Đặt vấn đề Công nghệ sinh học ngày nay đang phát triển nhanh chóng đặc biệt là việc nghiên cứu và khai thác các ứng dụng vô cùng to lớn của vi sinh vật, mang lại nhiều lợi ích đáng kể đối với nền kinh tế quốc dân. Việt Nam là nước nằm trong vùng nhiệt đới có khí hậu nóng ẩm, rất thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật một cách phong phú và đa dạng như nấm sợi, vi khuẩn, xạ khuẩn.Trong đó, xạ khuẩn với số lượng rất lớn và phân bố ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, chúng có vai trò quan trọng trong vòng tuần hoàn vật chất năng lượng của các hệ sinh thái. Đặc biệt là khả năng tạo ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị sử dụng cao như các enzyme thủy phân hợp chất cao phân tử, chất kháng sinh và nhiều hợp chất y dược khác. Việt Nam là một nước nông nghiệp, trong đó ngành chăn nuôi giữ một vai trò quan trọng.
Tuy nhiên, các hoạt động chăn nuôi gia súc, gia cầm luôn tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường rất cao do đặc thù về nguồn chất thải chăn nuôi chưa qua xử lý hay xử lý không đúng cách. Hầu hết các trang trại chăn nuôi đều nằm gần khu dân cư gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tới đời sống, sức khỏe người dân.Việc xử lý chất thải đã được đặt ra và thực hiện từ rất lâu với nhiều biện pháp khác nhau như: chôn lấp; đốt; đổ ra sông, hồ, biển. Tất cả những biện pháp xử lý trên đều bất tiện, gây ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái [14]. Trong những năm gần đây do sự phát triển của khoa học kỹ thuật nền nông nghiệp Việt nam đã có những bước tiến lớn trong việc bảo vệ môi trường cũng như áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản suất.
Một số phương pháp khoa học như công nghệ xử lý chất thải vật nuôi bằng hầm Bioga hay việc ra đời các loại chế phẩm sinh học mang lại hiệu quả rất khả quan như chế phẩm vi sinh AT-YTB,WEVIRO,. được ứng dụng rất rộng rãi. Đóng góp to lớn vào sự thành công của các chế phẩm đó chính là những tác dụng ưu việt của xạ khuẩn có trong thành phần của mỗi gói chế phẩm sinh học có khả năng sinh tổng hợp các enzyme phân giải xelluloza, proteaza, amylaza. Viện Khoa học sự sống- Đại học Thái Nguyên đã phân lập, nghiên cứu đặc điểm sinh học, phân loại và đăng ký thành công trên Genbank 2 chủng n 2 Streptomyces sp.
T1 và Streptomyces sp. Đặc biệt 2 chủng xạ khuẩn này có khả năng sinh enzyme ngoại bào cao, hoạt tính mạnh và đang tiếp tục nghiên cứu để sản xuất chế phẩm sinh học sử dụng trong xử lý chất thải chăn nuôi. Trong đó tối ưu hóa động thái lên men là một giai đoạn nghiên cứu quan trọng trong sản xuất chế phẩm. Mục đích của giai đoạn này là lựa chọn được những điều kiện, thông số ưu việt để cài đặt trên hệ thống lên men với mong muốn thu được lượng sinh khối cao, hoạt tính enzyme mạnh, tiết kiệm thời gian, chi phí, góp phần sản xuất hiệu quả chế phẩm sinh học.
Nhận thấy vai trò, tính cấp thiết của giai đoạn này, được sự đồng ý của Khoa CNSH-CNTP, thầy giáo hướng dẫn và cơ sở thực tập nên tôi tiến hành nghiên cứu đề tài với nội dung: “Khảo sát động thái lên men của chủng Streptomyces sp. T1 và Streptomyces sp. T4 làm cơ sở sản xuất chế phẩm sinh học sử dụng trong xử lý chất thải chăn nuôi”. Với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy lên sinh trưởng và sinh enzyme của các chủng xạ khuẩn nhằm tăng cao hiệu suất quá trình lên men để thu sinh khối tế bào tạo chế phẩm sinh học.
Đề tài này được thực hiện thành công sẽ góp phần rất lớn trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất chế phẩm sinh học, tiết kiệm chi phí hạn chế nhập khẩu, đáp ứng với yêu cầu ngày càng cao của ngành chăn nuôi đó là hạn chế tới mức thấp nhất ô nhiễm môi trường mà vẫn mang lại giá trị kinh tế cao nhất. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu được môi trường lên men thích hợp nhất. - Nghiên cứu được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng và khả năng sinh enzyme của các chủng xạ khuẩn như pH, nhiệt độ, nồng độ muối, nồng độ oxy, lựa chọn được điều kiện tối ưu để cài đặt thông số trên thiết bị lên men. - Nghiên cứu được nguồn cacbon và nguồn nitơ thích hợp với chủng T1 và T4 giúp sinh trưởng và hoạt tính enzyme tốt nhất.
- Nghiên cứu được thời gian lên men thu sinh khối hiệu quả nhất. - Nghiên cứu được tính đối kháng giữa 2 chủng xạ khuẩn. - Nghiên cứu được và tìm ra tỷ lệ phối trộn cơ chất thích hợp nhất để làm chất mang. Ý nghĩa của đề tài 1.1 Ý nghĩa khoa học - Làm tài liệu có giá trị phục vụ nghiên cứu khoa học, ứng dụng sản xuất.
Ý nghĩa thực tiễn - Làm cơ sở để sản xuất chế phẩm sinh học xử lý chất thải chăn nuôi. n 4 PHẦN 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2. Tổng quan về xạ khuẩn 2. Định nghĩa Xạ khuẩn (Actinomycetes) là một nhóm vi khuẩn thật (Eubacteria) phân bố rộng rãi trong tự nhiên.
Hầu hết xạ khuẩn thuộc nhóm Gram dương, hiếu khí và sống hoại sinh. Xạ khuẩn có khả năng sản sinh nhiều sản phẩm trao đổi chất quan trọng như enzyme và các chất kháng sinh, do đó chúng đóng vai trò to lớn trong nghiên cứu khoa học, y học, nông nghiêp và công nghiệp [2]. (2001) trong 1 gram đất có khoảng 29.000 mầm xạ khuẩn, chiếm 9- 45% số vi sinh vật [17]. Vị trí phân loại và sự phân bố của xạ khuẩn trong tự nhiên Xạ khuẩn(XK) là nhóm vi sinh vật đặc biệt.
Chúng có khuẩn lạc khô và đa số có dạng hình phóng xạ nhưng khuẩn thể lại có dạng sợi phân nhánh như nấm. Vì xạ khuẩn có cấu trúc nhân nguyên thuỷ như mọi vi khuẩn khác, chiều ngang của sợi cũng nhỏ như vi khuẩn, cho nên có tài liệu gọi chúng là nấm tia là không hợp lý. Xạ khuẩn phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Số lượng đơn vị sinh khuẩn lạc (CFU- colony forming unit) xạ khuẩn trong 1g đất thường đạt tới hàng triệu.
Trên môi trường đặc đa số xạ khuẩn có hai loại khuẩn ty: khuẩn ty khí sinh và khuẩn ty cơ chất. Nhiều loại chỉ có khuẩn ty cơ chất nhưng cũng có loại (như chi Sporichthya) lại chỉ có khuẩn ty khí sinh. Giữa khuẩn lạc thường thấy có nhiều bào tử màng mỏng gọi là bào tử trần. Nếu bào tử nằm trong bào nang thì được gọi là nang bào tử hay bào tử kín.
Bào tử ở xạ khuẩn được sinh ra ở đầu một số khuẩn ty theo kiểu hình thành các vách ngăn. Các chuỗi bào tử có thể thẳng, có thể xoắn, có thể ở dạng lượn sóng, có thể mọc đơn hay mọc vòng. Các cuống sinh bào tử và cuống sinh nang bào tử có thể riêng rẽ, có thể phân nhánh. Các đặc điểm hình thái này rất quan trọng khi tiến hành định tên xạ khuẩn [2].
Xạ khuẩn thuộc lớp Actinobacterria, phân lớp Actinobacteridae, bộ Actinomycetale, bao gồm 10 bộ, 35 họ, 110 chi và 1000 loài trong đó 478 loài n 5 thuộc chi Streptomyces và hơn 500 loài thuộc các chi còn lại được xếp vào xạ khuẩn hiếm [2]. Đặc điểm sinh học của xạ khuẩn * Đặc điểm sinh lý sinh hóa của xạ khuẩn Xạ khuẩn thuộc nhóm sinh vật di dưỡng, chúng sử dụng đường, rượu, axit hữu cơ, lipit, protein và nhiều hợp chất hữu cơ khác để làm nguồn cacbon, muối nitrat, muối amon, cao nấm men, bột đậu tương, amino axit, pepton để làm nguồn nitrơ. Tuy nhiên khả năng hấp thụ các chất này không giống nhau ở các loài, các chủng khác nhau. Phần lớn xạ khuẩn thuộc nhóm vi sinh vật(VSV) hiếu khí, ưa ẩm, một số ít ưa nhiệt, nhiệt độ thích hợp cho sinh trưởng là 28– 30oC.
Độ ẩm thích hợp đối với xạ khuẩn dao động trong khoảng 40 – 50%, giới hạn pH trong khoảng 6,8 – 7,5. Xạ khuẩn có khả năng sinh enzyme và các chất kháng sinh nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống [7]. * Khuẩn lạc: Khuẩn lạc có 3 lớp: Lớp vỏ ngoài có dạng sợi bền chặt, lớp trong tương đối xốp, lớp giữa có cấu trúc tổ ong. * Khuẩn ty: Trên môi trường cơ chất đặc, hệ sợi của xạ khuẩn phát triển thành 2 loại: một loại cắm sâu vào môi trường gọi là hệ sợi cơ chất (khuẩn ty cơ chất – substrate mycelium) với chức năng chủ yếu là dinh dưỡng.
Một loại phát triển trên bề mặt thạch gọi là hệ sợi khí sinh (khuẩn ty khí sinh – aerial mycelium) với chức năng chủ yếu là sinh sản. Nhiều loại XK chỉ có hệ sợi cơ chất nhưng cũng có loại (như chi Sporichthya) lại chỉ có hệ sợi khí sinh. Khi đó hệ sợi khí sinh vừa làm nhiệm vụ sinh sản vừa làm nhiệm vụ dinh dưỡng [7]. Hình thái, kích thước và cấu tạo tế bào - Hình thái, kích thước: Đa số xạ khuẩn có cấu tạo dạng sợi, các sợi kết dính với nhau tạo thành khuẩn lạc có nhiều màu sắc khác nhau: trắng, vàng, nâu, tím, xám,.
Màu sắc của xạ khuẩn là một đặc điểm phân loại quan trọng. Đường kính sợi của xạ khuẩn khoảng từ 0,1- 0,5µm. Có thể phân biệt hai loại sợi khác nhau: Sợi khí sinh là hệ sợi mọc trên bề mặt môi trường tạo thành bề mặt khuẩn lạc xạ khuẩn, từ đây phát sinh ra bào tử. Sợi cơ chất là sợi cắm sâu vào môi trường làm nhiệm vụ hấp thu chất dinh dưỡng.
Một số xạ khuẩn n 6 không có sợi khí sinh mà chỉ có sợi cơ chất, loại sợi này làm cho bề mặt xạ khuẩn nhẵn và khó tách ra khi cấy truyền. Loại chỉ có sợi khí sinh thì ngược lại rất dễ tách toàn bộ khuẩn lạc ra khỏi môi trường. - Cấu tạo tế bào: Xạ khuẩn có cấu trúc tế bào tương tự các vi khuẩn Gram dương. Dưới kính hiển vi điện tử có thể thấy rõ các thành phần chính: Thành tế bào, màng sinh chất, nguyên sinh chất, chất nhân, các thể ẩn nhập.
Thành tế bào có kết cấu dạng lưới, dày khoảng 10-20nm, gồm có 3 lớp: Lớp ngoài cùng dày khoảng 60-120Ao, lớp giữa dày khoảng 50Ao, lớp trong dày khoảng 50Ao. Thành tế bào có tác dụng duy trì hình dạng khuẩn ty và bảo vệ tế bào. Khác với nấm, thành tế bào xạ khuẩn không chứa xenluloza và kitin nhưng chứa nhiều enzyme tham gia vào quá trình trao đổi chất và quá trình vận chuyển vật chất qua màng tế bào.