ứng dụng của vi sinh vật trong các lĩnh vực

Bên cạnh đó, vi sinh vật còn có những tác động tích cực: + Tham gia vào quá trình tuần hoàn vật chất trên hành tinh + Nhân tố khởi đầu trong chuỗi thức ăn + Sử dụng rộng rãi trong sản xu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

š š š š š

GVHD: VƯƠNG THỊ VIỆT HOA

I Lời nói đầu

II Ứng dụng của vi sinh vật trong các lĩnh vực

1 Xử lý hiếu khí nước thải, kỵ khí và bùn hoạt tính.

2 Y tế.

3 Nông nghiệp.

4 Sản xuất thức ăn chăn nuôi.

5 Công nghệ khai khoáng.

III Tài liệu tham khảo.

I Lời nói đầu

Vi sinh vật là những cơ thể sống bé nhỏ, muốn thấy được chúng phải nhìn qua kinh hiển vi Đa

số các vi sinh vật là đơn bào, một số ít là đa bào

Vi sinh vật bao gồm: siêu vi trùng( virus), vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, vi tảo, nguyên sinh động vật Vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé, điều này có lợi cho chúng vì chúng có diện tích bềmặt tiếp xúc với ngoại môi trường tương đối lớn so với khối lượng Do đó, chúng có khả năng hấp thu nhiều dinh dưỡng và khả năng trao đổi chất rất lớn, hơn hẳn vi sinh vật thượng đẳng

Do có khả năng trao đổi chất rất lớn, nên vi sinh vật có thể chuyển hóa một khối lượng lớn vật chất của môi trường gấp mấy lần so với khối lượng của bản thân và có khả năng sinh sản cực kỳ nhanh chóng Sự tăng sinh khối nhanh như vây có ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất các chất hữu

cơ bằng con đường sinh học như sản xuất các vacxin, enzim, vitamin, protein…

Do có kích thước nhỏ bé như vậy nên vi sinh vật phân bố khắp mọi nơi trên trái đất Vi sinh vật

có thể sống trong điều kiện rất khắc nghiệt của môi trường: ở vùng địa cực, các suối nước nóng,

ở các vùng sa mạc…

Vi sinh vật mang lại không ít tai họa cho con người: gây bệnh cho người và gia súc, thực vật chúng còn gây tổn thất lớn như: làm hư hỏng lương thực, thực phẩm, phá hoại nguyên liệu sản xuất, gây hao hụt trữ lượng đạm cần thiết đối với cây trồng, hao hụt trữ lượng ỏ kim loại trong đất

Bên cạnh đó, vi sinh vật còn có những tác động tích cực:

+ Tham gia vào quá trình tuần hoàn vật chất trên hành tinh

+ Nhân tố khởi đầu trong chuỗi thức ăn

+ Sử dụng rộng rãi trong sản xuất một số hợp chất hóa học mà khó có thể tổng hợp bằng con đường tổng hợp

+ Sản xuất các nguồn protid, acid amin, glucid…để dùng làm thức ăn trong chăn nuôi

+ Trong y học vi sinh vật còn được dùng để sản xuất các vacxin phòng bệnh,chất kháng sinh.+ Trong trồng trọt, vi sinh vật cố định đạm dùng để sản xuất các chế phẩm phân vi sinh, chế phẩm diệt côn trùng, thuốc kích tố tăng trưởng cho cây trồng

+ Trong chế biến và bảo quản thực phẩm dùng vi khuẩn để tổng hợp acid glutamid, dùng trong sản xuất bột ngọt, sản xuất các loại rượu bia, nước giải khát thông qua quá trình lên men rượu , bột nổi thông qua quá trình sản xuất sinh khối nấm men, ứng dụng quá trình lên men lactic để sản xuất sữa chua, bơ, bảo quản rau quả…sản xuất các sản phẩm lên men cổ truyền như chế biến tương chao…

+ Trong nuôi trồng thủy sản: thanh lọc nước thải, tái sử dụng nước thải, sản xuất biogas từ phân chuồng nhờ hoạt động của vi sinh vật, tái sử dụng nước thải biogas để nuôi cấy tảo, vi sinh vật quang hợp ở trong nước cố định được khí CO2, tổng hợp thành chất hữu cơ, làm nguồn thức ăn cung cấp cho vi sinh vật thủy sinh

+ Trong lĩnh vực địa chất người ta nghiên cứu sự hiện diện của cá vi sinh vật chỉ thị dự đoán trong quá trình điều tra quặng mỏ

+ Trong nghiên cứu khoa học: vi sinh vật là đối tượng tốt để nghiên cứu về vấn đề di truyền và sinh lý tế bào, do chúng sinh sản nhanh chóng, chu kì đời sống ngắn, dễ theo dõi qua các dòng đời

Chúng ta sẽ đi tìm hiểu về một số ứng dụng cơ bản và gần gũi nhất của vi sinh vật

II Ứng dụng của vi sinh vật trong các lĩnh vực

1 Xử lý hiếu khí nước thải, kỵ khí và bùn hoạt tính

Trong nước thải tồn tại rất nhiều vi sinh vật bởi vì trong nước thải không chứa các chất độc đối với vi sinh vật.Quá trình xử lý sinh học thường theo sau quá trình xử lý cơ học để loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của các vi sinh vật

Vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải

• Vi sinh vật là những sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ bao gồm cả virus, vi khuẩn, archaea,

vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh

• Vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn sẽ góp phần vào 3 quá trình, bao gồm sự loại bỏ BOD carbon,

sự đông tụ các hạt keo lơ lửng và sự ổn định chất hữu cơ một cách hoàn chỉnh

• Vi sinh vật sẽ chuyển hóa vật chất hữu cơ dạng keo hòa tan thành khí và sinh khối tế bào -> sinh khối tế bào sẽ được loại bỏ khỏi nước thải qua quá trình lắng

a, Xử lý hiếm khí

l Quá trình phân hủy kị khí là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí

có thể biểu diễn đơn giản sau:

Chất hữu cơ → CH4 + CO2 + NH3 + H2S +TB mới

l Quá trình sinh học kỵ khí để xử lý nước thải ô nhiễm nặng với hàm lượng COD và BOD hàng ngàn mg/l Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm việc để biến đổi các chất ô nhiễmhữu cơ thành khí sinh học

• Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau:

Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia qua trình kỵ khí thành:

• Quá trình xử lý kỵ khí dính bám: như quá trình lọc kỵ khí

• Quá trình xử lý kỵ khí lơ lửng: như quá trình tiếp xúc kỵ khí, bể UASB

Quá trình này có thể chia theo 4 giai đoạn:

• Giai đoạn 1

Thủy phân : giai đoạn phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp thành những đơn phân hòa tan

Vi khuẩn E.Coli

Vi khuẩn B.subtilus

• Không tốn chi phí năng lượng.

• Quá trình kỵ khí sản sinh ra khí metan, là nguồn năng lượng dùng để đốt hoặc cung cấp

nhiệt

• Quá trình kỵ khí xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm cao

• Bể phản ứng kỵ khí có thể hoạt động ở chế độ tải trọng cao.

• Lượng bùn sinh ra ít hơn bể hiếu khí

Nhược điểm :

• Quá trình kỵ khí diễn ra chậm hơn hiếu khí

• Nhạy cảm hơn trong việc phân hủy các chất độc

• Quá trình khởi động cần nhiều thời gian

• Xem xét khía cạnh phân hủy sinh học thì quá trình kỵ khí đòi hỏi nồng độ cơ chất ban đầu tương đối cao

b, Xử lý hiếu khí

• Là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục cho chúng và duy trì ở 20÷40 0C

• Khi nước thải tiếp xúc với bùn hoạt tính, các chất thải có trong môi trường như các chất hữu

cơ hòa tan, các chất keo và phân tử nhỏ sẽ được chuyển hóa bằng cách hấp phụ và keo tụ sinh học trên bề mặt các tế bào vi sinh vật

Gồm 3 quá trình:

Phân loại

Các vi sinh vật sử lí hiếu khí

Ưu điểm và nhược điểm

• Ưu: Làm sạch nước thải chứa các chất bẩn hữu cơ dạng hòa tan và dạng keo

• Nhược: chỉ xử lý được nước thải có mức độ ô nhiễm thấp, chi phí vận hành cho xử lý cao (tiền điện và hóa chất bổ sung), tính ổn định của hệ thống không cao, tạo ra nhiều bùn thải

c, Bùn hoạt tính

Là quá trình xử lý sinh học nước thải trong đó vi sinh vật tăng sinh.

Tế bào vi sinh tạo thành những bông được lắng ở bể lắng

Vi sinh vật trong bể bùn hoạt tính

šVi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải

š Vi khuẩn hiếu khí và kị khí sử dụng chất hữu cơ để lấy năng lượng

Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt sinh vật.

2 Ứng dụng của vi sing vật trong y tế

- Khoa học phát triển, vi sinh vật ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực y tế

- Nhờ VSV con người đã tổng hợp thành công nhiều loại chế phẩm như: Vacxin, kháng sinh, hoocmon,… giúp phòng, điều trị bệnh cho người

- Tuy VSV có nhiều ứng dụng to lớn trong y tế nhưng chúng cũng là những nguyên nhân gây nên những căn bệnh hiểm nghèo mà ngày nay chúng ta vẫn đang tìm cách chữa trị

Các chế phẩm:

- Insulin: chữa bệnh tiểu đường

- Hormon tăng trưởng GH: chữa bệnh lùn ở người, cải thiện chiều cao cho trẻ em

- Kháng sinh Penicillin: được chiết xuất từ nấm Penicillium, điều trị nhiều loại bệnh do nhiễm khuẩn

- Vacxin phòng bệnh dại (Fuenlazida): sản xuất từ mô não động vật (chuột, bò…), chữa bệnh dại ở động vật và người

- Vacxin phòng bệnh sởi, quai bị và sởi Rubella (MMR)

- Vacxin ngừa khuẩn cầu phổi (PCV)

- Theo hiệu lực miễn dịch có 3 loại:

+ Văcxin đơn giá

+ Văcxin đa giá

• Văc xin vi sinh vật sống

• Văc xin giải độc tố

• Văc xin đơn giá

• Văcxin hấp phụ

• Văc xin đa giá

Nguyên tắc sử dụng:

- Phải dùng rộng rãi

- Đối tượng dùng văcxin

- Thời gian cần tiêm chủng

Phương pháp dùng văcxin

+ Tiêm dưới da

+ Tiêm trong da

Phương pháp sản xuất vacxin:

* Phương pháp truyền thống:

+ Văcxin giảm động lực: văcxin bại liệt Sabin V(OPV)

+ Vacxin bất hoạt: vacxin bại liệt Salk (IPV)

+ Vacxin dưới đơn vị: HBsAg của virus viêm gan B, hemaglutinin của virus cúm

+ Vacxin giải độc tố

+ Vacxin kháng kháng thể idiotyp

* Vacxin tổng hợp:

+ Vacxin sống giảm động lực sản xuất bằng kỹ thuật di truyền

+ Vacxin chứa kháng nguyên sản xuất bằng phương pháp tái tổ hợp: Vacxin viêm gan B, Vacxin lỡ mồm long móng

+Vacxin vector: Vacxin sống tái tổ hợp, Vacxin ADN

Một số vacxin mới đang nghiên cứu:

- Là những chất hữu cơ được bài tiết với một lượng rất nhỏ bởi tế bào, một mô hoặc

tuyến đặc biệt, được đổ trực tiếp vào tuần hoàn máu, tới tế bào nhận

- Một số hormon tác dụng lên một loại tế bào nhận, tạo ra những tác dụng đặc hiệu

- Có 4 loại:

- Hormon protein: insulin

- Hormon amin: adrenalin (tuyến thượng thận), hyroxin (tuyến giáp)

- Hormon steroid: testosteron, estrogene

- Hormon eicosanoid: thromboxan, protaglandin

Cơ chế tác dụng của hormon

- Các hormon tiết ra từ tế bào tuyến nội tiết theo máu tác động lên tế bào đích

- Ở tế bào đích có 3 giai đoạn kế tiếp xảy ra:

+ Hormon được nhận biết bởi receptor đặc hiệu trên màng tế bào đích

+ Phức hợp hormon – receptor hình thành kết hợp với một cơ chế sinh tín hiệu

+ Tín hiệu sinh ra gây tác động đến quá trình nội bào: thay đổi hoạt tính, nồng độ các enzym, thay đổi tính thấm màng tế bào, gây tiết các hormon ở tuyến khác…

Quy trình sản xuất Insulin bằng E Coli:

- Chuẩn bị đoạn oligonucleotid mã hoá cho insulin

- Chuẩn bị vector

- Dùng enzym hạn chế cắt plasmide và nối đoạn gene mã hoá cho insulin để tạo vector tái

tổ hợp

- Chuyển vector tái tổ hợp vào vi khuẩn E.coli

- Nuôi cấy E.coli trong môi trường thích hợp

- Tách chiết và thu nhận sản phẩm là 2 polypeptid A và B riêng

- Trộn 2 loại peptid lại với nhau và xử lí bằng phương pháp hoá học hay enzym để tạo cầu disunfua

- Kiểm tra chất lượng sản phẩm

Sản xuất hoomon tăng trưởng GH:

- Là một hormon do tuyến yên tiết ra, thúc đẩy sự phát triển của cơ thể bằng cách tác động lên sụn và xương, tham gia vào qúa trình chuyển hoá protein, tăng tổng hợp protein ở cơ,

chuyển hoá lipid…Khi thiếu thì sẽ gây bệnh lùn trước tuổi dậy thì

- Quy trình sản xuất GRF (Yếu tố giải phóng hormon sinh trưởng) bằng kỹ thuật ADN tái tổ hợp cũng bao gồm các bước chính tương tự như đối với insulin

ƯU ĐIỂM:

- Tổng hợp được với số lượng lớn

- Sản phẩm có độ tinh khiết cao, loại trừ triệt để nguy cơ nhiễm các tác nhân truyền bệnh từ virut, prion

- VD: Hormon tăng trưởng dùng để chữa cho người bị chứng lùn do tuyến yên, trước đây phải chiết từ tuyến yên người chết Trong nhiều năm sản phẩm nay được dùng ở nhiều nước cho tới một ngày người ta phát hiện ở một số bệnh nhân đã được điêù trị từ 10-15 năm trước xuất hiện bệnh não xốp chết người do tác nhân gây bệnh là prion

- Là loại thuốc đặc biệt, ngăn chặn hoặc tiêu diệt sự phát triển của vi khuẩn hoặc các vi sinh vật có mầm bệnh, được sử dụng trong việc điều trị nhiều căn bệnh

- Vai trò & ứng dụng:

+ Kháng sinh tại chỗ điều trị nhiễm khuẩn bề mặt da

+ Kháng sinh dự phòng trong phẫu thuật, phòng nhiễm khuẩn sau mổ

- Cơ chế tác dụng của kháng sinh:

+ Kháng sinh tác động đến sự tổng hợp của thành vi khuẩn

+ Kháng sinh tác động lên màng bào tương

+ Kháng sinh ức chế tổng hợp protein

+ Kháng sinh ức chế tổng hợp acid nucleic

Cơ chế tác động của thuốc kháng sinh

-Vitamin là những chất thiết yếu cho cuộc sống và điều hòa sự trao đổi chất trong cơ thể, can thiệp vào quá trình sản sinh và kiểm soát năng lượng cũng như là tăng trưởng tế bào

và phát triển các mô trong cơ thể

- Theo chức năng, có 2 loại Vitamin:

+Vitamin tan trong nước: tham gia vào các quá trình giải phóng năng lượng (oxi hóa khử, phân hủy hợp chất hữu cơ)

+Vitamin tan trong dầu: tham gia phản ứng tạo nên các chất cấu tạo nên các mô, các cơ quan

Sản xuất Vitamin:

Ví dụ quy trình sản xuất Vitamin B12:

- Tại các nhà máy sản xuất dược phẩm, vi khuẩn trên được nuôi trong những thùng lên men khổng lồ, nhiệt độ môi trường luôn luôn đảm bảo ở độ ấm 30oC

- Sau 5 - 7 ngày số vi khuẩn trên sinh sôi nảy nở rất nhanh, lúc này chỉ việc cho dịch lên men qua máy li tâm siêu tốc là có thể tách riêng nước và xác vi khuẩn

- Qua một công đoạn nữa là chiết rút sẽ thu được vitamin B12

- Men tiêu hóa là một hỗn hợp các enzym khác nhau có tác dụng xúc tác sinh học cho hầu hết các phản ứng chuyển hóa thức ăn xảy ra trong cơ thể sống

- Men vi sinh là một số loại vi khuẩn có ích đối với cơ thể con người Bình thường

chúng sống trong ruột, có tác dụng cạnh tranh không cho những vi khuẩn gây bệnh phát triển Chế phẩm: Men tiêu hoá T-pepsin, Cốm vi sinh biobaby

Hạn chế:

- Nếu dùng thuốc này quá 10 ngày, cơ thể thừa men thì tụy sẽ tự động ngừng tiết ra men tiêu hóa Tụy không hoạt động lâu dài sẽ dẫn đến suy tụy, thiểu năng tuyến tụy, cơ thể không được bảo vệ dễ sinh nhiễm trùng

f) Kỹ thuật di truyền:

- Là kỹ thuật thao tác trên vật liệu di truyền dựa trên những hiểu biết về cấu trúc hóa học của ADN và di truyền vi sinh vật

*Các bước trong tạo dòng phân tử

- Nối vector và đoạn ADN ngoại lai cần được tạo dòng trong ống nghiệm để tạo ADN tái tổ hợp nhờ sự xúc tác của enzym ligase

- Biến nạp ADN tái tổ hợp vào một dòng tế bào chủ Chọn lọc thể biến nạp trên môi trường agar trong đĩa petri có chất kháng sinh.

- Tách dòng ADN tái tổ hợp

- Vi sinh vật là một thực thể sống nhưng không nhìn thấy bằng mắt thường

- Cơ thể vi sinh vật dễ bị biến đổi kiểu gien

- Vi sinh vật có tốc độ phát sinh, phát triển rất nhanh

• Một số nhóm VSV gây bệnh:

* Tác dụng phụ do vacxin:

-Văcxin ngừa bại liệt gây sốt bại liệt (tỷ lệ 1/5-1/8 triệu)

-Văcxin ngừa sởi + quai bị gây phát ban, sốt nhẹ viêm não,

-Văcxin ngừa lao gây viêm hạch mủ

* Tác dụng phụ do kháng sinh:

- Dị ứng: nổi mề đay, ban đỏ, nặng có thể đưa đến sốc phản vệ gây chết người

- Nhiễm độc các cơ quan: như độc đối gan, thận,các tế bào máu ,

- Loạn khuẩn đường ruột đưa đến tiêu chảy: đây là tác dụng phụ thường gặp

* Tác dụng phụ của Hoocmon:

- Bị nhiễm khuẩn và viêm tại chỗ đặt kim tiêm

- Tiêm insulin và bơm insulin đều gây biến chứng ngoài da

- Khảo sát 50 bệnh nhân tiểu đường týp 1 từng sử dụng bơm insulin trên 6 tháng 94% bệnh nhân có sẹo đường kính dưới 3mm, 2/3 bị sưng, gần 2/3 có tổn thương dưới da, 42% bệnh nhân có u mỡ dưới da

PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CÁC LOẠI CHẾ PHẨM TRONG Y TẾ THẾ NÀO LÀ THÍCHHỢP ?

- Để tiêm vacxin hiệu quả, cần tuân thủ nguyên tắc ''tiêm sớm, đúng lịch, đủ mũi''

- Bệnh nhân đái tháo đường điều trị bằng Isulin tác dụng chậm có thể bị hạ đường huyết trongđêm, do vậy nên ăn thêm bữa phụ trước khi đi ngủ

- Sử dụng kháng sinh, chỉ sử dụng kháng sinh khi thật sự bị bệnh nhiễm khuẩn, phải dùng đủ liều lượng và đủ thời gian, việc dùng thuốc kháng sinh hợp lý mới có tác dụng nếu không nó

có tác dụng ngược lại

Virus cúm