Sinh học 10 Cánh diều Bài 20: Thành tựu của công nghệ vi sinh vật và ứng dụng của vi sinh vật

a. Công nghệ vi sinh vật

- Công nghệ vi sinh vật là ngành khoa học nghiên cứu và ứng dụng các vi sinh vật trong công nghiệp để sản xuất các sản phẩm phục vụ đời sống con người.

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

- Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân giải và tổng hợp các chất hữu cơ, chuyển hóa các chất vô cơ tạo ra nhiều sản phẩm hữu ích cho tự nhiên và con người. Hơn thế nữa, nhiều vi sinh vật có khả năng sinh trưởng nhanh hoặc sống trong các môi trường cực khắc nghiệt. Dựa trên cơ sở đó, con người đã khai thác các hoạt động sống của vi sinh vật để ứng dụng vào các lĩnh vực trong thực tiễn sản xuất và đời sống.

c. Một số ứng dụng của vi sinh vật trong thực tiễn

Ứng dụng trong chăm sóc sức khoẻ cộng đồng

- Nhiều chất có hoạt tính sinh học (kháng sinh enzyme, các chất kích thích hoặc ức chế sinh trưởng,...) được sản xuất từ vi sinh vật dùng làm thuốc

- Bên cạnh đó, vi sinh vật còn được sử dụng để sản xuất sinh khối làm chế phẩm hỗ trợ sức khỏe cho con người. Ví dụ sinh khoi vi khuan Lactobacillus casei, Lactobacillus plantarum, Bifidobacterium bifidum,... dùng làm men vi sinh giúp tăng cường hệ miễn dịch và cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột, sinh khối của một số vì tào được dùng để bồi bổ sức khỏe, chống lão hoá, làm đẹp da,...

Hình 20.2. Sinh khối tảo xoắn Arthrospira platensis dùng làm thực phẩm chức năng

Ứng dụng trong nông nghiệp

Trong nông nghiệp, nhiều vi sinh vật được sử dụng làm chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học giúp ức chế hoặc tiêu diệt một số sinh vật gây hại cho cây trồng, vật nuôi. Ví dụ nấm Metarium sp., Bovaria sp., vi khuan Bacillus thuringiensis,....

Một số vi sinh vật khác đóng vai trò quan trọng trong phân giải lần khó tan trong đất, tăng cường cố định đạm, hỗ trợ và kích thích sinh trưởng bộ rễ cây trồng như nấm Microrrhizae, vi khuẩn Rhizobium. Chúng được ứng dụng trong các chế phẩm phân vi sinh sử dụng cho cây trồng.

Hình 20.3. Phun thuốc trừ sâu sinh học cho cây bơ

Ứng dụng trong công nghiệp

- Các enzyme, các acid hữu cơ, các chất ức chế sinh trưởng do vi sinh vật tạo ra được sử dụng trong công nghiệp giây, dệt nhuộm, giặt tẩy, thuộc da,... Nấm men được sử dụng trong công nghiệp sản xuất ethanol sinh học. Một số vi khuẩn (vi khuẩn lactic, vi khuẩn acetic) được sử dụng để sản xuất các acid hữu cơ trong công nghiệp hoả chất

Hình 20.4. Sơ đồ quy trình sản xuất ethanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp nhờ nấm men Scharomyces cerevisia

Ứng dụng trong bảo vệ môi trường

- Vi sinh vật được sử dụng trong các quy trinh xử lí rác thải và nước thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp. Nhiều chế phẩm vi sinh vật hữu hiệu (chế phẩm EM) đã được sản xuất, ứng dụng trong chuyển hoả rác thải hữu cơ thành phân bón hữu cơ, khi sinh học (biogas) và xử lí rác thải dạng rắn, nước thải dạng lỏng. Một số vi sinh vật hoặc chế phẩm enzyme sẵn xuất tử vi sinh vật được sử dụng trong quy trình xử lí khi thải

Hình 20.5. Sơ đồ quy trình sản xuất khí Sinh học (biogas) từ rác thải hữu cơ nhỏ các nhóm vi sinh vật lên men và sinh methane

Ứng dụng trong chế biến và bảo quản thực phẩm

Các enzyme ti vi sinh vật được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm (ví dụ amylase dùng trong chế biến bánh kẹo, protease dùng trong chế phẩm làm mềm thịt, pectinase dùng trong chế biến nước ép hoa quả...) Ngoài ra, sinh khối của một số vi sinh vật được sử dụng trực tiếp để lên men Ví dụ nấm men sử dụng trong sản xuất nước hoa quả lên men, bia, rượu và làm men bánh mì, một số vi khuẩn được sử dụng trong các quy trình chế biến sữa, làm phô mai, làm nước mắm, nước tương...

Lactic acid, acetic acid, ethanol và một số chất ức chế sinh trưởng (bacteriocin, diacetyl,...) do vi sinh vật sinh ra được dùng như các chất bão quận trong chế biến thực phẩm.

Hình 20.6. Nấm Aspergillus oryzae (a) trong sản xuất tương bần (b)

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

- Vi sinh vật có khả năng trao đổi chất mạnh mẽ, sinh trưởng nhanh và hệ gene của chúng đã được nghiên cứu kĩ giúp dễ dàng điều khiển các hoạt động trao đổi chất và chuyển hoa năng lượng Vì thể, chúng được sử dụng như các nhà máy” sản xuất protein, kháng sinh, nhiên liệu sinh học,... Ví dụ su dung vi khuan Escherichia coli trong san xuat insulin (protein tái tổ hợp đầu tiên) để điều trị bệnh tiểu đường, sử dụng vi khuẩn Corynebacterium glutamicum trong sản xuất mi chỉnh (bột ngọt), sử dụng nằm men Saccharomyces cerevisiae trong sản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu sinh học và sản xuất protein đơn bảo làm thức ăn bổ sung, nấm mốc Aspergillus niger trong sản xuất một số enzyme như amylase, protease để bổ sung vào thức ăn chăn nuôi

- Trên 90% các chất kháng sinh tự nhiên được sản xuất từ vi sinh vật, đặc biệt là từ xạ khuẩn và nấm. Kháng sinh penicillin là kháng sinh đầu tiên dùng chống nhiễm khuẩn vết thương được chiết xuất từ nấm Penicillium rubens và sau này sản xuất từ Penicillium chrysogenum nhiễm khuẩn vết thương, khang sinh streptomycin dùng trong điều trị viêm phổi được sản xuất từ xạ khuẩn Streptomyces griseus.

- Vi sinh vật còn được dùng để nhận nhanh các đoạn DNA tái tổ hợp trong các vector plasmid của vi khuẩn, sản xuất các đoạn DNA hoặc RNA làm vaccine thế hệ mới, ...

- Nhóm vi sinh vật sống trong các điều kiện cực đoan (nhiệt độ và áp suất rất cao hoặc rất thấp, độ mặn cao, môi trường acid hoặc kiểm mạnh,...) còn là nguồn cung cấp các chất có hoạt tỉnh sinh học đặc biệt, phục vụ cho các ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp và nghiên cứu công nghệ sinh học trong điều kiện cực đoan Ví dụ các enzyme thủy phân tinh bột, lipid của các vi khuẩn ưa kiểm, chịu nhiệt được dùng trong công nghiệp giặt tây do các enzyme này có độ bên cao trong môi trường kiểm và nhiệt độ cao của quy trình giặt tẩy, enzyme Taq – DNA polymerase của vi khuẩn ưa nhiệt Thermus aquaticus phân lập từ suối nước nóng, được dùng trong phản ứng PCR nhân đoạn DNA trong nghiên cửu công nghệ sinh học hoặc chẩn đoán bệnh nhờ khả năng bền ở nhiệt độ 90 – 99 °C.

- Cho đến nay, con người mới chỉ nuôi cấy được dưới 10% các vi sinh vật hiện có trên Trái Đất. Trong số dưới 10% đó, hàng loạt chất có hoạt tinh sinh học giá trị đã được khai thác như kháng sinh, enzyme, các protein gây độc (làm thuốc trừ sâu sinh học) và các chất kích hoạt hoặc ức chế trao đổi chất của các sinh vật khác,... Vì vậy, vi sinh vật tiếp tục là nguồn khai thác các chất có hoạt tính sinh học giá trị

b. Dự án điều tra sản phẩm thương mại của công nghệ vi sinh vật

Mục tiêu: Điều tra các sản phẩm thương mại của công nghệ vi sinh vật.

Chuẩn bị: Phiếu điều tra theo mẫu băng 20.1 và thiết bị chụp ảnh

Bảng 20.1. Phiếu điều tra sản phẩm thương mại của công nghệ vi sinh vật

Thực hiện:

- Đến khu trung tâm thương mại, các chợ ở nơi em sống tìm các sản phẩm thương mại của công nghệ vi sinh vật.

- Điển các thông tin Tên sản phẩm, tên vi sinh vật sử dụng trong sản phẩm, lĩnh vực ứng dụng vào phiếu điều tra.

- Chụp ảnh các sản phẩm

Báo cáo: Trình bày kết quả điều tra

a. Một số ngành nghề liên quan đến công nghệ vi sinh vật và triển vọng

Các kiến thức về công nghệ vi sinh vật được ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau (hỉnh 20.7). Tương ứng với các ngành nghề đó là một số vị trí việc làm được liệt kê trong bảng 20.2

Hình 20.7. Sơ đồ công nghệ vi sinh vật phục vụ phát triển kinh tế, xã hội ở Việt Nam

Bảng 20.2. Một số vị trí việc làm trong ngành công nghệ vi sinh vật

Trong tương lai, các ứng dụng của công nghệ vi sinh vật trong nông nghiệp sạch, nhiên liệu sinh học, thực phẩm sạch, chăm sóc sức khoẻ cộng đồng... ngày càng được chú trọng và mở rộng. Vì vậy, các vị trí việc làm liên quan đến công nghệ vi sinh vật như kĩ sư, kĩ thuật viên, nghiên cứu viên trong các lĩnh vực đó ngày càng phát triển.

b. Triển vọng của ngành công nghệ vi sinh vật

Công nghệ vi sinh vật trong tương lai là ngành công nghệ giao thoa của nhiều ngành khác nhau công nghệ gene, tin sinh học, tự động hoá và trí tuệ nhân tạo. Trong tương lai, công nghệ vi sinh vật hướng đến (1) chỉnh sửa, tạo đột biển định hướng các gene trong tế bảo vi sinh vật; (2) tìm kiếm và khai thác các nguồn gene vi sinh vật. (3) thiết lập các hệ thống lên men lớn tự động, liên tục và đồng bộ với công nghệ thu hồi; (4) xây dụng các giải pháp phân tích vi sinh vật tự động trong công nghiệp, nông nghiệp và xử là môi trường

Bài 1.

Quan sát các công đoạn sản xuất pho mai trong một nhà máy (hinh 20.1) và cho biết vi sinh vật được sử dụng trong công đoạn nào? Đỏ là nhóm vi sinh vật gì?

Hình 20.1. Mô hình các công đoạn sản xuất phô mai trong nhà máy

Phương pháp giải:

Các nhóm vi khuẩn sử dụng và vai trò của chúng trong quá trình lên men:

- Nhóm vi khuẩn lactic: có vai trò tạo acid lactic trong quá trình lên men góp phần gây đông tụ sữa và tạo độ chua cho khối đông.

- Nấm mốc: có vai trò làm chín tới và tạo hương vị đặc trưng, góp phần cho việc trung hòa pH của sản phẩm.

- Nhóm vi khuẩn propionic: có vai trò trong quá trình ủ chín trong một số loại phô mai và tạo  những lỗ hổng trong cấu trúc một số phố mai cứng, góp phần tạo nên hương vị đặc trưng cho sản phẩm.

Lời giải chi tiết:

 Vi sinh vật được sử dụng trong tất cả các giai đoạn. Các nhóm vi sinh vật được sử dụng là nhóm vi khuẩn lactic, nấm mốc, nhóm vi khuẩn propionic.

Bài 2.

Có thể sử dụng tế bào vi sinh vật như một "nhà máy" thực hiện đầy đủ các công đoạn khác nhau trong quy trình sản xuất sản phẩm phục vụ con người được không?

Hình 20.1. Mô hình các công đoạn sản xuất phô mai trong nhà máy

Phương pháp giải:

Các nhóm vi khuẩn sử dụng và vai trò của chúng trong quá trình lên men:

- Nhóm vi khuẩn lactic: có vai trò tạo acid lactic trong quá trình lên men góp phần gây đông tụ sữa và tạo độ chua cho khối đông.

- Nấm mốc: có vai trò làm chín tới và tạo hương vị đặc trưng, góp phần cho việc trung hòa pH của sản phẩm.

- Nhóm vi khuẩn propionic: có vai trò trong quá trình ủ chín trong một số loại phô mai và tạo  những lỗ hổng trong cấu trúc một số phố mai cứng, góp phần tạo nên hương vị đặc trưng cho sản phẩm.

Lời giải chi tiết:

Vi sinh vật có khả năng sinh trưởng nhanh, trao đổi chất mạnh mẽ và có thể chuyển hóa thành các sản phẩm mong muốn nên có thể sử dụng như một "nhà máy" thực hiện đầy đủ các công đoạn khác nhau trong quy trình sản xuất sản phẩm phục vụ con người.

Sau bài học này, học sinh sẽ nắm được:

- Kể được tên một số thành tựu hiện đại của công nghệ vi sinh vật.

- Trình bày được cơ sở khoa học về việc ứng dụng vi sinh vật trong thực tiễn.

- Trình bày được một số ứng dụng vi sinh vật trong thực tiễn (sản xuất và bảo quản thực phẩm, sản xuất thuốc, xử lí môi trường,....).

- Thực hiện được dự án hoặc đề tài tìm hiểu về các sản phẩm công nghệ vi sinh vật.

- Làm được tập san, các bài viết, tranh ảnh về công nghệ vi sinh vật.

- Phân tích được triển vọng của công nghệ vi sinh vật trong tương lai.

- Kể tên được một số ngành nghề liên quan đến công nghệ vi sinh vật và triển vọng phát triển của ngành nghề đó.

Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua bài kiểm tra Trắc nghiệm Sinh học 10 Cánh diều Bài 20 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết. 

• Câu 1:

  Tên thay thế của oxy trong hệ thống vận chuyển electron là gì?

  • A. Chất liên kết hydro
  • B. Oxy không có tên thay thế
  • C. Lò phản ứng khuếch tán
  • D. Bộ nhận điện tử

• Câu 2:

  Mất bao lâu để hoàn thành quá trình lên men đối với rượu vang trắng?

  • A. 1-3 ngày
  • B. 3-5 ngày
  • C. 5-7 ngày
  • D. 7-11 ngày

• Câu 3:

  Nếu một nhà sản xuất rượu muốn tạo ra một loại rượu có màu đỏ đậm, thì điều nào sau đây không nên được thực hiện?

  • A. Chắt bỏ nước trái cây trước khi lên men trên da
  • B. Lên men ở nhiệt độ cao
  • C. Sử dụng toàn bộ cụm
  • D. Đấm xuống ít nhất một lần một ngày

Câu 4-10: Mời các em đăng nhập xem tiếp nội dung và thi thử Online để củng cố kiến thức về bài học này nhé!

Các em có thể xem thêm phần hướng dẫn Giải bài tập Sinh học 10 Cánh diều Bài 20 để giúp các em nắm vững bài học và các phương pháp giải bài tập.

Mở đầu 1 trang 123 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Mở đầu 2 trang 123 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng 1 trang 124 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Tìm hiểu thêm trang 124 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng 2 trang 124 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng 3 trang 124 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng 1 trang 125 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng 2 trang 125 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Tìm hiểu thêm trang 125 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng trang 126 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Vận dụng trang 126 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Luyện tập trang 126 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng trang 127 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng 1 trang 129 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng 2 trang 129 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng 3 trang 129 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Luyện tập trang 130 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Hình thành kiến thức, kĩ năng trang 130 SGK Sinh học 10 Cánh diều - CD

Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Sinh học HOC247 sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!

Chúc các em học tập tốt và luôn đạt thành tích cao trong học tập!