Tiểu luận - Kiểm soát nấm bằng LAB và Bacillus spp. môn Vi sinh vật thực phẩm | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

ĐAI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG
TIỂU LUẬN MÔN VI SINH VẬT THỰC PHẨM Chủ Đề:
Vi khuẩn axit lactic và Bacillus spp. là tác nhân kiểm soát sinh học nấm GVHD: Trần Liên Hà
Người làm tiểu luận: Cao Tiến Đạt - 20221168 Mở đầu
Nấm là một trong những tác nhân gây hại phổ biến trong nông nghiệp, thực phẩm và môi trường.
Nấm có thể làm hư hỏng nông sản, gây bệnh cho cây trồng và động vật, đồng thời là mối nguy hiểm đối
với sức khỏe con người khi chúng sản sinh ra các độc tố (mycotoxins). Do đó, việc kiểm soát sự phát triển
của nấm là vấn đề quan trọng trong sản xuất nông sản và bảo quản thực phẩm.
Truyền thống, hóa chất diệt nấm, như thuốc trừ nấm và các chất bảo vệ thực vật, được sử dụng để
kiểm soát sự phát triển của nấm. Tuy nhiên, những phương pháp này có thể gây ra các tác động tiêu cực
đối với môi trường, sức khỏe con người và động vật, cũng như dẫn đến sự phát triển của các chủng nấm
kháng thuốc. Vì vậy, việc tìm kiếm các phương pháp kiểm soát sinh học an toàn và hiệu quả đã trở thành
một xu hướng mới trong nông nghiệp và bảo vệ thực phẩm.
Trong số các tác nhân kiểm soát sinh học, vi khuẩn axit lactic (LAB) và các loài thuộc chi Bacillus
đã cho thấy hiệu quả đáng kể trong việc ức chế sự phát triển của nấm gây hại. Bài tiểu luận này sẽ trình
bày về vi khuẩn axit lactic và Bacillus spp. như các tác nhân kiểm soát sinh học nấm, cơ chế hoạt động
của chúng và tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn.
Giới thiệu về vi khuẩn axit Lactic và Bacillus spp.
Vi khuẩn axit lactic (Lactic Acid Bacteria)
Vi khuẩn axit lactic (Lactic Acid Bacteria - LAB) là nhóm vi sinh vật quan trọng thuộc lớp vi khuẩn
Gram dương, không sinh bào tử, và có khả năng sản sinh axit lactic như sản phẩm chính trong quá trình
lên men carbohydrate. LAB thường có hình dạng cầu (coccus) hoặc que (bacillus) và hoạt động chủ yếu
trong điều kiện kỵ khí hoặc vi hiếu khí. Chúng bao gồm nhiều chi phổ biến như Lactobacillus,
Lactococcus, Streptococcus, Leuconostoc, và Pediococcus.
LAB được tìm thấy rộng rãi trong tự nhiên, đặc biệt ở các môi trường giàu carbohydrate như sữa,
thực phẩm lên men, rau củ, và đường ruột của động vật. Chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá
trình sinh học, đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực phẩm. Một số LAB được sử dụng để sản xuất các
sản phẩm lên men như sữa chua, phô mai, dưa muối, rượu và xúc xích. Các vi khuẩn này không chỉ cải
thiện hương vị và kết cấu của thực phẩm mà còn kéo dài thời gian bảo quản nhờ khả năng ức chế sự phát
triển của vi sinh vật gây hư hỏng và gây bệnh.
Tuy nhiên, ngoài vai trò lên men, LAB cũng có khả năng chống lại các vi sinh vật gây bệnh và đóng
vai trò quan trọng trong kiểm soát sinh học. Các loài LAB có thể tạo ra các hợp chất có tính kháng nấm,
như axit hữu cơ (đặc biệt là axit lactic) và các peptide kháng khuẩn, giúp ức chế sự phát triển của nấm và
các vi sinh vật có hại khác. 2. Bacillus spp.
Bacillus spp. (Bacillus species pluralis) nghĩa là nhiều loại thuộc chi Bacillus.
Vi khuẩn Bacillus spp. là một chi vi khuẩn thuộc lớp vi khuẩn Gram dương, có khả năng hình thành
bào tử và được biết đến với vai trò quan trọng trong tự nhiên cũng như các ứng dụng công nghiệp. Các vi
khuẩn thuộc chi này thường có dạng hình que, hiếu khí hoặc kỵ khí tùy tiện, và sống phổ biến trong đất,
nước, không khí, và thậm chí trong đường ruột của động vật. Bacillus spp. là một trong những nhóm vi
khuẩn đa dạng nhất, bao gồm nhiều loài như Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Bacillus thuringiensis, và
Bacillus licheniformis, mỗi loài có đặc điểm và ứng dụng riêng biệt.
Một trong những đặc điểm nổi bật của Bacillus spp. là khả năng hình thành bào tử nội sinh. Các bào
tử này cực kỳ bền vững, có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, tia cực tím, hóa
chất độc hại, và hạn hán. Khả năng này giúp Bacillus spp. tồn tại và phát triển trong nhiều môi trường
khác nhau, đồng thời làm tăng tiềm năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực.
Bacillus spp. nổi bật với khả năng sản xuất các enzyme ngoại bào, chẳng hạn như protease, amylase,
cellulase và lipase, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, dệt may, và xử lý môi
trường. Một số loài, như Bacillus subtilis và Bacillus licheniformis, đã được khai thác để sản xuất enzyme
quy mô công nghiệp, hỗ trợ các quy trình như làm mềm vải, xử lý nước thải, và thủy phân protein.
Ngoài ra, Bacillus spp. còn được biết đến với vai trò là vi khuẩn sinh học có lợi trong nông nghiệp.
Các loài như Bacillus thuringiensis sản sinh độc tố diệt sâu bọ, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất
thuốc trừ sâu sinh học. Trong khi đó, các loài như Bacillus subtilis được sử dụng làm chế phẩm sinh học
để bảo vệ cây trồng khỏi bệnh do nấm và vi khuẩn gây ra, cũng như cải thiện sự phát triển của cây nhờ
khả năng cố định nitơ và hòa tan phosphat.
Đặc biệt, Bacillus spp. có khả năng sản xuất các chất kháng sinh như iturins, fengycin và surfactins,
có tác dụng ức chế sự phát triển của nhiều loài nấm gây hại trong nông nghiệp và thực phẩm. Chúng cũng
có khả năng cạnh tranh với nấm trong môi trường, làm giảm khả năng sinh trưởng và phát triển của nấm.
Cơ chế kiểm soát sinh học của vi khuẩn axit Lactic và Bacillus spp. đối với nấm
Cơ chế ức chế nấm của vi khuẩn axit lactic
Vi khuẩn axit lactic (Lactic Acid Bacteria - LAB) có khả năng ức chế sự phát triển của nấm thông qua
nhiều cơ chế khác nhau, chủ yếu liên quan đến việc sản sinh các hợp chất kháng khuẩn và thay đổi môi
trường sống của vi sinh vật. Một trong những cơ chế quan trọng nhất là LAB sản xuất ra axit hữu cơ, như
axit lactic và axit acetic, làm giảm pH môi trường. Điều này tạo ra một môi trường bất lợi cho sự sinh
trưởng của nấm, bởi đa số nấm không thể phát triển trong điều kiện axit mạnh. Ngoài ra, các axit này còn
có khả năng thấm qua màng tế bào của nấm, làm phá vỡ cân bằng nội bào và gây ức chế quá trình trao đổi
chất. Bên cạnh đó, LAB còn sản xuất các chất kháng nấm đặc hiệu như bacteriocin, hydrogen peroxide,
và diacetyl. Các bacteriocin là những peptide kháng khuẩn có khả năng tấn công màng tế bào của nấm,
gây rò rỉ ion và làm suy yếu cấu trúc màng. Hydrogen peroxide, một sản phẩm phụ của quá trình trao đổi
chất của LAB, có khả năng oxy hóa các thành phần tế bào của nấm, dẫn đến tổn thương cấu trúc và chức
năng tế bào. Diacetyl, một hợp chất carbonyl, cũng có tác động kháng nấm nhờ khả năng can thiệp vào
các enzym quan trọng của nấm.
Ngoài việc sản xuất các hợp chất kháng khuẩn, LAB còn cạnh tranh với nấm về không gian và dinh
dưỡng. Trong quá trình sinh trưởng, LAB tiêu thụ các nguồn carbon và nitơ trong môi trường, làm giảm
lượng dinh dưỡng sẵn có cho nấm. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ sinh thái vi sinh vật, nơi sự
cạnh tranh dinh dưỡng quyết định sự tồn tại và phát triển của các loài. Hơn nữa, LAB có khả năng bám
dính vào các bề mặt, tạo ra một lớp màng sinh học (biofilm), ngăn chặn sự bám dính và phát triển của nấm.
Ngoài ra, một số chủng LAB còn có khả năng sản xuất các enzym phân giải như chitinase và
glucanase, có thể phân hủy các thành phần chính của thành tế bào nấm. Điều này dẫn đến sự phá vỡ cấu
trúc tế bào nấm, làm cho chúng dễ bị tổn thương hơn trước các yếu tố môi trường và các hợp chất kháng
khuẩn khác. Hơn nữa, các cơ chế tín hiệu liên lạc giữa vi khuẩn và nấm, như sự can thiệp vào các phân tử
tín hiệu quorum sensing của nấm, cũng đóng vai trò trong việc ức chế sự phát triển của chúng.
2. Cơ chế ức chế nấm của Bacillus spp.
Vi khuẩn thuộc chi Bacillus spp. có khả năng ức chế nấm nhờ sản sinh các hợp chất kháng nấm,
enzyme phân giải, và cạnh tranh nguồn tài nguyên. Một trong những cơ chế chính là sản xuất lipopeptide,
như surfactin, iturin, và fengycin, có khả năng phá hủy màng tế bào nấm bằng cách gây rò rỉ ion và tổn
thương cấu trúc màng. Đặc biệt, fengycin ức chế quá trình hình thành bào tử và ngăn chặn sự phát triển của nấm.
Ngoài ra, Bacillus spp. còn tiết ra các enzyme như chitinase, β-1,3-glucanase và protease, giúp phân
giải thành tế bào của nấm, làm suy yếu cấu trúc và gây ly giải tế bào. Quá trình cạnh tranh không gian và
dinh dưỡng cũng đóng vai trò quan trọng, khi Bacillus spp. tiêu thụ các nguồn tài nguyên thiết yếu và tạo
màng sinh học ngăn chặn sự bám dính và phát triển của nấm.
Một cơ chế khác là sản xuất các hợp chất bay hơi (VOCs), như 2,3-butanediol và acetoin, có khả năng
lan truyền và ức chế sự phát triển của nấm từ xa. Đồng thời, Bacillus spp. có thể can thiệp vào cơ chế
quorum sensing của nấm, gián đoạn giao tiếp tế bào và quá trình hình thành bào tử hoặc màng sinh học.
Ứng dụng của vi khuẩn axit Lactic và Bacillus spp. trong kiểm soát sinh học nấm
Kiểm soát nấm trong nông nghiệp
Vi khuẩn axit lactic và Bacillus spp. đã được ứng dụng rộng rãi trong kiểm soát sinh học đối với các
loài nấm gây bệnh trên cây trồng như Fusarium spp., Alternaria spp., Botrytis cinerea, và Rhizoctonia
spp.. Những vi khuẩn này có khả năng ức chế nấm thông qua việc sản xuất các hợp chất kháng nấm,
enzyme phân giải, và cạnh tranh nguồn dinh dưỡng, từ đó ngăn chặn sự phát triển và lây lan của nấm.
Việc sử dụng các vi khuẩn này trong nông nghiệp không chỉ giúp kiểm soát hiệu quả các bệnh hại cây
trồng mà còn giảm thiểu sự phụ thuộc vào thuốc bảo vệ thực vật hóa học. Điều này góp phần bảo vệ môi
trường, duy trì cân bằng hệ sinh thái đất, và đảm bảo an toàn cho sức khỏe của người nông dân và người
tiêu dùng. Đây là một giải pháp bền vững trong canh tác nông nghiệp hiện đại.
2. Kiểm soát nấm trong thực phẩm
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, vi khuẩn axit lactic và Bacillus spp. được xem là giải pháp tiềm
năng để kiểm soát các nấm gây hư hỏng thực phẩm và sản sinh độc tố như Aspergillus flavus và
Penicillium spp.. Chúng có khả năng sản sinh các hợp chất kháng nấm, enzyme phân giải hoặc cạnh tranh
dinh dưỡng với nấm, từ đó hạn chế sự phát triển của chúng trong quá trình bảo quản thực phẩm. Việc ứng
dụng vi khuẩn này giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm mà không cần sử dụng chất bảo quản hóa
học, giảm nguy cơ tồn dư hóa chất độc hại trong thực phẩm. Ngoài ra, đây là một giải pháp thân thiện với
môi trường, đáp ứng xu hướng phát triển thực phẩm sạch và an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng.
3. Tạo các sản phẩm sinh học
Vi khuẩn axit lactic và Bacillus spp. là nguồn nguyên liệu lý tưởng để sản xuất các chế phẩm sinh học
có khả năng kháng nấm. Những sản phẩm này bao gồm các dung dịch xử lý hạt giống, chế phẩm phun lên
cây trồng hoặc chất bảo quản sinh học dùng trong thực phẩm. Các chế phẩm này thường không gây độc
hại, thân thiện với môi trường và phù hợp với nông nghiệp hữu cơ. Việc sử dụng các sản phẩm sinh học
dựa trên vi khuẩn này mang lại nhiều lợi ích như giảm tác động tiêu cực của hóa chất lên đất và nước,
đảm bảo sức khỏe con người, và thúc đẩy sản xuất bền vững. Đây là một hướng đi triển vọng trong việc
kiểm soát nấm trong các lĩnh vực nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm. IV.
Thách thức và triển vọng 1. Thách thức
Một trong những thách thức lớn khi ứng dụng vi khuẩn axit lactic và Bacillus spp. trong kiểm soát
nấm là việc duy trì hiệu quả trong các điều kiện môi trường ngoài trời hoặc trong quá trình bảo quản thực
phẩm khắc nghiệt. Vi khuẩn cần có khả năng chống lại các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và pH thay đổi.
Thêm vào đó, nấm có thể phát triển khả năng kháng lại các tác nhân sinh học, gây khó khăn trong việc
kiểm soát chúng. Do đó, cần nghiên cứu phát triển các chủng vi khuẩn có thể đối phó với sự kháng thuốc này. 2. Triển vọng
Ứng dụng vi khuẩn axit lactic và Bacillus spp. trong kiểm soát sinh học nấm hứa hẹn mang lại nhiều
tiềm năng trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu
quả sử dụng và khả năng tồn tại của các vi khuẩn này trong môi trường thực tế. Đồng thời, việc kết hợp vi
khuẩn axit lactic và Bacillus spp. với các tác nhân sinh học khác như nấm đối kháng hoặc vi khuẩn có thể
mở ra những phương pháp kiểm soát nấm hiệu quả hơn, giúp phát triển nông nghiệp bền vững. lOMoAR cPSD| 59671932 Kết luận
Vi khuẩn axit lactic và Bacillus spp là những tác nhân kiểm soát sinh học tiềm năng trong việc
ngăn ngừa sự phát triển của nấm trong nông nghiệp và thực phẩm. Các cơ chế mà chúng sử dụng để ức
chế nấm có thể thay thế các phương pháp hóa học truyền thống, bảo vệ môi trường và giảm thiểu nguy cơ
đối với sức khỏe cộng đồng. Tuy nhiên, vẫn cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về khả năng và
tiềm năng ứng dụng của chúng trong thực tiễn.