BÀI 20. THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT VÀ ỨNG DỤNG CỦA VI SINH VẬT
I. Công nghệ vi sinh vật và một số ứng dụng vi sinh vật trong thực tiễn
1. Công nghệ vi sinh vật
1.1. Khái niệm
Là ngành khoa học nghiên cứu và ứng dụng các vi sinh vật trong công nghiệp để sản xuất các sản phẩm phục vụ đời sống con người.
1.2. Đặc điểm
Công nghệ vi sinh vật đang tập trung khai thác khả năng sinh trưởng và sinh sản nhanh của vi sinh vật.
2. Cơ sở khoa học của việc ứng dụng vi sinh vật trong thực tiễn
Cơ sở khoa học của việc ứng dụng vi sinh vật trong thực tiễn:
- Khả năng phân giải và tổng hợp các chất hữu cơ của vi sinh vật.
- Tốc độ sinh trưởng và sinh sản nhanh.
- Dễ dàng phát sinh biến dị dưới tác động của các tác nhân đột biến.
3. Một số ứng dụng của vi sinh vật trong thực tiễn
3.1. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe cộng đồng
- Nhiều chất có hoạt tính sinh học (kháng sinh, enzyme, các chất kích thích hoặc ức chế sinh trưởng,...) được sản xuất từ vi sinh vật dùng làm thuốc.
- Sử dụng vi sinh vật để sản xuất sinh khối làm chế phẩm hỗ trợ sức khỏe cho con người:
+ Sinh khối vi khuẩn Lactobacillus casei, Lactobacillus plantarum, Bifidobacterium bifidum,... dùng làm men vi sinh giúp tăng cường hệ miễn dịch và cân bằng hệ vi sinh vật đường đường ruột,...
+ Sinh khối của một số vi tảo được dùng để bồi bổ sức khỏe, chống lão hóa, làm đẹp da,...
3.2. Ứng dụng trong nông nghiệp
- Sản xuất thuốc trừ sâu sinh học: Nhiều vi sinh vật được sử dụng làm chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học giúp ức chế hoặc tiêu diệt một số sinh vật gây hại cho cây trồng. Ví dụ: nấm Metarizum sp., Bovaria sp., vi khuẩn Bacillus thuringiensis,...
- Sản xuất phân bón sinh học: một số vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong phân giải lân khó tan trong đất, tăng cường cố định đạm, hỗ trợ và kích thích sinh trưởng bộ rễ cây trồng như nấm Microrrhizae, vi khuẩn Rhizobium được ứng dụng trong các chế phẩm phân vi sinh sử dụng cho cây trồng.
3.3. Ứng dụng trong công nghiệp
- Các enzyme, các acid hữu cơ, các chất ức chế sinh trưởng do vi sinh vật tạo ra được sử dụng trong công nghiệp giấy, dệt nhuộm, giặt tẩy, thuộc da,...
- Nấm men được sử dụng trong công nghiệp sản xuất ethanol sinh học.
- Một số vi khuẩn (vi khuẩn lactic, vi khuẩn acetic) được sử dụng để sản xuất các acid hữu cơ trong công nghiệp hóa chất.
3.4. Ứng dụng trong bảo vệ môi trường
Vi sinh vật được sử dụng trong các quy trình xử lí rác thải và nước thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp:
- Nhiều chế phẩm vi sinh vật hữu hiệu (chế phẩm EM) đã được sản xuất, ứng dụng trong chuyển hóa rác thải hữu cơ thành phân bón hữu cơ, khí sinh học (biogas) và xử lí rác thải dạng rắn, nước thải dạng lỏng.
- Một số vi sinh vật hoặc chế phẩm enzyme sản xuất từ vi sinh vật được sử dụng trong quy trình xử lí khí thải.
3.5. Ứng dụng trong chế biến và bảo quản thực phẩm
- Các enzyme từ vi sinh vật được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm.
Ví dụ: Enzyme amylase được dùng trong chế biến bánh kẹo, protease được dùng trong chế phẩm làm mềm thịt,...
- Sinh khối của một số vi sinh vật được sử dụng trực tiếp để lên men.
Ví dụ: Nấm men được sử dụng trong sản xuất nước hoa quả lên men, bia, rượu và làm men bánh mì; một số vi khuẩn được sử dụng trong các quy trình chế biến sữa, làm phô mai, làm nước mắm, nước tương;...
- Lactic acid, acetic acid, ethanol và một số chất ức chế sinh trưởng (bacteriocin, diacetyl,...) do vi sinh vật sinh ra được dùng như các chất bảo quản trong chế biến thực phẩm.
II. Thành tựu của công nghệ vi sinh vật và ứng dụng của vi sinh vật
1. Một số thành tựu của công nghệ vi sinh vật
- Vi sinh vật được sử dụng như các “nhà máy” sản xuất các chế phẩm sinh học như protein, kháng sinh, nhiên liệu sinh học,...:
+ Sử dụng vi khuẩn Escherichia coli trong sản xuất insulin để điều trị bệnh tiểu đường.
+ Sử dụng vi khuẩn Corynebacterium glutamicum trong sản xuất mì chính.
+ Sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae trong sản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu sinh học và sản xuất protein đơn bào làm thức ăn bổ sung.
+ Sử dụng nấm mốc Aspergillus niger trong sản xuất một số enzyme như amylase, protease để bổ sung vào thức ăn chăn nuôi.
+ Trên 90% các chất kháng sinh tự nhiên được sản xuất từ vi sinh vật, đặc biệt là từ xạ khuẩn và nấm (VD: kháng sinh penicillin được chiết xuất từ nấm Penicillium rubens, Penicillium chrysogenum; kháng sinh streptomycin được sản xuất từ xạ khuẩn Streptomyces griseus).
- Vi sinh vật còn được dùng để nhân nhanh các đoạn DNA tái tổ hợp trong các vector plasmid của vi khuẩn, sản xuất các đoạn DNA hoặc RNA làm vaccine thế hệ mới,...
- Nhóm vi sinh vật sống trong các điều kiện khắc nghiệt còn là nguồn cung cấp các chất có hoạt tính sinh học đặc biệt, phục vụ cho các ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp và nghiên cứu công nghệ sinh học:
+ Các enzyme thủy phân tinh bột, lipid của các vi khuẩn ưa kiềm, chịu nhiệt được dùng trong công nghiệp giặt tẩy do các enzyme này có độ bền cao trong môi trường kiềm và nhiệt độ cao của quy trình giặt tẩy.
+ Enzyme Taq – polymerase của vi khuẩn ưa nhiệt Thermus aquaticus phân lập từ suối nước nóng, được dùng trong phản ứng PCR nhân đoạn DNA trong nghiên cứu công nghệ sinh học hoặc chẩn đoán bệnh nhờ khả năng bền ở nhiệt độ 90 – 99°C.
2. Ngành nghề liên quan đến công nghệ vi sinh vật và triển vọng của công nghệ vi sinh vật
2.1. Một số ngành nghề liên quan đến công nghệ vi sinh vật và triển vọng
| CÁC NGÀNH NGHỀ LIÊN QUAN ĐẾN CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT | Y học | Xét nghiệm vi sinh, điều tra dịch tễ,... |
|---|---|---|
| Dược học | Sản xuất vaccine, enzyme, kháng sinh, kháng thể,... | |
| Môi trường | Xử lí chất thải rắn, nước thải, khí thải,... | |
| Trồng trọt | Sản xuất phân bón vi sinh, thuốc trừ sâu sinh học,... | |
| Thực phẩm | Sản xuất các sản phẩm lên men (phomat, nước mắm, nước tương,...) | |
| Chăn nuôi | Sản xuất men vi sinh, chất phụ gia cho thức ăn, thuốc chữa bệnh,... | |
| Nghiên cứu | Cải tiến quy trình sản xuất, tạo hoặc cải tiến giống vi sinh vật,... | |
| Quản lí | Quản lí dự án, quản lí doanh nghiệp, quản lí cơ quan nhà nước,... |
Trong tương lai, do sự mở rộng ứng dụng của công nghệ vi sinh vật vào các lĩnh vực của đời sống, các vị trí việc làm liên quan đến công nghệ vi sinh vật như kĩ sư, kĩ thuật viên, nghiên cứu viên trong các lĩnh vực đó ngày càng phát triển.
| STT | Vị trí việc làm | Cơ quan, đơn vị làm việc | Các kiến thức, kĩ năng cần có |
|---|---|---|---|
| 1 | Kĩ thuật viên phân tích vi sinh vật gây bệnh | Phòng phân tích vi sinh vật của các cơ sở y tế | Có các kiến thức về đặc điểm của các vi sinh vật gây bệnh và các kĩ năng trong chẩn đoán vi sinh vật như phân lập, cấy truyền, nghiên cứu hình thái, nghiên cứu hóa sinh,... |
| 2 | Kĩ sư thực phẩm | Phòng nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp, đơn vị chế biến lương thực, thực phẩm hoặc phòng quản lí vệ sinh an toàn thực phẩm của Bộ Y tế, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn,... | Có kiến thức về hóa sinh học; vệ sinh an toàn thực phẩm; nắm rõ quy trình phân tích, đánh giá chất lượng thực phẩm và các kĩ năng như tư duy sáng tạo, phân tích, nghiên cứu,... |
| 3 | Chuyên viên hoặc chuyên gia công nghệ vi sinh vật | Các bộ và sở: Khoa học và Công nghệ, Tài nguyên và Môi trường, Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Công thương | Có kiến thức chuyên sâu và kĩ năng thực hành thuộc các chuyên ngành sâu của Vi sinh vật học và nghiên cứu ứng dụng chúng trong nông nghiệp, chăn nuôi thủy sản, môi trường, y học,... |
2.2. Triển vọng của ngành Công nghệ vi sinh vật
- Công nghệ vi sinh vật trong tương lai là ngành công nghệ giao thoa của nhiều ngành khác nhau: công nghệ gene, tin sinh học, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo.
- Hướng phát triển của công nghệ vi sinh vật trong tương lai:
- Chỉnh sửa, tạo đột biến định hướng các gene trong tế bào vi sinh vật, tạo giống vi sinh vật bằng công nghệ DNA tái tổ hợp, tạo đột biến định hướng, chỉnh sửa gene, phân lập gene; bảo quản giống vi sinh vật bằng công nghệ làm lạnh sâu.
- Tìm kiếm và khai thác các nguồn gene vi sinh vật: sử dụng công nghệ chuyển gene để sản xuất các chế phẩm sinh học; sử dụng công nghệ vi sinh vật Microbiome trong sản xuất mĩ phẩm bảo vệ da.
- Thiết lập các hệ thống lên men lớn, tự động, liên tục và đồng bộ với công nghệ thu hồi, ứng dụng công nghệ 4.0 trong kiểm soát, điều khiển quá trình lên men, tự động hoá trong các khâu. Thu hồi và tạo sản phẩm bằng công nghệ lọc tiếp tuyến; li tâm liên tục, siêu li tâm, công nghệ sấy phun, công nghệ tạo vi nang,...
- Xây dựng các giải pháp phân tích vi sinh vật tự động trong công nghiệp, nông nghiệp và xử lí môi trường: sản xuất pin nhiên liệu vi sinh vật (microbial fuel cell) để làm chỉ thị đánh giá nhanh nước thải; sử dụng công nghệ Nano Bioreactor để xử lí nước thải.
