy khỏi bể lọc, cuối đợc lắng đọng bể lắng thứ cấp với cặn bùn Hiệu hƯ thèng bĨ läc sinh häc rÊt cao, nÕu ho¹t động tốt làm giảm 90% số BOD5 cđa n−íc th¶i - BĨ sơc khÝ (Aeroten) BĨ sơc khí hệ thống bể ô xy hóa (hình 22) có dạng hình chữ nhật đợc ngăn làm nhiều bng (3 - bng) nèi víi bĨ l¾ng Gièng nh bể lọc sinh học, trình xử lý nớc thải bể sục khí đợc tiến hành nhờ hoạt động hệ vi sinh vật bùn hoạt tính Nhng trình sục khí đợc thực điều kiện có thông khí mạnh nhờ hệ thống sục khí từ dới đáy bể lên Cờng độ thông khí 5m3/m2/giờ, bảo đảm oxy tối đa cho trình oxy hãa ë bĨ oxy hãa, bïn ho¹t tÝnh lÊy từ bùn gốc sau qua giai đoạn khởi động hay lấy từ bể lắng cặn chuyển vào bùn hoạt tính gặp oxy không khí đợc bơm vào bể tiến hành trình oxy hóa khoáng hóa chất bẩn nớc thải cách triệt để Sau chảy suốt qua buồng bể oxy hóa, nớc thải chảy vào bể lắng xảy trình lắng cặn xuống đáy bể, phần nớc nớc đà đợc xử lý đợc dẫn Trong trình vận hành, bể oxy hóa, theo thời gian lợng bùn hoạt tính tăng lên, đồng thời tích luỹ nhiều tế bào vi sinh vật già cỗi khiến hoạt tính bùn giảm - bùn bị già Vì cho bùn hoạt tính thu bể lắng trở lại bể ôxy hóa, không thiết cho toàn số bùn có bể lắng, mà cho phần để bảo đảm nồng độ bùn hoạt tính 2- g/lít Không khí đợc bơm vào bể Nớc thải bùn hoạt tính vào bể xử lý Bùn hoạt tính đợc bơm trở lại Nớc thải bùn hoạt tính vào bể xử lý Nớc thải sau xử lý Bùn hoạt tính đợc bơm trở lại Hình 22 Bể sục khí Xử lý nớc thải bể aeroten phức tạp đòi hỏi nhiều công sức so với bể lọc sinh học Ngời ta phải theo dõi liên tục để kịp thời điều chỉnh số sau: - Nồng độ bùn hoạt tính - Chế độ thông khí - Nồng độ chất bẩn nớc thải - Nồng độ chất dinh dỡng cho vi sinh vật + Xử lý kỵ khí Trng H Nụng nghip H Nội Giáo trình Cơng nghệ vi sinh vật nôngnghiệp 98 Quy trình xử lý nớc thải biện pháp sinh học điều kiện kỵ khí quy trình phân huỷ sinh học yếm khí hợp chất hữu chứa nớc thải để tạo thành khí CH4 sản phẩm CO2, NH3 Quy trình có u điểm sau: - Nhu cầu lợng không nhiều - Ngoài vai trò xử lý nớc thải, bảo vệ môi trờng, quy trình tạo đợc nguồn lợng khí sinh học, ®ã CH4 chiÕm tû lƯ 70 - 75% - Cịng nh− xư lý sinh häc hiÕu khÝ, ë quy trình này, bùn hoạt tính đợc sử dụng làm tác nhân gây biến đổi thành phần nớc thải Bùn hoạt tính đợc sử dụng có lợng d thấp, có tính ổn định cao, để trì hoạt động bùn không đòi hỏi cung cấp nhiều chÊt dinh d−ìng, bïn cã thĨ tån tr÷ thêi gian dài - Về mặt thiết bị: Công trình có cấu tạo đơn giản, làm vật liệu chỗ với giá thành không cao Bên cạnh u điểm trên, biện pháp xử lý sinh học yếm khí bộc lộ tồn sau: + Quy trình nhạy cảm với chất độc hại, với thay đổi bất thờng tải trọng công trình, sử dụng cần có theo dõi sát yếu tố môi trờng + Xử lý nớc thải cha triệt để, nên bớc cuối phải xử lý hiếu khí Cho tới công trình nghiên cứu xử lý kỵ khí Ýt, thiÕu nh÷ng hiĨu biÕt vỊ vi sinh vËt tham gia vào quy trình kỵ khí Hiện biện pháp hÃy quy mô Pilot có khối tích 6m3, 30m3, 200m3 quy mô lớn Đến giới đà có vài chục nhà máy xử lý nớc thải theo kiểu này, Hà Lan, Hoa Kỳ, Thụy Sĩ, Cộng hòa liên bang Đức * Các trình chuyển hóa chủ yếu kỵ khí + Quá trình thuỷ phân (hydrolysis): Muốn hấp thụ đợc chất hữu nớc thải, vi sinh vật phải thực công đoạn chuyển hóa chất Việc phải thuỷ phân chất có phân tử lợng cao thành polymer có phân tử lợng thấp monomer để có khả hấp thụ qua màng tế bào vi sinh vật Để thực trình thuỷ phân vi sinh vËt ph¶i tiÕt hƯ enzyme nh− proteinase, lipase, cellulase Sau thuỷ phân, sản phẩm đợc tạo thành nh amino acid, đờng, rợu, acid béo mạch dài Quá trình thuỷ phân xảy chậm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh nhiệt độ, pH, cấu trúc chất hữu cần phân giải + Quá trình acid hóa (Acidogesis): Các sản phẩm trình thuỷ phân đợc tiếp tục phân giải dới tác động vi sinh vật lên men acid để tạo thành acid béo dễ bay nh acid acetic, acid formic, acid propionic Ngoài có số dạng khác nh rợu, methanol, ethanol, aceton, NH3, CO2 + Quá trình acetate hóa (Acetogenesis): Các acid sản phẩm trình lại đợc tiếp tục thuỷ phân để tạo lợng acid acetic cao Sản phẩm trình phụ thuộc vào áp suất riêng phần H2 môi trờng áp suất riêng phần H2 đợc giữ