Show
Phương pháp mới trong ngành phỏng sinh học (bionics) thông qua việc sử dụng trực tiếp các cấu trúc tự nhiên  Hình 1. Tảo đỏ di chuyển về phía ánh sáng và tiết hàng loạt các phân tử đường. Nhờ vào mô hình ánh sáng thay đổi theo thời gian, các nhà khoa học đã thu nhận được những khuôn mẫu theo yêu cầu từ những sợi polymer mảnh và dài, các khuôn mẫu này được sử dụng để sản xuất các hợp chất ceramic chức năng. Nguồn: Opdenbosch/TUM.
Màng sinh học (biofilm) nói chung bị xem là một vấn đề cần phải loại bỏ do những nguy hại chúng gây ra cho con người và các loại vật liệu. Tuy nhiên, những quần xã tảo, nấm hay vi khuẩn này lại sở hữu những đặc tính rất thú vị cả về quan điểm khoa học lẫn kỹ thuật. Một nhóm các nhà khoa học từ Đại Học Kỹ Thuật Munich (Technical University of Munich – TUM) đã mô tả các quá trình sinh học sử dụng biofilm như “các công nhân xây dựng” để tạo ra các khuôn cấu trúc cho các vật liệu mới, những vật liệu này mang những đặc tính của các vật liệu tự nhiên. Trong quá khứ, việc này chỉ có thể xảy ra ở một phạm vi giới hạn. Dù là gỗ, xương, ngọc trai hay là răng – qua hàng triệu năm, những vật liệu này đã được tối ưu hóa nhờ vào quá trình tiến hóa tuân theo nguyên lý ổn định thích nghi với trọng lượng nhỏ nhất có thể. Tự nhiên đã cung cấp những bản thiết kế chi tiết cho nhiều phát minh kỹ thuật. Các ví dụ bao gồm cánh máy bay, dây kéo và chất keo dán bề mặt sử dụng hiệu ứng lá sen (lotus effect). Tuy nhiên, những bản sao được tạo ra nhờ công nghệ đảo ngược (reverse engineering) không thể bắt chước sự phức tạp về cấu trúc của các vật liệu gốc trong tự nhiên. Giáo sư Cordt Zollfrank, chuyên về Polymer có nguồn gốc sinh vật (Biogenic Polymers), người thực hiện nghiên cứu về các nguyên lý cơ bản để phát triển các vật liệu mới cùng với nhóm của mình thuộc Trung Tâm Nghiên Cứu Về Công Nghệ Sinh Học Và Bền Vững Campus Straubing ở TUM cho biết: “Trong tự nhiên, chúng ta tìm thấy nhiều loại vật liệu với các đặc tính mà các vật liệu nhân tạo không thể sao chép một cách chính xác” Những vấn đề lớn nhất nằm ở cấp độ nhỏ nhất Là giao thoa giữa sinh học và công nghệ, ngành phỏng sinh học (bionics) sử dụng các phương pháp và hệ thống được tìm thấy trong tự nhiên để cung cấp các giải pháp cho các vấn đề kỹ thuật. Khi ngành khoa học này vẫn còn bị giới hạn trong sử dụng các hình dạng tự nhiên, ví dụ như các khuôn mẫu dùng để phát triển trong thiết kế cánh máy bay hay vỏ tàu, các vấn đề này vẫn có thể kiểm soát. Tuy nhiên, bắt chước các đặc tính của các vật liệu có cấu trúc tự nhiên là một câu chuyện hoàn toàn khác. Bởi vì những đặc tính này được tìm thấy ở các cấu trúc bên trong, nơi mà các sợi cấu trúc được nối với nhau qua hàng loạt cấp độ và được sắp xếp theo thứ bậc. Tiến sĩ Daniel Van Opdenbosch, một trong những tác giả của nghiên cứu trình bày vấn đề chính khi nỗ lực chuyển đổi chúng thành các giải pháp kỹ thuật: “Thường thì nguồn gốc chủ yếu của các đặc tính cơ học như tính đàn hồi, độ bền và độ dẻo dai được tìm thấy ở cấp độ nhỏ nhất của các hệ thống thứ bậc này, cụ thể là ở cấp độ nano”. Tuy nhiên, khi bản thân các vi sinh vật hoặc các chất tiết của chúng tạo nên một loại vật liệu, các mạng lưới cực kỳ phức tạp về mặt kỹ thuật này đã được hình thành đầy đủ. Tương lai của ngành phỏng sinh học Trong một bài báo trên tạp chí Advanced Materials, các nhà nghiên cứu tại TUM đã trình bày một loạt các quy trình về lĩnh vực sinh học. Các quy trình này sử dụng ánh sáng, nhiệt độ, các cơ chất được chuẩn bị đặc biệt và các chất kích thích khác để hướng dẫn các vi sinh vật di chuyển dọc theo những con đường rất chuyên biệt. Giáo sư Cordt Zollfrank cho biết: “Những bằng chứng sinh học về kiểm soát các vi sinh vật nhờ các tác nhân kích thích này sẽ định hình tương lai của các nghiên cứu về vật liệu”. Đó là bởi vì chúng ta có thể tạo ra những khuôn mẫu cho các vật liệu mới với các cấu trúc tự nhiên từ bản thân các vi sinh vật hoặc các chất tiết của chúng. Ông cho biết thêm: “Với bài báo của mình, chúng tôi muốn chỉ ra hướng đi mà hành trình này sẽ đưa chúng tôi đi trong lĩnh vực khoa học vật liệu”. Mô hình không tiếp xúc Daniel Van Opdenbosch và nhóm của mình đang tận dụng thành công một vài trong số các phương pháp này ở Straubing. Là một phần của dự án Reinhart Koselleck thuộc Quỹ Nghiên Cứu Đức (German Research Foundation - DFG), các nhà khoa học đang sử dụng các đặc tính đặc biệt của tảo đỏ, hướng di chuyển của chúng phụ thuộc vào độ phơi sáng và các phân tử đường được tiết ra bên ngoài. Bằng cách đưa mô hình ánh sáng thay đổi theo thời gian vào môi trường tăng trưởng của tảo, các nhà nghiên cứu đã sử dụng chúng để tạo các sợi polymer mảnh và dài. Các sợi polymer này được sử dụng làm khuôn mẫu để sản xuất các hợp chất ceramic chức năng. Với sự trợ giúp của tảo đỏ, một số khuôn mẫu có thể được tạo ra cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ các điện cực của pin, các công nghệ màn hình mới cho đến các ứng dụng trong y học như mô và xương thay thế. Mặc dù khả năng phát triển các vi cấu trúc phức tạp như các thành phần nguyên vẹn và các vật liệu có cấu trúc được sắp xếp theo thứ bậc vẫn là một con đường dài trong tương lai, nhưng nó cũng có thể sớm trở thành một thực tế hữu hình nhờ vào các nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học tại Straubing. Nguồn: https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/34376/
Từ khóa: sinh học, vi khuẩn, tuy nhiên, khoa học, vật liệu, vấn đề, đặc tính, sở hữu, loại bỏ, nguy hại, thú vị, quan điểm
Những tin mới hơn Những tin cũ hơn Việc ứng dụng màng sinh học chắc chắn sẽ góp phần giảm chi phí và làm cho việc nuôi thủy sản trở thành một hoạt động thân thiện với môi trường.
Màng sinh học là một tập hợp các tế bào vi sinh vật liên kết với một bề mặt và được bao bọc trong một chất nền chủ yếu là polysaccharide. Nó có thể hình thành trên nhiều loại bề mặt, bao gồm mô sống, thiết bị, dụng cụ hoặc các hệ thống thủy sinh tự nhiên. Có thể quan sát thấy nhiều sinh vật đa dạng như tảo, vi khuẩn, động vật nguyên sinh, động vật chân đốt,... trong tập hợp màng sinh học này. Màng sinh học trong nuôi trồng thủy sảnCấu trúc màng sinh học trong môi trường nước phụ thuộc vào bản chất của nền đáy, nguồn dinh dưỡng sẵn có, ánh sáng và hoạt động của các sinh vật trong đó. Các sinh vật trong màng sinh học có kích thước siêu nhỏ và có giá trị dinh dưỡng cao. Đây được coi là nguồn protein chất lượng tốt, bền vững (23-30%) và dễ dàng xuất hiện ở mọi kích thước của các loài thủy sản nuôi. Vi tảo và vi khuẩn dị dưỡng trong màng sinh học là nguồn năng lượng tốt hỗ trợ tăng cường miễn dịch, kích thích tăng trưởng, tăng hoạt tính sinh học và kích thích tiêu hóa cho vật nuôi. Sự hiện diện của màng sinh học trong các hệ thống nuôi cũng giúp cải thiện chất lượng nước vì hấp thụ amoni, photphat và sản xuất nhiều oxy. 1. Về mặt dinh dưỡngMàng sinh học đóng vai trò là nguồn thức ăn bổ sung, cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu như axit béo không bão hòa (PUFA), sterol, acid amin, vitamin và sắc tố giúp vật nuôi phát triển tốt hơn. Hơn nữa, chất nền hữu cơ của màng sinh học cũng có nhiều tác dụng đáng kể, là nơi trú ẩn an toàn cho tôm cá, làm giảm tác động căng thẳng khi nuôi ở mật độ cao. Hàm lượng protein trong đó có thể thay đổi từ 23 đến 30%, và hàm lượng lipid dao động từ 2-9%. Hàm lượng và thành phần quần xã vi sinh vật thực sự ảnh hưởng lớn đến chất lượng dinh dưỡng của màng sinh học. Việc sử dụng màng sinh học chắc chắn sẽ góp phần giảm chi phí và làm cho việc nuôi thủy sản trở thành một hoạt động thân thiện với môi trường. 2. Về mặt xử lý môi trườngMàng sinh học là một phương tiện thích hợp để loại bỏ các hợp chất nitơ ra khỏi môi trường nước, đặc biệt là amoniac và nitrit, những chất có độc tính cao. Màng sinh học là rất cần thiết trong việc duy trì chất lượng nước khi vi khuẩn nitrat hóa và vi tảo sẽ đồng hóa amoniac, cho phép luân chuyển các chất dinh dưỡng trong môi trường nuôi. Hơn nữa, màng sinh học cũng sẽ hấp thụ photphat và sản xuất oxy cho các hệ thống nuôi. Các giai đoạn hình thành màng sinh họcViệc bổ sung giá thể nhân tạo cho vi sinh vật phát triển sẽ giúp màng sinh học có chất lượng tốt hơn. Màng sinh học có thể được chia thành bốn giai đoạn hình thành: (i) Hấp phụ các hợp chất hữu cơ hòa tan, tức là các đại phân tử và gắn vào bề mặt (là một quá trình hóa lý tự phát). (ii) Sự định cư của vi khuẩn - sau khi vi khuẩn tại đó bắt đầu tạo ra các chất cao phân tử ngoại bào (EPS), bảo vệ chúng chống lại những kẻ săn mồi. (iii) Sự xâm chiếm của các nguyên sinh vật, chủ yếu là sinh vật đơn bào, vi tảo và vi khuẩn lam. (iv) Sự định cư của các sinh vật đa bào nhân thực. Màng sinh học và bioflocTương tự như màng sinh học, bioflocs bao gồm tảo, nấm, vi khuẩn, trùng roi, liên kết với các vi sinh vật khác bám vào chất nền hữu cơ, nhưng hạn chế là biofloc không thể hình thành khi dòng chảy quá nhanh. Trong công nghệ này, vi sinh vật sẽ duy trì chất lượng nước và làm thức ăn cho các sinh vật sản xuất. Mặt khác, màng sinh học thì hình thành trên tất cả các bề mặt, ngay cả nước siêu tinh khiết, nên sẽ không lạ khi một màng sinh học hình thành ngay cả trên biofloc. Các vi khuẩn có lợi trong biofloc nằm trên bề mặt lớp màng sinh học mỏng nhưng phức tạp. Lớp màng sinh học này có thể rất bền bỉ và hầu như không thể bị loại bỏ. Mặt trái của màng sinh họcVới một cách nhìn khách quan, màng sinh học không chỉ có lợi mà còn có nhiều tác hại đã được nghiên cứu trong nuôi trồng thủy sản. Nếu thành phần trong màng sinh học này do các vi khuẩn gây bệnh chiếm ưu thế thì đây là một mối đe dọa lớn cho tôm cá nuôi. Đã có nhiều nghiên cứu về màng sinh học của đối tượng chính là vi khuẩn Vibrio trong các hệ thống nuôi tôm; Flavobacterium columnare, A. hydrophila và Edwardsiella hình thành màng sinh học dày trong các ao bể nuôi cá da trơn. Với độ dày và độ bám dính cao thì rất khó để loại bỏ những lớp màng sinh học không muốn này ra khỏi các hệ thống nuôi. Thiệt hại kinh tế là rất lớn, khi màng sinh học này chính là nguyên nhân dẫn đến dịch bệnh kéo dài trong nuôi thủy sản. Để màng sinh học không trở thành “kẻ phá hoại” trong nuôi trồng thủy sản, thì điều quan trọng là phải biết cách điều khiển để chúng trở thành những “bức tường bảo vệ”. Kiểm khuẩn thường xuyên để biết chính xác mật độ và thành phần các vi khuẩn tồn tại trong nước. Diệt khuẩn định kỳ cũng là cách để tránh hình thành những kẻ phá hoại trên trong môi trường nước. Và cũng nên tạo điều kiện, thêm chất nền để các màng sinh học có lợi phát triển và phát huy được hết lợi ích của chúng. |
