ĐẠI CƯƠNG VÊ VI SINH TRONG NÔNG NGHIỆP

VI SINH VẬT HỌC VÀ ỨN DỤNG TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ vi sinh được coi là một trong những ngành công nghệ mũi nhọn của công nghệ sinh học, có tác động to lớn đến đời sống con người do việc sử dụng vi sinh vật để tạo ra hàng loạt các sản phẩm như rượu, bia, axit hữu cơ, axit amin, vitamin, kháng sinh, vacxin, Tìm hiểu được các quá trình công nghệ vi sinh, ứng dụng của các vi sinh vật trong thực tiễn nói chung và trong sản xuất nông nghiệp nói riêng không phải chỉ dành cho nhữ.

VI SINH VẬT HỌC VÀ ỨN DỤNG TRONG SẢN XUẤT

NÔNG NGHIỆPĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ vi sinh được coi là một trong những ngành công nghệ mũi nhọncủa công nghệ sinh học, có tác động to lớn đến đời sống con người do việc sử dụng

vi sinh vật để tạo ra hàng loạt các sản phẩm như rượu, bia, axit hữu cơ, axit amin,vitamin, kháng sinh, vacxin,… Tìm hiểu được các quá trình công nghệ vi sinh, ứngdụng của các vi sinh vật trong thực tiễn nói chung và trong sản xuất nông nghiệpnói riêng không phải chỉ dành cho những cán bộ nghiên cứu hay cán bộ làm côngtác giảng dạy mà còn dành cho tầng lớp nông dân – những người trực tiếp ứngdụng công nghệ vi sinh

Để đáp ứng được nhu cầu tìm hiểu, ứng dụng công nghệ vi sinh của một số

“Bác nông dân thông thái”, tác giả đã tổng hợp khái quát một số nội dung sau: i)Đại cương về vi sinh vật; ii) Nguyên lý cơ bản của công nghệ vi sinh vật; iii) Một

số ứng dụng công nghệ vi sinh vật trong sản xuất nông nghiệp; iv) kết luận

I Đại cương về vi sinh vật

1 Khái niệm

Vi sinh vật nói chung tồn tại trong tự nhiện với số lượng rất lớn, nó tồn tại ởmọi nơi, mọi ngõ ngách trên trái đất, từ dưới biển sâu đến đỉnh núi tuyết phủ quanhnăm, từ trong lòng đất đến bầu khí quyển, từ khoang miệng đến dạ dày của độngvật

Vậy vi sinh vật là gì? Đó là những sinh vật đơn bào hoặc đa bào nhân sơ hoặcnhân thực, có kích thước rất nhỏ, không quan sát được bằng mắt thường mà phải sửdụng kính hiển vi Nói đến vi sinh vật là nói đến tất cả các nhóm sau: Virus;Archaea (vi khuẩn cổ); Vi khuẩn; Xạ khuẩn; Vi nấm; Vi tảo

Đặc điểm chung của vi sinh vật: Kích thước nhỏ bé; Hấp thụ nhiều, chuyển hóanhanh; Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh; Năng lực thích ứng mạnh và dễ phátsinh biến dị; Phân bố rộng, chủng loại nhiều.

Trên trái đất xác định có khoantg trên 100 nghìn loại bao gồm: 30 nghìn loàiđộng vật nguyên sinh, 69 nghìn loài nấm, 1,2 nghìn loài vi tảo, 2,5 nghìn loại vikhuẩn lam, 1,5 nghìn loài vi khuẩn, 1,2 nghìn loài virus

Môi trường là nơi sinh sống của sinh vật nói chung, bao gồm tất cả những gìbao quanh chúng Có 4 loại môi trường chủ yêu là: môi trường nước, môi trườngđất, môi trường trên mặt đất – không khí (môi trường cạn) và môi trường sinh vật.Đất là môi trường thích hợp nhất đối với vi sinh vật, số lượng loài vi sinh vậttrong môi trường đất lớn hơn hẳn so với các môi trường sống khác Sở dĩ như vậy

vì trong đất nói chung và trong đất trồng trọt nói riêng có một khối lượng lớn chấthữu cơ – đó là nguồn thức ăn cho các nhóm vi sinh vật dị dưỡng hoặc các chất vô

cơ trong đất lại là nguồn dinh dưỡng cho các nhóm vi sinh vật tự dưỡng các nhóm

vi sinh vật chính cứ trú trong đất gồm: vi khuẩn, vi nấm, xạ khuẩn, virus, tảo, độngvật nguyên sinh Trong đó vi khuẩn chiếm nhiều nhất về số lượng

Ngoài môi trường đất, các môi trường sống còn lại vi sinh vật như môi trướcnước (gồm môi trường nước ngọt, môi trường nước mặn), môi trường không khícũng là nơi cư trú của rất nhiều vi sinh vật

Đặc trưng của vi sinh vật là năng lực chuyển hóa mạnh mẽ và khả năng sinhsản nhưnh chóng, chúng đã cho thấy tầm quan trọng to lớn trong thiên nhiên cũngnhư trong các hoạt động cải thiện chất lượng sống của con người nhờ các hiểu biết

về hoạt động sống của vi sinh vật Cùng với sự phát triển của khoa học và côngnghệ hiện đại, vi sinh vật đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khácnhau của cuộc sống, trong đó phải kể đến ứng dụng của vi sinh vật trong nôngnghiệp

2 Lịch sử nghiên cứu vi sinh vật

Sự phát hiện vi sinh vật gắn liền với sự phát minh kính hiển vi Anton vanLeeuwenhoek (1632 - 1723) người Hà Lan, là người đầu tiên ở thế kỷ XVII nhìnthấy vi sinh vật nhờ những kính hiển vi độ phóng đại 270 - 300 lần mà ông đã chếtạo (1676) Do sự hạn chế về độ phóng đại và độ phân giải của kính hiển vi cho nênnhững nghiên cứu hiển vi của cơ thể sống rất bị hạn chế và mãi đến đầu thế kỷ XIXchiếc kính hiển vi hoàn chỉnh đầu tiên mới ra đời và từ đó cho đến nay con người

đã lần lượt sáng tạo ra hàng loạt các loại kính hiển vi quang học khác nhau thìnhiều sự kiện quan trọng mới được phát hiện

Louis Pasteur (1822 - 1895) là nhà vi sinh vật học vĩ đại đã có công:

- Chấm dứt tranh luận về thuyết tự sinh bằng các thí nghiệm xuất sắc với bình

cổ ngỗng

- Phát hiện tác nhân của sự lên men như lên men rượu, lên men thối là vi sinhvât: các vi sinh vật phát triển đã tạo thành các enzyme chịu trách nhiệm về hiệntượng lên men

- Xác định vai trò tác nhân gây bệnh của các vi sinh vật trong bệnh nhiễm trùng

- Khái quát hóa vấn đề vaccine và tìm ra phương pháp điều chế một số vaccinephòng bệnh như vaccine bệnh than, vaccine bệnh tả gà và phát minh vaccine dại.Robert Koch (1843 - 1910) cùng đóng góp lớn lao cho vi sinh vật học nhờnhững công trình:

- Phát triển những kỹ thuật cố định và nhuộm vi khuẩn

- Sử dụng môi trường đặc để phân lập vi khuẩn ròng

- Nêu tiêu chuẩn xác định bệnh nhiễm trùng

- Khám phá vi khuẩn lao, vi khuẩn tả

Nhờ công lao của L.Pasteur, R.Koch và nhiều nhà bác học khác, phần lớn các

vi khuẩn gây bệnh ở người và động vật đều được khám phá ở đầu thế kỷ XX Visinh học đã trở thành một khoa học ứng dụng quan trọng nhiều lĩnh vực của cuộcsống, trong đó có nông nghiệp

3 Cấu trúc điển hình của vi sinh vật

3.1 Hình thể, kích thước

Mỗi loại vi sih vật có hình dạng và kích thước nhất định, do vách của tế bàoquyết định Hình thể và kích thước của vi sinh vật có thể quan sát và xác định đượcbằng phương pháp nhuộm và quan sát bằng kính hiển vi

Vi sinh vật nói có rất nhiều hình thái khác nhau: hình cầu, hình que, hình xoắn,hình dấu phẩy, hình sợi Kích thước thay đổi tùy theo các loại hình và trong mộtloại hình kích thước cũng khác nhau So với virus, kích thước của vi khuẩn lớn hơnnhiều, có thể quan sát vi khuẩn dưới kính hiển vi quang học

Đơn vị đo kích thước là micromet (1 µm = 1/1000 mm)

3.2 Cấu trúc tế bào

Vi sinh vật nói chung có cấu trúc tế bào nhân sơ gồm 3 thành phần: màng sinhchất, tế bào chất và vùng nhân Ngoài các thành phần đó, nhiều loại tế bào nhân sơcòn có các thành phần khác như thành tế bào, vỏ nhầy, long và roi

a Thành tế bào, màng sinh chất, lông và roi.

Phần lớn các tế bào nhân sơ đều có thành tế bào Được cấu tạo bởipeptiđôglican Thành tế bào quy định hình dạng của tế bào Dựa vào cấu trúc vàthành phần hóa học của thành tế bào, có thể chia vi sinh vật thành 2 loại : Gramdương và gram âm Khi nhuộm bằng phương pháp nhuộm Gram, vi khuẩn Gramdương có màu tím, vi khuẩn Gram âm có màu đỏ Biết được sự khác biệt nàychúng ta có thể sử dụng các loại thuốc kháng sinh đặc hiệu để tiêu diệt từng loại vikhuẩn gây bệnh

Một số loại tế bào nhân sơ, bên ngoài thành tế bào còn có một lớp vỏ nhầy.Những vi khuẩn gây bệnh ở người có lớp vỏ nhầy sẽ ít bị các tế bào bạch cầu tiêudiệt

Màng sinh chất của vi khuẩn cũng như của các loại tế bào khác đều được cấutạo từ 2 lớp phôtpholipit và prôtêin

Một số loài vi khuẩn còn có các cấu trúc được gọi là roi (tiên mao) và lôngnhung mao Lông là những sợi rất nhỏ và dài (10-20m) bắt nguồn từ bào tương vàxuyên qua thành tế bào, giúp vi khuẩn có thể di động.

Vùng nhân của tế bào sinh vật nhân sơ không được bao bọc bởi các lớp màng

và chỉ chứa một phân tử ADN dạng vòng.Vì thế, tế bào loại này được gọi là tế bàonhân sơ (chưa có nhân hoàn chỉnh với lớp màng bao bọc như ở tế bào nhân thực).Ngoài ADN ở vùng nhân, một số tế bào vi khuẩn còn có thêm nhiều phân tửADN dạng vòng nhỏ khác được gọi là plasmit

d Các cấu trúc phụ

Ngoài 3 thành phần cấu trúc cơ bản trên, một số giống vi khuẩn còn có cácphần cấu trúc phụ như: pili, bào tử,…

+ Pili: ở một số loài Gram (-) mặt ngoài có những sợi ngắn và nhỏ hơn lông gọi

là pili Có 2 loại: pili giới tính để chuyển ADN từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác

và pili bám giúp vi khuẩn bám vào các bề mặt

+ Bào tử: Trong một số trường hợp bất lợi về điều kiện sống một số loài vikhuẩn có khả năng hình thành bào tử (còn gọi là nha bào) để có sức chống đỡ caohơn Bào tử có các đặc điểm: thành dày cấu tạo gồm nhiều chất canxi dipicolinat,

tỷ lệ nước tự do rất thấp Bào tử có khả năng chịu đựng cao với hoá chất và nhiệt

độ nên diệt bào tử khó hơn nhiều so với diệt vi khuẩn ở thể sinh dưỡng Khi ở điềukiện thuận lợi, bào tử có thể chuyển từ dạng nghỉ sang thể sinh dưỡng.

+ Nội bào tử: Một số vi khuẩn Gram (+) khi rơi vào tình trạng bất lợi như khôhạn, thiếu thức ăn, nhiệt độ cao hoặc bị tác động bởi bức xạ, các chất độc thì sẽhình thành một cấu trúc đề kháng gọi là nội bào tử

4 Sinh lý cơ bản của vi sinh vật

Sinh lý của vi sinh vật chính là nói đến quá trình trao đổi chất và các yếu tố ảnhhưởng đến quá trình trao đổi chất

a Quá trình trao đổi chất

Trao đổi chất là quá trình hấp thu thức ăn từ môi trường vào cơ thể, chế biến nóthành các chất của cơ thể và thải các sản phẩm cuối cùng ra môi trường

Quá trình hấp thu các chất dinh dưỡng gọi là quá trình dinh dưỡng Quá trìnhchế biến các chất dinh dưỡng thành các chất của cơ thể gọi là quá trình đồng hoá.Quá trình phân huỷ các thành phần của cơ thể gọi là quá trình dị hoá Quá trình oxyhoá các chất dinh dưỡng để tạo ra năng lượng được gọi là quá trình trao đổi nănglượng

Trao đổi chất và trao đổi năng lượng liên quan chặt chẽ với nhau Cơ thể vi sinhvật muốn tạo ra năng lượng để hoạt động sống phải dựa vào nguồn dinh dưỡngđược hấp thu do quá trình trao đổi chất Quá trình trao đổi chất thực hiện được lànhờ vào năng lượng của tế bào

Trao đổi năng lượng có 2 dạng là: hô hấp và lên men

+ Hô hấp: là chuỗi các phản ứng hóa học tham gia hình thành năng lượng ATP

Hô hấp tế bào gồm 3 giai đoạn cơ bản: 1) Oxi hóa các phân tử hữu cơ bằng các conđường (con đường đường phân hoặc con đường pentôzơ hoặc con đườngpentôzowphotphat) Tất cả các con đường này đều giúp tế bào tạo thành ATP, cácchất trung gian chưa cacbon, các chất mang electron dạng khử cần cho hoạt độngsống của tế bào; 2) Oxi hóa piruvat trong chu trình Crep; 3) Tạo thành năng lượng

ATP nhờ photphorin hóa ở mức cơ chất và photphorin hóa oxi hóa trong chuỗi vậnchuyển electron Nếu chất nhận electron cuối cùng là oxi sẽ có hô hấp hiếu khí.Vànếu chất nhận electron cuối cùng là oxi ở dạng liên kết thì là hô hấp kỵ khí.

+ Lên men: là chuỗi các phản ứng hóa học không tham gia hình thành nănglượng ATP (hoặc có hình thành ATP nhưng rất ít) Trong lên men, chất nhậnelectron cuối cùng là các phân tử hữu cơ

b Dinh dưỡng

Các chất dinh dưỡng đối với vi sinh vật là bất kỳ chất nào được vi sinh vật hấpthụ từ môi trường xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấpcho các quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấpcho các quá trình trao đổi năng lượng

Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật quyết định nhu cầu dinh dưỡng củachúng Thành phần hoá học cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên tốkhoảng đa lượng và các nguyên tố khoáng vi lượng

Trong tế bào vi sinh vật các hợp chất được phân thành 2 nhóm lớn: (1) Nước

và các muối khoáng; (2) Các chất hữu cơ

+ Nước và muối khoáng: Nước chiếm đếm 70 - 90% khối luợng cơ thể sinh vật.Tất cả các phản ứng xảy ra trong tế bào vi sinh vật đều đòi hỏi có sự tồn tại củanước Ở vi khuẩn lượng chứa nước thường là 70 - 85%

+ Các chất hữu cơ: Riêng 4 nguyên tố C, H, O, N đã chiếm tới 90 - 97% toàn

bộ chất khô của tế bào Đó là các nguyên tố chủ chốt để cấu tạo nên protein, axitnucleic, lipit, hidrat cacbon Các nguyên tố khácP, k, S, Ca, Fe, Mg, Cu, Zn, Mo,Mn,… chiếm tỷ lệ nhỏ hoặc rất nhỏ trong chất khô của tế bào nhưng đều là nhữngthành phần không thể thiếu trong cấu tạo tế bào

c Sinh trưởng của vi sinh vật

Ở vi sinh vật, nói đến sinh trưởng là nói đến sự tăng trưởng số lượng của các tếbào trong một quần thể chứ không phải sự kích thước của tế bào Tế bào vi sinh vật

sinh trưởng bằng cách phân đôi đơn giản Đầu tiên nhiễm sắc thể nhân đôi, gắn vàmàng sinh chất tế bào dài ra, đẩy nhiễm sắc thể và tế bào chất về hai phía Hìnhthành màng ngăn ở giữa, sau đó tạo vách tế bào mới giữa hai phần Hai tế bào táchrời nhau hoặc vẫn dính với nhau tạo thành chuỗi.

Sinh trưởng của vi sinh vật trong hệ nuôi cấy:

+ Nuôi cấy không liên tục: trong suốt thời gian nuôi, không bổ sung thêmchất dinh dưỡng cũng như không thấy đi các chất tạo thành Quá trình này diễn ratheo một đường cong sinh trưởng gồm 4 pha khác biệt: 1, Pha tiềm phát (tế bào làmquen với môi trường, và tổng hợp enzyme cần thiết để phân giải thức ăn); 2, Phalũy thừa (quần thể vi sinh vật tăng theo cấp số mũ); 3, Pha cân bằng (Khi chất dinhdưỡng trong môi trường cạn kiệt, các chất thải được tích lũy thì tốc độ sinh sảngiảm xuống Số lượng tế bào chết đi tương đương với số lượng tế bào mới sinh ra

và độ lớn của quần thể tế bào ổn định); 4, Pha suy vong (chất dinh dưỡng cạn kiệt,chất thải tích lũy quá nhiều, số lượng tế bào chất vượt số tế bào sống, quần thể tếbào rơi vào pha chết?

+ Nuôi cấy liên tục: Liên tục bổ sung dinh dưỡng và liên tục lấy ra các sảnphẩm tạo thành trong quá trình nuôi cấy Nhờ đó quần thể vi sinh vật luôn có tốc độtăng trưởng và trao đổi chất mạnh nhất và sản phẩm luôn đạt năng suất cao nhất.Các điều kiện ảnh hưởng đến sinh trưởng vi sinh vật:

+ Nhiệt độ: Tất cả sinh vật đều có dải nhiệt độ mà nó có thể sống Dựa vàonhiệt độ vi sinh vật được chia thành các nhóm: nhóm ưa lạnh, nhóm ưa ấm, nhóm

Theo đó, công nghệ sinh học là một lĩnh vực rộng lớn Nếu sắp xếp theo đốitượng sinh học thì công nghệ sinh học được chia thành các ngành:

+ Công nghệ sinh học vi sinh vật: là công nghệ nhằm khai thác tốt nhất khảnăng kỳ diệu của vi sinh vật, tạo điều kiện thuận lợi cho các vi sinh vật hoạt độngvới hiệu suất cao (công nghệ lên men)

+ Công nghệ tế bào: là công nghệ nhằm tạo điều kiện cho các tế bào động,thực vật phát triển tốt trong các môi trường xác định và an toàn

+ Công nghệ gen: là công nghệ nhằm cải biến chủng gống để nâng cao hiệusuất của chủng giống sản xuất và đa dạng hóa sản phẩm sinh học

Công nghệ sinh học vi sinh vật trở thành nền tảng cho sự phát triển của côngnghệ sinh học theo 3 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: Công nghệ sinh học truyền thống là ứng dụng các quá trìnhdân dã nhằm chế biến, bảo quản các loại thực phẩm, xử lý đất đai, phân bón đểphục vụ nông nghiệp

+ Giai đoạn 2: Công nghệ sinh học cận đại là quá trình sử dụng các nồi lênmen công nghiệp để sản xuất ở quy mô lớn các sản phẩm sinh học như mỳ chính,axit amin,…

+ Giai đoạn 3: Công nghệ sinh học hiện đại chia ra các lĩnh vực nghiên cứunhỏ và chuyên sâu hơn như: công nghệ di truyền, công nghệ tế bào,…

2 Công nghệ sinh học truyền thống – công nghệ lên men

Công nghệ lên men là công nghệ lâu đời nhất trong tất cả các quá trình côngnghệ sinh học Lên men là quá trình chuyển hóa học học nhờ các cơ thể sống hoặcsản phẩm của chúng, thường sinh khí và sinh nhiệt

Quy trình lên men cơ bản trong công nghiệp thường được tiến hành theo cácgiai đoạn sau: Giống vi sinh vật  Hoạt hóa trên máy lắc  Nhân giống (cấp 1,cấp 2…)  Lên men  Thu hồi sản phẩm mong muốn

Để hiểu rõ quy trình lên men nói chung, chúng ta cần tìm hiểu các khâu chínhtrong quy trình

b Sinh trưởng của vi sinh vật

Sinh trưởng của vi sinh vật trong môi trường lên men cũng tuân theo sự sinhtrưởng trong môi trường nuôi cấy không liên tục hoặc nuôi cấy liên tục tùy vào sảnphẩm mong muốn thu được

c Thiết bị lên men

Là hệ thống dây chuyền công nghệ, thiết bị phục vụ quá trình lên men để thusản phẩm mong muốn

3 Một số ứng dụng nổi bật của công nghệ vi sinh

3.1.Công nghệ sản xuất đồ uống có cồn

a Nguyên lý