Biotexnol.rarx

Программа элективного курса по биологии
для предпрофильной подготовки учащихся 9 классов.
«Биотехнология – наука будущего».
Клещевская В.И., учитель биологии МОУ «СОШ № 3 г. Ртищево Саратовской области».
Пояснительная записка.
Предлагаемый курс « Биотехнология – наука будущего» включает 12 часов. Курс
рассчитан на учащихся 9 классов и имеет цель вызвать интерес к биологии (и смежным
предметам естественнонаучного цикла), желание продолжить изучение предмета в старших
классах на профильном уровне. Кроме этого данная программа поможет определиться в
выборе профессии, связанной с какой-либо отраслью биологической науки (биотехнолог,
микробиолог, фармацевт, эколог, биоэнергетик, биохимик, генетик и т.д.).
Отбор содержания осуществлялся на основе ряда факторов, стимулирующих развитие
познавательных интересов у школьников.
Практически все занятия построены на определении и нахождении путей решения
актуальных проблем, значимых для каждого жителя планеты: новые источники сырья для
разных отраслей промышленности, новые источники энергии, изменение генома организма,
вопросы охраны окружающей среды, профилактика наследственных заболеваний и т.д.
Все эти и множество других проблем решает современная биотехнология. Ибо
биотехнология двояка в своем проявлении, она соединяет в себе воедино сферу научной и
промышленной деятельности. Причем каждая стимулирует развитие друг друга, во многом
предопределяя направленность развития не только на современном этапе, но и на
ближайшую и даже отдаленную перспективу.
Другая важная особенность курса – его интегративность. Современная биотехнология –
это интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно
реализовать возможности живых организмов для решения проблем человечества.
Биотехнология основана на ряде наук: цитологии, генетике, экологии, молекулярной
биологии, биохимии, биофизике, иммунологии и др.
Следующий фактор, вызывающий интерес у школьников к данному курсу –
разнообразие форм и методов проведения занятий: исследовательская и экспериментальная
деятельность учащихся, работа с источниками информации, устные сообщения с
последующей дискуссией, сотрудничество при работе в группах, экскурсии на
производства, использование учителем современных образовательных технологий
(компьютерных программ, презентаций, ИНТЕРНЕТ-технологий и др.). Такие формы
проведения занятий способствуют более тесной взаимосвязи между всеми участниками
образовательного процесса. Курс предполагает привлечение учащихся к проектной
деятельности. В качестве образовательного продукта предлагается выполнить творческую
работу в виде реферата, доклада, презентации или отчета по выполнению практической
работы. Курс заканчивается проведением зачета, на котором будет проходить защита
творческих и проектных работ.
Данный элективный курс способствует развитию логического мышления, умения
анализировать, обобщать, сравнивать, делать выводы, применять знания на практике.
Цели и задачи курса:
1. Формирование у школьников интеллектуальных знаний и практических умений в
области биотехнологии.
2. Выявление областей практического применения полученных знаний .
3. Развитие творческих способностей, умения работать в группе, вести дискуссию,
отстаивать свою точку зрения, составлять отчет о работе.
4. Создание положительной мотивации в выборе профиля на старшей ступени школы и
будущей профессии.
Содержание программы.
1занятие.
Предмет и задачи биотехнологии. История развития науки и области применения
знаний по биотехнологии. Основные разделы, методы работы и связь с другими науками
(цитологией, биохимией, биофизикой, молекулярной биологией, генетикой, экологией,
иммунологией, микробиологией).
2 занятие.
Объекты биотехнологии.
Использование бактерий, грибков, растительных и животных тканей в биотехнологии.
3 занятие.
Методы биотехнологии: генная и клеточная инженерия, технологии in vitro.
Использование этих технологий в сельском хозяйстве, фармакологии, пищевой
промышленности, в медицине (диагностика и лечение наследственных заболеваний, поиск
путей лечения СПИДом, онкологических болезней и др.).
4занятие.
Биотехнология в сельском хозяйстве. Применение клонального размножения в
растениеводстве. Использование технологии in vitro в декоративном цветоводстве,
сохранении редких и исчезающих видов, в оздоровлении растений.
Клонирование животных. Химерные и трансгенные организмы.
5 занятие.
Пищевая биотехнология. Исторические сведения о способах приготовления хлеба,
кваса, молочно-кислых продуктов. Современное состояние пищевой индустрии и роль
микроорганизмов в производстве продуктов питания.
6 занятие.
Биотехнология в энергетике. Развитие нового направления в разработке новых и
эффективных способов производства энергетических носителей, экологически
безопасных. Биоэнергетика. Промышленное получение биогаза. Биологическое получение
водорода, как основного источника энергии в будущем.
7 занятие.
Экологическая биотехнология. Использование микроорганизмов в очистке сточных
вод, промышленных жидких стоков. Переработка твердых отходов, биодеградация
нефтяных загрязнений. Восстановление плодородия почв после использования
удобрений, пестицидов и других химических соединений.
8 занятие.
Инженерная энзимология. Биогеотехнология. Биогидрометаллургия – получение
металлов с помощью микроорганизмов из руд, морской воды. Биосорбция металлов из
растворов. Промышленное получение биологически активных веществ: ферментов,
гормонов, витаминов, их применение.
9 занятие.
Криосохранение. История и технологии криобиологии в сохранении генофонда редких
и исчезающих видов растений и животных. Использование технологии in vitro в условиях
низких температур. Криосохранение в медицине.
10 занятие.
Применение биотехнологии на предприятиях города. Экскурсия на хлебозавод,
молочный комбинат и др.
11- 12 занятие.
Что дали мне знания по биотехнологии? Итоговые занятия. Зачет, защита проектных
работ, организация выставки.
Темы проектных работ:
1. Генетически модифицированные продукты: польза или вред.
2. Генная инженерия растений: проблемы и перспективы.
3. Гидробиологическая оценка водоемов.
4. Оценка состояния воздуха, почв в районе.
5. Биотехнология: вклад в решение глобальных проблем.
6. Биология клетки и биотехнология.
7. Клонирование, современное состояние и проблемы. (другие по выбору учителя или
учащихся.).
Учебно-тематический план курса.
№п\п
Тема занятия
1.
Что такое биотехнология?
2.
Объекты биотехнологии
3.
Методы биотехнологии:
клеточная и
генная инженерия.
4.
Биотехнология в сельском
хозяйстве.
Клонирование.
Пищевая биотехнология.
5.
6.
Биотехнология в
энергетике.
7.
Экологическая
биотехнология
8.
Инженерная энзимология.
Биогеотехнология.
9.
Криосохранение.
10.
Применение биотехнологии
на предприятиях города.
1112.
Что дали мне знания по
биотехнологии?
Отчеты, проекты,
организация выставки,
выступления на научнопрактической конференции,
Форма проведения и
виды деятельности на
занятиях.
Рассказ учителя,
беседа,
демонстрация
презентации
Рассказ учителя,
сообщение ученика,
исследовательская
деятельность
Демонстрация
презентации, просмотр
видеофильма
Моделирование,
ИНТЕРНЕТтехнология
Ярмарка и реклама
продуктов питания,
исследовательская
деятельность,
групповая работа.
Проектирование,
работа в группе,
эксперимент,
компьютерные
технологии
Самостоятельная
работа, лабораторная
работа, демонстрация
презентации, просмотр
видеофильма
Презентация, видео,
исследовательская
деятельность.
Демонстрация
видеофильма,
компьютерная
технология.
Экскурсия на
предприятие.
Защита проектов,
конференция.
Анкетирование.
Зачеты по курсу.
Образовательный
продукт
Конспект
Отчет о работе,
реферат
Сообщения
учащихся, отчет
о практической
работе
Отчет о работе
Сообщения
учащихся
Отчет о
лабораторной
работе
Проекты,
сообщения
учащихся
Отчет о
лабораторной
работе
Конспект,
сообщения
учащихся,
Сообщения
учащихся,
Выполнение
проектов.
Отчет по
экскурсии
Зачетная работа.
Об успешности реализации данной программы можно судить по выраженному
интересу учащихся к самостоятельной и исследовательской деятельности и осознанному
выбору естественнонаучного профиля обучения в старшей школе.
Литература:
1. Белов Д. В. Потенциально опасные вещества.// Химия в школе. -2002,№2.
2. Бутенко Р. Г. Культура тканей и клеток растений. – М.: Знание, 1971.
3.. Бутенко Р. Г. Биология клетки и биотехнология//Биология в школе.-1995,№1.
4. Вакула В.Л. Биотехнология: то это такое? М.: «Молодая гвардия», 1989.
5. Вельков В.В. Генетическое модифицирование – новая версия сельского
хозяйства.// Биология в школе. – 2004, №1.
6. Груздева Л.П. Биоиндикация качества природных вод.// Биология в школе2002, №6.
7. Дебабов В.Г. Биотехнология: вклад в решение глобальных проблем.//Биология
в школе. – 1997, № 1.
8. Заварзин Г.А. Микробиология двадцать первому веку. – М.: Знание, 1981.
9. Злотин А.З. Техническая энтомология: задачи и перспективы развития.//
Биология в школе. – 1996, №1.
10. Коновалов С.А. Достижения технической микробиологии. – М.: Знание, 1976.
11.Кнорре Е. Живое в прожекторах науки – М.: Детская литература,1986.
12. Нейман Б.Я. Индустрия микробов. – М.: Знание, 1983.
13. Никишова Е.А. Основы билтехнологии: 10-11 классы: учебное пособие для
учащихся общеобразовательных учреждений/ Е.А. Никишова. – М. : Вентана – Граф,2008
– 160с. – (Библиотека Элективных курсов).
14. Ковалевская Н.И. Экологическая биохимия: живые организмы и антропогенное
загрязнение биосферы.// Биология в школе. – 1993,№3.
15. Миркин Б.М. Экология земледелия.// Биология в школе. – 1993,№3.
16. Лысенко Н. Л. Биоиндикация и биотестирование водных экосистем.
17. Новикова Т.А. Генная инженерия растений.// Биология в школе. – 2004, №3.
18. .Новикова Т.А. Генная инженерия бактерий.
19. Новикова Т.А. Продукты питания, модифицированные методами генной
инженерии.// Биология в школе. – 2004,№4.
20. Носов А.М. Культура клеток высших растений: от теории к практике.//
Биология в школе. – 2004,№5, №6.
21. Скулачев В. Рассказы о биоэнергетике. М.: Молодая гвардия, 1985.
22. Рыжов И.Н. Оценка состояния водных объектов.// Биология в школе-1996№5.
23. Тамбиев А. Х. Биология наших дней. – М.: Знание, 1987.
24..Шлегель Г. Общая микробиология. – М.: Мир, 1987.
25. Шуляковский Г.М. Диоксины и окружающая среда./ Химия в школе.2001,№3.
26. ЯблоковаА.В. Биология и современность. – М.: Просвещение, 1990.
Электронные образовательные ресурсы:
Диск «Биотехнология», издательство «Просвещение»
Интернет сайты: http://www.biotechnolog.ru/ (учебник биотехнология)
http://www.genetika.ru/journal/about/o-zhurnale/
(журнал
Биотехнология)
http://www.mosbiotechworld.ru/rus/ (Итоги IV Московского международного конгресса
"Биотехнология: состояние и перспективы развития" и V Международной
специализированной выставки "Мир биотехнологии-2007-20 11.")
http://www.biorosinfo.ru/ (общество биотехнологов России)
http://www.nauka.kz/biol_med/razd4/ (научный портал)
http://www.combiotech.ru/ (интересные новости из области биотехнологии)
Учащимся предложен буклет (см. приложение в программе Publisher).
Материалы к проведению занятий.
1занятие.
Предмет и задачи биотехнологии.
Цель: изучить историю развития науки и области применения знаний по
биотехнологии; основные разделы, методы работы и связь с другими науками (цитологией,
биохимией, биофизикой, молекулярной биологией, генетикой, экологией, иммунологией,
микробиологией).
Ход занятия:
1. Вводное слово учителя.
Любая наука имеет свою историю, зарождается, развивается, может прекратить свое
существование или наоборот, пополняться новыми знаниями из других наук
интегрируется с ними.
Зарождение науки биотехнологии уходит в глубину веков, когда человек научился печь
хлеб, изготавливать кисломолочные продукты питания и т.д. Это было стихийным
процессом. Развитие науки должно строится на научных методах, экспериментах,
использовании определенных методик и технологий. Появление микроскопической
техники и ее совершенствование привело к развитию микробиологии. С середины 20 века
происходит стремительное развитие молекулярной биологии, важными открытиями
которой являются – выяснение структуры белков, нуклеиновых кислот, расшифровка
генетического кода.
Термин «биотехнология» был предложен в 1917 году венгерским инженером Карлом
Эреки в опубликованной работе, посвященной описанию крупномасштабного
выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По его
определению биотехнология – это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов
(сахарная свекла) с помощью живых организмов производятся те или иные продукты
(свинина).
В современной терминологии понятие биотехнология определяется как совокупность
промышленных методов, использующих живые организмы и биологические
процессы для производства ценных для народного хозяйства продуктов; или – как
использование живых организмов и биологических процессов в производстве.
2. Беседа с учащимися.
 Какие глобальные проблемы стоят перед человечеством в настоящее время?
 Может ли биотехнология помочь в решении этих проблем?
 Исходя из определения, где, по вашему мнению, могут быть использованы
знания по биотехнологии?
 В нашем городе имеются какие-либо биотехнологические предприятия?
 Как вы думаете, с какими науками интегрируется биотехнология?
(см. диск «Биотехнология», издательство Просвещение.)
Вывод: биотехнология связана с использованием живых организмов и биологических
процессов в промышленном производстве с целью удовлетворения потребности людей в
продуктах питания, новых источников энергии, сырья для производства кормов; в
фармакологии и медицине, текстильной и кожевенной промышленности, экологии и
охране природных ресурсов и многое другое.
Учитель:
В научной литературе 70-х годов прошлого века биотехнологию связывают с
микробиологическим синтезом многих важных для человека веществ – промышленным
получением ферментов, витаминов, аминокислот, гормонов, антибиотиков и пр. Методы,
используемые
в
микробиологической
промышленности
,
стали
называть
биотехнологическими.
Развитие молекулярной биологии также внесло свою корректировку в понятие
биотехнология. Академик, директор НИИ генетики и селекции промышленных
микроорганизмов В.Г. Дебабов отмечает, что термин «биотехнология» необходимо
дополнить словами «на базе достижений молекулярной биологии».
Клетки микроорганизмов, а также растительные и животные клетки в процессе своей
жизнедеятельности вырабатывают вещества, владеющие различными свойствами,
называются эти вещества – метаболиты. Как правило, выделяют четыре группы продуктов
жизнедеятельности одноклеточных микроорганизмов:
• Непосредственно сами клетки, как то: выращивание бактерий для выделения
вакцины, дрожжи в качестве основы гидролизатов, либо просто в качестве кормового
белка.
• Продукты синтеза клеток в процессе развития – крупные молекулы: токсины,
антитела, ферменты и пр.
• Первичные метаболиты – крайне важны в процессе роста клеток: витамины,
органические кислоты и т.д.
• Вторичные метаболиты – соединения, по природе своей низкомолекулярные, не
играют роли в процессе развития клеток: токсины, алкалоиды, гормоны.
Биотехнология является механизмом, который, используя вышеназванные продукты
жизнедеятельности в качестве сырья, помогает получать огромное количество очень
важных веществ, а именно:
• В области медицины: витамины, аминокислоты, ферменты, вакцины, антибиотики,
антитела, иммуномодуляторы, и другие не менее важные вещества.
• В области ветеринарии и сельского хозяйства: инсектициды, вакцины, гормоны,
липиды, спирты и пр.
• В химической промышленности: бутанол, ацетон.
• В энергетической промышленности: этанол, биогаз.
Из этого можно сделать заключение, что главной целью биотехнологии является
разработка и производство лечебный, профилактических и диагностических препаратов.
Кроме того, важными задачами выступают такие, как: обеспечение всевозможных
технологических механизмов в разных отраслях промышленности; возрастающее участие
в экологических мероприятиях; решение различных вопросов продовольствия.
Исходя из множества выполняемых биотехнологией функций, её подразделяют на
несколько направлений: медицинское (фармацевтическая, иммунобиологическая),
сельскохозяйственное (ветеринарная, растительная) и промышленное (легкая
промышленность, энергетическая, пищевая и т.п.)
Понимание биотехнологии в формальном, широком и узком смысле.
Одни ученые до сих пор под биотехнологией понимают любое производство,
связанное с использованием организмов, применение инженерных и научных принципов к
переработке материалов живыми организмами. Такое понимание относят к формальному,
или традиционному.
Другие ученые определяют биотехнологию как микробиологический синтез. По их
мнению, биотехнология занимается производством продуктов (кормовых белков,
лекарств, витаминов и др.) образуемых микроорганизмами в результате их
жизнедеятельности. Такое понимание термина «биотехнология» относят к широкому, или
современному.
Использование сильнейших мутагенов, расширение границ изменчивости генотипа
организмов, возможности внедрения в геном с помощью новейших методов генной и
клеточной инженерии привел к более узкому пониманию биотехнологии, определив ее
самостоятельность. Организмы и клетки в биотехнологии многими учеными стали
рассматриваться как инженерные объекты, которые можно конструировать в целях
получения необходимой продукции в промышленном производстве, а клеточная и генная
инженерия – как основные методы работы. Такое понимание называют новейшим.
В настоящее время с развитием технологий получения рекомбинантных ДНК
сущность биотехнологии изменилась окончательно. Появилась возможность не просто
отбирать, а целенаправленно создавать новые, с заданными свойствами
высокопродуктивные штаммы микроорганизмов и эукариотические клетки как
«биологические фабрики», менять их генетическую программу и использовать их в
широких масштабах для получения многих важных веществ.
Роль промышленного производства в биотехнологии включает в себя следующие
принципы: брожение, биоконверсия, культивирование клеток, вирусов и бактерий, а также
различные генетические процессы. Так как подобные вещи требуют особого
оборудования, на данный момент на благо биотехнологической промышленности служат
различные специализированные учреждения, заводы, исследовательские институты.
Несмотря на то, что благодаря биотехнологии ежегодно вырабатывается огромное
количество антибиотиков, ферментов, кормового белка, аминокислот и многого другого,
потребности в биотехнологической продукции постоянно растут. Поэтому биотехнология
заслуженно получает огромное внимание к себе и хорошие ресурсы для дальнейшего
развития.
3. Знакомство с программой курса « Биотехнология – наука будущего», ее целями,
задачами, темами занятий по буклетам, которые раздаются ученикам в начале
занятия (Приложение).
4. Учащимся предложен список проектных и творческих работ на выбор к занятиям и
зачету.
2 занятие.
Объекты биотехнологии.
Цель: рассмотреть особенности строения бактериальных клеток и дрожжей, выявить
сходство и отличие их, как объектов биотехнологии; развивать умения работать с
лабораторным оборудованием при выполнении исследовательских работ.
Форма проведения: практикум.
Ход занятия.
1. Беседа по вопросам:
 Когда появилась биотехнология?
 Что понимают под термином «биотехнология»?
 Каковы цели биотехнологии?
 С какими отраслями знаний связана биотехнология? Можно ли ее назвать
интегрированной наукой?
2. Новая тема.
1.
Учитель: объектами биотехнологии служат различные организмы, как
прокариоты, так и эукариоты: бактерии, растения, животные, грибы, использование
которых дает возможность получать тот или иной продукт.
Давайте вспомним, какой объект использовал родоначальник биотехнологии Карл
Эрике? Для чего?
Для получения биогумуса в сельском хозяйстве используют дождевых червей, в
селекции создаются новые сорта растений, породы животных, штаммы микроорганизмов,
которые используются где?
Основными и наиболее значимыми объектами молекулярной биотехнологии, так
называемыми рабочими лошадками , стали бактерии кишечной палочки и одноклеточные
дрожжи. Выбор этих объектов прежде всего связан с менее сложной организацией их
клеток и геномов, которые к настоящему времени хорошо изучены. В ДНК данных
объектов можно встраивать самые разные гены и получать самые разнообразные белки.
2. Сообщение учеников по строению и жизнедеятельности бактерии кишечной
палочки и дрожжей.
3. Сравнение этих биологических объектов.
Вывод. Неприхотливость в культивировании, простота строения и способность к
размножению на простых средах сделало кишечную палочку и дрожжи излюбленным
объектом биотехнологии.
В биотехнологии также используют и другие бактерии. Одни из них служат
источниками получения специфических генов, другие – генноинженерными системами,
продуцирующими определенно заданные вещества. Используемые в биотехнологии
бактерии обитают при различных температурах. По этому признаку их объединяют в три
группы: термофилы (от 45 до 90 градусов С), мезофилы (от 10 до 47), психрофилы (от 5 до
- 30). Бактерии культивируют на жидких питательных средах содержащих аминокислоты,
углеводы, витамины, гормоны, микроэлементы и другие вещества. Их выращивают в
аэробных или анаэробных условиях. В каждых конкретных случаях подбирают
индивидуальные параметры выращивания бактерий, способствующие не только их
быстрому размножению, но и продуцированию того или иного вида белка.
Дрожжи представляют большой интерес для промышленного производства
кормового белка, белково-витаминных концентратов, ферментов и ряда других продуктов.
Человек издавна использует дрожжи для приготовления хлеба, алкогольных напитков, так
как они способны превращать сахара в этиловый спирт и углекислый газ. Ежегодно в мире
расходуется в год около 1 млн. тонн дрожжей S.cerevisiae.
Для молекулярной биотехнологии дрожжи представляют большой научный интерес кА
наиболее удобная модель изучения эукариотических организмов, в том числе и человека.
Ученые выяснили, что многие гены S.cerevisiae, отвечающие за регуляцию клеточного
дыхания, сходны с таковыми генами человека.
В 1996 году была определена нуклеотидная последовательность в хромосомном наборе
дрожжей. Ценность расшифровки генома дрожжей связано с тем, что они являются
эукариотическими клетками, впервые изученными в генетическом плане. Это был первый
прорыв , определивший подходы к изучению геномов более сложных организмов, в том
числе и человека. В 2000 – 2002 годах успешно реализовалась программа по изучению
генома человека.
Клеточные культуры также являются объектами биотехнологии, их получают из тканей
высших растений и животных.
Отчет группы учеников по опережающему заданию учителя.
Дрожжи – одноклеточные плесневые грибки, которые в благоприятных условиях очень
быстро размножаются. Применяют в хлебопекарной промышленности для получения
пышных, пористых мучных изделий, в молочной промышленности и как источник
кормового и пищевого белка.
Хлебопекарные дрожжи – неподвижные клетки, размером 10 -15 мкм. Они живут и
размножаются в сахарных сиропах, поэтому их называют сахаромицеты. Оптимальная
температура для жизнедеятельности 30 градусов, при 60 они погибают.
Химический состав: воды 74%, белка 12,7%, жира 2,7%, углеводов 2,4%, минеральных
солей 2,1% (Са, К, Р, Мg, Аl, Fe, Zn, Со и др.), витамины В1,В2, РР.
На микробиологических заводах дрожжи выращивают в огромных количествах.
«Сердце» такого завода – ферментер – цилиндрический сосуд из нержавеющей стали,
объем достигает несколько сотен куб. метров.
В ферментер подается питательная стерильная среда, в которую вносится культура
микроорганизма. Содержимое ферментера интенсивно перемешивается: в него подается
кислород, поддерживается температура, оптимальная для роста клеток. Датчики следят за
всеми показателями среды. Происходит ферментация, после чего через специальные
сепараторы отделяют культуру полученных клеток и используют по назначению.
Практическая работа.
1. Качественный анализ дрожжей, подтверждающий содержание белка и углеводов.
(Приложение 1).
2.Демонстрирация выращенных в лабораторных условиях пекарских дрожжей и методика
выращивания (Приложение 2).
3. Изучение дрожжей под микроскопом.
Приложение 1.
Демонстрационная практическая работа: «Качественный анализ дрожжей».
Ученик проводит анализ дрожжей на содержание органических веществ.
1.
Биуретовая реакция на белки.
В суспензию дрожжей прилить 1мл NaОН и по каплям CuSO4 (встряхивать!).
Появляется фиолетовое окрашивание, доказывающее присутствие белков в дрожжах.
Интенсивность окрашивания указывает на количество белка.
2. Денатурация белка.
Нагреть суспензию дрожжей до кипения. Появится осадок, произошла денатурация
белков.
3. Ксантопротеиновая реакция.
В суспензию дрожжей прилить концентрированной НNО3 и подогреть, появится желтое
окрашивание, доказывающее содержание в белках дрожжей ароматических аминокислот
4. На стекло капнуть каплю суспензии дрожжей и сделать мазок покровным стеклом,
подсушить над спиртовкой и окрасить раствором йода. Буро-фиолетовое окрашивание
доказывает наличие углевода (гликогена).
Приложение 2.
Демонстрационная практическая работа:
«Выращивание дрожжей в культуре на питательной среде в стерильных
условиях».
Для получения физиологически полноценных дрожжевых клеток необходима
хорошо растущая культура. Колонии дрожжей удобно выращивать на агаре (получают из
водорослей) или желатине.
Предложен простой рецепт картофельно-глюкозного агара:
10 грамм вымытого и очищенного картофеля трут на терке, добавляют 30 мл воды
и оставляют на ночь в холодильнике. Утром фильтруют через втрое сложенную марлю. К
фильтрату прибавляют 70мл воды и 2 грамма глюкозы или сахара, добавить 25 грамм
желатина.
Через час доводят до кипения и кипятят 5-10 минут, после чего разливают в
стерильные чашки Петри. Стерилизуют чашки Петри так: налить в них немного спирта и
поджечь, после горения сразу закрыть.
Когда агар застынет, произвести посев. Взять небольшой кусочек прессованных
дрожжей (1гр) и развести в ложке теплой воды, затем 10 – 15 капель взвеси перенести в
чашку Петри с питательной средой.
Через неделю проверить содержимое чашки. Она вся покроется растущими
дрожжами!
Полученную колонию можно изучать под микроскопом, окрасив ее раствором
фиолетовых чернил.
3 занятие.
Биотехнология в сельском хозяйстве.
Цель: определить направления использования биотехнологии в сельском хозяйстве.
Применение клонального размножения в растениеводстве. Использование технологии in
vitro в декоративном цветоводстве, сохранении редких и исчезающих видов, в
оздоровлении растений. Клонирование животных. Химерные и трансгенные организмы.
Сельское хозяйство - одна из главных отраслей материального производства.
Основными
направлениями
сельского
хозяйства
являются:
возделывание
сельскохозяйственных культур и разведение сельскохозяйственных животных для
получения продукции растениеводства и животноводства. Сельское хозяйство
обеспечивает также различные виды переработки растительных и животных продуктов. В
этой отрасли народного хозяйства нашей страны имеются большие сложности и
трудности.
Давайте, попробуем определить их (дискуссия). Учащиеся обычно называют
проблемы климатические, материально-технические, недостаток удобрений, средств
защиты от вредителей и т.д.
Значительную часть из них может с успехом решить биотехнология.
Приоритетным
направлением
растениеводства
стало
выращивание
высокопродуктивных растений, которое дает возможность получать не только углеводы и
растительные жиры, но и аминокислоты, белки и другие полезные вещества.
Использование химикатов в сельском хозяйстве приводит к загрязнению и
изменению окружающей среды: водоемов, почв, атмосферы. Все эти процессы
отрицательно сказываются на здоровье человека.
Традиционные методы селекции (гибридизация, отбор, мутагенез) не
удовлетворяют в полном объеме возрастающие потребности
и становятся
малоэффективными. Поиск новых решений обусловливает и тот факт, который имеет
планетарный масштаб. Предполагается, что к 2020 году население земного шара
увеличится до 8 млрд человек, в то время как наблюдается катастрофическое разрушение
почвенного слоя и уменьшение пахотных площадей. Поэтому нужны новые методы
селекции.
Ведущее место занимают методы, позволяющие конструировать живое,
целенаправленно изменять генетические признаки организмов, привнося полезные для
человека свойства, которые в естественных условиях для них не характерны.
Биотехнология становится реальной силой, коренным образом меняющей производство
сельскохозяйственной продукции. Клеточная и генная инженерия широко используются в
селекции растений.
История генетической инженерии в растениеводстве начинается с 1982 года, когда
были получены первые генетически трансформированные , или трансгенные , растения.
Для их создания использовали почвенные бактерии, которые использовались в качестве
вектора. Для конструирования растительного генома используются не только бактерии, но
и вирусы растений. Генетический материал вируса встраивается в хромосому хозяина,
снабдив его не только собственными генами, но и заданной генной конструкцией,
созданной генными инженерами. Культивирование таких клеток дело не простое.
Необходим определенный световой, температурный режим, питательная среда с
определенным набором веществ, центральное место принадлежит фитогормонам, их
правильному подбору и соответствию среде. Все эти мероприятия обеспечивают
образование каллуса и формирование из него целых растений (сопровождение лекции
учителя - диск «Биотехнология»).
Проблемный вопрос: Как вы думаете, может ли геном растения содержать гены
животного? Смоделируйте, пожалуйста, ситуации, когда это было бы выгодно для
использования в сельском хозяйстве? Какие бы гены вы, как генный инженер, перенесли
из генома животных в растение? (работа в парах или малыми группами)
Фантастика становится реальностью. В настоящее время созданы растения,
которые синтезируют животные белки. Например, в генномодифицируемом растении
табака синтезируются защитные белки, подобие тех, которые у человека выделяются в
ротовую полость и желудок, они служат барьером на пути кишечной инфекции.
Биотехнологи работают над изменением свойств сельскохозяйственных растений в
различных направлениях: пищевых, кормовых, технических и др. Это может быть
повышение их продуктивности, устойчивости к насекомым-вредителям, абиотическим
факторам среды, устойчивости к гербицидам, вирусам, приобретение новых качеств –
способности к азотфиксации, вакцин или фармакологических белков и антител.
Короткие сообщения учащихся :
1. Создание растений, устойчивых к насекомым вредителям.
2. Создание растений устойчивых к гербицидам.
3. Попытка создания азотфиксирующих растений.
Сельскохозяйственная биотехнология* (дополнительный материал)
Биологическая азотфиксация - процесс перевода азота, содержащегося в атмосфере в виде
химически инертного N2, в доступную для растений форму нитратов и аммония. Азот
составляет 78% от общего объема атмосферного воздуха и абсолютно недоступен для
растений в таком виде. Именно поэтому люди вынуждены вносить азотные удобрения для
повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Фиксации атмосферного
азота осуществляется бактериями, живущими в симбиозе с представителями семейства
бобовых (клубеньковые бактерии из рода Rhizobium) или свободноживущими
азотфиксаторами, например, Azotobacter. Для ускорения заселения ризосферы обычно
используют бактериальные удобрения, содержащие культуры азотфиксирующих
микроорганизмов. Бактериальные удобрения на основе клубеньковых бактерий вносят
под бобовые культуры, симбионтами которых они являются. Методами генной инженерии
выведены мутанты клубеньковых бактерий с повышенной способностью к азотфиксации.
Ведутся работы по созданию азотфиксирующих растений, способных к симбиозу со
злаковыми. Есть и бактериальные препараты, улучшающие фосфорное питание растений.
Микробные инсектициды. В последнее время все чаще появляются данные о мутагенном и
канцерогенном действии химических пестицидов, которые плохо разрушаются и
накапливаются в окружающей среде.
Для получения микробных инсектицидов используются вирусы, грибы, простейшие,
наиболее удобны - спорообразующие бактерии. Микробные инсектициды высоко
специфичны и действуют только на определенные вредные насекомые, оставляя
невредимыми
полезные. Патогенность микроорганизмов вызвана действием
определенных токсинов, поэтому выработки устойчивости к биопрепаратам у насекомых
не происходит. Микробные пестициды (энтомопатогенные препараты на основе бактерий,
грибов или вирусов) подвержены биодеградации.
Микроорганизмы могут регулировать рост растений и животных, подавлять заболевания.
Некоторые бактерии изменяют кислотность и соленость почвы, другие продуцируют
соединения, связывающие железо, третьи - вырабатывают регуляторы роста. Как правило,
микроорганизмами инокулируют семена и или растения перед посадкой.
В животноводстве биотехнология также находит применение. Это диагностика,
профилактика, лечение заболеваний с использованием техники моноклональных антител,
генетическое улучшение пород животных. Широко используются биотехнологические
методы для искусственного осеменения. Биотехнология применяется для силосования
кормов, позволяя повышать усвоение растительной биомассы, для утилизации отходов
животноводческих ферм и получения экологически чистых органических удобрения на
основе переработки отходов растениеводства и животноводства.
Некоторые вещества, полученные с помощью микроорганизмов могут использоваться в
виде кормовых добавок, другие - подавляют вредную микрофлору в желудочно-кишечном
тракте или стимулируют образование специфических микробных метаболитов (кормовые
антибиотки, которые используются все шире).
Проблемный вопрос. Существуют ли трансгенные животные?
На этот вопрос ответит ученик…. (творческая работа с демонстрацией презентации)
Занятие 3.
Методы биотехнологии.
Цель: познакомить учащихся с методами генной и клеточной инженерии,
технологии in vitro; использование этих технологий в сельском хозяйстве, фармакологии,
пищевой
промышленности, в медицине.
Ход занятия:
1. Рассказ учителя о современных методах
презентации или диска «Биотехнология».
биотехнологии.
Использование
Важной составной частью биотехнологии является генетическая инженерия.
Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной
инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в "фабрики" для
масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать
структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств.
История генной инженерии
Генная инженерия появилась благодаря работам многих исследователей в разных
отраслях биохимии и молекулярной генетики. На протяжении многих лет главным
классом макромолекул считали белки. Существовало даже предположение, что гены
имеют белковую природу. Лишь в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что
носителем наследственной информации является ДНК. С этого времени начинается
интенсивное изучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон
и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать годом
рождения молекулярной биологии.
На рубеже 50 - 60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60х годов его универсальность была подтверждена экспериментально. Шло интенсивное
развитие молекулярной генетики, объектами которой стали E. coli, ее вирусы и плазмиды.
Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных
молекул ДНК, плазмид и вирусов. ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в
биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию
соответствующих генов. В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих
реакции превращения ДНК. Особая роль в развитии методов генной инженерии
принадлежит рестриктазам и ДНК-лигазам.
Историю развития генетической инженерии можно условно разделить на три этапа.
Первый этап связан с доказательством принципиальной возможности получения
рекомбинантных молекул ДНК in vitro. Эти работы касаются получения гибридов между
различными плазмидами. Была доказана возможность создания рекомбинантных молекул
с использованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммов бактерий, их
жизнеспособность, стабильность и функционирование.
Второй этап связан с началом работ по получению рекомбинантных молекул ДНК
между хромосомными генами прокариот и различными плазмидами, доказательством их
стабильности и жизнеспособности.
Третий этап - начало работ по включению в векторные молекулы ДНК (ДНК,
используемые для переноса генов и способные встраиваться в генетический аппарат
клетки-рецепиента) генов эукариот, главным образом, животных.
Формально датой рождения генетической инженерии следует считать 1972 год,
когда в Стенфордском университете П. Берг, С. Коэн, Х. Бойер с сотрудниками создали
первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага
и E. coli.
Генетическая инженерия - потомок молекулярной генетики, но своим рождением
обязана успехам генетической энзимологии и химии нуклеиновых кислот, так как
инструментами молекулярного манипулирования являются ферменты. Если с клетками и
клеточными органеллами мы подчас можем работать микроманипуляторами, то никакие,
даже самые мелкие микрохирургические инструменты не помогут при работе с
макромолекулами ДНК и РНК. Что же делать? В роли "скальпеля", "ножниц" и "ниток для
сшивания" выступают ферменты.
Только они могут найти определенные последовательности нуклеотидов, "разрезать"
там молекулу или, наоборот, "заштопать" дырку в цепи ДНК. Эти ферменты издавна
работают в клетке, выполняя работы по репликации (удвоению) ДНК при делении клетки,
репарации повреждений (восстановлению целостности молекулы), в процессах
считывания и переноса генетической информации из клетки в клетку или в пределах
клетки. Задача генного инженера - подобрать фермент, который выполнил бы
поставленные задачи, то есть смог бы работать с определенным участком нуклеиновой
кислоты.
Следует отметить, что ферменты, применяемые в генной инженерии, лишены
видовой специфичности, поэтому экспериментатор может сочетать в единое целое
фрагменты ДНК любого происхождения в избранной им последовательности. Это
позволяет генной инженерии преодолевать установленные природой видовые барьеры и
осуществлять межвидовое скрещивание.
Ферменты, применяемые при конструировании рекомбинантных ДНК, можно
разделить на несколько групп:
- ферменты, с помощью которых получают фрагменты ДНК (рестриктазы);
- ферменты, синтезирующие ДНК на матрице ДНК (полимеразы) или РНК (обратные
транскриптазы);
- ферменты, соединяющие фрагменты ДНК (лигазы);
- ферменты, позволяющие осуществить изменение структуры концов фрагментов
ДНК.
В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных
гормонов как инсулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной
железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100 г
кристаллического инсулина требуется 800-1000 кг поджелудочной железы, а одна железа
коровы весит 200 - 250 грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для
широкого круга диабетиков. В 1978 году исследователи из компании "Генентек" впервые
получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Инсулин
состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При
соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин.
Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не
дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него
не отличается. Впоследствии в клетках E. coli был осуществлен синтез проинсулина, для
чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию.
После очистки полученного проинсулина его расщепили и получили нативный инсулин,
при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму. Из 1000
литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гормона, что
эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы
свиньи или коровы.
Соматотропин - гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток
этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в
дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка,
может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6
мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом,
доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим
способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы. Компания
"Genentec" в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью
бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста
человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во
Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР. При
производстве интерферона используют как E. coli, S. cerevisae (дрожжи), так и культуру
фибробластов или трансформированных лейкоцитов. Аналогичными методами получают
также безопасные и дешевые вакцины.
На технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных
ДНК-зондов, с помощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов
в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у
человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных
заболеваний.
Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход
"белок-ген", получивший название "обратная генетика". При таком подходе из клетки
выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген,
кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он
экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный
белок. Таким образом можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные
заболевания.
Если гибридную ДНК ввести в оплодотворенное яйцеклетку, могут быть получены
трансгенные организмы, экспрессирующие мутантный ген и передающие его потомками.
Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их
белковых продуктов как в регуляции активности других генов, так и при различных
патологических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии
животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными
для человека признаками. Например, микроинъекция рекомбинантной ДНК, содержавшей
ген соматотропина быка в зиготу кролика позволила получить трансгенное животное с
гиперпродукцией этого гормона. Полученные животные обладали ярко выраженной
акромегалией.
Сейчас даже трудно предсказать все возможности, которые будут реализованы в
ближайшие несколько десятков лет.
Генетическая инженерия - конструирование in vitro функционально активных
генетических структур (рекомбинантных ДНК), или иначе - создание искусственных
генетических программ (Баев А. А.). По Э. С. Пирузян генетическая инженерия - система
экспериментальных приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем (в
пробирке) искусственные генетические структуры в виде так называемых
рекомбинантных или гибридных молекул ДНК.
Генетическая инженерия - получение новых комбинаций генетического материала
путем проводимых вне клетки манипуляций с молекулами нуклеиновых кислот и
переноса созданных конструкций генов в живой организм, в результате которого
достигается их включение и активность в этом организме и у его потомства. Речь идет о
направленном, по заранее заданной программе конструировании молекулярных
генетических систем вне организма с последующим введением их в живой организм. При
этом рекомбинантные ДНК становятся составной частью генетического аппарата
рецепиентного организма и сообщают ему новые уникальные генетические,
биохимические, а затем и физиологические свойства.
Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких
рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат
придавали бы организму свойства, полезные для человека. Например, получение
«биологических реакторов» - микроорганизмов, растений и животных, продуцирующих
фармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений и пород
животных с определёнными ценными для человека признаками. Методы генной
инженерии позволяют провести генетическую паспортизацию, диагностировать
генетические заболевания, создавать ДНК-вакцины, проводить генотерапию различных
заболеваний.
Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:






специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее
выделение и манипуляции с отдельными генами;
быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что
позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность,
кодируемую им;
конструирование рекомбинантной ДНК;
гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические
последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью,
основанную на их способности связывать комплементарные последовательности
нуклеиновых кислот;
клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной
реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после
такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;
введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.
4 занятие.
Пищевая биотехнология.
Цель: изучить использование знаний по биотехнологии в пищевой промышленности,
выявить область практического применения полученных знаний; развитие творческих
способностей, умения работать в группе, вести дискуссию, отстаивать свою точку зрения,
составлять отчет о работе.
Ход занятия:
Учитель: Слово биотехнолгия в последнее время стало очень распространенным. Тем
не менее, мало кто из неспециалистов представляет, что обозначает это звучное
название.
Вопрос: 1. Что же такое биотехнология?
(ответы учащихся).
2. С какой другой современной биоинженерной наукой можно сравнить
биотехнологию?
(ответы учащихся).
Биотехнология – это химическая бионика. Бионика - это использование
секретов живой природы с целью создания более совершенных технических устройств.
Но далеко не все «патенты» живой природы можно перенести в металл и пластмассу,
получив при этом экономический эффект.
Учитель:
Современный инженер-химик, синтезируя то или иное вещество,
затрачивает много энергии, оборудования, средств. Иное дело протекание химических
реакций в живых организмах: с небывалой скоростью, строго направлено, без побочных
продуктов, при комнатной температуре, атм. Р, нейтральной среде. Современный химик
в принципе может синтезировать даже белок, но, увы, стоимость такого белка окажется
в тысячи раз дороже природного.
Вопрос: 3.Нельзя ли использовать биохимические процессы в промышленном
производстве?
( можно, этим и занимается биотехнология.)
4. Что лежит в основе протекания биотехнологических процессов?
( в основе лежат процессы брожения, вызываемые разными
микроорганизмами, использование биокатализаторов – ферментов, а также применение
биоинженерных методов – клеточной и генной инженерии).
2. Изучение нового материала.
Учитель: Сегодня мы познакомимся с новым разделом биотехнологии – пищевой
биотехнологией. Вы узнаете, какие отрасли пищевой промышленности используют
знания по биологии, какова роль микроорганизмов в производстве многих пищевых
продуктов. Получите знания, которые возможно помогут вам в выборе профиля или
даже профессии.
Технологии приготовления пищевых продуктов с использованием биологических
объектов были известны с глубокой древности.
Как развивалась пищевая биотехнология?
(Рассказ учителя с демонстрацией слайда 2 в презентации).
Учитель: Сегодня в работе принимают участие 5 творческих групп учащихся, которые
собрали
информацию по различным отраслям пищевой биотехнологии, провели
практические исследования, подготовили продукцию для выполнения лабораторной
работы.
Отчет 1 группы о проделанной работе.
Хлебопечение – наиболее важная отрасль пищевой биотехнологии. Хлеб – это
великодушный подарок природы, старейшая пища людей. Память человеческая не
сберегла того дня, когда первое зерно упало в пашню; когда из растертых зерен впервые
сварили кашу; когда испекли первый хлеб…. Но, тем не менее, у хлебопечения есть своя
история.
(устное сообщение ученика с использованием слайда 3 презентации).
Ученик:
Хлеб, как считают ученые , появился на земле свыше 15 тыс.лет назад. Но в
разные эпохи выращивали разные виды хлебных злаков.
У Пушкина в « Сказке о попе и его работнике Балде» Балда, нанимаясь, на работу
говорит:
Буду служить тебе славно,
Усердно и очень исправно
В год за 3 щелчка по лбу,
Есть, же мне давай вареную полбу…
Что такое полба? Это злак, разновидность культурной пшеницы. Из нее варили вкусную и
питательную кашу, для чего хлебные зерна толкли в ступке, превращая в крупу. Зерновую
кашу постепенно толкли мельче, пока не перешли к изготовлению муки, из которой стали
делать тесто и выпекать первый хлеб. Первый хлеб был в виде лепешек, плотный, т.к. не
подвергалось тесто брожению.
Впервые хлеб из теста стали выпекать египтяне, а 5-6 тыс. лет назад – греки и римляне.
Именно древние греки использовали впервые для брожения виноградный сок, а затем уже
оставляли забродившее тесто для дальнейшего использования. До наших дней в Риме
сохранился 13-метровый памятник – монумент пекарю.
В России с древних времен выпечка хлеба считалась почетным и ответственным
делом. Во многих поселениях были хлебные избы для приготовления хлеба. Труд
булочника царской России был очень тяжел. И только в начале 20 века стала создаваться
отечественная хлебопекарная промышленность.
Хлеб занимает особое место в рационе питания населения. В отличие от многих
других продуктов хлеб потребляется ежедневно и повсеместно. В России потребление
хлеба на человека около 102 кг в год. Хлебопекарная продукция вырабатывается на
современных хлебозаводах, их в России свыше 1,5 тыс., не считая мелких пекарней. В
сутки изготавливают более 50 тонн изделий, до 1000 наименований.
(данные по городу N…).
Хлеб – изделие из теста, разрыхление которого достигается биологическим
путем, т.е. за счет брожения. Брожение может инициироваться либо дрожжами, либо
молочнокислыми бактериями . В тесте из пшеничной муки основным типом брожения
является спиртовое, а в тесте из ржаной муки или из ее смеси с пшеничной –
молочнокислое.
ПРОИЗВОДСТВО ХЛЕБА.
Основным сырьем для получения хлеба является мука, вода, соль, дрожжи, а в
тесто улучшенных изделий добавляют патоку, молоко, жиры, белковые обогатители,
молочную сыворотку, пахту, бобы сои, солод, изюм, мак, пряности.
(на слайде демонстрирует эти добавки).
Производство состоит из нескольких этапов:
1. подготовка, дозирование,
2. замес теста,
3. брожение,
4. расстойка,
5. выпечка,
6. охлаждение,
7. бракераж,
8. укладка на лотки и отпуск в торговую сеть.
Приготовление теста основано на биотехнологии, способности дрожжей
сбраживать сахара муки в спирт с образованием углекислого газа. Тесто разрыхляется
углекислым газом, и появляются воздушные пузырьки. В процессе брожения и выпечки
происходят сложные химические изменения, которые меняют вкус теста и увеличивают
его объем. Выпекаю хлеб в печах при температуре 180 – 300 градусов.
Хлеб – источник белка и углеводов, также минеральных солей (Са, Mg , Fe, Си, Р),
витаминов В1, В2, РР.
Проведение практической работы по органолептической
хлебобулочных изделий, ( Методика выполнения в приложении).
оценке
качества
Учитель:
Молочная
производством.
промышленность
также
является
биотехнологическим
Среди пищевых продуктов, потребляемых человеком, молочные продукты занимают
важное место в рационе питания. Молоко используется непосредственно как продукт
питания и как сырье для переработки. Основной вид молочного сырья – коровье молоко,
но в некоторых регионах используют молоко других животных (кобылье, козье,
верблюжье).
Сегодня мы познакомимся с кисломолочными продуктами, в производстве которых
используются живые микроорганизмы.
Послушаем 2 творческую группу.
Отчет 2 группы по изучению молочных продуктов.
Кисломолочными называют продукты, которые вырабатываются из молока или
сливок путем сквашивания их заквасками, приготовленными на чистых культурах
молочно-кислых бактерий с добавлением или без добавления молочных дрожжей.
В производстве молочно-кислых продуктов применяют различные виды
микроорганизмов: молочно-кислые стрептококки, болгарскую палочку, ацидофильную
палочку, молочные дрожжи и др.
Каждый продукт изготавливают с помощью
определенных культур микроорганизмов, причем некоторые молочно-кислые бактерии
выделяют ферменты, способствующие лучшему усвоению продуктов. В большей степени
это происходит в кефире и кумысе.
В результате жизнедеятельности ряда микроорганизмов в кисломолочных продуктах
происходит синтез витаминов В1, В2, В12 и С, что повышает их диетические свойства.
Часть молочно-кислых бактерий выделяют антибиотики, которые подавляют
возбудителей тифа, туберкулеза и других болезней. Издавна
считалось, что
кисломолочные продукты оздоровляют организм. Впервые научно обосновал диетические
и лечебные свойства этих продуктов русский физиолог и микробиолог И. И. Мечников.
Все кисломолочные продукты делятся на несколько видов в зависимости от типа
брожения, от использования определенных микроорганизмов, от технологии пр
(демонстрируют кисломолочную продукцию из торговой сети).
оизводства.
Учитель: Прошу группы пройти за компьютеры. У вас на столах лежат подносы с
кисломолочной продукцией и инструктивные карты с заданиями. Используя презентацию
по биотехнологии, стандарты, проведите органолептический анализ вашей продукции и
заполните таблицу.
Проведение практической работы по органолептической
продуктов. (Методика проведения в приложении).
оценке кисломолочных
Учитель: Производство сыра относится также к молочной промышленности и является
продуктом биотехнологического процесса.
С этим продуктом нас познакомят ребята из 3 группы.
Отчет 3 группы по изучению технологии приготовления сыра.
Сыр – важнейший источник Са, Р, содержит витамины В1, В2, В12, Н, Е, А, Д.
Промышленное производство сыра в России началось в 1866г., по инициативе видного
общественного деятеля Николая Васильевича Верещагина была открыта первая артельная
сыроварня в Тверской губернии.
Сыры вырабатывают сычужными, малосвертывающими ферментами. Для этого в
пастеризованное охлажденное молоко вводят закваску и сычужный фермент. Оставляют
до образования сгустка. В полученном сгустке оставляют такое количество сыворотки,
которое обеспечит дальнейшие биохимические процессы и получение сыра
определенного типа и качества. Затем его мелко режут, подогревают, прессуют.
Получается безвкусная тягучая масса, далее ее солят и направляют на созревание.
Созревают сыры в специальных помещениях, где создают оптимальный режим.
Продолжительность созревания различная и от срока созревания зависит вкус и качество
сыра.
По технологии производства сыры делят на: твердые, мягкие, рассольные, в
отдельную группу - плавленые.
(Демонстрация сортов сыров на слайде в презентации).
Учитель предлагает продегустировать различные сорта сыров, и определить, чем
они отличаются друг от друга.
Учитель : Рассмотрим еще одно биотехнологическое производство – квашение.
Отчет 4 группы по технологии квашения овощей.
Квашением называют процесс обработки овощей и плодов, при котором в результате
жизнедеятельности молочно-кислых бактерий, имеющийся в сырье сахар сбраживается в
молочную кислоту. Термин «квашение» обычно используют применительно к капусте.
При квашении необходимо создать такие условия, чтобы молочно-кислые бактерии
получили свободный доступ к сахаристому соку, находящемуся в клетках растений. Для
этого добавляют соль, чтобы вызвать плазмолиз клеток. При этом овощи покрываются
соком, в котором молочно-кислые бактерии начинают быстро размножаться и сбраживать
сахар. Соль оказывает также консервирующее действие. Молочная кислота препятствует
размножению гнилостных бактерий, и продукт долго сохраняется.
( Демонстрация слайдов в презентации с комментированием).
Учитель: Человек с пищей должен получать необходимое количество белка, углеводов,
жиров, витаминов. Из них наиболее дефицитны белки – 2/3 населения земного шара
страдает от недостатка белка в пище. Поэтому перед современной наукой стоит вопрос о
создании дешевого, сбалансированного по аминокислотному составу белка. Эту проблему
решают биотехнологи, изыскивая источники такого белка.
Растительные белки не содержат 7 незаменимых аминокислот, необходимых
человеку для построения клеток.
Животные белки дороги и трудно перевариваются, они отличаются по составу от
белков человека.
Принципиально новое направление в биотехнологии – использование в качестве
источника белка микроорганизмы (фото - и хемотрофные бактерии и дрожжи).
Дрожжевой белок дешевле, т.к. получается из отходов пищевых производств, он богат
лизином и треонином – незаменимыми аминокислотами.
Микробный белок применяется в виде добавок в консервы, хлеб и кондитерские изделия,
колбасы и сосиски, плавленый сыр, входят в состав пищевых концентратов.
(Демонстрация слайдов в презентации).
Учитель: Какие, на ваш взгляд еще отрасли пищевой промышленности являются
биотехнологическими, что еще можно получить, используя микроорганизмы?
( ответы учащихся).
Учитель дополняет ответы учащихся, отмечая такие производства, как
пивоварение, виноделие, производство соков, витаминов, аминокислот и других веществ.
3. Проверка успешности на занятии.
Учитель: Предлагаю по своим творческим группам пройти к компьютерам и проверить
свои знания по тестам. Подсчитайте баллы, полученные по заданиям теста. Запишите
результат в отчет с практической работой и сдайте учителю.
Задание для проекта на итоговую конференцию (по желанию):
«Генетически модифицированные продукты: польза или вред?»
4. Релаксация. Подведение итогов.
Учитель: 1. Что нового вы открыли для себя сегодня на занятии?
2. С какими профессиями вы познакомились?
3. Почему мы относим данные отрасли пищевой промышленности к
биотехнологии?
4. Какова роль биологических знаний в пищевой индустрии?
Приложение к занятию « Пищевая биотехнология».
Таблица стандартов кисломолочных продуктов.
Продукт
Ряженка
Варенец
Йогурт
Характеристика. Требования к качеству.
Вырабатывается из нормализованного молока, последующей пастеризации,
сквашиванием чистыми культурами молочнокислого стрептококка.
Привкус пастеризации. Вкус и запах молочно-кислый без посторонних
привкусов. Цвет-молочно-белый с буроватым оттенком. Сгусток в меру
плотный, ненарушенный, без газообразования.
Вырабатывается из топленого молока сквашиванием чистыми культурами
молочно-кислых стрептококков, но с добавлением молочнокислой палочки.
Жирность 1-4%, белка-1-2,8%, углеводов-4,1%, воды -88,4%.Привкус
пастеризации. Вкус и запах молочно-кислый без посторонних привкусов.
Цвет-молочно-белый с буроватым оттенком. Сгусток в меру плотный,
ненарушенный, без газообразования.
Отличается повышенным содержанием молока. Вырабатывается из молока
с добавлением сухого молока, сахара, плодово-ягодных сиропов или
кусочков
плодов,
ягод.
Сквашиванием
чистыми
культурами
молочнокислых стрептококков и болгарской палочки. Может быть сладкий,
несладкий, плодово-ягодный. Жирность-1,5-6%, белка -5%. Однородная
консистенция, вкус и запах чистые, кисло-молочные; цвет молочно-белый,
для плодово-ягодного, соответствует цвету сиропа или ягод.
Кефир
Кумыс
Сметана
Творог:
Жирный Полужирный –
Нежирный –
Вырабатывается из пастеризованного молока с применением закваски из
кефирных грибков, вызывающих молочно-кислое брожение. Содержит 2,83% белка, 3,8-4,1% углеводов. Имеет чистый кисло-молочный,
освежающий, слегка острый, специфический вкус, без привкусов.
Консистенция однородная, напоминающая жидкую сметану. Допускается
газообразование в виде отдельных глазков. Цвет молочно-белый.
Вырабатывается из кобыльего молока, сквашенного чистыми культурами
болгарской, ацидофильной палочками, дрожжами. Содержит витамины В и
С, антибиотики. Используется в медицине.
Цвет и вкус чистые, кисло-молочные, освежающие, острые. Цвет молочнобелый, консистенция однородная, после перемешивания слегка пенится.
Вырабатывается из сливок путем сквашивания чистыми культурами
молочно-кислых
стрептококков,
ароматобразующих
бактерий,
с
последующим суточным созреванием. Жирность 10-30%, белка2,4-2,8%,
углеводов 2,6-3,2%, воды 54-82%, витамины А, Е, В1,В2,С,РР.
Белого цвета, с выраженным ароматным кисло-молочным вкусом,
консистенция однородная, в меру густая, без крупинок жира и белка.
Вырабатывается из цельного или нежирного молока путем сквашивания
молочнокислыми бактериями, с добавлением хлористого кальция и с
удалением сыворотки.
Жирность – 18%
Жирность -9%
Жирность -4-9 %
Белок и жир творога хорошо усваиваются, творог богат солями Са ,Р,
Fe,Mg, содержит все витамины молока .Вкус и консистенция нежирные.
Допускается неоднородность, цвет белый, слегка желтоватый, без
посторонних привкусов и запахов. Нежирный творог – рассыпчатый.
Творожные изделия:
а) сырки творожные
Глазурь твердая, однородная, не крошливая, с характерным цветом и
сладкие;
б) сырки глазированные запахом (зависит от наполнителя).
с наполнителями;
в) масса творожная Сроки годности творожных изделий см. на упаковке!
сладкая;
г) творог диетический;
д) кремы творожные;
е) паста творожная;
ж) торты творожные.
Зачетная карта по теме « Пищевая биотехнология».
Творческая
группа
№
Учащиеся:_______________________________________________________
.
(Ф. И.)
Задание № 1.
Проведите органолептическую оценку хлебобулочных изделий.
Определите цвет, запах продукта, продегустируйте каждое изделие. Наблюдения внесите
в таблицу:
Название изделия
Сырье, закваска
Вкус, цвет, запах
Простой
улучшенный
продукт
или
Задание № 2.
Изучите ассортимент кисломолочных продуктов у вас на столе.
Проведите органолептическую оценку продуктов по образцам и стандартам, используя
таблицу в приложении и компьютерную программу «Биотехнология», раздел «Пищевая
биотехнология», слайд № 8.
Внимательно изучите упаковку данных образцов, сравните состав продукта на упаковке
со стандартом в приложении. Откройте упаковку.
Продегустируйте продукты (используйте индивидуальную посуду!). Определите цвет,
вкус, запах, консистенцию, содержание добавок в образцах.
Полученные данные сведите в таблицу:
Наименование
изделия
Закваска
Цвет, вкус,
запах
Консистенция
Добавки
Дайте заключение о качестве кисломолочной продукции:
Задание №3.
Выполните тесты на компьютере, слайды 14 -16 (задания 1, 2, 4, 5, 6, 7).
Запишите результаты:
Количество верных ответов __________.
Количество ошибок ________________. (ошибки в тестах _______________).
Качество знаний __________________.
Биотехнологии в пищевой промышленности* (дополнительный материал)
Статистические данные ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства
свидетельствуют о том, что проблема обеспечения населения нашей планеты продуктами
питания внушает серьезные опасения. По этим данным, более половины населения Земли
не обеспечено достаточным количеством продуктов питания, примерно 500 млн. людей
голодают, а около 2 млрд. питаются недостаточно или неправильно. К концу XX в.
население нашей планеты с учетом контроля рождаемости составило 7,5 млрд. человек.
Следовательно, тяжелое уже сейчас положение с продуктами питания может принять в
недалеком будущем для некоторых народов угрожающие масштабы.
Пища должна быть разнообразной и содержать белки, жиры, углеводы и витамины.
Источники энергии — жиры и углеводы в определенных пределах взаимозаменяемы,
причем их можно заменить и белками, но белки нельзя заменить ничем. Проблема
питания людей в конечном счете заключается в дефиците белка. Там, где сегодня люди
голодают, не хватает прежде всего белка. Установлено, что ежегодный дефицит белка в
мире, по самым скромным подсчетам, оценивается в 15 млн. т. Наибольшую популярность
как источники белка приобрели семена масличных культур — сои, семян подсолнечника,
арахиса и других, которые содержат до 30 процентов высококачественного белка. По
содержанию некоторых незаменимых аминокислот он приближается к белку рыбы и
куриных яиц и перекрывает белок пшеницы. Белок из сои широко уже используется в
США, Англии и других странах как ценный пищевой материал.
Эффективным источником белка могут служить водоросли. Увеличить количество
пищевого белка можно и за счет микробиологического синтеза, который в последние годы
привлекает к себе особое внимание. Микроорганизмы чрезвычайно богаты белком — он
составляет 70—80 процентов их веса. Скорость его синтеза огромна. Микроорганизмы
примерно в 10—100 тысяч раз быстрее синтезируют белок, чем животные. Здесь уместно
привести классический пример: 400-килограммовая корова производит в день 400
граммов белка, а 400 килограммов бактерий — 40 тысяч тонн. Естественно, на получение
1 кг белка микробиологическим синтезом при соответствующей промышленной
технологии потребуется средств меньше, чем на получение 1 кг белка животного. Да к
тому же технологический процесс куда менее трудоемок, чем сельскохозяйственное
производство, не говоря уже об исключении сезонных влияний погоды — заморозков,
дождей, суховеев, засух, освещенности, солнечной радиации и т. д.
Применяя обычные технологические линии по производству синтетических волокон,
можно получать из искусственных белков длинные нити, которые после пропитки их
формообразующимн веществами, придания им соответствующего вкуса, цвета и запаха
могут имитировать любой белковый продукт. Таким способом уже получены
искусственное мясо (говядина, свинина, различные виды птиц), молоко, сыры и другие
продукты. Они уже прошли широкую биологическую апробацию на животных и людях и
вышли из лабораторий на прилавки магазинов США, Англии, Индии, стран Азии и
Африки. Только в одной Англии их производство достигает примерно 1500 тонн в год.
Интересно, что белковую часть школьных обедов в США уже разрешено на 30 процентов
заменять искусственным мясом, созданным на основе соевого белка.
Используемое в питании больных Ричмондского госпиталя (США) искусственное мясо
получило высокую оценку главного диетолога. Правда, когда больным давали антрекот из
искусственного мяса, они жаловались на его тестоватость, хотя и не знали и даже не
догадывались о том, что получали не естественный продукт. А когда мясо подавалось в
виде мелко нарезанных кусочков, нареканий не было. Обслуживающий персонал также
употреблял искусственное мясо, не догадываясь о подделке. Они воспринимали его как
натуральную говядину. Врачи госпиталя отмечали также положительное влияние рациона
на здоровье пациентов и особенно больных атеросклерозом. В состав такого мяса
обязательно включают специально обработанный искусственный белок, небольшое
количество яичного альбумина, жиры, витамины, минеральные соли, природные
красители, ароматизаторы и прочее, что дает возможность «лепить» изделие с заданными
свойствами, учитывая при этом физиологические особенности организма, для которого
продукт предназначен. Это особенно важно в диете детей и людей пожилого возраста,
больных и выздоравливающих, когда необходимо лимитировать питание по целому ряду
пищевых компонентов, что весьма трудно сделать, используя традиционные продукты.
Такое мясо можно резать, замораживать, консервировать, сушить или прямо использовать
для приготовления различных блюд.
Из 20 аминокислот, входящих в состав белков, 8 аминокислот люди не могут
синтезировать, и их относят к незаменимым. Это изолейцин, лейцин, лизин, метионин,
треонин, триптофан, валин, фенилаланин. Аминокислоты — это не только питательные
вещества, но также ароматические и вкусовые агенты, и потому они широко используются
в пищевой промышленности.
Как питательную добавку в пищу чаще всего вносят лизин и метионин. Глутамат натрия и
глицин употребляют как ароматические вещества для усиления и улучшения вкуса пищи.
У глицина освежающий, сладкий вкус. Его вводят в сладкие напитки, и кроме того, он
проявляет там бактериостатическое действие. Цистеин предотвращает подгорание пищи,
улучшает пекарские процессы и качество хлеба. Благодаря некоторым бактериям удается
получать около 100 г/л глутаминовой аминокислоты. Ежегодно в мире производят
микробиологическим способом 270 000 т этой аминокислоты, основная часть которой
идет в пищевую промышленность. По объему продукции второе место после
глутаминовой кислоты занимает лизин — 180 000 т в год. Другие аминокислоты
производят в гораздо меньших количествах.
Аминокислоты в большом количестве применяют как добавку к растительным кормам,
которые дефицитны по метионину, треонину, триптофану и особенно по лизину. Если в
животных белках содержится 7—9 % лизина, то в белках пшеницы — только около 3 %.
Внесение в корма лизина до содержания 0,3 % позволяет сократить их расход больше чем
на 20 %. За последние 8 лет количество аминокислот, добавляемых в корма, выросло в 14
раз. Во многих странах метионин добавляют к соевой муке — белковой добавке кормов.
Главная область практического применения аминокислот — обогащение кормов. Около
66 % общего количества аминокислот, получаемых в промышленности, используют в
кормах, 31 % — в пище и 4 % — в медицине, косметике и как химические реактивы. На
основе аминокислот готовят искусственный подсластитель — метиловый эфир Lаспартил-L-фенилаланина, который в 150 раз слаще, чем глюкоза.
Биотехнология молочных продуктов*
Спектр продуктов питания, получаемых при помощи микроорганизмов, обширен. Это
продукты, получаемые в результате брожения - хлеб, сыр, вино, пиво, творог и так далее.
До недавнего времени биотехнология использовалась в пищевой промышленности с
целью усовершенствования освоенных процессов и более умелого использования
микроорганизмов, но будущее здесь принадлежит генетическим исследованиям по
созданию более продуктивных штаммов для конкретных нужд, внедрению новых методов
в технологии брожения.
Получение молочных продуктов в пищевой промышленности построено на процессах
ферментации. Основой биотехнологии молочных продуктов является молоко. Молоко
(секрет молочных желез) - уникальная естественная питательная среда. Она содержит 8288% воды и 12-18% сухого остатка. В состав сухого молочного остатка входят белки (3,03,2%), жиры (3,3-6,0%), углеводы (молочный сахар лактоза - 4,7%), соли (0,9-1%),
минорные компоненты (0,01%): ферменты, иммуноглобулины, лизоцим и т.д. Молочные
жиры очень разнообразны по своему составу. Основные белки молока - альбумин, казеин.
Благодаря такому составу молоко представляет собой прекрасный субстрат для развития
микроорганизмов. В сквашивании молока обычно принимают участие стрептококки и
молочнокислые бактерии. Путем использования реакций, которые сопутствуют главному
процессу сбраживания лактозы получают и другие продукты переработки молока:
сметану, йогурт, сыр и т.д. Свойства конечного продукта зависят от характера и
интенсивности реакций ферментации. Те реакции, которые сопутствуют образованию
молочной кислоты, определяют обычно особые свойства продуктов. Например, вторичные
реакции ферментации, идущие при созревании сыров, определяют вкус отдельных их
сортов. В таких реакциях принимают участие пептиды, аминокислоты и жирные кислоты,
находящиеся в молоке.
Все технологические процессы производства продуктов из молока делятся на две части: 1)
первичная переработка - уничтожение побочной микрофлоры; 2) вторичная переработка.
Первичная переработка молока включает в себя несколько этапов. Сначала молоко
очищается от механических примесей и охлаждается, чтобы замедлить развитие
естественной микрофлоры. Затем молоко сепарируется (при производстве сливок) или
гомогенизируется. После этого проводят пастеризацию молока, при этом температура
поднимается до 80оС, и оно закачивается в танки или ферментеры. Вторичная переработка
молока может идти двумя путями: с использованием микроорганизмов и с
использованием ферментов. С использованием микроорганизмов выпускают кефир,
сметану, творог, простокваши, казеин, сыры, биофруктолакт, биолакт, с использованием
ферментов - пищевой гидролизат казеина, сухую молочную смесь для коктейлей и т.д.
При внесении микроорганизмов в молоко лактоза гидролизуется до глюкозы и галактозы,
глюкоза превращается в молочную кислоту, кислотность молока повышается, и при рН 46 казеин коагулирует.
Молочнокислое брожение бывает гомоферментативным и гетероферментативным. При
гомоферментативном брожении основным продуктом является молочная кислота. При
гетероферментативном брожении образуются диацетил (придающий вкус сливочному
маслу), спирты, эфиры, летучие жирные кислоты. Одновременно идут протеолитические и
липолитические процессы, что делает белки молока более доступными и обогащает
дополнительными вкусовыми веществами.
Для процессов ферментации молока используются чистые культуры микроорганизмов,
называемые заквасками. Исключение составляют закваски для кефиров, которые
представляют естественный симбиоз нескольких видов молочнокислых грибков и
молочнокислых бактерий. Этот симбиоз в лабораторных условиях воспроизвести не
удалось, поэтому поддерживается культура, выделенная из природных источников. При
подборе культур для заквасок придерживаются следующих требований:
- состав заквасок зависит от конечного продукта (например, для получения ацидофилина
используется ацидофильная палочка, для производства простокваши - молочнокислые
стрептококки);
- штаммы должны отвечать определенным вкусовым требованиям;
- продукты должны иметь соответствующую консистенцию, от ломкой крупитчатой до
вязкой, сметанообразной;
- определенная активность кислотообразования;
- фагорезистентность штаммов (устойчивость к бактериофагам);
- способность к синерезису (свойству сгустка отдавать влагу);
- образование ароматических веществ;
- сочетаемость штаммов (без антагонизма между культурами);
- наличие антибиотических свойств, т.е. бактериостатическое действие по отношению к
патогенным микроорганизмам;
- устойчивость к высушиванию.
Культуры для заквасок выделяются из природных источников, после чего проводится
направленный мутагенез и отбор штаммов, отвечающих перечисленным выше
требованиям. Биотехнологии на основе молока включают, как правило, все основные
стадии биотехнологического производства, которые можно рассмотреть на примере
сыроварения.
Производство сыра, или сыроделие (сыроварение) - один из древнейших процессов,
основанных на ферментации. Сыры бывают самые разнообразные - от мягких до твердых.
Мягкие сыры содержат много воды, 50-60%, а твердые - мало, 13-34%. На первом этапе
идет подготовка молока (первичная обработка). На втором - готовится культура
молочнокислых бактерий. Микроорганизмы подбираются в определенной пропорции,
обеспечивающей наилучшее качество. Набор бактерий также зависит от температуры
термообработки. Третья стадия - стадия ферментации, - в сыроварении в некоторых
случаях происходит в 2 этапа, до и после стадии выделения. Сначала молоко инокулируют
определенными штаммами микроорганизмов, приводящими к образованию молочной
кислоты, а также добавляют сычужный фермент реннин. Реннин ускоряет превращение
жидкого молока в сгусток (створаживание) в несколько раз. Эта реакция активируется
молочной кислотой, вырабатываемой бактериями. Функции реннина могут выполнять и
другие протеиназы, но реннин также участвует в процессах протеолиза, происходящих в
сыре при созревании. После образования сгустка сыворотку отделяют, а полученную
творожистую массу подвергают термообработке и прессуют в формах. Далее сгусток
солят и ставят на созревание. Иногда полученная масса происходит дополнительную
обработку, которая заключается в следующем: заражение спорами голубых плесневых
грибов при производстве рокфора; нанесение на поверхность спор белых плесневых
грибов при производстве камамбера и бри; нанесение бактерий, необходимых для
созревания некоторых сыров. Некоторые сыры после выделения должны подвергнуться
дальнейшей ферментации (стадия созревания). Микроорганизмы и ферменты в ходе этого
процесса гидролизуют жиры, белки и некоторые другие вещества молодого сыра. В
результате их распада образуются вещества, придающие сырам характерный вкус.
Процессы ферментации при производстве многих молочных продуктов, таких как
сметана, творог, многие сыры идут в ферментерах открытого типа. Как правило, они
занимают немного времени. К одним из самых простых относят производство кефира,
простокваш, сметаны и масла. Например, при производстве сметаны к сливкам добавляют
0,5-1% закваски, используемой при производстве масла. Далее продукт выдерживают,
пока концентрация кислоты не достигнет 0,6%. В заключение хотелось бы добавить, что
процессы получения молочнокислых продуктов весьма просты и доступны для
воспроизводства в домашних условиях. Они не требуют строгих условий соблюдения
стерильности, протекают, как правило, при комнатной или чуть повышенной температуре.
Собственно, изначально они были одними из первых "домашних" биотехнологий, которые
были позднее поставлены на промышленную основу.
Приложение статей к занятиям:
Биоэнергетика*
Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что
энергетически эквивалентно известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса
составляют около 68% биомассы суши, травяные экосистемы - примерно 16%, а
возделываемые земли - только 8%.
Для сухого вещества простейший способ превращения биомассы в энергию заключается в
сгорании - оно обеспечивает тепло, которое в свою очередь превращается в механическую
или электрическую энергию. Что же касается сырого вещества, то в этом случае
древнейшим и наиболее эффективным методом превращения биомассы в энергию
является получение биогаза (метана).
Метановое «брожение», или биометаногенез, - давно известный процесс превращения
биомассы в энергию. Он был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие
метана в болотном газе. Биогаз, получающийся в ходе этого процесса, представляет собой
смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода (Н2S) и незначительных
количеств азота, кислорода, водорода и закиси углерода. Болотный газ дает пламя синего
цвета и не имеет запаха. Его бездымное горение причиняет гораздо меньше неудобств
людям по сравнению со сгоранием дров, навоза жвачных животных или кухонных
отбросов. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м3 природного
газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива.
Биометаногенез осуществляется в три этапа: растворение и гидролиз органических
соединений, ацидогенез и метаногенез. В энергоконверсию вовлекается только половина
органического материала—1800 ккал/кг сухого вещества по сравнению с 4000 ккал при
термохимических процессах, но остатки, или шлаки, метанового «брожения»
используются в сельском хозяйстве как удобрения. В процессе биометаногенеза
участвуют три группы бактерий. Первые превращают сложные органические субстраты в
масляную, пропионовую и молочную кислоты; вторые превращают эти органические
кислоты в уксусную кислоту, водород и углекислый газ, а затем метанообразующие
бактерии восстанавливают углекислый газ в метан с поглощением водорода, который в
противном случае может ингибировать уксуснокислые бактерии. В 1967 г. Брайант и др.
установили, что уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз,
который ранее считался одним микробом и назывался Methanobacillus omelianskii.
Для всех метанобактерий характерна способность к росту в присутствии водорода и
углекислого газа, а также высокая чувствительность к кислороду и ингибиторам
производства метана. В природных условиях метанобактерии тесно связаны с
водородобразующими бактериями: эта трофическая ассоциация выгодна для обоих типов
бактерий. Первые используют газообразный водород, продуцируемый последними; в
результате его концентрация снижается и становится безопасной для водородобразующих
бактерий.
Метановое «брожение» происходит в водонепроницаемых цилиндрических цистернах
(дайджестерах) с боковым отверстием, через которое вводится ферментируемый
материал. Над дайджестером находится стальной цилиндрический контейнер, который
используется для сбора газа; нависая над бродящей смесью в виде купола, контейнер
препятствует проникновению внутрь воздуха, так как весь процесс должен происходить в
строго анаэробных условиях. Как правило, в газовом куполе имеется трубка для отвода
биогаза. Дайджестеры изготовляют из глиняных кирпичей, бетона или стали. Купол для
сбора газа может быть изготовлен из нейлона; в этом случае его легко прикреплять к
дайджестеру, изготовленному из твердого пластического материала. Газ надувает
нейлоновый мешок, который обычно соединен с компрессором для повышения давления
газа.
В тех случаях, когда используются отходы домашнего хозяйства или жидкий навоз,
соотношение между твердыми компонентами и водой должно составлять 1:1 (100 кг
отходов на 100 кг воды), что соответствует общей концентрации твердых веществ,
составляющей 8—11% по весу. Смесь сбраживаемых материалов обычно засевают
ацетогенными и метаногенными бактериями или отстоем из другого дайджестера. Низкий
рН подавляет рост метаногенных бактерий и снижает выход биогаза; такой же эффект
вызывает перегрузка дайджестера. Против закисления используют известь. Оптимальное
«переваривание» происходит в условиях, близких к нейтральным (рН 6,0—8,0).
Максимальная температура процесса зависит от мезофильности или термофильности
микроорганизмов (30—40° С или 50—60° С); резкие изменения температуры
нежелательны.
Обычно дайджестеры загружают в землю, чтобы использовать изоляционные свойства
почвы. В странах с холодным климатом их нагревают при помощи устройств, которые
применяют при компостировании сельскохозяйственных отходов. С точки зрения
питательных потребностей бактерий избыток азота (например в случае жидкого навоза)
способствует накоплению аммиака, который подавляет рост бактерий. Для оптимальной
переработки соотношение C/N должно быть порядка 30:1 (по весу). Это соотношение
можно изменять, смешивая субстраты, богатые азотом, с субстратами, богатыми
углеродом. Так, C/N навоза можно изменить добавлением соломы или жома сахарного
тростника.
Отходы
пищевой
промышленности
и
сельскохозяйственного
производства
характеризуются высоким содержанием углерода (в случае перегонки свеклы на 1 литр
отходов приходится до 50 граммов углерода), поэтому они лучше всего подходят для
метанового «брожения», тем более, что некоторые из них получаются при температуре,
наиболее благоприятной для этого процесса. Желательно перемешивать суспензию
сбраживаемых веществ, чтобы воспрепятствовать расслаиванию, которое подавляет
брожение. Твердый материал необходимо раздробить, так как наличие крупных комков
препятствует образованию метана. Обычно длительность переработки навоза крупного
рогатого скота составляет две—четыре недели. Двухнедельной переработки при
температуре 35° С достаточно, чтобы убить все патогенные энтеробактерии и
энтеровирусы, а также 90% популяции Ascaris lumbricoides и Ancylostoma.
Еще в 1979 году конференция ООН по науке и технике для развивающихся стран и
эксперты "Экономической и социальной комиссии по странам Азии и Тихого океана"
подчеркивали
достоинства
интегрированных
сельскохозяйственных
программ,
использующих биогаз. Такие программы направлены на разработку пищевых культур, а
также на производство белка культурами водорослей, создание рыбных ферм,
переработку отходов и превращение различных отбросов в удобрения и энергию в виде
метана. Надо отметить, что 38% от 95-миллионного поголовья крупного рогатого скота в
мире, 72% остатков сахарного тростника и 95% отходов бананов, кофе и цитрусовых
приходятся на долю стран Африки, Латинской Америки, Азии и Ближнего Востока. Не
удивительно, что в этих регионах сосредоточены огромные количества сырья для
метанового «брожения». Следствием этого явился поворот некоторых стран с
сельскохозяйственно ориентированной экономикой на биоэнергетику. Например, одним
из основных принципов энергетической политики Индии является производство биогаза в
сельских районах. В конце 1979 г. в Индии работало менее 100 000 установок. В Китае в
этот же период насчитывалось 10 млн. установок. Сырьем для загрузки установок в этих
странах являются отходы животноводческих ферм и птицефабрик. В Центральной
Америке построены установки, работающие на отходах производства кофе. В
Масатенанго была построена фабрика, выпускающая 90 м3 биогаза в сутки и 900 т
органических удобрений в год из отходов кофе. Биогаз обеспечивает работу двигателя
мощностью 35 л. с., являющегося частью устройства, которое лущит кофе со скоростью 3
т/ч, вырабатывает 1500 Ватт электроэнергии и обеспечивает работу компрессора. В
Израиле с 1974 г. производством биогаза занимается «Ассоциация киббуци индастриз»
(KIA). Проведены фундаментальные исследования процесса метаногенеза при активном
участии нескольких университетов и промышленных исследовательских институтов под
эгидой министерства энергетики. Анаэробное брожение происходит при 55° С.
Исследователям удалось добиться повышения выхода биогаза до 4—6,5 м3 в сутки на
каждый кубометр объема цистерны дайджестера (что в десять раз превышает обычный
выход).
В России сейчас производством и внедрением установок для получения биогаза
занимается НТЦ «Агроферммашпроект», который предлагает запатентованные в России
современные энергосберегающие технологии и оборудование для переработки
органических отходов животноводства, полеводства в эффективное экологически чистое
удобрение и энергию
Биогаз состоит из 62% метана и 38% углекислого газа; последний предполагают
использовать в теплицах для ускорения фотосинтеза культивируемых растений. Отходы
переработки, содержащие только 12% твердого вещества, скармливают рыбам. Это
помогло сэкономить половину гранулированных кормов из злаков, которые обычно
употребляют при разведении рыб. Как показали эксперименты, богатые белками,
минеральными солями и витаминами отходы крупного рогатого скота и овец можно
использовать в качестве корма для скота, заменяя ими до 25% сухого вещества
поглощаемой пищи.
Производство биогаза путем метанового «брожения» отходов — одно из возможных
решений энергетической проблемы в большинстве сельских районов развивающихся
стран. И хотя при использовании коровьего навоза только четверть органического
материала превращается в биогаз, последний выделяет тепла на 20% больше, чем его
можно получить при полном сгорании навоза.
Производство биогаза имеет следующие достоинства: это источник энергии; отходы
процесса служат высококачественными удобрениями и в довершение сам процесс
способствует поддержанию чистоты окружающей среды. Чтобы обеспечить
крупномасштабное развитие и экономическую выгоду предприятий по производству
биогаза, необходимо решить целый ряд биохимических, микробиологических и
социальных проблем. Усовершенствования касаются следующих областей: сокращения
числа стальных элементов в используемом оборудовании; создания оборудования с
оптимальной конструкцией; разработки эффективных нагревателей; нагрева дайджестеров
за счет солнечной энергии; объединения систем производства биогаза с другими
нетрадиционными
источниками
энергии;
конструирования
крупномасштабных
производственных единиц для сельских или городских общин; оптимального
использования переработанных отходов и, наконец, усовершенствования процессов
брожения и начальной деградации отходов.
Биотехнология в состоянии внести крупный вклад в решение проблем энергетики
посредством производства достаточно дешевого биосинтетического этанола, который
кроме того является и важным сырьем для микробиологической промышленности при
получении пищевых и кормовых белков, а также белково-липидных кормовых
препаратов. Крупнейшие мировые производители спирта (по данным на 2000г.): Бразилия
– 10,6 млрд.л; США – 6,5 млрд.л; Китай – 3 млрд.л; Индия – 1,7 млрд.л; Россия – 1,3
млрд.л. Стратегическую роль в бразильской экономике спирт приобрел в середине 70-ых
годов с введением программы Proalcool, запущенной в 1975 году после мирового
нефтяного кризиса в начале 70-ых. В Бразилии производится два вида этилового спирта:
негидрированный – используется в качестве добавки к бензину в пропорции 20-24% и не
требует изменений в двигателе; гидрированный – используется в качестве топлива и
требует специального двигателя, работающего на спирте. Бразилия является первой
страной, начавшей использовать негидрированный спирт в качестве добавки к топливу.
Источником углеводородов также могут служить водоросли. У широко распространенной
зеленой водоросли Botryococcus braunii (обитающей в пресной и солоноватой воде
умеренных и тропических зон) углеводороды в зависимости от условий роста и
разновидностей могут составлять до 75% сухой массы. Они накапливаются внутри клеток,
и водоросли, в которых их много, плавают на поверхности. После сбора водорослей эти
углеводороды легко отделить экстракцией каким-нибудь растворителем или методом
деструктивной отгонки. Таким путем может быть получено вещество, аналогичное
дизельному топливу и керосину.
Встречается несколько разновидностей B.braunii, отличающихся пигментацией и
структурой синтезируемых углеводородов. Зеленая разновидность содержит линейные
углеводороды с нечетным (25-31) числом атомов углерода, бедных двойными связями.
Красная водоросль содержит углеводороды с 34-38 атомами углерода и несколькими
двойными связями; это так называемые "ботриококкцены". Смысл существования двух
разновидностей в настоящее время изучается. Углеводороды накапливаются в клеточной
стенке, их синтез связан с метаболической активностью водоросли в фазе роста. Выход
углеводородов при создании оптимальных условий культивирования может достигать 60
т/га/год для культуры водорослей, выращиваемой в толще воды в природных или
искусственных условиях. Для определения перспективности использования B.braunii
необходимо провести следующие исследования:
- определить условия, обеспечивающие максимальную скорость роста и образования
углеводов в лабораторных и полевых условиях;
- выяснить, можно ли добиться скорости роста B.braunii, сопоставимой с известной для
других водорослей;
- разработать соответствующие методы выращивания, сбора и переработки;
- оценить применимость получаемого продукта как альтернативного источника топлива и
смазочных веществ. Исследования, связанные с выделением и возможностью утилизации
углеводородов B.braunii, могут также способствовать лучшему пониманию вопроса о
происхождении нефти.
Клеточные мембраны некоторых галобактерий
также рассматриваются как
альтернативные источники получения энергии. Были получены фотогальванические
элементы на основе бактериородопсина, генерировавшие электрический ток. Кроме того,
отличным экологически чистым и возобновляемым источником энергии является
фотоводород, который получают с использованием мембран хлоропластов.
Биотехнология обработки стоков и контроль загрязнения воды тяжелыми
металлами*
Развитие промышленности ведет к образованию большого количества отходов, в том
числе отходов, содержащих новые антропогенные компоненты. Методами биотехнологии
эти отходы могут быть переработаны в полезные или безвредные продукты.
Бытовые отходы делятся на 2 группы: твердые отходы и сточные воды.
Твердые бытовые отходы состоят из целлюлозосодержащих материалов (до 40 % бумаги,
2.5% дерева, 8% текстиля) и пищевых отходов (40%). Наиболее экономична и радикальна
переработка их метановым брожением, в результате образуется легко транспортируемое
топливо - метан.
Сточные воды обычно содержат сложную смесь нерастворимых и растворимых
компонентов различной природы и концентрации. Бытовые отходы, как правило,
содержат почвенную и кишечную микрофлору, включая патогенные микроорганизмы.
Сточные воды сахарных, крахмальных, пивных и дрожжевых заводов, мясокомбинатов
содержат в больших количествах углеводы, белки и жиры, являющиеся источниками
питательных веществ и энергии.
Стоки химических и металлургических производств могут содержать значительное
количество токсических и даже взрывчатых веществ. Серьезное загрязнение возникает
при попадании в окружающую среду соединений тяжелых металлов, таких как железо,
медь, олово и др.
Цель очистки сточных вод - удаление растворимых и нерастворимых компонентов,
элиминирование патогенных микроорганизмов и проведение детоксикации таким
образом, чтобы компоненты стоков не вредили человеку, не загрязняли водоемы.
Бактерии рода Pseudomonas практически всеядны. Например, P. putida могут
утилизировать нафталин, толуол, алканы, камфару и др. соединения. Выделены чистые
культуры микроорганизмов, способные разлагать специфические фенольные соединения,
компоненты нефти в загрязненных водах и т.д. Микроорганизмы рода Pseudomonas могут
утилизировать и необычные химические соединения - инсектициды, гербициды и другие
ксенобиотики. Генетически сконструированные штаммы микроорганизмов в будущем
смогут решить проблему очистки сточных вод и почв, загрязненных пестицидами и
другими антропогенными веществами. Пестициды поступают в окружающую среду после
обработки сельскохозяйственных культур. Большинство из них расщепляются бактериями
и грибами. Лучше всего биодеградация пестицидов удается, если микроорганизмы
действуют сообща, в химических реакциях сопряженного метаболизма. При этом уже на
первой стадии микробной трансформации токсичность большинства пестицидов
утрачивается, что позволяет разрабатывать относительно простые биотехнологические
методы борьбы с ними. Первичный гидролиз пестицидов можно проводить и с помощью
ферментов, таких как гидролазы, эстеразы, фосфоэстеразы, ациламидазы. Пестициды из
сточных вод можно удалять, используя иммобилизованные формы этих ферментов.
Биологические методы также применимы для очистки сточных вод нефтяной
промышленности. Для этого применяют аэрируемые системы биоочистки с активным
илом, содержащим адаптированное к компонентам нефти микробное сообщество.
Скорость деградации зависит от качественного состава и концентрации углеводородов, а
также температуры и степени аэрации среды. Наиболее эффективно биодеградация
осуществляется, когда нефть эмульгирована в воде.
В институте прикладной биохимии и машиностроения разработан отечественный
препарат - биодеградант нефти и нефтепродуктов. Он позволяет утилизировать как сырую
нефть, так и различные нефтепродукты: мазут, дизельное топливо, бензин, керосин,
ароматические углеводороды. Микроорганизмы сообщества способны эффективно
окислять широкий спектр углеводородов нефти, в том числе и ароматические
углеводороды, в широком диапазоне температур (8–35°С) и кислотности среды (рН 3.5–
10.0) с оптимумом 6.5-7.5. Биопрепарат работает при высоком уровне загрязнения до 20%,
с высоким содержанием тяжёлых алифатических и ароматических углеводородов.
Преимуществом данного препарата является то, что в сухой форме его получают по новой
технологии распылительной сушки, что обеспечивает его низкую себестоимость при
сохранении высокой активности (концентрация клеток в препарате 1010 кл/г).
Производство и применение биопрепарата выгодно отличается сравнительно низкими
себестоимостью и энергозатратами, легкой транспортировкой, отсутствием вторичных
отходов, экологической безопасностью, связанной со способностью разлагать
углеводороды нефти на экологически нейтральные соединения.
Азотсодержащие соединения (белки, аминокислоты, мочевина) могут быть удалены в
биологическом процессе денитрификации-нитрификации. Биологическое удаление азота и
фосфора, являющихся причинами эвтрофикации (зарастания озер микроводорослями,
которые бурно размножаются, затем отмирают, давая пищу аэробным бактериям,
потребляющими кислород, что приводит к замору рыбы) озер и каналов, находится в
стадии экспериментов.
Тяжелые металлы затрудняют биологические процессы очистки стоков и отрицательно
влияют на флору и фауну. Природные штаммы микроорганизмов не могут быть
использованы для накопления этих металлов в силу их высоко токсичности. Однако, есть
белок высших организмов - металлотионеин, который активно связывает различные
тяжелые металлы. Ген, кодирующий синтез мышиного металлотионеина, клонирован в
бактериях. Это открывает возможность получения белка в больших количествах с
использование иммобилизованных бактерий и его использования для связывания и
экстракции тяжелых металлов.
Биогеотехнология*
Некоторые микроорганизмы могут катализировать определенные окислительновосстановительные реакции - окисление Fe и Mn в воде, окисление серосодержащих
соединений, окисление-восстановление азотсодержащих соединений. Аэробные бактерии
могут выделять железо, медь, сульфаты.
Биогеотехнология - использование геохимической деятельности микроорганизмов в
горнодобывающей промышленности. Это экстракция и концентрирование металлов при
биологической очистке сточных вод предприятий горнодобывающей промышленности и
флотационных процессах: выщелачивание бедных и отработанных руд, десульфирование
каменного угля, окисление пиритов и пиритсодержащих пород.
Своими корнями биогеотехнология уходит в геологическую микробиологию.
Микроорганизмы принимали и принимают активное участие в геологических процессах.
Биологические свойства различных групп микроорганизмов и особенности их
жизнедеятельности в месторождениях полезных ископаемых составляют научные основы
биогеотехнологии.
Биогеотехнология стихийно зародилась еще в XVI в. До нас дошли сведения о том, что в
те далекие времена в Венгрии для получения меди груды добытой руды орошали водой.
Этот нехитрый технологический прием оказался прообразом современного бактериальнохимического метода кучного выщелачивания металлов из руд. Конечно, тогда еще не
знали, что используемый процесс получения меди по своей природе является
микробиологическим. Это стало известно только в 1922 г. благодаря работам немецких
ученых Рудольфа и Хельброннера. По-видимому, 1922 г. следует считать официальной
датой рождения биогеотехнологии. В дальнейшем биогеотехнология развивалась неровно
и своего совершеннолетия достигла к началу 80-х годов нашего века. К этому времени
наряду с бактериальным выщелачиванием металлов сформировались и другие разделы
биогеотехнологии — удаление серы из углей, борьба с метаном в угольных шахтах,
повышение нефтеотдачи пластов.
Биогеотехнология выщелачивания металлов — использование главным образом
тионовых (окисляющих серу и серосодержащие соединения) бактерий для извлечения
металлов из руд, рудных концентратов и горных пород. При переработке бедных и
сложных руд тысячи и даже миллионы тонн ценных металлов теряются в виде отходов,
шлаков, «хвостов». Происходят также выбросы вредных газов в атмосферу. Бактериальнохимическое выщелачивание металлов уменьшает эти потери . Основу этого процесса
составляет окисление содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми
бактериями. Окисляются сульфиды меди, железа, цинка, олова, кадмия и т. д. При этом
металлы из нерастворимой сульфидной формы переходят в сульфаты, хорошо
растворимые в воде. Из сульфатных растворов металлы извлекаются путем осаждения,
экстракции, сорбции. Одним из возможных путей извлечения металлов из растворов
является адсорбция металлов клетками живых микроорганизмов, так называемая
биосорбция металлов. Металлы включаются в состав специфических белков –
металлотионеинов. Полезными для биогеотехнологии добычи металлов свойствами
обладает целый ряд микроорганизмов. Но основным из них, безусловно, является
открытый в 1947 г. Колмером и Кинкелем вид тионовых бактерий, названный Thiobacillus
ferrooxidans. Необходимую для роста энергию эти бактерии получают при окислении
восстановленных соединений серы и двухвалентного железа в присутствии свободного
кислорода. Они окисляют практически все известные в настоящее время сульфиды
металлов. Источником углерода для роста бактерий служит при этом углекислый газ.
Характерной особенностью их физиологии является потребность в очень кислой среде.
Они развиваются при рН от 1 до 4,8 с оптимумом при 2—3. Интервал температур, в
котором могут развиваться бактерии этого вида, составляет от 3 до 40°С с оптимумом при
28°С. Тионовые бактерии широко распространены в природе. Они обитают в водоемах,
почвах, угольных и золоторудных месторождениях. В значительных количествах
встречаются они в месторождениях серных и сульфидных руд. Но в условиях
естественного залегания таких руд активность тионовых бактерий сдерживается
отсутствием кислорода. При разработке сульфидных месторождений руды вступают в
контакт с воздухом, и в них развиваются микробиологические процессы, приводящие к
выщелачиванию металлов. Применяя определенные биотехнологические мероприятия,
этот естественный процесс можно ускорить.
Основной технологической операцией этого способа является орошение отвалов добытой
руды растворами, содержащими серную кислоту, ионы двух- и трехвалентного железа, а
также жизнеспособные клетки тионовых бактерий. Иногда для усиления процессов
выщелачивания внутрь отвала подают воздух. В таких условиях выщелачивающий
раствор фильтруется через толщу руды и в результате микробиологических и химических
процессов обогащается извлекаемыми из руды металлами. Затем этот раствор собирают с
помощью системы коллекторов, и из него извлекают металлы одним из физикохимических методов. Ежегодно в мире таким способом добывают сотни тысяч тонн меди,
или примерно 5 % от ее общей добычи. В ряде стран этим способом получают также
значительные количества урана.
Биогеотехнология обессеривания углей — использование тионовых бактерий для
удаления серосодержащих соединений из углей. Как бурые, так и каменные угли нередко
содержат значительные количества серы. Общее содержание серы в углях может
достигать 10—12 %. При сжигании углей содержащаяся в них сера превращается в
сернистый газ, который поступает в атмосферу, где из него образуется серная кислота. Из
атмосферы серная кислота выпадает на поверхность земли в виде сернокислотных
дождей.
По имеющимся данным, в некоторых странах Западной Европы в год на 1 га земли с
дождями выпадает до 300 кг серной кислоты. Нетрудно себе представить, какой ущерб
наносят кислотные дожди здоровью человека, его хозяйственной деятельности и
окружающей природе. Кроме этого, высокосернистые угли плохо коксуются и поэтому не
могут быть использованы в цветной металлургии. Микробное удаление серы из углей, по
мнению специалистов, является экономически выгодным, и с ним связывают надежды на
решение проблемы сернокислотных дождей.
Первые опыты по направленному удалению серы из угля с использованием
микроорганизмов были выполнены в 1959 г. в нашей стране 3. М. Зарубиной, Н. Н.
Ляликовой и Е. И. Шмук. В результате этих опытов за 30 суток с участием бактерий Th.
ferrooxidans из угля было удалено 23—30 % серы. Позднее несколько работ по
микробиологическому обессериванию угля было опубликовано американскими
исследователями. Им удалось с помощью тионовых бактерий снизить содержание
пиритной серы в каменном угле за четверо суток почти на 50 %.
Этот метод будет сопровождаться попутным выщелачиванием различных металлов.
Известно, что в заметных количествах содержится в углях германий, никель, бериллий,
ванадий, золото, медь, кадмий, свинец, цинк, марганец. Попутное получение ценных
металлов при десульфуризации угля должно дать дополнительный экономический
эффект.
Работы по удалению пиритной серы из угля микробиологическим путем проводятся
сейчас во многих странах мира. По последним сообщениям в лабораторных условиях
удается снизить содержание серы в угле путем микробиологического выщелачивания за 5
суток почти на 100 %. Микробиологический способ десульфуризации углей
рассматривается как весьма перспективный.
Биогеотехнология и борьба с метаном в угольных шахтах — использование
метанокисляющих бактерий для снижения концентрации метана в угольных пластах и
выработанных пространствах.
В пластах каменного угля содержится огромное количество метана, достигающее сотни
кубометров в 1 т угля. При этом чем глубже залегает уголь в недрах земли, тем больше
метана он содержит. При подземной добыче угля метан из разрабатываемых угольных
пластов и образующихся при этом выработанных пространств поступает в атмосферу
шахт. Скопления этого взрывоопасного газа в горных выработках создают постоянную
угрозу для жизни шахтеров. Известны случаи крупных взрывов метана в угольных шахтах
мира, унесшие сотни человеческих жизней.
Традиционные средства борьбы с метаном в угольных шахтах (вентиляция, вакуумная
дегазация, увлажнение пластов водой) в условиях постоянной интенсификации горных
работ и перехода на все более глубокие угленосные горизонты часто уже не могут
обеспечить одновременно высокий уровень угледобычи и безопасные условия труда. В
основе биогеотехнологических способов борьбы с метаном лежит процесс поглощения
этого газа метанокисляющими бактериями в угольных пластах и выработанных
пространствах. На данном уровне развития наук этот процесс представляет собой
единственную возможность разрушения молекулы метана при температурах
разрабатываемых угленосных толщ.
Идея об использовании метанокисляющих бактерий для борьбы с метаном в угольных
шахтах принадлежит советским ученым. В 1939 г. А. 3. Юровский, Г. П. Капилаш и Б. В.
Мангуби предложили применять эти бактерии для снижения выделения метана из
выработанных пространств. Несмотря на широкое распространение метанокисляющих
бактерий в природе, в угольных пластах и прилегающих породах они отсутствуют.
Поэтому необходимое количество активных метанокисляющих бактерий выращивают в
ферментерах и в виде суспензии в питательной среде подают в поровый объем угольных
пластов и выработанные пространства. Рабочая суспензия приготовляется
непосредственно в шахте. В рудничную воду добавляют заданное количество биомассы
метанокисляющих бактерий и недостающие для их активной жизнедеятельности
минеральные соли. Обычно это минеральные соединения азота и фосфора. В угольный
пласт рабочая суспензия нагнетается насосами через скважины, пробуренные по углю или
из подземных выработок, или с поверхности земли: 1 т угля может принять 20—40 л
рабочей суспензии. В угле микроорганизмы распределяются по трещинам и порам.
Таким путем осуществляется насыщение угля метаноокисляющими бактериями. Но для
развития этих бактерий необходим свободный кислород, которого нет в угольных пластах.
Поэтому в насыщенный метанокисляющими бактериями участок угольного пласта через
те же скважины компрессором постоянно прокачивается воздух. В таких условиях
бактерии потребляют содержащийся в угле метан, и за счет этого происходит уменьшение
исходной газоносности угольного пласта. Микробиологические способы борьбы с
метаном были неоднократно испытаны в угольных шахтах. Поступление метана как из
угольных пластов, так и из выработанных пространств в ходе этих испытаний было
снижено в среднем в 2 раза. При прочих равных условиях это позволяет повышать добычу
угля примерно в 1,5 раза.
Биогеотехнология и повышение нефтеотдачи пластов — использование различных
групп микроорганизмов для увеличения вторичной добычи нефти.
Нефть, как известно, является в настоящее время основным энергетическим и химическим
сырьем. Однако по некоторым прогнозам мировые запасы нефти могут быть исчерпаны
уже в течение ближайших 50 лет. Вместе с тем существующая технология позволяет
извлекать только половину нефти, содержащейся в месторождениях. Это обусловлено
прочной связью нефти с вмещающими ее породами. Повышение нефтеотдачи пластов на
10— 15 % было бы равносильно открытию новых месторождений. В связи с этим в
настоящее время заметно возрос интерес к поиску путей и средств повышения вторичной
добычи нефти.
Один из способов предполагает использование комплекса углеводородокисляющих и
метанобразующих бактерий для увеличения нефтеотдачи пластов основано на активации
геохимической деятельности этих микробов в нефтяной залежи, куда они попадают
вместе с закачиваемыми через скважины поверхностными водами. Активация названных
микробиологических процессов достигается путем аэрации закачиваемых вод и
добавления в них минеральных солей азота и фосфора. Недостаток этих химических
элементов чаще всего лимитирует активность микрофлоры в природных условиях.
Нагнетание в нефтяную залежь обогащенной кислородом и минеральными солями воды
приводит к образованию аэробной зоны в нефтеносном пласте вокруг нагнетательной
скважины. Здесь начинают интенсивно идти процессы разрушения нефти аэробными
углеводородокисляющими микробами. Это сопровождается накоплением углекислого
газа, водорода и низкомолекулярных органических кислот, которые поступают в
анаэробную зону нефтяной залежи. Здесь они превращаются метанобразующими
бактериями в метан. Разрушение нефти и образование газов приводят к разжижению
нефти и повышению газового давления в нефтеносном пласте, что и должно
сопровождаться увеличением добычи нефти из добывающих скважин.
Биоэлектроника*
В области электроники биотехнология может быть использована для создания
улучшенных типов биосенсоров и новых приводящих устройств, называемых биочипы.
Биотехнология делает возможным создание устройств, в которых белки являются основой
молекул, действующих как полупроводники. Для индикации загрязнений различного
происхождения в последнее время стали использовать не химические реагенты, а
биосенсоры – ферментные электроды, а также иммобилизованные клетки
микроорганизмов. Ферменты обладают высочайшей чувствительностью.
Биоселективные датчики создают также путем нанесения на поверхность
ионоселективных электродов целых клеток микроорганизмов или тканей. Например,
Neurospora europea – для определения NH3, Trichosporon brassiacae – для определения
уксусной кислоты.
В качестве сенсоров используют также моноклональные антитела, обладающие
исключительно высокой избирательностью. Лидерами в производстве биодатчиков и
биочипов являются японские компании, такие как Hitachi, Sharp. Например, компания
Hitachi в начале 90-х годов создает проектную групп численностью в 200 человек
исключительно для работ в области биоэлектроники. Компания Sharp проводит
исследования по разработке компьютеров с биокомпонентами.
Появляется новый тип полупроводников, проводящую функцию в которых осуществляют
молекулы белков. Такие ферментные системы работают с большей скоростью, чем
кремниевые полупроводники. Биочипы имеют небольшие размеры, надежны и способны к
самосборке. Еще одна японская компания, Sony, запатентовала способ производства
высококачественных акустических систем из целлюлозы, образуемой бактериями.
Гелеобразная целлюлоза высушивается. Полученный материал имеет структуру сот и
используется в качестве плоской диафрагмы акустических систем.
Биотехнология в медицине*
Антибиотики — самый большой класс фармацевтических соединений, синтез которых
осуществляется микробными клетками. К этому же классу относятся противогрибковые
агенты, противоопухолевые лекарства и алкалоиды. В 1980 г. мировое производство
антибиотиков составляло примерно 25000 т, из них 17000 т — пенициллины, 5000 т —
тетрациклины, 1200 т — цефалоспорины и 800 т — эритромицины. В 1945 г. Бротзу из
Института гигиены в Кальари (Сардиния) выделил из пробы морской воды плесень
Cephalosporium acremonium, синтезирующую несколько антибиотиков; один из них,
цефалоспорин С, оказался особенно эффективен против устойчивых к пенициллину
грамположительных бактерий.
Из нескольких тысяч открытых антибиотиков львиная доля принадлежит актиномицетам.
Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род Streptomyces, включая тетрациклины
(один только вид Streptomyces griseus синтезирует более пятидесяти антибиотиков).
Наиболее распространенными с коммерческой точки зрения оказались пенициллины,
цефалоспорины и тетрациклины.
Начиная с середины 1960-х гг. в связи с возросшей сложностью выделения эффективных
антибиотиков и распространением устойчивости к наиболее широко применяемым
соединениям у большого числа патогенных бактерий исследователи перешли от поиска
новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. Они стремились
повысить эффективность антибиотиков, найти защиту от инактивации ферментами
устойчивых бактерий и улучшить фармакологические свойства препаратов. Большинство
исследований было сосредоточено на пенициллинах и цефалоспоринах, структура
которых включает четырехчленное -лактамное кольцо. Добавление к -лактамному
кольцу метоксильной (СН3О)-группы привело к появлению цефамицинов, близких к
цефалоспоринам и эффективных как против грамотрицательных, так и против
пенициллиноустойчивых микробов. Полусинтез состоит в замене химическим путем
одной боковой цепи -лактамного кольца на другую в полученной ферментацией
молекуле. Устойчивость к пенициллинам и цефалоспоринам связана с наличием
ферментов, так называемых -лактамаз, которые широко распространены среди бактерий,
актиномицетов, цианобактерий и дрожжей. Так как гены, кодирующие эти ферменты,
находятся в составе плазмид, устойчивость может передаваться при переносе плазмид от
одного бактериального штамма к другому. Исследователи фирмы «Мерк, Шарп и Доум»
открыли новый класс -лактамных антибиотиков, тиенамицины, продуцируемых
Streptomyces cattleya. Тиенамицины чрезвычайно эффективны против грамположительных
и грамотрицательных бактерий, а также способны ингибировать -лактамазы, что
значительно повышает возможности этих антибиотиков. К ингибиторам -лактамаз
относятся также клавулановая и оливановая кислоты, идентифицированные
исследователями английской фармацевтической компании «Бичем». Компания выпустила
новый антибиотик, аугментин, который представляет собой комбинацию -лактамного
антибиотика амоксициллина и клавулановой кислоты.
Антибиотики вырабатываются в результате совместного действия продуктов 10—30
генов, поэтому практически невозможно обнаружить отдельные спонтанные мутации,
которые могли бы повысить выход антибиотика с нескольких миллиграммов на литр в
штамме дикого типа до 20 г/л и более пенициллина или тетрациклина в промышленных
штаммах Penicillium chrysogenum или Streptomyces auerofaclens. Эти высокопродуктивные
штаммы были получены в результате последовательных циклов мутагенеза и селекции. В
результате мутаций появились новые вторичные метаболиты, в том числе 6деметилхлортетрациклин и 6-деметилтетрациклин. Определенные мутанты, так
называемые идиотрофы, способны синтезировать только половину молекулы
антибиотика, а среда должна быть обогащена другой ее половиной. Такая форма
мутационного биосинтеза привела к открытию новых производных антибиотиков, среди
них принадлежащие к аминоциклитольной группе.
Число противоопухолевых веществ микробного происхождения довольно ограниченно.
Блеомицин, выделенный Умезавой с сотр. в Токийском институте микробной химии из
культур Streptomyces verticilliis, представляет собой гликопептид, который действует,
разрывая ДНК опухолевых клеток и нарушая репликацию ДНК и РНК. Другая группа
противоопухолевых агентов создана на основе комбинации аминогликозидной единицы и
молекулы антрациклина. Недостатком обоих соединений является их потенциальная
опасность для сердца.
В медицине применяют также аминокислоты, например, аргинин. В сочетании с
аспартатом или глутаматом он помогает при заболевании печени. K-Na-аспартат снимает
усталость и облегчает боли в сердце, его рекомендуют при заболевании печени и диабете.
Цистеин защищает SH-ферменты в печени и других тканях от окисления и оказывает
детоксицирующее действие. Он проявляет также защитное действие от повреждения,
вызываемых облучением. Дигидроксифенилаланин и D-фенилаланин эффективны при
болезни Паркинсона. Из полиаминокислот получают хороший материал для хирургии.
В медицине также используют зеленую водоросль Scenedesmus. Ее культивируют в
жидкой питательной среде (установки дают до 80 тонн водорослей в год), извлекают и
проводят экстракцию этиловым спиртом. Биомассу отделяют и подвергают
ферментативному гидролизу щелочной протеазой. Около 50% белков при этом
распадается до пептидов. Гидролизат содержит почти все незаменимые аминокислоты,
представляет собой порошок желтовато-зеленого цвета с приятным запахом и вкусом.
Используется этот продукт для быстрого восстановления организма, а также как
компонент косметических средств. Если вместо обработки этанолом провести двукратную
экстракцию дистиллированной водой, а затем высушить, то получается порошок светложелтого цвета. Его используют как биостимулятор и готовят из него препараты для
лечения плохо заживающих ран.
Еще в начале 90-х годов появились статьи, в которых рассматривались перспективы
использования сапротрофной микрофлоры как продуцента биологически активных
веществ (БАВ). Предполагается вводить в организм сапрофитные микроорганизмы,
которые могли бы жить в условиях симбиоза с нормальной микрофлорой организма.
Вещества, вырабатываемые бактериальными штаммами включаются в систему
биохимических процессов организма. В случае нарушения нормального биохимического
статуса организма они корректируют его, а при патологическом процессе – задерживают
его или способствуют прекращению. Такое введение получило название
«микробиологическая подсадка». К 1992 году было описано уже более 50 таких штаммов
и проанализирован диапазон биологических эффектов секретируемых БАВ.
Для лечения широкого спектра заболеваний (бактериальные инфекции кишечника,
дыхательных путей, гнойных инфекций, аллергий) успешно применяются штаммы
Bacillus subtilis (препарат «Бактисубтил», например, используют при лечении диареи).
Штаммами E. coli лечат ряд кишечных заболеваний. БАВ, секретируемые сапротрофами,
могут регулировать ферментативные процессы в организме и вступать во взаимодействие
с поступающими в организм ксенобиотиками. Штаммы можно получать непосредственно
от человека, тогда они будут представлять его естественную микрофлору.
Можно целенаправленно выводить лабораторные мутантные штаммы, в том числе
методами генной инженерии и вводить их в организм. Способы введения могут быть
различны: капсулы, растворимые в кишечном соке, культуры штаммов-продуцентов на
пленочной основе, в виде свечей, а при легочных заболеваниях – в виде аэрозолей.
Новым направлением в медицине является использование ферментных препаратов типа
«контейнер», изготовление которых стало возможным появлению и совершенствованию
методов иммобилизации веществ. Эти препараты представляют собой микросферы с
более или менее твердой и проницаемой оболочкой. Назначение этих лекарственных
препаратов различное. Первым типом «искусственных клеток» следует назвать
микрокапсулы. Фермент, находящийся внутри оболочки, не контактирует с жидкостями и
тканями организма, не разрушается протеиназами, не ингибируется, не вызывает
иммунного ответа организма. Основное достоинство микрокапсул заключается в том, что
их можно имплантировать в нужное место, например в непосредственной близости от
опухоли. При этом микрокапсула с соответствующим содержанием будет перерабатывать
метаболиты, необходимые для роста опухолевой ткани, и эта ткань не будет развиваться.
Капсулы могут содержать микроскопические участки тканей. Например, имеются
экспериментальные данные по созданию депо инсулина путем имплантации микрокапсул,
содержащих островки Лангерганса, синтезирующие в поджелудочной железе инсулин.
Известно, что терапии диабетических заболеваний уделяется много внимания.
Имплантация лекарственного начала избавила бы пациентов от ежедневных инъекций
инсулина. Следует учитывать, что микрокапсулы, вводимые в кровь, могут забивать
кровеносные сосуды и, следовательно, являться причиной образования тромбов. Однако
эффективность микрокапсул при использовании их в виде колонок для диализа в аппарате
«искусственная почка» несомненна. При этом объем аппаратов и, соответственно,
количество необходимых и очень дорогих растворов резко сокращается. Например, для
микрокапсулированной «искусственной почки» требуется колонка объемом всего 30 мл,
которая работает почти в 100 раз быстрее обычного аппарата. Развитие такой техники
сдерживается пока высокой стоимостью, а также необходимостью использовать уже
существующую тоже очень дорогую технику. Вероятно, ферментные реакторы на
микрокапсулах будут применяться для деградации недиализуемых материалов.
Внутрь микрокапсул могут быть включены магнитные частицы. В этом случае извне
подводят магнитное поле и препарат удерживают вблизи органа-мишени.
В ряде случаев используются высокомолекулярные соединения, растворимые в
определенных условиях и сохраняющие высокую прочность оболочек в других. Так ведет
себя ацетилфталилцеллюлоза, микрокапсулы из которой интактны в желудочном соке и
растворяются в кишечнике, освобождая содержимое. Сейчас интенсивно исследуются
свойства микрокапсул, стенка которых состоит из оболочек эритроцитов. Содержимое
эритроцитов удаляется, а «тень» заполняется ферментом. Серьезные успехи достигнуты
при лечении аспарагин-зависимых опухолей препаратами аспарагиназы в оболочках
эритроцитов.
Используются оболочки и других клеток. Так, описаны лекарственные препараты,
включенные в оболочки макрофагов. Последние имеют тенденцию накапливаться в очагах
воспалений, а следовательно, могут транспортировать туда как низко-, так и
высокомолекулярный лекарственный препарат. Существенной положительной стороной
«теней» клеток в качестве носителя является их полная совместимость с организмом
пациента, поскольку этот носитель готовят на основе клеток, выделенных из крови
пациента, и возвращают их ему же с новым содержимым. Задача введения лекарственного
препарата в клетки может быть решена путем создания контейнеров-переносчиков типа
липосом или мицелл. Оболочка липосомы представляет собой однослойную или
многослойную поверхность, образованную, в свою очередь, бислойной структурой,
созданной соединениями, имеющими два гидрофобных, достаточно протяженных участка
и гидрофильную группу. Гидрофобные концы слипаются между собой и образуют пленку,
обе стороны которой гидрофильны. Липосома, специфически или неспецифически
адсорбировавшись на клетке, может быть поглощена ею путем фагоцитоза, и фермент
внутри высвобождается.
Хорошо известно, что протеиназы, расщепляя денатурированные белки, способствуют
очищению ран, и следовательно, их заживлению. В этом направлении в клинической
практике с помощью иммобилизованных протеиназ сделано многое. В качестве носителей
для иммобилизации протеолитических ферментов наиболее употребимы волокнистые
материалы на основе целлюлозы, поливинилового спирта, солей альгиновой кислоты,
полиамидное и коллагеновое волокно. Готовят нити, в которые при формовании
включают фермент и используют их в качестве шовного материала. Сравнительный
анализ действия нативных и иммобилизованных протеиназ (в основном химотрипсина,
трипсина, коллагеназы) показал, что уже на 2—4-й день рана очищается от некротических
масс и по крайней мере вдвое быстрее наступает грануляция. Убедительные результаты
получены при лечении трофических язв, лучевых язв кожи. Особенно эффективны
иммобилизованные протеиназы при предоперационной подготовке и после пластических
операций. Иммобилизованные протеолитические ферменты с большим успехом
применяются в лечении гнойных заболеваний легких и плевры.
Основные типы биотехнологических процессов*
Производство биомассы
В настоящее время существуют следующие основные типы биопроцессов:
- производство биомассы (например, белок одноклеточных);
- клеточных компонентов (ферменты, нуклеиновые кислоты и т.д.)
- метаболитов (химические продукты метаболической активности), включая первичные
метаболиты, такие как этанол, молочная кислота;
- вторичные метаболиты ;
- односубстратные конверсии (превращение глюкозы во фруктозу);
- многосубстратные конверсии (обработка сточных вод, утилизация лигноцеллюлозных
отходов).
Человек традиционно получает белки, жиры и углеводы (основные компоненты пищи) из
животных и растительных источников. Уже сегодня эти источники не покрывают все
увеличивающиеся потребности человечества. Выяснилось, что белки и жиры
микроорганизмов с успехом могут заменить белки и жиры традиционного
происхождения. Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоит в
высоком содержании белка в биомассе и высокой скорости роста микроорганизмов.
Термин белок одноклеточных (БОК) был предложен в 1966 г. для обозначения биомассы
различных микроорганизмов (бактерий, дрожжей, грибов и водорослей). Кроме высокого
содержания белка микробная биомасса содержит также жиры, нуклеиновые кислоты,
витамины и минеральные компоненты. Источниками получения пищевого белка могут
стать также белковые изоляты из различных видов зеленой биомассы, в том числе и из
табака.
Для получения БОК используют самые разнообразные субстраты, включая парафины
нефти, метан, водород, метанол, этанол, уксусную кислоту, углекислый газ, молочную
сыворотку, мелассу, крахмал и целлюлозосодержащие отходы промышленности и
сельского хозяйства.
Для промышленного использования перспективными являются термофильные (растущие
при высоких температурах до 50о С) микроорганизмы. Качество биомассы оценивается по
высокому содержанию белка, низкому содержанию нуклеиновых кислот и отсутствию
вредных веществ.
Как пример промышленного производства биомассы можно привести получение
хлебопекарных дрожжей. В производстве хлебопекарных дрожжей используют
специально отобранные расы Saccharomyces cerevisiae. При отборе культуры принимают
во внимание способность дрожжей сбраживать тесто, они должны обладать хорошей
подъемной силой и ферментативной активностью, хорошо расти на мелассной среде в
условиях глубинной ферментации и давать высокий выход биомассы. Клетки дрожжей
должны легко отделяться от культуральной жидкости сепарированием или фильтрацией и
хорошо сохраняться в прессованном виде. Подъемную силу дрожжей выражают в
минутах, в течение которых определенное количество дрожжей развиваясь в
определенном количестве теста, увеличивает его объем на предусмотренную стандартом
величину. Для хороших дрожжей подъемная сила не должна превышать 75 мин.
Хлебопекарные дрожжи обладают и бродильной активностью, но чтобы направить
использование углеводов субстрата только на образование биомассы, спиртовое брожение
ограничивают всеми доступными средствами. Это достигается интенсивной аэрацией
среды, а также поддержанием низкой концентрации сахара в ней (0,5—1,5%). При
высокой концентрации сахаров наблюдается катаболитная репрессия ферментов цикла
Кребса и переключение энергетического метаболизма преимущественно на брожение.
Чтобы избежать этого, сахар в среду подают непрерывно с постоянной или возрастающей
скоростью притока. Чтобы предотвратить чрезмерное размножение побочной
микрофлоры, особенно так называемых диких дрожжей, удельная скорость роста которых
выше, чем у хлебопекарных дрожжей, процесс ферментации обычно ведут по
периодической схеме в течение 10—20 ч.
Товарные дрожжи обычно получают в три этапа. Сначала размножают первый посевной
материал (задаточные дрожжи), затем вторые задаточные дрожжи и из них получают
товарные дрожжи. Получение первых задаточных дрожжей идет без притока среды;
длительность процесса 6—7 ч. На втором этапе стремятся полностью исключить
спиртовое брожение, поэтому дрожжи выращивают в условиях очень интенсивной
аэрации, лимитируя концентрацию сахара в среде, по проточному методу
культивирования. Чаще всего длительность этого этапа 10 - 12 ч. Последний этап
производства товарных дрожжей длится 10 - 24 ч. Биомассу дрожжей отделяют от
культуральной жидкости, используя сепарирование, в три этапа, при двукратной
промывке суспензии клеток водой для удаления остатков среды, бактерий и примесей.
Получают концентрат дрожжей, содержащий 80—120 г/л сухой биомассы. Его охлаждают
до 8—10°С, фильтруют на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах и получают дрожжевую
пасту с 70—75%-ной влажностью. После кондиционирования пасты водой до стандартной
(75%) влажности, дрожжи фасуют в плитки массой 50, 100, 500, 1000 г и упаковывают.
Хранят прессованные дрожжи при температуре 0 - 4°С до 10 суток. Хлебопекарные
дрожжи можно высушивать при температуре 30—40°С до влажности 8% и хранить до 6
мес.
Кормовые дрожжи получают с помощью Candida и Trichosporon. Выбирая культуру, надо
следить, чтобы скорость ее роста в соответствующей среде была максимальной, в состав
биомассы входило бы много белков, витаминов, чтобы культура в определенных условиях
была вирулентной (могла конкурировать с сопутствующей микрофлорой). Кормовые
дрожжи получают из доступных, дешевых, содержащих углерод видов сырья:



углеводсодержащее сырье (гидролизаты древесных и сельскохозяйственных
отходов, меласса, сульфитный щелок целлюлозной промышленности);
природные и синтетические субстраты, содержащие органические кислоты, спирты
и другие окисленные соединения углерода (отходы спиртовой промышленности —
барда, отходы производства синтетических моющих веществ и др.);
углеводороды (нефть, парафины, природные газы).
При производстве кормового белка не требуется получение жизнеспособной микробной
массы, поэтому требования при выделении клеток более просты.
Живая биомасса молочнокислых бактерий, которая широко используется в молочной
промышленности, в пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и в ветеринарии,
называется молочнокислые закваски. Кроме этого, живые клетки микроорганизмов
используются для получения бактериальных удобрений, микробных инсектицидов.
Производство ферментов*
Получение ферментов с помощью микроорганизмов более выгодно, чем из растительных
и животных источников. Микробные клетки продуцируют более 2 тысяч ферментов,
катализирующих биохимические реакции, связанные с ростом, дыханием и образованием
продуктов. Многие из этих ферментов могут быть выделены и проявляют свою
активность независимо от клетки. Для получения ферментных препаратов используют как
микроскопические грибы, так и бактерии и дрожжи. Иногда получение технического
ферментного препарата кончается проведением процесса ферментации, однако активность
ферментов в культуральной жидкости быстро снижается. Поэтому широко практикуют
получение сухих технических ферментных препаратов.
В мире производится около 20 ферментов в объеме 65 тыс. тонн (а существует, как
предполагают 25000 ферментов). Например, промышленным способом производят такие
ферменты как амилаза, глюкоамилаза, протеаза, инвертаза, пектиназа, каталаза,
стрептокиназа, целлюлаза и др.
Амилазы и протеазы используют в текстильной, хлебопекарной и кожевенной
промышленности. Пектолитические ферменты могут быть использованы для мацерации
тканей при переработке растительного сырья, например при получении льноволокна.
Щелочные протеазы, особенно иммобилизованные, очень эффективно используются в
составе моющих средств. Кроме протеолитических ферментов в состав моющих средств
вводят липазу, целлюлазу, оксидазу и амилазу для удаления загрязнений крахмального
происхождения. Использование иммобилизованной глюкозоизомеразы для непрерывного
получения глюкозы является наиболее крупным процессом такого рода в мире.
Микробные ферменты активно используют в клинической диагностике при определении
уровня холестерина в крови и мочевой кислоты. Ферменты предлагают использовать для
очистки канализационных и водопроводных труб и т.д. и т.п. Ферменты для медицинских
или аналитических целей должны быть высокоочищенными.
В биологических объектах ферменты обычно находятся в фиксированном состоянии на
поверхности различных клеточных структур - наиболее часто на мембранах. Благодаря
этому ферменты сохраняют свою активность длительное время. В технологии долгое
время применялись препараты свободных ферментов; в таком состоянии срок их
использования был коротким - один производственный цикл. Для повышения
стабильности выделенных ферментов используют технику иммобилизации, т.е.
связывания ферментов на поверхности нерастворимого в воде носителя, например,
органических полимеров, стекла,
минеральных
солей, силикатов
и т.п.
Иммобилизованные ферменты можно длительное время использовать в биохимических
реакторах в условиях непрерывного процесса.
Иммобилизация и получение связанных ферментных препаратов стала возможным
благодаря детальному изучению строения многих ферментов. Раскрыт аминокислотный
состав ряда ферментных белков, их пространственная конфигурация, выявлены активные
центры, значение различных функциональных групп в проявлении каталитической
активности фермента и т. д.
Примеры использования иммобилизованных ферментов - изомеризация глюкозы во
фруктозу, гидролиз белков, трансформация стероидов, гормонов и т.д. Новая область
применения иммобилизованных ферментов - создание на их основе бессеребряных
фотоматериалов. На основе действия ферментов построены биолюминесцентные и
иммуноферментные методы анализа, отличительной чертой которых является высокая
чувствительность и абсолютная специфичность.
Производство аминокислот, органических кислот, витаминов*
Производство аминокислот относится к одной из наиболее передовых областей
биотехнологии. Аминокислоты получают путем химического синтеза или экстракцией из
белковых гидролизатов.
Незаменимые аминокислоты могут получаться микробиологическим путем более
эффективно, чем путем химического синтеза, так как при биологическом синтезе
используемые микроорганизмы образуют аминокислоты в биологически активной Lформе. Как продуценты лизина изучаются Brevibacterium lactofermentum и бактерии рода
Corynebacterium, также предложены способы биотехнологического получения
изолейцина, треонина при использовании E. coli. Большинство исследованных штаммов
микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно
накапливают L-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в
меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин, лизин.
За рубежом 60% мощностей по производству аминокислот занимают глутаминовая
кислота, далее идут метионин, лизин и глицин. Глутаминовая кислота производится при
участии в качестве продуцента штамма Corynebacterium.
С помощью микроорганизмов можно получить до 60 органических кислот. Многие из них
получаются в промышленном масштабе - итаконовая, молочная, уксусная, лимонная,
яблочная, янтарная. Эти пищевые кислоты используются как регуляторы кислотности и
консерванты. Лимонную кислоту получают с помощью Yarrowia lipolytica, Aspergillus
niger,
молочную
–
Endomycopsis
fibuligera,
Rhisopus
oryzae,
Lactobacillus casei, янтарную – Anaerobiospirillum succiniproducens. Уксусную кислоту
получают путем микробиологической конверсии водорода и углекислого газа бактериями
Acetobacterium woodi и Clostridium aceticum.
Микроорганизмы содержат много витаминов, которые чаще всего входят в состав
ферментов. Состав и количество витаминов в биомассе зависят от биологических свойств
данной культуры микроорганизмов и условий культивирования. Некоторые витамины
микроорганизмы синтезируют, другие напротив усваивают в готовом виде из
окружающей среды. Культура, способная синтезировать какой-либо витамин, называется
автотрофной по отношению к нему, если культура не способна синтезировать данный
витамин, она является авто-гетеротрофной.
Витамины синтезируют в основном химическим путем или получают из естественных
источников. Однако эргостерин, рибофлавин (В2), витамин В12 и аскорбиновую кислоту
(микроорганизмы используются как селективные окислители сорбита в сорбозу при
производстве витамина С) получают микробиологическим путем. Для синтеза витаминов
В1, В2, В6, В12 и аскорбиновой кислоты также используют кефирные грибки, а
бифидобактерии – группы В, РР (никотиновая кислота) и Н, однако пока эти
микроорганизмы не используются как продуценты витаминов в промышленных
масштабах.
Изменяя условия среды, содержание отдельных витаминов можно увеличить. Так,
количество рибофлавина зависит от интенсивности аэрации и содержания железа в среде.
Количество витаминов в клетках, а также их выделение из последних можно изменить при
помощи микроэлементов. Существует производство рибофлавина на основе
использования дрожжеподобных грибов Eremothecium ashbyii и Ashbia gossypii.
Рибофлавин продуцируется также видами Clostridium и Ascomycetes. Микроводоросль
Dunalieiia viridis культивируется с целью получения β-каротина.
Микроорганизмы являются источником получения липидов специального назначения с
заранее определенными свойствами. Микробные жиры заменяют растительные (а в ряде
случаев и превосходят)и могут использоваться в разных отраслях промышленности, с.-х.,
медицине.
Получение пищевых ароматизаторов микробиологическим путем может быть более
выгодным и продуктивным, чем их химический синтез или другие традиционные
способы. Так, в США был разработан экологически безопасный биокаталитический
способ
синтеза
ванилина
из
глюкозы
с
использованием генетически модифицированного штамма E. coli и грибного фермента
дегидрогеназы. Аромат ванилина при биотехнологическом его получении оказался в
несколько раз интенсивнее обычного.
Весьма перспективно использование грибных культур в качестве продуцентов сырных,
грибных, рыбных ароматизаторов. Освоены биотехнологические способы получения
веществ, имитирующих ароматы земляники, малины, банана, кокоса, яблока, персика,
миндаля.
Микроорганизмы являются важным источником получения полимерных материалов на
основе полисахаридов. Ценным микробным полисахаридом является декстран,
образуемый бактериями рода Leucomonstoс. Декстран служит основой получения
медицинских препаратов (кровезаменителей) и препаратов для биохимических
исследований - сефадексов и др. молекулярных сит. Нуклеозиды, нуклеотиды и их
производные также можно получать с помощью микроорганизмов.
Большинство пищевых красителей синтезируют химическим путем, но некоторые
натуральные пигменты микроорганизмов могут быть с успехом использованы в качестве
красителей для пищевых продуктов. Так, из гриба Monascus получен натуральный
красный пищевой краситель. Из бактерий с Канарских островов получен розовый
краситель для мороженого, крема, мыла. Такие красители безвредны и придают стойкий
цвет продуктам, что позволяет предположить, что в будущем микробиологическому
производству красителей будет уделяться больше внимания, чем в настоящее время.
Объекты биотехнологии и их биотехнологические функции*
Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации:
а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов,
ядерная ДНК);
б) бактерии и цианобактерии;
в) грибы;
г) водоросли;
д) простейшие;
е) культуры клеток растений и животных;
ж) растения – низшие (анабена-азолла) и высшие – рясковые.
Субклеточные структуры будут подробно изучаться в разделе «Основы генетической
инженерии», культуры растительных и животных клеток – в соответствующих разделах.
Бактерии и цианобактерии
Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные
для человека, несколько сотен видов. Биотехнологические функции бактерий
разнообразны. Бактерии используются при производстве: - пищевых продуктов,
например, уксуса (Gluconobacter suboxidans), молочнокислых напитков (Lactobacillus,
Leuconostoc) и др.; - микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis); - белка
(Methylomonas); - витаминов (Clostridium - рибофлавин); - растворителей и органических
кислот; - биогаза и фотоводорода.
Полезные бактерии относятся к эубактериям. Уксуснокислые бактерии, представленные
родами Gluconobacter и Acetobacter, - это грамотрицательные бактерии, превращающие
этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту в углекислый газ и воду. Род Bacillus
относится к грамположительным бактериям, которые способны образовывать эндоспоры
и имеют перитрихиальное жгутикование. B.subtilis - строгий аэроб, а B.thuringiensis может
жить и в анаэробных условиях. Анаэробные, образующие споры бактерии представлены
родом Clostridium. C.acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и nбутанол (ацетобутаноловое брожение), другие виды могут также сбраживать крахмал,
пектин и различные азотсодержащие соединения.
К молочнокислым бактериям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и
Streptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и нечувствительны к
кислороду. Гетероферментативные молочнокислые бактерии рода Leuconostoc
превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ.
Гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Streptococcus продуцируют только
молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода Lactobacillus,
позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов.
К бактериям рода Corynebacterium, неподвижные грамположительные клетки которых не
образуют эндоспор, относятся патогенные (C.diphtheriae, C.tuberculosis) и непатогенные
почвенные виды, имеющие промышленное значение. С.glutamicum служит источником
лизина и улучшающих вкус нуклеотидов. Коринебактерии хотя и считаются
факультативными анаэробами, лучше растут аэробно. Бактерии используются для
микробного выщелачивания руд и утилизации горнорудных отходов.
Широко используется такое свойство некоторых бактерий, как диазотрофность, то есть
способность к фиксации атмосферного азота.
Выделяют 2 большие группы диазотрофов:
- симбионты: без корневых клубеньков (азотобактер - лишайники, азоспириллум лишайники, анабена – лишайники, азолла), с корневым клубеньками (бобовые – ризобии,
ольха, лох, облепиха – актиномицеты);
- свободноживущие: гетеротрофы (азотобактер, клостридиум, метилобактер), автотрофы
(хлоробиум, родоспириллум и амебобактер).
Микробные клетки используют для трансформации веществ.
Бактерии также широко используются в генноинженерных манипуляциях при создании
геномных клонотек, введении генов в растительные клетки (агробактерии).
Производственные штаммы микроорганизмов должны соответствовать определенным
требованиям: способность к росту на дешевых питательных средах, высокая скорость
роста и образования целевого продукта, минимальное образование побочных продуктов,
стабильность продуцента в отношении производственных свойств, безвредность
продуцента и целевого продукта для человека и окружающей среды. В связи с этим все
микроорганизмы, используемые в промышленности проходят длительные испытания на
безвредность для людей, животных и окружающей среды. Важным свойством продуцента
является устойчивость к инфекции, что важно для поддержания стерильности, и
фагоустойчивость.
Все цианобактерии обладают способностью к азотфиксации, что делает их весьма
перспективными продуцентами белка. Анабена (Anabaena) - нитчатая сине-зеленая
водоросль. Нити из более или менее округлых клеток, содержат гетероцисты и иногда
крупные споры, по всей длине нить одинаковой толщины. В цитоплазме клеток
откладывается близкий к гликогену запасной продукт - анабенин. Такие представители
цианобактерий, как носток, спирулина, триходесмиум съедобны и непосредственно
употребляются в пищу. Носток образует на бесплодных землях корочки, которые
разбухают при увлажнении. В Японии местное население использует в пищу пласты
ностока, образующиеся на склонах вулкана и называет их ячменным хлебом Тенгу (Тенгу
- добрый горный дух).
Свое шествие спирулина (Spirulina platensis) начала из Африки — население района озера
Чад давно употребляет ее в пищу, называя этот продукт «дихе». Другое место, откуда
начала распространяться спирулина, но иного вида (Spirulina maxima) — воды озера
Тескоко в Мексике. Еще ацтеки собирали с поверхности озер и употребляли в пищу
слизистую массу сине-зеленой водоросли спирулины. Впервые галеты "текуитлатл"
упомянуты испанцем Кастильо в 1521 г. Эти галеты продавались на базаре в Мехико и
состояли из высушенных слоев S.maxima. В 1964 году бельгийский ботаник Ж.Леонар
обратил внимание на галеты сине-зеленого цвета, которые местное население изготовляло
из водорослей, растущих в щелочных прудах вокруг озера Чад. Эти галеты представляли
собой высушенную массу спирулины. Анализ образцов Spirulina показал, что в ней
содержится 65% белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов, 6% пигментов, 4%
липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков этой водоросли характерно
сбалансированное содержание аминокислот. Клеточная стенка этой водоросли хорошо
переваривается. Как озеро Тескоко, так и водоемы района озера Чад имеют в воде очень
высокое содержание щелочей. Характерно, что в таких озерах спирулина полностью
доминирует и растет почти как монокультура — составляет в отдельных озерах до 99 %
общего количества водорослей. Растет спирулина в щелочной среде при рН вплоть до 11.
Ее собирают также из озер около г. Мехико, получая до 2 т сухого веса биомассы
водоросли в сутки, и эта продукция рассылается в США, Японию, Канаду. В других
странах спирулину культивируют обычно в искусственных водоемах или специальных
емкостях. Спирулину можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в
замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20
г сухой массы водоросли с 1 м2 в день, а расчеты на год показали, что она превысит выход
пшеницы примерно в 10 раз.
Преимущества спирулины по сравнению с другими съедобными водорослями не только в
простоте культивирования, но и в несложности сбора биомассы, высушивания ее,
например, под солнцем. В ряде стран выращивают спирулину вида Spirulina platensis.
Недавно было показано, что в клетках спирулины, помимо ценного белка, углеводов,
липидов, витаминов, в значительных количествах запасается, например, такое ценное
вещество, как поли-b-оксибутират. Отечественная фармацевтическая промышленность
выпускает препарат «Сплат» на основе цианобактерии Spirulina platensis. Он содержит
комплекс витаминов и микроэлементов и применяется как общеукрепляющее и
иммуностимулирующе средство.
Использование грибов в биотехнологии*
Биотехнологические функции грибов разнообразны. Их используют для получения таких
продуктов, как:





антибиотики (пенициллы, цефалоспорины);
гиббереллины и цитокинины (фузариум и ботритис);
каротиноиды (н-р, астаксантин, придающий мякоти лососевых рыб краснооранжевый оттенок вырабатывают Rhaffia rhodozima, которых добавляют в корм на
рыбозаводах);
белок (Candida, Saccharomyces lipolitica);
сыры типа рокфор и камамбер (пенициллы);

соевый соус (Aspergillus oryzae).
К грибам относятся дрожжи и плесени.
Из 500 известных видов дрожжей первым люди научились использовать Saccharomyces
cerevisiae, этот вид наиболее интенсивно культивируется. К дрожжам, сбраживающим
лактозу, относится Kluyveromyces fragilis, который используют для получения спирта из
сыворотки. Saccharomycopsis lipolytica деградирует углеводороды и употребляется для
получения белковой массы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов. Другие
полезные виды относятся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов), так как они
размножаются не половым путем, а почкованием. Candida utilis растет в сульфитных
сточных водах (отходы бумажной промышленности). Trichosporon cutaneum, окисляющий
многочисленные органические соединения, включая некоторые токсичные (например,
фенол), играет важную роль в системах аэробной переработки стоков. Phaffia rhodozyma
синтезирует астаксантин - каротиноид, который придает мякоти форели и лосося,
выращиваемых на фермах, характерный оранжевый или розоватый цвет. Промышленные
дрожжи обычно не размножаются половым путем, не образуют спор и полиплоидны.
Последним объясняется их сила и способность адаптироваться к изменениям среды
культивирования (в норме ядро клетки S.cerevisiae содержит 17 или 34 хромосомы, т.е.
клетки либо гаплоидны, либо диплоидны).
Плесени вызывают многочисленные превращения в твердых средах, которые происходят
пред брожением. Их наличием объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве
сакэ и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищи, употребляемой в
азиатских странах. Пищевые продукты на основе сброженных плесневыми грибами
Rhizopus oligosporus соевых бобов или пшеницы содержат в 5 - 7 раз больше таких
витаминов, как рибофлавин, никотиновая кислота) и отличаются повышенным в
несколько раз содержанием белка. Плесени также продуцируют ферменты, используемые
в промышленности (амилазы, пектиназы и т.д.), органические кислоты и антибиотики. Их
применяют и в производстве сыров, например, камамбера и рокфора.
Искусственное выращивание грибов способно внести и иной, не менее важный вклад в
дело обеспечения продовольствием возрастающего населения земного шара. Люди
употребляют грибы в пищу с глубокой древности. Поэтому сделать грибы такой же
управляемой сельскохозяйственной культурой, как зерновые злаки, овощи, фрукты, давно
уже стало актуальной задачей. Наиболее легко поддаются искусственному выращиванию
древоразрушающие грибы. Это связано с особенностями их биологии, которые стали нам
известны и понятны только сейчас. Их способность легко расти и плодоносить
использовали с древнейших времен.
Искусственное разведение древоразрушающих грибов получило довольно широкое
распространение. Мицелий съедобных грибов можно выращивают на жидких средах,
например на молочной сыворотке и др., в специальных ферментерах, в так называемой
глубинной культуре. Это полностью механизированный и автоматизированный процесс.
Так, в Институте микробиологии Академии наук БССР разработаны и апробированы в
опытном производстве способы получения белковых грибных препаратов даедалина и
пантегрина из мицелия древоразрушающих грибов дедалеопсиса бугристого и
пилолистника тигрового, с высоким содержанием белка и биологически активных
веществ. По содержанию белка 1 кг этих препаратов эквивалентен 2 кг мяса. По
биологической ценности белок этих препаратов не уступает растительным и
приближается к животным белкам. Перевариваемость белков данных препаратов
составляет свыше 80 %. В основе этого способа получения пищевого белка лежат
полученные микологами данные о том, что плодовые тела грибов и их грибница близки по
своему химическому составу и пищевой ценности. Грибные белковые препараты даедалин
и пантегрин рекомендованы в качестве пищевых добавок после соответствующего
медицинского контроля. Исследования в этом направлении продолжаются.
Простейшие в биотехнологии*
Простейшие относятся к числу нетрадиционных объектов биотехнологии. До недавнего
времени они использовались лишь как компонент активного ила при при биологической
очистке сточных вод. В настоящее время они привлекли внимание исследователей как
продуценты биологически активных веществ.
В этом качестве рациональнее использовать свободноживущих простейших, обладающих
разнообразными
биосинтетическими
возможностями
и
потому
широко
распространенными в природе.
Особую экологическую нишу занимают простейшие, обитающие в рубце жвачных
животных. Они обладают ферментом целлюлазой, способствующей разложению
клетчатки в желудке жвачных. Простейшие рубца могут быть источником этого ценного
фермента. Возбудитель
южноамериканского трипаносомоза
—
Trypanosoma
(Schizotrypanum cruzi) стала первым продуцентом противоопухолевого препарата круцина
(СССР) и его аналога—трипанозы (Франция). Изучая механизм действия этих препаратов,
советские ученые (Г. И. Роскин, Н. Г. Клюева и их сотрудники), а также их французские
коллеги (Ж. Кудер, Ж. Мишель-Брэн и др.) пришли к выводу, что эти препараты
оказывают цитотоксический эффект при прямом контакте с опухолью и ингибируют ее
опосредованно, путем стимуляции ретикулоэндотелиальной системы. Выяснилось, что
ингибирующее действие связано с жирнокислотными фракциями. Характерной
особенностью этих организмов является высокое содержание ненасыщенных жирных
кислот, составляющее у трипаносомид 70—80 %, а у Astasia longa (свободноживущий
жгутиконосец) — 60 % от суммы всех жирных кислот. У жгутиконосцев фосфолипиды и
полиненасыщенные жирные кислоты имеют такой же состав и строение, как в организме
человека и животных. В мире микробов полиненасыщенные жирные кислоты не
синтезируются, а многоклеточные животные или растения представляют собой более
ограниченную сырьевую базу, чем простейшие, культуры которых можно получать
методами биотехнологии независимо от времени года или климатических условий.
Поскольку липидный метаболизм простейших обладает относительной лабильностью,
были изучены пути его регуляции. Применение к простейшим общепринятого в
микробиологии приема повышения биосинтеза липидов за счет снижения содержания в
среде источника азота и увеличения содержания источника углерода привело к резкому
торможению или остановке роста культур. Для создания условий направленного
биосинтеза липидов в среды для культивирования жгутиконосцев добавляли
предшественники и стимуляторы биосинтеза липидов: малонат, цитрат, сукцинат,
цитидиннуклеотиды в сочетании с определенным режимом аэрации.
Российские ученые получили водорастворимый полусинтетический препарат —
астазилид, представляющий собой комплекс эфиров сахарозы и жирных кислот,
предварительно выделенных из А. longa. Для изучения активности и механизма действия
этого препарата были применены различные модели: бислойные липидные мембраны
(БЛМ), монослойные культуры почки теленка и карциномы яичника человека,
иммунокомпетентные клетки — перитонеальные макрофаги. Было установлено, что
астазилид вызывает увеличение проводимости, поверхностного натяжения, а также
уменьшение электромеханической стабильности БЛМ.
Полученные данные позволяют предполагать,что в основе физиологических эффектов
препарата лежит его значительное мембраноактивное действие. Астазилид проявляет
мягкие детергентные свойства. Возможно, что увеличение проводимости и некоторая
дестабилизация клеточных мембран открывают путь для проникновения внутрь клетки
Ca2+ и других ионов, играющих ключевую роль в регуляции метаболизма. При изучении
действия астазилида на культуру клеток почки теленка было установлено, что препарат
увеличивает митотический индекс клеток, снижает их полиморфизм, улучшает
адгезивные свойства культуры, обеспечивает более плотное сцепление с субстратом и
усиление межклеточных контактов.
Препарат не обладал прямым цитотоксическим действием на культуру опухолевых
клеток, а его противоопухолевое действие, изученное на 8 штаммах перевиваемых
опухолей мышей и крыс, реализовалось через иммунную систему. Астазилид действовал
главным образом на клеточное звено иммунитета, вызывая повышение фагоцитарной
активности перитонеальных макрофагов, увеличение способности индуцировать развитие
гиперчувствительности замедленного типа и некоторых других показателей. Препарат
предотвращаал гибель 60—80 % животных, зараженных бактериальными инфекциями (Е.
coli, Ps. aerugenosa), а также лейшманиями. Другой группой биологически активных
веществ простейших являются полисахариды.
Разнообразие полисахаридов, синтезируемых простейшими, достаточно велико. Особый
интерес представляет парамилон, характерный для эвгленоидных жгутиконосцев.
Представители родов Astasia и Euglena способны к сверхсинтезу парамилона,
составляющему свыше 50 % сухого остатка клеток. Этот полисахарид изучается как
стимулятор иммунной системы млекопитающих. В наших опытах парамилон A. longa
обладал выраженным противоопухолевым эффектом. Действуя опосредованно через
иммунную систему, парамилон тормозит рост саркомы 180 на 60 % и снижает
прививаемость аденокарциномы Эрлиха. Аденокарцинома Эрлиха вообще не прививалась
у 50— 60 % мышей, которым профилактически был введен парамилон в дозах 3 и 30 мг/кг
веса животного. Парамилон, выделенный из А. longa, практически нетоксичен.
Выраженное иммуномодулирующее действие и низкая токсичность этого препарата
являются предпосылкой для его углубленного исследования в сочетании с препаратами
прямого противоопухолевого действия, радиотерапией и другими адъювантами.
В настоящее время в мире придается большое значение производству глюканов не только
для медицинских целей, но и для пищевой и текстильной промышленности. До сих пор
глюканы получали из культур бактерий или морских водорослей. Эвглениды являются
одним из наиболее перспективных источников этого вещества. Структурные
полисахариды, входящие в состав клеточных мембран простейших,— это
гетерополисахариды, содержащие глюкозу, маннозу, ксилозу, арабинозу, рибозу,
галактозу,
рамнозу,
фруктозу,
глюкозамин.
Наиболее
характерными
гетерополисахаридами
являются
арабиногалактаны,
Д-галакто-Д-маннан,
фосфаноглюканы и другие.
Большой интерес представляет выяснение антигенной взаимосвязи между непатогенными
и патогенными для человека видами трипаносомид. Установлено, что при введении
мышам полисахаридов из культур непатогенных для человека простейших —
Herpetomonas sp. и Crithidia fasciculata — повышалась резистентность животных к Т. cruzi,
возбудителю болезни Чагаса у человека. Наличие перекрестных иммунологических
реакций между полисахаридами различных типов послужило основанием для вывода о
том, что антигенная общность между этими веществами обусловлена не структурой
полимера, а отдельными мономерами или олигомерами одинакового химического
строения.
Биомасса простейших содержит до 50% белка. Его высокая биологическая ценность
заключается в том, что он содержит все незаменимые аминокислоты, причем со держание
свободных аминокислот на порядок выше, чем в биомассе микроводорослей, бактерий и в
мясе. Это свидетельствует о широких возможностях применения свободноживущих
простейших в качестве источника кормового белка.
Водоросли в биотехнологии*
Водоросли используются, в основном, для получения белка. Весьма перспективны в этом
отношении и культуры одноклеточных водорослей, в частности высокопродуктивных
штаммов рода Chlorella и Scenedesmus. Их биомасса после соответствующей обработки
используется в качестве добавки в рационы скота, а также в пищевых целях.
Одноклеточные водоросли выращивают в условиях мягкого теплого климата (Средняя
Азия, Крым) в открытых бассейнах со специальной питательной средой. К примеру, за
теплый период года (6—8 месяцев) можно получить 50—60 т биомассы хлореллы с 1 га,
тогда как одна из самых высокопродуктивных трав — люцерна дает с той же площади
только
15—
20
т
урожая.
Хлорелла содержит около 50 % белка, а люцерна — лишь 18 %. В целом в пересчете на 1
га хлорелла образует 20—30 т чистого белка, а люцерна — 2—3,5 т. Кроме того, хлорелла
содержит 40 % углеводов, 7—10 % жиров, витамины А (в 20 раз больше), B2, К, РР и
многие микроэлементы. Варьируя состав питательной среды, можно процессы биосинтеза
в клетках хлореллы сдвинуть в сторону накопления либо белков, либо углеводов, а также
активировать
образование
тех
или
иных
витаминов.
При завоевании племен майя миссионерами описывался случай, когда испанцы около
полутора лет осаждали крепость на вершине горы. Естественно, что все продукты давно
должны были кончиться, однако крепость не сдавалась. Когда же она была наконец взята,
то испанцы с удивлением увидели в ней небольшие пруды, где культивировались
одноклеточные водоросли, из которых индейцы готовили особый сыр. Испанцы
попробовали его и нашли весьма приятным на вкус. Однако это было уже после того, как
испанцы уничтожили абсолютно всех защитников и секрет племени был утерян. В наше
время делались попытки определить этот вид водорослей, из которых готовился сыр, но
они
не
увенчались
успехом.
В пищу употребляют не менее 100 видов макрофитных водорослей как в странах Европы
и Америки, так и особенно на Востоке. Из них готовят много разнообразных блюд, в том
числе диетических, салатов, приправ. Их подают в виде засахаренных кусочков,
своеобразных конфет, из них варят варенье, делают желе, добавки к тесту и многое
другое. В магазине можно купить консервы из морской капусты — ламинарии
дальневосточных или северных морей. Ее консервируют с мясом, рыбой, овощами, рисом,
употребляют при приготовлении супов и др. Она наряду с микроводорослью хлореллой
является
самой
популярной
съедобной
и
кормовой
водорослью.
Известны и другие съедобные макрофитные водоросли — ульва, из которой делают
разные зеленые салаты, а также алария, порфира, родимения, хондрус, ундария и др. В
Японии продукты, получаемые из ламинариевых, называют «комбу», и для того, чтобы их
вкусно
приготовить,
существует
более
десятка
способов.
В целом ряде стран водоросли используют как весьма полезную витаминную добавку к
кормам для сельскохозяйственных животных. Их прибавляют к сену или дают как
самостоятельный корм для коров, лошадей, овец, коз, домашней птицы во Франции,
Шотландии, Швеции, Норвегии, Исландии, Японии, Америке, Дании и на нашем Севере.
Животным скармливают в виде добавки также биомассу выращиваемых микроводорослей
(хлорелла,
сценедесмус,
дуналиелла
и
др.).
Гидролизаты белка зеленой водоросли Scenedesmus используются в медицине и
косметической промышленности. В Израиле на опытных установках проводятся
эксперименты с зеленой одноклеточной водорослью Dunaliella bardawil, которая
синтезирует глицерол. Эта водоросль относится к классу равножгутиковых и похожа на
хламидомонаду. Dunadiella может расти и размножаться в среде с широким диапазоном
содержания соли: и в воде океанов, и в почти насыщенных солевых растворах Мертвого
моря.
Она
накапливает
свободный
глицерол,
чтобы
противодействовать
неблагоприятному влиянию высоких концентраций солей в среде, где она растет. При
оптимальных условиях и высоком содержании соли на долю глицерола приходится до
85% сухой массы клеток. Для роста этим водорослям необходимы: морская вода,
углекислый газ и солнечный свет. После переработки эти водоросли можно использовать
в качестве корма для животных, так как у них нет неперевариваемой клеточной оболочки,
присущей другим водорослям. Они также содержат значительное количество β-каротина.
Таким образом, культивируя эту водоросль, можно получать глицерол, пигмент и белок,
что
весьма
перспективно
с
экономической
точки
зрения.
Наряду с кормами водоросли давно применяют в сельском хозяйстве в качестве
удобрений. Биомасса обогащает почву фосфором, калием, йодом и значительным
количеством микроэлементов, пополняет также ее бактериальную, в том числе
азотфиксирующую, микрофлору. При этом в почве водоросли разлагаются быстрее, чем
навозные удобрения, и не засоряют ее семенами сорняков, личинками вредных
насекомых,
спорами
фитопатогенных
грибов.
Одним из самых ценных продуктов, получаемых из красных водорослей, является агар —
полисахарид, присутствующий в их оболочках и состоящий из агарозы и агаропектина.
Количество его доходит до 30—40 % от веса водорослей (водоросли лауренция и
грацилярия, гелидиум). Водоросли — единственный источник получения агара,
агароидов, каррагинина, альгинатов. В мире в 1980 г. было получено 7 тыс. т агара, 222
тыс. т альгинатов, 10 тыс. т каррагинина. В нашей стране основным источником агара
служит
красная
водоросль
анфельция.
Бурые водоросли являются единственным источником получения одних из самых ценных
веществ водорослей — солей альгиновой кислоты, альгинатов. Альгиновая кислота —
линейный гетерополисахарид, построенный из связанных остатков (3 — Д-маннуроновой
и
α
—
L-гиулуроновой
кислот.
Альгинаты исключительно широко применяются в народном хозяйстве. Это изготовление
высококачественных смазок для трущихся деталей машин, медицинские и парфюмерные
мази и кремы, синтетические волокна и пластики, стойкие к любой погоде лакокрасочные
покрытия, не выцветающие со временем ткани, производство шелка, клеящих веществ
исключительно сильного действия, строительных материалов, пищевые продукты
отличного качества — фруктовые соки, консервы, мороженое, стабилизаторы растворов,
брикетирование топлива, литейное производство и многое другое. Альгинат натрия —
наиболее используемое соединение — способен поглощать до 300 весовых единиц воды,
образуя
при
этом
вязкие
растворы.
Бурые водоросли богаты также весьма полезным соединением — шестиатомным спиртом
маннитом, который с успехом применяют в пищевой промышленности, фармацевтике,
при производстве бумаги, красок, взрывчатки и др. Бурые водоросли в ближайшее время
планируется использовать для получения биогаза. Каллусные культуры макрофитных
водорослей могут быть использованы далее в различных направлениях. В случае, если они
получены от агарофитов, можно непосредственно получать из них агар.
Каллусные культуры пищевых макрофитных водорослей, например ламинариевых, могут
в перспективе использоваться для получения белка, непосредственно идущего в пищу и в
пищевые добавки, а также в корма сельскохозяйственным животным. Суспензионные
культуры макрофитных водорослей открывают в перспективе возможности использования
их в качестве трофического звена в марикультуре. Они могли бы также выступать в
качестве партнера в искусственно создаваемых растительных ассоциациях, участники
которых обладают полезными свойствами. Выделяемые клетками культуры
экзометаболиты, характерные для исходного вида водоросли, будут составлять основу
трофического обмена при удачном подборе партнеров в растительной ассоциации или
комплексе марикультуры. Необходимо отметить, что при отсутствии токсического и
антагонистического действия выделяемых соединений в естественных условиях
существуют разнообразные и многочисленные природные ассоциации, например
повсеместно встречающиеся комплексы водорослей и бактерий.
Перспективы развития биотехнологии*
Центральная проблема биотехнологии - интенсификация биопроцессов как за счет
повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет
усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных
ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине.
В основе промышленного использования достижений биологии лежит техника создания
рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять
наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и
создавать организмы с новыми свойствами. В частности, возможно управление процессом
фиксации атмосферного азота и перенос соответствующих генов из клеток
микроорганизмов в геном растительной клетки.
В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение будут приобретать
воспроизводимые ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского
хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и
вторичного топлива (биогаза), органических удобрений.
Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология
микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие
этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей растениеводства и
животноводства с одной стороны, и микробного синтеза - с другой, в формировании
продовольственной базы человечества.
Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является
изучения участия микроорганизмов в биосферных процессах и направленная регуляция их
жизнедеятельности с целью решения проблемы охраны окружающей среды от
техногенных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений.
С этой проблемой тесно связаны исследования по выявлению роли микроорганизмов в
плодородии почв (гумусообразовании и пополнении запасов биологического азота),
борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации
пестицидов и др. химических соединений в почве. Имеющиеся в этой области знания
свидетельствуют о том, что изменение стратегии хозяйственной деятельности человека от
химизации к биологизации земледелия оправдывается как с экономической, так и с
экологической точек зрения. В данном направлении перед биотехнологией может быть
поставлена цель регенерации ландшафтов.
Ведутся работы по созданию биополимеров, которые будут способны заменить
современные пластмассы. Эти биополимеры имеют существенное преимущество перед
традиционными материалами, так как нетоксичны и подвержены биодеградации, то есть
легко разлагаются после их использования, не загрязняя окружающую среду.
Биотехнологии, основанные на достижениях микробиологии, наиболее экономически
эффективны при комплексном их применении и создании безотходных производств, не
нарушающих экологического равновесия. Их развитие позволит заменить многие
огромные заводы химической промышленности экологически чистыми компактными
производствами.
Важным и перспективным направлением биотехнологии является разработка способов
получения экологически чистой энергии. Получение биогаза и этанола были рассмотрены
выше, но есть и принципиально новые экспериментальные подходы в этом направлении.
Одним из них является получение фотоводорода. Если из хлоропластов выделить
мембраны, содержащие фотосистему 2, то на свету происходит фотолиз воды разложение на кислород и водород. Моделирование процессов фотосинтеза,
происходящих в хлоропластах, позволило бы запасать энергию Солнца в ценном топливе водороде. Преимущества такого способа получения энергии очевидны:






наличие избытка субстрата, воды;
нелимитируемый источник энергии - Солнце;
продукт (водород) можно хранить, не загрязняя атмосферу;
водород имеет высокую теплотворную способность (29 ккал/г) по сравнению с
углеводородами (3.5 ккал/г);
процесс идет при нормальной температуре без образования токсических
промежуточных продуктов;
процесс циклический, так как при потреблении водорода регенерируется субстрат вода.
Другой механизм превращения энергии у галофитных бактерий Halobacterium halobium,
которые используют энергию солнца, поглощаемую пурпурным пигментом
бактериородопсином, находящимся в мембране клетки. Поглощение света вызывает
химические и физические изменения в мембране, приводящие к направленному
транспорту протонов водорода с одной стороны мембраны на другую и созданию
электрохимического градиента. Следствием этого является синтез аденозинтрифосфорной
кислоты. H.halobium можно культивировать в мелких водоемов с высоким содержанием
NaCl и других минеральных солей. Из 10 литров бактериальной культуры можно
получить 0,5 грамма мембран, содержащих до 100000 молекул пигмента. Пигмент можно
фиксировать на подложках, обладающих физическими и химическими свойствами для
транспорта протонов.
Биотехнологии в решении экологических проблем*
Биодеградация ксенобиотиков
В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важны несколько факторов:






устойчивость ксенобиотиков к различным воздействиям;
растворимость их в воде;
летучесть ксенобиотиков;
рН среды;
способность ксенобиотиков поступать в клетки микроорганизмов;
сходство ксенобиотиков и природных соединений, подвергающихся естественной
биодеградации.
Для биодеградации ксенобиотиков лучше использовать ассоциации микроорганизмов, так
как они более эффективны, чем отдельно взятые виды. При этом типы связей в подобной
ассоциации могут быть различны. Один вид микроорганизмов может непосредственно
участвовать в разложении ксенобиотиков, а другой – поставлять недостающие
питательные вещества. Это может быть метаболическая «атака» на субстрат, когда
синтезируются разные компоненты ферментативного комплекса, или же цепочка
ферментативных реакций (многосубстратные конверсии) и т.д.
Особенно трудно разлагаются такие биоциды, как детергенты, пластики и углеводороды.
Самыми способными к борьбе с загрязнителями различного типа являются представители
рода Pseudomonas – они практически «всеядны». Клетки этих микроорганизмов содержат
оксидоредуктазы и гидроксилазы, способные разлагать большое число молекул
углеводородов и ароматических соединений, таких как бензол, ксилол, толуол. Гены,
кодирующие эти ферменты, находятся в составе плазмид. Например, плазмида OCT
отвечает за разложение октана и гексана, XYL – ксилола и толуола, NAH – нафталина,
CAM – камфары. Плазмиды САМ и NAH обеспечивают собственный перенос, индуцируя
скрещивание бактериальных клеток; остальные плазмиды могут быть перенесены только
в том случае, если в бактерии введены другие плазмиды, обеспечивающие скрещивание.
В 1979 г. Чакрабарти (в то время совместно с компанией «Дженерал электрик») после
успешных скрещиваний получил штамм, содержащий плазмиды XYL и NAH, а также
гибридную плазмиду, полученную путем рекомбинации частей плаз¬мид САМ и ОСТ
(сами по себе они несовместимы, т. е. не могут сосуществовать как отдельные плазмиды в
одной бактериальной клетке). Этот штамм способен быстро расти на неочищенной нефти,
так как он метаболизирует углеводороды гораздо активнее, чем любой из штаммов,
содержащих только одну плазмиду. Штамм может быть особенно полезен в очистных
водоемах для сточных вод, где можно контролировать температуру и другие внешние
факторы.
Эти микроорганизмы удобно использовать для очистки нефтяных пятен на суше или море
при различных авариях. Для большей эффективности создают микроэмульсию,
содержащую бактериальные штаммы и капсулы со смесью основных питательных
элементов - азота, фосфора и калия внутри. Добавление этих веществ стимулирует
размножение бактриальных штаммов. Применение такого метода позволяет очистить от
70 до 90% загрязненной поверхности, за это же время очищается всего порядка 10-20%
необработанной поверхности.
Преимущество бактериальной очистки по сравнению с химической в том, что она не
вызывает появления нового загрязняющего агента в окружающей среде. Плотность
фитопланктона после бактериальной очистки повышается. Некоторые микроорганизмы
способны изменять молекулу ксенобиотика и делать ее доступной и привлекательной для
других микроорганизмов («кометаболизм»). Примером может служить разложение
инсектицида паратиона под действием двух штаммов Pseudomonas – P. aeruginosa и P.
stuzeri. В некоторых случаях происходит неполное превращение молекулы ксенобиотика фосфорилирование, метилирование, ацетилирование и т. д., результатом которого
является утрата этим веществом токсичности.
Одним из сильных загрязнителей является ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота).
Причина в том, что ЭДТА связывает тяжелые металлы, способствуя их накоплению в
почве. Бактрии родов Pseudomonas и Bacillus способны за две недели разрушить все связи
комплекса Fe-ЭДТА. Эти бактерии успешно применяются для очистки бытовых сточных
вод, куда попадают детергенты моющих средств. Кроме Pseudomonas, биодеградацию
ксенобиотиков могут осуществлять и представители родов Acinetobacter, Metviosinus.
Однако, в некоторых случаях внесение этих микроорганизмов в почву может изменить
экосистему местности. Избежать этого можно ограничивая время жизнедеятельности
бактерий. Например, облучая штаммы ультрафиолетом, получили мутант, ауксотрофный
по лейцину. Бактерии размножают в питательной среде, содержащей лейцин. Суспензией
микроорганизмов в питательной среде пропитывают древесную стружку, которую
разбрасывают по загрязненной территории. Количество лейцина рассчитывается на время,
достаточное для уничтожения вредных примесей, поэтому после очистки мутантные
штаммы гибнут.
Еще эффективнее, чем бактерии, справляются с посвенными загрязнителями грибы. Они
могут разрушать такие вещества, как пентахлорбензол, пентахлофенол. В одном из
экспериментов грибами обработали около 10000 тонн почвы с территории
деревоперерабатывающего комплекса. В этой почве содержание пентахлорфенола
достигало 700 мг/кг, но за год деятельности оно снизилось до 10 мг/кг, что является
допустимой нормой. Бактерии смогли бы переработать эту почву лишь за 4-5 лет. Грибы
активны и зимой, разрушают высокомолекулярные полиароматические углеводороды,
действуют внеклеточно, выделяя неспецифические ферменты. Стоимость грибной и
бактериальной очистки одинаковы, но применение грибов позволяет сокращать сроки
деградации и существенно удешевляет ее.
Биотехнологии в решении экологических проблем*
Аэробная очистка сточных вод
Биологическая переработка отходов опирается на ряд дисциплин: биохимию, генетику,
химию, микробиологию, вычислительную технику. Усилия этих дисциплин
концентрируются на трех основных направлениях:



деградация органических и неорганических токсичных отходов;
возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота,
фосфора, азота и серы;
получение ценных видов органического топлива.
При очистке сточных вод выполняют четыре основные операции:
1. При первичной переработке происходит усреднение и осветление сточных вод от
механических примесей (усреднители, песколовки, решетки, отстойники).
2. На втором этапе происходит разрушение растворенных органических веществ при
участии аэробных микроорганизмов. Образующийся ил, состоящий главным образом из
микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в реактор. При технологии,
использующей активный ил, часть его возвращается в аэрационный тенк.
3. На третьем (необязательном) этапе производится химическое осаждение и разделение
азота и фосфора.
4. Для переработки ила, образующегося на первом и втором этапах, обычно используется
процесс анаэробного разложения. При этом уменьшается объем осадка и количество
патогенов, устраняется запах и образуется ценное органическое топливо - метан.
На практике применяются одноступенчатые и многоступенчатые системы очистки.
Одноступенчатая схема очистки сточной воды представлена на рис. 6.
Рис. 6. Принципиальная схема очистных сооружений:
1 - пескоуловители; 2 - первичные отстойники; 3 - аэротенк; 4 - вторичные отстойники; 5 биологические пруды; 6 - осветление; 7 - реагентная обработка; 8 - метатенк; АИ активный ил
Сточные воды поступают в усреднитель, где происходит интенсивное перемешивание
стоков с различным качественным и количественным составом. Перемешивание
осуществляется за счет подачи воздуха. В случае необходимости в усреднитель подаются
также биогенные элементы в необходимых количествах и аммиачная вода для создания
определенного значения рН. Время пребывания в усреднителе составляет обычно
несколько часов. При очистке фекальных стоков и отходов нефтепереработки
необходимым элементом очистных сооружений является система механической очистки песколовки и первичные отстойники. В них происходит отделение очищаемой воды от
грубых взвесей и нефтепродуктов, образующих пленку на поверхности воды.
Биологическая очистка воды происходит в аэротенках. Аэротенк представляет собой
открытое железобетонное сооружение, через которое проходит сточная вода, содержащая
органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении
всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом. Интенсивная
аэрация суспензии активного ила кислородом приводит к восстановлению его
способности сорбировать органические примеси.
В основе биологической очистки воды лежит деятельность активного ила (АИ) или
биопленки, естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном
производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки.
Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких
сотен микрометров. На 70% он состоит из живых организмов и на 30% - из твердых
частиц неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем
образуют зооглей - симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой
оболочкой. Микрооганизмы, выделенные из активного ила относятся к различным родам:
Actynomyces, Azotobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfomonas,
Pseudomonas, Sarcina и др. Наиболее многочисленны бактерии рода Pseudomonas, о
всеядности которых упоминалось ранее. В зависимости от внешней среды, которой в
данном случае является сточная вода, та или иная группа бактерий может оказаться
преобладающей, а остальные становятся спутниками основной группы.
Существенная роль в создании и функционировании активного ила принадлежит
простейшим. Функции простейших достаточно многообразны; они сами не принимают
непосредственного участия в потреблении органических веществ, но регулируют
возрастной и видовой состав микроорганизмов в активном иле, поддерживая его на
определенном уровне. Поглощая большое количество бактерий, простейшие
способствуют выходу бактериальных экзоферментов, концентрирующихся в слизистой
оболочке и тем самым принимать участие в деструкции загрязнений. В активных илах
встречаются представители четырех классов простейших: саркодовые (Sarcodina),
жгутиковые инфузории (Mastigophora), реснитчатые инфузории (Ciliata), сосущие
инфузории (Suctoria).
Показателем качества активного ила является коэффициент протозойности, который
отражает соотношение количества клеток простейших микроорганизмов к количеству
бактериальных клеток. В высококачественном иле на 1 миллион бактериальных клеток
должно приходиться 10-15 клеток простейших. При изменении состава сточной воды
может увеличится численность одного из видов микроорганизмов, но другие культуры все
равно остаются в составе биоценоза.
На формирование ценозов активного ила могут оказывать влияние и сезонные колебания
температуры, обеспеченность кислородом, присутствие минеральных компонентов. Все
это делает состав или сложным и практически невоспроизводимым. Эффективность
работы очистных сооружений зависит также от концентрации микроорганизмов в сточных
водах и возраста активного ила. В обычных аэротенках текущая концентрация активного
ила не превышает 2-4 г/л.
Увеличение концентрации ила в сточной воде приводит к росту скорости очистки, но
требует усиления аэрации, для поддержания концентрации кислорода на необходимом
уровне. Таким образом, аэробная переработка стоков включает в себя следующие стадии:
1) адсорбция субстрата на клеточной поверхности; 2) расщепление адсорбированного
субстрата внеклеточными ферментами; 3) поглощение растворенных веществ клетками; 4)
рост и эндогенное дыхание; 5) высвобождение экскретируемых продуктов; 6) "выедание"
первичной популяции организмов вторичными потребителями. В идеале это должно
приводить к полной минерализации отходов до простых солей, газов и воды. На практике
очищенная вода и активный ил из аэротенка подаются во вторичный отстойник, где
происходит отделение активного ила от воды. Часть активного ила возвращается в
систему очистки, а избыток активного ила, образовавшийся в результате роста
микроорганизмов, поступает на иловые площадки, где обезвоживается и вывозится на
поля. Избыток активного ила можно также перерабатывать анаэробным путем.
Переработанный активный ил может служить и как удобрения, и как корм для рыб, скота.
Система полной доочистки может состоять из множества элементов, которые
определяются дальнейшим назначением сточной воды. Возможно применение
биологических прудов, где биологически очищенная вода проходит осветление и
насыщается кислородом. Пруды также относятся к системе биологической очистки, в
которой под воздействием биоценоза активного ила происходит окисление органических
примесей. Состав биоценозов биологических прудов определяется глубиной нахождения
данной группы микроорганизмов. В верхних слоях развиваются аэробные культуры, в
придонных - факультативные аэробы и анаэробы, способные осуществлять процессы
метанового брожения или восстановление сульфатов. Насыщение воды кислородом
происходит за счет процессов фотосинтеза, осуществляемого водорослями, из которых
особенно широко представлены Clorella, Scenedesmus, встречаются эвгленовые,
вольвоксовые и т.д. В прудах также в той или иной мере представлена микро- и
макрофауна: простейшие, черви, коловратки,насекомые и др. В биопрудах из воды
хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие органические соединения. В
некоторых случаях воду после биологической очистки подвергают реагентной обработке хлорированию или озонированию.
Интенсифицировать процессы биологической очистки можно путем аэрации суспензии
активного ила чистым кислородом. Этот процесс можно осуществить в
модифицированных аэротенках закрытого типа - окситенках, с принудительной аэрацией
сточной воды. В отличие от аэротенков в биофильтрах (или перколяционных фильтрах)
клетки микроорганизмов находятся в неподвижном состоянии, так как прикреплены к
поверхности пористого носителя. Образовавшуюся таким образом биопленку можно
отнести к иммобилизованным клеткам. В этом случае иммобилизована не монокультура, а
целый консорциум, неповторимый по качественному и количественному составу и
различающийся в зависимости от его местонахождения на поверхности носителя.
Очищаемая вода контактирует с неподвижным носителем, на котором иммобилизованы
клетки и за счет их жизнедеятельности происходит снижение концентрации загрязнителя.
Преимущество применения биофильтров состоит в том, что формирование конкретного
ценоза приводит к практически полному удалению всех органических примесей.
Недостатками этого метода можно считать:



нереальность использования стоков с высоким содержанием органических
примесей;
необходимость равномерного орошения поверхности биофильтра сточными
водами, подаваемыми с постоянной скоростью;
сточные воды перед подачей должны быть освобождены от взвешенных частиц во
избежание заиливания.
В качестве носителей можно использовать керамику, щебень, гравий, керамзит,
металлический или полимерный материал с высокой пористостью. Для биофильтров
характерно наличие противотока воды, которая поступает сверху и воздуха, подающегося
снизу. Оторвавшиеся частицы микробной пленки после отделения их во вторичном
отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а идут на иловые площадки или в
анаэробную преработку.
Существуют также системы, сочетающие в себе как систему биофильтров, так и
активного ила в аэротенках. Это так называемые аэротенки-вытеснители. В аэрируемую
сточную воду помещают либо стеклоерши, либо создают систему сеток внутри тенка, в
которые вкладываются прокладки из пористого полиэфира. В пустотах этих прокладок и
на поверхности стеклоершей происходит накопление биоценоза активного ила. Носитель
периодически удаляется из тенка, биомасса снимается, после чего носитель возвращается
в реактор.
Система с иммобилизованными на мобильном носителе клетками отличается от
биофильтров своей экономичностью, так как используются высокие концентрации
микроорганизмов и нет необходимости осаждать конечные продукты. Такая система
может найти применение в очистке локальных стоков, с узким спектром загрязнений. Их
целесообразно очищать в самостоятельных биологических системах, не смешивая со
стоками других производств. Это позволяет получить биоценозы микроорганизмов ,
адаптированные к данному узкому спектру загрязнений, при этом скорость и
эффективность очистки резко возрастают.
Анаэробные системы очистки
Как уже упоминалось, избыток активного ила может перерабатываться двумя способами:
после высушивания как удобрение или же попадает в систему анаэробной очистки. Такие
же способы очистки применяют и при сбраживании высококонцентрированных стоков,
содержащих большое количество органических веществ. Процессы брожения
осуществляются в специальных аппаратах - метатенках.
Распад органических веществ состоит из трех этапов:



растворение и гидролиз органических соединений;
ацидогенез;
метаногенез.
На первом этапе сложные органические вещества превращаются в масляную,
пропионовую и молочную кислоты. На втором этапе эти органические кислоты
превращаются в усксусную кислоту, водород, углекислый газ. На третьем этапе
метанообразующие бактерии восстанавливают диокись углерода в метан с поглощением
водорода. По видовому составу биоценоз метатенков значительно беднее аэробных
биоценозов.
Насчитывают около 50 видов микроорганизмов, способных осуществлять первую стадию
- стадию кислотообразования. Самые многочисленные среди них - представители бацилл
и псевдомонад. Метанообразующие бактерии имеют разнообразную форму: кокки,
сарцины и палочки. Этапы анаэробного брожения идут одновременно, а процессы
кислотообразования и метанообразования протекают параллельно. Уксуснокислые и
метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, считавшийся ранее одним
микроорганизмом под названием Methanobacillus omelianskii.
Процесс метанообразования - источник энергии для этих бактерий, так как метановое
брожение представляет собой один из видов анаэробного дыхания, в ходе которого
электроны с органических веществ переносятся на углекислый газ, который
восстанавливается до метана. В результате жизнедеятельности биоценоза метатенка
происходит снижение концентрации органических веществ и образование биогаза,
являющегося экологически чистым топливом. Для получения биогаза могут
использоваться отходы сельского хозяйства, стоки перерабатывающих предприятий,
содержащих сахар, бытовые отходы, сточные воды городов, спиртовых заводов и т.д.
Метатенк представляет собой герметичный ферментер объемом в несколько кубических
метров с перемешиванием, который обязательно оборудуется газоотделителями с
противопламенными ловушками. Метатенки работают в периодическом режиме загрузки
отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка
после завершения процесса. В целом, активное использование метаногенеза при
сбраживании органических отходов - один из перспективных путей совместного решения
энергетических и экологических проблем, который позволяет агропромышленным
комплексам перейти на автономное энергообеспечение.
Показатели загрязненности сточных вод
На всех этапах очистки сточных вод ведется строгий контроль за качественным составом
воды. При этом проводится детальный анализ состава сточной воды с выяснением не
только концентраций тех или иных соединений, но и более полное определение
качественного и количественного состава загрязнителей. Необходимость такого анализа
определяется спецификой системы переработки, так как в сточных водах могут
присутствовать токсические вещества, способные привести к гибели микроорганизмов и
вывести систему из строя.
Определение таких показателей, как органолептические (цвет, вид, запах, прозрачность,
мутность), оптическая плотность, рН, температура не вызывает трудностей. Сложнее
определить содержание органических веществ в сточной воде, которое необходимо знать
для контроля работы очистных сооружений, повторного использования сточных вод в
технологических процессах, выбора метода очистки и доочистки, окончания процесса
очистки, а также оценки возможности сброса воды в водоемы.
При определении содержания органических веществ широко используются два способа:
химическое потребление кислорода и биохимическое потребление кислорода. В первом
случае методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах,
0,25% раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 часов в 50% (по
объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ
используется катализатор - сульфат серебра. Дихроматный способ достаточно прост и
легко автоматизируется, что обуславливает его широкое распространение.
Биохимическое потребление кислорода измеряется количеством кислорода, расходуемым
микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в
сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени.
Определение биохимического потребления кислорода требует специальной аппаратуры. В
герметичный ферментер помещается определенное количество исследуемой сточной
воды, которую засевают микроорганизмами. В процессе культивирования регистрируется
изменение количества кислорода, пошедшего на окисление соединения, присутствующего
в сточных водах. Лучше всего культивировать микроорганизмы из уже работающих
биологических систем, адаптированных к данному спектру загрязнений.
Определение лишь одного из показателей качества сточной воды (химического или
биохимического потребления кислорода) не всегда позволяет оценить как ее доступность
для биологической очистки, так и степень конечной очистки. Так, например, имеется
целые группы соединений, определение химического потребления кислорода для которых
невозможно, хотя эти соединения вполне доступны для биохимического определения
кислорода и наоборот. Все это говорит о том, что для оценки чистоты сточных воды
необходимо использовать одновременно оба метода.
Биотехнология будет оказывать многообразное и все возрастающее влияние на способы
контроля за окружающей средой и на ее состояние. Хорошим примером такого рода
служит создание новых, более совершенных способов переработки отходов, однако
применение биотехнологии в данной сфере отнюдь не ограничивается этим.
Биотехнология будет играть все большую роль в химической промышленности и сельском
хозяйстве, помогая создать замкнутые и полузамкнутые технологические циклы, решая
хотя бы отчасти существующие здесь проблемы.
Методы сохранения генофонда*
Методика криоконсервации, способы замедления роста
При получении клеточных линий с полезными признаками встает проблема сохранения
этих признаков. Растения могут хранить генетическую информацию в семенах, однако
этот источник не вполне надежен, так как со временем из-за мутаций всхожесть семян
падает. Кроме того, некоторые растения размножаются только вегетативно. Этим
обусловлена необходимость сохранения части материала in vitro. С другой стороны, в
некоторых случаях удается получить новые клеточные линии, синтезирующие большее
количество вторичных метаболитов, то есть более продуктивные, которые тоже
нуждаются в сохранении.
Для исследования физиологических и биохимических процессов, протекающих в тканях,
также требуются стандартные исходные культуры, чем вызвана необходимость сохранять
материал в течение определенного промежутка времени, когда идут серийные
эксперименты. Все это делает проблему сохранения генофонда весьма актуальной.
Можно, конечно, пассировать и перевивать клеточные культуры. Однако при этом
возникает опасность сомаклональной изменчивости, накопления мутаций, контаминаций
(заражения чужеродным генетическим материалом). Это также требует определенных
финансовых и трудовых затрат (необходимость частых пересадок, расходы, связанные со
средой и т.д.). Цель исследователей состоит в увеличении интервала между пересадками.
Существует разные подходы к сохранению культур:
- криосохранение,
- замедление роста,
- сушка (распылительная и лиофильная) – для клеток микроорганизмов.
Криосохранение
Криосохранение - замораживание при сверхнизких температурах. Обычно его проводят в
жидком азоте, при температуре -196oC.
Успех низкотемпературной консервации зависит от ряда факторов:
- вид и тип клеток,
- их концентрация в суспензии,
- состав среды для консервирования,
- вид и концентрация криопротектора,
- режим охлаждения и отогрева,
- способ реабилитации клеток после отогрева.
Существенную роль в успешном замораживании клеток играет их морфофизиологическое
состояние: клетки, находящиеся в стационарной фазе роста, менее устойчивы к
повреждающему действию низкотемпературной консервации, чем клетки, находящиеся в
экспоненциальной фазе роста. Клетки для замораживания отбирают в середине
экспоненциальной фазы ростовой кривой.
Немаловажное значение имеет и плотность замораживаемой суспензии. Оптимальные
результаты по восстановлению клеток были получены при замораживании клеточной
суспензии плотностью 1*105 - 5*106 клеток в 1 мл.
Для растительных клеток часто требуется предварительное культивирование в особых
условиях. В среду добавляют различные вещества, например:


2-6% маннит или сорбит для уменьшения размера вакуолей;
аминокислоты, в первую очередь пролин, который служит для связывания воды в
клетке (концентрация до 1 моля или 11,5%), аспарагин, γ-аминомасляную кислоту;


диметилсульфоксид
(ДМСО),
который
добавляют
к
среде
для
предкультивирования в концентрации от 2,5 до 10% на 48 часов для увеличения
проницаемости цитоплазматической мембраны;
кроме того, применяют искусственное закаливание к холоду, когда снижают
температуру культивирования, имитируя естественный осенний процесс
подготовки к периоду зимнего покоя (применим только для растений умеренного
климата). Клеточные культуры выдерживают несколько суток при температуре +8 +10oC, а затем при +2 - +5oC в течение 1 - 6 недель.
Процесс замораживания растительных клеток от животных отличает, в основном, наличие
этапа предварительного культивирования.
Криопротекторы - вещества, позволяющие снизить повреждающее действие физикохимических факторов при криоконсервировании. К ним относятся сахароза, декстран,
этиленгликоль, поливинилпирролидон, диметилсульфоксид (ДМСО), глицерин. Для
определения токсичности криопротектора клетки выдерживают при комнатной
температуре в различных его концентрациях в течение 30 - 50 минут, после чего
определяют их жизнеспособность. Дополнительно оценивают его протективные свойства
путем пробного замораживания и оттаивания культур. Наиболее часто в качестве
криопротекторов используют глицерин и ДМСО. Перед добавлением криопротектора
суспензию клеток концентрируют путем центрифугирования, надосадочную жидкость
сливают. Криопротекторы вносят в культуру за час до замораживания, что приводит к
изменению проницаемости мембраны, изменению точки замерзания и оттаивания.
Программы охлаждения могут быть различными, но для всех них характерна медленная
скорость охлаждения. При замораживании происходит образование льда внутри и
снаружи клеток. Характер этих изменений зависит от изучаемого образца и обработки
криопротекторами, но главным образом, от скорости охлаждения. При медленном
охлаждении происходит образование внеклеточного льда, приводящее к обезвоживанию
клетки до того, как будет достигнута точка замерзания цитоплазмы. При быстром
охлаждении клетки быстрее замораживаются изнутри, медленнее обезвоживаются, что
приводит к образованию кристаллов льда внутри клетки. В этом случае клетки
повреждаются. Обычно охлаждение проводят в два этапа (рис. 26):
Рис. 26. Замораживание клеток: а) быстрое, б) медленное, поэтапное
1-й этап: от +20 до -28oC со скоростью 1 градус в минуту (для растительных клеток
скорость замораживания 0,5 градуса в минуту до -35оС), выдерживают при этой
температуре
15
минут.
2-ой этап: погружение в жидкий азот (мгновенное охлаждение до - 196oC).
Замораживание производят в специальных аппаратах. При их отсутствии - на спиртовой
бане (0,5 - 1 литр спирта наливают в термос с металлической колбой, погружают в него
ампулы на 15 минут и добавляют при помешивании жидкий азот или сухой лед; доводят
температуру до -32oC (температура должна быть не выше -28 и не ниже -32оС). Далее
переносят ампулы в жидкий азот.
При размораживании ампулы пинцетом переносят в водяную баню с температурой +37 +40оС, ампула объемом в 1 мл размораживается в течение 0,5 - 1 минуты.
После размораживания клетки отмывают либо в ростовой среде (животные), либо в
поддерживающей среде. Растительные клетки также можно отмывать 3 - 10% раствором
сахарозы.
Далее клетки проверяют на жизнеспособность с помощью витальных красителей,
окрашивающих мертвые клетки. Окончательным критерием служит четкое возобновление
роста на стандартных питательных средах, используемых для данной культуры.
Перевиваемые культуры животных клеток после размораживания имеют повышенную
чувствительность к вирусам, которая проявляется в течение первых двух пассажей. Далее
чувствительность возвращается к исходной.
Замедление роста
Замедления роста можно добиться следующими методами:
1. Хранение под слоем минерального масла (для бактериальных и грибных культур).
2. Изменение газового состава и атмосферного давления внутри культурального сосуда.
3. Изменение светового режима.
4. Охлаждение до температуры прекращения активного роста.
5. Применение гормональных и осмотических ингибиторов. Из гормональных
ингибиторов наиболее часто используют хлорхолинхлорид (для растительных клеток), из
осмотических - маннит в концентрации 3-6%.
6. Замена СaCl2 на Ca(NO3)2 в питательных средах.
Для картофеля в качестве способа, позволяющего сохранить генофонд, рекомендуется
клубнеобразование в пробирках.
Приложение.
Буклет для учащихся.