Sinh học - Chương V: Công nghệ sinh học vi sinh và môi trường
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Sinh học - Chương V: 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:
- sinh_hoc_chuong_v_cong_nghe_sinh_hoc_vi_sinh_va_moi_truong.pdf
Nội dung text: Sinh học - Chương V: Công nghệ sinh học vi sinh và môi trường
- CHƢƠNG V. CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI SINH & MÔI TRƢỜNG
- Khái niệm về CNSH vi sinh • CNSH vi sinh hay vi sinh vật học công nghiệp bao gồm sự sử dụng các vi sinh vật trong việc sản xuất thựuc phẩm hay các sản phẩmcông nghiệp.
- KHÁI NiỆM CNSHSHMT 3 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- 4 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- ĐỊNH NGHĨA 5 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Vi sinh vật thuộc 3 nhóm Eubacteria Archaebacteria Eukaryota (Bacteria) (Archaea) (Eukaryotes)
- Vi khuẩn (Eubacteria) • Là các prokaryote Gram-negative và gram-positive • có thể dạng tự dưỡng (autotrophs) hoặc dị dưỡng (heterotrophs) • Có thể sống hiếu khí hoặc yếm khí (aerobic or anaerobic) • Ví dụ: E. coli Lactobacillus Agrobacterium Staphylococcus
- Vi khuẩn cổ (Archea) • Thuộc nhóm cổ xưa nhưng mới được phát hiện gần đây • Qua phân tích DNA: khác đáng kể so với vi khuẩn thật • Tìm thấy ở những khu vực sinh thái có điều kiện sống khắc nghiệt (Extremophiles) Thermophiles 50- 110°C Psychrophiles 0- 20°C Alkaliphiles pH>9 Halophiles 3- 20% salt Methanogens use H2 + CO2 to produce CH4
- Eukaryotes Chủ yếu là nhóm nấm men, nấm mốc, sinh vật nguyên sinh, tảo (yeasts/molds, protists, algae) Các tế bào có dạng túi, hình thành nên các bào tử giới tính Ví dụ: Sacchromyces Penicillium Aspergillus Pichia
- Các ứng dụng thƣơng mại của vi sinh vật • Sản xuất các sản phẩm • Chuyển hóa sinh học/ xúc tác sinh học (Bioconversion/Biocatalysis) •Nông nghiệp •Xử lý ô nhiễm
- Lên men (Fermentation) là một quá trình sản xuất các sản phẩm hữu ích thông qua nuôi cấy sinh khối các tế bào đơn Sản phẩm cuối cùng hoặc các sản phẩm trung gian (các chất trao đổi) đƣợc thu hồi và tính sạch cho các mục đích sử dụng thƣơng mại Fermenter or Bioreactor stirred tank reactor
- 15 000L Fermenter 1000L Disposable Bag
- Loại các sản phẩm được sản xuất từ vi sinh vật •Amino Acids •Vitamins •Food Additives •Enzymes •Recombinant Protein Drugs •Antibiotics •Fuels •Plastics
- Các ví dụ về các protein biểu hiện ở vi khuẩn Enzyme: chymosin - the enzyme used to curdle milk products Hormone: bST - bovine somatotropin; used to increase milk production
- Ví dụ 1928: Alexander Fleming discovered the first antibiotic. He observed that Penicillium fungus made an antibiotic, penicillin, that killed S. aureus. 1940s: Penicillin was tested clinically and mass produced. Original Penicillium moulds produced less than 10 units of penicillin per ml of fermentation broth (1943) By 1955 Penicillium strains produced 8000 units/ml Mutation with UV, mustard gas, and X-Ray, strain selection / culture improvement Is this GMO?
- Các vi sinh vật đƣợc biến đổi nhƣ thế nào? • Chọn lọc nhân tạo (Artifical Selection) • DNA tái tổ hợp (Recombiant DNA) • Cải biến các quá trình đồng hóa (Metabolic Engineering)
- Recombinant DNA Microbes Vi sinh vật biến đổi gen được tạo ra khi cDNAs mã hóa cho các sản phẩm protein được nhân dòng vào các vector biểu Gen người được nhân dòng trong vi khuẩn E. coli Gen từ nhóm extremophile được chuyển đến nhóm mesophiles Do sự dễ dàng trong việc nuôi của mesophiles Mesophiles cũng có mức tăng trưởng 5 đến 10 lần cao hơn
- Enzyme/Drug
- Metabolic Engineering, Biến đổi quá trình đồng hóa, biến đổi các con đƣờng chuyển hóa ở trong sinh vật để tối ƣu sự sản xuất một hợp chất Thực hiện bằng cách tắt các gen đặc biệt, hoặc là thông qua đột biến hoặc loại bỏ gen Sản phẩm cũng đã đạt đƣợc bằng cách thay đổi môi trƣờng của vi khuẩn Cheap Carbon Source Industrial Chemicals Chemical Precursors Metabolically Engineered Cell Biopolymer Amino Acids Vitamins s
- + Glucose NH4 + NAD D-Alanine NADH Racemase AlaOH Pyruvate L-Alanine 100% L-Alanine L-LDH NADH NAD+ NADH NAD+ L-lactate The microbe is forced to produce alanine at higher than normal amounts
- Carotenoid production in E.coli cells
- CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN Enzymes
- Enzymes Enzym, sản phẩm phổ biến nhất đƣợc sản xuất bởi vi khuẩn Tổng giá trị của các enzyme công nghiệp là khoảng $ 2,0 billion Chúng đƣợc tìm thấy trong nhiều đồ gia dụng mà bạn không bao giờ nghĩ rằng chúng có một thành phần công nghệ sinh học 1 2004 data
- Enzyme Name GE Organism Use (examples) -acetolactate bacteria Removes bitter substances decarboxylase from beer -amylase bacteria Converts starch to simple sugar Catalase fungi Reduces food deterioration Chymosin bacteria or fungi Clots casein to make cheese -glucanase bacteria Improves beer filtration Glucose isomerase bacteria Converts glucose to fructose Glucose oxidase fungi Reduces food deterioration Lipase fungi Oil and fat modification Maltogenic amylase bacteria Slows staling of breads Pectinesterase fungi Improves fruit juice clarity Protease bacteria Improves bread dough structure xylanase (hemicellulase) bacteria or fungi Enhances rising of bread dough
- Detergent Enzymes
- Chất tẩy rửa là những ứng dụng lớn nhất của các enzym công nghiệp Theo truyền thống, đây là những lipolases, proteases & amylases Một sự đổi mới gần đây là sự bổ sung của mannanase Enzim này hỗ trợ việc loại bỏ vết bẩn kẹo cao su có chứa guar Các men này đƣợc thiết kế để cải thiện sự ổn định trong sự hiện diện của chất tẩy rửa, pH kiềm, và nƣớc lạnh
- Subtilisin, một protease đƣợc sử dụng trong bột giặt Các protein tái tổ hợp đƣợc thiết kế để vẫn hoạt động với sự hiện diện của thuốc tẩy Thuốc tẩy gây ra sự oxy hóa acid amin một (methionine) và các enzyme bị mất 90% hoạt động của nó Bằng cách thay thế loại axít amin này với alanine, các enzyme thiết kế đã không còn nhạy cảm với sự oxy hóa
- Directed evolution is the most recent tool utilized in the creation of new and better enzymes (& other proteins)
- Subtilisin chức năng bình thƣờng trong dung dịch nƣớc Đột biến đã đƣợc giới thiện ngẫu nhiên trên toàn cấu trúc của enzyme Chỉ 0,1-1% của các đột biến đƣợc lợi, nhƣng Hoạt động trong 60 dimethylformamide% đã đƣợc cải thiện 256-gấp doi:10.1016/S1367-5931(02)00396-4
- Enzymes dùng làm thực phẩm/ thức ăn gia súc
- Các enzyme đƣợc dùng trong thức ăn động vật phân hủy cellulose (cellulase) Sử dụng các enzyme (phytases) có khả năng phân hủy phytic acid Điều này cho phép sử dụng tốt hơn phốt pho trong thực vật Cho phép bột xƣơng để đƣợc loại bỏ từ nguồn thức ăn cung cấp Thế hệ mới nhất của phytases đƣợc từ nấm và đã đƣợc thiết kế để tồn tại nhiệt độ cao sử dụng trong chế biến thực phẩm 65% gia cầm và 10% thức ăn của lợn có chứa enzym này
- Các nguồn gen hữu ích đƣợc lấy từ đâu? + Từ tự nhiên ( quan trọng nhất) + con ngƣời tự thiết kế
- Các dược phẩm tái tổ hợp (Recombinant Drugs) Các kháng sinh thu nhận từ vi sinh vật Các dược phẩm trị liệu có thể đuwocj sản xuất bằng cách đưa các gen của người vào vi sinh vật
- Năm 1982, FDA chấp thuận thuốc protein tái tổ hợp đầu tiên, insulin của ngƣời đƣợc sản xuất bởi E. coli phát triển bởi Genentech Ngày nay có> 75 loại thuốc protein tái tổ hợp chấp thuận của FDA với 100 sản phẩm mới đang đƣợc nghiên cứu Hiện nay thị trƣờng toàn cầu đối với thuốc protein tái tổ hợp là $ 47,4 billion (2006)
- Product Microbe Purpose Insulin E. coli Diabetes treatment Interleukin-2 E. coli Cancer/immune system stimulant EGF E. coli wound healing Interferons E. coli/yeast Cancer/virus treatments Prourokinase E.coli/yeast Anticoagulant/heart attacks CSF E. coli/yeast Immune stimulant Taxol E. coli ovarian cancer
- Các sản phẩm khác từ vi sinh vật Fuels, Plastics, Medications
- Sản xuất Ethanol -Sản xuất nhờ lên men yếm khí bằng nấm men -Tinh bột ngô đƣợc thủy phân thành glucose monomers
- Vấn đề với Ethanol từ Ngô Ethanol chứa 76000BTU/gal Cần ~ 98000BTU/gal để sản xuất từ đƣờng ngô Xăng chứa 112000BTU/gal Chi phí 22000BTU/gal để trích xuất và tinh chế Một BTU (đơn vị nhiệt Anh) đƣợc định nghĩa là lƣợng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một pound nƣớc lên một độ Fahrenheit 2004 3400000000 gallon ethanol đƣợc sản xuất Mỹ tiêu thụ 140.000.000.000 gallon xăng / năm
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 39 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 40 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 41 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 42 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 43 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 44 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 45 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Plastics Polyhydroxyalkanoate (PHA) là một polymer của một số vi khuẩn như một cách để lưu trữ carbon Lên đến 80% sinh khối của vi khuẩn là nhựa PHA được bán để làm cho chai dầu gội đầu ở Đức, và dao cạo dùng một lần tại Nhật Bản Các vi khuẩn Pseudomonas putida chuyển đổi styrene thành PHA
- Bioconversion Sử dụng vi khuẩn để biến đổi một hợp chất Hữu ích khi nhiều bƣớc tổng hợp hóa học là tốn kém hoặc không hiệu quả Thƣờng chuyển đổi vi sinh vật là kết hợp với hóa học truyền thống để giảm các bƣớc cần thiết Việc sử dụng phổ biến nhất của bioconversion là trong tổng hợp steroid nhƣ hormone & corticosteroids
- starting product End products
- Vi sinh vật và nông nghiệp
- Microbial Pesticides Bacillus thuringiensis (Bt) là một loại vi khuẩn hiếu khí hình thành bào tử Trong quá trình hình thành bào tử sản xuất protein tinh thể có tác dụng diệt côn trùng (ICP) là một chất độc (Cry) Các độc tố nhanh chóng phân hủy trong môi trƣờng Chúng không có độc tính đối với con ngƣời Cry độc tố khác nhau về độc tính và đặc trƣng của họ
- Biomining Vi khuẩn hỗ trợ khai thác mỏ đã được sử dụng hàng nghìn năm nay Những người thợ mỏ đồng đã sử dụng vi khuẩn để lọc lấy đồng từ quặng mà không biết Mỏ và chất thải quặng mỏ được khai thác sinh học Sunphide của kim loại như kẽm, đồng, niken, coban, sắt, vonfram, chì không thể hòa tan trong nước Các sulfua được chuyển đổi để sulfate được hòa tan Các sulfat được lọc ra khỏi quặng và sau đó được chiết xuất
- Cu2S not soluble CuSO4 is soluble
- Commercial Bioleaching Tanks
- BIOREMEDIATION- Xứ lý sinh học môi trƣờng/Sự bồi hoàn sinh học • sử dụng các sinh vật sống, thường là vi sinh vật, thực vật, và sản phẩm sinh ra từ chúng hoặc kết hợp các yếu tố trên để phân huỷ, khử độc hay cô lập các chất độc trong môi trường.
- Sử dụng Bioremediation trong làm sạch: • Oil spills • Waste water • Plastics • Chemicals (PCBs) • Toxic Metals
- XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH VẬT BIOREMEDIATION & BIODEGRADATION
- CÁC YÊU CẦU CỦA BIOREMEDIATION MICROORGANISMS ENERGY ELECTRON SOURCE ACCEPTOR MOISTURE pH NUTRIENTS TEMPERATURE ABSENCE OF REMOVAL OF ABSENCE OF TOXICITY METABOLITIES COMPETITIVE ORGANISMS BIOREMEDIATION
- Khả năng khai thác các nguồn vi sinh vật khác nhau 61 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Sự phân hủy sinh học- Biodegradation • Biodegradation – quá trình làm giảm cấp độ phức tạp của các hợp chất hóa học nhờ enzyme của vi sinh vật • Quá trình này liên quan đến việc phân hủy các hợp chất hữu cơ qua chuyển hóa sinh học thành các hợp chất đồng hóa kém phức tạp hơn hoặc thông qua quá trình khoáng hóa thành các hợp chất khoáng vô cơ như: H2O, CO2 or CH4. • Khoáng hóa (Mineralization) – sự chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩn vô cơ
- NGUYÊN LÝ 64 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- NGUYÊN LÝ 65 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- NGUYÊN LÝ 66 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- NGUYÊN LÝ 67 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- NGUYÊN LÝ 68 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- NGUYÊN LÝ 69 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Làm sạch dầu và chất thải Bioremediation Bacteria degrade organic matter in sewage. Bacteria degrade or detoxify pollutants such as oil and mercury
- Vi khuẩn tiêu hóa hydrocacbon tìm thấy trên khắp môi trƣờng Những vi sinh vật tự nhiên này đƣợc sử dụng trong thời gian làm sạch bờ biển Phân bón đƣợc thêm vào để cung cấp dƣỡng chất phốt pho và nitơ Đây là phƣơng pháp đƣợc sử dụng sau sự kiện Exxon Valdez Kích thích tốc độ phân hủy sinh học tự nhiên của 2 đến 5x Hiện vẫn chƣa có bất kỳ trƣờng hợp khác nào đƣợc sử dụng trên một quy mô lớn
- Ví dụ về xử lý ô nhiễm Cacbon: cơ chế đồng hóa 72 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Ô nhiễm dầu !! + The Exxon Valdez accident at Bligh Reef in 1989 discharged 40 million litres,polluting 1700 km of coastline . +1991 Persian Gulf:240 million gallons spilled from oil terminals and tankers off the coast of Prince William Sound, Alaska.
- Smaller scale cleanup is feasible For 3 months nutrients and microbes were sprayed on this field After 11 months the site was deemed clean Before After 6000yards3 petroleum conc. Before 4000ppm After 100ppm
- Xử lýchất thải Xử lý chất thải sinh hoạt hoặc chất thải công nghiệp Sử dụng khí để ôxy hóa cho phép các vi sinh vật hiếu khí để tiêu hóa chất thải rắn Before After
- Phân hủy chất thải nhựa Plastic Degradation 140.000.000 tấn nhựa đƣợc sản xuất mỗi năm chất dẻo truyền thống là rất ổn định và không phân hủy Một số chất dẻo đã đƣợc thể hiện đƣợc phân huỷ sinh học Chủng vi khuẩn đã đƣợc phân lập, chúng có khả năng phân hủy : Polyurethane Polyvinyl alcohol Nylon-66 Các con đƣờng phân hủy này hiện vẫn đang đƣợc nghiên cứu
- Xử lý ô nhiễm hóa chất Polychlorinated biphenyls (PCBs) PCBs có tính hòa tan nƣớc thấp, đặc tính cách nhiệt tốt, điểm sôi cao và khả năng chống hóa chất Sử dụng PCB nhiều nhất trong tụ điện, máy biến thế, và các chất làm dẻo
- Năm 1977, Monsanto (nhà sản xuất chính) dừng tất cả các sản xuất PCB Hàng triệu lbs của PCBs vẫn còn có mặt khắp thế giới Các tính chất ổn định đã làm PCBs nên hữu ích đã cho phép chúng tồn tại bền vững trong môi trƣờng Hầu hết mọi ngƣời ở các nƣớc công nghiệp có PCBs trong mô của họ
- Vi khuẩn dehalogenate PCBs đã đƣợc phân lập Quá trình này đƣợc gọi là halorespiration Liên quan đến việc thay thế các Cl với OH- Quá trình này gồm nhiều bƣớc với bốn enzyme cần thiết Các enzyme này hiện là mục tiêu của kỹ thuật protein nhằm tối ƣu hiệu suất của chúng
- LÀM SẠCH Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG Chế biến Uranium đã làm ô nhiễm nƣớc ngầm trên khắp Hoa Kỳ và thế giới Phƣơng pháp truyền thống " bơm và điều trị“ mất hàng thập kỷ và công nhân bị tiếp xúc với mức độc hại của uranium Geobacter để chuyển đổi uranium hòa tan thành uraninite không tan Uraninite vẫn ở dạng không hòa tan vào nguồn nƣớc hoặc tƣới tiêu Các vi khuẩn đƣợc khuyến khích phân chia bằng cách tiêm acetate Trong ~ 50 ngày, 70% uranium đƣợc chuyển đổi thành uraninite
- Xử lý ô nhiễm môi trƣờng bằng thực vật- phytoremediation Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 82 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 83 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 84 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 85 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 86 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 87 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 88 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 89 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 90 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 91 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 92 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 93 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 94 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 95 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 96 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 97 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 98 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 99 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 101 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 102 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Bioremediation: Thực vật chuyển gen – poplars chuyển gen (cadmium and zinc) – Thử nghiệm đồng ruộng – GMC (lead and cadmium) – nghiên cứu cơ bản – geraniums chuyển gen (cadmium, lead, copper) • Guelf University, Canada – thử nghiệm đồng ruộng thành công – cottonwoods chuyển gen (mercury) • Thử nghiệm đồng ruộng tại anbury, CT
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 104 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 105 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn 106 CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN
- Chương VI. An toàn sinh học • Tham khảo tài liệu tại: • %BB%A7/tabid/36/Default.aspx 107 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN