Bài 22: Vai trò và ứng dụng của vi sinh vật

I. Vai trò của vi sinh vật

- Đối với tự nhiên:

• Phân giải chất thải và xác sinh vật thành chất khoáng, đảm bảo vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên, làm giàu chất dinh dưỡng cho đất.

• Vi sinh vật tự dưỡng tạo ra O₂ và chất dinh dưỡng cung cấp cho các sinh vật tự dưỡng.
• Cộng sinh với nhiều loài sinh vật, đảm bảo sự tồn tại và phát triển của các loài đó trong tự nhiên.

 

- Đối với con người:

• Phân giải các chất thải, đặc biệt là các chất thải độc hại như nhựa, hoá chất nhân tạo, chất phóng xạ,...
• Cộng sinh trong cơ thể người giúp tăng cường miễn dịch, tiêu hoá; tổng hợp một số vitamin, amino acid không thay thế.
• Sử dụng trong chế biến thực phẩm, sản xuất thuốc kháng sinh, vitamin,... trên quy mô công nghiệp.

II. Một số ứng dụng của vi sinh vật

1. Cơ sở khoa học của việc ứng dụng vi sinh vật trong thực tiễn

- Kích thước hiển vi: Vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé, dao động từu 0,2 μm tới hơn 700 μm và chỉ có thể quan sát được dưới kính hiển vi.

- Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh: Tỉ lệ S/V lớn cho phép tốc độ trao đổi chất trên mỗi đơn vị thể tích của vi sinh vật cao hơn nhiều so với các cơ thể có kích thước lớn.

- Tổng hợp và phân giải các chất nhanh: Sử dụng vi sinh vật trong công nghiệp và nghiên cứu có thể thu được sản lượng rất lớn trong một khoảng thời gian ngắn.

- Đa dạng về di truyền: Do tốc độ sinh sản nhanh, tốc độ đột biến lớn, khả năng tái tổ hợp di truyền và lịch sử tiến hoá lâu dài nên vi sinh vật có sự đa dạng di truyền rất lớn.

- Phổ sinh thái và dinh dưỡng rộng: Vi sinh vật có thể được tìm thấy ở tất cả những môi trường có thể có, trong đó bao gồm cả môi trường nuôi cấy thí nghiệm, trong bình lên men công nghiệp và các điều kiện nhân tạo khác.

2. Ứng dụng của công nghệ vi sinh

a. Trong nông nghiệp

- Nhiều loại vi sinh vật có khả năng cố định N₂ trong không khí thành NH₃ làm giàu đạm cho đất, biến lân khó tiêu thành lân dễ tiêu, giúp cây trồng hấp thụ lân dễ dàng hơn; phân giải mùn và các chất hữu cơ trong đất thành chất khoáng vô cơ mà cây có thể hấp thụ được; tiết ra chất kích thích tăng trưởng, polysaccharide hay chất kháng sinh giúp cây sinh trưởng, phát triển tốt hơn, giữ ẩm cho đất và ức chế mầm bệnh cho cây trồng.

→ Vi sinh vật được sử dụng để sản xuất phân bón vi sinh giúp tăng đáng kể năng suất cây trồng, cải tạo đất và không gây ô nhiễm môi trường.

- Một số vi sinh vật có khả năng ức chế sự phát triển của sâu, bệnh gây hại cho cây trồng cũng được sử dụng để sản xuất ra thuốc trừ sâu vi sinh thay cho thuốc trừ sâu hoá học.

b. Trong chế biến thực phẩm

- Khả năng phân giải ngoại bào của vi sinh vật được ứng dụng nhiều trong công nghiệp chế biến thực phẩm. 

- Quá trình phân giải của vi sinh vật còn được ứng dụng để sản xuất các sản phẩm như nước tương, nước mắm, xì dầu.

c. Trong y dược

- Các sản phẩm trao đổi chất ở vi sinh vật được ứng dụng trong lĩnh vực y dược để sản xuất thuốc kháng sinh, vaccine, các amino acid, protein đơn bào, hormone, probiotics và nhiều chế phẩm sinh học có giá trị.

d. Trong xử lí chất thải

- Trong các khu xử lí nước thải, có những bể xử lí sinh học bao gồm bể hiếu khí, bể thiếu khí và bể kị khí với những hệ vi sinh vật riêng. Tại đó, các chất thải trong nước được vi sinh vật chuyển hoá thành methane (CH₄), carbon dioxide (CO₂) và chất lắng không phân huỷ. 

- Ở quy mô gia đình, chất thải chăn nuôi có thể được thu gom vào các bể kín và được phân giải bởi các Archaea sinh methane để tạo ra khí biogas dùng làm chất đốt cho gia đình.

- Công nghệ vi sinh vật cũng mở ra cuộc cách mạng trong ngành sản xuất bột giặt và ngành công nghiệp thuộc da. Các enzyme amylase, lipase, protease do các vi sinh vật sinh ra được bổ sung vào bột giặt sinh học giúp tẩy sạch các vết bẩn khó sạch. Các enzyme đó cũng giúp cho việc xử lí da được triệt để, góp phần nâng cao hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

III. Một số thành tựu và triển vọng của công nghệ vi sinh vật trong tương lai

1. Một số thành tựu của công nghệ vi sinh vật

- Công nghệ lên men:

• Thức ăn chăn nuôi.
• Bia, rượu, sữa chua,...

- Công nghệ thu hồi sản phẩm:

• Thuốc bảo vệ thực vật sinh học.
• Thuốc kháng sinh, vaccine.
• Chế phẩm xử lí chất thải rắn và nước thải.
• Phân vi sinh.
• Acid và dung môi hữu cơ.

2. Triển vọng của công nghệ vi sinh vật trong tương lai

- Công nghệ vi sinh vật đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Sự kết hợp giữa công nghệ vi sinh hiện đại, công nghệ nano, công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo có thể mở ra những mô hình công nghệ mới và trở thành xu thế trong tương lai.

- Những vấn đề lớn về công nghệ vi sinh vật đang được nghiên cứu trên thế giới bao gồm nghiên cứu hệ vi sinh vật Trái Đất và nghiên cứu hệ vi sinh vật con người. Những nghiên cứu này mở ra nhiều hướng ứng dụng mới có giá trị to lớn đối với mọi mặt của đời sống con người, trong đó có những hướng phát triển mới chưa từng có như nghiên cứu sản xuất ra điện từ những loại vi khuẩn có thể sản sinh ra điện năng hay xử lí vết nứt bê tông cho các công trình xây dựng bằng các vi sinh vật.

3. Một số ngành nghề liên quan đến công nghệ vi sinh vật và triển vọng phát triển của ngành nghề đó

- Trong tương lai, công nghệ vi sinh vật sẽ không ngừng được cải tiến và phát triển trên quy mô lớn nhằm khai thác tối đa lợi ích của vi sinh vật.

- Sự phát triển của công nghệ vi sinh vật kéo theo sự phát triển và xuất hiện của nhiều ngành nghề liên quan như:

Công nghiệp thực phẩm	Công nghiệp dược phẩm
Lĩnh vực y tế	Lĩnh vực môi trường

1. Đối với con người, vi sinh vật tác động theo hai hướng có lợi và có hại. Vi sinh vật có lợi sống cộng sinh trong cơ thể người cạnh tranh với vi sinh vật gây bệnh giúp nâng cao khả năng kháng bệnh, hỗ trợ tiêu hoá,... Con người còn sử dụng các vi sinh vật có lợi trong chế biến thực phẩm, làm thuốc, tổng hợp các loại vitamin mà con người không tự tổng hợp được,... Trong khi đó, nhiều loài vi sinh vật có hại gây bệnh cho con người, vật nuôi, cây trồng đồng thời làm hỏng thức ăn, đồ uống, đồ dùng,...

2. Công nghệ vi sinh vật đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Sự phát triển của công nghệ vi sinh vật kéo theo sự xuất hiện và phát triển của nhiều ngành nghề có liên quan, mở ra nhiều cơ hội nghề nghiệp mới đầy hứa hẹn trong tương lai.

3. Dựa trên các đặc điểm sinh học của vi sinh vật như sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh, hình thức dinh dưỡng đa dạng, quá trình tổng hợp và phân giải các chất có nhiều lợi ích, con người đã ứng dụng vào thực tiễn thông qua hai công nghệ then chốt là công nghệ lên men vi sinh vật và công nghệ thu hồi và tạo sản phẩm để tạo ra các sản phẩm có giá trị trong nhiều lĩnh vực đời sống như chế biến thực phẩm, nông nghiệp, y học, môi trường.