Bài giảng công nghệ sinh học đại cương chương 5 công nghệ sinh học vi sinh và môi trường

Khái niệm về CNSH vi sinh• CNSH vi sinh hay vi sinh vật học công nghiệp bao gồm sự sử dụng các vi sinh vật trong việc sản xuất thựuc phẩm hay các sản phẩmcông nghiệp... Nguyễn Thị Phương

Trang 1

CHƯƠNG V.

CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI

SINH & MÔI TRƯỜNG

Trang 2

Khái niệm về CNSH vi sinh

• CNSH vi sinh hay vi sinh vật học công

nghiệp bao gồm sự sử dụng các vi sinh vật trong việc sản xuất thựuc phẩm hay các sản phẩmcông nghiệp.

Trang 3

Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa

CNSH, ĐHNNHN

3

KHÁI NiỆM CNSHSHMT

Trang 4

Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH,

ĐHNNHN

4

Trang 5

ĐỊNH NGHĨA

CNSH, ĐHNNHN

5

Trang 6

(Bacteria) Archaebacteria (Archaea) (Eukaryotes) Eukaryota

Vi sinh vật thuộc 3 nhóm

Trang 7

Vi khuẩn (Eubacteria)

• Là các prokaryote Gram-negative và gram-positive

• có thể dạng tự dưỡng (autotrophs) hoặc dị dưỡng(heterotrophs)

• Có thể sống hiếu khí hoặc yếm khí (aerobic or

anaerobic)

• Ví dụ:

E coli Lactobacillus Agrobacterium Staphylococcus

Trang 8

Vi khuẩn cổ (Archea)

• Thuộc nhóm cổ xưa nhưng mới được phát hiện gần đây

• Qua phân tích DNA: khác đáng kể so với vi khuẩn thật

• Tìm thấy ở những khu vực sinh thái có điều kiện sống khắc nghiệt (Extremophiles)

Thermophiles 50- 110°CPsychrophiles 0- 20°CAlkaliphiles pH>9

Halophiles 3- 20% saltMethanogens use H2 + CO2 to produce CH4

Trang 11

Lên men (Fermentation) là một quá trình sản xuất các sản phẩm hữu ích thông qua nuôi cấy sinh khối các tế bào đơn

Sản phẩm cuối cùng hoặc các sản phẩm trung gian (các chất trao đổi) được thu hồi và tính sạch cho các mục đích sử dụng thương mại

stirred tank reactor

Fermenter or

Bioreactor

Trang 12

http://www.wavebiotech.com/products/wave_bioreactor/system500/index.html http://www.pharmaceutical-technology.com/projects/lonza/lonza1.html

15 000L Fermenter 1000L Disposable

Bag

Trang 14

Enzyme: chymosin - the enzyme used

to curdle milk products

Hormone: bST - bovine somatotropin; used to increase milk production

Các ví dụ về các protein biểu hiện ở vi khuẩn

Trang 15

1928: Alexander Fleming

discovered the first antibiotic.

He observed that Penicillium

fungus made an antibiotic,

penicillin, that killed S aureus.

1940s: Penicillin was tested

clinically and mass produced.

Original Penicillium moulds produced less than 10 units of penicillin per ml of

fermentation broth (1943)

By 1955 Penicillium strains produced 8000 units/ml

Mutation with UV, mustard gas, and X-Ray, strain selection / culture improvement

Is this GMO?

Ví dụ

Trang 16

• Chọn lọc nhân tạo (Artifical Selection)

• DNA tái tổ hợp (Recombiant DNA)

• Cải biến các quá trình đồng hóa (Metabolic

Engineering)

Các vi sinh vật đƣợc biến đổi nhƣ thế nào?

Trang 17

Recombinant DNA Microbes

Vi sinh vật biến đổi gen được tạo ra khi cDNAs mã hóa cho các sản phẩm protein được nhân dòng vào các vector biểu

Gen người được nhân dòng trong vi khuẩn E coli Gen từ nhóm extremophile được chuyển đến nhóm mesophiles

Do sự dễ dàng trong việc nuôi của mesophiles

Mesophiles cũng có mức tăng trưởng 5 đến 10 lần cao hơn

Trang 18

Enzyme/Drug

Trang 19

Metabolic Engineering,

Metabolically Engineered Cell

Cheap Carbon Source Industrial Chemicals

Chemical Precursors

Biopolymer s

Vitamins Amino Acids

Biến đổi quá trình đồng hóa, biến đổi các con đường chuyển hóa ở trong sinh vật để tối ưu sự sản xuất một hợp chất

Thực hiện bằng cách tắt các gen đặc biệt, hoặc là thông qua đột biến hoặc loại bỏ gen

Sản phẩm cũng đã đạt được bằng cách thay đổi môi trường của vi khuẩn

Trang 20

NAD + NADH

NADH NAD +

Trang 21

Carotenoid production in E.coli cells

Trang 22

CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN

Enzymes

Trang 23

1 2004 data

Enzym, sản phẩm phổ biến nhất đƣợc sản xuất bởi vi khuẩn

Tổng giá trị của các enzyme công nghiệp là khoảng $ 2,0 billion Chúng đƣợc tìm thấy trong nhiều đồ gia dụng mà bạn không

bao giờ nghĩ rằng chúng có một thành phần công nghệ sinh học

Trang 24

Enzyme Name GE Organism Use (examples)

-acetolactate bacteria Removes bitter substances

 -amylase bacteria Converts starch to simple sugar Catalase fungi Reduces food deterioration

Chymosin bacteria or fungi Clots casein to make cheese

-glucanase bacteria Improves beer filtration

Glucose isomerase bacteria Converts glucose to fructose Glucose oxidase fungi Reduces food deterioration

Maltogenic amylase bacteria Slows staling of breads

Pectinesterase fungi Improves fruit juice clarity

Protease bacteria Improves bread dough

structure xylanase (hemicellulase) bacteria or fungi Enhances rising of bread dough

http://www.geo-pie.cornell.edu/crops/enzymes.html

Trang 25

Detergent Enzymes

Trang 26

Chất tẩy rửa là những ứng dụng lớn nhất của các enzym công nghiệp

Theo truyền thống, đây là những lipolases, proteases & amylases

Một sự đổi mới gần đây là sự bổ sung của mannanase

Enzim này hỗ trợ việc loại bỏ vết bẩn kẹo cao su có chứa guar Các men này được thiết kế để cải thiện sự ổn định trong sự hiện diện của chất tẩy rửa, pH kiềm, và nước lạnh

Trang 27

Subtilisin, một protease đƣợc sử dụng trong bột giặt

Các protein tái tổ hợp đƣợc thiết kế để vẫn hoạt động với

sự hiện diện của thuốc tẩy

Thuốc tẩy gây ra sự oxy hóa acid amin một (methionine)

và các enzyme bị mất 90% hoạt động của nó

Bằng cách thay thế loại axít amin này với alanine, các

enzyme thiết kế đã không còn nhạy cảm với sự oxy hóa

Trang 28

Directed evolution is the most recent tool utilized in the

creation of new and better enzymes (& other proteins)

http://www.rsc.org/chemistryworld/Issues/2004/July/rational.asp

Trang 29

Subtilisin chức năng bình thường trong dung dịch nước

Đột biến đã được giới thiện ngẫu nhiên trên toàn cấu trúc

của enzyme

Chỉ 0,1-1% của các đột biến được lợi, nhưng

Hoạt động trong 60 dimethylformamide% đã được cải thiện

256-gấp

Trang 30

Enzymes dùng làm thực phẩm/

thức ăn gia súc

Trang 31

Các enzyme được dùng trong thức ăn động vật phân hủy cellulose (cellulase)

Sử dụng các enzyme (phytases) có khả năng phân hủy phytic acid Điều này cho phép sử dụng tốt hơn phốt pho trong thực vật

Cho phép bột xương để được loại bỏ từ nguồn thức ăn cung cấp

Thế hệ mới nhất của phytases được từ nấm và đã được thiết kế để tồn tại nhiệt độ cao sử dụng trong chế biến thực phẩm

65% gia cầm và 10% thức ăn của lợn có chứa enzym này

Trang 32

+ Từ tự nhiên ( quan trọng nhất)

+ con người tự thiết kế

Các nguồn gen hữu ích được lấy từ đâu?

Trang 33

Các dược phẩm tái tổ hợp (Recombinant Drugs)

Các kháng sinh thu nhận từ vi sinh vật

Các dược phẩm trị liệu có thể đuwocj sản xuất bằng cách đưa cácgen của người vào vi sinh vật

Trang 34

Năm 1982, FDA chấp thuận thuốc protein tái tổ hợp đầu tiên, insulin của người được sản xuất bởi E coli phát triển bởi Genentech

Ngày nay có> 75 loại thuốc protein tái tổ hợp chấp thuận của FDA với 100 sản phẩm mới đang được nghiên cứu

Hiện nay thị trường toàn cầu đối với thuốc protein tái tổ hợp là $ 47,4 billion (2006)

Trang 35

Product Microbe Purpose

Insulin E coli Diabetes treatment

Interleukin-2 E coli Cancer/immune system stimulant

Interferons E coli /yeast Cancer/virus treatments

Prourokinase E.coli /yeast Anticoagulant/heart attacks

CSF E coli /yeast Immune stimulant

Taxol E coli ovarian cancer

Trang 36

Các sản phẩm khác từ vi sinh vật

Fuels, Plastics, Medications

Trang 37

Sản xuất Ethanol

-Sản xuất nhờ lên men yếm khí bằng nấm men

-Tinh bột ngô đƣợc thủy phân thành glucose monomers

Trang 38

Ethanol chứa 76000BTU/gal

Cần ~ 98000BTU/gal để sản xuất từ đường ngô

Xăng chứa 112000BTU/gal

Chi phí 22000BTU/gal để trích xuất và tinh chế

Một BTU (đơn vị nhiệt Anh) được định nghĩa là lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một pound nước lên một độ Fahrenheit

2004 3400000000 gallon ethanol được sản xuất

Mỹ tiêu thụ 140.000.000.000 gallon xăng / năm

Vấn đề với Ethanol từ Ngô

Trang 39

Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn

CNSH Thực Vật, Khoa CNSH,

ĐHNNHN

39

Trang 40

ĐHNNHN

40

Trang 41

ĐHNNHN

41

Trang 42

ĐHNNHN

42

Trang 43

ĐHNNHN

43

Trang 44

ĐHNNHN

44

Trang 45

ĐHNNHN

45

Trang 46

Polyhydroxyalkanoate (PHA) là một polymer của một số vi

khuẩn như một cách để lưu trữ carbon

Lên đến 80% sinh khối của vi khuẩn là nhựa

PHA được bán để làm cho chai dầu gội đầu ở Đức, và dao cạo

dùng một lần tại Nhật Bản

Các vi khuẩn Pseudomonas putida chuyển đổi styrene thành

PHA

http://www2.unil.ch/ibpv/WWWPoirier/images/Fig1.jpg

Trang 48

Sử dụng vi khuẩn để biến đổi một hợp chất

Hữu ích khi nhiều bước tổng hợp hóa học là tốn kém hoặc không hiệu quả

Thường chuyển đổi vi sinh vật là kết hợp với hóa học truyền thống để giảm các bước cần thiết

Việc sử dụng phổ biến nhất của bioconversion là trong tổng hợp steroid như hormone &

corticosteroids

Trang 49

starting product

End products

Trang 50

Vi sinh vật và nông nghiệp

Trang 51

Các độc tố nhanh chóng phân hủy trong môi trường

Chúng không có độc tính đối với con người

Cry độc tố khác nhau về độc tính và đặc trưng của họ

Trang 52

http://www.bioc.cam.ac.uk/~dje1/

Trang 54

Vi khuẩn hỗ trợ khai thác mỏ đã được sử dụng hàng nghìn năm

nay

Những người thợ mỏ đồng đã sử dụng vi khuẩn để lọc lấy đồng từquặng mà không biết

Mỏ và chất thải quặng mỏ được khai thác sinh học

Sunphide của kim loại như kẽm, đồng, niken, coban, sắt, vonfram, chì không thể hòa tan trong nước

Các sulfua được chuyển đổi để sulfate được hòa tan

Các sulfat được lọc ra khỏi quặng và sau đó được chiết xuất

Biomining

Trang 55

Cu2S not soluble CuSO4 is soluble

Trang 56

Commercial Bioleaching Tanks

Trang 57

BIOREMEDIATION- Xứ lý sinh học môi trường/Sự bồi

hoàn sinh học

• sử dụng các sinh vật sống, thường là vi sinh vật, thực vật,

và sản phẩm sinh ra từ chúng hoặc kết hợp các yếu tố trên

để phân huỷ, khử độc hay cô lập các chất độc trong môi trường

Trang 59

XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI

SINH VẬT

BIOREMEDIATION & BIODEGRADATION

Trang 60

CÁC YÊU CẦU CỦA BIOREMEDIATION

MICROORGANISMS

ENERGY SOURCE ELECTRON ACCEPTOR MOISTURE pH

NUTRIENTS TEMPERATURE

ABSENCE OF

TOXICITY

REMOVAL OF METABOLITIES

ABSENCE OF COMPETITIVE ORGANISMS

BIOREMEDIATION

Trang 61

CNSH, ĐHNNHN

61

Khả năng khai thác các nguồn

vi sinh vật khác nhau

Trang 62

Sự phân hủy sinh

CH4.

• Khoáng hóa (Mineralization) – sự chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩn vô cơ

Trang 64

ĐHNNHN

64

NGUYÊN LÝ

Trang 65

ĐHNNHN

65

NGUYÊN LÝ

Trang 66

CNSH, ĐHNNHN

66

NGUYÊN LÝ

Trang 67

CNSH, ĐHNNHN

67

NGUYÊN LÝ

Trang 68

CNSH, ĐHNNHN

68

NGUYÊN LÝ

Trang 69

CNSH, ĐHNNHN

69

NGUYÊN LÝ

Trang 70

Bacteria degrade organic matter in sewage.

Bacteria degrade or detoxify pollutants such

as oil and mercury

Làm sạch dầu và chất thải

Trang 71

Vi khuẩn tiêu hóa hydrocacbon tìm thấy trên khắp môi trường Những vi sinh vật tự nhiên này được sử dụng trong thời gian làm sạch bờ biển

Phân bón được thêm vào để cung cấp dưỡng chất phốt pho và nitơ

Đây là phương pháp được sử dụng sau sự kiện Exxon Valdez Kích thích tốc độ phân hủy sinh học tự nhiên của 2 đến 5x

Hiện vẫn chưa có bất kỳ trường hợp khác nào được sử dụng trên một quy mô lớn

Trang 72

CNSH, ĐHNNHN

72

Ví dụ về xử lý ô nhiễm Cacbon: cơ chế đồng hóa

Trang 74

Ô nhiễm dầu

!!

+ The Exxon Valdez accident at Bligh Reef in

1989 discharged 40 million litres,polluting

1700 km of coastline ….

+1991 Persian Gulf:240 million gallons spilled

from oil terminals and tankers off the coast of

Prince William Sound, Alaska

Trang 75

Before After

Smaller scale cleanup is feasible

For 3 months nutrients and microbes were sprayed on this field

After 11 months the site was deemed clean

6000yards 3 petroleum conc Before 4000ppm After 100ppm

Trang 76

Before After

Xử lý chất thải sinh hoạt hoặc chất thải công nghiệp

Sử dụng khí để ôxy hóa cho phép các vi sinh vật hiếu khí để tiêu hóa chất thải rắn

Xử lýchất thải

Trang 77

140.000.000 tấn nhựa được sản xuất mỗi năm

chất dẻo truyền thống là rất ổn định và không phân hủy

Một số chất dẻo đã được thể hiện được phân huỷ sinh học

Chủng vi khuẩn đã được phân lập, chúng có khả năng phân hủy :

Polyurethane

Polyvinyl alcohol

Nylon-66

Các con đường phân hủy này hiện vẫn đang được nghiên cứu

Phân hủy chất thải nhựa

Plastic Degradation

Trang 78

PCBs có tính hòa tan nước thấp, đặc tính cách nhiệt tốt, điểm sôi cao và khả năng chống hóa chất

Sử dụng PCB nhiều nhất trong tụ điện, máy biến thế, và các chất làm dẻo

Xử lý ô nhiễm hóa chất Polychlorinated biphenyls (PCBs)

Trang 79

Năm 1977, Monsanto (nhà sản xuất chính) dừng tất cả các sản xuất PCB Hàng triệu lbs của PCBs vẫn còn có mặt khắp thế giới

Các tính chất ổn định đã làm PCBs nên hữu ích đã cho phép chúng tồn tại bền vững trong môi trường

Hầu hết mọi người ở các nước công nghiệp có PCBs trong mô của họ

Trang 80

Vi khuẩn dehalogenate PCBs đã được phân lập

Quá trình này được gọi là halorespiration

Liên quan đến việc thay thế các Cl với

OH-Quá trình này gồm nhiều bước với bốn enzyme cần thiết

Các enzyme này hiện là mục tiêu của kỹ thuật protein nhằm tối ưu hiệu suất của chúng

Trang 81

Chế biến Uranium đã làm ô nhiễm nước ngầm trên khắp Hoa Kỳ và thế giới

Phương pháp truyền thống " bơm và điều trị“ mất hàng thập kỷ và công nhân

bị tiếp xúc với mức độc hại của uranium

Geobacter để chuyển đổi uranium hòa tan thành uraninite không tan

Uraninite vẫn ở dạng không hòa tan vào nguồn nước hoặc tưới tiêu

Các vi khuẩn được khuyến khích phân chia bằng cách tiêm acetate

Trong ~ 50 ngày, 70% uranium được chuyển đổi thành uraninite

LÀM SẠCH Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG

Trang 82

ĐHNNHN

82

Xử lý ô nhiễm môi trường bằng thực

vật- phytoremediation

Trang 83

ĐHNNHN

83

Trang 84

ĐHNNHN

84

Trang 85

ĐHNNHN

85

Trang 86

ĐHNNHN

86

Trang 87

ĐHNNHN

87

Trang 88

ĐHNNHN

88

Trang 89

ĐHNNHN

89

Trang 90

ĐHNNHN

90

Trang 91

ĐHNNHN

91

Trang 92

ĐHNNHN

92

Trang 93

ĐHNNHN

93

Trang 94

ĐHNNHN

94

Trang 95

ĐHNNHN

95

Trang 96

ĐHNNHN

96

Trang 97

ĐHNNHN

97

Trang 98

ĐHNNHN

98

Trang 99

ĐHNNHN

99

Trang 101

ĐHNNHN

101

Trang 102

ĐHNNHN

102

Trang 103

Bioremediation: Thực vật chuyển gen

– poplars chuyển gen (cadmium and zinc) – Thử nghiệm đồng ruộng

– GMC (lead and cadmium) – nghiên cứu cơ bản

– geraniums chuyển gen (cadmium, lead, copper)

• Guelf University, Canada – thử nghiệm đồng ruộng thành công

– cottonwoods chuyển gen (mercury)

• Thử nghiệm đồng ruộng tại anbury, CT

Trang 104

ĐHNNHN

104

Trang 105

ĐHNNHN

105

Trang 106

ĐHNNHN

106

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	4,27 MB