Những kiến thức cơ bản về công nghệ sinh học - Nguyễn Văn Uyển

N H À X U Ấ T B Ả N G I Á O D Ụ C

Những

kiến thức

c<nf bản v ề

CÔNG NGHỆ

SINH

H Ọ C

Ị f '

ế o f

MGUYỄN VĂN UYỂN (chủ biên)

//_

£t?ỉQ\'q

t p U Y E N TIẾN THẮNG

I

J

Những kiến thức

ctí

_{bản vê}

CÔNG NGHỆ

SINH HOC

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC

LỜI NÓI DẦU

C ô n g n g h ệ s in h h ọ c (B io te c h n o lo g y ) là ngành khoa học m ũ i nhọn hiện được cả th ế g ỉớ ỉ quan tâm . L í do của sự quan tâm này th ậ t dề hiểu. Công nghệ sinh học với tốc độ p h á t triển nha n h chóng kh ô n g kém sự bủng n ổ thông tin đang tạo ra m ộ t cuộc cách m ạng sin h học không chỉ trong nồng nghiệp và công nghiệp thực p h ẩ m , m à còn ỉàm thay đổi phương thức sản xu ấ t trong các ngành y dược, vật ỉiệu mớỉ, năng ỉượng, khai khoáng và bảo vệ m ôi trường.

N guyên nhân của sự ra đời cuốn sách này là nh ữ n g thay đổi sâu sấc trong lĩnh vực sinh học trong khoảng ba thập k ỉ qua. Cơ sở của n h ữ n g sự kiện trẽn là sự xu ất hiện nhữ ng h ìều biết m ới và sự hoàn thiện về m ặ t phương p há p cho p h ép ch ún g ta tiếp cận gần hơn tôi bản chất của các quá trình biến dổi sin h học và m ở ra các hướng ứng d ụ n g công nghệ mới trong sản xuấ t công nông nghiệp.

M ục tiêu của cuốn sách này là n hằm cung cấp cho độc g iả n hữ ng kiến thức cơ sở chủ yếu về công nghệ sinh học hiện đ ạ i với hỉ vọng ỉà sau kh i làm quen m ộ t cách có hệ thống với nội d u n g của cuốn sách, độc g iả có th ể d ễ dà ng đ i sâu hơn vào từ n g lĩn h vực của công nghệ sinh học h iện đại. Do đổ, nổ m ang tín h ch ấ t là cuốn nh ậ p m ôn cho ngành cồng nghệ sinh học và n h ầ m p h ụ c vụ cho bạn đọc thuộc n hiều tầng lớp xã hội khác nhau.

B ản thâ n sự p h á t triển của công nghệ sinh học trong thời gian qua cũng đã bộc ỉộ m ột sổ hậu quả đối vớỉ sự p h á t triển của các nước đang p h á t triển, trong đó có nước ta. N ó đang làm p h â n hóa sâu sắc thêm h ổ ngăn cách giữa các nưởc già u và nghèo, giữa các nước đang p h á t triển và các nước cồng nghiệp tiên tiến. N ói m ột cách khác, nhữ ng tiến bộ của công nghệ sinh học đang làm tăng thêm sự p h ụ thuộc của nông d â n thuộc th ế giói th ứ ba vào các tập đoàn tư bản đa quốc gia h iện đang nắ m h ầu h ết các bản quyền p h á t m in h về công nghệ sinh học.

L à m th ế nào d ể công nghệ sinh học kh ông p h á t triển theo chiều hướng trên m à hướng nỏ vào p h ụ c vụ cho ấ m no h ạ n h p hú c của người dân, đó ỉà n hiệm vụ của các nhà công nghệ sin h học V iệt N am . Đ iều nà y p h ù hợp vớỉ chủ chương chính sách của Đ ảng và C hính p h ủ về p h á t triển công nghệ sin h học ỏ nước ta diỉợc th ể h iện trong N g h ị quyết 18 CP ngày 1 1 Ị 3 Ị 1994 của T h ủ tướng C hính p h ủ về "Phương hướng p h á t triể n của Công nghệ sin h học V iệt N a m đ ến n ă m 2 0 1 0 Đây là vãn bản chỉnh thức đ ầ u tiên của N h à nước ta đ ặ t vị trí xứng đ á n g cho công nghệ sin h học trong chiến ỉược p h á t triển khoa học và công nghệ dài hạn của đ ấ t nước.

T rong bối cảnh n h ư vậy, n hữ n g h iểu biết về công nghệ sinh học, d ù chỉ trên n h ữ n g n ét lớn, ỉà rất cần th iết cho m ọi ngư ờ i Chỉ trong m ộ t thời gian ngắn nữa cấc sản p h ẩ m của công nghệ sinh học sẽ đến gõ cửa từ ng nhà và hỏi th ă m về thái độ của chủng ta.Víệc N h à Xĩiất bản Giáo dụ c cho ra đời cuốn sách "Những k iế n thứ c cơ b ả n về công nghệ sin h học" là m ột cố gắng rất đá n g trán trọng nhằm đáp ứng n h ữ n g yêu cầu cấp th iế t nói trên.

H ỉ vọng cuốn sách này sẽ được đô n g đảo bạn đọc hưởng ứng, đặc biệt các bạn đọc là học sinh, sinh viên, giáo viên p h ổ thông và giả n g viên cơ sỏ ồ bậc đại học chuyên ngành sinh học, nông nghiệp, y tế, ch ế biến thực p h ẩ m và bảo vệ m ôi trường.

Dù chỉ là m ộ t h ạ t cát trong biển thông tin về công nghệ sinh học th ể giới hiện nay, m ong ràng cuốn sách này sẽ đóng góp p h ầ n m ìn h trong sự nghiệp xây dự n g lâu đ à i Công nghệ sinh học Việt N am .

Các tác giả xỉn tiếp thu vớỉ ỉòng biết ơn sâu sắc tấ t cả nh ữ n g nh ận xét và đề nghị của bạn đọc giúp hoàn th iện thêm cuốn sách n à y.

CÁCTÁCGỈẢ

PGS. PTS NGUYÊN VĂN UYỂN PTS NGUYỄN TIẾN TIIẮNG

CHƯƠNG 1

K H Á I N IỆ M VỀ C Ồ N G N G H Ệ SIN H H Ọ C

1.1. Công nghệ sinh học là gỉ?

Lịch sử phát triển của sinh học di từ sinh học mô tả đến sinh học thực nghiệm, những bước tiến bộ của khoa học về sự sông gắn liền với sự tiến bộ của vật lí, hóa học, cơ học và cả toán học. Sự gắn bó ấy trước hết là do việc đưa vào sinh học các phương pháp nghiên cứu mới, các thiết bị, công cụ có khả năng giúp con người ngày càng đi thêm những bước sâu hơn vào th ế giới vô cùng của sự sống. Các phương pháp hóa học giúp tìm hiểu thành phần của cơ thể và vai trò của các đại phân tử. Kính hiển vi điện tử giúp nhìn thấy và chụp ảnh các cấu trúc vi mô của tế bào, và gần đây còn chụp được cả phân tử protein đang hình thành với sự tham gia của các phân tử RNA thông tin trên ribosome. Ánh chụp chứng minh cho các giả thuyết trưđc đó và đến nay về cơ bản các quá trình quan trọng nhâ't của 3ự sông như di truyền, sinh trưởng phát triển, quang hợp, hô hấp... đều đã được mô tả, lí giải chi tiết ở mức dộ phân tử trong hầu h ết các sách giáo khoa.

Tất cả mọi tích lũy về lượng cuối cùng sẽ dẫn đến các nhảy vọt về chất. Thập niên 1980-1990 và những năm cuối của thiên niên kỉ thứ 2 đang chứng kiến m ột sự nhẩy vọt như vậy: Đó là sự ra đời và bùng nổ của công nghệ sinh học (CNSH), còn có tên gọi khác là cuộc cách mạng CNSH. Trong nông nghiệp người ta còn dùng nhóm từ "cuộc cách mạng xanh lần thứ hai" để chỉ khái niệm trên.Vợy công nghệ sin h học là gì?

Nếu chúng ta lấy 3 hình tròn, m ỗi vòng đại diện cho một trong ba bộ môn khoa học cổ điển là vật lí, hóa học và sinh học và xếp chúng như hình vẽ 1.1, ta sẽ thây có các vùng giao nhau có m ặt hai hoặc ba bộ môn. Diện tích chung của hai hình tròn vật lí và sinh học là lãnh địa của m ột bộ môn mới mà chúng ta gọi là lí sinh. Giữa sinh học và hóa học chúng ta có bộ môn hóa sinh (không nên gọi là sinh hóa). Tương tự như vậy giữa hóa học và vật lí, chúng ta có bộ môn hóa lí. Sự kết hợp giữa hóa sinh, lí sinh và hóa lí tạo nên lĩnh vực (gạch chéo) mà giđi khoa học, giói công nghiệp và cả giới chính trị thống nhât đặt tên cho nó là CNSH.

Hinh l.ĩ. Liên quan của CNSH với các ngành khoa học khác.

Hình ảnh vừa mô tả trên tấ t nhiên chỉ là một hình ảnh dễ hiểu, để cố gắng đơn giản hóa nguồn gốc của CNSH và mới chỉ thể hiện trên m ặt phẳng. Một hình ảnh khác, có lẽ giúp cho tư duy của chúng ta về CNSH sáng sủa hơn, vì nó được biểu diễn theo một không gian 3 chiều, là sơ dồ mô phỏng cây CNSH.

Cây CNSH được nuôi dưỡng bằng 3 nhánh rễ lớn hóa, sin h và /í- Trên trụ thân được nuôi dưỡng tốt, cây phân chia ba nhánh là CNSH thực vật, CNSH động vạt va CNSH vi sinh vật. Ba nhánh đó dẫn đên vô sô lùm lá cây là các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quôc dân (nông nghiệp, y tế, môi trường, công nghiệp ...), mà ở nhánh nào cây cùng đã ra hoa kết quả.

Sinh học mô tả phải m ất gần một thế kỉ để đạt đến thời kì hoàng kim của nó. Sinh học thực nghiệm ước tính cần đến 50-60 năm. Còn CNSH mới ra đời không lâu, nhiừig ngày nay phần lớn cư dân của hành tinh chúng ta đều đã được nghe, xem và sử dụng thành quả của nó, vì cây CNSH rất mau ra hoa và k ết trái. Một nét dộc đáo của CNSH là nó được thương m ại hóa rất nhanh. Hiệu quả kinh tế của nó rất lớn, vì th ế không lạ gì khi thây đến 80% lực lượng nghiên cứu và triển khai CNSH trên th ế giđi là do tư nhân bỏ vốn. Sự cạnh tranh sôi nổi giữa các công ti này dể chiếm lĩnh thị trường làm cho các m ặt hàng của CNSH mau chóng đến tay người tiêu dùng, trước h ết trong lĩnh vực y tế và chẩn đoán bệnh. Ớ Mĩ, từ giữa 1994, các siêu thị đã có bán cà chua FARV-SAVR, một sản phẩm của hãng Calgene. FAVR-SAVR không khác gì về mầu sắc, kích thước và hương vị so với cà chua bình thường, chỉ khác ở chỗ là nó có thể được giữ rất lâu trên cây, trong khi các giống cà chua khác đã chín rục, phải hái vội để bán. FAVR-SAVR chỉ chín đỏ khi nào người ta muôn cho nó chín.

Vậy cuối cùng các tự điển bách khoa phải định nghĩa CNSH như th ế nào để khớp với các hình ảnh và sự thực về CNSH hiện đại?.Vâ'n đề này cũng là dề tài sôi nổi của nhiều Hội nghị Quốc tế, vì nếu không thống nhất với nhau về định nghĩa, thì không thể làm việc được, giông như trong một cuộc họp mỗi người nói một thứ tiếng. Đến nay hầu h ết đã đi đến chấp nhận định nghĩa sau:

"Công nghệ sin h học là các quá tr ìn h sản x u ấ t ở quy mô công n gh iệp có sự th a m gia củ a các tá c n h â n sin h học ịờ m ức độ cơ thể, tê bào hoặc dưới t ế bào) dự a trên các th à n h tự u tổ n g hợp củ a n h iề u bộ m ôn kho a họct p h ụ c vụ cho việc tă n g củ a cả i v ậ t c h ấ t củ a xã h ội và bảo vệ lợi ích củ a con n g ư ờ i"

Từ định nghĩa cô đọng này có thể rút ra nhiều điều khá lí thú:

- CNSH không phải là một bộ môn khoa học như toán, lí, hóa, sinh học phân tử..., mà là một phạm trù sản xuât.

- Bản thân công nghệ gene không phải là CNSH mà chỉ là m ột thành phần chủ chốt và cơ sở để giúp cho sự tiến bộ nhanh chóng của CNSH.

- Các tác nhân dưới tế bào (như enzyme) cũng có thể tham gia vào quá trình CNSH. Từ đó công nghệ enzyme trở thành một nhánh quan trọng của CNSH.

- N ông nghiệp và công nghiệp chế biến truyền thông không phải là CNSH (vì không sử dụng tổng hợp các thành tựu hiện đại của nhiều bộ môn khoa học), nhưng CNSH cò thể đóng góp rất lán vào nông nghiệp và công nghiệp chế biến để nâng hai ngành sản xuất truyền thông này lên vị trí mới.

- CNSH không chỉ tạo ra thêm của cải vật châ't, mà còn hưởng vào việc bảo vệ và táng chất lượng cuộc sống con người.

Cũng từ định nghĩa này, cần xem xét việc đào tạo cán bộ CNSH. Vì vừa có nội dung râ't rộng lạ i vừa gắn với sản xuâ't, nên khái niệm kĩ sư, thạc s ĩ hay tiến sĩ CNSH cần dược xem x ét T ấ t

kĩ.

1.2. Phân loại CNSH

Tùy theo cách nhìn khác nhau mà CNSH được phân loại theo kiểu khác nhau. Xét về các tác nhân sinh học tham gia vào quá trình CNSH, có thể chia nó thành các nhánh sau:

1. CNSH thực vật (Plant Biotechnology) 2. CNSH động vật (Animal Biotechnology) 3. CNSH vi sinh vật (Microbial Biotechnology)

4. CNSH enzyme hay CN enzyme (Enzyme Biotechnology) Gần đây, đôi với các tác nhân sinh học dưới t ế bào còn hình thành khái niệm CN protein (Protein Engineering) và CN gene (Gene Engineering). CN protein và CN gene xuyên suốt và trở thành công nghệ chìa khóa nằm trong CNSH thực vật, CNSH động vật và CNSH vi sinh vật.

Có thể phân loại các CNSH dựa trên các đối tượng phục vụ của chúng. Ta có: - CNSH nông nghiệp - CNSH y tế - CNSH môi trường - CNSH năng lượng - CNSH vật liệu - CNSH chế biến thực phẩm - CNSH hóa học...

N ộ i d u n g củ a quyển sách nà y sẽ được tr ìn h bày theo cá ch p h â n lo ạ i C N SH trên đ â y.

Một số tác giả cho rằng loài người đă sử dụng CNSH từ râ't lâu vào các hoạt động sản xu ấ t, thí dụ công nghệ làm rượu, bia, công nghệ sản xu ấ t nước mắm, tương, chao .... Vì vậy có thể chia CNSH thành hai nhóm:

- CNSH truyền thống (Traditional Biotechnology) - CNSH hiện đại (Modern Biotechnology)

Việc định nghĩa và phân loại CNSH trong giai đoạn phát triển ban đầu, như việc phát triển CNSH ở Việt Nam hiện nay, có ý nghĩa rất quan trọng. Trước h ết là để những người quyết định chính sách đầu tư cho CNSH có được một quan điểm nhâ't quán, xuyên suôt trong sắp xếp ưu tiên. Sau nữa - để tránh tình trạng lạm dụng từ CNSH nhằm lôi kéo sự quan tâm của các nhà đầu tư về phía cơ sở của mình.

1.3. Stf lược lịch sử hỉnh thành CNSH đến thố chiến thứ

1

Cho đến thời điểm cụm từ "công nghệ sin h h ọ c " được thừa nhận, người ta hay sử dụng những khái niệm như: vi sinh vật ứng dụng, sinh hóa ứng dụng, công nghệ enzyme, di truyền ứng dụng và sinh học ứng dụng để nói về CNSH. Điểm lại lịch sử cho thấy tổ tiên chúng ta cũng đã biết sử dụng các quy trình của CNSH trong thực tiễn cuộc sống của mình. Họ không có khái niệm về bản chất của các "công nghệ** nói trên và hành động hoàn toàn

theo kinh nghiệm và cảm tính. Tuy nhiên tổ tiên của chúng ta đã rất thành thạo trong việc sử dụng các phương pháp vi sinh yật dể ch ế biến và bảo quản thực phẩm (sản xuất phoma, dấm ăn, làm bánh mì, nước chấm, sản xuất rượu bia...). Trong đó nghề nâu bia có vai trò rất đáng kể. Hiện nay hàng năm trên th ế giới sản xuất khoảng 1012 lít bia mang lại một nguồn lợi không nhỏ cho nhiều quốc gia. Cơ sở của quá trình lên men sản xiúất bia là sự trao đổi chất trong tiến trình phát triển và sinh sản của một sô" loài vi sinh v ậ t ở điều kiện yếm khí. Ngay từ cuối th ế kỉ thứ 19, Pasteur đă chỉ ra rằng vi sinh vật dóng vai trò quyết định trong quá trình lên men. K ết quả n g h iên cứ u cứa P asteu r d ã là cơ sở cho sự p h á t triể n củ a n g à n h côn g n g h iệ p lên m en sản xuât dung môi hữu cơ như acetone, ethanol, butanol, isopropanol... vào thời kì cuối th ế kỉ thứ 19, dầu th ế kỉ 20.

Dần dần, quá trình lên men sản xuât dung môi hữu cơ bị thay th ế bởi ngành công nghiệp hóa châ't sản xuất dung môi hữu cơ từ dầu mỏ. Tuy nhiên, một số sản phẩm sử dụng làm thực phẩm vẫn được sản xuất nhờ lên men. Đặc biệt hiện nay một sô" nưđc, trong đó có Mĩ, Brazil, đang tiến hành dự án khổng lồ sản xuất cồn ethanol từ sinh khôi để thay th ế xăng làm nhiên liệu cho xe hơi. Cũng trong giai đoạn này đã bắt đầu hình thành xu th ế "cải tiến công n g h ệ " đối với quá trình lên men truyền thông. Thí dụ, trong quá trình lên men truyền thông sản xuất ethanol, nếu bổ sung bisulphite (HSOg‘) vào môi trường lên men, thì quá trình trên sẽ không hướng về phía tạo ethanol, mà hướng về phía tạo glycerol (râ't cần để sản xuất thuốc nổ trong th ế chiến thứ nhất) (hình 1.2).

G iai đoạn quan trọ n g th ứ h a i của quá trình phát triển CNSH là sự hình thành nền công nghiệp sản xuất thuốc kháng sinh penicillin, khởi dầu gắn liền với tên tuổi của Fleming, Florey và Chain (1940). Hiện nay doanh thu thuôc kháng sinh hàng năm trên toàn thế giđi cỡ chừng hơn 3 tĩ USD. Trong thời kì này xuât hiện m ột số cải tiên về m ặt kĩ thuật và thiết bị lên men vô trùng

cho phcp tăng đáng kể năng suất lên men. Các thí nghiệm xử lí phô thải bằng bùn hoạt tính (bùn non) và công nghệ lcn men yếm khí tạo hiogas chứa chủ yếu khí methane, CO2 và tạo ra nguồn phân bón hữu cđ c ó giá trị cũng đã được tiến hành và hoàn thiện.

Hiện nay, riêng ở Trung Quốc và Ấn Độ có tới vài chục triệu hầm biogas đang hoạt động, góp phẫn đáng kể vào việc tạo nguồn năng lượng và làm sạch môi trường.

1.4. Phát triển CNSH vào thời kì sau thê chiến thử 2.

Trong khoảng 50 năm sau đại chiến lần thứ 2, song song với việc hoàn thiện các quy trình CNSH truyền thống đã có từ trước, một sô' hướng nghiên cứu và phát triển CNSH đã hình thành và phát triển mạnh mẽ nhờ một loạt những phát kiến quan trọng trong ngành sinh học nói chung và sinh học phân tử nói riêng (bảng 1.1). Đó là việc lẫn đầu tiên xấ c định đưực cầu trúc của protein (insulin, Sanger), xây dựng mô h ìn h cấu trúc đường xo ắ n kép của p h â n tử D N A (Watson và Krick, 1953). Tiếp theo là việc tổng hợp th à n h công protein (Katsoyannis, Zahn và Kung,

1963-G lycerol

r

1965) và đặc biệt là việc tổng hợp th à n h công gene và buộc nó th ể hiện trong tê bào vi sinh vật (Gilbert và Villa-Komaroff, 1980). Tất nhiên ở đây chỉ kể đến những phát kiến tạo ra bước ngoặt trong sự phát triển của sinh học nói chung và CNSH nói riêng. Chính chúng đã tạo tiền đề cho sự phát triển nhanh chóng của các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tế sau đó trong lĩnh vực CNSH.

Bảng 1.1. MỘT s ố HƯỚNG PHÁTTRIẺN CNSH h i ệ n đ a i

L ĩn h vực ứ n g d ụ n g

Nôììịị nghiệp Tạo chủng vi sinh vật mới, xây dựng các phương pháp chọn giống cây trồng và vật nuôi.

Sản xuăí hỏa chất Sản xuất acid hữu cơ (citric acid, itaconic acid, acetic acid...), sử dụng enzyme làm chất tầy rửa.

Năng iượnịị Gia tăng phạm vi sử dụng biogas, xây dựng các dự án lớn sản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu.

Kiểm soái môi trườn ạ Hoàn thiện các phương pháp kiểm soát và dự đoán tình trạng môi trường.

Hoàn thiện các phương pháp xử lí phế thải (đặc biệl là xử lí phế thải công nghiệp).

CânịỊ nghiệp thực phẩm _{Xây dựng và hoàn thiện các phương pháp chế hiến} và bảo quản thực phẩm mới, sản xuất chất bổ sung vào Ihực phẩm (vitamin, amino acid...), sử dụng protein đơn bào (SCP) và enzyme trong công nghệ chế biến thực phẩm.

Vật liệu Hoàn thiện các quy trình tuyển khoáng khai thác kim loại và hoàn thiện tiếp tục các phương pháp kiểm soát quá trình phá hủy sinh học.

Y tế Dùng enzyme tạo các bộ cảm biến sinh học trong các thiêt bị phân tích y tế. sử dụng enzyme vù tế bào vi sinh vật Irong sản xuất thuốc (thí dụ tnuốc steroid) vù tổng hợp các loại kháng sinh mới. sử dụng enzyme irong chữa trị bệnh.

Các hướng tighiêỉt cứu C N SH nổi trên sề được xem x é t chi tiết trong các chương tiếp theo. Ớ đây chỉ đưa ra 4 trường hợp điển hình nhât phản ánh xu thê phát triển của nền CNSH hiện đại. Đó là công nghệ sản xuât amino acid, protein đơn bào SCP (Single Cell Protein), biến đổi steroid nhờ tế bào vi sinh vật và công nghệ nuôi cây tế bào động, thực vật.

Trong vòng 30 năm cuối, amino acid không ngừng được gia tăng về nãng suất. Hiện hàng năm thế giới sản xuất chừng 150.000 tấn glutamate-Na ỉàm bột ngọt và 15.000 tấn lysine làm chất bổ sung vào thực phẩm và thức ăn gia súc với tổng trị giá chừng 1,5 tỉ USD. Chủ yếu chúng được sản xuất tại Nhật.

Người ta sử dụng khả năng biến đổi sinh khôi thưc vật có hàm lượng protein thâp thành sản phẩm có hàm lượng protein cao của vi sinh vật để sản xuất SCP. Trong thời kì cả hai thế chiến, ở Đức đã hoạt động quy trình công nghệ nuôi nâm men Saccharomvces cerevisiae, Candida arborea và Candida utiỉis để sản xuất thực phẩm giầu protein cho người. Sau đó vào những nãm 60 nhiều công ti dầu khí và hóa chất đã tiến hành nghiên cứu hoàn thiện các quy trình công nghệ sản xuất SCP từ dầu mỏ, khí methane, rượu methanol và tinh bột. Ở Anh, hãng ICI sử dụng Meíhylophiỉus methylotrophus trên môi trường methanol sản xuất được khoảng 70.000 tấn/năm SCP có tên thương phẩm là Pruteen. ở Liên Xô cữ, hàng năm từ nguồn nguyên liệu carbohydrate và phê liệu nông nghiệp đã sản xuất hơn 1.000.000 tấn SCP dùng cho chăn nuôi. Tuy nhiến cho đến nay, duy nhất chỉ có sản phẩm SCP của hãng Rank Hovis McDougall (Anh)

được

Nói chung nhu cầu sử dụng enzyme rất lớn, đặc biệt trong khoảng 10-15 năm trở lại đây. Tuy nhiên số lượng và chủng loại enzyme thương phẩm chưa lớn, tổng doanh thu của chúng trên

toàn th ế giđi hiện chỉ khoảng 500 triệu USD/năm. Nguyên nhân của nghịch lí trên là do sản phẩm enzyme kém ổn định, dễ bị biến tính, quá trình chiết xuất và tinh sạch phức tạp và tốn kém. Ngoài ra trong phần lớn các trường hợp phải bổ sung châ't đồng tác động (co-factor), thì enzyme mới thể hiện hoạt tính xúc tác. Tuy nhiên trong một số trường hợp người ta đã khắc phục hạn chế trên bằng cách sử dụng tế bào nguyên vẹn làm tác nhân xúc tác. Đó là trường hợp sử dụng tế bào nâ'm mốc R hizopus arrhizus xúc tác phản ứng gắn oxy vào vòng progesterone trong quy trình sản xuất thuốc cortisone. Đây là một phần ứng rất khó thực hiện về m ặt hóa học và rất tốn kém. Cải tiến trên do vậy đã góp phần giảm giá cortisone từ 200 ƯSD/g còn 0,68 ƯSD/g trong vòng 1 năm. Xu th ế sử dụng tế bào làm tác nhân xúc tác hiện đang râ't được chú ý trong công nghiệp sản xua't hóa chất, đặc biệt ở Mĩ và N hật.

Công nghệ nuôi cấy tế bào động và thực vật để sản xua't các chât hoạt tính sinh học quý hiếm hiện cũng rất được chú ý. Thí dụ các nhà khoa học của hãng Unilever bằng phương pháp lai ghép tế bào đã tạo ra dòng tế bào cọ dầu cho năng suất và chất lượng dầu cọ hơn hẳn các giông truyền thông.

1.5. Một số khía cạnh kỉnh tế và khoa học của CNSH

Chỉ tính riêng ngành rượu bia của Anh hàng năm có doanh thu khoảng 15 tỉ USD, hoặc trên toàn th ế giới hàng nảm sản xuất khoảng 3 tỉ USD thuốc kháng sinh, 1,5 tỉ USD amino acid, hơn 500 triệu USD các chế phẩm enzyme... Theo đánh giá sơ bộ đến năm 2000 doanh thu của CNSH trên toàn th ế giđi sẽ khoảng gần 100 tỉ USD. Đặc biệt trong thời gian trước mắt, những ứng dụng của CNSH trong ngành y tế như sản xua't các th iết bị phân tích sinh học, sản xuất thuốc chữa bệnh đặc chủng bằng kĩ thuật DNA tái tổ hợp, sẽ phát triển rất mạnh mẽ.

Phụ thuộc vào các yếu tố chính trị và kinh tế, sự phát trỉển của CNSH t.hể hiện khác nhau giữa các nước Đông - Tây và các

nước Bắc - Nam. Trong khi các nước thuộc thế giới thứ ba có xu thế phát triển và cải tiến các quy trình CNSH truyền thông, thì các nước phát triển ỉại chú ý phát triển các hướng CNSH tiên tiến nhât. Các nước XHCN và Liên Xô cũ phát triển CNSH theo hướng nhà nước tập trung và nhờ vậy đôi khi cũng thực hiện

được

Mĩ và các nước Tây Âu từ lâu đã đầu tư rất mạnh cho ngành CNSH và chủ yếu dựa vào các công ti tư nhân. Riêng ở Mĩ hiện đang hoạt động khoảng vài trăm công ti tư nhân về CNSH. Các công ti này hoạt động theo 4 hướng sau: 1) Công ti CNSH chuyên nghiên cứu công nghệ DNA tái tổ hợp; 2) Công ti CNSH chuyên sản xuất thuốc y tế, sản phẩm enzyme; 3) Công ti chuyên về các thiết bị CNSH; 4) Công ti đa quốc gia sản xuất ở phạm vi rất lớn như : khai thác dầu khí, sản xuất thực phẩm, hóa phẩm, dược phẩm và chê biến nông phẩm. Nhờ có sự đa dạng và năng động trên, nên hiện nay cũng như sau này trong một tương lai gần, Mĩ hầu như vẫn giữ vị trí độc tôn trong lĩnh vực CNSH, sau đó là Nhật và các nước Tây Âu.

Cùng với sự phát triển của CNSH người ta rất lưu tâm đến vấn đề bảo vệ quyền tác giả trong nghiên cứu CNSH, các biện pháp an toàn trong công nghiệp CNSH và kiểm tra chất

lượng

1.6. CNSH Việt INam - tình hình và triển vọng.

Nước ta là một nước nông nghiệp đang cố gắng công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Tinh hình này sẽ kéo dài vài thập kỉ, trong

dó c á ch m ạ n g tin học và cá ch m ạ n g CNSH giữ vai trò động lực. Để thấy rõ tác động của CNSH đối với các vân đề kinh tế xả hội ở nưđc ta, hãy so sánh triển vọng của cách mạng CNSH so với cuộc cách m ạng xanh mà chủng ta thường nói đến trong những năm 70 và 80 (bảng 1.2).

N hận thức rõ vai trò của CNSH đối với sự phát triển kinh tế xã hội ở nước ta trong th ế kỉ 21. Chính phủ Việt Nam đã công bô' N ghị quyết 18/CP ngày 11/4/1994 về tfPhương hư ở ng p h á t triển c ủ a C N SH ở V iệt N a m đ ến 2010”. Đôi với sự phát triển của CNSH ở V iệt Nam, đây là một bưđc ngoặt cực kì quan trọng. Xuât phát từ N ghị định 18/CP, các Bộ, Ngành có cơ sở để hoạch dịnh một cách sáng tạo phần đóng góp của mình trong sự nghiệp tiến hành cuộc cách m ạng CNSH ở nước ta*

Từ khi mở ra cơ chế thị trường đến nay, đã thấy khá rõ những điểm yếu của CNSH Việt Nam trong cuộc cạnh tranh quốc tế, trưđc h ết ở Đông Nam Á. Đó là:

1. Cơ sở sinh học , trước hết là sinh học phân tử, ở nước ta quá khiêm tốn về thiết bị cũng như đội ngũ cán bộ. Điều này ảnh hưởng đến việc tiếp thu và phát triển CNSH, đặc biệt đôì với bộ phận trung tâm của CNSH là CN gene.

2. Tuy Việt Nam có một sô' ngành công nghiệp sinh học (tập trung chủ yếu ở TP HCM) như công nghiệp mì chính, rượu, cồn, bia...nhưng các công nghiệp sinh học khác chưa phát triển và không ở tư th ế có thể cạnh tranh được.

3. Ngành di truyền giông ở cả thực vật, động vật và vi sinh vật trước đây tuy òó duy trì, nhitag không phát triển dược, chỉ dừng lạ i ở việc tuyển chọn các giống thích hợp vđi điều kiện từng vùng ở nước ta từ các sản phẩm di truyền và giống chủng của nước ngoài. Rất ít có các sáng tạo của các đơn vị khoa học của Việt Nam trong công tác giông.

Trong tình hình như vậy sự cạnh tranh sẽ không dễ dàng. Trong một số năm đầu, có thể cả thập kỉ, các sản phẩm CNSH 16

nước ngoài sẽ chỉếm ưu th ế trên thị trường và lân á t các sản phẩm trong nước, c ầ n khoảng 10 năm tiếp theo cho việc chuyển giao công nghệ và cải tiến để về cơ bản trình dộ khoa học công nghệ và sản xuất CNSH ở Việt Nam ngang ngửa với mức phát triển ở Châu Á.

B ill

I.Z.

C h ỉ tiêu 80 s á n h

C á c h m ạ n g x a n h C á c h m ạ n g C N S H

Thời gian quy ước Đối tượng cây trồng Các lĩnh vực kinh tế quốc dân dược tác động Các vùng đất được tác dộng Kết quả 1970-1985. Lúa, lúa mỉ. Tâng sản xuất lương thực. Chủ yếu vùng dất dược tưới, độ phì C H O , có khả nãng thâm canh. Sản lượng lương thực tâng rỏ rệt, nhưng làm mất cân bằng sinh thái nông nghiệp do sử dụng quắ nhiều phồn bón, thuốc trừ sâu. Sự phụ thuộc của các nước thứ ba vào các nước phát triển tâng lên. Từ 1990 tới nay. Tất cả các cây. Nông nghiệp (cắ chân nuôi, thủy sản, y tô', công nghiệp chế biến, vột liệu mới, môi trường). Hầu hết các loại dâ't trồng, kể cẩ đất trống đồi trọc, dât cát và mặn ven biển, dá't chua phèn... Nông nghiệp da dạng hóa phát triển theo hướng sinh thổi bển vững. Tăng dân số dược kiềm chế phù hợp với mức táng sản xuất nông nghiệp. Châ't lượng cuộc sống táng do xử lí dược phẽ thái và báo vệ tốt môi trường. Mức dộ phụ thuộc biến dổi tùy theo chính sách CNSH cùa mỗi quốc gia.

Muốn rút ngắn các giai đoạn này, con đường duy nhất dủng là ra sức xây dựng đội ngũ cán bộ CNSH trong nước, di dôi vđi đầu tư có trọng điểm và dứt điểm vào các mục tiêu đã dược lựa chọn một cách đúng đắn và khách quan. Vì 4ã„tụt ỊỊìậu khá xạ, Ị P . P O C l

nên tư tưởng chiến lược trong CNSH là cần phải tìm ra các cửa đột phá và chỉ đạo tập trung dứt điểm, tránh tản mạn, trùng lặp và cục bộ.

V iệt Nam là nước có nền CNSH truyền thông phát triển cao từ nhiều th ế kỉ và có nhỉều sản phẩm CNSH nổi tiếng tham gia thị trường trong và ngoài nước như rượu Làng Vân, tương Bần Yên Nhân, nước mắm Phủ Quốc, nước mắm Phan Thiết... Nhiệm vụ của CNSH Việt Nam là dùng CNSH hiện đại để tìm hiểu và nâng cao CNSH truyền thông lên những bước phát triển mới. 1.7. Tóm tắt

Ở chương n h ậ p m ôn n à y ch ú n g ta xem x é t 8Ơ bộ k h á i n iệm c h u n g về CNSH, nguồn gốc, lịch sử h ìn h th à n h , tìn h tr ạ n g hiện tạ i cứ a C N SH n ó i ch u n g trên th ế g iớ i và n ổi riên g ở V iệt Nanu Các hư ởng p h á t triể n ch ủ yếu củ a CNSH và triể n vọng củ a c h ú n g trong th ờ i g ia n tớ i c ũ n g đã được đề cậ p 8Ơ bộ. Các nội d u n g c h i tiế t cửa ch ú n g sẽ được đề eậ p trong các chương tiếp theo.

1

CHƯƠNG 2

C N S H VÀ V Ấ N Đ Ề N Ă N G LƯ Ợ NG T Ấ I S IN H T Ừ S IN H K H Ố I

2.1. Khái nỉệm về năng lượng tál sinh ỉử sinh khối

N ăng lượng nối chung là một vân đề thời sự ngày càng quan trọng đối với mọi hoạt dộng của con người trên trái đất, khi các nguồn năng lượng truyền thông như dầu mỏ, khí đô't, thủy điện... đang ngày càng cạn dần. Do đó vai trò của CNSH trong việc tạo ra năng lượng, gọi là năng lượng tái sinh (NLTS) từ nguồn nguyên liệu sinh học (sỉnh khối) ngày càng được chủ ý. Nối chung NLTS được tạo thành từ nhỉều nguồn khác nhau như: trồng trọt, chăn nuôi, lâm nghiệp, sản xuất thức ăn gia súc, xử lí phế liệu, phế thải... Về nguyên tắc trong chuỗi năng lượng chung, năng lượng ánh sáng m ặt trời (quang năng) đống vai trò quan trọng bậc nhâ't. Vì nò là nguồn cung câp năng lượng duy nhât cho tấ t cả các quá trình sống trên trái đât (hình 2.1).

Mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, hàng năm bề m ặt trái dất tiếp nhận khoảng 3 X 1024 J (viết tắ t của Joule là đơn vị

năng lượng). Để hình dung mức độ vĩ đại của nguồn năng lượng trên, chúng ta nên b iết là toàn bộ nguồn dự trữ dầu mỏ, khí đốt, than đá và quặng uranium của trái đất chỉ tương đương khoảng 2,5 X 1022 J (hay 8 X 1011 tấn đơn vị quy đổi về than dá). Tuy

nhiên ở đây có hai hạn chế ỉà quang năng cung câp không đều (do chu kì ngày và đêm) và bị tản mạn khắp nơi. Để khắc phục, cần phải có hệ thống thích hợp để tích lũy quang năng và dễ dàng cung câ'p khỉ cần sử dụng.

Các dạng năng ỉượng mđi Kiểm soát sinh học

Cố định đạm Điểu hòa sình trường Môi trường dinh Bể phản ứng dương chứa đường sinh học T Ã

Nhiên liệu _{Nguyên liệu}

Enzyme thủy giải

<(-Sẳn phẩm

Ngành nỏng nghiệp và lâm nghiêp

... t ...

Hình 2.1. Liên quan giữa sự tạo thành sinh khối và CNSH.

Thực tế hệ thông thu nhận quang năng của trái đât có diện tích rất lớn - đó chính là sinh hệ tạo sinh khối bằng con đường quang hợp, bao gồm thảm thực vật rộng ldn trên đất liền và hằng hà sa số các dạng thực vật khác nhau trong ao, hồ, sông ngòi và biển cả. Sinh hệ tạo ra các sản phẩm sinh học (còn gọi là sinh khối) rất đa dạng, bền vững và bảo quản được lâu. Đó chính là nguồn cung cấp năng lượng tái sinh chủ yếu.

Tuy vậy, quá trình thâu nhận và sử dụng quang năng trong quá trình quang hợp có một sô' nhược điểm là hiệu suất của quá trình thấp (thường nhỏ hơn l% t và râ't ít khi lớn hơn 2%x sinh khối tạo ra có hàm lượng nưđc cao, gây khó khán cho việc tạo năng lượng. Do đó để có được nguồn nhiên liệu có năng lượng cao cần phải tiên hành thu hoạch, vận chuyển, loại bớt nưđc, cô đặc sản phẩm và xử lí sinh học hay hóa học các sản phẩm sinh học nói trên. Hiện nay, phương thức chủ yếu sử dụng năng lượng chứa trong sinh khôi thực vật là đốt cháy chúng (đặc biệt là ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam) và ở một mức độ ít hơn, là thông qua xử lí nhiệt: đốt than củi, hóa khí gỗ...(quá trình này

yêu cầu nguyên liệu phải chứa ít nước và xử lí ở nhiệt độ cao) (bảng 2.1).

lỉu

P h ế thải _{Thực v ậ t trên đất liền} Thực v ệ t dưới nưđc Phân động vật S in h k h ô i chứa cellulo»e Tảo đơn bào

Bùn hoạt tính Bạch đàn Chlorelỉa

Rác Bạch dương Scenedesm us

Thức ăn thừa Tùng, thông Nauỉcida

Công, rãnh Leucaena, Casuarina Táo đa bào

P h ế th ả i CN gỗ S in h k h ố i chứa tin h bột Táo nâu

và mía đường Ngô, sắn Thực v ậ t

Rơm rạ S ìn h k h ố i chứ a đường Bèo tây

Trấu Mía đường Cói

Vỏ quả Củ cải đường Sậy

Rỉ đường

Khác với các quá trình trên, quá trình tạo năng lượng bằng con đường sinh học ưu việt hơn hẳn, vì có thể tiến hành trên nguyên liệu sinh học có hàm lượng nước cao và ở nhiệt độ thấp (từ 25 - 65°C). Hiện nay nguồn cung cấp năng lượng tái sinh chủ yếu là do ngành công nghiệp rừng và nông nghiệp cung cấp. Lượng gia tăng sinh khôi hàng năm (chủ yếu là gỗ rừng) trên toàn th ế giđi khoảng 2 X 1014 tấn. Tuy nhiên nguồn rừng dự trữ

và sự phân bô" của chúng không đều: Canada, Liên Xô cũ và Nam Mĩ (chủ yếu là Brazil) cò nguồn dự trữ rừng khổng lồ tính theo diện tích chung và theo dầu người. Trong khi nguồn dự trữ rừng của Châu Á lạ i rất tháp. Đó là do sự gia táng dân số quá nhanh không kiểm soát dược, và tệ h ại hơn nữa là nguồn sinh khối ở đây lại chủ yếu được sử dụng dể đốt (một hình thức sử dụng sinh khôi kém hiệu quả nhất) (bảng 2.2).

M ặt khác, hiện trình độ sản xua't nông nghiệp tạo nguyên liệu tinh bột và đường (là nguồn cung cấp NLTS rất quan trọng) của các nước phát triển rất cao. Trong khi ở các nưđc đang phát triển lạ i thấp, đặc biệt ở các nước Châu Phi và m ột sô' nước Châu Á. Do vậy các nưđc này luôn phải giải quyết vấn đề là nên sử dụng nguồn nguyên liệu trên như th ế nào, là m n g u ồ n th ự c p h ẩ m cho con người và v ậ t n u ô i hay đ ể d ù n g là m nguồn n ă n g lư ự ngĩ.

BỈU 2-2 DIỆN TÍCH RỪNG VÀ Dự TRỮ GỖ. Vùng lãnh th£ D iện tích rừng (triệu ha) Dự trữ gỗ Tổng thể triệu m3 m3/ ha m3/ đầu người Mĩ 220 20.200 92.1 95.3 Canada 250 17.800 71.2 809.1 Châu Âu 144 14.900 103.5 29.1 Liên Xô cũ 770 81.800 106.2 324.6 Châu Á và Châu Úc 448 38.700 72.9 18.7 Nam Mĩ _{631 92.000 145.8 362.2} Châu Phi _{188 35.200 187.2 90.0}

Nhân đây cần nhân mạnh là nếu tăng được năng suất sinh học của ngành trồng trọt và trồng rừng, thì có khả năng giải quyết được mâu thuẫn nói trên. Chính CNSH sẽ là vũ khí chủ yếu để giải quyết vân đề này. Trong đó trước h ết phải đánh giá dược giđi hạn năng suất sinh học và hiệu suất quang hợp của những cây trồng phổ biến hiện nay. Đồng thời phải vạch ra dược chiến lược tạo giông cây trồng mái có náng suât sinh học cao hơn, thích nghỉ được các vùng đâ't khô cằn, hoang hóa, đất phèn mặn cũng như dầm lầy và vùng ngập nước. Dưới đây chúng ta xem x ét cụ thể một sô" khía cạnh sinh học và biện pháp làm gia tâng năng suất sinh học của cây trồng.

2.2. Quang hợp

Quá trình quang hợp là quá trình quan trọng bậc nhất trong hoạt động sống của thực vật và được biểu thị bằng phản ứng tổng quát sau:

Thực v ậ t

H2 O + CO2 ---———--- ỳ” Chất hữu cơ + O2 Quang năng

Ngoài c , H, o trong quá trình trên còn có sự tham gia của N và s. Quá trình quang hợp bao gồm hai chu trình chủ yếu là chu trình tối và chu trình sáng, cả hai đều xảy ra ở lục lạp thể (là nơi tập trung diệp lục tô" ở thực vật). Trong chu trìn h tôĩ, khí C 02 từ khí quyển khuếch tán vào sẽ dược cố định lên các tiền chất hữu cơ thông qua phản ứng carboxyl hóa do enzyme (men) RuBP carboxylase (Ribulose Biphosphate Carboxylase) xúc tác tạo ra 2 phân tử PG (Phospho Glycerate) chứa 3 nguyên tử c . Các acid này sau dó sẽ bị khử để tạo thành triosephosphate - là phân tử đường chứa 3 c và là tiền chất để tổng hợp các loại đường đơn, đường kép và đường bậc cao hơn cũng như tinh bột và cellulose.

Quá trình trên sử dụng năng lượng do các phân tử giàu năng lượng được tạo thành trong chu trình sáng của quá trình quang hợp là ATP (Adenosine Triphosphate) và NADPH (Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate) cung cấp. Chu trìn h sáng có nhiệm vụ biến năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học dự trữ trong các phân tử vừa nêu trên. Chu trình sáng gồm hai quang chu kì (photosystem) I và II (hình 2.2). Trong đó quang năng ở dạng 4 quang tử (photon) được hấp thu bởi hai phức hợp chứa hỗn hợp diệp lục tô" (chlorophyll) và protein. Ớ phức hợp P680 của quang chu kì II, quang năng được sử dụng để phân li nước thành phân tử 0 2 tự do và 4 điện tử (electron - kí hiệu là e") cổ thế năng khá cao. Thế năng này cho phép các điện tử khắc phục sự cản trở của hiệu diện th ế để chuyển lên phức hợp thu nhận quang năng của quang chu kì I là P700 có diện tích âm (-) hơn so với P680.

Ở P700 các e' lại được nạp năng lƯỢng m ột lần nữa bởi 4 photon do P700*hấp thu và chuyển tiếp lên xnức th ế năng cao hơn nữa. T hế năng này cho phép tạo ra các phân tử giàu năng lượng là ATP và NADPH. N ăng lượng này sau đó sẽ được sử dụng trong chu trình tối của quá trình quang hợp <lể teio ra các hợp ch ết hữu cơ cần th iết cho cơ thể thực vật. _0 81- Thế oxy-hóa khử, V -0,4 +0,4 +0,8L 4 h v Mrí2+

2

o

__PZQiLJ

c p680hyll|4 o IIệ thống qUang cbu kì 1 Chu kì lỏì

Hệ thống quang chu kì Iỉ

Hình 2.2. Sơ dồ chu trình sáng và tối trong trình quang hợp.

Trong sơ đồ trên, năng lượng của e' gia tăng từ +0,8V (thế năng của H20 ) tới -0,43V (th ế năng của sdn phắm được tạo ra) tương ứng với 480 kJ. Điều này chứng tỏ quá trình quang hợp hoạt động rất có hiệu quả. Tuy nhiên tfOxig thực tế lại không phải hoàn toàn như vậy. Nguyên nhân là do enzyme RuBP carboxylase ngoài việc xúc tác phản ứng cố định C 0 2 tạo ra đường, còn xúc tác phản ứng oxy hóa tiêu thụ đường tạo ra phosphoglycolate. Kết quả là một phần

c

phân biệt vđi cây C4 c<5 hiệu suât cô' định C 02 cao hơn 80 với cây C3 (hình 2.3).

Cây C4 là những cây khá phổ biến ở vùng nhiệt đái trong đó có những cây trồng quan trọng như ngô, mía, cỏ miến, cỏ voi ...Ở những cây này khí C 02 được cô' định và tạo ra acid hữu cơ chứa 4 nguyên tử

c,

c.

c

Đường ^ Cay

c

Khả năng tạo sinh khối của thực vậ t cổ liên quan chặt chẽ với quá trình quang hợp và có giá trị biến thiên trong khoảng 0,5-1,3% ở cây ôn đới, thấp hơn 80 với ở cây nhiệt đới là 0,5*,5%. Có nghĩa là hiệu suâ't quang hợp càng cao thì khả nâng tạo sinh khối của thực v ệ t càng lán. Do đó nẩy sinh nhu cầu tạo cáe g iố n g câ y tr ồ n g m ới có h iệu su ấ t q u a n g h ợ p cao hơn so với những giông cây trồng truyền thông và đây chính là m ột trong những nhiệm vụ quan trọng của ngành CNSH hiện đại.

Ngoài ra nhờ các biện pháp CNSH người ta có thể tạo ra các giông cây mới có khả năng sử dụng hiệu quả hơn các điều kiện của môỉ trường sông, tạo ra lượng sỉnh khôi lđn hon và tiêu tốn năng lượng ít hơn so với các giống cây trồng cũ. Cụ thể là bên cạnh những phương pháp tạo giông truyền thống, người ta dã bát đầu sử dụng rât có hiệu quả kĩ thuật chuyển các gene quý hiếm vào tế bào thực vật, kĩ thuật tạo và nhân nhanh các giống quý hiếm bằng phương pháp nuôi cấy mô thực vật, kĩ thuật tạo giống bằng phương pháp lai tế bào trần (protoplast), hoặc sử dụng các chat gây đột biến làm thay đổi bộ nhiễm Bắc của ti thề và lục lạp thể...

Tuy nhiên đây vẫn còn là vân dề của tương lai. N goài ra người ta cung rất chú ý tđi các nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực q u a n g 8Ình h ọ c.

c<5

2.3. Ngànli nòng nghiệp và lâm nghiệp

Khi xem xét bất kì một phương thức canh tác nào, người ta phải tính đên tương quan giữa nâng lượng mà cây tích lữy được và năng lượng tiêu tôn. Hay nói đơn giản hơn ỉà tương quan giữa năng lượng đầu ra và đầu vào. Sô" liệu thông kê cho thây do sử dụng quá nliiều phân hóa học nên ngành trồng ngô ồ Mĩ cò

tương quan giữa năng lượng thu được (đầu ra) và nâng lượng tiêu tốn (đầu vào) giảm từ 3,7 năm 1945 xuống còn 2,8 năm 1970.

ở Anh, ngô được trồng chủ yếu dể chăn nuôi nên thực tế hệ số nối trên khổ cao, khoảng từ ỗ đến 9 lần. Để sản xuất phân bón cho cây trồng phải ton râ't nhiều năng lượng (đặc b iệt là sản xuất phân đạm). Do vậy sự can thiệp của các biện pháp CNSH nhằm tạo ra các giống cây trồng cổ khả năng cố định đạm (thông qua quan hệ cộng sinh với vi sinh vật cố định đạm ở rễ cây hoặc được cây gene cố định đạm), sẽ mở ra một tương lai sáng lạn cho ngành trồng trọt. Bảng dưới dây phản ánh hệ số tương quan giữa năng lượng tích lũy và tiêu ton trong các hình thức sản xuất nông nghiệp khác nhau ở Anh (bảng 2.3). Trong đó hệ sô' càng lớn, thì hình thức sản xuất càng c<5 hiệu quả.

Bảng 2.3. HỆ s ố TƯƠNG QUAN GĨỮA sự TÍCH LŨY VÀ TIÊU TỐN NẢNG LƯỢNG CỬA CÁC HÌNH THỨC SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP Ở ANH.

N ông trại

Sản xuất sữa 0,38 Trồng cỏ để chăn nuôi 9,1

Phần lớn sản xuất 0,55 Trồng cỏ vừa để chăn 5,6

sữa nuôi vừa cắt làm thức ăn

Chăn nuôi đại gia 0,59 dự trữ

súc Trồng cỏ chuyên làm 2,4

Nuôi cừu 0,25 thức ăn dự trữ

Nuôi heo, gà 0,32 Đậu tươi _0,9

Trồng đại mạch 2,4 Đậu đóng hộp _0,1

Trồng ngô (lây hạt) 2,3 Cà rốt _1,1

Trồng lúa mì (lây 3,4 Cải Brusell 0,2

hạt) Rau xà lách trong nhà _0,002

Khoai tây 1,6 kính

Củ cải đường Nuôi gà th ịt hoặc lấy 0,1

- Tính theo đường 3,6 trứng

- Tính chung 4,2 Cá 0,05

C â y th â n g ỗ là một nguồn cung câp năng lượng Tất lớn vì nổ có năng suất sinh khối trên đơn vị diện tích cao hơn bất kì so với các đối tượng thực vật khác. Ngoài ra, để tái sinh nó không cần phải chi phí cao. Tuy nhiên quá trình xử lí tạo nảng lượng từ thành phần chủ yếu của gỗ là cellulose lại khá phức tạp. Trong thực t ế không phải gỗ cây, mà chính các phế liệu của ngành công nghiệp ch ế biến gỗ như mùn cưa, m ạt gỗ, gỗ vụn...lại là nguồn nguyên liệu tạo năng lượng tái sinh tốt nha't. Do tầm quan trọng nêu trên của cây thân gỗ, nên việc lựa chọn và tạo các giống cây thân gỗ có tốc độ phát triển nhanh bằng biện pháp CNSH, sẽ là một trong các hướng giải quyết năng lượng có triển vọng.

Trong thực t ế một số loài thân gỗ như liễu (Saỉíx), cây dương (Popuỉus) ở vùng ôn đới, phi lao (Casuarina) và bạch dàn (E ucalyptus) ở vùng nhiệt đới, là những cây r ấ t thích hợp cho mục đích trên. Trong số này bạch đ à n cho n ă n g s u ấ t sin h kh ố i cao hơn cả. Họ bạch đàn bao gồm khoảng 450 loài và dưới loài, phân bố khắp nơi và dễ thích nghi với diều kiện sống khó khăn, đất xấu, ít nước... Có lẽ chỉ ở vùng băng tuyết và sa mạc là không có m ặt chúng. N ăng suâ't sinh khối của bạch đàn cao hơn nhiều so với các cây thân gỗ mềm khác trong đó có thông (P in u s radỉataX là nguồn cung cấp cellulose chủ yếu từ trước tổi nay. Hạn chế duy nhất là quá trình xử lí sản xuâ't năng lượng từ gỗ khá phức tạp.

Các loạ i thự c v ậ t sống trong nước, kể cả nước ngọt và nước mặn cũng là nguồn cung cấp sinh khối rất đáng kể. Tuy nhiên vì chứa nhiều nước, nên người ta không sử dụng trực tiếp chủng làm nhiên liệu đốt. Thay vào đó để tạo năng lượng, người ta thường xử lí chúng bằng lên men yếm khí để vừa tạo khí đốt (biogas), vừa tạo nguồn phân bón hữu cơ có giá trị.

Trong sô' các loài thực vật sông trong nước, hiện người ta chú ý rất nhiều đến tảo và bèo tâ y . Bèo tây được sử dụng chủ yếu dể lây năng lượng thông qua quá trình lên men yếm khí tạo biogas. Còn tảo và vi sinh vật có khả năng quang hợp sống trong nước ,

lại có phạm vi sử dạng lán hơn nhiều. Horn nữa do chúng có khả n ă n g sôn g và phát triển tốt trong các m ôi trường nưđc khác nhau, dặc b iệt là trong môi trường chứa châ't thải gây ô nhiễm môi trường, nên việc nuôi trồng tảo và vi sinh vật quang hợp sẽ giúp giải quyết hai nhiệm vụ cùng một lúc: tạo nguồn sin h k h ố i và làm sạ ch m ôi trường 8ốhg. Thực nghiệm cho thây ỏr điều kiện nhiệt đới được chiếu sáng tô't, hàng năm người ta có thể thu dược 50-60 tấn sinh khôi tảo khô trên 1 ha, tương đương khoảng 74.000 kWh điện. Ngoài ra người ta có thể sục trực tiếp khí thải chứa khí C 0 2 từ ông khói của các nhà máy và khu công nghiệp lớn vào bể nuôi cấy tảo. Điều này vừa làm gia tăng đáng kể sự tích lũy sinh khôi tảo, vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm không khí, do các khu công nghiệp gầy ra. Trong quá trình lên men yếm khí, ngoài sô" lượng khí methane đáng kể được tạo ra, người ta còn thu được một sô" lượng khá lớn bã phân hữu cơ.

Hơn n ữ a , m ộ t sổ' lo à i t ả o cố kh ả n ẩ n g t ổ n g h ợ p c a r b o h y d r a te có độ dài không lớn, có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu để đốt hoặc chạy động cơ. Thí dụ loài tảo xanh Botryococcus braunii, là loài tảo phân bô' hầu như khắp nơi trên trái đất, có khả năng tích lũy tđi 75% sinh khôi khô carbohydrate có độ dài thay đổi từ C17 đến C34. Thời gian gần đây các nhà khoa h ọ c I s r a e l đã tạ o được g iố n g tả o đơn bâo D u n a l l e l l a b a r d a u ỉil có khả năng quang hợp và sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp glycerol. Trong một sô" trường hợp, glycerol chiếm tới 85% sinh khôi khô của tảo. Các hưáng nghiên cứu trên đã mở ra một triển vọng hết sức lđn lao về khả năng biến trực tiếp năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học ở dạng carbohydrate mạch ngắn và glycerol. Do vậy trước mắt cần phải thúc đẩy hơn nữa các nghiên cứu nhằm gia tă n g năng su ấ t sin h khối tảo nuôi cãỳ và tìm p hư ơ ng thức xử lí th ích hợp d ể tạo ra nguồn n h iên liệu đ ố t và dầu nhờn m ới.

Cây lây dầu cũng là nguồn cung cấp năng lượng tái sinh râ't có ý nghĩa. H iện nay m ột sô' cây lấy dầu như hưđng dương, cọ dầu, dừa, oliu, lạc, cải dầu, bạch đàn chanh... đả được trồng đại