Chuyên đề 1: Tổng hợp, phân giải và ứng dụng vi sinh vật

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN HUỲNH THÚY DIỆU * KHÁI NIỆM VỀ VI SINH VẬT : ĐỊNH NGHĨA : Vi sinh vật là những vi sinh vật có kích thước rất nhỏ, chỉ quan sát được dưới kính hiển vi. I/ QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP Ở VI SINH VẬT VÀ ỨNG DỤNG CỦA QUÁ TRÌNH : 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP : Cũng như các sinh vật bậc cao, vi sinh vật có khả năng tổng hợp tất cả các thành phần chủ yếu của tế bào như: axit nuclêic, prôtêin, pôlisaccarit, lipit… Hơn nữa, do có tốc độ sinh trưởng cao, vi sinh vật trở thành một nguồn tài nguyên cho con người khai thác. - Việc tổng hợp ADN, ARN và prôtêin diễn ra tương tự ở mọi tế bào sinh vật và là biểu hiện của dòng thông tin di truyền từ nhân đến tế bào chất: + (sao chép) Prôtêin ADN (vật chất di truyền) có khả năng tự sao chép; + ARN được tổng hợp (phiên mã) trên đoạn mạch ADN; + Cuối cùng prôtêin được tạo thành (dịch mã) trên ribôxôm. Đáng chú ý, ở một số virut có quá trình phiên mã ngược (ví dụ HIV), ở đây, ARN được dùng làm sợi khuôn để tổng hợp ADN. b/ Tổng hợp pôlisaccarit - Tổng hợp pôlisaccarit ở vi khuẩn và tảo, việc tổng hợp tinh bột và glicôgen cần hợp chất mở đầu là ADP – glucôzơ (ađênôzin điphôtphat – glucôzơ):              (Glucôzơ)n + [ADP-glucôzơ] ----> (Glucôzơ)n+1 + ADP - Một số vi sinh vật còn tổng hợp kitin và xenlulôzơ c/ Tổng hợp lipit : Tổng hợp lipit Vi sinh vật tổng hợp lipit bằng cách liên kết glixêrol và các axit béo. Glixêrol là dẫn xuất từ đihiđrôxiaxêtôn – P (trong đường phân). Các axit béo được tạo thành nhờ sự kết hợp liên tục với nhau của các phân tử axêtyl-CoA. 2. ỨNG DỤNG SỰ TỔNG HỢP Ở VI SINH VẬT: Do có tốc độ sinh trưởng và tổng hợp sinh khối cao nên vi sinh vật trở thành nguồn tài nguyên khai thác của con người. Thật khó tưởng tượng rằng một con bò nặng 500 kg lại chỉ sản xuất thêm mỗi ngày 0,5 kg prôtêin; 500kg cây đậu nành mỗi ngày tổng hợp được 40kg prôtêin nhưng 500 kg nấm men có thể tạo thành mỗi ngày 50 tấn prôtêin. a/ Sản xuất sinh khối (hoặc prôtêin đơn bào) : - Trong hoàn cảnh nhiều nước trên thế giới (chủ yếu ở châu Phi và châu Á) còn bị đói prôtêin trầm trọng, các nước châu Âu hằng năm vẫn phải nhập đậu tương cho chăn nuôi, thì prôtêin vi sinh vật là một nguồn hấp dẫn. Đã có nhiều nhà máy sản xuất sinh khối vi sinh vật ở quy mô lớn. Nhiều loại nấm ăn (nấm hương, nấm mỡ, nấm rơm…) là loại thực phẩm quý Ví dụ : + Vi khuẩn lam Spirulina là nguồn thực phẩm ở châu Phi, là loại thực phẩm tăng lực (ở dạng bột hoặc dạng bánh quy) ở Mĩ. + Ở Nhật, tảo Chlorella được dùng làm nguồn prôtêin và vitamin bổ sung vào kem, sữa chua, bánh mì. Chất thải từ các xí nghiệp chế biến rau, quả, bột, sữa… là cơ chất lên men để thu nhận sinh khối dùng làm thức ăn cho chăn nuôi. - Như vậy, việc sản xuất sinh khối vi sinh vật cũng góp phần giảm nhẹ ô nhiễm môi trường. b/ Sản xuất axit amin: - Nhiều thực phẩm có nguồn gốc thực vật chứa hàm lượng prôtêin cao nhưng lại không thể dùng làm nguồn prôtêin thức ăn cho con người và gia súc do thiếu một số axit amin không thay thế cần thiết. Ví dụ: prôtêin lúa mì nghèo lizin, prôtêin lúa nước nghèo lizin và thrêônin, prôtêin ngô nghèo lizin và triptôphan, prôtêin đậu nghèo mêtiônin. - Do đó, trên toàn thế giới việc thiếu hụt lizin, thrêônin và mêtiônin còn trầm trọng hơn là sự đói prôtêin nói chung. c/ Sản xuất các chất xúc tác sinh học : Các enzim ngoại bào của vi sinh vật được sử dụng phổ biến trong đời sống con người và trong nền kinh tế quốc dân, chẳng hạn: - Amilaza (thuỷ phân tinh bột), được dùng khi làm tương, rượu nếp, trong công nghiệp sản xuất bánh kẹo, công nghiệp dệt, sản xuất xirô. - Prôtêaza (thuỷ phân prôtêin) được dùng khi làm tương, chế biến thịt, trong công nghiệp thuộc da, công nghiệp bột giặt… - Xenlulaza (thuỷ phân xenlulôzơ) được dùng trong chế biến rác thải và sử lí các bã thải, dùng làm thức ăn cho chăn nuôi và sản xuất bột giặt. - Lipaza (thủy phân lipit) : dùng trong công nghiệp bột giặt chất tẩy rửa. d/ Sản xuất gốm sinh học : - Sản xuất kem phủ bề mặt bánh, chất phụ gia trong công nghiệp khai thác dầu hỏa. - Trong y học, dùng làm chất thay thế huyết tương. - Trong sinh hóa học, dùng làm chất tách chiết enzim. II. ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI Ở VI SINH VẬT VÀ ỨNG DỤNG CỦA QUÁ TRÌNH : Khi tiếp xúc với các chất dinh dưỡng có phân tử lớn như axit nuclêic, prôtêin, tinh bột và lipit… (chứa trong xác của động vật và thực vật) không thể được vận chuyển qua màng sinh chất, vi sinh vật phải tiết vào môi trường các enzim thuỷ phân các cơ chất trên thành các chất đơn giản hơn. Trong trường hợp này, quá trình phân giải ngoại bào có ý nghĩa đồng hoà quan trọng đối với tế bào. ĐẶC ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI CÁC CHẤT: a. Phân giải axit nuclêic và prôtêin : - Để phân giải các axit nuclêic và prôtêin, vi sinh vật tiết ra các enzim nuclêaza (phân giải ADN và ARN thành các nuclêôtit) và prôtêaza (phân giải prôtêin thành các axit amin). * Cơ chế phân giải protein : ( protease) Prôtêin==== axit amine  CO2 + NH3 + NL - Giai đoạn 1: phân giải protein phức tạp thành các axit amin bên ngoài tế bào - Giai đoạn 2 : VSV hấp thụ axit amin => phân giải => tạo ra NL Khi môi trường thiếu C và thừa N, VSV khử amine, sử dụng axit làm nguồn cacbon. Phân giải pôlisaccarit : Các loại pôlisaccarit tự nhiên khá phong phú và đa dạng. Để đồng hoá được các cơ chất trên, vi sinh vật tiết ra các enzim amilaza phân giải tinh bột thành glucôzơ, xenlulaza phân giải xenlulôzơ thành glucôzơ và kitinaza phân giải kitin thành N-axêtyl-glucôzamin. Cơ chế : - Lên men ethylic: Nấm ( Đường hóa ) Nấm men rượu Tinh bột ==== glucozo === ethanol + CO2 - Lên men lactic (chuyển hóa kị khí ): VK lactic đồng hình Glucozo =========== Lactic VK lactic dị hình Glucozo ======== lactic + CO2 + ethanol + axetic Phân giải xenluloze: Xenlulaza Xenluloze===== Chất mùn, làm giàu chất dinh dưỡng cho đất, tránh ô nhiễm môi trường Quá trình oxi hóa do VK sinh axit axetic (giấm): C2H5OH + O2 == CH3COOH + H2O + NL 3. Phân giải lipit : Để thu được nguồn cacbon và năng lượng từ lipit, vi sinh vật tiết vào môi trường enzim lipaza phân giải lipit (mỡ) thành các axit béo và glixêrol. II. ỨNG DỤNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI Ở VI SINH VẬT 1. Sản xuất thực phẩm cho người và thức ăn cho gia súc : - Lợi dụng hoạt tính phân giải xenlulôzơ người ta đã tận dụng các bã thải thực vật (rơm, rạ, lõi ngô, bã mía, xơ bông) để trồng nhiều loại nấm ăn. - Nước thải từ các xí nghiệp chế biến sắn, khoai tây, dong riềng có thể được dùng để nuôi cấy một số nấm men có khả năng đồng hoá tinh bột nhằm thu nhận sinh khối làm thức ăn cho gia súc. - Sản xuất tương dựa vào 2 enzim chủ yếu của nấm mốc và vi khuẩn nhiễm tự nhiên hoặc cấy chủ động vào các nguyên liệu: amilaza phân giải tinh bột (trong xôi hoặc ngô) thành glucôzơ và prôtêaza phân giải prôtêin (trong đậu tương) thành các axit amin. - Muối dưa, muối cà và làm sữa chua là quá trình sử dụng vi khuẩn lên men lactic, chuyển hoá một số đường đơn chứa trong dưa, cà và sữa đặc có đường hoặc sữa bò tươi thành axit lactic. 2. Cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng: Nhờ các hoạt tính phân giải của vi sinh vật mà xác các động vật và thực vật trong đất được chuyển thành chất dinh dưỡng cho cây trồng. - Dùng để làm nước mắm từ nguyên liệu là cá, enzim prôtêaza có trong ruột cá phân giải prôtêin cá thành axit amin và 1 số VK ưa mặn gây lên men 1 phần prôtêin tạo hương thơm. - Sản xuất giấm từ rượu êtilic hoặc nước đường, VK axêtic hoạt động trong điều kiện hiếm khí đã oxi hóa rượu thành giấm. Đặc biệt, con người sử dụng amilaza từ nấm mốc (saccharomyces) để thuỷ phân tinh bột dùng trong sản xuất rượu 4. Bột giặt sinh học Để tẩy sạch các vết bẩn (bột, thịt, mỡ, dầu, xenlulôzơ…) trên quần áo, khăn bàn, chăn màn… người ta thêm vào bột giặt một số enzim vi sinh vật như amilaza, prôtêaza, lipaza, xenlulaza… Do đó, chính vi sinh vật tạo nên độ phì nhiêu của đất. Đây cũng là cơ sở khoa học của việc chế biến rác thải thành phân bón. 3. Phân giải các chất độc Muốn tăng năng suất cây trồng, người ta phải sử dụng các chất trừ sâu, diệt cỏ, diệt nấm. Đây là các chất do con người tổng hợp ra và thường độc đối với người và động vật. Rất may, nhiều vi khuẩn và nấm có khả năng phân giải các hoá chất độc nói trên còn tồn đọng trong đất. 5. Cải thiện công nghiệp thuộc da Để tẩy sạch lông ở bộ da động vật, trước đây người ta phải sử dụng các hoá chất vừa kém hiệu quả, vừa gây ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng các enzim prôtêaza và lipaza từ vi sinh vật thay cho hoá chất không những làm tăng chất lượng của da mà còn tránh được các ảnh hưởng xấu đến môi trường sống. * Lưu ý: Quá trình phân giải này sẽ gây hư hỏng hoặc làm giảm chất lượng thực phẩm, đồ dùng, hàng hóa... - Gây hư hỏng thực phẩm: các loại đồ ăn, thức uống giàu tinh bột và prôtêin dễ bị ôi, thiu do bị vi khuẩn và nấm mốc phân giải. - Làm giảm chất lượng của các loại lương thực, đồ dùng và hàng hoá. Hàng năm, các loại lương thực hoa màu (gạo, đậu, ngô, khoai, sắn) bị hư hỏng sau thu hoạch do vi sinh vật gây ra là rất lớn. - Nhiều đồ dùng và hàng hoá bằng nguyên liệu thực vật (quần áo, chăn, màn, chiếu, các hàng mây, tre, sách vở, tranh ảnh…) rất dễ bị mốc và làm giảm phẩm chất. Vi sinh vật có khả năng phân giải các chất phức tạp ở bên trong và bên ngoài tế bào nhờ các enzim xúc tác: prôtêaza III.MỐI QUAN HỆ GIỮA TỔNG HỢP VÀ PHÂN GIẢI : Là quá trình diễn ra song song, đồng thời, phụ thuộc chặt chẽ vào nhau. Trong đó: V. MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC VÀ HÌNH ẢNH CỦA VI SINH VẬT. MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC CỦA: - V i rút: + Bảo vệ đời sống con người và môi trường: sản xuất ra vacxin phòng chống 1 số bệnh do virut gây ra, được nghiên cứu để giảm thiểu sự phát triển của 1 số loài động vật hoang dã. + Bảo vệ thực vật: tiêu diệt côn trùng gây hại cho thực vật (VD: thuốc trừ sâu sinh học có chứa virut baculo...) + Sản xuất dược phẩm: có vai trò quan trọng trong kĩ thuật di truyền và thiết lập bản đồ gen, có vai rò quyết định trong việc sản xuất 1 số loại dược phẩm: inteferon, insulin.. - Vi khuẩn: + Trong tự nhiên, cùng với nấm hoạt động hoại sinh của vi khuẩn thm gia vào quá trình chuyển hóa vật chất. + Trong nông nghiệp: ứng dụng hoạt động của vi khuẩn cố định đạm, sử dụng làm thiên địch để tiêu diệt sâu bọ hại cây trồng. + Trong công nghiệp: ứng dụng hoạt động phân giải chất của vi khuẩn để sản xuất những chất có ích ( Như vitamin C, axit lactic, axit butiric...), sử dụng để lọc khoáng từ các quặng nghèo và được dùng để xử lí rác, chất thải. + Trong công nghệ sinnh học và trong tạo giống cây trồng : làm thể truyền trong kĩ thuật cấy ghép gen hay chuyển gen nhằm tạo ra giống cây trồng có năng suất và chất lượng tốt. + Nấm men: . Nhiều chủng nấm men có giá trị dinh dưỡng cao do có chứa nhiều prôtêin, vitamin và sinh sản nhanh nên được nuôi cấy nhằm sản xuất sinh khối làm nguồn thực phẩm bổ sung cho người, gia súc, gia cầm. . Trong chăn nuôi, thức ăn được “ ủ nấm men ” để tăng nguồn dinh dưỡng, prôtêin và vitamin. . Trong công nghiệp, ứng dụng để sản xuất cồn, rượu bia, rượu trái cây, làm bánh, sản xuất enzim, chất béo.... + Nấm sợi: Nấm sợi được ứng dụng khá nhiều trong các ngành công nghiệp. - Nấm: . Trong công nghiệp dược phẩm: sản xuất kháng sinh peenixilin, xeephalôspôrin, vitamin; một số nấm sợi chuyển hóa các hợp chất stêrôit và ancalôit, ứng dụng làm thuốc. . Trong công nghiệp hóa chất: sản xuất phomat, axit xitric, axit amin, gibênelin... . Trong công nghiệp thực phẩm và chăn nuôi: ứng dụng sản xuất sinh khối nấm sợi làm thức ăn bổ sung cho người, gia súc và gia cầm. Nhiều dạng được dùng sản xuất nước chấm, tương, chao... - Tảo: . Vi tảo sống trong nước: là nguồn thức ăn cho động vật thủy sinh, làm sạch nguồn nước thải. . Vi tảo trong đất khi chết làm giàu chất mùn cho đất. . Do có tốc độ sinh sản nhanh và một số dạng giàu vitamin và prôtêin nên được nuôi cấy làm nguồn thức ăn bổ sung cho người và động vật. (Nếu bạn nào muốn biết thêm về tác hại thì xin liên lạc với nhóm để có thêm thông tin) ẢNH KHUẨN LẠC DƯỚI ÁNH ĐÈN Cộng đồng tảo periphyton:  Nhóm ruột khoang sinh sống trên bề mặt những mỏm đá trên mặt nước ở hồ Hovsgol hiện diện hàng trăm loài tảo cát. Mẫu sinh vật này do trường quốc tế Mỹ - Mongol dùng khảo sát hệ thực vật tảo ở công viên Hovsgol quốc gia, trung tâm miền bắc Mongol. Loài tảo cát Cymbella stuxbergi: Tảo cát thuộc nhóm vi sinh vật tảo, đơn bào hoặc nhóm đơn bào nhỏ. Loài tảo cát Cyclotella ocellata: loài phổ biến nhất ở hồ Hovsgol, Mongol. Loài tảo cát Aneumastus: nhóm tảo lớn nhất ở hồ Hovsgol, Mongol.   Xạ khuẩn  Nấm men  Vi khuẩn Nấm sợi Đại dương có rất nhiều sinh vật: lớn, nhỏ, và cực nhỏ. Virus ăn vi khuẩn (thể thực khuẩn) là những quần xã sinh vật cực nhỏ và tự tái tạo, có thể thay đổi chất liệu gien của vi sinh vật và “tiết chế” quần thể của chúng bằng cách ăn các sinh vật khác và sống ký sinh. Probiotic là những lợi khuẩn có cấu tạo tương tự như những vi sinh vật được tìm thấy trong cơ thể người. Tác dụng tích cực của nó đến sức khỏe con người đã được chứng minh rất rõ. Mới đây, các nhà khoa học đến từ đại học Cork & Teagasc, Ireland đã sáng tạo ra một loại Probiotic dạng bột... Tổ chức Y tế thế giới (WHO) báo động một chủng lao mới đã giết chết 52 trong số 53 người bị nhiễm ở Nam Phi. Chủng virus mới này được phát hiện ở vùng Kwazulu-Natal của Nam Phi và điều đặc biệt nguy hiểm là nó có khả năng kháng thuốc cực mạnh Vi khuẩn Desulfotomaculum.  CÁM ƠN CÁC BẠN ĐÃ THEO DÕI! THỰC HIỆN: TRẦN THỊ NGỌC CHÂU TRẦN THỊ THÙY DUNG NGUYỄN THỊ CẨM GIỀNG THÁI LƯƠNG HỒNG NGÂN LỮ THANH XUÂN