ความสำคัญของจุลินทรีย์
จุลินทรีย์ที่มีขนาดเล็กมากนั้น แต่ละเซลล์จะมีกระบวนการต่างๆ ของชีวิตเกิดขึ้นได้ภายในเซลล์เดียว กระบวนการเปลี่ยนแปลงนี้ส่วนใหญ่ก็เพื่อให้เกิดประโยชน์แก่ตัวมันเอง เช่น ยีสต์ มีการเปลี่ยนแปลงอาหารให้เป็นพลังงานด้วยกระบวนการหมัก (fermentation) ขณะเดียวกันก็ได้ผลผลิตเกิดขึ้น คือ เอทิลแอลกอฮอล์ที่เรานำไปใช้ประโยชน์ได้ มีจุลินทรีย์จำนวนมากที่มีความสำคัญในการผลิตสารต่างๆ ที่มีประโยชน์และช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการต่างๆ ดังต่อไปนี้
การผลิตอาหาร
อาหารและเครื่องดื่มหลายชนิดที่เกิดจากการกระทำของจุลินทรีย์ ซึ่งมนุษย์เราได้ใช้ประโยชน์มาเป็นเวลานานแล้ว อาหารที่เกิดจากการหมักของจุลินทรีย์ เรียกว่า อาหารหมัก (fermented food) เช่น กะหล่ำปลีดอง แตงกวาดอง ไส้กรอก เกิดจากการกระทำของแบคทีเรียที่สร้างกรดแล็กติก เป็นส่วนใหญ่ แบคทีเรียเหล่านี้อาจมีอยู่ตามธรรมชาติบนอาหารหรือเราตั้งใจใส่เชื้อนั้นลงในอาหาร
- ผลิตภัณฑ์นมหมัก (fermented milk) มีหลายชนิด ได้แก่ นมเปรี้ยว เนยแข็ง นมเปรี้ยวซึ่งมีรสเปรี้ยวเกิดจากการหมักนมพาสเจอร์ไรซ์ด้วยแบคทีเรียที่สร้างกรดแล็กติก จึงสามารถหมักน้ำตาลแล็กโทสให้เป็นกรดแล็กติกได้ และกรดนี้ไปทำให้โปรตีนในนมตกตะกอนเป็นลิ่มเละๆ ที่เรียกว่า เคิร์ด (curd) มีรสเปรี้ยว และมีกลิ่นหอมน่ารับประทาน ผลิตภัณฑ์นมหมักที่นิยมในปัจจุบัน ได้แก่ โยเกิร์ต นมบัตเตอร์ นมคีเฟอร์ เป็นต้น โยเกิร์ต (yogurt) เป็นนมเปรี้ยวที่เชื่อว่าดื่มแล้วอายุยืน ทั้งชนิดกึ่งแข็งและ เหลว ใช้เชื้อต้นตอ (starter) คือ Streptococcus thermophilus และ Lactobacillus bulgaricus เติมลงในนมพาสเจอร์ไรซ์และบ่มไว้ที่อุณหภูมิประมาณ 43 องศาเซลเซียส 7 - 8 ชั่วโมง จนวัดความเป็นกรดได้ 0.9 % และทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว เพื่อหยุดปฏิกิริยาการหมัก
- ผลิตภัณฑ์อื่นที่ทำจากนม ได้แก่ เนยเหลว (butter) ซึ่งทำจากไขมันในนม โดยนำนมมาปั่น ไขมันจะรวมตัวเป็นเม็ดแล้วกรองเอาส่วนที่เป็นน้ำออก นำไขมันมาเติมเชื้อแบคทีเรีย ได้แก่ Streptococcus lactis ร่วมกับ Leuconostoc citrovorum ซึ่งทำให้เนยเหลวมีกลิ่นและรสชาติเฉพาะตัว ส่วนการทำเนยแข็ง (cheese) ซึ่งมีแตกต่างกันหลายชนิดนั้นจะมีการเติมแบคทีเรีย ซึ่งเป็นเชื้อต้นตอต่างชนิดกัน เช่น S. lactis หรือ Streptococcus cremoris ทำให้ได้เนยแข็งต่างชนิดกัน แต่ละชนิดมีรสชาติและเนื้อของเนยที่แตกต่างกัน กรดที่แบคทีเรียแต่ละชนิดสร้างขึ้น จะช่วยให้นมจับตัวเป็นก้อนเคิร์ด หลังจากนี้มีการเติมเอนไซม์เรนนินลงไป เพื่อช่วยเร่งปฏิกิริยาการแข็งตัวของนม ทำให้แยกส่วนที่เป็นน้ำหรือหางนมออก ส่วนน้ำนี้เรียกว่าเวย์ (whey) แล้วจึงบีบเอาส่วนหางนมออกทำให้เนยแข็งขึ้น โดยนำไปไล่ความชื้นและใส่เกลือ เพื่อดึงน้ำออกและช่วยป้องกันการเจริญของจุลินทรีย์ ที่ไม่ต้องการ หลังจากนี้จึงนำไปบ่มด้วยแบคทีเรียหรือรา
- การทำขนมปัง อาศัยจุลินทรีย์จำพวกยีสต์ ใส่ลงในแป้งที่จะทำขนมปังแล้วนวด ยีสต์จะเกิดกระบวนหมักให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และแป้งอุ้มก๊าซนี้ไว้ จึงทำให้แป้งอ่อนนุ่มและพองตัว แป้งขนมปังที่ขึ้นฟูนี้เรียกว่า โด (dough) เมื่อนำแป้งไปอบ จึงทำให้ขนมขึ้นฟู การคัดเลือกสายพันธุ์ยีสต์ที่ดีจะทำให้ขนมปังมีกลิ่นรสที่ดีและสามารถหมักน้ำตาลได้มากและรวดเร็ว คุณภาพของขนมปังนอกจากขึ้นกับการเลือกชนิดยีสต์แล้ว ยังขึ้นอยู่กับสภาพการบ่มเชื้อและชนิดของวัตถุดิบที่ใช้ด้วย
- การผลิตเครื่องดื่มที่มีแอลกอฮอล์ เช่น เบียร์ ไวน์ ไซเดอร์ ขึ้นอยู่กับวัตถุดิบที่ใช้ ไซเดอร์ทำจากแอปเปิล ไวน์ทำจากองุ่น เบียร์ทำจากข้าวบาเลย์ จุลินทรีย์ที่ใช้ คือ ยีสต์ ซึ่งจะเปลี่ยนน้ำตาลในพืชหรือผลไม้ให้เป็นแอลกอฮอล์และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และเกิดการเปลี่ยนแปลงกับสารอื่นๆ ทำให้ได้รสชาติดี เครื่องดื่มแอลกอฮอล์แต่ละชนิดมีรสชาติต่างกัน เนื่องจากใช้วัตถุดิบ วิธีการและสายพันธุ์ยีสต์ที่ต่างกัน
- การผลิตเบียร์ อาศัยยีสต์ในกระบวนการหมัก วัตถุดิบที่ใช้ คือ ข้าวมอลต์ที่กำลังงอก (barley malt) และแป้ง (starch adjuncts) ผสมกับน้ำอุ่น หลังจากปล่อยให้เอนไซม์ย่อยแป้งให้เป็นน้ำตาลแล้วจะได้น้ำเวิร์ท (wort) ออกมา เอามากรองและต้มกับดอกฮอป (hops) เพื่อให้น้ำเวิร์ทเข้มข้น มีรสชาติเพิ่มขึ้นและทำลายจุลินทรีย์ แล้วนำมาหมักด้วยยีสต์ ซึ่งจะหมักน้ำตาลให้เป็นแอลกอฮอล์และ คาร์บอนไดออกไซด์ และเกิดการเปลี่ยนแปลงกับโปรตีนและสารอื่นๆ ทำให้เกิดรสชาติที่ดี
- การผลิตน้ำส้มสายชูหมัก ที่ใช้เป็นเครื่องปรุงรส ผลิตจากวัตถุดิบพวกแป้งและน้ำตาล เช่น น้ำผลไม้ น้ำเชื่อม กากน้ำตาล โดยมีการเปลี่ยนแปลง 2 ขั้นตอน คือ การหมักน้ำตาลให้เป็นเอทิลแอลกอฮอล์ในสภาพไม่ใช้ออกซิเจน โดยอาศัยยีสต์ Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus และขั้นตอนที่สองเป็นการออกซิไดซ์แอลกอฮอล์ให้เป็นกรดน้ำส้ม หรือกรดแอซิติก โดยแบคทีเรีย Acetobacter และ Gluconobacter
- การผลิตอาหารจากจุลินทรีย์ จุลินทรีย์พวกแบคทีเรีย ยีสต์ สาหร่าย อาจใช้เป็นแหล่งอาหารของมนุษย์และสัตว์ได้ จุลินทรีย์เหล่านี้เจริญได้รวดเร็ว ทำให้ได้ผลผลิต คือ โปรตีนจำนวนมากและมีคุณภาพดี เพราะประกอบด้วยกรดอะมิโนจำเป็นและวิตามินปริมาณสูง อาหารเลี้ยงเชื้อจุลินทรีย์อาจใช้ของเสียจากโรงงานอุตสาหกรรมของเสียจากโรงงานกระดาษ กากน้ำตาลจากอ้อย วัสดุเหลือทิ้งจากการเกษตร หางน้ำนมหรือเวย์จากอุตสาหกรรมนม เป็นต้น จึงทำให้ต้นทุนการผลิตต่ำลงและเป็นการกำจัดของเสียที่ทำให้เกิด มลภาวะได้อีกด้วย การผลิตอาหารจากจุลินทรีย์เซลล์เดียว จึงเรียกว่า กระบวนการผลิตโปรตีนเซลล์เดียว (Single Cell Protein, SCP) ตัวอย่างแบคทีเรียที่นำมาใช้ประโยชน์ ได้แก่ Pseudomonas spp. ข้อดีของการใช้แบคทีเรียเป็นโปรตีนเซลล์เดียว คือ ใช้วัตถุดิบได้หลายชนิดในการเลี้ยง มีช่วงชีวิตสั้นและผลิตโปรตีนปริมาณมาก แต่ก็มีข้อเสีย คือ เซลล์มีขนาดเล็ก เก็บเกี่ยวผลผลิตยากและมีปริมาณกรดนิวคลีอิกอยู่มากทำให้รบกวนทางเดินอาหาร นิยมใช้ยีสต์ผลิตเป็นโปรตีนเซลล์เดียวมากกว่า เนื่องจากมีปริมาณกรดนิวคลีอิกต่ำกว่า เก็บเกี่ยวผลผลิตง่ายกว่า เจริญในอาหารตั้งต้น (ซับสเตรต) ที่มี pH ต่ำ และยอมรับยีสต์เป็นอาหารมากกว่าและยังมีวิตามินปริมาณสูงด้วย ยีสต์ที่นิยมใช้ ได้แก่ Candida utilis ส่วนจุลินทรีย์อื่นๆ ที่ใช้เป็นอาหาร ได้แก่ สาหร่ายน้ำจืด และสาหร่ายทะเลหลายชนิด เช่น เทา หรือเทาน้ำ หรือผักไก ก็คือ สาหร่ายน้ำจืด สไปโรไจรา (Spirogyra) สาหร่ายคลอเรลลา (Chlorella) ให้โปรตีนสูงมากถึง 55% ไขมัน 7.5% คาร์โบไฮเดรต 17.8% นอกจากนี้ยังมีวิตามิน ซี (กรดแอสคอร์บิก) วิตามิน บี 1 (ไทอามีน) วิตามินบี 2 (ไรโบเฟลวิน) ไนอะซิน และวิตามิน บี 6 (ไพริดอกซิน) ซีนี เดสมัส (Scenedesmus) เป็นสาหร่ายสีเขียวอีกชนิดหนึ่งที่ให้โปรตีนมากกว่า 50% ของน้ำหนักแห้ง ซึ่งมากกว่าโปรตีนจากถั่วเหลืองเสียอีก (ถั่วเหลืองให้โปรตีน 34.5%) ยังมีไซยาโนแบคทีเรีย คือ สไปรูไลนา (Spirulina) ที่มีโปรตีนสูงมากถึง 63-68% คาร์โบไฮเดรต 18-20% ไขมัน 2-3% ส่วนสาหร่ายทะเลหลายชนิดที่ใช้เป็นอาหารได้ ได้แก่ อุลวา (ulva) หรือผักกาดหอมทะเล และเอนเทอโรมอร์ฟา (Enteromorpha) ที่ทางภาคใต้นำมาเป็นอาหาร สาหร่ายสีน้ำตาลพวกซาร์กัสซัม (Sargassum) หรือเรียกว่าสาหร่ายทุ่นหรือสาหร่ายใบและพาไดนา (Padina) หรือสาหร่ายพัด พวกสาหร่ายสีแดงที่ใช้เป็นอาหารได้ ได้แก่ พอร์ไฟรา (Porphyra) หรือจีฉ่าย เจลิเดียม (Gelidium) หรือสาหร่ายวุ้น กราซิลาเรีย (Gracilaria) หรือสาหร่ายผมนาง เป็นต้น
การผลิตผลิตภัณฑ์ทางอุตสาหกรรม
ผลิตภัณฑ์ทางอุตสาหกรรมหลายชนิดที่เกิดจากการกระทำของแบคทีเรีย ได้แก่
- การผลิตกรดแล็กติก ที่ใช้รักษาโรคขาดแคลเซียม ในรูปแคลเซียมแล็กเตต (calcium lactate) รักษาโรคโลหิตจาง โดยใช้ในรูปไอเอินแล็กเตต, (iron lactate) และใช้เป็นตัวทำละลายแลคเกอร์ในรูปเอ็นบิวทิลแล็กเตต (N-butyl lactate)
- การผลิตกรดแล็กติก ใช้วัตถุดิบพวกแป้งข้าวโพด มันฝรั่ง กากน้ำตาล หางนมที่ได้จากอุตสาหกรรมนม ถ้าวัตถุดิบเป็นแป้งจะถูกย่อยเป็นกลูโคสก่อนด้วยกรดหรือเอนไซม์ ชนิดของแบคทีเรีย ที่ใช้ขึ้นอยู่กับชนิดของวัตถุดิบ เช่น ใช้เชื้อ L. bulgaricus เมื่อใช้หางนมเป็นวัตถุดิบ บางครั้งอาจต้องเติมสารประกอบไนโตรเจนหรือสารอื่นเพื่อช่วยให้เชื้อเจริญได้ดี ระหว่างการหมักจะเติมแคลเซียมไฮดรอกไซด์ เพื่อทำปฏิกิริยากับกรดแล็กติกให้เป็นกลาง ได้แคลเซียมแล็กเตต หลังจากนั้นจึงแยกแคลเซียมแล็กเตตออกมาและทำให้เข้มข้นขึ้น
- การผลิตกรดซิตริกหรือกรดส้ม ที่ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร เป็นเครื่องปรุงรสอาหาร ในอุตสาหกรรมน้ำหมึก สีย้อม และใช้ในวงการแพทย์ มีเชื้อราหลายชนิดที่เปลี่ยนน้ำตาลเป็นกรดส้มได้ แต่ที่ใช้กันอย่างกว้างขวาง คือ Aspergillus niger
- การผลิตกรดอะมิโน จุลินทรีย์หลายชนิดสามารถสังเคราะห์กรดอะมิโนจากสารประกอบไนโตรเจน ซึ่งอาจสังเคราะห์ได้มากเกินความต้องการ จึงขับออกมาในอาหารเลี้ยงเชื้อ จุลินทรีย์บางชนิดสังเคราะห์กรดอะมิโนได้มากจนผลิตเป็นการค้าได้ เช่น แอล-ไลซีน (L-lysine) ผลิตโดยเชื้อ Enterobacter aerogenes กรดแอล-กลูตามิก (L-glutamic acid) โดยแบคทีเรีย Micrococus, Arthrobacter เป็นต้น
- การผลิตเอนไซม์ มีราและแบคทีเรียหลายชนิดที่สังเคราะห์เอนไซม์และขับออกจากเซลล์มาอยู่ในอาหาร ในทางอุตสาหกรรม สามารถเลี้ยงเชื้อราและแบคทีเรียให้สร้างเอนไซม์และทำให้เอนไซม์บริสุทธิ์ได้ เช่น
- เอนไซม์อะไมเลส (Amylase) ได้จาก Rhizopus delemar, Mucor rouxii, Aspergillus oryzae ใช้ย่อยแป้งให้เป็นเดกซ์ทรินและน้ำตาล จึงใช้เอนไซม์นี้ในการเปลี่ยนแป้งให้เป็นน้ำตาล เพื่อการผลิตแอลกอฮอล์ ใช้ในการทำให้ไวน์ เบียร์ และน้ำผลไม้ใสขึ้น
-
- เอนไซม์อินเวอร์เทส (Invertase) ได้จากยีสต์ S. cerevisiae ใช้ย่อยซูโครสให้เป็นกลูโคสกับฟรักโทส จึงใช้ในอุตสาหกรรมทำลูกกวาด ไอศกรีม
- โปรตีเอส (Protease) เป็นคำเรียกเอนไซม์ที่ย่อยโปรตีน ซึ่งมีหลายชนิด ได้จาก Bacillus subtilis และ A. oryzae ใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องหนัง การทำกาว การทำให้เนื้อนุ่ม ทำให้เครื่องดื่มใส
- เอนไซม์เพกทิเนส (Pectinase) ได้จาก Aspergillus niger, Penicillium spp., Rhizopus spp. ใช้ในการทำให้น้ำผลไม้ใส และย่อยเพกทินในการแช่ต้นแฟลกซ์ เพื่อทำผ้าลินิน
-
การผลิตเชื้อเพลิง :
การเกิดเชื้อเพลิงธรรมชาติในรูปถ่านหิน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติต้องใช้เวลานับล้านๆ ปี โดยเกิดจากการทับถมของซากพืชซากสัตว์ที่ตายรวมกันเป็นตะกอน โดยอาศัยอุณหภูมิสูงและแรงกดดัน รวมทั้งการกระทำของจุลินทรีย์ เชื้อเพลิงซึ่งเป็นทรัพยากรธรรมชาติชนิดสิ้นเปลืองกำลังลดปริมาณลงอย่างรวดเร็ว ในขณะที่โลกมีความต้องการพลังงานจากเชื้อเพลิงมากขึ้น จึงอาจเกิดปัญหาการขาดแคลนพลังงาน ทั่วโลกจึงหันมาสนใจหาแหล่งพลังงานทดแทน ซึ่งมีหลายแบบ แบบหนึ่ง คือ การผลิตเชื้อเพลิงโดยอาศัยจุลินทรีย์ เชื้อเพลิงชนิดนี้ ได้แก่ แอลกอฮอล์ และมีเทน
จุลินทรีย์จำพวกยีสต์ สามารถเกิดกระบวนการหมักสารคาร์โบโฮเดรตให้ได้แอลกอฮอล์ เพื่อใช้ทำเครื่องดื่ม ดังได้กล่าวแล้ว นอกจากนี้แอลกอฮอล์ยังใช้เป็นตัวทำละลายที่ดีด้วยและยังสามารถ ใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ โดยการผสมแอลกอฮอล์ประมาณ 10-15% กับน้ำมันที่เรียกว่า แก๊สโซฮอล์ (Gasohol)
พลังงานอีกชนิดหนึ่งได้จากก๊าซชีวภาพ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นก๊าซมีเทน (CH4) ที่ได้จากการหมักมูลสัตว์และของเสียจากสัตว์ โดยรวบรวมของเสียเหล่านี้ใส่ในถังหมักที่มีเชื้อ จุลินทรีย์อยู่ ทิ้งไว้ให้เกิดปฏิกิริยาในที่ไม่มีอากาศ จุลินทรีย์จะใช้สารอินทรีย์ในของเสียไปและเกิดก๊าซมีเทนขึ้น ก๊าซนี้นำ ไปใช้เป็นเชื้อเพลิงในการปรุงอาหารและกระบวนการอื่นๆ ที่ต้องการใช้ความร้อน ของเหลือจากถังหมัก เมื่อสะสมมากๆ ยังนำไปใช้เป็นปุ๋ยได้ ปัจจุบันครอบครัวตามชนบทมีการทำเชื้อเพลิงแบบนี้ใช้เอง
การบำบัดน้ำเสีย :
การบำบัดน้ำเสียประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆ ทั้งวิธีทางกายภาพ เคมี และชีวภาพ การบำบัดน้ำเสียด้วยวิธีทางกายภาพเป็นการบำบัดขั้นต้น เพื่อกำจัดสารแขวนลอยขนาดใหญ่ออกด้วยการตกตะกอน แยกด้วยตะแกรงแยกขยะ การกรอง การหมุนเหวี่ยง เป็นต้น ส่วนการบำบัดน้ำเสียด้วยวิธีทางเคมี เช่น การออกซิเดชัน รีดักชัน โดยการเติมสารเคมีไปทำปฏิกิริยาลดหรือเติมออกซิเจน ให้กับสารที่ต้องการกำจัด เพื่อให้เปลี่ยนเป็นสารประกอบรูปอื่นที่ไม่เป็นพิษ แล้วจึงตกตะกอนแยกออกไป วิธีนี้มักใช้บำบัดน้ำเสียจากโรงงานอุตสาหกรรม ส่วนน้ำทิ้งจากบ้านเรือน และโรงงานอุตสาหกรรมที่มีสารอินทรีย์มาก เช่น โรงงานกระดาษ โรงงานน้ำตาล โรงงานเบียร์ ต้องใช้กระบวนการบำบัดน้ำเสียทางชีวภาพ โดยอาศัยจุลินทรีย์ที่เติมให้หรือ จุลินทรีย์ในธรรมชาติมาย่อยสลายสารอินทรีย์ การบำบัดน้ำเสียแบบนี้มีหลายระบบ เช่น ระบบแอคติเวเตดสลัดจ์ (Activated sludge process) เป็นระบบที่ให้อากาศแก่น้ำเสีย โดยการกวนน้ำแรงๆ หรือทำให้น้ำเคลื่อนไหวเพื่อรับอากาศและให้จุลินทรีย์ทำการย่อยสารอินทรีย์ ซึ่งเมื่อถูกย่อยแล้วมีลักษณะเป็นคอลลอยด์ เรียกว่า ฟลอค (floc) และมีจุลินทรีย์อยู่มาก ฟลอคนี้จะทิ้งให้ตกตะกอนเพื่อนำไปบำบัดต่อไป โดยการย่อยในสภาพไร้อากาศ (anaerobic sludge digestion) หรืออาจนำไปเติมให้น้ำเสียที่ไหลเข้ามาใหม่ๆ พร้อมทั้งกวนแรงๆ จะทำให้เกิดฟลอคได้เร็วขึ้น ฟลอคที่ตกตะกอนแล้ว เรียกว่า แอดติเวเตดสลัดจ์ (activated sludge)ซึ่งมีจุลินทรีย์จำนวนมาก เช่น ยีสต์ รา โพรโทซัว และแบคที
วิธีนี้ใช้กันมาก หลังจากทิ้งให้จุลินทรีย์ย่อยสารอินทรีย์แล้วจึงส่งน้ำไปยังถังตกตะกอน น้ำที่ปล่อยทิ้งจะมีค่า BOD ลดลงมาก
อีกระบบหนึ่ง เรียกว่า ทริกกลิงฟิลเตอร์ (trickling filter) อาศัยหลักการกรองโดยปล่อยให้น้ำเสียไหลลงมาตามชั้นหิน กรวด หรือวัสดุสังเคราะห์ชิ้นเล็กๆ ที่เรียงซ้อนกันเป็นแผ่น โดย อาจพ่นน้ำเสียให้เป็นฝอยขึ้นไปในอากาศก่อนเพื่อรับออกซิเจน ที่ชั้นหินจะมีจุลินทรีย์เคลือบติดอยู่เป็นฟิล์มบางๆ ซึ่งประกอบด้วยแบคทีเรีย รา โพรโทซัวและสาหร่าย เมื่อน้ำเสียไหลผ่านชั้นหินที่มีจุลินทรีย์ สารอินทรีย์จากน้ำเสียจึงเป็นอาหารให้จุลินทรีย์ทำการย่อยสลายจนได้สารที่มีโมเลกุลเล็กลงและสามารถปล่อยทิ้งได้ โดยไม่เกิดการเน่าเสียโดยจุลินทรีย์พวกอื่นอีก
ระบบที่พึ่งพาธรรมชาติมากที่สุด คือ ระบบบ่อออกซิเดชัน (oxidation pond) ซึ่งต้องใช้พื้นที่ผิวมากและใช้จุลินทรีย์ธรรมชาติทำการย่อยสารอินทรีย์เอง โดยใช้ออกซิเจนจากธรรมชาติ หรือ ได้จากสาหร่ายที่ขึ้นอยู่ทำการสังเคราะห์แสงให้ออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับแบคทีเรียนำไปใช้ ส่วนสาหร่ายที่ขึ้นอยู่ถ้าเจริญมากๆ ยังนำไปทำปุ๋ย หรือนำไปเลี้ยงสัตว์ได้
จุลินทรีย์ช่วยย่อยสลายสารอินทรีย์และเพิ่มความอุดมสมบูรณ์ให้แก่ดิน
จุลินทรีย์ในดินพวกแบคทีเรียและเห็ดราชนิดต่างๆ ช่วยย่อยสลายสารอินทรีย์จากซากสิ่งมีชีวิตให้กลายเป็นสารอนินทรีย์ โดยจุลินทรีย์ได้สารอาหารจากซากเหล่านั้น และนำไปใช้ประโยชน์ ขณะเดียวกันสารอินทรีย์ที่สลายเป็นสารอนินทรีย์ ก็เป็นสารอาหารของพืชที่ดูดซึมไปสร้างเนื้อเยื่อพืชได้ ดังนั้น ถ้าขาดจุลินทรีย์ในดิน จะทำให้ดินขาดสารอาหาร และพืชไม่สามารถเจริญเติบโตได้ จุลินทรีย์ในดิน จึงเกี่ยวข้องกับวัฏจักรของสารต่างๆ ในธรรมชาติ เช่น วัฏจักรไนโตรเจน วัฏจักรคาร์บอน วัฏจักรซัลเฟอร์ เป็นต้น
ในอากาศมีก๊าซไนโตรเจนอิสระอยู่ถึง 78% แต่พืชไม่สามารถนำไปสร้างโปรตีนในเซลล์ได้ พืชได้รับไนโตรเจนในรูปเกลือไนเตรตที่รากดูดขึ้นมาจากดิน แต่จุลินทรีย์บางชนิดมีความสามารถตรึงก๊าซไนโตรเจนจากอากาศแล้วเปลี่ยนให้เป็นสารประกอบไนเตรต จุลินทรีย์เหล่านี้บางชนิดอยู่ร่วมกับรากพืช เช่น แบคทีเรียชื่อ ไรโซเบียม (Rhizobium) อยู่ร่วมกับรากพืชตระกูลถั่วแบบพึ่งพาอาศัยแบคทีเรียบางชนิดตรึงก๊าซไนโตรเจนแบบอิสระได้ เช่น Rhodospirillum rubrum, Rhodopseudomonas vanniellii หรือไซยาโนแบคทีเรียที่อยู่ในน้ำ เช่น Anabaena spp., Nostoc spp.,Oscillatoria spp. เมื่อตรึงก๊าซไนโตรเจนแล้วจะเปลี่ยนให้เป็นแอมโมเนีย และพืชนำไปใช้เปลี่ยนเป็นโปรตีนในพืช เมื่อพืชถูกสัตว์กินจะเปลี่ยนเป็นโปรตีนในสัตว์ เมื่อพืชและสัตว์ตายลงรวมทั้งสิ่งขับถ่ายจากสัตว์จะทับถมลงดิน โปรตีนและกรดนิวคลีอิกจะถูกย่อยโดยแบคทีเรียบางชนิดในดินได้กรดอะมิโน ซึ่งถูกย่อยต่อได้แอมโมเนีย แอมโมเนียอาจระเหยออกจากดินหรือละลายน้ำกลายเป็นเกลือแอมโมเนียม (NH4+) หรือถูกพืชและจุลินทรีย์นำไปใช้และอาจเปลี่ยนต่อไปเป็นไนไตรต์ (NO2-) และไนเตรต (NO3-) ไนเตรตที่ผลิตโดยจุลินทรีย์จึงเป็นปุ๋ยให้แก่พืชได้
จุลินทรีย์เป็นสาเหตุของโรค :
มีจุลินทรีย์หลายร้อยชนิดที่เป็นสาเหตุทำให้เกิดโรคแก่คน สัตว์ พืชและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ จุลินทรีย์ที่จะทำให้เกิดโรคแก่สิ่งมีชีวิตที่มันเข้าไปอาศัยอยู่หรือที่เรียกว่าโฮสต์ได้นั้นจะต้องมีกลไกที่จะเอาชนะระบบภูมิคุ้มกันของร่างกายโฮสต์ แต่ถ้าโฮสต์มีความต้านทานสูงกว่า จะสามารถทำลายจุลินทรีย์ เหล่านั้นได้และไม่เกิดโรคขึ้น
ปัจจัยที่ทำให้จุลินทรีย์สามารถก่อโรคได้ ขึ้นอยู่กับสารพิษ (toxin) ที่มันสร้างขึ้น ซึ่งอาจทำลายเซลล์ต่าง ๆ ของร่างกายโฮสต์ หรือทำลายเนื้อเยื่อ เช่น เนื้อเยื่อประสาท นอกจากนี้จุลินทรีย์ยังมีสารบางอย่างและเอนไซม์ที่ย่อยสลายส่วนประกอบของเนื้อเยื่อโฮสต์ ทำให้มันบุกรุกเข้าเนื้อเยื่อโฮสต์ และทำอันตรายโฮสต์ได้
ตัวอย่างโรคของคนที่เกิดจากแบคทีเรีย เช่น ปอดบวม Diplococcus pneumoniae, วัณโรค Mycobacterium tuberculosis, โรคเรื้อน Mycobacterium leprae, บาดทะยัก Clostridium tetani, อหิวาตกโรค Vibrio cholerae, ไทฟอยด์ Salmonella typhi, บิด Shigella dysenteriae, ซิฟิลิส Treponema pallidum, คอตีบ Corynebacterium diphtheriae, ไอกรน Bordetella pertussis เป็นต้น
โรคที่เกิดจากไวรัส ได้แก่ โรคกลัวน้ำหรือโรคพิษสุนัขบ้า Rabies virus, ไข้เลือดออก Dengue virus, ไขสันหลังอักเสบ (โปลิโอ) Poliovirus, หัด Measles virus, หัดเยอรมัน Rubella virus, คางทูม Mump virus, ไข้หวัด Rhinovirus, ไข้หวัดใหญ่ Influenza virus, เริม Herpers simplex virus, อีสุกอีใสและงูสวัด Varicella - Zoster virus, ฝีดาษ Variola virus, ตับอักเสบชนิดเอ Hepatitis A virus, ตับอักเสบชนิดบี Hepatitis B virus, เอดส์ Human immunodeficiency virus (HIV) เป็นต้น
โรคที่เกิดจากเชื้อรา มีทั้งชนิดที่ทำให้เกิดโรคผิวหนังที่เยื่อบุผิวชั้นนอกและเยื่อเมือกของเซลล์ชั้นนอก ๆ การติดเชื้อแบบนี้เรียกว่า โรคผิวหนังจากเชื้อรา (Dermatomycoses หรือ Cutaneous mycoses) เช่น โรคกลาก เกลื้อน ตามผิวหนัง เล็บ และผม เกิดจากเชื้อ Microsporum, Trichophyton และ Epidermophyton ส่วนพวกที่ทำให้เกิดโรคในเนื้อเยื่อใต้ผิวหนังลงไป เรียกว่า Deep mycoses หรือ Subcutaneous mycoses เกิดจากเชื้อ Blastomyces, Histoplasma, Sporotrichum เป็นต้น
ผลิตสารปฏิชีวนะและวัคซีน :
สารปฏิชีวนะ หมายถึง สารที่ใช้รักษาโรคต่างๆ โดยสร้างได้จากจุลินทรีย์ชนิดหนึ่ง เพื่อไปยับยั้งหรือทำลายการเจริญของจุลินทรีย์อีกชนิดหนึ่ง โดยไม่ทำอันตรายต่อผู้ใช้
ตัวอย่างสารปฏิชีวนะที่สร้างจากแบคทีเรีย เช่น สเตรปโตไมซิน คลอเตตราไซคลิน หรือ ออริโอไมซิน ออกซีเตตราไซคลิน หรือเทอราไมซิน คลอแรมเฟนิคอล อิริโธรไมซิน แอมโฟเทอริซิน บาซิตราซิน เป็นต้น
การฉีดวัคซีนเป็นวิธีป้องกันโรควิธีหนึ่ง โดยกระตุ้นให้ร่างกายสร้างภูมิคุ้มกันขึ้นเอง การควบคุมโรคติดเชื้อจึงจำเป็นต้องผลิตวัคซีนจำนวนมากซึ่งผลิตในลักษณะเป็นการค้า วัคซีนที่ฉีดเข้าไปก็คือ แอนติเจนที่เราจงใจใส่เข้าไปเพื่อให้ร่างกายสร้างแอนติบอดีที่จำเพาะกับแอนติเจนนั้นๆ ภูมิคุ้มกันจะอยู่ในร่างกายได้นานเท่าใดขึ้นอยู่กับชนิดของแอนติเจนที่เข้าไปกระตุ้น เช่น วัคซีนที่เตรียมจากเชื้อตายแล้ว จะมีภูมิคุ้มกันได้จำกัดเพียง 6 เดือนถึง 2 ปี ได้แก่ วัคซีนไทฟอยด์ อหิวาตกโรค ไอกรน โรคพิษสุนัขบ้า ไข้หวัดใหญ่ ส่วนวัคซีนที่เตรียมจากเชื้อที่มีชีวิตหรือเชื้อที่อ่อนกำลังลงจะให้ผลคุ้มกันในระยะนาน ได้้แก่ วัคซีนโปลิโอชนิดกิน หัด หัดเยอรมัน คางทูม นอกจากนี้ยังใช้ทอกซินที่หมดพิษแล้ว ที่เรียกว่า ทอกซอยด์ มาทำเป็นวัคซีนได้ เพราะยังสามารถกระตุ้นให้เกิดภูมิคุ้มกันได้ เช่น ทอกซอยด์ของโรคคอตีบ และบาดทะยัก แอนติบอดีจะถูกสร้างขึ้นโดยพลาสมาเซลล์ (plasma cell) ที่เปลี่ยนแปลงมาจากบีลิมโฟไซต์ (B lymphocyte) เมื่อแอนติบอดีจับกับแอนติเจนแล้วจึงกระตุ้นให้เม็ดเลือดขาวชนิดฟาโกไซต์มาจับกินด้วยวิธี ฟาโกไซโทซิส (Phagocytosis) การที่แอนติบอดีจับกับแอนติเจนที่จำเพาะเจาะจงนั้น จึงทำให้แอนติบอดี ป้องกันโรคได้เพียงชนิดเดียว เมื่อเชื้อโรคถูกกำจัดออกไปแล้ว แอนติบอดีจะลดน้อยลง พลาสมาเซลล์จะเปลี่ยนเป็นเมมมอรีเซลล์ (memory cell) ซึ่งมีอายุยืนกว่า และจะเปลี่ยนกลับไปเป็นพลาสมาเซลล์ เมื่อถูกกระตุ้นด้วยแอนติเจน หรือเชื้อชนิดเดิมอีกเป็นครั้งที่สอง ทำให้สร้างแอนติบอดีได้ปริมาณมากกว่า และรวดเร็วกว่า จึงทำลายเชื้อโรคนั้นได้ทันท่วงที
การสร้างจุลินทรีย์ชนิดใหม่ โดยเทคนิคพันธุวิศวกรรม :
ความต้องการพัฒนาสายพันธุ์ใหม่ๆ ของจุลินทรีย์เพื่อใช้ประโยชน์ทางการเกษตร อุตสาหกรรมและทางการแพทย์ ทำให้เกิดการค้นหาจุลินทรีย์ชนิดใหม่เรื่อยๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้แก่กระบวนการเหล่านั้น การพัฒนาให้ได้จุลินทรีย์สายพันธุ์ใหม่ๆ ที่มีความสามารถสูง สามารถให้ปฏิกิริยาได้เร็ว ให้ผลผลิตจำนวนมาก อาจทำได้โดยการปรับปรุงอาหารเลี้ยงเชื้อ สภาพแวดล้อมในการเลี้ยงเชื้อ การทำให้เกิดมิวเตชัน เพื่อให้ได้สายพันธุ์ใหม่ ปัจจุบันมีเทคนิคการตัดต่อยีนในจุลินทรีย์ ที่เรียกว่า เทคนิครีคอมบิแนนท์ดีเอ็นเอ (recombinant DNA technology) หรือพันธุวิศวกรรม (genetic engineering) ทำให้สามารถตัดต่อยีนที่ต้องการจากสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งและนำไปใส่ในสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งมักเป็นจุลินทรีย์ ทำให้เพิ่มยีนนั้นขึ้นมากมายและเพิ่มผลผลิตได้ตามต้องการ
เทคนิคพันธุวิศวกรรม เป็นการเปลี่ยนแปลงสารพันธุกรรมโดยการตัดต่อยีนหรือ DNA โดยอาศัยเอนไซม์ตัดจำเพาะ ซึ่งทำหน้าที่ตัด DNA ตรงบริเวณที่มีลำดับเบสเฉพาะเจาะจง เอนไซม์ตัดจำเพาะแต่ละชนิดจะทำหน้าที่ตัด DNA ตรงจุดตัดจำเพาะต่างๆ กัน ดังนั้นจึงอาจนำยีนของคน สัตว์ พืช จุลินทรีย์ มาตัดต่อกับ DNA ของสิ่งมีชีวิตบางชนิด เช่น แบคทีริโอเฟจ (ไวรัสของแบคทีเรีย) พลาสมิดของแบคทีเรีย (พลาสมิด คือ DNA วงกลมขนาดเล็กที่อยู่นอกโครโมโซมปกติของแบคทีเรีย) ซึ่งทำหน้าที่เป็นพาหะ (vector) ให้ได้ DNA ลูกผสมหรือ รีคอมบิแนนท์ดีเอ็นเอ แล้วจึงนำ DNA ลูกผสมใส่เข้าไปในสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่ง (ซึ่งมักเป็นแบคทีเรีย) เพื่อให้สิ่งมีชีวิตนั้นสร้างสารผลิตภัณฑ์หรือโปรตีนที่ต้องการในปริมาณมาก
จากเทคนิคพันธุวิศวกรรมช่วยให้เกิดผลดีต่ออุตสาหกรรมการเกษตร อุตสาหกรรมเครื่องดื่มที่มีแอลกอฮอล์ อุตสาหกรรมเกี่ยวกับยา เพราะเทคนิคนี้ช่วยให้คัดเลือกได้ลักษณะที่ต้องการและสร้างได้ปริมาณมาก
ประโยชน์ของพันธุวิศวกรรม จึงนำมาใช้ในการปรับปรุงสุขภาพ ความเป็นอยู่และสิ่งแวดล้อม ได้แก่
- การผลิตฮอร์โมนที่สำคัญบางชนิด และมีความต้องการสูง เช่น อินซูลินที่ใช้รักษาโรคเบาหวาน โกรทฮอร์โมน ที่ช่วยให้ร่างกายเจริญเติบโต อินเตอร์เฟียรอน (Interferon) ที่ช่วยให้ร่างกายมีความต้านทานต่อไวรัส ปัจจุบันการผลิตฮอร์โมนดังกล่าวทำในแบคทีเรียและยีสต์
- การผลิตวัคซีน เช่น วัคซีนป้องกันโรคตับอักเสบชนิด บี (Hepatitis B vaccine) วัคซีนป้องกันโรคปากและเท้าเปื่อยในสัตว์ (foot and mouth disease vaccine) วัคซีนโรคกลัวน้ำ (Rabies vaccine) เป็นต้น การผลิตวัคซีนโดยวิธีนี้ นอกจากจะได้ปริมาณมากมายแล้ว ยังได้วัคซีนที่ดีกว่า โดยการกำจัดส่วนของแอนติเจนที่เป็นพิษทิ้งไป ทำให้ได้วัคซีนที่ดีและปลอดภัยมากขึ้น
การปรับปรุงสายพันธุ์จุลินทรีย์ เพื่อให้ได้สายพันธุ์ที่มีประสิทธิภาพในการสร้างผลผลิตสูงเพื่อนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การผลิตสารปฏิชีวนะ วิตามิน กรดอะมิโน ให้ได้ปริมาณมาก หรือปรับปรุงสายพันธุ์จุลินทรีย์ที่ใช้กำจัดแมลงศัตรูพืช ศัตรูสัตว์ การสร้างจุลินทรีย์ที่ย่อยสลายคราบน้ำมัน และจุลินทรีย์ที่ตรึงไนโตรเจนให้กับธัญพืช เพื่อเป็นการปรับปรุงดินด้วย
