Nông nghiệp sạch hiệu quả với công nghệ sinh học

Nguyên liệu cho công nghệ sinh học

Xu h−ớng thế giới hiện nay lμ phải hợp tác trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, các qui định về chất thải, n−ớc thải sẽ chặt chẽ hơn, nghiêm ngặt hơn, sẽ tăng tiền phạt nặng hơn cho những ai vi phạm, từ đó có khái niệm gọi chất thải nh− một nguyên liệu có. Công nghệ sinh học sẽ tạo ra những cây trồng biến đổi gen có khả năng kháng sâu bệnh, năng suất cao chất l−ợng v−ợt trội so với giống cũ, vì vậy trong t−ơng lai một nền nông nghiệp sạch, hiệu quả vμ tiên tiến sẽ lμm cho nhiều ng−ời muốn trở thμnh “nông dân” hơn.

Kỹ thuật lên men

Lên men liên tục lμ quá trình nuôi vi sinh vật trong thiết bị đ−ợc cấu tạo đặc biệt để sao cho khi vật nuôi đã phát triển đến một giai đoạn nμo đó thích hợp cho việc lấy đi một thể tích môi tr−ờng lên men cùng tế bμo vμ các sản phẩm trao đổi chất của chúng, lại bổ sung đúng một thể tích môi trường dinh d−ỡng mới vμo bình nuôi cấy, lúc đó ta có đ−ợc trạng thái cân bằng động. Thiết bị khuấy trộn có cấu tạo đặc biệt vì vừa phải hoμ tan oxy vμo môi trường, vừa phải khuấy trộn một hỗn hợp các tế bμo sống đặc quánh không tan trong nước, lại lμm việc liên tục trong thời gian dμi (th−ờng từ 4-7 ngμy). Thiết bị lên men cần có bộ phận trao đổi nhiệt hữu hiệu, vì đa số vi sinh vật sống vμ phát triển ở nhiệt độ từ 260C-300C. Các dạng thiết bị lên men vi sinh vật. a) Thiết bị lên men có khuấy liên tục, b) Thiết bị lên men hình tháp.

Kỹ thuật sản xuất enzym

Lên men vi sinh vật ở qui mô công nghiệp để thu nhận enzym cũng lμ một công nghệ lên men nuôi vi sinh vật để thu enzym, vi sinh vật tiết các enzym vμo môi trường để phân giải cơ chất đồng hoá thức ăn từ môi trường, enzym còn dư thừa trong môi trường được nghiên cứu để thu hồi. Do kết quả ứng dụng thμnh công các phương pháp bất động enzym vμ tế bμo tạo ra các nang, các hạt, các cột vμ các mμng chứa các enzym, nhiều kiểu bình phản ứng sinh học đ−ợc chế tạo để đáp ứng cho nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng nh− trong sản xuất công nghiệp.

Sản xuất Protein đơn bμo

• Sản xuất sinh khối nấm men

Sau chiến tranh mối quan tâm của Đức giảm đi, song nó lại đ−ợc phục hồi vμo những năm 30, vμ trong Đại chiến thế giới lần thứ hai khoảng 15.000 tấn nấm men đã đ−ợc sản xuất mỗi năm nhằm phục vụ nhu cầu protein cho binh lính vμ th−ờng dân. Trong công nghiệp để thu hoạch men thường sử dụng phương pháp ly tâm vắt để loại bỏ môi trường sau đó rửa bằng nước sạch 2-3 lần để loại bỏ toμn bộ môi trường còn dính bám vμo tế bμo men nhằm không cho các tế bμo men còn có thể lên men tiếp. Các vi sinh vật gây nhiễm trong quá trình nuôi men th−ờng lμ vi khuẩn lactic (đa số các tr−ờng hợp lμ các vi khuẩn lactic dị hình), các vi khuẩn acetic vμ đặc biệt các vi khuẩn butyric thường có ảnh hưởng tới sự phát triển của nấm men một cách rõ rệt.

Men ép đem hoμ trong nước tỉ lệ 1/4 rồi để ở nhiệt độ 35-37ỷC, các protein nội bμo sẽ thuỷ phân protein của nấm men (autolyse) để tạo ra các acid amin vμ giải phóng các vitamin có trong tế bμo men ra môi tr−ờng n−ớc. Tốc độ sinh trưởng của nấm sợi thấp hơn vi khuẩn vμ nấm men, tuy nhiên cũng có những chủng nấm sợi có tốc độ sinh trưởng nhanh như nấm men, đặc biệt những chủng nμy nếu nuôi trên cơ chất đặc vμ bằng phương pháp bề mặt. L−ợng sinh khối nμy coi nh− chất phế thải của công nghệ penicillin có thể sấy khô vμ sử dụng vμo nhiều mục đích khác nhau nh− lμm thức ăn giμu protein cho chăn nuôi, hoặc thuỷ phân để tạo ra các acid amin lμm môi trường giầu dinh dưỡng để nuôi vi khuẩn (Bacillus subtilis) sinh tổng hợp protease hoặc amylase rất kinh tế.

Có những loμi nấm sợi phát triển rất nhanh trên môi tr−ờng bột sắn hoặc sắn lát nghèo protein (~1,0-1,5%) có bổ sung thêm khoáng vi l−ợng nuôi trong 40-48 giờ, nấm phát triển, đem sấy khô vμ nghiền thμnh bột lμm thức ăn cho gia súc. Sau đó đem rắc bμo tử nấm lên cơ chất trồng nấm đã đ−ợc chuẩn bị sẵn, cơ chất có thể ủ thμnh luống nhỏ (trồng nấm rơm), hay bó lại thμnh các bịch hình trụ vμ xếp thứ tự trên các giá, nuôi trong nhμ kính, hay nuôi hở ngoμi trời, hoặc nhμ có mái che.

Sản xuất các sản phẩm trao đổi chất bậc một dùng trong Y học

• Sản xuất acid glutamic
• Sản xuất dextran 1. Đại c−ơng
• Sinh tổng hợp vitamin B 12 (Cyanocobalamin)

Acid glutamic đ−ợc sản xuất với số l−ợng lớn nhất trong tất cả các acid amin vì acid nμy đ−ợc dùng một phần trong sản xuất d−ợc phẩm, còn số l−ợng lớn đ−ợc dùng trong thực phẩm lμm chất điều vị đ−ợc sản xuất d−ới dạng mononatri glutamat. Tuy nhiên những chủng sau đây đ−ợc nhiều nhμ máy sử dụng để sản xuất vì cho hiệu suất cao (80-120 g/lít): Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, B. Khi thêm các chất kháng sinh có tác dụng lên thμnh tế bμo vi khuẩn nh− penicillin G, polymyxin ng−ời ta nhận thấy hiệu suất sinh tổng hợp acid glutamic tăng lên.

Dextran “gia công” hay sephadex đ−ợc coi nh− những sμng phân tử dùng trong kỹ thuật lọc gel để tinh chế các protein có trọng lượng phân tử khác nhau thường dùng để tinh chế các enzym hoặc các peptid lμm thuốc. Tuy nhiên trong công nghiệp th−ờng sử dụng chủng Leuconostoc mesenteroides ATCC10830, chủng nμy tạo ra tới 95% polymer dextran có liên kết g-1,6 glucosid (phần còn lại lμ liên kết g-1,3) vμ trọng l−ợng phân tử lμ 4-5 x 107 dalton. Đến năm 1948, Ricker vμ cộng sự ở Mỹ vμ Smith-Parkers ở Anh đã chiết vμ kết tinh đ−ợc những tinh thể hình kim mμu đỏ đậm từ cao gan động vật vμ gọi lμ vitamin B12.

Phân tử vitamin B12 có dạng coenzym liên kết với acid amin, bao gồm 2 phần chính: phần Corin (còn gọi lμ nhân tố B) vμ phần nucleotid gồm base chứa nitơ lμ 5, 6 dimetylbenzimidazol, đ−ờng ribose vμ phân tử H3PO4. Các ion kim loại: bổ sung một l−ợng nhỏ muối cobalt (clorid hoặc nitrat) sẽ tăng đáng kể hiệu suất sinh tổng hợp B12, còn các kim loại sắt, đồng, kẽm, mangan lμm giảm hiệu suất sinh tổng hợp B12 nhất lμ sắt.

Đại c−ơng về kháng sinh

• K 2 HPO 4

Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về chất kháng sinh, song có thể nêu lên một định nghĩa đ−ợc coi lμ hoμn chỉnh nhất: "Kháng sinh lμ những sản phẩm đặc biệt nhận đ−ợc từ vi sinh vật hay các nguồn tự nhiên khác có hoạt tính sinh học cao, có tác dụng kìm hãm hoặc tiêu diệt một cách chọn lọc lên một nhóm vi sinh vật xác định (vi khuẩn, nấm, protozoa..) hay tế bμo ung th−". Phân loại kháng sinh theo cấu trúc hoá học lμ khoa học nhất vì nó giúp cho người nghiên cứu nhanh chóng định hướng được các đặc điểm của chất kháng sinh mới phát hiện khi biết đ−ợc cấu trúc hoá học của nó, tránh lãng phí thời gian để nghiên cứu về các đặc điểm khác. Các ph−ơng pháp phân lập vi sinh vật sinh kháng sinh Để phân lập vi sinh vật sinh kháng sinh ng−ời ta phải lấy mẫu từ các nguồn cơ chất khác nhau: đất ở ruộng, đất quanh rễ cây, đất nền ở chuồng gia cầm, gia súc, bùn, n−ớc ở sông hồ.

Những cá thể nμo nếu còn sống sót sẽ có sự đột biến gen, lμm thay đổi các tính trạng dẫn đến hoặc lμ mất khả năng tạo ra kháng sinh (đột biến âm tính) hoặc lμm tăng hiệu suất sinh tổng hợp kháng sinh lên nhiều lần (đột biến dương tính). Có kháng sinh lại chiết bằng ph−ơng pháp kết tủa (các tetracyclin, fumagillin..), hoặc bằng nhựa trao đổi ion (kháng sinh nhóm aminoglycosid, polymyxin..), vì vậy phải nghiên cứu chọn đ−ợc chất phụ gia cho quá trình kết tủa (các amoni bậc 4) hoặc các cationit có dung l−ợng trao đổi lớn, dễ phản hấp phụ để không phá huỷ hoạt chất. − Tăng c−ờng quá trình tổng hợp đ−ờng vμ vitamin A từ caroten; Vì vậy tác dụng kích thích của kháng sinh lên cơ thể động vật, đặc biệt động vật còn non lμ quá trình phức tạp gián tiếp qua hệ vi khuẩn chí ở ruột do nhiều nhân tố khác nhau lμm ảnh hưởng đến chuyển hoá cơ.

Trong điều kiện thiên nhiên kháng sinh bị phân huỷ nhanh, vì vậy phải tìm kiếm các chất kháng sinh có độ bền vững cao, tiêu diệt mầm bệnh nhanh, không nên dùng các chất kháng sinh ứng dụng trong y học để điều trị bệnh của cây trồng. Trong bảo quản thực phẩm cũng th−ờng sử dụng ph−ơng pháp lên men lactic (muối d−a, cμ, lμm mắm, lμm nem chua…) Nguyên tắc của ph−ơng pháp nμy lμ khi acid lactic do vi khuẩn lactic tạo ra trong môi trường đạt đến nồng độ nhất định lμm cho pH giảm xuống 3 - 3,5.