Kiểm tra nâng cao: Vi sinh ứng dụng và công nghiệp

Axit citric, axit lactic, acetone, butanol và ethanol

Thuốc kháng sinh, tác nhân kháng khuẩn, kháng nấm và kháng vi-rút

Rượu vang, bánh mì lên men, pho mát và bia

Vitamin, sterol, axit amin và enzyme

Phát triển phương pháp đóng hộp hiện đại

Khám phá cơ chế cố định đạm sinh học

Khởi đầu sản xuất công nghiệp acetone và butanol

Ứng dụng kỹ thuật di truyền để tạo chủng vi sinh vật công nghiệp

Rượu, bia và bánh mì ở thời kỳ cổ đại; đóng hộp hiện đại năm 1809; sản xuất kháng sinh ở nửa sau thế kỷ XX

Kháng sinh vào đầu thế kỷ XIX; đóng hộp vào giữa thế kỷ XX; lên men rượu ở thời kỳ cổ đại

Đóng hộp năm 1809; sản xuất kháng sinh ngay sau đó; bia và bánh mì chỉ xuất hiện ở thế kỷ XX

Mọi ứng dụng lên men, đóng hộp và kháng sinh đều bắt đầu ở đầu thế kỷ XIX

Vitamin, sterol, axit hữu cơ, axit amin, chất tạo hương vị và enzyme

Chỉ thuốc kháng sinh và tác nhân kháng vi-rút

Rượu vang, bia, pho mát và bánh mì

Chỉ vitamin và enzyme

Lên men

Hô hấp hiếu khí

Quang hợp

Tiêu diệt vi sinh vật bằng nhiệt

NADH tích lũy, NAD⁺ cạn kiệt; các con đường lên men phải khử pyruvat hoặc chất trung gian hữu cơ để tái sinh NAD⁺

NADH tự động biến thành ATP, nên không cần NAD⁺

Oxy phân tử tự tái sinh NAD⁺ trong điều kiện lên men

Vi sinh vật ngừng chuyển hóa đường để tránh tích lũy NADH

Một hợp chất được gắn nhóm phosphat trở thành dạng giàu năng lượng, sau đó chuyển trực tiếp nhóm phosphat cho ADP để tạo ATP

NADH chuyển electron qua chuỗi chuyển electron để tạo ATP

Photon làm ion hóa nước, còn năng lượng ánh sáng trực tiếp tạo ATP

NAD⁺ trực tiếp nhận nhóm phosphat và biến thành ATP

Một chất hữu cơ nội bào như pyruvat hoặc axetaldehyd

Oxy phân tử

Nitrat

Sulfat

Nhiều sản phẩm cuối được tạo từ pyruvat và nhiều enzym khác nhau có thể tác động lên nó

Pyruvat chỉ có thể được sử dụng trong hô hấp hiếu khí

Pyruvat luôn là chất nhận electron cuối cùng duy nhất

Pyruvat chỉ được dùng để tổng hợp chất tế bào, không tạo sản phẩm lên men

Axit hữu cơ, ethanol hoặc butanol, acetone, H₂ và CO₂

Methanol là sản phẩm chính của mọi quá trình lên men rượu

Chỉ CO₂ và H₂O sau khi chất hữu cơ bị oxy hóa hoàn toàn

Các sản phẩm hoàn toàn không phụ thuộc loại cơ chất và loại vi sinh vật

Butyrat được khử thành butanol; acetone được khử thành izopropanol

Butanol được oxy hóa thành butyrat; acetone được khử thành butanol

Butyrat trực tiếp trở thành acetone; izopropanol trực tiếp trở thành butanol

Cả hai phản ứng đều chỉ giải phóng CO₂ và không có sự tham gia của electron

Nhánh ④a tạo hỗn hợp acid, còn nhánh ④b liên quan đến tạo 2,3-butandiol và cho phản ứng Voges–Proskauer dương

Nhánh ④a tạo 2,3-butandiol, còn nhánh ④b tạo hỗn hợp acid và có phản ứng Voges–Proskauer dương

Cả hai nhánh đều tạo cùng một hỗn hợp acid và không liên quan đến 2,3-butandiol

Phản ứng Voges–Proskauer chỉ chứng minh sự tạo axit lactic và không liên quan đến butandiol

Cocoa: Candida, Geotrichum, Leuconostoc; sauerkraut: Lactobacillus; xì dầu đậu tương: Rhizopus

Cocoa: chỉ Saccharomyces; sauerkraut: Rhizopus; xì dầu đậu tương: Leuconostoc

Ô liu: chỉ Pediococcus; dưa muối: chỉ Rhizopus; cà phê: Aspergillus

Dưa muối: Leuconostoc; ô liu: Pediococcus; cà phê: chỉ Bacillus

Sản phẩm bắt đầu tích lũy gần như song song với sinh trưởng tế bào và chỉ chậm hơn đường cong sinh khối một chút

Chỉ bắt đầu tạo sau khi kết thúc giai đoạn tăng trưởng logarit

Chỉ được tạo trong giai đoạn tế bào chết hẳn

Luôn không liên quan đến đường cong sinh trưởng

Giai đoạn cân bằng, còn gọi là idiophase của quá trình tạo chất chuyển hóa thứ cấp

Giai đoạn tăng trưởng logarit, đồng thời với mức tăng sinh khối lớn nhất

Giai đoạn chết hẳn, sau khi toàn bộ tế bào đã ngừng hoạt động

Giai đoạn đầu cấy giống, trước khi tế bào bắt đầu tăng trưởng

Đường hóa nguyên liệu thành dịch đường; lên men đường thành rượu; chưng cất và tinh chế cồn

Chưng cất nguyên liệu; lên men dịch; đường hóa sau khi lên men

Lên men nguyên liệu; chưng cất; mới đường hóa phần còn lại

Đường hóa; tinh chế cồn; rồi mới lên men

Thủy phân tinh bột bằng HCl 8–10% hoặc H₂SO₄ 2–5%

Thủy phân tinh bột bằng HCl 2–5% hoặc H₂SO₄ 8–10%

Dùng α-amylase và β-amylase từ hạt nảy mầm

Dùng nấm mốc Amylomyces rouxii trong dịch cháo

Rượu có chất lượng cao và hương vị đậm đà nhưng hiệu suất thấp, đôi khi chỉ khoảng 50% lý thuyết

Hiệu suất cao hơn mọi phương pháp và hương vị gần như không khác biệt

Dùng HCl 8–10% nên không cần chế phẩm vi sinh vật khởi động

Chủ yếu dùng nấm mốc để tạo glucoamylase và pullulanase

Malt hoặc thóc nảy mầm cung cấp α-amylase và β-amylase để thủy phân tinh bột thành dextrin và maltose

Nấm mốc tạo glucoamylase và pullulanase để chuyển tinh bột thành glucose

Amylomyces rouxii thủy phân tinh bột trong dịch cháo nuôi chìm

Pikovskaya phân giải trực tiếp tinh bột trong điều kiện hiếu khí

Amylo dùng Amylomyces rouxii nuôi chìm để đường hóa tinh bột; myco-malt dùng nấm mốc bề mặt hoặc chìm để tạo α-amylase, glucoamylase và dextrinase, cho hỗn hợp dextrin, maltose và glucose

Amylo dùng nấm mốc tạo ba loại enzyme nêu trong myco-malt; myco-malt chỉ dùng HCl để thủy phân tinh bột

Amylo dùng pullulanase và glucoamylase; myco-malt chỉ dùng α-amylase để tạo dextrin

Cả hai phương pháp đều là thủy phân tinh bột bằng HCl hoặc H₂SO₄ nhưng khác nồng độ axit

Ngũ cốc, sắn, khoai tây, rỉ đường, quả hoặc gỗ; CO₂, glycerin, cồn bậc cao, aldehyd, axit hữu cơ và sinh khối nấm men

Chỉ ngũ cốc làm thực phẩm; chỉ ethanol tinh khiết là sản phẩm thu được

Chỉ nho; methanol là sản phẩm chính

Chỉ rỉ đường; toàn bộ CO₂ và sinh khối nấm men bị loại bỏ nên không thu được

Rượu vang–đường trái cây; bia–đại mạch; rum–rỉ đường mía; sake–gạo

Rượu vang–đường mía; bia–mật ong; rum–gạo; sake–lúa mì

Tequila–đại mạch; whisky–thạch anh; mead–nho; sake–rỉ đường

Bia–thịt agave; whisky–mật ong; tequila–đường trái cây; sake–rỉ đường mía

Bia là đồ uống lên men, không qua chưng cất; phần lớn có khoảng 4–6% ethanol và chứa nhiều thành phần như nước, dextrin, protein và vitamin nhóm B

Bia thương mại luôn được chưng cất để đạt 40–50% ethanol

Bia không chứa ethanol vì được sản xuất hoàn toàn bằng cách lọc

Thành phần bia chỉ gồm nước và CO₂, không có dextrin hay hợp chất hương vị

Làm malt; hồ hóa; đun với hoa houblon; lên men; ủ phụ; đóng chai, lọc hoặc thanh trùng và nạp CO₂

Làm malt; ủ phụ; hồ hóa; đun hoa houblon; lên men; đóng chai

Đóng chai; làm malt; hồ hóa; lên men; ủ phụ; đun hoa houblon

Đun hoa houblon; làm malt; đóng chai; hồ hóa; lên men; ủ phụ

Nhiệt độ khoảng 8–12 °C trong 7–12 ngày; đường chuyển thành ethanol và CO₂; khi độ đường gần giá trị cuối thì thu được bia non

Nhiệt độ 0–2 °C trong 3–8 tuần, đồng thời tạo ra bia non

Nhiệt độ 15–18 °C trong 2–6 ngày, chủ yếu để khử diacetyl

Sau khi đóng chai và thanh trùng, độ đường mới được điều chỉnh về giá trị cuối

Glucose, fructose, sucrose, maltose và cuối cùng là maltotriose; sucrose được thủy phân ngoài bào nhờ invertase

Maltotriose, maltose, sucrose, fructose và glucose

Sucrose, glucose, maltotriose, maltose và fructose; sucrose không cần được thủy phân

Tất cả đường được hấp thu đồng thời với tốc độ như nhau

Nấm men tiết α-acetolactate; α-acetolactate ngoài tế bào decarboxyl oxy hóa không cần enzyme thành diacetyl; nấm men hấp thu diacetyl và khử thành acetoin rồi 2,3-butanediol

Nấm men khử α-acetolactate thành diacetyl, sau đó diacetyl tự động biến thành acetoin trong không khí

Diacetyl được nấm men tạo ra trước, sau đó chuyển ngược thành α-acetolactate, acetoin và 2,3-butanediol

Toàn bộ quá trình diacetyl chỉ xảy ra sau khi đóng chai

Để nấm men hấp thu và khử diacetyl thành acetoin rồi 2,3-butanediol; quá trình này kém hiệu quả ở nhiệt độ quá thấp

Để đóng băng toàn bộ nước trong bia trước khi lọc

Để tiêu diệt toàn bộ nấm men trước khi bắt đầu ủ phụ

Để làm tăng tốc độ tạo ethanol ở nhiệt độ thấp

Nấm men và phức hợp protein–polyphenol kết lắng; bia trong hơn; cồn bậc cao và hợp chất lưu huỳnh dễ bay hơi được giảm; độ hòa tan CO₂ tăng

Tăng nhanh hoạt động của nấm men, làm tăng mạnh lượng ester và rượu bậc cao

Giảm độ hòa tan CO₂ và làm tăng tốc độ rút ngắt thời gian ủ

Ngăn hoàn toàn mọi phản ứng hóa học trong suốt thời gian ủ

Saccharomyces pastorianus là nấm men lai tự nhiên giữa S. cerevisiae và S. eubayanus; lên men chìm ở nhiệt độ thấp, tạo ít ester và vị sạch, êm

Nấm men lên men trên bề mặt ở nhiệt độ cao, tạo nhiều ester và hương vị đậm đà đặc trưng của ale

Saccharomyces cerevisiae thuần túy, lên men chìm nhưng tạo nhiều ester ở nhiệt độ cao

Không có khả năng kết lắng xuống đáy nên không thu hồi được nấm men

Diacetyl có ngưỡng cảm nhận rất thấp, thường khoảng 0,10–0,20 mg/L, và mùi bơ vượt ngưỡng là lỗi chất lượng đối với bia có vị sạch

Diacetyl chỉ được coi là lỗi khi vượt 20 mg/L

Mùi bơ là đặc trưng bắt buộc của mọi bia lager chất lượng cao

Diacetyl chỉ có thể hình thành sau khi đóng chai, không liên quan đến quá trình lên men

Pediococcus và Lactobacillus, đặc biệt Lb. brevis và Lb. lindneri

Saccharomyces pastorianus và S. carlsbergensis

Chỉ Clostridium và Azotobacter

Rhizobium và Bradyrhizobium

Sản phẩm chứa một hay nhiều loài vi sinh vật có khả năng chuyển nguyên tố dinh dưỡng từ dạng không sử dụng sang dạng cây sử dụng được bằng các quá trình sinh học

Phân bón hóa học được tổng hợp công nghiệp từ năng lượng hóa thạch

Chỉ là sản phẩm cố định đạm, không liên quan đến hòa tan phốt phát hay chất kích thích sinh trưởng

Sản phẩm bổ sung dinh dưỡng cho động vật nuôi

Siderophore hòa tan và chelate sắt; EPS làm tăng lớp xốp, kết dính hạt đất và giữ nước; phytohormone điều hòa sinh trưởng

HCN, ACC deaminase và ISR chỉ là các cơ chế trực tiếp

Siderophore chỉ có tác dụng ức chế mầm bệnh, không cung cấp sắt cho cây

EPS trực tiếp tổng hợp IAA cho tế bào thực vật

HCN ức chế cytochrome c oxidase; ACC deaminase phân giải ACC và giảm ethylene do stress; ISR làm tăng năng lực phòng vệ của cây

HCN kích thích cytochrome c oxidase để tăng hô hấp ở rễ

ACC deaminase làm tăng ethylene gây stress để kích thích rễ

ISR là cơ chế cung cấp trực tiếp N và P cho cây

16S rRNA cho vi khuẩn, ITS cho nấm; kết hợp các gen chức năng như nifH, acdS, pqqC hoặc gcd và ipdC

16S rRNA cho nấm, ITS cho vi khuẩn; nifH chỉ chứng minh tạo IAA và ipdC chứng minh cố định đạm

Chỉ quan sát hình thái trên môi trường đặc hiệu, không cần định danh phân loại hay gen chức năng

Chỉ trình tự 16S rRNA đủ để kết luận chủng có đầy đủ mọi chức năng PGPR

Pikovskaya cho hòa tan phốt phát; Aleksandrov cho hòa tan kali; Jensen hoặc Nfb cho cố định đạm; CAS agar cho siderophore; môi trường bổ sung ACC cho ACC deaminase

Pikovskaya cho cố định đạm; Aleksandrov cho siderophore; CAS agar cho hòa tan phốt phát; Jensen cho ACC deaminase

Nfb cho hòa tan kali; Pikovskaya cho ACC deaminase; CAS agar cho cố định đạm; Jensen cho siderophore

Không cần môi trường chọn lọc vì mọi vi sinh vật đều có thể thực hiện tất cả chức năng

Loại trừ chủng có nguy cơ như Klebsiella pneumoniae và Enterobacter cloacae; kiểm tra gen độc lực và gen kháng sinh, kể cả gen kháng nằm trên plasmid có khả năng chuyển ngang

Chỉ căn cứ vào tên loài; mọi chủng trong loài được coi là có mức an toàn như nhau

Ưu tiên chọn chủng có gen kháng sinh mạnh để bảo đảm hiệu quả lâm canh

Các chủng gây bệnh cơ hội vẫn được chấp nhận nếu hiệu quả tăng trưởng tốt

Phân lập từ vùng rễ, nốt sần hoặc đất; sàng lọc bằng môi trường chức năng; định danh bằng 16S/ITS và gen chức năng; thử trong chậu, nhà lưới rồi đồng ruộng; lập công thức chất mang, mật độ và hạn sử dụng; kiểm tra độ sống, tạp nhiễm và an toàn

Chỉ định danh bằng 16S rRNA rồi đưa ngay vào thử nghiệm đồng ruộng và bán, không cần thử chậu hoặc kiểm tra tạp nhiễm

Thử đồng ruộng trước để tìm chủng hiệu quả nhất, sau đó mới xác định danh tính và chọn chất mang

Sau khi chọn được chủng, chỉ cần tăng mật độ tế bào; mật độ sống, hạn sử dụng và an toàn không ảnh hưởng đến thành phẩm

Chủng đơn luôn có phổ chức năng rộng hơn, dễ chuẩn hóa và không cần đánh giá an toàn tương tác

Tập đoàn có thể bổ sung chức năng và ổn định hơn trong điều kiện đồng ruộng, nhưng phải kiểm soát tỷ lệ chủng và đánh giá an toàn của từng thành viên cùng tương tác giữa chúng

Chủng đơn không cần kiểm soát chất lượng vì mọi chủng đã được công bố đều có hiệu quả như nhau

Tập đoàn không có nguy cơ tạp nhiễm vì các thành viên được kiểm soát về mật độ