Sinh học 10 Chân trời sáng tạo Bài 27: Ứng dụng vi sinh vật trong thực tiễn

Dựa vào đặc điểm có lợi của vi sinh vật, con người đã ứng dụng chúng vào thực tiễn trong nhiều lĩnh vực khác nhau (chế biến và bảo quản thực phẩm, nông nghiệp, y học,..). Dựa vào đặc điểm gây hại, con người đã tìm cách phòng tránh các bệnh do vi sinh vật gây ra (diệt vi sinh vật bằng các tác nhân vật lí, hoa học, chất kháng sinh).

Bảng 27.1. Cơ sở khoa học của các ứng dụng vi sinh vật trong thực tiễn

Dựa vào đặc điểm sinh trưởng, phát triển, sinh sản của vi sinh vật, con người đã khai thác, ứng dụng chúng vào nhiều lĩnh vực của đời sống nhằm tạo ra các sản phẩm có ích, an toàn và thân thiện với môi trường.

a. Khái quát về ứng dụng của vi sinh vật trong thực tiễn

Với những đặc điểm và lợi thế của nó, vi sinh vật được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong đời sống thực tiễn hằng ngày của con người. Vi sinh vật được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, chế biến và bảo quản thực phẩm, bảo vệ môi trường, phát triển bền vững, trong y học... Những tiềm năng của vi sinh vật là rất lớn, cùng với sự tiến bộ của khoa học, con người ngày càng khai thác sâu, rộng những ứng dụng của vi sinh vật vào thực tiễn, nhằm nâng cao sức khoẻ và tạo môi trường sống thân thiện, an toàn.

b. Một số ứng dụng của vi sinh vật trong thực tiễn

Sản xuất phomat (cheese)

Phomat là sản phẩm được làm từ sữa (bò, dê, cừu,...) qua các bước sau:

+ Thanh trùng sữa ở 72 °C trong 15 giây.

+ Cấy vi khuẩn Lactococcus lactis và enzyme rennin. Vi khuẩn lactic lên men đường lactose tạo acid làm động tụ sữa. Enzyme rennin thuỷ phản k-cazein trong sữa làm cho protein đông vón. Thêm chất phụ gia CaCl, làm tăng khả năng kết tủa sữa.

+ Cắt cục vón, khuấy đều, để yên 10 – 30 phút, nâng nhiệt độ lên tới 49 – 54 °C. Rửa cục văn bằng nước Clo năm phần triệu để tách lactose. Khuấy đều cho đến khi cục vón chắc lại, cho vào khuôn nền, sau vài tuần thu được phomat.

Hình 27.1. Quy trình sản xuất phomat trong nhà máy

Sản xuất tương

Tương là món ăn dân dã, phổ biến ở Việt Nam. Một số loại tương nổi tiếng ở nước ta như tương Bần, tương Cự Đà, tương Nam Đàn, tương hột. Mỗi loại tương có những cách làm thủ công riêng, tạo nên hương vị đặc trưng cho từng loại. Hiện nay, tương đã được sản xuất theo quy trình công nghiệp. Có thể tóm tắt quá trình sản xuất tương như sau:

- Bước 1. Tạo chế phẩm enzyme từ nấm mốc: Ngâm gạo nếp khoảng 4 – 8 tiếng, nấu xôi, để nguội, dàn mỏng lên nong, để nhiễm nấm tự nhiên trong điều kiện 28 – 35 °C, độ ăm 50 – 60 %, thời gian 5 – 6 ngày (Nên dùng mốc trong phòng thí nghiệm như Aspergillus oryzae (mốc vàng hoa cau) để kiểm soát tốt quá trình tạo mốc). Chọn mốc có màu vàng và nâu vàng lục, loại bỏ những chỗ có mốc xanh, đen, hồng. Khi bào tử mốc đã mọc đều, đem phơi hoặc sấy khô, đóng gói, dán kín, cách ẩm để dùng dần.

- Bước 2. Chuẩn bị đậu tương: Đậu tương rửa sạch để ráo, sảy hoặc rang vàng. Nghiền hạt đậu tương bể làm đôi, làm sạch vỏ, đun sôi khoảng 40 – 60 phút, để nguội, cho vào chum ngâm nước khoảng 7 ngày. Lưu ý: Bước 1 và 2 làm đồng thời.

Hình 27.2. Quy trình sản xuất nước tương lên men

- Bước 3. Ủ tương (ngả tương): Cho chế phẩm enzyme từ nấm mốc vào chum chứa đậu tương, cho thêm muối ăn (khoảng 15 % lượng nước trong chum) để tương không bị thối. Để chum nơi có ánh nắng, khuấy đều mỗi buổi sáng, ủ trong vòng khoảng 60 – 100 ngày (có thể ngâm đến 2 năm, càng lâu tương càng ngon. Trong sản xuất công nghiệp, thời gian ủ tương là 10 – 14 ngày). Trong thời gian ủ tương, xảy ra quá trình thuỷ phân tinh bột và protein nhờ enzyme của nấm mốc Aspergillus oryzae.

Sản xuất chất kháng sinh

Chất kháng sinh chủ yếu được tạo ra do xạ khuẩn (chi Streptomyces), vi khuẩn (chi Bacillus) và nấm (chi Penicillium). Quá trình sản xuất chất . kháng sinh được tóm tắt như sau:

- Nhân giống: Chọn chủng giống vi khuẩn phù hợp, chọn môi trường nuôi cấy.

- Lên men 2 pha: Pha 1 là pha sinh trưởng, tính từ khi cấy giống vào thùng lên men đến khi sinh khối ngừng tăng lên. Pha 2 là pha sinh tổng hợp để tích tụ chất kháng sinh. Môi trường lên men phải đảm bảo đủ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật, để đạt năng suất cao cần phải thêm tiền chất (ví dụ khi lên men penicillin người ta cho thêm phenylacetic là mạch bên của phân tử penicillin để giúp vi sinh vật tổng hợp thuận lợi hơn). Mặt khác, quá trình lên men cần đảm bảo các thông số như pH, nhiệt độ, độ thông khí và thời gian.

- Tách chiết: Tuỳ thuộc vào từng loại chất kháng sinh mà có phương pháp tách chiết sao cho phù hợp. Quá trình này thực hiện theo các bước sau: lọc tách sinh khối ⇒ tách chiết ⇒ đông khô ⇒ bột tinh sạch.

Hình 27.3. Quá trình sản xuất penicillin (Theo Gist-Brocades Capr

Sản xuất thuốc trừ sâu sinh học

- Thuốc trừ sâu vi sinh vật có nhiều ưu điểm so với thuốc trừ sâu hoá học như: không gây độc hại cho người và gia súc, không làm giảm đa dạng sinh học và không gây ô nhiễm môi trường, không ảnh hưởng đến chất lượng nông sản và thường có hiệu quả lâu dài. Tuy nhiên, thuốc có nhược điểm là hiệu lực chặm, phổ tác động hẹp.

- Dựa trên các độc tố của vi sinh vật gây hại cho côn trùng, con người đã nghiên cứu và sản xuất các loại thuốc trừ sâu như: chế phẩm Bacillus thuringiensis, chế phẩm Beauveria, chế phẩm Metarhizium,.. Chế phẩm Bacillus thuringiensis được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis. Vi khuẩn Bacillus thuringiensis sinh ra bốn loại độc tố, gồm ngoại độc tố a (phospholipara C), B (độc tố bền nhiệt), Y (độc tố tan trong nước) và nội đọc tổ 6 (còn gọi là tinh thể độc) có thể diệt côn trùng gây hại hiệu quả.

- Chế phẩm Bacillus thuringiensis được sản xuất bằng phương pháp lên men chìm, theo quy trình: (1) Chuẩn bị giống vi khuẩn; (2) Nhân giống cấp 1, cấp 2; (3) Lên men; (4) Li tâm để thu sinh khối; Phối trộn phụ gia và đóng gọi sản (5) Sấy, nghiền sinh khối vi khuẩn; (6) Phối trộn phụ gia và đóng gói sản phẩm.

Xử lí nước thải

Hình 27.4. Quy trình sản xuất chế phẩm Bacillus thuringiensis

- Quá trình nghiên cứu, phát triển thuốc trừ sâu Bacillus thuringiensis tại Việt Nam bắt đầu từ năm 1973, đến nay đã thu được nhiều thành tựu quan trọng. Hiện nay, bộ sưu tập thuốc trừ sâu Bacillus thuringiensis của Việt Nam là một trong những bộ sưu tập lớn trên thế giới với hơn 3 500 chủng phân lập tại Việt Nam, trong đó có 114 chủng kháng nguyên chuẩn quốc tế được dùng trong sản xuất 78 kit huyết thanh. Một số chế phẩm nổi bật như: chế phẩm Bacillus thuringiensis thế hệ mới, chế phẩm Bacillus thuringiensis diệt bọ gậy,..

- Quá trình xử lí nước thải thường trải qua 3 cấp: cấp 1 (lí học), cấp 2 (sinh học), cấp 3 (hoá học). Xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học chủ yếu dựa vào vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh (các chi Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter) và vi khuẩn nitrat hoá (các chi Nitrosomonas, Nitrobacter). Chúng chuyển hoá các chất hữu cơ gây ô nhiễm thành các chất vô cơ, chất khí đơn giản và nước. Có hai tính và bể UASB nhóm phương pháp sinh học dùng trong xử lí nước thải:

Hình 27.5. Xử lí nước thải theo phương pháp bùn hoạt tính

+ Phương pháp xử lí sinh học hiểu khí: xử lí bang bùn hoạt tính, hồ hiếu khí, bể phản ứng theo mẻ, quả trình tiêu huỷ hiếu khí, lọc nhỏ giọt, đĩa quay sinh học, bể lọc sinh học.

+ Phương pháp xử lí sinh học yểm khí (kị khí): xử lí bàng hồ yếm khí, bể UASB (Upflow Anearobic Sludge Blanket – bể xử lí sinh học dòng chảy ngược), bể lọc yếm khi, lọc trên giá mang hữu cơ.

Hình 27.6. Xử lí nước thải bằng bể UASB