Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Ứng dụng vi sinh vật trong đời sống và sản xuất
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em nêu được các nhóm ứng dụng chính của vi sinh vật — thực phẩm lên men, dược phẩm và enzyme công nghiệp, nông nghiệp và xử lí môi trường — và giải thích được cơ chế vi sinh học đứng sau ít nhất một sản phẩm lên men truyền thống của Việt Nam.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài trước học các yếu tố chi phối sinh trưởng và các biện pháp kiểm soát vi sinh vật (same-grade bridge). Lên men truyền thống — sữa chua, nước mắm, dưa muối, tương — thực chất là ứng dụng ngược lại của bài đó: thay vì ức chế mọi vi sinh vật, người làm chỉ cần kiểm soát đúng những yếu tố đã học (nhiệt độ, độ mặn, pH, oxygen) để nuôi đúng nhóm vi sinh vật có lợi, đồng thời ức chế nhóm gây hại.
Khởi động
Con cừu Dolly, sinh năm 1996 tại Viện Roslin (Scotland), là động vật có vú đầu tiên được nhân bản vô tính thành công từ tế bào của một con cừu trưởng thành — một thành tựu công nghệ tế bào nổi tiếng. Nhưng phần lớn ứng dụng vi sinh vật quanh em lại quen thuộc và bình dị hơn nhiều: hũ sữa chua trong tủ lạnh, chai nước mắm trên bàn ăn. Điều gì đang thực sự diễn ra bên trong chúng?
Kiến thức trọng tâm
Nhóm ứng dụng quen thuộc nhất là thực phẩm lên men, dựa trên việc nuôi có kiểm soát một hoặc vài loài vi sinh vật có lợi trong điều kiện thuận lợi cho chúng nhưng bất lợi cho vi sinh vật gây hỏng. Sữa chua lên men nhờ vi khuẩn lactic (Lactobacillus bulgaricus và Streptococcus thermophilus), chuyển đường lactose trong sữa thành acid lactic — vừa tạo vị chua đặc trưng, vừa làm giảm pH đủ để ức chế các vi khuẩn gây hỏng khác. Nước mắm lên men nhờ enzyme protease sẵn có trong nội tạng cá phối hợp với vi khuẩn ưa mặn, phân giải dần protein thịt cá thành các amino acid tạo nên vị đạm và hương thơm đặc trưng; nồng độ muối cao trong quá trình ướp chượp đồng thời ức chế các vi khuẩn gây thối mà bài trước đã học.
Ngoài thực phẩm, vi sinh vật còn là nguồn dược phẩm và enzyme công nghiệp. Kháng sinh đầu tiên được phát hiện — penicillin — do chính một loài nấm mốc, Penicillium, tiết ra để cạnh tranh sinh tồn với vi khuẩn xung quanh trong tự nhiên; con người đã khai thác lại chất đó để điều trị nhiễm khuẩn ở người. Nhiều loại enzyme công nghiệp — như amylase phân giải tinh bột, protease phân giải protein — cũng được sản xuất bằng cách nuôi vi sinh vật quy mô lớn rồi tách chiết enzyme chúng tiết ra, dùng trong công nghiệp thực phẩm và chất tẩy rửa.
Trong nông nghiệp và xử lí môi trường, một số vi khuẩn sống cộng sinh ở rễ cây họ đậu có khả năng cố định đạm — chuyển khí N2 trong khí quyển, cây không hấp thụ trực tiếp được, thành dạng hợp chất nitrogen cây sử dụng được; khai thác nhóm vi khuẩn này làm phân bón vi sinh giảm được lượng phân đạm hoá học cần bón. Trong hầm biogas, vi sinh vật kị khí phân giải chất thải hữu cơ (phân gia súc, rác thải nông nghiệp) sinh ra khí methane dùng làm chất đốt. Tại các trạm xử lí nước thải, vi sinh vật phân giải chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thành các chất vô cơ đơn giản, làm sạch nước trước khi thải ra môi trường.
Toàn bộ quy trình vừa khai thác enzyme và vi khuẩn có lợi, vừa dùng nồng độ muối cao để ức chế vi khuẩn gây thối — đúng nguyên tắc đã học ở bài trước.
Ví dụ
Xác định vi sinh vật và điều kiện lên men sữa chua
1
Quy trình làm sữa chua gồm: thanh trùng sữa ở khoảng 85°C, làm nguội xuống 40-45°C, cấy giống vi khuẩn lactic, ủ ấm 4-6 giờ ở 40-45°C, rồi làm lạnh bảo quản. Xác định vai trò của từng bước đối với vi sinh vật liên quan.
2
Thanh trùng ở 85°C dùng nhiệt độ cao để diệt các vi khuẩn tạp nhiễm sẵn có trong sữa tươi — theo cơ chế biến tính protein đã học — chuẩn bị một môi trường 'sạch' chỉ dành cho vi khuẩn lactic sắp được cấy vào.
3
Làm nguội xuống 40-45°C trước khi cấy giống là bắt buộc, vì nhiệt độ còn quá nóng sẽ tiêu diệt luôn cả vi khuẩn lactic vừa thêm vào — nhiệt độ này nằm trong khoảng tối ưu của vi khuẩn lactic ưa ấm.
4
Trong 4-6 giờ ủ ấm ở 40-45°C, vi khuẩn lactic ở pha log, phân chia nhanh và chuyển hoá đường lactose trong sữa thành acid lactic, làm giảm pH và đông tụ protein sữa, tạo nên kết cấu đặc trưng của sữa chua.
5
Vậy mỗi bước của quy trình đều nhắm đúng một mục tiêu vi sinh học: thanh trùng diệt tạp khuẩn, làm nguội bảo vệ giống vi khuẩn lactic sắp cấy, ủ ấm đúng nhiệt độ tối ưu để lên men nhanh, và làm lạnh sau cùng để ức chế tạm thời, ngừng quá trình lên men ở đúng độ chua mong muốn.
Ví dụ
So sánh ba nhóm ứng dụng vi sinh vật (dạng đề kiểm tra)
1
Xếp bốn ứng dụng sau vào đúng nhóm — thực phẩm lên men, dược phẩm/enzyme công nghiệp, hay nông nghiệp/môi trường — và giải thích: (1) vi khuẩn cố định đạm ở rễ cây họ đậu; (2) nấm mốc Penicillium tiết kháng sinh; (3) dưa muối lên men lactic; (4) vi sinh vật kị khí trong hầm biogas.
2
Vi khuẩn cố định đạm chuyển N2 khí quyển thành dạng cây hấp thụ được — phục vụ trực tiếp cho nông nghiệp; vi sinh vật kị khí trong hầm biogas phân giải chất thải hữu cơ sinh khí đốt — phục vụ xử lí môi trường và năng lượng. Cả hai đều thuộc nhóm nông nghiệp/môi trường.
3
Penicillium tiết ra chất kháng sinh penicillin, được con người khai thác làm thuốc điều trị nhiễm khuẩn — thuộc nhóm dược phẩm/enzyme công nghiệp.
4
Dưa muối lên men nhờ vi khuẩn lactic chuyển hoá đường trong rau thành acid lactic, tạo vị chua và bảo quản rau — thuộc nhóm thực phẩm lên men, cùng nhóm với sữa chua và nước mắm.
5
Vậy (1) và (4) thuộc nhóm nông nghiệp/môi trường, (2) thuộc nhóm dược phẩm/enzyme công nghiệp, (3) thuộc nhóm thực phẩm lên men — ba nhóm ứng dụng phân biệt theo sản phẩm cuối cùng và ngành khai thác, dù cơ chế nền tảng đều là chuyển hoá của vi sinh vật.
Cùng dựa trên khả năng chuyển hoá của vi sinh vật, nhưng mỗi nhóm ứng dụng khai thác một sản phẩm chuyển hoá khác nhau cho một mục đích khác nhau.
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn phổ biến nhất là nghĩ lên men truyền thống là quá trình 'tự nhiên xảy ra', không cần kiểm soát gì — thực ra người làm sữa chua hay nước mắm vẫn đang chủ động kiểm soát đúng các yếu tố đã học ở bài trước (nhiệt độ ủ, nồng độ muối, thời gian) để ưu tiên cho vi sinh vật có lợi và ức chế vi sinh vật gây hại — chỉ là sự kiểm soát này đã được đúc kết thành kinh nghiệm dân gian qua nhiều thế hệ, không nhất thiết được gọi tên bằng thuật ngữ khoa học.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Ba nhóm ứng dụng vi sinh vật chính: thực phẩm lên men (sữa chua, nước mắm, dưa muối — kiểm soát nhiệt độ, độ mặn, pH để nuôi vi sinh vật có lợi), dược phẩm và enzyme công nghiệp (kháng sinh, amylase, protease), nông nghiệp và môi trường (phân bón vi sinh cố định đạm, biogas, xử lí nước thải). Mọi ứng dụng đều dựa trên khả năng chuyển hoá đặc trưng của một loài vi sinh vật cụ thể.
Bài cuối cùng của khoá học tổng hợp lại toàn bộ nội dung đã học — từ đặc điểm chung, dinh dưỡng, sinh trưởng, kiểm soát, tới ứng dụng — qua các bài tập kết hợp nhiều nội dung cùng lúc.
Bài trước học các yếu tố chi phối sinh trưởng và các biện pháp kiểm soát vi sinh vật (same-grade bridge). Lên men truyền thống — sữa chua, nước mắm, dưa muối, tương — thực chất là ứng dụng ngược lại của bài đó: thay vì ức chế mọi vi sinh vật, người làm chỉ cần kiểm soát đúng những yếu tố đã học (nhiệt độ, độ mặn, pH, oxygen) để nuôi đúng nhóm vi sinh vật có lợi, đồng thời ức chế nhóm gây hại.
Con cừu Dolly, sinh năm 1996 tại Viện Roslin (Scotland), là động vật có vú đầu tiên được nhân bản vô tính thành công từ tế bào của một con cừu trưởng thành — một thành tựu công nghệ tế bào nổi tiếng. Nhưng phần lớn ứng dụng vi sinh vật quanh em lại quen thuộc và bình dị hơn nhiều: hũ sữa chua trong tủ lạnh, chai nước mắm trên bàn ăn. Điều gì đang thực sự diễn ra bên trong chúng?
Nhóm ứng dụng quen thuộc nhất là thực phẩm lên men, dựa trên việc nuôi có kiểm soát một hoặc vài loài vi sinh vật có lợi trong điều kiện thuận lợi cho chúng nhưng bất lợi cho vi sinh vật gây hỏng. Sữa chua lên men nhờ vi khuẩn lactic (Lactobacillus bulgaricus và Streptococcus thermophilus), chuyển đường lactose trong sữa thành acid lactic — vừa tạo vị chua đặc trưng, vừa làm giảm pH đủ để ức chế các vi khuẩn gây hỏng khác. Nước mắm lên men nhờ enzyme protease sẵn có trong nội tạng cá phối hợp với vi khuẩn ưa mặn, phân giải dần protein thịt cá thành các amino acid tạo nên vị đạm và hương thơm đặc trưng; nồng độ muối cao trong quá trình ướp chượp đồng thời ức chế các vi khuẩn gây thối mà bài trước đã học.
Ngoài thực phẩm, vi sinh vật còn là nguồn dược phẩm và enzyme công nghiệp. Kháng sinh đầu tiên được phát hiện — penicillin — do chính một loài nấm mốc, Penicillium, tiết ra để cạnh tranh sinh tồn với vi khuẩn xung quanh trong tự nhiên; con người đã khai thác lại chất đó để điều trị nhiễm khuẩn ở người. Nhiều loại enzyme công nghiệp — như amylase phân giải tinh bột, protease phân giải protein — cũng được sản xuất bằng cách nuôi vi sinh vật quy mô lớn rồi tách chiết enzyme chúng tiết ra, dùng trong công nghiệp thực phẩm và chất tẩy rửa.
Trong nông nghiệp và xử lí môi trường, một số vi khuẩn sống cộng sinh ở rễ cây họ đậu có khả năng cố định đạm — chuyển khí N2 trong khí quyển, cây không hấp thụ trực tiếp được, thành dạng hợp chất nitrogen cây sử dụng được; khai thác nhóm vi khuẩn này làm phân bón vi sinh giảm được lượng phân đạm hoá học cần bón. Trong hầm biogas, vi sinh vật kị khí phân giải chất thải hữu cơ (phân gia súc, rác thải nông nghiệp) sinh ra khí methane dùng làm chất đốt. Tại các trạm xử lí nước thải, vi sinh vật phân giải chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thành các chất vô cơ đơn giản, làm sạch nước trước khi thải ra môi trường.
Nhầm lẫn phổ biến nhất là nghĩ lên men truyền thống là quá trình 'tự nhiên xảy ra', không cần kiểm soát gì — thực ra người làm sữa chua hay nước mắm vẫn đang chủ động kiểm soát đúng các yếu tố đã học ở bài trước (nhiệt độ ủ, nồng độ muối, thời gian) để ưu tiên cho vi sinh vật có lợi và ức chế vi sinh vật gây hại — chỉ là sự kiểm soát này đã được đúc kết thành kinh nghiệm dân gian qua nhiều thế hệ, không nhất thiết được gọi tên bằng thuật ngữ khoa học.
Ba nhóm ứng dụng vi sinh vật chính: thực phẩm lên men (sữa chua, nước mắm, dưa muối — kiểm soát nhiệt độ, độ mặn, pH để nuôi vi sinh vật có lợi), dược phẩm và enzyme công nghiệp (kháng sinh, amylase, protease), nông nghiệp và môi trường (phân bón vi sinh cố định đạm, biogas, xử lí nước thải). Mọi ứng dụng đều dựa trên khả năng chuyển hoá đặc trưng của một loài vi sinh vật cụ thể.