›

Giáo trình Công nghệ sinh học đại cương - Chương 5: Phương pháp và ứng dụng của công nghệ sinh học vi sinh và môi trường

pdf 123 trang huongle 2970
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Công nghệ sinh học đại cương - Chương 5: Phương pháp và ứng dụng của công nghệ sinh học vi sinh và môi trường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_cong_nghe_sinh_hoc_dai_cuong_chuong_5_phuong_phap.pdf

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ sinh học đại cương - Chương 5: Phương pháp và ứng dụng của công nghệ sinh học vi sinh và môi trường

  1. CHƢƠNG V PHƢƠNG PHÁP VÀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI SINH VÀ MÔI TRƢỜNG
  2. I.Khái niệm chung về CNSH vi sinh vật 1.1.KHÁI NIỆM  Là ngành công nghệ nhằm khai thác tốt nhất khả năng của vi sinh vật, tạo ra đƣợc điều kiện để vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao nhất phục vụ việc làm tăng của cải vật chất của xã hội, đáp ứng nhu cầu của con ngƣời và cân bằng sinh thái môi trƣờng  Công nghệ sinh học vi sinh đƣợc phát triển trên cơ sở các kiến thức về giới vi sinh vật cũng nhƣ các kỹ thuật và quy trình công nghệ đặc trƣng  Đây là bộ phận lớn nhất, ra đời sớm nhất, có quá trình phát triển lâu dài và doanh số lớn nhất của CNSH. Đến nay doanh số của lĩnh vực này đạt gần 100 tỷ dola/năm
  3. 1.2.Khả năng ứng dụng của công nghệ vi sinh 1.2.1.Trong y tế  Sản xuất vac xin  Sản xuất kháng sinh  Sản xuất các protein tái tổ hợp dùng trong phòng, chữa bệnh: hoc môn tăng trƣởng, insulin, interferon,
  4. 1.2.Khả năng ứng dụng của công nghệ vi sinh (tiếp) 1.2.2.Trong nông nghiệp  Sản xuất phân bón vi sinh vật  Sản xuất thuốc bảo vệ thực vật  Sản xuất chất kích thích sinh trƣởng thực vật, động vật  Sản xuất chế phẩm xử lý thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm, nuôi trồng thuỷ sản  Sản xuất chế phẩm xử lý phế thải của sản xuất nông nghiệp 
  5. 1.2.Khả năng ứng dụng của công nghệ vi sinh (tiếp) 1.2.3.Trong công nghiệp và năng lƣợng  Chế biến, bảo quản lƣơng thực, thực phẩm, đồ uống  Sản xuất cồn sinh học  Sản xuất khí gas sinh học  Chế phẩm vi sinh tong thăm dò, khai thác khoáng sản
  6. 1.2.Khả năng ứng dụng của công nghệ vi sinh (tiếp) 1.2.4.Trong bảo vệ môi trƣờng  Chỉ thị vi sinh vật môi trƣờng  Chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải, phế thải, nƣớc thải làm sạch môi trƣờng
  7. 1.3.KHÁI QUÁT VỀ PHƢƠNG PHÁP SẢN XUẤT THƢƠNG MẠI SỬ DỤNG VI SINH VẬT (Phƣơng pháp lên men công nghiệp) 1.3.1. Khái niệm . Lên men (Fermentation) là các quá trình biến đổi do vi sinh vật thực hiện trong điều kiện kị khí hay hiếu khí nhằm tích luỹ các sản phẩm trao đổi chất hữu ích cho con ngƣời 6 . Lên men với quy mô lớn: 10- 10 lit thƣờng đƣợc gọi là lên men công nghiệp. . Công nghiệp lên men đƣợc hình thành từ cuối thế kỷ 19 và phát triển mạnh mẽ. Đến nay doanh số của lĩnh vực này đạt gần 100 tỷ dola/năm
  8. 1.3.2. Ƣu thế của vi sinh vật công nghiệp  Nhờ kích thƣớc nhỏ, vi sinh vật có tỷ lệ bề mắt/thể tích lớn nên hấp thu dinh dƣỡng nhanh và đồng hoá ở tốc độ cao  Nguồn nguyên liệu ban đầu cho sản xuất đơn giản, rẻ  Vi sinh vật thích ứng với nhiều loại môi trƣờng và điều kiện nuôi cấy khác nhau  Chúng có thể thực hiện nhiều phản ứng hoá sinh khác nhau nên đễ dàng biến đổi sản phẩm cuối của quá trình sản xuất  Dễ dàng dùng kỹ thuật di truyền để tạo nòi, chủng mới mang đặc tính mong muốn và tăng sản lƣợng sản phẩm
  9. 1.3.3. Các kiểu lên men và nhu cầu oxy  Lên men bề mặt (lên men tĩnh) có hai cách:  Môi trƣờng lỏng đƣợc chứa trong khay có chiều sâu không quá 5cm,tế bào mọc thành lớp trên bề mặt môi trƣờng và tiếp xúc trực tiếp với không khí.  Lên men bán rắn: Cơ chất rắn, ẩm trải thành lớp mỏng trên khay
  10. 1.3.3. Các kiểu lên men và nhu cầu oxy(tiếp)  Lên men chìm:tế bào vi sinh vật đƣợc nuôi chìm trong môi trƣờng lỏng. Có hai cách:  Nuôi cấy lắc:thƣờng dùng trong phòng thí nghiệm và môi trƣờng đƣợc khuấy trộn nhờ máy lắc tạo điều kiện thuận lợi cho sự hoà tan oxy trong dịch lỏng.Nếu môi trƣờng nuôi chỉ chiếm 10-20 % thể tích bình có thể đạt mật độ tế bào 1-2g khô/lit.  Nuôi trong bioreactor: thƣờng dùng trong sản suất công nghiêp. môi trƣờng và tế bào vi sinh đƣợc đảo trộn bằng cánh khuấy. Khi nuôi cấy quy mô lớn, oxy đƣợc cung cấp bằng bơm khí.Cần phải duy trì cung cấp oxy liên tục trong cả quá trình lên men hiếu khí
  11. 1.3.3. Các kiểu lên men và nhu cầu oxy(tiếp)  Sự phát triển nhanh của tế bào vi sinh vật đòi hỏi lƣợng lớn oxy hoà tan trong môi trƣờng để có thể tiếp xúc trực tiếp với màng tế bào  Nhu cầu trao đổi oxy của vi sinh vật phụ thuộc đặc điểm tế bào và điều kiện môi trƣờng nuôi.Nếu nông độ oxy đạt 1mg/l thì nhu cầu oxy của hầu hết tế bào đƣợc thoả mãn.  Nếu mức oxy thấp hơn 1mg/l sẽ xảy ra lên men yếm khí
  12. 1.3.4.Các công đoạn chính của lên men công nghiệp Gồm 3 công đoạn chính:  Trƣớc lên men: Xử lý, chế biến, phối trộn và khử trùng nguyên liệu  Lên men trong bioreactor: trong dịch lên men diễn ra quá trình tăng sinh khối tế bào và điều chỉnh hoạt tính sinh học để tạo sản phẩm đích  Sau lên men: Tách sinh khối tế bào, tủa, tinh sạch các chất, thực hiện phản ứng bổ sung để tạo thƣơng phẩm, tinh chế , bảo quản dạng thƣơng phẩm hoàn chỉnh, đóng gói, tận dụng phế liệu
  13. a) Nguồn dinh dƣỡng và nguyên liệu ban đầu  Cần tạo môi trƣờng thích hợp cho sự sinh trƣởng của vi sinh vật hoặc cho sản xuất các sản phẩm mục tiêu  Môi trƣờng nuôi cấy thƣờng ở dạng lỏng, trong một số trƣờng hợp có thể sử dụng môi trƣờng rắn  Trong sản xuất chủ yếu dùng môi trƣờng tổng hợp. Nguyên liệu tạo môi trƣờng ảnh hƣởng đến chất lƣợng của sản phẩm  Thành phần chủ yếu của môi trƣờng lên men gồm: nƣớc, nguồn các bon hữu cơ, nguồn nitơ, các nguyên tố khoáng và vitamin, các chất phá bọt khí
  14. b) Hệ thống thiết bị Thiết bị trƣớc lên men gồm :  Bồn hay bể chứa các cơ chất ban đầu (hàng chục nghìn m3) là nguyên liệu sản xuất  Thiết bị làm vụn, nghiền nguyên liệu thô  Thiết bị xử lý nguyên liệu (đƣờng hoá bột)  Thiết bị phối trộn nguyên liệu và pha chế môi trƣờng  Thiết bị khử trùng môi trƣờng (nồi hơi)  Các thiết bị thƣờng đƣợc làm bằng vật liệu chống tác động của hoá chất nhƣ inox, thép bọc nhựa epoxy ở bề mặt tiếp xúc
  15. b) Hệ thống thiết bị(tiếp) Thiết bị lên men (Fermentor- Bioreactor)  Là thiết bị trung tâm của hệ thống, đƣợc làm bằng inox, dung tích thƣờng từ 100- 100.000 lit  Có hệ thống khuấy trộn, có hệ thống đo lƣờng và điều chỉnh nhiệt độ, pH, oxy thoả mãn điều kiện phát triển tối ƣu của vi sinh vật nuôi cấy  Bioreactor phải bảo đảm độ vô trùng và sử dụng tiết kiệm nguyên liệu Sơ đồ bioreactor
  16. Một số loại bioreactor Bioreactor sản xuất bia Bioreactor ở phòng thí nghiệm
  17. Bioreactor công nghiệp
  18. b) Hệ thống thiết bị(tiếp) Các thiết bị sau lên men  Thiết bị tách tế bào: các bồn lắng, máy li tâm, bộ lọc ép hay lọc chân không  Thiết bị phá vỡ tế bào dùng thu nhận sản phẩm nội bào  Thiết bị cô đặc: làm bay hơi, lọc, màng trao đổi ion, hấp phụ  Thiết bị kết tinh (dùng cho mỳ chính, axit citric)  Hệ thống sắc ký dùng tinh chế sản phẩm  Thiết bị sấy  Thiết bị bảo quản sản phẩm
  19. c)Vận hành quá trình lên men Nhân giống  Khâu đầu của quá trình lên men bằng bioreactor là tẩy rửa sạch, khử trùng bioreactor và cho môi trƣờng vô trùng vào  Tiếp theo là cho giống vi sinh vật vào với tỷ lệ 1- 10% tổng khối lƣợng của môi trƣờng nuôi. Để có đủ giống cho bồn lên men lớn cuối cùng ngƣời ta sử dụng một chuỗi các bồn lên men với thể tích tăng dần (sơ đồ sau)
  20. Tiến trình nhân giống thƣờng tiến hành nhƣ sau :Ống giống giữ ở nhiệt độ thấp nuôi 10ml nuôi 200ml nuôi 3lit nuôi 30 lit nuôi 300lit và có thể tiếp tục đến hàng chục, hàng trăm khối. Thời gian nhân giống nhanh hay chậm phụ thuộc và chủng vi sinh vật sử dụng
  21. c)Vận hành quá trình lên men Các thông số kỹ thuật của bioreactor  Sau khi cấy giống phải theo dõi và kiểm soát hoạt động của bioreactor và các thông số của quá trình nuôi cấy :  Hàm lƣợng oxy hoà tan  Nhiệt độ  pH tối ƣu  Khuấy trộn đều môi trƣờng nuôi cấy
  22. c)Vận hành quá trình lên men Các phƣơng thức lên men trong bioreactor . Lên men gián đoạn  Lên men gián đoạn bổ sung  Lên men liên tục
  23. Lên men gián đoạn . Lµ d¹ng ®Çu tiªn ®ù¬c D E dïng khi b¾t ®Çu cã C c«ng nghÖ lªn men A  M«i tr•êng nu«i cho B mét lÇn vµo bån lªn men, cÊy gièng vµ .§å thÞ chu kú sinh tr•ëng cña tÕ bµo khi lªn men theo ph•¬ng thùc hiÖn lªn men ®Õn ph¸p nµy cã c¸c pha ®Æc tr•ng: thu s¶n phÈm. A:pha tiÒm sinh, B:pha sè mò, C:pha tuyÕn tÝnh, D:pha æn ®Þnh, E:pha suy tho¸i.
  24. Lên men gián đoạn bổ sung  Lµ kü thuËt trong ®ã m«i tr•êng nu«i cÊy ®•îc cung cÊp míi theo chu kú ®Ó tæng thÓ tÝch m«i tr•êng kh«ng ®æi. Cã nghÜa lµ thÓ tÝch cña m«i tr•êng t•¬i ®•îc bæ sung t•¬ng ®•¬ng víi tæng sè m«i tr•êng cò ®· bÞ dïng hÕt.
  25. Lªn men liªn tôc  Trong ph•¬ng ph¸p nµy sau 1 giai ®o¹n ®Òu ®Æn c¶ tÕ bµo vµ mét phÇn m«i tr•êng ®•îc lÊy ra khái hÖ thèng nu«i cÊy. Sau ®ã mét l•îng m«i tr•êng t•¬i ®•îc bæ sung ®Ó tæng l•îng m«i tr•êng vÉn gi÷ nguyªn Lîi thÕ cña ph•¬ng ph¸p nh• ban ®Çu. PhÇn tÕ bµo cßn nµy lµ 1 phÇn sinh khèi ®•îc l¹i tiÕp tôc sinh tr•ëng vµ l¹i t¸i sö dông khi cÊy chuyÓn . t¨ng sè l•îng
  26. c)Vận hành quá trình lên men Điều khiển phản ứng sinh học  Th«ng th•êng qu¸ tr×nh nu«i ph¶i tr¶i qua 2 giai ®o¹n:  Giai ®o¹n ®Çu: CÇn c¸c ®iÒu kiÖn ®Ó tÕ bµo sinh s¶n nhanh, t¹o sinh khèi nhiÒu  Giai ®o¹n sau: C¸c tÕ bµo ®•îc khèng chÕ ®Ó thùc hiÖn tèi ®a c¸c ph¶n øng mong muèn. VÝ dô: trong s¶n xuÊt axit glutamic ë giai ®o¹n nµy cÇn thªm peneciline ®Ó tÕ bµo vi khuÈn tiÕt nhiÒu s¶n phÈm h¬n
  27. c)Vận hành quá trình lên men 5. Thu sản phẩm và tinh chế  Chi phÝ cho c«ng ®o¹n nµy cã thÓ chiÕm 50%gi¸ thµnh s¶n phÈm hoÆc cao h¬n  Tr•íc hÕt cÇn t¸ch n•íc, sau ®ã thu ®óng s¶n phÈm mong muèn b»ng c¸c ph•¬ng ph¸p cña c«ng nghÖ ho¸ häc vµ c«ng nghÖ thùc phÈm
  28. II. Giới thiệu các nhóm vi sinh vật 2.1. Giới thiệu chung về các nhóm vi sinh vật 2.1.1.Vi khuẩn thực (Eubacteria): . Đƣợc phát hiện lần đầu tiên vào năm 1676. . Chúng thuộc nhóm prokaryote, đa phần là cơ thể đơn bào, kích thƣớc nhỏ, không có màng nhân. . Một số loài có khả năng tạo bào tử, chịu đựng và tồn tại thời gian dài trong các điều kiện bất lợi
  29. II. Giới thiệu các nhóm vi sinh vật 2.1. Giới thiệu chung về các nhóm vi sinh vật (tiếp) 2.1.2.Vi khuẩn cổ (Archeaa): . Có khả năng sống trong điều kiện rất khắc nghiệt . Khác với vi khuẩn thực là vách tế bào không có peptidoglucan màng tế bào có thành phần lipid khác thƣờng và ARN- polymerase giống với ARN- polymerase của Eukaryote nhiều hơn. . Bao gồm: - Vi khuẩn metan: khử CO2 bằng H2 tạo CH4 0 - Vi khuẩn chịu nhiệt và axit: chịu nhiệt độ cao hơn 100 C hay pH thấp hơn 2 - Các vi khuẩn cực đoan khác: chịu lạnh, chịu muối, chịu áp suất cao
  30. II. Giới thiệu các nhóm vi sinh vật 2.1. Giới thiệu chung về các nhóm vi sinh vật (tiếp) 2.1.3.Vi sinh vật thuộc nhóm nhân chuẩn (Eukaryote):  Nấm men  Nấm mốc  Sinh vật nguyên sinh  Vi tảo
  31. II. Giới thiệu các nhóm vi sinh vật 2.2. Các nhóm vi sinh vật công nghiệp chủ yếu  Vi khuẩn lactic  Pseudomonas  Bacillus  Corynebacteria  Xạ khuẩn Stretomyces  Vi nấm (nấm men, nấm mốc )  Vi tảo 
  32. 2.1.Vi khuẩn lactic  Là vi khuẩn Gram dƣơng, hình que, không bào tử. Có thể phân biệt 2 loại: vi khuẩn lên men lactic đồng hình và dị hình.  Nhóm đồng hình gồm các loài: L.casei, L. platarum, L.delbrueckii ssp. bulgaricus, L.helveticus, Streptococcus thermophilus, chúng tạo sản phẩm chủ yếu là axit lactic . Các chủng sản xuất trong công nghiệp thuộc loại này.  Nhóm dị hình sản sinh axit lactic và một số sản phẩm phụ khác nhƣ axit acetic, ethanol, CO2. Chúng gồm các loài nhƣ L.brevis, L.kefir,
  33. 2.1.Vi khuẩn lactic  Nhiệt độ tối ƣu cho sự phát triển của vi khuẩn lactic chịu nhiệt trung (mesophilic) là 28 – 45 0C và của vi khuẩn lactic chịu nhiệt (thermophilic) là 45 – 62 0C.  Vi khuẩn lactic có nhu cầu dinh dƣỡng phức tạp: vitamin, amino axit và thậm chí là các peptit. Nguồn carbon: glucose, fructose, lactose, maltose và sucrose. một vài chủng nhƣ: Lactobacillus amylọhylus và Lactobacillus amylovorus  Các chủng chính dùng trong sản xuất: L. delbrrueckii ssp bulgaricus và L. bulgaricus
  34. 2.2.Pseudomonas  Là vi khuẩn Gram âm, hình que, di động nhờ roi ở đầu và không có bào tử. Chúng sống dị dƣỡng, không quang hợp hay cố định nitơ  Ứng dụng  Pseudomonas hiếu khí tích luỹ polyester polyhydroxybutyrate (PHB). Chủng tạo PHB chủ yếu là P.oleovorans và Alcaligenes eutropus  Sản xuất protease chịu nhiệt và lipase. Lipase P của P. fluorescens và lipase CC của Candida cilindrica đƣợc dùng nhiều nhất  Một số chủng dùng trong sản xuất công nghiệp acrylamid  Phân giải các hợp chất xenobiotic, đặc biệt là các hợp chất bị halogen hoá, thuốc diệt cỏ, plastic, dung môi và các chất tẩy nhờn  P. putida tạo các alcohol có hoạt tính quang học từ cơ chất achiral hoặc racemic trong sự biến đổi axit isobutyric thành axit (S) β- hydroxybutyric
  35. 2.3.Bacillus  Là vi khuẩn Gram dƣơng, hình que, có khả năng tạo nội bào tử, chịu nhiệt, hiếu khí. Có khoảng 150 loài cực đoan: chịu nhiệt, chịu lạnh, ƣa kiềm , ƣa axit. Một số loài có thể thực hiện chuyển hoá sinh học  Ứng dụng chủ yếu:  Sản xuất thực phẩm lên men từ đậu tƣơng “itohiki-natto” với sản lƣợng 108 kg/năm bằng B. natto (B.subtilis)  Thuốc trừ sâu sinh học B. thuringensis  Sản xuất α-amylase chiụ nhiệt : B. licheniformis và B.amyloliqueciens  Sản xuất serin protease subtilin trong bột giặt: B. alcalophilus
  36. 2.4.Corynebacteria  Là vi khuẩn Gram dƣơng, không hình thành bào tử, sinh trƣởng chậm và cần môi trƣờng giàu dinh có bổ sung biotin  C.glutamicum:Sản xuất axit glutamic  C.glutamicum đột biến: Sản xuất lysin do con đƣờng điều hoà sinh tổng hợp nhóm amino axit aspartat (L-Lysin, L- Threonin, L-Methionin, L-isoleucin) đơn giản hơn so với E.coli
  37. 2.5.Xạ khuẩn Stretomyces  Là vi khuẩn Gram dƣơng, tế bào dạng sợi, khuẩn lạc có tia, ƣa nhiệt  Các ứng dụng:  Sản xuất hơn 90% loại kháng sinh hiện dùng.  Sản xuất nhiều enzym nhƣ hydrolase nên có thể phân giải các hợp chất : lignocelulose, polyphenol, chitosan, keratin, pectin  Sản xuất một số chất diệt cỏ, chất diệt côn trùng
  38. 2.6.Cyanobacteria  Spirunella: vi khuẩn lam, dùng sản xuất sinh khối để cung cấp protein đơn bào
  39. 2.7.Vi nấm Nấm men  Saccaromyces cerevisiae: dùng rộng rãi trong công nghệ lên men rƣợu  Candida torula: dùng trong sản xuất protein và sắc tố
  40. 2.7.Vi nấm: Nấm mốc Aspergillus  Dùng phổ biến là các loài A.oryzae, A. niger để sản xuất các loại enzym
  41. 2.7. Vi nấm Nấm mốc  Mucor miehei và Mucor pusilus sản sinh enzym thay thế renin làm đông tụ sữa để chế biến phomat
  42. 2.8. Vi tảo  Dùng sản xuất protein đơn bào:  Chlorena  Scenedesmus  Dunaliella:Vi tảo chịu mặn dùng trong sản xuất glycerol và caroten
  43. 2.3.Các phƣơng pháp chọn tạo giống vi sinh vật  Sàng lọc các chủng năng suất cao từ tự nhiên: rất tốn thời gian và công sức  Chọn giống đột biến: thu nhận kết quả nhanh, VSV sản sinh lƣợng chất lớn hơn rất nhiều so với nhu cầu tế bào, thậm chí lớn hơn nhiều lần khối lƣợng khô của chúng  Tạo giống nhờ kỹ thuật di truyền: đầu tiên là cải biến E.coli, nấm men để sản xuất protein tái tổ hợp và sau đó là tạo VSV chuyển gen sản xuất các hợp chất khác
  44. III. Các sản phẩm của vi sinh vật và các hƣớng ứng dụng Các nhóm sản phẩm chính của công nghệ lên men:  Sinh khối vi sinh vật: giống ban đầu cho quá trình lên men, men bánh mỳ, protein đơn bào, phân vi sinh, thuốc trừ sâu,  Enzym vi sinh vật: hàng loạt các enzym dùng trong công nghiệp thực phẩm, dƣợc phẩm, mỹ phẩm  Các sản phẩm trao đổi chất: rƣợu, axit amin, axit hữu cơ, vitamin
  45. III. Các sản phẩm của vi sinh vật và các hƣớng ứng dụng (tiếp)  Các sản phẩm chuyển hoá sinh học: các steroit, vitamin C, acrylamid  Các sản phẩm tái tổ hợp gen: các protein tái tổ hợp  Các biopolymer và biosurfactant:các polysaccarit ngoại bào (xanthan, alginat, gellan, cellulose) các chất hoạt động bề mặt (chất nhũ hoá, tạo gel, tạo bọt )
  46. 3.1.Sản xuất protein từ vi sinh vật tái tổ hợp Nguyên lý:  Tách dòng các gen mã hoá cho các protein cần sản xuất (hoc môn tăng trƣởng, insulin, interferon, )  Gài các gen này vào các vectơ biểu hiện thích hợp và chuyển các vectơ tái tổ hợp vào tế bào vi sinh vật (vi khuẩn, nấm men )  Nhân dòng và tạo sinh khối các vi sinh vật mang gen nêu trên bằng công nghệ lên men để chúng sản xuất các proteintái tổ hợp  Tách chiết, tinh sạch protein tái tổ hợp từ dịch nuôi cấy và sinh khối vi sinh vật chuyển gen
  47. Ví dụ: sản xuất hoc môn tăng trƣởng  T¸ch chiÕt mRNA - GH tõ c¸c tÕ bµo tuyÕn yªn ®ang ho¹t ®éng.  Tæng hîp ph©n tö DNA bæ sung (cDNA) nhê enzyme phiªn m· ng•îc (reverse transciptase) vµ DNA- polymerase  T¹o c¸c plasmid t¸i tæ hîp gi÷a gen m· ho¸ GH vµ plasmid pBR322.  BiÕn n¹p plasmid t¸i tæ hîp vµo vi khuÈn E.coli, nu«i cÊy t¹o sinh khèi ®Ó thu GH, sau ®ã t¸ch vµ tinh chÕ GH ®Ó t¹o chÕ phÈm.
  48. Sơ đồ công nghệ protein tái tổ hợp
  49. 3.2.Sản xuất vắc xin Vắc xin cổ điển:  Vắc xin vi khuẩn chết: ho gà, sốt thƣơng hàn  Vắc xin vi khuẩn bất hoạt: Bạch hầu, uốn ván  Vắc xin virus chết: bại liệt, quai bị, sởi, sốt vàng da, rubella  Vắc xin virus bất hoạt: cúm Vắc xin tái tổ hợp: Xem phần vắc xin tái tổ hợp trong chƣơng 3
  50. Ví dụ:quy trình sản xuất vắc xin tả uống .Vắc xin tả điều chế từ phẩy khuẩn tả (Vibrio cholerae hay Kommabacillus) là vắc xin toàn thân vi khuẩn đã đƣợc bất hoạt bằng formalin hay nhiệt độ. .Quy trình sản xuất vắc xin tả uống gồm các bƣớc sau: -Lựa chọn chủng sản xuất (4 đơn chủng tả) -Nhân chủng lần 1 và 2 trên môi trƣờn hạch máu -Nhân chủng lần 3 bằng nồi lên men 50 lit -Nuôi chủng thu sinh khối bằng nồi lên men 200-300 lit -Bất hoạt chủng bằng formalin hay nhiệt độ -Thu cặn đơn chủng bằng lọc hay li tâm -Pha vắc xin thành phẩm: hỗn hợp 4 chủng theo công thức -Đóng ống, đóng hộp, dán nhãn
  51. 2.3. Sản xuất axit amin  Axit amin đƣợc dùng rộng rãi làm chất dinh dƣỡng, tăng hƣơng vị, chống oxy hoá Hàng năm sản xuất khoảng 800.000 tấn axit amin với giá trị 5 tỷ đôla, trong đó 50% là axit glutamic  Dùng công nghệ lên men để sản xuất axit amin có lợi thế:  Hầu hết axit amin ở dạng L  Ít tốn kém về đầu tƣ trang thiết bị  Nguyên vật liệu dùng trong sản xuất rẻ tiền nên hạ đƣợc giá thành
  52. 3.3. Sản xuất axit amin (tiếp) Ví dụ:Công nghiệp sản xuất glutamat natri:  Chủng lên men:Corynebacterium glutamicum  Môi trƣờng lên men: nguồn nguyên liệu đƣợc dùng phổ biến hiên nay là rỉ đƣờng, tinh bột sắn đƣợc xử lý để tạo thành glucose nhờ amylase. Cần bổ sung nguồn nitơ để tạo tỷ lệ C/N là 100/15; một số chất khoáng dƣới dạng muối sulphat hay phosphat, vitamin biotin  Điều kiện lên men:  pH môi trƣờng: 7-8 0  Nhiệt độ thích hợp: 30-35 C  Chế độ thông khí: theo lý thuyết là 1mol Glucose + 2,33mol O2 0,82 mol glutamic + 1,94 mol CO2
  53. 3.4. Sản xuất các vitamin Vitamin B2 (Riboflavin):  Chủng sản xuất: nấm mốc Eremothecium ashbyii và Ashbya gossypii với năng suất đạt 20g/lit dịch  Có thể sản xuất vitamin B2 với năng suất thấp hơn khi sử dụng Clostridia và Candida  Hiện nay sử dụng các chủng Candida hay Bacillus subtilic tái tổ hợp cho hiệu suất siêu cao: 20-30g/lit
  54. 3.4. Sản xuất các vitamin (tiếp) Ví dụ:Sản xuất vitamin C (L-ascobic axit) nhờ kỹ thuật di truyền:  Vitamin C đƣợc tổng hợp thƣơng mại theo quy trình đắt tiền gồm lên men vi sinh, một số giai đoạn hoá học bắt đầu từ D-glucose và cuối cùng là chuyển hoá 2-keto-L-gluconic axit (2-KLG) thành L-ascobic axit nhờ axit.  Các tế bào Erwina đƣợc biến nạp gen 2,5 DKG reductase có thể chuyển hoá trực tiếp thành 2-KLG vì enzym nội bào của Erwina ở màng trong vi khuẩn chuyển glucose thành 2,5 DKG, sau đó 2,5 DKG reductase xúc tác chuyển 2,5 DKG thành 2-KLG
  55. 3.5.Chất kháng sinh  Chất kháng sinh đƣợc hiểu là các chất hoá học xác định, không có bản chất enzym, có nguồn gốc sinh học, có khả năng ức chế mạnh mẽ hay tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh  Việc khám phá ra penicilin của Fleming (1928) và sau đó sản xuất thành công penicilin bằng lên men(Florey và Chain, 1939) đã mở ra “kỷ nguyên vàng” của công nghệ sản xuất và sử dụng kháng sinh trong y học  Chất kháng sinh chiếm vị trí hàng đầu trong sản xuất công nghiệp các hợp chất trao đổi thứ cấp nhờ vi sinh vật. Hàng năm 100.000 tấn kháng sinh đƣợc sản xuât
  56. 3.5.Chất kháng sinh (tiếp)  Cơ chế tác động của mỗi chất kháng sinh có đặc điểm riêng phụ thuộc bản chất hoá học của chúng. Tuy nhiên, kiểu tác động thƣờng gặp là:  Làm rối loạn cấu trúc thành tế bào;  Làm rối loạn điều tiết chức năng vận chuyển chất của màngtế bào;  Ức chế sinh tổng hợp protein , ADN;  Làm thay đổi những giai đoạn nhất định trong các chuyển hoá trao đổi chất
  57. 3.5.Chất kháng sinh (tiếp)  Điều chỉnh sinh tổng hợp kháng sinh nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất đƣợc tập trung vào hai hƣớng: a)Tuyển chọn và tạo các chủng công nghiệp siêu tổng hợp chất kháng sinh:  Phân lập chủng tự nhiên  Tạo biến chủng có hoạt lực cao nhờ các kỹ thuật gây đột biến, dung hợp tế bào, tái tổ hợp ADN, biến nạp di truyền  Tuyển chọn, thu chủng có hoạt tính cao ở quy mô phòng thí nghiệm  Thử nghiệm và tuyển chọn lại trên quy mô sản xuất thử nghiệm  Thử nghiệm và chọn lọc chủng phù hợp với quy mô sản xuât công nghiệp
  58. 3.5.Chất kháng sinh (tiếp) b)Tối ƣu hoá thành phần môi trƣờng lên men, thiết bị lên men và điều kiện vận hành quá trình lên men:  Thành phần môi trƣờng và điều kiện tiến hành lên men thƣờng đƣợc bảo hộ dƣới dạng sáng chế độc quyền hay lƣu giữ nhƣ các bí mật thƣơng mại cho thấy ý nghĩa quyết định của các nhân tố này đối với hiệu quả sản xuất. Sự thay đổi các nhân tố này dẫn đến sự tăng cƣờng hay kìm hãm quá trình lên men  Quá trình sinh tổng hợp kháng sinh là quá trình chuyển hoá sinh học với sự tham gia của nhiều enzym. Do đó có thể điều chỉnh bằng tác động trực tiếp lên một giai đoạn hay một mắt xích trong quá trình này
  59. 3.5.Chất kháng sinh (tiếp)  Một số chủng vi sinh vật dùng trong công nghiệp sản xuất kháng sinh:  Penicilin notatum: sản xuất Penicilin G và aka- benzylpenicilin  Stretomyces fradiae: sản xuất Neomycin  Stretomyces griceus : sản xuất Streptomycin  Stretomyces erythreus: sản xuất Erythromycin  Cephalosphorium acremonium: sản xuất Cephalosporin  Tolypocladium inflatum: sản xuất Cycloporin
  60. 3.6.Thuốc trừ sâu sinh học  Từ vi khuẩn: Hiện nay có 3 loài vi khuẩn đƣợc dùng sản xuất chế phẩm diệt côn trùng là Bacillus thuringensis, Bacillus sphaericus và Bacillus popelliae, trong đó chế phẩm Bt đƣợc sử dụng phổ biến nhất  Từ virus: Có hàng trăm loại côn trùng khác nhau mẫn cảm với Baculovirus. Hơn nữa các virus này có vật chủ hạn chế và không có liên hệ sinh học với bất kỳ đông vật có xƣơng sống hay thực vật nào.Do đó, đây là tác nhân sinh học diệt côn trùng hiệu quả.
  61. 3.6.Thuốc trừ sâu sinh học (tiếp) Ví dụ: Sản xuất chế phẩm Bt  Nhân sinh khối  Lên men cấp 1: ống giống gốc đƣợc đƣa vào môi trƣờng lỏng với tỷ lệ 1: hoặc 1:10 để mật độ vi khuẩn đạt khoảng 1010 tế bào/ml. Nuôi lắc trong 48-72 giờ ở nhiệt độ 28 0C, tốc độ lắc 150-200v/ph  Lên men cấp 2: dịch lên men cấp 1 đƣợc pha trong môi trƣờng lỏng với tỷ lệ 1:10. Các điều kiện nuôi cấy tƣơng tự nhƣ trên. Tuỳ vào nhu cầu mà dung tích nồi lên men có thể từ 10- 106 lit
  62. 3.6.Thuốc trừ sâu sinh học(tiếp)  Xử lý sinh khối và tạo sản phẩm:  Tạo sản phẩm dạng bột: ly tâm vắt 300-5000v/ph trong 30-40 phút. Sản phẩm thu đƣợc trộn với tinh bột hay cao lanh để có đƣợc 1,73x108 bào tử/g chế phẩm  Tạo sản phẩm dạng sữa: sau khi ly tâm thu hồi sản phẩm đƣa vào nhũ tƣơng theo tỷ lệ nhƣ trên.  Môi trƣờng nuôi cấy(g/l):  Trypton: 3; NaHPO4 : 0,05;  Tryptose: 2; MnCl2 : 0,005.  cao nấm men:1,5; Nƣớc: 1000ml
  63. 3.7.Phân vi sinh Khái niêm  Phân bón sinh khối vi sinh vật là sản phẩm chứa một hoặc một số chủng vi sinh vật còn sống, tồn tại trên nền chất mang thích hợp. Mật độ vi sinh vật trong phân bón vi sinh phải đạt 109 tế bào/g chế phẩm.  Chất mang:thƣờng là môi trƣờng dinh dƣỡng cho VSV tồn tại và phát triển, thƣờng sử dụng là than bùn hay rác thải hữu cơ đã qua xử lý trộn với hỗn hợp với chất hữu cơ nhƣ: mùn trấu, mùn cƣa, cám gạo, bột ngô, bột đậu
  64. 3.7.Phân vi sinh (tiếp) Các dạng phân bón vi sinh:  Phân vi khuẩn cố định nitơ: VSV cố định nitơ: Rhizobium-vi khuẩn cộng sinh với rễ cây họ đậu; Azospirillum - cố định đạm tự do ở rễ lúa  Phân vi sinh phân giải phốt pho: VSV phân giải phốt pho: vi khuẩn Bacillus, Pseudomonas, , xạ khuẩn: Actinomices, Aspegillus  Phân vi sinh hỗn hợp: là loại phổ biến hiện nay. Chúng gồm nhiều chủng nhóm vi sinh vật có tác dụng phân huỷ lignocellulose, cố định nitơ không khí, phân giải các hợp chất phốt pho, vi khuẩn quang hợp,
  65. 3.8.Nhiên liệu sinh học Sản xuất ethanol nhiên liệu  Ethanol đƣợc coi là nhiên liệu sinh học nhằm thay thế nguồn năng lƣợng hoá thạch đang dần cạn kiệt  Chuyển hoá sinh khối thực vật thành ethanol nhiên liệu là vấn đề đƣợc tập trung nghiên cứu của CNSH hiện đại  Ethanol đƣợc sản xuất từ các nguyên liệu nhƣ tinh bột, rỉ đƣờng, phức hợp lignocllulose từ gỗ, phế thải nông lâm nghiệp nhờ các loài nấm men và một số vi khuẩn
  66. 3.8.Nhiên liệu sinh học (tiếp)  Các giống vi sinh vật lên men ethanol nhiên liệu:  Nấm men S. cerevisiae lên men các loại đƣờng glucose, fructose, galactose, maltose, maltriose, xylulose nhƣng khốngử dụng đƣờng xylose và không chịu đựng nồng độ cồn cao do vậy đã ứng dụng công nghệ gen để tạo chủng S. cerevisiae lên men đƣờng xylose làm tăng 40% sản lƣợng cồn khi lên men dịch thuỷ phân rơm rạ, bẹ ngô, bã mía  Vi khuẩn Zymomonas mobilis: lên men glucose thành ethanol với tốc độ nhanh hơn nấm men 3-4 lần, hiệu suất tạo ethanol đạt 97%. Nó có thể phát triển trong môi trƣờng tối thiểu không có hợp chất hữu cơ, không cần oxy Tuy nhiên nó chỉ lên men đƣợc glucose, fructose và saccarose
  67. IV.CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƢỜNG
  68. 4.1.Giới thiệu chung về Công nghệ sinh học môi trƣờng 4.1.1.Khái niệm về CNSH môi trƣờng
  69. 4.1.Giới thiệu chung về Công nghệ sinh học môi trƣờng 4.1.2.Vị trí của công nghệ sinh học môi trƣờng trong sinh thái
  70. 4.1.Giới thiệu chung về Công nghệ sinh học môi trƣờng 3.1.3.Phạm vi nghiên cứu
  71. 4.1.Giới thiệu chung về Công nghệ sinh học môi trƣờng  4.1.4.Vai trò của công nghệ sinh học môi trƣờng
  72. 4.2. Xử lý môi trƣờng bằng vi sinh vật và thực vật
  73. 4.2.1 SỰ Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG a)Khái niệm  Ô nhiễm môi trƣờng là vấn đề tổng hợp. Nó đƣợc xác định bằng sự biến đổi môi trƣờng không tiện nghi, bất lợi đối với cuộc sống con ngƣời, động vật, thực vật, vi sinh vật do các hoạt động của chính con ngƣời gây ra ở quy mô, mức độ và bằng các phƣơng thức khác nhau hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp làm thay đổi thành phần hóa học, tính chất vật lý và sinh học của môi trƣờng
  74. b)Phân loại ô nhiễm Có nhiều cách phân loại ô nhiễm môi trƣờng nhƣng phổ biến thƣờng phân loại theo 2 cách sau:  Theo đối tƣợng bị ô nhiễm: nƣớc, không khí, đất  Theo tác nhân gây ô nhiễm:  Các chất không phân hủy: kim loại nặng, các hợp chất clo hữu cơ, plastic  Các chất dễ phân hủy: cellulose, chitin, CO2, NOx có cơ chế biến đổi và đồng hóa trong tự nhiên nhƣng lƣợng thải vào môi trƣờng vƣợt quá khả năng đồng hóa tự nhiên  Để thuận lợi cho việc nghiên cứu ngƣời ta chia ô nhiễm môi trƣờng theo đối tƣợng bị ô nhiễm
  75. Ô nhiễm môi trƣờng đất  Ô nhiễm đất là các hiện tƣợng làm nhiễm bẩn môi trƣờng đất bằng các chất gây ô nhiễm. Ô nhiễm đất gây thay đổi thậm trí rối loạn cân bằng giữa các quần thể sinh vật đất, cân bằng của dòng tuần hoàn vật chất và năng lƣợng trong đất  Theo nguồn gốc phát sinh, đất ô nhiễm có thể chia thành các loại:  Ô nhiễm do chất thải sinh hoạt  Ô nhiễm do chất thải công nghiệp  Ô nhiễm do chất thải nông nghiệp  Theo tác nhân gây ô nhiễm có thể phân thành các loại:  Ô nhiễm do tác nhân hóa học  Ô nhiễm do tác nhân sinh học  Ô nhiễm do tác nhân vật lý
  76. Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc  Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc chủ yếu do các nguồn nƣớc thải.Dựa và tác nhân gây ô nhiễm có thể phân chia nhƣ sau:  Ô nhiễm hữu cơ: gây hiện tƣợng phì dƣỡng khiến việc thu nhận oxy chậm, sinh vật trong nguồn nƣớc bị ảnh hƣởng (thƣờng gặp ở nƣớc thải của các nhà máy sản xuất thực phẩm)  Ô nhiễm hóa học: axit, bazơ, các kim loại nặng, dầu, các chất hoạt động bề mặt, các hợp chất bảo vệ thực vật, phân bón hóa học Nguyên nhân:Nƣớc thải công nghiệp, lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hóa học trong sản xuất nông nghiệp  Ô nhiễm sinh học: chủ yếu là các sinh vật gây bệnh nhƣ các loại vi khuẩn, nấm, virus, giun, sán qua chất thải của của ngƣời và động vật, nƣớc thải bệnh viện, cơ sở chăn nuôi Ngoài ra, một số loại tảo, nhuyễn thể, giáp xác biến nƣớc tự nhiên thành nƣớc không thể xử dụng trong sinh hoạt do cản trở hệ thống xử lý
  77. Ô nhiễm môi trƣờng khí  Ô nhiễm không khí là hệ quả của việc đƣa vào không khí các chất khí, hơi, hạt rắn, hoặc các chất lạ vƣợt nồng độ cho phép  Nguồn gốc gây ô nhiễm không khí:  Nguồn ô nhiễm tự nhiên: sự hoạt động của núi lửa, các hiện tƣợng thiên tai  Nguồn ô nhiễm nhân tạo: đốt nhiên liệu trong sản xuất, giao thông, sinh hoạt; rò rỉ cuả các chất bay hơi, chất thải phóng xạ  Các tác nhân ô nhiễm chính:  Các oxyt: COx , NOx , SOx ; khí halogen: Cl, Br, I;  Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi: este, toluen, xylen ; hợp chất Flo  Chất lơ lửng: bụi đất đá, bụi kim loại nặng, sol khí, khói, phấn hoa  Chất phóng xạ  Tiếng ồn  Nhiệt
  78. c)Một số tác hại của ô nhiễm môi trƣờng đối với sinh thái Sự suy giảm tầng ozon  Ozon tập trung tại một lớp dày 15-30km thuộc tầng bình lƣu và là lớp chắn tia tử ngoại của bức xạ mặt trời  Hiện nay đã quan sát thấy sự suy giảm tầng ozon trên trái đất, đặc biệt là ở vùng cực. Sự suy giảm tầng ozon gây tăng lƣợng tia tử ngoại chiếu xuống mặt đất, gây ung thƣ da, phá hoại mùa màng và hệ sinh thái. Dự tính nếu giảm 10% lƣợng ozon thì sẽ tăng 20% bức xạ tử ngoại  Nguyên nhân chính gây hiện tƣợng trên là do hợp chất CFC (Clorofluoroa caccbon), CFM (Clorofluoroa metan) đƣợc dùng nhiều (làm chất trao đổi nhiệt trong công nghệ lạnh, dung môi mỹ phẩm, sơn, chất tẩy rửa ). Các chất này bị phân ly, tạo nguyên tử Cl tự do dƣới tác động của tia tử ngoại và một nguyên tử Cl tự do lấy nguyên tử Oxi, phá hủy 100.000 phân tử ozon
  79. c)Một số tác hại của ô nhiễm môi trƣờng đối với sinh thái (tiếp) Biến đổi khí hậu do hiệu ứng nhà kính  Bản chất của hiệu ứng nhà kính: nhiệt độ trái đất đƣợc tạo thành bởi sự cân bằng giữa năng lƣợng Mặt trời chiếu xuống và năng lƣợng bức xạ của Trái đất vào vũ trụ. Khi khí quyển có chứa các chất khí có khả năng hấp thụ hiệu quả bức xạ nhiệt của mặt đất nhƣ: CO2, CH4, N2O, CFC đã làm tăng nhiệt độ Trái đất.  Trái đất nóng lên dẫn đến biến đổi khí hậu toàn cầu, tăng mực nƣớc biển do tan băng, gia tăng thiên tai Do đó, tác động mạnh mẽ đến đơì sống con ngƣời và sự tồn tại, sinh trƣởng, phát triển của sinh vật
  80. Một số tác hại của ô nhiễm môi trƣờng đối với sinh thái (tiếp) Sự axit hóa môi trƣờng 2- -  Các chất (SOx) (NOx) thải vào trong khí quyển với nồng độ cao sẽ tạo hiện tƣợng mƣa axit do tạo thành axit sulfuaric và nitơric  Mƣa axit làm chua, gây phèn hóa đất và thay đổi tính chất hóa học của lƣu vực nƣớc gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến:  Thảm thực vật: thƣơng tổn bề mặt tế bào, rối loạn chức năng mô biểu bì, chức năng sinh sản, quá trình quang hợp, bay hơi nƣớc, làm chậm sự sinh trƣởng và tăng sự lão hóa  Sinh vật thủy sinh: thực, động vật phù du, tảo, nhuyễn thể, cá bị chết do thay đổi pH,dẫn đến mất cân bằng hệ sinh thái lƣu vực nƣớc
  81. Một số tác hại của ô nhiễm môi trƣờng đối với sinh thái (tiếp) Sự phú dƣỡng nƣớc ngọt  Là hiện tƣợng nƣớc trong lƣu vực (hồ, đầm ) chứa hàm lƣợng quá cao chất dinh dƣỡng vô cơ (P, N) và hữu cơ có nguồn gốc thực vật, làm thay đổi chất lƣợng nƣớc và và cấu trúc quần thể sinh vật nƣớc  Tác hại:  Tốc độ lắng tăng nhanh làm giảm tuổi thọ hồ  Do phân hủy hữu cơ làm tăng độ đục  Sinh khối một số loại thực vật (tảo), động vật () tăng đột biến gây cản trở lƣu thông nƣớc, thiếu hụt oxy trầm trọng, mất cân bằng sinh thái  Giảm đa dạng sinh học, thay đổi loài thống trị, mất loài đặc hữu  Không thể dùng làm nƣớc sinh hoạt  Nguyên nhân:  Phú dƣỡng hóa tự nhiên:xảy ra trong hàng nghìn năm, những hồ nƣớc trẻ nghèo dinh dƣỡng dần trở nên giàu dinh dƣỡng và nông hóa bởi sa lắng  Phú dƣỡng do tác động con ngƣời: nƣớc thải chứa chất thải của ngƣời, động vật; chứa bột giặt giàu phot pho; sự rửa trôi bề mặt đất nông nghiệp giàu phân bón N
  82. 4.2.2.Xử lý ô nhiễm bằng vi sinh vật a)Khái niệm  Xử lý ô nhiễm bằng vi sinh vật dựa trên quá trình loại bỏ tác nhân ô nhiễm bằng vi sinh vật. Vi sinh vật có thể sử dụng các chất gây ô nhiễm làm nguồn các bon, nguồn cho hay nhận điện tử của các quá trình trao đổi chất. Do đó, có thể phân hủy hay biến đổi độc tính của chất gây ô nhiễm  Các vi sinh vật, đặc biệt là các vi khuẩn, vi nấm và vi tảo đƣợc dùng trong một số lĩnh vực sau:  Xử lý nƣớc thải  Xử lý các chất thải rắn  Xử lý tràn dầu  Thu hồi kim loại 
  83. b) Xử lý nƣớc thải  Công nghệ sinh học ứng dụng trong xử lý nƣớc thải thƣờng là công nghệ hiếu khí, thiếu khí và kị khí. Loại hình công nghệ hiếu khí đang đƣợc sử dụng hiện nay trên thế giới là bể phản ứng sinh học hiếu khí, mƣơng oxy hoá, lọc sinh học.  Phƣơng pháp xử lý hiếu khí đƣợc ứng dụng rộng rãi. Ƣu điểm: không sinh ra mùi khó chịu, thời gian xử lý ngắn, hiệu quả xử lý cao. Tuy nhiên chi phí cho xây lắp và vận hành cao, tạo ra nhiều bùn thải.
  84. b)Xử lý nƣớc thải (tiếp)  Phƣơng pháp kị khí tạo ra ít bùn và chi phí thấp hơn 2- 3 lần phƣơng pháp hiếu khí. Ƣu điểm: thu đƣợc khí sinh học-đƣợc xếp vào loại năng lƣợng xanh (1kg BOD có thể thu đƣợc từ với 0,5 m3 - 0,7 m3 khí sinh học). Phƣơng pháp này này đang đƣợc áp dụng để xử lý nƣớc thải có độ ô nhiễm hữu cơ cao  Công nghệ kết hợp các modul hiếu khí- kị khí - thiếu khí đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ tại Nhật Bản để xử lý nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc thải giàu nitơ (nƣớc thải giết mổ gia súc gia cầm, nƣớc thải chế biến thuỷ sản, nƣớc thải chăn nuôi)  Lọc sinh học lần đầu tiên đƣợc áp dụng ở Mỹ năm 1891và ở Anh năm 1893. Lọc sinh học là quá trình xử lý dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxi hoá các chất bẩn hữu cơ có trong nƣớc.
  85. Tháp lọc sinh học XLNT Bệnh viện ĐK Tuyên Quang Trạm xử lý nước thải tại nhà máy bia Hương Sen
  86. Sử dụng vi tảo để xử lý kim loại nặng trong nƣớc thải  Nhiều loại sinh khối có thể hấp thu kim loại nặng trong nƣớc, trong số đó có sinh khối vi tảo. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng sinh khối sống và chết của các loại vi tảo để hấp thu kim loại nặng có những ƣu thế đặc biệt:  Nhiều loại vi tảo có khả năng thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao, nồng độ kim loại nặng tích lũy bên trong các cấu trúc tế bào của chúng có thể cao gấp hàng nghìn lần nồng độ trong tự nhiên.  Diện tích bề mặt riêng của sinh khối vi tảo vô cùng lớn làm cho chúng rất hiệu quả trong việc loại trừ và tái thu hồi kim loại nặng trong nƣớc thải.  Sự hấp thu sinh học các ion kim loại nhờ tảo tốt hơn so với sự kết tủa hóa học ở khả năng thích nghi với sự thay đổi pH và nồng độ kim loại nặng; tốt hơn phƣơng pháp trao đổi ion và thẩm thấu ngƣợc ở khả năng nhạy cảm với sự hiện diện của chất rắn lơ lửng, các chất hữu cơ, và sự hiện diện của các kim loại khác.
  87. Sử dụng vi tảo để xử lý kim loại nặng trong nƣớc thải (tiếp)  Có khả năng xử lý với một thể tích lớn nƣớc thải với tốc độ nhanh.  Có tính chọn lọc cao nên nồng độ kim loại nặng còn lại sau xử lý sinh học có thể chỉ còn thấp hơn 1ppm trong nhiều trƣờng hợp.  Hệ thống xử lý sinh học không cần các thiết bị hóa chất đắt tiền, dễ vận hành, phù hợp với các điều kiện hóa lý khác nhau nên giá thành thấp (chỉ bằng khoảng 1/10 giá thành của phƣơng pháp trao đổi ion).  Trong hoạt động quang hợp của mình, vi tảo còn thu nhận một lƣợng lớn khí CO2, các muối dinh dƣỡng, có tác dụng làm giảm hiệu ứng nhà kính, ngăn ngừa và khắc phục tình trạng phì dƣỡng (eutrophication) của môi trƣờng nƣớc.  Chính vì thế vi tảo có thể là một lựa chọn đơn giản và hiệu quả để loại trừ kim loại nặng trong nƣớc thải công nghiệp.
  88. c)Xử lý chất thải hữu cơ rắn  Ứng dụng CNSH để xử lý chất thải hữu cơ rắn là phƣơng pháp ủ hiếu khí hay kị khí nhằm tạo ra khí sinh học làm chất đốt và sản phẩm phân bón phục vụ nông nghiệp  Nhiều chế phẩm vi sinh vật chứa các vi sinh vật hữu hiệu đƣợc sản xuất để ứng dụng vào lĩnh vực này để thúc đẩy nhanh qúa trình xử lý rác thải sinh hoạt, xử lý bùn ao nuôi thuỷ sản, xử lý các phế thải hữu cơ rắn từ công nghiệp thực phẩm.  Ủ kị khí là biện pháp đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp và có thể thu khí metan làm chất đốt đƣợc sử dụng rộng rãi với quy mô nhỏ ở các nƣớc đang phát triển.  Ủ hiếu khí là biện pháp đang đƣợc sử dụng ở nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ Newzeland, Mỹ, Ấn Độ, Đức, Nhật Bản Ƣu điểm: phân huỷ nhanh, tiết kiệm đƣợc diện tích chôn lấp và có thể tận dụng mùn làm phân bón.
  89. c)Xử lý chất thải hữu cơ rắn (tiếp) Xử lý chất thải và sản xuất năng lƣợng  Chất thải hữu cơ trong sinh hoạt và của sản xuất nông nghiệp đƣợc xử lý bằng các vi sinh vật bằng lên men yếm khí để sản xuất khí sinh học (biogas)  Ƣu điểm của phƣơng pháp này là chuyển hoá chất thải hữu cơ thành các chất khí, chủ yếu là khí metan cho nhiệt lƣợng cao dùng làm chất đốt, phế thải sau khi lên men hữu cơ đƣợc dùng làm phân bón hữu cơ có hàm lƣợng dinh dƣỡg cao cho trồng trọt  Hạn chế của phƣơng pháp là cần thết kế bể ủ kị khí và hệ thống thu hồi khí sinh học khá phức tạp nên đầu tƣ ban đầu tốn kém. Hơn nữa khó lấy các chất thải sau khi lên men
  90. c)Xử lý chất thải hữu cơ rắn (tiếp) Xử lý hiếu khí chất thải hữu cơ làm phân bón:  Phƣơng pháp ủ đống, có đảo trộn: đơn giản nhƣng mất vệ sinh, gây ô nhiễm nguồn nƣớc và không khí bởi khí và dịch thải trong quá trình lên men  Phƣơng pháp ủ đống, không đảo trộn và có thổi khí: quá trình lên men nhanh hơn, nhiệt đọ lên men ổn định và it gây ô nhiễm môi trƣờng  Phƣơng pháp lên men trong các thiết bị chứa có thổi khí: quá trình lên men nhanh, lƣợng dịch thải và khí sinh ra trong quá trình lên men đƣợc kiểm soát nên giảm thiểu tối đa việc gây ô nhiễm môi trƣờng
  91. Xử lý phế thải nông nghiệp thành thức ăn cho bò sữa (Nhật Bản) Nhà máy xử lý chất thải (Nhật) Xử lý chất thải chăn nuôi thành phân bón (Nhật Bản)
  92. d) Xử lý sự cố tràn dầu .Công nghệ xử lý sự cố tràn dầu hoặc các hydrocacbon khác bằng phƣơng pháp sinh học đã đƣợc phát triển khi sử dụng chế phẩm là các vi sinh vật phân hủy dầu gắn vào chất mang đặc biệt. .Phƣơng pháp xử lý này rất thích hợp cho những bờ biển cát và đá bị ô nhiễm cũng nhƣ những vùng đất bị ô nhiễm hydrocacbon. .Sử dụng vi sinh vật để xử lý ô nhiễm dầu trong đất là phƣơng pháp hiệu quả đang đƣợc ứng dụng rộng rãi. Vi khuẩn Alcanivorax-borkumensis có khả năng ăn hết các vết dầu
  93. d)Xử lý sự cố tràn dầu (tiếp) Trong khi nghiên cứu sự phân tán của hàng triệu lít dầu tràn vào vùng vịnh Mexico do vụ nổ giàn khoan Deepwater Horizon của Tập đoàn BP hồi tháng 4, các nhà khoa học tại Phòng Thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của Mỹ đã phát hiện một loại vi khuẩn sinh sôi nảy nở với tốc độ rất lớn và đang ăn những lớp dầu dƣới mặt nƣớc. Qua thu thập hơn 200 mẫu nƣớc tại 17 vị trí dƣới tầng nƣớc sâu nơi có dầu tràn (do hầu hết dầu đã lắng xuống các tầng nƣớc sâu bên dƣới), các nhà khoa học đã phát hiện chủng vi khuẩn thống trị các mẫu nƣớc có dầu là một loài vi khuẩn hoàn toàn mới. Chúng sống trong tầng nƣớc sâu gần đáy biển nơi có nhiệt độ trung bình vào khoảng 5 độ C. Loại vi khuẩn này không giống với những chủng loại vi khuẩn trƣớc đây vì chúng không tiêu thụ nhiều oxy. Đây là một tín hiệu tốt bởi nhiều nhà khoa học đã từng lo ngại việc ăn dầu của các loại vi khuẩn có thể tiêu thụ một lƣợng lớn oxy, từ đó tạo nên những "vùng biển chết" gây nguy hiểm cho cuộc sống của các loài sinh vật trong vịnh Mexico.
  94. e) Xử lý các chất hóa học khó phân hủy  Các chất hóa học khó phân hủy là những hợp chất hóa học sản sinh ra do các hoạt động công nghiệp của con ngƣời. Chúng bền vững trong môi trƣờng, có khả năng tích tụ sinh học qua chuỗi thức ăn, lƣu trữ trong thời gian dài, có khả năng phát tán xa từ các nguồn phát thải và tác động xấu đến sức khỏe con ngƣời và hệ sinh thái. Chúng nằm trong 2 nhóm chính là:  Hoá chất bảo vệ thực vật: DDT, Toxaphene, Dieldrin, Eldrin, Heptaclo  Hoá chất dùng trong công nghiệp: PCBs ( Polychlorinated Bi-phenyls), HCB (Hexacloruabenzen), Dioxin và Furan
  95. e) Xử lý các chất hóa học khó phân hủy (tiếp)  Do tính chất độc hại nguy hiểm đối với sức khoẻ con ngƣời, lại là những chất khá phổ biến đƣợc gây ô nhiễm môi trƣờng nên ngày 22/05/2001 tại Stockholm (Thuỵ Điển), 92 quốc gia đã ký công ƣớc về các chất gây ô nhiễm hữu cơ khó phân huỷ (POPs), thƣờng đƣợc gọi là công ƣớc Stockholm.  Ngày 22/07/2002, Việt Nam đã trở thành quốc gia thứ 14 trên thế giới phê chuẩn công ƣớc này. Công ƣớc Stockholm nhằm giảm thiểu và loại bỏ 12 chất POPs nguy hiểm nhất từng đƣợc sản xuất và sử dụng trƣớc đây ra khỏi cuộc sống của nhân loại.  Một trong những phƣơng pháp hữu hiệu và rẻ tiền để xử lý các hóa chất khó phân hủy là sử dụng các vi sinh vật
  96. Tại San Francisco (Mỹ), ngƣời ta đã thành công trong việc dùng vi khuẩn để chống ô nhiễm chất trichloréthylène trên mặt biển. Ở bang Michigan, một phòng thí nghiệm khẳng định đã phân lập đƣợc loại vi khuẩn có khả năng “tiêu hóa” chất pyralène của các máy biến áp. Hơn thế nữa, tổ hợp chemie AG của Đức cho hay, đã nắm giữ đƣợc công thức hỗn hợp vi khuẩn và nấm có khả năng làm phân rã chất độc dioxin. Ngƣời Nhật thì lại phát hiện ra một loại nấm biết “nhấm nháp” cao su.
  97. g)Xử lý ô nhiễm môi trƣờng bằng vi sinh vật biến đổi di truyền  Vi sinh vật biến đổi gen (Genetically Modified Microorganisms - GMMs) đƣợc định nghĩa là vi sinh vật mang thông tin di truyền đƣợc biến đổi bằng công nghệ sinh học hiện đại nhƣ biến nạp (transformation), tiếp hợp (conjugation) và tải nạp (transduction), không thông qua các cơ chế tự nhiên.  Các vi sinh vật biến đổi gen (GMMs) ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp và môi trƣờng, kể cả trị liệu sinh học các chất độc tố và kiểm soát sinh học các bệnh thực vật.  Nhiều chủng vi khuẩn chuyển gen đã đƣợc dùng trong xử lý các chất thải hoá học độc hại khó phân huỷ (bảng sau)
  98. Một số chủng vi khuẩn chuyển gen dùng xử lý chất thải hoá học Vi sinh vật chuyển gen Chất ô nhiễm Tài liệu tham khảo Pseudomonas sp. B13 mono/dichlorobenzoates REINEKE and KNACKMUSS,1979,1980 P.putida 4-ethylbenzoate RAMOSet al.,1987 P.putida KT2442 toluene/benzoate PANKEet al.,1998 Pseudomonas sp. FR1 chloro-,methylbenzoates ROJOet al.,1987 Comamonas testosteroni VP44 o-,p-monochlorobiphenyls HRYWNAet al.,1999 Pseudomonas sp. LB400 PCB ERICKSON and MONDELLO,1993 E.coli JM109 (pSHF1003) PCB,benzene,toluene KUMAMMRUet al.,1998 P.pseudoalcaligenes KF707- TCE,toluene,benzene SUYAMAet al.,1996 D2 E.Coli FM5/pKY287 TCE,toluene WINTERet al.,1989
  99. 4.2.3.Xử lý môi trƣờng bằng thực vật Khái niệm chung  Khả năng làm sạch môi trƣờng của thực vật đã đƣợc biết từ thế kỷ XVIII bằng các thí nghiệm của Joseph Priestley, Antoine Lavoissier, Karl Scheele và Jan Ingenhousz.  Tuy nhiên, mãi đến những năm 1990 phƣơng pháp này mới đƣợc nhắc đến nhƣ một loại công nghệ mới dùng đề xử lý môi trƣờng đất và nƣớc bị ô nhiễm bởi các kim loại, các hợp chất hữu cơ, thuốc súng và các chất phóng xạ
  100. Khái niệm chung (tiếp)  Các lĩnh vực nghiên cứu liên quan bao gồm công nghệ đất ngập nƣớc, công nghệ xử lý tràn dầu và các loại thực vật tích luỹ kim loại nặng.  Hiện nay, để tăng cƣờng hiệu quả xử lý ô nhiễm bằng thực vật, CNSH đã và đang tạo ra các loài thực vật mới thông qua công nghệ tái tổ hợp di truyền.
  101. c)Xử lý ô nhiễm kim loại nặng  Phƣơng pháp xử lý ô nhiễm bằng thực vật có tính khả thi cao để xử lý các vùng đất bị ô nhiễm kim loại nặng. Kết quả thăm dò địa chất trên cả nƣớc cho thấy có khoảng 5.000 mỏ và điểm quặng, trong đó có khoảng 1.000 mỏ đã và đang đƣợc khai thác. Riêng diện tích đất đã ngừng khai thác lên tới 3.749ha. Tuy nhiên, rất ít vùng đất sau khi khai thác đƣợc hoàn thổ, hoặc chất lƣợng kém, không đáp ứng cho việc canh tác.  Nghiên cứu sử dụng thực vật để xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng ở các vùng khai thác khoáng sản.Các nhà nghiên cứu cũng thu thập 157 loài thực vật trên các bãi thải quặng và các vùng phụ cận. Qua đó, chọn lọc đƣợc 33 loài cây có thể sống đƣợc trên nền đất ô nhiễm kim loại nặng cao.
  102. c)Xử lý ô nhiễm kim loại nặng (tiếp)  Kết quả phân tích cho thấy:  Có 2 loài thuộc họ dƣơng xỉ (tên khoa học là Pteris vittata và Pityrogramma calomelanos) và cỏ màn trầu (tên khoa học là Eleusine indica) có khả năng tích lũy kim loại nặng, hàm lƣợng asen lên đến 5.876ppm và trong rễ là 2.642ppm.  Cỏ màn trầu có thể đƣợc sử dụng nhƣ giải pháp phục hồi cho những vùng đất bị ô nhiễm chì và kẽm.  Cỏ vetiver cũng có khả năng chống chịu vùng ô nhiễm chì rất cao (trồng thí nghiệm trong đất nhiễm từ 1.400ppm đến 2.530ppm, cỏ vẫn phát triển tốt).
  103. Hiệu quả kinh tế Năm 1998, Cục môi trƣờng Châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh tế của các phƣơng pháp xử lý kim loại nặng trong đất bằng phƣơng pháp truyền thống và phƣơng pháp sử dụng thực vật tại 1.400.000 vị trí bị ô nhiễm ở Tây Âu, kết quả cho thấy chi phí trung bình của phƣơng pháp truyền thống trên 1 hecta đất từ 0,27 đến 1,6 triệu USD, trong khi phƣơng pháp sử dụng thực vật chi phí thấp hơn 10 đến 1000 lần
  104. Ví dụ về xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng thực vật ở Việt nam Thử nghiệm khả năng xử lỹ kim loại nặng trong đất bằng thực vật tại khu trại thí nghiệm Viện Công nghệ môi trường Sủ dụng thực vật để xử lý ô nhiễm đất, nhất là ô nhiễm kim loại nặng là một hướng đi khá thành công và mang lại hiệu quả cao Tại Đại từ Thái Nguyên Cỏ vetiver là 1 trong 5 loài thực vật được trồng để hút kim loại nặng
  105. d)Ƣu điểm và hạn chế của xử lý ô nhiễm bằng thực vật
  106. d)Ƣu điểm và hạn chế của xử lý ô nhiễm bằng thực vật
  107. e)Xử lý ô nhiễm môi trƣờng bằng thực vật biến đổi di truyền  Ở Mỹ, ngƣời ta đang đƣa vào sử dụng các loại cây trồng và cỏ đƣợc chuyển đổi gen để khử các loại hoá chất độc, chất gây nổ , đây là phƣơng án mang tính khả thi, dễ làm và có chi phí thấp so với những phƣơng án khử ô nhiễm truyền thống  Dự án này đƣợc thực hiện bởi một nhóm các chuyên gia ở đại học tổng hợp Washington Mỹ (UOW) đứng đầu là bà Sharon Doty.  Trọng tâm của nghiên cứu này là dùng cây trồng để làm sạch các chất ô nhiễm rẻ hơn gấp 10 lần so với các công nghệ khác, đặc biệt là không gây hại, gây phá huỷ và để lại các phản ứng phụ.
  108. e)Xử lý ô nhiễm môi trƣờng bằng thực vật biến đổi di truyền (tiếp)  Các thí nghiệm cho thấy những loại cây thông, bạch dƣơng biến đổi gen có thể làm sạch tới trên 91% hoá chất trichloroethylene, hoá chất rất phổ biến gây ô nhiễm nguồn nƣớc ngầm tại Mỹ hiện nay. Trong khi đó các loại thông, bạch dƣơng nếu không qua kỹ thuật chuyển đổi gen chỉ đạt mức không quá 3%.  Thông, bạch dƣơng đã qua chuyển đổi gen tạo ra rất nhiều loại enzyme và có cƣờng độ làm việc mạnh hơn, nhanh hơn trong việc bẻ gãy các phân tử độc hại thành các sản phẩm phụ vô hại với tần suất cao hơn 100 lần so với những loại cây trồng thông thƣờng.  Ngoài việc khử tricholoroethylene, cây trồng đã qua chuyển đổi gen còn có tác dụng khử loại độc tố khác nhƣ choloroform có trong nƣớc, carbon tetrachloride, vinyl chloride- hợp chất thƣờng đƣợc dùng trong sản xuất nhựa plastic, gây ung thƣ rất mạnh.
  109. e)Xử lý ô nhiễm môi trƣờng bằng thực vật biến đổi di truyền (tiếp)  Các chuyên gia ở UOW còn phối hợp với nhóm đề tài ở Đại học York của Anh tạo ra những loại cây trồng có thể khử đƣợc các chất gây nổ độc hại hay còn đƣợc gọi là chất RDX, một loại hợp chất có thể gây nhiễm độc cả nguồn đất lẫn nguồn nƣớc và tự nó rất khó phân huỷ trong môi trƣờng tự nhiên.  Qua nghiên cứu nhóm đề tài đã tìm ra một loại khuẩn có thể bẻ gãy RDX . Các nhà khoa học đã tách đƣợc các gen khử độc và đƣa nó vào cây mù tạc (Arabidopsis thaliana), giống cây chuyển gen này có khả năng làm sạch các chất RDX nhanh hơn rất nhiều so với các loại cây trồng truyền thống. Có thể bẻ gãy nhanh RDX thành các chất metalotes không độc và sử dụng các chất này giống nhƣ nguồn đạm nitơ.  Dự kiến tới đây ngƣời ta sẽ lai tạo một số loại cây trồng khác nhƣ thông, các loại cỏ có mang gen này giống nhƣ cải xoong để trồng ở những nơi có nguồn ô nhiễm RDX cao.