Правила
Помощь
Регистрация
Готовые работы
Правила
Помощь
Вход
Регистрация
Нужна индивидуальность, эксклюзивность и персональный подход?
Обратитесь за консультацией к преподавателям, чтобы не просматривать сотни готовых работ.
Разместить задание
Автор24
Лента заказов
Курсовые работы
Биотехнология
Темы курсовых работ по биотехнологии — 133 тем
Фильтр работ
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
Курсовая работа
,
Биотехнология
1
2
3
…
Последняя
Следующая
[email protected]
Объекты биотехнологии в пищевой промышленности
Оглавление
Введение
Глава 1. Основные разделы биотехнологии и их характеристика
Глава 2. Клетка как основной объект биотехнологических исследований
Глава 3. Механизмы синтеза и распада веществ в живой клетке. Биополимеры и их производные
Глава 4. Классификация направлений пищевой биотехнологии по целевым продуктам
Глава 5. Объекты биотехнологии в пищевой промышленности
Заключение
Введение
Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических знаний, целью которой является промышленное производство товаров и услуг с использованием живых организмов, биологических систем и процессов. Важной отраслью биотехнологии является пищевая биотехнология, которая направлена на решение проблем дефицита продуктов питания, повышения их качества и разработки новых пищевых продуктов с использованием биотехнологических методов и приемов.
Пищевая биотехнология изучает биотехнологический потенциал сырья животного происхождения и пищевых добавок, в качестве которых используются новые ферментные препараты, продукты микробного синтеза, новые виды биологически активных веществ и многокомпонентные добавки.
Пищевая биотехнология разрабатывает новые, более рентабельные и перспективные конкретные технологические решения, что позволяет создать высококачественную продукцию перерабатывающей промышленности.
Биотехнология используется для изготовления продуктов питания уже на протяжении более 8000 лет. Наличию на полках магазинов и в холодильнике хлеба, алкогольных напитков, уксуса, сыра, йогурта и многого другого мы обязаны ферментам, вырабатываемым различными микроорганизмами. Современная биотехнология постоянно оказывает влияние на пищевую промышленность посредством создания новых продуктов, а также снижения себестоимости и усовершенствования бактериальных процессов, с незапамятных пор используемых в производстве продуктов питания.
Помимо решения продовольственной проблемы перед пищевой промышленностью стоит ряд других, не менее важных задач, решение которых возможно с помощью биотехнологий уже применяемых и внедряемых в пищевой промышленности.
Одной из таких задач является проблема контроля качества на разных стадиях производства, начиная от сырья и заканчивая готовой продукцией. В задачи служб контроля качества входит определение наличия примесей микробиологического (патогенная микрофлора) и химического (токсичные и вредные вещества) характера. Одним из главных требований к используемым для решения этих задач тест-системам являются их точность, простота в использовании и высокая скорость определения.
Предмет исследования — биотехнологические процессы. Объект исследования — пищевая промышленность.
Основной целью работы является исследование биотехнологических процессов в пищевой промышленности.
Задачи работы:
)изучить основные разделы биотехнологии;
)рассмотреть клетку как основной объект биотехнологических исследований;
)изучить механизмы синтеза и распада в клетке;
) рассмотреть направления и объекты биотехнологии в пищевой промышленности.
За теоретическую основу работы взяты работы следующих авторов: Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Артамонов В.И., Безбородов А.М., Березин И.В., Клесов А.А., Швядас В.К., Лобанок А.Г., Залашко М.В., Анисимова Н.И., Быков В.А., Манаков М.Н., Панфилов В.И., Голубовская Э.К., Егоров Н.С., Казанская Н.Ф., Ларионова Н.И., Торчилин В.П., Клещев Н. Ф., Бенько М.П., Еремина И.А. и др.
Глава 1. Основные разделы биотехнологии и их характеристика
Биотехнология — это уникальная наука, которая использует живые организмы и биологические процессы в практических интересах человека.
Биотехнология позволяет улучшить качество, питательную ценность и безопасность как сельскохозяйственных культур, так и продуктов животного происхождения, составляющих основу используемого пищевой промышленностью сырья.
Кроме того, биотехнология предоставляет массу возможностей усовершенствования методов переработки сырья в конечные продукты: натуральные ароматизаторы и красители; новые технологические добавки, в том числе ферменты и эмульгаторы; заквасочные культуры; новые средства для утилизации отходов; экологически чистые производственные процессы; новые средства для обеспечения сохранения безопасности продуктов в процессе изготовления; и даже биоразрушаемую пластиковую упаковку, уничтожающую бактерии.[14]
Возделывание трансгенных культур первого поколения уже принесло фермерам неплохие доходы. Польза, которую при этом получил потребитель, не так очевидна, но не учитывать ее нельзя. Например, исследования показали, что кукуруза устойчивых к насекомым сортов (содержащих ген Bt-токсина) практически не повреждается насекомыми и, соответственно, менее подвержена грибковым заболеваниям, чем кукуруза обычных сортов. Таким образом, содержание синтезируемых этими возбудителями микотоксинов, некоторые из которых могут вызывать гибель скота и хроническое отравление людей, в растениях Bt-сортов гораздо ниже.
Полезные свойства следующего поколения генетически модифицированных культур гораздо более очевидны для потребителя. Кроме улучшения качества и безопасности пищи в целом, в будущем должны появиться специализированные продукты, отличающиеся повышенной питательностью и способствующие сохранению и укреплению здоровья.
На современном рынке представлено большое количество полезных для здоровья растительных масел, получаемых с помощью биотехнологии. Биотехнология позволила ученым снизить содержание насыщенных жирных кислот в некоторых растительных маслах. Им также удалось осуществить трансформацию омега-6 полиненасыщенной линолевой жирной кислоты в омега-3 полиненасыщенную линоленовую, встречающуюся в основном в рыбе и способствующую снижению уровня холестерина в крови.
Другим вопросом, касающимся питательных свойств растительных масел, является отрицательное влияние на состояние здоровья транс-изомеров жирных кислот, образующихся при гидрогенизации жиров. Этот процесс применяется для повышения жаростойкости (для жарки) или изменения консистенции (для изготовления маргарина) растительных масел. Процесс гидрогенизации приводит к образованию вредных транс-изомеров жирных кислот.
Специалисты биотехнологических компаний разработали метод придания соевому маслу необходимых качеств не за счет гидрогенизации, а за счет повышения содержания в нем стеариновой кислоты.
Биотехнологи, работающие с животными, тоже занимаются поисками путей повышения качества продуктов питания. Уже создана говядина с пониженным содержанием жира и свинина с повышенным соотношением мясо/сало.
Повышение питательной ценности продуктов имеет особенно большое значение для развивающихся стран. Исследователи университета Неру (Нью-Дели) использовали ген южноафриканского растения амаранта для повышения содержания белка в клубнях картофеля. Трансгенный картофель также содержит большое количество незаменимых аминокислот, не входящих в состав клубней обычного картофеля. В качестве примеров можно также упомянуть «золотой рис» и масло канолы, обогащенные витамином А. Дальнейшее усовершенствование «золотого риса» привело к повышению содержания в зернах легкоусваиваемых форм железа.[1]
Биотехнология подает большие надежды и в улучшении показателей продуктов функционального питания. Программы разработки и внедрения на рынок нутрицевтиков — продуктов-лекарств, систематическое употребление которых оказывает регулирующее действие на определенные системы и органы организма, улучшая здоровье человека, приняты во многих странах. Такие продукты содержат повышенное по сравнению с обычными количество незаменимых аминокислот, витаминов, минералов и других биологически активных веществ. Знакомые всем нутрицевтики — чеснок и лук, содержащие вещества, снижающие уровень холестерина и усиливающие иммунитет; богатый антиоксидантами зеленый чай; брокколи и кочанная капуста, в состав которой входят глюкозинолаты, стимулирующие активность противоопухолевых ферментов.
Биотехнология используется для повышения содержания этих и других полезных соединений в продуктах функционального питания. Например, исследователи университета Пердью (г. Лафейетт, штат Индиана) и Министерства сельского хозяйства США (USDA) создали сорт томатов, содержащий в три раза более высокий по сравнению с обычными сортами уровень антиоксиданта ликопена. Употребление ликопена снижает риск возникновения рака простаты и молочной железы, а также снижает содержание в крови «плохого» холестерина. Другая группа специалистов USDA работает над увеличением содержания в клубнике эллаговой кислоты, обладающей противоопухолевыми свойствами.
Биотехнологи занимаются улучшением качества растительного сырья также с точки зрения его привлекательности для покупателя и легкости приготовления. Ученые удлиняют срок хранения фруктов и овощей; делают морковь, паприку и сельдерей более хрустящими; создают не содержащие семян сорта дынь и винограда; продлевают длительность сезонно-географической доступности томатов, клубники и малины; улучшают вкусовые качества томатов, салата-латука, перца, зеленого горошка и картофеля; создают не содержащие кофеина сорта кофе и чая.[8]
Японские ученые идентифицировали фермент, заставляющий нас плакать во время резки лука, и таким образом уже сделали первый шаг на пути к созданию лука, от которого не плачут.
Большая часть работы по улучшению способности продуктов переносить тепловую обработку заключается в изменении соотношения содержания в них воды и крахмала. Например, богатый крахмалом картофель полезней, так как во время жарки он впитывает меньше жира. Другим полезным свойством крахмалистой картошки является то, что для ее приготовления требуется меньше энергии и, соответственно, меньше финансовых затрат. Большинство изготовителей томатных паст и кетчупов в настоящее время используют в качестве сырья созданные с помощью метода клеточных культур сорта томатов. Мякоть таких помидоров содержит на 30% меньше воды, и их переработка экономит пищевой промышленности США 35 миллионов долларов ежегодно.[1]
Другой областью пищевой промышленности, экономически выигрывающей от повышения качества сырья, является производство молочных продуктов. Биотехнологические методы позволили новозеландским ученым добиться повышения содержания в молоке белка казеина — важного компонента процесса сыроварения — на 13%.
Биотехнология также обеспечивает возможность получения продуктов, производство которые при традиционном подходе оказывается экономически невыгодным. Например, промышленное изготовление используемых в качестве подсластителей полимеров фруктозы давно перестало быть прерогативой обычных методов пищевого процессинга. Полимеры фруктозы представляют собой короткие цепочки, состоящие из молекул фруктозы, по вкусу напоминающие сахар, но не содержащие калорий. Исследователи обнаружили ген, превращающий 90% сахара сахарной свеклы в полимеры фруктозы. Они составляют 40% веса такой трансгенной свеклы, что делает ее весьма привлекательным сырьем для изготовления подсластителей.
Наиболее значимой проблемой безопасности сырья для производителей продуктов питания является микробное заражение, которое может возникнуть на любом этапе движения продукта от фермы до стола потребителя. Любой биотехнологический продукт, снижающий количество микроорганизмов на продуктах животного и растительного происхождения, существенно повышает безопасность сырья пищевой промышленности. Повышение безопасности продуктов за счет снижения микробной контаминации начинается с фермы. Устойчивые к вредителям и заболеваниям трансгенные сорта растений в значительно меньшей степени подвержены бактериальному заражению. Новые биотехнологические методы диагностики позволяют выявлять характер бактериальных заболеваний на ранних этапах и с высокой степенью точности, что позволяет изымать и уничтожать заболевших животных или инфицированные растения до того, как болезнь распространилась.
Биотехнология способствует повышению качества сырья еще и за счет выявления и удаления аллергенных белков, содержащихся в таких продуктах, как арахис, соя и молоко. Хотя 95% аллергенов могут быть отнесены к одной из восьми пищевых групп, в большинстве случаев мы не знаем, какой из тысяч пищевых белков послужил причиной запуска аллергической реакции. Использование биотехнологических методик привело к значительному прогрессу в этой области. Кроме того, биотехнологи разработали методы блокирования или удаления генов аллергенности из геномов арахиса, сои и креветок.[10]
И, наконец, биотехнология помогает в повышении качества сельскохозяйственного сырья путем снижения содержания натуральных растительных токсинов, обнаруженных в некоторых культурах, в том числе в картофеле и маниоке.
Биологические методы включают:
— микробиологический синтез
— генетическую инженерию
— клеточную и белковую инженерию
— инженерную энзимологию
— культивирование клеток растений, животных и бактерий
— методы слияния клеток
Биотехнология как наука возникла на стыке слияния биологических, химических и технических наук.
Основные разделы биотехнологии.
Микробная биотехнология — основная часть биотехнологии.
Связана с поисками новых природных продуцентов. Это генетика и селекция известных микроорганизмов и получение штаммов с высокой продуктивностью.
Методы — индуцированный мутагенез или ступенчатый отбор лучших форм или генная инженерия.
Связана с производством различных пищевых продуктов: вино, хлеб, молочные продукты и прочее.
1)Инженерная инзимология
Цель — создание технологических процессов с использованием ферментов.
Решает конкретные задачи:
Создание нового продукта или улучшение его качества;
использование нетрадиционных видов сырья;
разработка безотходных технологий.
Очень перспективно исследование иммобилизированных ферментов и клеток на носителе.
Этот метод применяется в медицине для лечения и диагностики различных заболеваний. Иммобилизированные клетки применяют при биологической очистке сточных вод.
Тканевые ферменты животных и растений способствуют формированию химических предшественников вкуса и аромата, консистенции за счет специфической деструкции биополимерных систем пищевого сырья, т.е. осуществляют созревание.
) Генная инженерия.
Цель — направленное создание организмов с заданными свойствами на основе изменения (рекомбинации) их генотипа.
Генная инженерия позволяет изолировать или изменять отдельные гены, модифицируя молекулу ДНК и перенося ее из одного организма в другой.
) Клеточная инженерия.
Объект — культуры клеток высших животных или растительных организмов.
Получают культивированием на различных средах отдельно выделенных из организмов клеток.
Задача — конструирование новых клеток и клеточных систем.
Глава 2. Клетка как основной объект биотехнологических исследований
) Живым организмам свойственные общие принципы структуры:
I. — единство элементарного состава;
II. — единство типов химических соединений;
III. — единство субклеточной организации;
IV. — единство клеточного строения.
) Строение клетки и функции клеточных органелл.
а) клеточные мембраны
Цитоплазматическая мембрана
рецепторы клеточной мембраны
избирательная проницаемость
билипидный слой с интегральными белками мембраны
перефирийные белки.
компоненты липидного слоя — фосфолипидная (строение) — функция.
мембранные белки — ферменты, их функции.
гилкопротеиды поверхностного слоя.
Транспорт веществ через мембраны.Четыре основных механизма транспорта:
диффузия
осмос
активный транспорт (направление движения ионов Na, К и Cl).
экзо и эндоцитоз.
б) Эндоплазматический ретикулум (ЭР)
— гладкий;
— «шероховатый» или глянулярный ф-ция.
в) Аппарат Гольджи.
г) Цытоплазма
д) Ядро.
е) Митохондрии.
ж) Рибосомы.Типы рибосом: 70 S и 80 S
з) Лизосомы.
и) Вакуоль.
к) Клеточная стенка.
л) Пластиды.Типы пластид:
хлоропласты
лейкопласты
хромопласты.
Особенности прокариотической (бактериальной) — протоцит и эукариотической клеток — эуцит. Плазмиды — присущи только протоциту.Автономно реплицирующие кольцевые ДНК.Не более 100 генов.
Особенности строения клеточной стенки — наличие муреина.
Учёные разработали методы выращивания в искусственных условиях (культивирование) клеток растений животных и даже человека. Культивирование клеток позволяет получать различные ценные продукты, ранее добываемые в очень ограниченном количестве из-за отсутствия источников сырья. Особенно успешно развивается клеточная инженерия растений. Используя методы генетики, удаётся отбирать линии таких клеток растений — продуцентов практически важных веществ, которые способны расти на простых питательных средах и в то же время накапливать ценных продуктов в несколько раз больше, чем само растение. Выращивание массы клеток растений уже используется в промышленных масштабах для получения физиологически активных соединений. Налажено, например, производство биомассы женьшеня для нужд парфюмерной и медицинской промышленности. Закладываются основы производства биомассы лекарственных растений — диоскореи и раувольфии. Разрабатываются способы выращивания клеточной массы других редких растений — продуцентов ценных веществ (родиолы розовой и др.). Другое важное направление клеточной инженерии — клональное микроразмножение растений на основе культуры тканей. Основан это метод на удивительном свойстве растений: из отдельной клетки или кусочка ткани в определённых условиях может вырасти целое растение, способное к нормальному росту и размножению. Этим методом из небольшой части растения можно получить до 1 млн. растений в год. Клональное микроразмножение используется для оздоровления и быстрого размножения редких, хозяйственно ценных или вновь созданных сортов сельскохозяйственных культур. Таким путём из клеток, не заражённых вирусами, получают здоровые растения картофеля, винограда, сахарной свёклы, садовой земляники, малины и многих других культур. В настоящее время разработаны методы микроразмножения и более сложных объектов — древесных растений (яблони, ели, сосны). На основе этих методов будут созданы технологии промышленного получения исходного посадочного материала ценных древесных пород. Методы клеточной инженерии позволят значительно ускорить селекционный процесс при выведении новых сортов хлебных злаков и других важных сельскохозяйственных культур: срок их получения сокращается до 3-4 лет (вместо 10-12 лет, необходимых при использовании обычных методов селекции). Перспективных способом выведения новых сортов ценных сельскохозяйственных культур является также разработанный учёными принципиально новый метод слияния клеток. Этот метод позволяет получать гибриды, которые не могут быть созданы обычным путём скрещивания в силу барьера межвидовой несовместимости. Методом слияния клеток получены, например, гибриды различных видов картофеля, томатов, табака; табака и картофеля, рапса и турнепса, табака и белладонны. На основе гибрида культурного и дикого картофеля, который устойчив к вирусам и другим заболеваниям, создаются новые сорта. Аналогичным способом получают ценный селекционный материал томатов и других культур. В перспективе — комплексное использование методов генетической и клеточной инженерии для создания новых сортов растений с заранее заданными свойствами, например, ос сконструированными в них системами фиксации атмосферного азота. Большие успехи достигнуты клеточной инженерией в области иммунологии: разработаны методы получения особых гибридных клеток, производящих индивидуальные, или моноклональные, антитела. Это позволило создать высокочувствительные средства диагностики ряда тяжёлых заболеваний человека, животных и растений. Значительный вклад вносит современная биотехнология в решение такой важной проблемы, как борьба с вирусными заболеваниями сельскохозяйственных культур, наносящими большой ущерб народному хозяйству. Учёные разработали высокоспецифичные сыворотки для выявления более 20 вирусов, вызывающих заболевания различных сельскохозяйственных культур. Разработана и изготовлена система приборов и приспособлений для массовой автоматической экспресс-диагностики вирусных болезней растений в условиях сельскохозяйственного производства. Новые методы диагностики позволяют отбирать для посадки свободный от вирусов исходный материал (семена, клубни и др.), что способствует значительному повышению урожая.
Важное практическое значение имеют работы по инженерной энзимологии.
Первым важным успехом её была иммобилизация ферментов — закрепление молекул ферментов с помощью прочных химических связей на синтетических полимерах, полисахаридах и других носителях-матрицах. Закреплённые ферменты более стабильны, их можно использовать многократно. Иммобилизация позволяет осуществлять непрерывные каталитические процессы, получать продукцию, не загрязнённую ферментом (что особенно важно в ряде пищевых и фармакологических производств), значительно снизить её себестоимость. Это метод применяют, например, для получения антибиотиков. Так, учёными разработана и внедрена в промышленное производство технология получения антибиотиков на основе иммобилизованного фермента пенициллинамидазы. В результате применения этой технологии в пять раз снизился расход сырья, себестоимость конечного продукта уменьшилась почти вдвое, объём производства возрос в семь раз, а общий экономический эффект составил около 100 млн. рублей. Следующим шагом инженерной энзимологии была разработка методов иммобилизации клеток микроорганизмов, а затем — клеток растений и животных. Иммобилизованные клетки являются наиболее экономичными биокатализаторами, так как обладают высокой активностью и стабильностью, а главное — применение их полностью исключает затраты на выделение и очистку ферментов. В настоящее время на основе иммобилизованных клеток разработаны методы получения органических кислот, аминокислот, антибиотиков, стероидов, спиртов и других ценных продуктов. Иммобилизованные клетки микроорганизмов используются также для очистки сточных вод, переработки сельскохозяйственных и промышленных отходов. Биотехнология находит всё более широкое применение и во многих отраслях промышленного производства: разработаны методы использования микроорганизмов для извлечения цветных благородных металлов из руд и промышленных отходов, для повышения нефтеотдачи пластов, для борьбы с метаном в угольных шахтах.
Так, для освобождения шахт от метана учёные предложили бурить скважины в угольных пластах и подавать в них суспензию из метаноокисляющихся бактерий. Таким образом удаётся удалить около 60% метана ещё до начала эксплуатации пласта. А недавно нашли более простой и эффективный способ: суспензией из бактерий опрыскивают породы выработанного пространства, откуда наиболее интенсивно выделяется газ. Разбрызгивание суспензии можно осуществлять с помощью специальных форсунок, устанавливаемых на крепях. Испытания, которые были проведены на шахтах Донбасса, показали, что микроскопические «работники» быстро уничтожают от 50 до 80 % опасного газа в выработках. А вот с помощью других бактерий, которые сами выделяют метан, можно повышать давление в нефтяных пластах и обеспечивать более полное извлечение нефти. Значительный вклад предстоит внести биотехнологии и в решение энергетической проблемы. Ограниченность запасов нефти и газа заставляет искать пути использования нетрадиционных источников энергии. Один из таких путей — биоконверсия растительного сырья, или, другими словами, ферментативная переработка целлюлозосодержащих отходов промышленности и сельского хозяйства. В результате биоконверсии можно получить глюкозу, а из неё — спирт, который и будет служить топливом. Всё шире развёртываются исследования по получению биогаза (в основном метана) путём переработки животноводческих, промышленных и коммунальных отходов с помощью микроорганизмов. При этом остатки после переработки являются высокоэффективным органическим удобрением. Таким образом, этим путём решаются сразу несколько проблем: охрана окружающей среды от загрязнений, получение энергии и производство удобрений. Установки по получению биогаза уже работают в разных странах. Возможности биотехнологии практически безграничны. Она смело вторгается в самые разные сферы народного хозяйства. И в недалёком будущем, несомненно, ещё более возрастёт практическая значимость биотехнологии в решении важнейших задач селекции, медицины, энергетики, охраны окружающей среды от загрязнений.[12]
Глава 3. Механизмы синтеза и распада веществ в живой клетке. Биополимеры и их производные
Обмен веществ, или метаболизм, — лежащий в основе жизни закономерный порядок превращения веществ и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение; совокупность всех химических реакций, протекающих в организме. Таким образом, обмен веществ — существеннейший и непременный признак жизни.
С пищей в организм поступают из внешней среды разнообразные вещества. В организме они подвергаются изменениям (метаболизируются), в результате чего частично превращаются в вещества самого организма. В этом состоит процесс ассимиляции. В тесном взаимодействии с ассимиляцией протекает обратный процесс — диссимиляция. Вещества живого организма не остаются неизменными, а более или менее быстро расщепляются с выделением энергии; их замещают вновь ассимилированные соединения, а возникшие при разложении продукты распада выводятся из организма.
Химические процессы, протекающие в живых клетках, характеризуются высокой степенью упорядоченности: реакции распада и синтеза определенным образом организованы во времени и пространстве, согласованы между собой и образуют целостную, тончайше отрегулированную систему, сложившуюся в результате длительной эволюции. Теснейшая взаимосвязь между процессами ассимиляции и диссимиляции проявляется в том, что последняя служит не только источником энергии в организмах, но также источником исходных продуктов для синтетических реакций.
Ассимиляция
Первичные организмы использовали для питания органического вещества, возникшие абиогенным путем. При последующем развитии жизни у некоторых из живых существ возникла способность к синтезу органических веществ. По этому признаку все организмы могут быть разделены на гетеротрофов и автотрофов.
У гетеротрофов, к которым принадлежат все животные, грибы и многие виды бактерий, обмен веществ основан на питании готовыми органическими веществами. Правда, они обладают способностью усваивать некоторое, сравнительно незначительное, количество CO2, используя его для синтеза более сложных органических веществ. Автотрофы (зеленые растения и некоторые бактерии) не нуждаются в готовых органических веществах и осуществляют их первичный синтез из входящих в их состав элементов. Некоторые из автотрофов (серобактерии, железобактерии и нитрифицирующие бактерии) используют для этого энергию окисления неорганических веществ.
Диссимиляция
Источником энергии, необходимой для поддержания жизни, роста, размножения, подвижности, возбудимости, являются процессы окисления части тех продуктов расщепления, которые используются клетками для синтеза структурных компонентов.
Наиболее древним и поэтому наиболее общим для всех организмов является процесс анаэробного расщепления органических веществ, осуществляющийся без участия кислорода. Позднее этот первоначальный механизм получения энергии живыми клетками дополнился окислением образующихся промежуточных продуктов кислородом воздуха, который появился в атмосфере Земли в результате фотосинтеза. Так возникло внутриклеточное, или тканевое, дыхание.
Связь обмена углеводов, липидов, белков и других соединений.
Все биохимические процессы, происходящие в организме, тесно связаны друг с другом. Взаимосвязь обмена белков с окислительно-восстановительными процессами осуществляется различным образом. Отдельные биохимические реакции, лежащие в основе процесса дыхания, происходят благодаря каталитическому действию соответствующих ферментов — белков. Вместе с тем сами продукты расщепления белков — аминокислоты — могут подвергаться различным окислительно-восстановительным превращениям — декарбоксилированию, дезаминированию и др.
Кроме того, продукты дезаминирования аспарагиновой и глутаминовой кислот — щавелево-уксусная и a-кетоглутаровая кислоты — являются важнейшими звеньями окислительных превращений углеводов, происходящих в процессе дыхания.
Пировиноградная кислота — важнейший промежуточный продукт, образующийся при брожении и дыхании, — также тесно связана с белковым обменом: взаимодействуя с NH3 и соответствующим ферментом, она дает важную аминокислоту a-аланин. Теснейшая связь процессов брожения и дыхания с обменом липидов в организме проявляется в том, что фосфоглицериновый альдегид, образующийся на первых этапах диссимиляции углеводов, служит исходным веществом для синтеза глицерина. С другой стороны, в результате окисления пировиноградной кислоты получаются остатки уксусной кислоты, из которых синтезируются высокомолекулярные жирные кислоты и разнообразные изопреноиды (терпены, каротиноиды, стероиды). Таким образом, процессы брожения и дыхания приводят к образованию соединений, необходимых для синтеза жиров и других веществ.[16]
Роль витаминов и минеральных веществ
В превращениях веществ в организме важное место занимают витамины, вода и различные минеральные соединения. Витамины участвуют в многочисленных ферментативных реакциях в составе коферментов.
Производное витамина B1 — тиаминпирофосфат — служит коферментом при окислительном декарбоксилировании (a-кетокислот, в том числе пировиноградной кислоты). Фосфорнокислый эфир витамина B6 — пиридоксальфосфат — необходим для каталитического переаминирования, декарбоксилирования и др. реакций обмена аминокислот. Производное витамина А входит в состав зрительного пигмента. Разные виды организмов различаются как способностью к биосинтезу витаминов, так и своими потребностями в наборе тех или иных поступающих с пищей витаминов, которые необходимы для нормального обмен веществ
Важную роль в минеральном обмене играют Na, К, Ca, Р, а также микроэлементы и прочие неорганические вещества. Na и К участвуют в биоэлектрических и осмотических явлениях в клетках и тканях, в механизмах проницаемости биологических мембран; Ca и Р — основные компоненты костей и зубов; Fe входит в состав дыхательных пигментов — гемоглобина и миоглобина, а также ряда ферментов. Для активности последних необходимы и другие микроэлементы (Cu, Mn, Mo, Zn).
Решающую роль в энергетических механизмах обмена веществ играют эфиры фосфорной кислоты и, прежде всего, аденозинфосфорные кислоты, которые воспринимают и накапливают энергию, выделяющуюся в организме в процессах гликолиза, окисления, фотосинтеза. Эти и некоторые другие богатые энергией соединения передают заключенную в их химических связях энергию для использования ее в процессе механической, осмотической и прочих видов работ или же для осуществления синтетических реакций, идущих с потреблением энергии.
Регуляция обмена веществ
Удивительная согласованность и слаженность процессов обмена веществ в живом организме достигается путем строгой и пластичной координации обмена веществ как в клетках, так и в тканях и органах. Эта координация определяет для данного организма характер обмена веществ, сложившийся в процессе исторического развития, поддерживаемый и направляемый механизмами наследственности и взаимодействием организма с внешней средой.
Регуляция обмена веществ на клеточном уровне осуществляется путем регуляции синтеза и активности ферментов. Синтез каждого фермента определяется соответствующим геном. Различные промежуточные продукты обмена веществ, действуя на определенный участок молекулы ДНК, в котором заключена информация о синтезе данного фермента, могут индуцировать (запускать, усиливать) или, наоборот, репрессировать (прекращать) его синтез. Так, кишечная палочка при избытке изолейцина в питательной среде прекращает синтез этой аминокислоты. Избыток изолейцина действует двояким образом. Во-первых, угнетает (ингибирует) активность фермента треониндегидратазы, катализирующего первый этап цепи реакций, ведущих к синтезу изолейцина. Во-вторых, репрессирует синтез всех ферментов, необходимых для биосинтеза изолейцина (в том числе и треониндегидратазы). Ингибирование треониндегидратазы осуществляется по принципу аллостерической регуляции активности ферментов.
Таким образом, в клетках, полинуклеотидных цепочках ДНК заключены «инструкции» для синтеза самых разнообразных ферментов, причем образование каждого из них может быть вызвано воздействием сигнального метаболита (индуктора) на соответствующий репрессор.
Основную роль в регуляции обмена веществ и энергии в клетках играют белково-липидные биологические мембраны, окружающие протоплазму и находящиеся в ней ядро, митохондрии, пластиды и другие субклеточные структуры. Поступление различных веществ в клетку и выход их из нее регулируются проницаемостью биологических мембран. Значительная часть ферментов связана с мембранами, в которые они как бы «вмонтированы». В результате взаимодействия того или иного фермента с липидами и другими компонентами мембраны конформация его молекулы, а следовательно, и его свойства как катализатора будут иными, чем в гомогенном растворе. Это обстоятельство имеет огромное значение для регулирования ферментативных процессов и обмен веществ в целом.
Нуклеиновые кислоты стоят несколько особняком; но для белков, полисахаридов и липидов ситуация сейчас явно близка к той, к которой приходит наш Исследователь. Во многих полисахаридах при ближайшем рассмотрении можно обнаружить большой или маленький ковалентно привязанный пептидный фрагмент. А очень многие классические белки, как выясняется при подробном анализе, несут на поверхности своих глобул короткие олигосахаридные цепи. Однако первые продолжают по инерции назвать просто полисахаридами, а вторые — просто белками.
Между этими крайностями имеются всевозможные системы, содержащие больше или меньше белковой компоненты и больше или меньше полисахаридной. Такие соединения называют гликопротеинами, а также протеогликанами (гликаны — общее название полисахаридов). Точного определения у этих терминов нет, и те или иные классы биополимеров называют либо гликопротеинами, либо протеогликанами, руководствуясь при этом скорее традицией, чем какими-либо четкими критериями. Аналогично обстоит дело с ковалентно связанными углеводами и липидами: их называют гликолипидами, а также липополисахаридами. Весь же тип природных высокомолекулярных соединений, включающих ковалентно связанные фрагменты полимеров более чем одного класса, называют смешанными биополимерами, а в последнее время — гликоконъюгатами.
Структуры смешанных биополимеров чрезвычайно сложны, а их подробное изучение в сущности лишь только начинается. В отличие от полисахаридов систематически описать и классифицировать типы структур смешанных биополимеров весьма затруднительно прежде всего из-за ограниченного количества надежно и полно расшифрованных структур. Укажем лишь, что связь олиго- или полисахаридной компоненты с пептидной, белковой или липидной осуществляется обычно при помощи гликозидной связи: либо по гидроксильным группам (например, в остатках оксиаминокислот пептидной цепи), либо по амидной группе амидов двухосновных аминокислот. Возможна также фосфодиэфирная связь, подобная той, которая лежит в основе строения нуклеиновых кислот.
Для иллюстрации схематически опишем структуры двух таких биополимеров: гликопротеина и липополисахарида. Биополимеры, определяющие групповую принадлежность ткани, представляют собой высокомолекулярные (молекулярная масса до 1 млн.) гликопротеины, содержащие около 80-85% углеводной компоненты и около 15-20% пептидной. В основе строения их молекул лежит длинная полипептидная цепь с весьма высоким (по сравнению с большинством белков) содержанием оксиаминокислот — серина и треонина.
К гидроксильным группам части этих аминокислотных остатков присоединены гликозидными связями углеводные цепи, общее число которых достигает нескольких сотен. Эти цепи содержат 15-20 моносахаридных остатков каждая, имеют высокоразветвленную структуру и построены из остатков N-ацетил-D-глюкозамина, N-ацетил-D-галактозамина, D-галактозы, L-фукозы, и в части случаев N-ацетил-D-нейраминовой кислоты.
Жирные линии на схеме символизируют полипептидную цепь, остальные линии — полисахаридные цепи: А-общая схема, Б-один из узлов связи полисахаридной и пептидной цепей.
Второй пример — липополисахариды грамотрицательных бактерий, располагающиеся на внешней поверхности бактериальной клетки. На контакт именно с этими биополимерами животный организм-хозяин дает иммунный ответ — начинает вырабатывать антитела. Иными словами, липополисахариды такого типа — это высокоактивные и высокоспецифичные антигены, структура которых строго индивидуальна для каждого вида микроорганизмов. Однако схема построения этих структур имеет весьма общий характер для больших классов микроорганизмов. Вот так приблизительно они построены.
Макромолекула в целом линейна и состоит из трех последовательно связанных крупных блоков.[5]
Липид А — главным образом дисахарид, состоящий из двух остатков D-глюкозамина, к одному из гидроксилов которого присоединен кор, а остальные гидроксилы и обе аминогруппы ацилированы высшими жирными кислотами, что и придает фрагменту высоко гидрофобный, липидный характер. Благодаря этому липидный фрагмент липополисахарида погружен (можно было бы сказать, растворен или, еще точнее, вплавлен) в липидную мембрану клетки, что и обеспечивает прочную связь всей молекулы, полисахаридная и, следовательно, высоко гидрофильная, обращена в водную среду, окружающую бактериальную клетку.
КОР представляет собой линейный или слаборазветвленный (по типу гребнеобразного) полисахарид, содержащий остатки довольно необычных моносахаридов — 2-кето-3-дезоксиоктоновых кислот (общая формула 40). Наконец, О-антигенная цепь — это обычно регулярный полисахарид, построенный из повторяющихся три-гексасахаридных (часто разветвленных) звеньев; причем в их состав нередко входят весьма экзотические моносахариды.
Липидная часть и КОР сравнительно мало меняются при переходе от одних микроорганизмов к другим в пределах одного класса, тогда как O-антигенная цепь широко варьирует и строго индивидуальна для каждого вида. Как ясно из сказанного, именно эта часть молекулы составляет самый внешний слой бактериальной клетки, с которым непосредственно входит в контакт организм-хозяин при инфекции.
Глава 4. Классификация направлений пищевой биотехнологии по целевым продуктам
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. [3]
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 L-аспартил-L-фенилаланина, который в 150 раз слаще, чем глюкоза.
Глава 5. Объекты биотехнологии в пищевой промышленности
Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях развития и во всех царствах живых существ. К биообъектам относятся молекулы, микро- и макроорганизмы:
· Вещества: ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты.
· Частицы: вирусы, вироиды.
· Клетки: простейшие, бактерии, клетки растений, животных и человека, культуры клеток.
· Ткани: ткани и органы растений, животных и человека,.
· Организмы: водоросли, лишайники, грибы, растения.
Таким образом, биотехнология изучает и применяет самые разнообразные объекты — от вирусов до человека. [17]
Вирусы
В настоящее время существует такой способ лечения заболеваний, как генная терапия. Для этого в клетки больного надо доставить определенные гены, которые исправляют генетические нарушения. При этом возникает вопрос — как преодолеть иммунологический барьер клетки. Было решено использовать для этого вирусы. Ведь именно они могут проникать в клетку и внедрять в нее чужеродный генетический материал. Такие полезные вирусы называются векторами, т. е. переносчиками.
Бактерии
Существует три направления использования бактерий в биотехнологии: источники генов, продуценты полезных веществ и объекты исследования.
Преобразование веществ
) Органические кислоты и спирты: уксуснокислые бактерии Gluconobacter и Acetobacter — уксусная кислота, молочнокислые бактерии Leuconostoc, Streptococcus и Lactobacillus — молочная кислота, этанол.
) Микробные инсектициды: Bacillus thuringiensis.
) Белок: бактерии Methylomonas и азотфиксирующие цианобактерии — носток, анабена, спирулина, триходесмиум.
) Витамины: Clostridium — рибофлавин.
) Растворители: Clostridium acetobutylicum — ацетон, этанол, изопропанол и n-бутанол.
) Аминокислоты: Corynebacterium glutamicum — лизин.
) Фиксация атмосферного азота: азотобактер, ризобии, актиномицеты и др.
) Биогаз и фотоводород.
) Выщелачивание руд
) Биодеградация отходов
Грибы
Грибы нашли в биотехнологии широкое и разнообразное применение. В первую очередь это продуценты антибиотиков — актиномицеты (Streptomyces, Micromonospora) и пенициллы.
Как известно, взрослому человеку при умеренной физической нагрузке ежедневно необходимо с пищей получать около 12,5 кДж (3 тыс. кал). Эту потребность в энергии могут покрыть 75 г сахара. Но пища обеспечивает нас не только калориями. Организму нужен материал для роста и регенерации устаревших клеток и тканей, поэтому пища должна содержать белки, жиры, углеводы и витамины. По самым скромным подсчетам в масштабах планеты дефицит пищевого белка оценивается в 15 млн т в год.[3]
Такими источниками пищевого белка могут быть биомасса грибов. Съедобные грибы являются строго сапрофитными организмами. В ходе эволюции грибы сформировали сложные симбиотические взаимоотношения с другими обитателями почвы — микроорганизмами и растениями. Это учли биотехнологи, когда в середине 50-х годов начали эксперименты по выращиванию мицелия высших грибов в биореакторе подобно тому, как удалось в индустриальных условиях выращивать мицелий микромицетов.[6]
Дрожжи давно заняли свою нишу в пищевой промышленности. Это производство спиртных напитков и хлеба (Saccharomyces cerevisiae), пищевой белок (Saccharomycopsis lipolytica), каротиноид астаксантин (Phaffia rhodozyma).
Также немыслима пищевая промышленность и без плесневых грибов. И это не только сыры с плесенью, хотя в сыроделии пенициллы широко используются. Плесневые грибы сбраживают сою, рис, солод, пшеницу, производя соевый соус (Aspergillus oryzae), саке, ферментированные бобы. Получают из них и органические кислоты, и промышленные ферменты (амилаза, пектиназа).
Простейшие
Простейшие пришли в биотехнологию недавно и не сразу были оценены по достоинству. Сначала их использовали только для очистки сточных вод. Затем стали выращивать на кормовой белок. И лишь в последнее время в них увидели источник биологически активных веществ.[18]
Водоросли
Народы Тихоокеанского побережья с давних пор употребляют в пищу морские и океанские водоросли. Жители Гавайских островов из 115 видов водорослей, обитающих в местных океанских пространствах, используют в питании 60 видов. В Китае также высоко ценят съедобные водоросли. Особенно ценятся сине-зеленые водоросли Nostocpruniforme, по внешнему виду напоминающие сливу и по вкусовым качествам причисленные к китайским лакомствам. В кулинарных справочниках Японии встречается более 300 рецептур, в состав которых входят водоросли. На Дальнем Востоке весьма интенсивно используют водоросли в пищевых целях и плантации не успевают восстанавливаться естественным путем. В связи с этим все чаще водоросли культивируют искусственно, в подводных садах. Выращивание аквакультур — процветающая отрасль биотехнологии. Водоросли используют также в виде сырья для промышленности
В последнее время внимание специалистов, занимающихся вопросами питания, привлекает сине-зеленая водоросль спирулина (Spirulinaplatensis и Spirulinamaxima), растущая в Африке (оз. Чад) и в Мексике (оз. Тескоко). Для местных жителей спирулина является одним из основных продуктов питания, так как содержит много белка, витамины А, С, D и особенно много витаминов группы В. Биомасса спирулины приравнивается к лучшим стандартам пищевого белка, установленным ФАО. Спирулину можно успешно культивировать в открытых прудах или в замкнутых системах из полиэтиленовых труб и получать высокие урожаи (примерно 20 г биомассы в пересчете на СВ с 1 м3 в сут).[13]
В пищевой промышленности водоросли ценятся не только как источник белка, но и маннита — шестиатомного спирта, получаемого из бурых водорослей. Маннит востребован также в фармацевтике и производстве бумаги.
Еще одно перспективное направление — получение из бурых водорослей биогаза.[20]
Растения
В биотехнологии используют как одноклеточные, так и многоклеточные растения.
Из одноклеточных особенно удобны для выращивания сине-зеленые водоросли: хлорелла, спирулина, анабена. Применяют их обычно как источник белка для людей и животных. Кроме того, водоросль анабена в симбиозе с водным папоротником азоллой способна накапливать азот. Поэтому анабену-азоллу выращивают в качестве азотного удобрения на рисовых полях.
Многоклеточные растения выращивают в виде культур клеток, например суспензионных культур, а также протопластов. Также с помощью растительных гормонов можно получить каллус — неорганизованную массу делящихся клеток. Каллус используют для промышленного производства растений.
Животные
Ткани животных также можно выращивать в виде культуры клеток. Расщепляют их на отдельные клетки протеолитическими ферментами. Помещенные в питательную среду, клетки начинают делиться и образуют клеточный монослой.
Культура клеток, способная к неограниченному росту in vitro, называется устойчивой клеточной линией. Она может расти и делиться в течение 50-100 поколений.
Эти искусственно выращенные клетки сохраняют некоторые свойства исходной ткани. Поэтому их можно использовать как для исследований (изучать свойства тканей, их взаимодействие с вирусами), но и в промышленности — для производства вакцин и рекомбинантных белков.
Пищевая биотехнология является новым и перспективным направлением в перерабатывающей промышленности (мясная, молочная, рыбная и др.). Пищевая биотехнология изучает биотехнологический потенциал сырья животного происхождения и пищевых добавок, в качестве которых используются ферментные препараты, продукты микробиологического синтеза, новые виды биологически активных веществ и многокомпонентные добавки.
С помощью пищевой биотехнологии в настоящее время получают такие пищевые продукты, как пиво, вино, спирт, хлеб, уксус, кисломолочные продукты, сырокопченые и сыровяленые мясные продукты и многие другие. Кроме того, пищевая биотехнология используется для получения веществ и соединений, используемых в пищевой промышленности: это лимонная, молочная и другие органические кислоты; ферментные препараты различного действия — протеолитические, амилолитические, целлюлолитические; аминокислоты и другие пищевые и биологически активные добавки.[19]
Биотехнология позволяет улучшить качество, питательную ценность и безопасность как сельскохозяйственных культур, так и продуктов животного происхождения, составляющих основу используемого пищевой промышленностью сырья.
Кроме того, биотехнология предоставляет массу возможностей усовершенствования методов переработки сырья в конечные продукты: натуральные ароматизаторы и красители; новые технологические добавки, в том числе ферменты и эмульгаторы; заквасочные культуры; новые средства для утилизации отходов.
клетка синтез целевой пищевой
Пищевая биотехнология является новым и перспективным направлением в перерабатывающей промышленности (мясная, молочная, рыбная и др.). Пищевая биотехнология изучает биотехнологический потенциал сырья животного происхождения и пищевых добавок, в качестве которых используются ферментные препараты, продукты микробиологического синтеза, новые виды биологически активных веществ и многокомпонентные добавки.
С помощью пищевой биотехнологии в настоящее время получают такие пищевые продукты, как пиво, вино, спирт, хлеб, уксус, кисломолочные продукты, сырокопченые и сыровяленые мясные продукты и многие другие. Кроме того, пищевая биотехнология используется для получения веществ и соединений, используемых в пищевой промышленности: это лимонная, молочная и другие органические кислоты; ферментные препараты различного действия — протеолитические, амилолитические, целлюлолитические; аминокислоты и другие пищевые и биологически активные добавки.
Биотехнология позволяет улучшить качество, питательную ценность и безопасность как сельскохозяйственных культур, так и продуктов животного происхождения, составляющих основу используемого пищевой промышленностью сырья.
Кроме того, биотехнология предоставляет массу возможностей усовершенствования методов переработки сырья в конечные продукты: натуральные ароматизаторы и красители; новые технологические добавки, в том числе ферменты и эмульгаторы; заквасочные культуры; новые средства для утилизации отходов.
Библиографический список
1. Альбертс Б. Молекулярная биология клетки.Т.1/Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис¾ М.: Мир, 1994. — 673 с.
. Безбородов А.М. Ферменты микроорганизмов и их применение / А.М. Безбородов.¾ М.: Наука, 1984. ¾ 561 с.
. Березин И.В. Инженерная энзимология./И.В. Березин, А.А. Клесов, В.К. Швядас¾ М.: Высшая школа, 2008. ¾144 с.
. Березин И.В. Иммобилизованные ферменты./И.В. Березин, Н.Л. Клячко, А.В. Левашев и др. ¾ М.: Высшая школа, 2009. ¾160 с.
. Биотехнология растений: культура клеток. М.: Агропромиздат, 1999 280 с.
. Быков В.А. Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов./В.А. Быков, И.А. Крылов, М.Н. Манаков и др.¾ М.: Высшая школа, 2009. ¾142 с.
. Грачева И.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и жиров./И.М. Грачева, Н.М. Гаврилова, Л.А. Иванова.¾М.: Пищевая промышленность, 1980.¾ 448 с.
. Кефели В.И. Биотехнология: курс лекций./В.И. Кефели, Г.А. Дмитриева.¾ Пущино, 2011. ¾96 с.
. Клесов А.А. Применение иммобилизованных ферментов в пищевой промышленности//Биотехнология./А.А. Клесов¾М.: Наука, 1984. ¾ 479 с.
. Клещев Н. Ф. Общая промышленная биотехнология./Н.Ф. Клещев, М.П. Бенько М.П¾Х.: НТУ «ХПИ»,2009.¾200 с.
. Лещинская И. Б. Микробная биотехнология./И.Б. Лещинская, Б.М. Куриненко, В.И. Вершинина. ¾Казань, Унипресс : ДАС, 2000.¾368 с.
. Лобанок А.Г. Биотехнология — сельскому хозяйству /А.Г. Лобанок, М.В. Залашко, Анисимова Н.И. и др.¾ Минск: Урожай, 1988. ¾199 с.
. Мосин А.В. Экологические аспекты современной биотехнологии./В.А. Мосин. ¾М.: Наука, 2004. ¾ 354 с.
. Нечаев А.П. Пищевые добавки./А.П. Нечаев, А.А. Кочеткова, А.Н. Зайцев.¾М.: Колос, 2001. ¾256 с.
. Печуркин Н.С. Популяционные аспекты биотехнологии./Н.С. Печуркин, А.В. Брильков, Т.В. Марченкова ¾Новосибирск: Наука, 1990. ¾173 с.
. Рычков Р.С. Биотехнология¾ перспективы развития /Р.С. Рычков, В.Г. Попов ¾М.: Наука, 1984. ¾ 354 с.
. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды./А. Сассон.¾М.: Мир, 1987. ¾411 с.
. Хиггинс И. Биотехнология. Принципы и применение /И. Хиггинс, Д. Бест Д., Дж. Джонс. ¾М.: Мир, 1988. ¾480 с.
. Чуешов Б.И. Промышленная биотехнология/Б.И. Чуешов, Егоров И.А., Рубан Е.А.,Крутских Т.В. ¾ Х.: Изд.» НФаУ», 2011. ¾112 с.
. Шлегель Г. Общая микробиология./Г. Шлегель.¾ М.: Мир, 1987. ¾566 с.
Экологическая биотехнология
Введение
1. Актуальность проблемы и направления её решения;
2. Методы утилизации твёрдых отходов;
3. Методы биологической очистки сточных вод;
4. Методы биологической очистки газовоздушных выбросов;
5. Ксенобиотики и их биодеградация.
Заключение
Список литературы.
Экологическая биотехнология. Введение
Темой данного курсового проекта является экологическая биотехнология. Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая зародилась в середине позапрошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики, цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники позволили получить новые сведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрый рост численности населения нашей планеты и увеличение потребления природных ресурсов при постоянном уменьшении площадей агросферы — главного источника питания, корма и сырья для перерабатывающей промышленности — уже более не позволяют развивать отечественную экономику старыми советскими методами. При этом существенная роль в этом процессе должна уделяться экологии. Но уже сегодня очевидно, что необходимо увеличивать продуктивность как агросферы, так и техносферы. Несомненно то, что научный прогресс в совокупности с экологическим мышлением является основой развития человеческого общества.
Если требуется, вы можете заказать курсовую работу онлайн. Заказы выполняют квалифицированные специалисты по приемлемым ценам.
Цель: Изучить экологические аспекты современной биотехнологии.
В рамках поставленной цели можно выделить следующие задачи:
1) Изучить актуальность проблемы и направления её решения;
2) Изучить методы утилизации твёрдых отходов;
3) Изучить методы биологической очистки сточных вод;
4) Изучить методы биологической очистки газовоздушных выбросов;
5) Изучить биодеградацию ксенобиотиков.
Экологическая биотехнология. Актуальность проблемы и направления её решения.
В течение последних десятилетий понятие экология постоянно используется средствами массовой информации и встречается, как правило, при описании загрязнения окружающей среды и другого рода антропогенных воздействий на биосферу. Таким образом, понятие экология ассоциируется с определенными нарушениями, которые следует предотвратить.
Экология — наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей их неорганической природой.[1] Существует деление этой дисциплины на нормальную и патологическую экологию.
Нормальная экология исследует взаимоотношения организмов и среды их обитания в естественных условиях.
Патологическая экология призвана изучать факторы, обусловленные антропогенной деятельностью, а также их влияние на сложившиеся природные отношения организмов со средой и перспективу этих отношений.
Как известно, биосфера (область распространения жизни на нашей планете) охватывает литосферу, гидросферу и атмосферу. Для человека окружающая среда фактически равнозначна биосфере, но данную аналогию нельзя экстраполировать на все живые организмы на Земле. Проблемы патологической экологии, сосредоточены все же на биосфере, где они становятся в настоящее время все более ощутимы, что дает даже повод говорить не только об экологической опасности, но и о грозящей экологической катастрофе.
Человек одновременно является высшей формой жизни и природной силой, которая преобразует окружающую среду (биосферу), что в свою очередь отражается на эволюции всех форм жизни, в том числе и на самом человеке.
Человек уникален тем, что, создавая блага для себя, он одновременно может действовать во вред себе как виду. Даже если предположить, что этим человек создаст предпосылки для собственной эволюции, нельзя при этом допускать ни сокращения продолжительности жизни, ни утраты здоровья.
Антропогенное воздействие на биосферу неотъемлемо от развития цивилизации. Распашка земель, вырубка лесов, вытаптывание степей постоянно сопутствуют истории человечества. Уместно вспомнить об уничтожении отдельных видов животных и растений и о расселении некоторых видов из мест коренного обитания.
Вместе с тем, одним из наиболее важных решений, является экологическая биотехнология (экобиотехнология), специализирующаяся на решении природоохранных задач, таких как, например: восстановление озёрных экосистем, очистка загрязнённых сред от нефти и её производных продуктов, мониторинг окружающей среды и т.д. [1]
Экологическая биотехнология успешно применяет на практике следующие базовые методы:
— Биологическая очистка сточных вод;
— Утилизации твёрдых отходов;
— Биологическая очистка газовоздушных выбросов;
— Биодеградация ксенобиотиков.
Экологическая биотехнология. Методы утилизации твёрдых отходов.
В области переработки и ликвидации твёрдых отходов биотехнологические методы наиболее широко применяются для утилизации коммунальных отходов и ила из систем биоочистки стоков.
Традиционно твёрдые отходы складируются на городских свалках. Всё возрастающие объёмы отходов на душу населения приводят к возникновению огромного количества свалок, увеличению их площади, а также к неуправляемому попаданию отходов в окружающую среду из-за рассыпания их при транспортировке. Так, по данным 1984 г., во Франции, Греции и Ирландии по ходу транспортировки отходов на свалки было рассыпано соответственно 10.3, 17.5 и 35% от общего количества ликвидированных отходов.
Несмотря на всё возрастающий интерес к повторному использованию сырья, очевидно, что простая ликвидация отходов на свалках существенно дешевле любого другого способа их переработки. После того, как стало ясно, что при анаэробной переработке отходов в больших количествах образуется ценный энергетический носитель — биогаз, основные усилия стали направляться на соответствующую организацию свалок и на получение на месте их переработки метана.
Несмотря на огромное разнообразие отходов, вывозимых на городские свалки, состав твёрдых отходов в развитых странах, в общем, становится всё более однотипным, при этом чётко просматривается тенденция увеличения объёма бумаги и пластмасс на фоне снижения доли органических и растительных материалов. Это удлиняет время стабилизации отходов на свалках. Исследования химического состава содержимого свалок показали, что фракция, поддающаяся биодеградации, составляет до 70% от общего количества твёрдых отходов.
Динамика состояния отходов на свалке носит чрезвычайно сложный характер, так как всё время происходит наслаивание нового материала через различные временные промежутки. В результате этого процесс подвержен действию градиентов температуры, рН, потоков жидкости, ферментативной активности и пр. В общей массе материала свалок присутствует сложная ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на поверхности твёрдых частиц, являющихся для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываются разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. В целом состояние и биокаталитический потенциал микробного сообщества зависят от спектра химических веществ материала свалок, степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентраций различных субстратов, в особенности градиентов концентраций доноров и акцепторов электронов и водорода. [2]
На типичной европейской свалке, где отходы размещены по отсекам, система переработки отходов является, по существу, совокупностью реакторов периодического действия, в которых субстрат (отходы) находится на разных стадиях биодеградации.
На начальной стадии биодеградации твёрдых отходов доминируют аэробные процессы, в ходе которых под воздействием микроорганизмов (грибов, бактерий, актиномицетов) и беспозвоночных (клещей, нематод и др.) окисляются наиболее деградируемые компоненты. Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты — лигнин, лигноцеллюлозы, меланины, танины. Существуют различные методы оценки степени биодеградации твёрдых отходов.
Наиболее информативным принято считать метод оценки, основанный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В не переработанных отходах отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет около 4.0; в активно перерабатываемых — 0.9-1.2 и в полностью стабилизированных отходах — 0.2. В течение аэробной стадии температура среды может повышаться до 80°С, что вызывает инактивацию и гибель патогенной микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. Температура может служить показателем состояния свалки. Увеличение температуры повышает скорость протекания процессов деструкции органических веществ. Однако при этом снижается растворимость кислорода являющегося лимитирующим фактором.
Исчерпание молекулярного кислорода in situ приводит к снижению тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь, стимулирует развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем облигатных анаэробов. При анаэробной минерализации, в отличие от аэробного процесса, участвуют разнообразные взаимодействующие между собой микроорганизмы. При этом виды, способные использовать более окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические и кинетические преимущества. Последовательно проходит процесс гидролиза полимеров типа полисахаридов, липидов белков; образованные при этом мономеры далее расщепляются образованием водорода, диоксида углерода, а также спиртов и органических кислот. Далее при участии метаногенов происходит процесс образования метана.
Рис. 1 Взаимодействие микроорганизмов в анаэробных условиях заключительной стадии катаболизма (по К. Форстеру и Е. Сениору, 1990):
бактерии, потребляющие: I — нитраты, II — сульфаты;
бактерии, образующие: III — пропионат, IV — ацетат, V — метан;
бактерии, катаболирующие: VI — аминокислоты, VII — метилированные металлоорганические комплексы.
В результате комплекса процессов, происходящих при биодеградации содержимого свалок, образуются два типа продуктов — фильтрующиеся в почву воды и газы. Фильтрующиеся воды, помимо микроорганизмов, содержат комплекс разнообразных веществ, включая аммонийный азот, летучие жирные кислоты, алифатические, ароматические и ациклические соединения, терпены, минеральные макро- и микроэлементы, металлы. Поэтому важным моментом при выборе и организации мест свалок является защита поверхности земли и грунтовых вод от загрязнений. Для борьбы с фильльтрацией вод применяют малопроницаемые засыпки либо создают непроницаемые оболочки вокруг свалки или специальные заграждения.
Возможно, что наиболее эффективным способом может стать организация сбора фильтрующихся вод свалок и управляемая анаэробная переработка с применением капельных биофильтров, аэротенков или аэрационных прудов. В системе аэрационных прудов в течение нескольких месяцев можно удалить из вод до 70% БПК; в капельных биофильтрах или системах с активным илом — до 92% БПК с одновременным извлечением в результате биосорбции свыше 90% металлов (железа, марганца, цинка).
Анаэробная биоочистка позволяет удалить 80-90% ХПК в течение 40-50 дней при 25°С (при 10°С величина удаления ХПК снижается до 50%).
Биогаз, образуемый при биодеградации материала свалок, является ценным энергоносителем, но также может вызывать негативные явления в окружающей среде (дурной запах, закисление грунтовых вод, снижение урожайности сельскохозяйственных культур). Поэтому следует ограничивать утечки газа. Это возможно при помощи специальных приспособлений (преграды, наполненные гравием траншеи, системы экстракции газа), позволяющих управлять перемещением газа, а также созданием над массивом свалок оболочек, препятствующих утечке газа.
Интерес к извлечению метана в процессах переработки свалок существенно возрос в последние десять лет. В США для этих целей построено 10 установок, в странах Общего рынка — около 40. Создание таких установок планируется в Великобритании, Японии, Канаде, Швейцарии и др. Сбор и последующее применение биогаза, образуемого на свалках в больших количествах, имеют огромные перспективы. Так, установка в Россмане в летние месяцы даёт до 40 000 м3 газа в день. Объёмы таких установок значительны, до 10-20*106 м3.
Теоретический выход метана может составлять 0.266 м3/кг сухих твёрдых отходов. Реальные экспериментальные значения выхода биогаза, полученные на различных лабораторных, пилотных установках и контролируемых свалках дают существенный разброс данных, от десятков до сотен л/кг в год. Огромное влияние на процесс метаногенеза оказывают многие факторы — температура и рН среды, влажность, уровень аэрации, химический состав отходов, наличие в них токсических компонентов и др. Газ, образуемый на свалке, извлекается с помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. Применение воздуходувок и насосов может повысить степень извлечения газа. Газ используют для обогрева теплиц, получения пара, а после дополнительной очистки его можно перекачивать по трубам к местам потребления.
Таким образом, помимо экологической, проблема носит экономический характер, так как использование образуемого на свалках биогаза снижает материальные затраты на борьбу с загрязнениями, опасными и дурнопахнущими отходами.[2]
Экологическая биотехнология. Методы биологической очистки сточных вод.
Биологическая очистка сточных вод, основанная на возможности использовать микроорганизмами имеющиеся загрязнения в качестве пищевых источников, осуществляется с целью минимизации опасных соединений до регламентированных законом концентраций. В зависимости от масштабов, специфики и схемы работ, сточные воды могут очищаться с помощью городской, производственной или небольшой хозяйственной инфраструктуры естественными (на основе растительных, водных и почвенных экосистем) или искусственными (благодаря специально разработанным сооружениям) методами путём функционирования аэробных (основаны на микроорганизмах, требующих для своей жизнедеятельности наличие кислорода) или анаэробных (характеризуются присутствием микроорганизмов, живущих в условиях отсутствия кислорода) систем.
Экологическая биотехнология. 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:
1) Деградация органических и неорганических токсичных отходов;
2) Возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота, фосфора, азота и серы;
3) 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.
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. 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.
Экологическая биотехнология. Недостатками этого метода можно считать:
1) Нереальность использования стоков с высоким содержанием органических примесей;
2) Необходимость равномерного орошения поверхности биофильтра сточными водами, подаваемыми с постоянной скоростью;
3) 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.[2]
Экологическая биотехнология. 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:
1) Растворение и гидролиз органических соединений;
2) Ацидогенез;
3) 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.[2]
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.
Экологическая 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. Экологическая 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.[2]
Экологическая биотехнология. Методы биологической очистки газовоздушных выбросов
Проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна в условиях возрастающей технологической деятельности приобретает всё большую остроту. В воздухе больших промышленных городов содержится огромное количество вредных веществ. При этом концентрация многих токсикантов превышает допустимые уровни. Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят предприятия нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и перерабатывающей промышленности, а также большие сельскохозяйственные комплексы, отстойники сточных вод, установки по обезвреживанию отходов. Среди этих веществ — органические (ароматические и непредельные углеводороды, азот-, кислород-, серу- и галогенсодержащие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероуглерод, окислы углерода, аммиак, хлороводород, галогены). В воздушных бассейнах больших промышленных городов присутствуют десятки различных соединений, в том числе дурнопахнущие, способные даже в незначительных концентрациях представлять угрозу для здоровья, а также вызывать у людей чувство дискомфорта.
Для очистки воздуха применяют различные методы — физические, химические и биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее время чрезвычайно далеки от требуемых. Среди применяемых физических методов — абсорбция примесей на активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями. Наиболее распространёнными химическими методами очистки воздуха являются озонирование, прокаливание, каталитическое дожигание, хлорирование. Биологические методы очистки газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно и пока в ограниченных масштабах.
Биологические методы очистки воздуха базируются на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов, СО2 и Н2О. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические и ациклические соединения. Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами. Есть данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода, являющейся одним из наиболее опасных воздушных загрязнителей. Представители рода Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол; Hyphomicrobium — дихлорэтан; Xanthobacterium — этан и дихлорэтан; Mycobacterium — винилхлорид.
Наиболее широким спектром катаболических путей характеризуются почвенные микроорганизмы. Так, только представители рода Pseudomonas способны использовать в качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше 100 соединений — загрязнителей биосферы. Большие возможности для повышения биосинтетического потенциала микроорганизмов — деструкторов токсичных веществ имеются на вооружении у микробиологов и генетиков включая методы традиционной селекции и отбора, а также новейшие достижения клеточной и генетической инженерии. Подавляющее число токсических загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал и, следовательно, деструктурирующую способность. Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем.
Принципиальная схема для биологической очистки воздуха была предложена в 1940 г. Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в ФРГ совсем недавно — в 1980 г. Спустя три года, в 1984 г., только в ФРГ функционировало и находилось в стадии запуска около 240 установок. Основным элементом биофильтра для очистки воздуха, как и водоочистного биофильтра, является фильтрующий слой, который сорбирует токсические вещества из воздуха. Далее эти вещества в растворённом виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции.
В качестве носителя для фильтрующего слоя используют природные материалы — компост, торф и др. Эти материалы содержат в своём составе различные минеральные соли и вещества, необходимые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных добавок. Воздух, подлежащий очистке, подаётся вентилятором в систему, проходит через фильтрующий слой в любом направлении, снизу вверх или наоборот. При этом воздух должен проходить через всю массу фильтрующего слоя равномерно. Поэтому требуется однородность слоя и определённая степень влажности. Оптимальная для очистки воздуха влажность фильтрующего слоя составляет 40—60% от веса материала носителя. При недостаточной влажности материала фильтрующего слоя в нём образуются трещины, материал пересыхает. Это затрудняет прохождение воздуха и снижает физиологическую активность микроорганизмов. Увлажнение материала обеспечивается распылением воды на поверхности фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще слоя происходит образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлением. В результате снижается время контакта потока воздуха с поглотителем и падает эффективность очистки. В толще фильтрующей массы не должно образовываться более плотных зон или комков материала, то возможно при использовании компоста, так как при этом снижается удельная площадь поверхности фильтрующего слоя. В материале не должно возникать температурных градиентов, а также не должно происходить резких изменений рН среды. Поэтому температурный режим в биофильтре поддерживается постоянным. Для этого воздух, подаваемый в биофильтр, подогревается, установка в целом термостатируется.
Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует принимать комплекс мер, важнейшими из которых являются следующие. Воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в биоскруббере до относительной влажности в 95—100%. При заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления в материал добавляют гранулы (диаметром 3—10 мм) из синтетических полимерных материалов (полиэтилена, полистирола), а также частицы автопокрышек, активированный уголь. Масса добавок составляет от 30 до 70% от массы фильтрующего материала и равномерно распределяется по всему слою. Для предотвращения резкого закисления материала фильтрующего слоя в ходе трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция в количестве 2—40% от веса носителя. С целью избежания ситуаций, когда микроорганизмы, входящие в состав рабочего тела биофильтра, могут ингибироваться токсическими веществами в результате, например, залповых выбросов в материал вносят активированный уголь, до 250 кг/м3.
Эффективность работы биофильтра определяется газодинамическими параметрами фильтрующего слоя, спектром и концентрацией присутствующих в воздухе веществ и ферментативной активностью микроорганизмов-деструкторов. При этом скорость удаления вредных примесей из воздуха в процессе биоочистки может лимитироваться как диффузией веществ из газовой фазы в биокаталитический слой, так и скоростью протекания биохимических реакций микробных клетках. При высокой входной концентрации вредных веществ в воздухе процесс их деструкции в ходе прохождения потока через фильтрующий слой неравномерен. Сначала разрушаются легкодоступные вещества и только в конце процесса начинается разрушение труднодеградируемых соединений. Так, при присутствии вредных примесей бутанола, этилацетата, бутилацетата и толуола последний утилизируется микроорганизмами только после окисления всех остальных веществ.
Стационарное состояние и наиболее высокая скорость биоочистки достигаются спустя некоторое время после запуска биофильтра. Требуется некоторый период для созревания и адаптации микробиологического ценоза. Длительность периода адаптации зависит концентрации веществ в воздухе и микробного пейзажа в диффузионном слое и может составлять от нескольких часов до нескольких недель. Концентрация микроорганизмов в ходе очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего слоя приходится обновлять. Длительность циклов достаточно велика и составляет несколько лет.
Принцип функционирования биоскрубберов отличается тем, что процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках. На первом этапе в абсорбере токсические вещества, находящиеся в воздухе, а также кислород растворяются в воде. В результате воздух выходит очищенным, а загрязнённая вода далее следует на очистку. Применяют различные типы абсорберов (барботажные, насадочные, распылительные, форсуночные и т. д.). Цель конструкционных усовершенствований заключается в увеличении площади поверхности раздела фаз, газа и жидкости. Это определяет эффективность абсорбции. На второй стадии загрязнённая вода поступает в аэротенк, где она регенерируется. Очищение воды в аэротенке происходит по обычной схеме с участием кислорода. В ходе очистки сложные органические вещества окисляются микроорганизмами, формирующими активный ил, до конечных продуктов с образованием биомассы.
Экологическая биотехнология. Биореактор с омываемым слоем.
Рабочим телом такой биосистемы являются иммобилизованные микроорганизмы. Биослой реактора представляет собой гранулы с иммобилизованными микробными клетками. Биослой омывается водой, содержащей необходимые для развития клеток минеральные вещества. Загрязнённый воздух проходит через этот биослой. При этом вещества, подлежащие деструкции, диффундируют в водную пленку, покрывающую частицы биокатализатора и далее окисляются микроорганизмами. Скорость деструкции может лимитироваться скоростью диффузии веществ из газовой фазы в жидкую и скоростью протекания реакций в микробных клетках. Скорость диффузии, в свою очередь, зависит от природы токсических веществ, величины их концентраций. Стационарный режим биореактора с омываемым слоем после его запуска наступает через 5—10 дней. При использовании заранее адаптированных к очищаемым веществам микроорганизмов этот срок может быть сокращён до нескольких часов. Периодически, обычно раз в несколько месяцев, биослой очищают от избытка биомассы и наполняют свежими гранулами.
Основные требования, предъявляемые к установкам биологической очистки газов, заключаются в простоте и эксплуатационной надёжности конструкции, высокой удельной производительности и высокой степени очистки. Удельная производительность установки ^измеряется отношением объёма воздуха, прошедшего через неё за 1 ч, к общему объёму установки.
Масштабы промышленного применения методов биологической очистки воздуха в настоящее время весьма незначительны. Наиболее распространённым типом установок являются биофильтры. Они достаточно дешевы, малоэнергоёмки, требуют незначительных расходов воды. Однако производительность биофильтров сравнительно невысока — от 5 до 400 м3 очищаемого воздуха на 1 м2 поперечного сечения фильтрующего слоя/ч. Главным образом это определяется низким содержанием микроорганизмов в единице объёма материала фильтрующего слоя. Высота биофильтров из-за требований однородности структуры и газодинамических ограничений небольшая (около 1 м). Поэтому они занимают большие площади (от 10 до 1600м2). Степень очистки воздуха в биофильтрах — достаточно высокая. Например, используемые в сельском хозяйстве ФРГ биофильтры обеспечивают 90%-ю степень очистки воздуха от дурнопахнущей органики. Повышение эффективности работы биофильтров связано с созданием установок, в которых обеспечивается более равномерное прохождение воздуха через рабочее тело установки. Так, в ФРГ фирмой «Гербург Вейз» разработан биофильтр, через который сверху вниз противотоком к вводимому снизу воздуху проходит тонко измельченный компост, полученный при переработке мусора и шлама. Компост выгружается на дно установки и транспортёром вновь подаётся в верхнюю часть. Такой движущийся биологически активный компост обеспечивает равномерное прохождение через него очищаемого воздуха; степень извлечения из воздуха n-алканов, толуола, сероводорода составляет 96.7-99.9%. Повышение эффективности работы биофильтров безусловно связано с повышением энергозатрат на процесс биоочистки.
Биоскрубберы по сравнению с биофильтрами занимают меньшую площадь, так как представляют собой башни высотой несколько метров. Эксплуатационные затраты при использовании биоскрубберов выше, так как процесс биоочистки воды требует существенных затрат. Применение биоскрубберов эффективно при наличии в воздухе хорошо растворимых токсических веществ. Производительность биоскрубберов существенно выше по сравнению с биофильтрами, при этом эффективность очистки также высока. Например, применение биоскрубберов для очистки отходящих газов металлургических предприятий даёт следующие показатели: производительность 120 000 м3/ч, снижение интенсивности запаха воздуха от 75 до 85%, степень конверсии органических примесей — 50%.
Наиболее перспективными для очистки воздуха являются биореакторы с омываемым слоем. Эти установки, практически не уступая в степени очистки, характеризуются более высокой удельной производительностью (несколько тысяч м3 очищаемого воздуха в час). Очень эффективны такие малогабаритные установки для очистки воздуха предприятий интенсивного животноводства. Степень очистки воздуха в реакторе с иммобилизованными на активированном угле микроорганизмами от ацетона, бутанола, пропионового альдегида, этилацетата достигает 90% при удельной производительности установки 10 000 ч-1.
Известны другие подходы для очистки воздуха, например на основе растущей суспензии микроорганизмов. Пропускание воздуха, насыщенного сероводородом, сернистым ангидридом и парами серной кислоты, через интенсивную культуру микроводоросли Chlorella, имеющую большую поверхность контакта суспензии с воздухом, обеспечивает 100%-ю очистку воздуха при производительности установки до 1 млн. м3/ч. Известны способы комплексной очистки стоков и загрязненного воздуха от алифатических кислот, спиртов, альдегидов и углеводородов в аэротенке с активным илом. Показана возможность эффективной очистки отходящего воздуха ряда фармацевтических производств на основе иммобилизованных микробных клеток. Производительность установки по ацетону достигает 164 г углерода/м3-ч; 57 г/м3-ч по смеси этанол + пропанол и 15 г/м3-ч по дихлорэтану. Для детоксикации цианида в промышленных выбросах предложены биологические методы, включая применение различных биологических агентов — от активного ила до специфических ферментов, разрушающих цианиды. Так, раданаза, обнаруженная у Bacillus stearothermophilus, катализирует превращение цианида в тиоцианат, а иммобилизованная цианидгидратаза гидролизует цианид до формамида.
Образующиеся во многих производственных процессах восстановленные соединения серы (тиосульфат, сероводород, метилмеркаптаны, диметилсульфид) могут служить источником энергии для многих микроорганизмов:
Thiobacillus
H2S + 2О2 -> H2SO4
Hyphomicrobium
(CH3)2S + 5O2 -> 2CO2 + H2SO4 + 2H2O
Один из методов очистки от сероводорода состоит в пропускании воздуха через солевой раствор меди. Образуемый в результате этого нерастворимый сульфид металла далее может быть окислен при участии микроорганизмов. Возможно создание системы биоочистки воздуха от сероводорода, а также органических соединений серы с использованием тиобацилл; при анаэробных условиях десульфурирование сопряжено с денитрификацией:
5H2S + 8NaNO3 -> 4Na2SO4 + H2SO4 + 4H2O + 4N2
(CH3)2S + 4NaNO3 -> 2CO2 + Na2SO4 + 2NaOH + 2H2O + 2N2
Таким образом, в настоящее время в промышленных масштабах применяются достаточно эффективные биологические процессы для очистки газовоздушных выбросов. Существуют реальные научные основы для разработки и внедрения новых методов биоочистки.
Экологическая биотехнология. Ксенобиотики и их биодеградация.
Ксенобиотики — чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители, лекарственные вещества и пр.), которые практически не включаются в элементные циклы углерода, азота, серы или фосфора.[2]
В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важны несколько факторов:
1) Устойчивость ксенобиотиков к различным воздействиям;
2) Растворимость их в воде;
3) Летучесть ксенобиотиков;
4) рН среды;
5) Способность ксенобиотиков поступать в клетки микроорганизмов;
6) Сходство ксенобиотиков и природных соединений, подвергающихся естественной биодеградации. [3]
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. Бактерии 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 почвенными загрязнителями грибы. Они могут разрушать такие вещества, как пентахлорбензол, пентахлорфенол. 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. [4]
Заключение
Проблема очистки окружающей среды от загрязнений возникла еще 5000 лет назад. Экологическая биотехнология позволяет решать ряд экологических проблем, включая защиту окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, деградацию токсикантов, попавших в среду, а также сама создает малоотходные промышленные процессы получения пищевых и лекарственных веществ, кормов, минерального сырья, энергии. В целом это способствует экологизации антропогенной деятельности и возникновению более гармоничных отношений между обществом и природой.
Таким образом, я достиг, поставленной цели и решил задачи.
Список литературы
1. С. Н. Орехов, Ю. О. Сазыкин, И. И. Чакалева «Биотехнология»; С
2. В. Г. Волкова «Экологическая биотехнология» С. 49 – 60;
3. А. Е. Кузнецов, Н. Б. Градова «Научные основы экобитхнология»;
4. http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=21289
Курсовая работа: Биотехнология
Министерство образования Российской Федерации
Сибирский Государственный Технологический Университет
Кафедра Физиологии
РЕФЕРАТ
На тему: Биотехнология.
Выполнил: Студент гр.32-6
Мулява Владимир Валерьевич
Проверила: Сунцова Людмила Николаевна
Красноярск 2001г.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ… 3
БИОТЕХНОЛОГИЯ НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ 5
1. Биотехнология и сельское хозяйство. 5
Биотехнология и растениеводство. 5
Биотехнология и животноводство. 10
2. Технологическая биоэнергетика. 11
Получение этанола как топлива. 11
Получение метана и других углеводородов. 12
Получение водорода как топлива будущего. 13
Пути повышения эффективности фотосинтетических систем. 14
Биотопливные элементы. 14
3. Биотехнология и медицина. 15
Антибиотики. 15
Гормоны. 17
Интерфероны, интерлейкины, факторы крови. 18
Моноклокальные антитела и ДНК-или РНК-пробы. 19
Рекомбинантные вакцины и вакцины-антигены. 20
Ферменты медицинского назначения. 21
4. Биотехнология и пищевая промышленность. 21
5. Биогеотехнология. 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ… 25
Список используемой литературы. 27
ВВЕДЕНИЕ
С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в различных сферах практической деятельности человека. К ним относятся хлебопечение, виноделие, приготовление кисло-молочных продуктов и т. д. Однако биологическая сущность этих процессов была выяснена лишь в XIX в., благодаря работам Л. Пастера. В первой половине XX в. сфера приложения биотехнологии пополнилась микробиологическим производством ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка.
Немаловажный вклад в биотехнологические разработки внесли советские исследователи: в СССР в 30-е годы были построены первые заводы по получению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках, под руководством В. Н. Шапошникова успешно внедрена технология микробиологического производства ацетона и бутанола. Большую роль в создание основ отечественной биотехнологии внесло учение Шапошникова о двухфазном характере брожения. В 1926 г. в СССР были исследованы биоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами. В последующие годы биотехнологические разработки широко использовались в нашей стране для расширения «ассортимента» антибиотиков для медицины и животноводства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов.
С момента создания в 1963 г. Всесоюзного научно-исследовательского института биосинтеза белковых веществ в нашей стране налаживается крупнотоннажное производство богатой белками биомассы микроорганизмов как корма. В 1966 г. микробиологическая промышленность была выделена в отдельную отрасль (Главное управление микробиологической промышленности при Совете Министров СССР — Главмикробиопром). Имеются ценные разработки по получению новых источников энергии биотехнологическим путем (технологическая биоэнергетика), отметим большое значение биогаза — заменителя топлива, получаемого из недр земли.
Значительные успехи, достигнутые во второй половине XX в. в фундаментальных исследованиях в области биохимии, биоорганической химии и молекулярной биологии, создали предпосылки для управления элементарными механизмами жизнедеятельности клетки, что явилось мощным импульсом для развития биотехнологии. Выяснение роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации, расшифровка генетического кода, раскрытие механизма индукции и репрессии генов, совершенствование технологии культивирования микроорганизмов, клеток и тканей растений и животных позволили разработать методы
генетической и клеточной инженерии, с помощью которых можно искусственно создавать новые формы высокопродуктивных организмов. Генетическая и клеточная инженерия рассматривается как принципиально новое направление биологической науки, которое сегодня ставят в один ряд с расщеплением атома, преодолением земного притяжения и созданием средств электроники (Ю. А. Овчинников, 1985).
В разработку генноинженерных методов советские исследователи включились в 1972 г. Следует указать на успешное осуществление проекта «Ревертаза» — получение в промышленных масштабах обратной транскриптазы в СССР.
С 1970 г. в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции культур для непрерывного культивирования в промышленных целях.
Развитие методов для изучения структуры белков, выяснение механизмов функционирования и регуляции активности ферментов открыли путь к направленной модификации белков и привели к рождению инженерной энзимологии. Иммобилизованные ферменты, обладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструментом для осуществления каталитических реакций в различных отраслях промышленности.
Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами. В современном звучании биотехнология — это промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами.
Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук.
Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов. Многоэтапность процесса обусловливает необходимость привлечения к его осуществлению самых различных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и клеточных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического оборудования и др.
В Комплексной программе научно-технического прогресса стран — членов СЭВ в качестве первоочередных задач биотехнологии определены создание и широкое народнохозяйственное освоение:
— новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста человека, моноклональных антител и т.д.), позволяющих осуществить в здравоохранении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний — сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфекционных, в том числе вирусных;
— микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды сортов и гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;
— ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов и др.) для повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженерии для эффективной профилактики, диагностики и терапии основных болезней сельскохозяйственных животных;
— новых технологий получения хозяйственно ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;
— технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.
По оценкам специалистов, мировой рынок биотехнологической продукции уже к середине 90-х годов достигнет уровня 130—150 млрд. руб. (Ю. А. Овчинников, 1985).
На пути решения поставленных задач биотехнологию подстерегают немалые трудности, связанные с исключительной сложностью организации живого. Любой биообъект — это целостная система, в которой нельзя изменить ни один из элементов, не меняя остальных, нельзя произвольно перекомбинировать их, придавая организму то или иное желаемое свойство, например бактерии — способность к сверхсинтезу требуемой аминокислоты, сельскохозяйственному растению — устойчивость к фитопатоген-ным грибкам. Любое воздействие на объект вызывает не только желаемые, но и побочные эффекты; перестройка генома сказывается сразу на многих признаках организма. У человека существуют гены, отвечающие за злокачественное перерождение клеток. Высказывалось немало идей о необходимости превентивных генетических операций, пока не было установлено, что эти гены необходимы и для нормального роста. Помимо этого, экосистема также представляет собой целостную систему и изменения каждого из ее компонентов сказываются на остальных компонентах. Не исключено, что плазмида, с помощью которой трансплантирован желаемый ген культурному растению, будет далее передаваться сорнякам. Не будет ли в результате генных манипуляций превращаться в сорняк само культурное растение?
Успехи, достигнутые в области генетической и клеточной инженерии на простейших биологических системах, прокариотных организмах, вселяют уверенность в преодолимость рассмотренных трудностей. Что касается более сложных систем, а именно эукариотных организмов, то здесь делаются лишь первые шаги, идет накопление фундаментальных знаний.
БИОТЕХНОЛОГИЯ НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ
Биотехнологические разработки могут внести немаловажный вклад в решение комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения и науки.
Для удовлетворения пищевых потребностей необходимо увеличить эффективность растениеводства и животноводства. Именно на это, в первую очередь, нацелены усилия биотехнологов. Кроме того, биотехнология предлагает как источник кормового (возможно, и пищевого) белка клеточную массу бактерий, грибов и водорослей.
Во-вторых, повышение цен на традиционные источники энергии (нефть, природный газ, уголь) и угроза исчерпания их запасов побудили человечество обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотехнология может дать ценные возобновляемые энергетические источники: спирты, биогенные углеводороды, водород. Эти экологически чистые виды топлива можно получать путем биоконверсии отходов промышленного и сельскохозяйственного производства.
В-третьих, уже в наши дни биотехнология оказывает реальную помощь здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина, гормона роста, интерферонов, факторов свертывания крови и иммунной системы, тромболитических ферментов, изготовленных биотехнологическим путем. Помимо получе ния лечебных средств, биотехнология позволяет проводить раннюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, моноклональных антител, ДНК/РНК-проб. С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.
В-четвертых, биотехнология может резко ограничить масштабы загрязнения нашей планеты промышленными, сельскохозяйственными и бытовыми отходами, токсичными компонентами автомобильных выхлопов и т. д. Современные разработки нацелены
на создание безотходных технологий, на получение легко разрушаемых полимеров (в частности, биогенного происхождения: поли-b -оксибутирата, полиамилозы) и поиск новых активных микроорганизмов-разрушителей полимеров (полиэтилена, полипропилена, полихлорвинила). Усилия биотехнологов направлены также на борьбу с пестицидными загрязнениями — следствием неумеренного и нерационального применения ядохимикатов.
Биотехнологические разработки играют важную роль в добыче и переработке полезных ископаемых, получении различных препаратов и создании новой аппаратуры для аналитических целей.
1. Биотехнология и сельское хозяйство
Биотехнология и растениеводство
Культурные растения страдают от сорняков, грызунов, насекомых-вредителей, нематод, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов, неблагоприятных погодных и климатических условий. Перечисленные факторы наряду с почвенной эрозией и градом значительно снижают урожайность сельскохозяйственных растений. Известно, какие разрушительные последствия в картофелеводстве вызывает колорадский жук, а также гриб Phytophtora — возбудитель ранней гнили (фитофтороза) картофеля. Кукуруза подвержена опустошительным «набегам» южной листовой гнили, ущерб от которой в США в 1970 г. был оценен в 1 млрд. долларов.
В последние годы большое внимание уделяют вирусным заболеваниям растений. Наряду с болезнями, оставляющими видимые следы на культурных растениях (мозаичная болезнь табака и хлопчатника, зимняя болезнь томатов), вирусы вызывают скрытые инфекционные процессы, значительно снижающие урожайность сельскохозяйственных культур и ведущие к их вырождению.
Биотехнологические пути защиты растений от рассмотренных вредоносных агентов включают: 1) выведение сортов растений, устойчивых к неблагоприятным факторам; 2) химические средства борьбы (пестициды) с сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды), нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, вирусами; 3) биологические средства борьбы с вредителями, использование их естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых живыми организмами.
Наряду с защитой растений ставится задача повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормовой) ценности, задача создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах. Разработки нацелены на повышение энергетической эффективности различных процессов в растительных тканях, начиная от поглощения кванта света и кончая ассимиляцией СО2 и водно-солевым обменом.
Выведение новых сортов растений. Традиционные подходы к выведению новых сортов растений — это селекция на основе гибридизации, спонтанных и индуцированных мутаций. Методы селекции не столь отдаленного будущего включают генетическую и клеточную инженерию.
Генетическую инженерию предлагают использовать для выведения азотфиксирующих растений. В природных условиях азотфиксирующие клубеньковые бактерии, представители рода Rhizobium, вступают в симбиоз с бобовыми. Комплекс генов азотфиксации ( nif) из этих или иных бактерий предлагают включить в геном злаковых культур. Трудности связаны с поиском подходящего вектора, поскольку широко используемые для подобных целей Agrobacterium с плазмидами Ti и Ri не заселяют злаки. Планируют модификацию генома Agrobacterium, чтобы бактерия могла вступать в симбиоз со злаками и передавать им генетическую информацию. Другим решением проблемы могла бы быть трансформация растительных протопластов посредством ДНК. К компетенции клеточной инженерии относят создание новых азотфиксирующих симбиотических ассоциаций «растение — микроорганизм».
В настоящее время выделены и клонированы гены sym, отвечающие за установление симбиотических отношений между клубеньковыми азотфиксаторами и растением-хозяином. Путем переноса этих генов в свободноживущие азотфиксирующие бактерии ( Klebsiella, Azotobacter) представляется возможным заставить их вступить в симбиоз с ценными сельскохозяйственными культурами. Методами генетической инженерии предполагают также повысить уровень обогащения почвы азотом, амплифици-руя гены азотфиксации у Klebsiella и Azotobacter.
Разрабатываются подходы к межвидовому переносу генов asm, обусловливающих устойчивость растений к нехватке влаги, жаре, холоду, засоленности почвы. Перспективы повышения эффективности биоконверсии энергии света связаны с модификацией генов, отвечающих за световые и темновые стадии этого процесса, в первую очередь генов cfx, регулирующих фиксацию СО2 растением. В этой связи представляют большой интерес
разработки по межвидовому переносу генов, кодирующих хлорофилл а/ b- связывающий белок и малую субъединицу рибулозо-бис-фосфаткарбоксилазы — ключевого фермента в фотосинтетической фиксации СО2 .
Гены устойчивости к некоторым гербицидам, выделенные из бактерий и дрожжей, были успешно перенесены в растения табака. Разведение устойчивых к гербицидам растений открывает возможность их применения для уничтожения сорняков непосредственно на угодьях, занятых сельскохозяйственными культурами. Проблема состоит, однако, в том, что массивные дозы гербицидов могут оказаться вредными для природных экосистем.
Некоторые культурные растения сильно страдают от нематод. Обсуждается проект введения в растения новых генов, обусловливающих биосинтез и выделение нематоцидов корневыми клетками. Важно, чтобы эти нематоциды не проявляли токсичности по отношению к полезной прикорневой микрофлоре. Возможно также создание почвенных ассоциаций «растение — бактерия» или «растение — гриб (микориза)» так, чтобы бактериальный (грибной) компонент ассоциации отвечал за выделение нематоцидов.
Важное место в выведении новых сортов растений занимает метод культивирования растительных клеток in vitro. Регенерируемая из таких клеток «молодая поросль» состоит из идентичных по генофонду экземпляров, сохраняющих ценные качества избранного клеточного клона. В Австралии из культивируемых in vitro клеточных клонов выращивают красные камедные деревья (австралийские эвкалипты), отличающиеся способностью расти на засоленных почвах. Предполагается, что корни этих растений будут выкачивать воду из таких почв и тем самым понижать уровень грунтовых вод. Это приведет к снижению засоленности поверхностных слоев почвы в результате переноса минеральных солей в более глубокие слои с потоками дождевой воды. В Малайзии из клеточного клона получена масличная пальма с повышенной устойчивостью к фитопатогенам и увеличенной способностью к образованию масла (прирост на 20—30%). Клонирование клеток с последующим их скринингом и регенерацией растений из отобранных клонов рассматривают как важный метод сохранения и улучшения древесных пород умеренных широт, в частности хвойных деревьев. Растения-регенеранты, выращенные из клеток или тканей меристемы, используют ныне для разведения спаржи, земляники, брюссельской и цветной капусты, гвоздик, папоротников, персиков, ананасов, бананов.
С клонированием клеток связывают надежды на устранение вирусных заболеваний растений. Разработаны методы, позволяющие получать регенеранты из тканей верхушечных почек растений. В дальнейшем среди регенерированных растений проводят отбор особей, выращенных из незараженных клеток, и выбраковку больных растений. Раннее выявление вирусного заболевания, необходимое для подобной выбраковки, может быть осуществлено методами иммунодиагностики, с использованием моноклональных антител или методом ДНК/РНК-проб. Предпосылкой для этого является получение очищенных препаратов соответствующих вирусов или их структурных компонентов.
Клонирование клеток — перспективный метод получения не только новых сортов, но и промышленно важных продуктов. При правильном подборе условий культивирования, в частности при оптимальном соотношении фитогормонов, изолированные клетки более продуктивны, чем целые растения. Иммобилизация растительных клеток или протопластов нередко ведет к повышению их синтетической активности. Табл. 6 включает биотехнологические процессы с использованием культур растительных клеток, наиболее перспективные для промышленного внедрения.
Коммерческое значение в основном имеет промышленное производство шиконина. Применение растительных клеток, которые являются высокоэффективными продуцентами алкалоидов, терпенов, различных пигментов и масел, пищевых ароматических добавок (земляничной, виноградной, ванильной, томатной, сельдерейной, спаржевой) наталкивается на определенные трудности, связанные с дороговизной используемых технологий, низким выходом целевых продуктов, длительностью производственного процесса.
Таким образом, биотехнология открывает широкие перспективы в области выведения новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным внешним воздействиям, вредителям, патогенам, не требующих азотных удобрений, отличающихся высокой продуктивностью.
Таблица 1. Примеры клеточных культур — высокоэффективных продуцентов ценных соединений (по О. Sahai, M. Knuth, 1985. К. Hahlbrock. 1986)
|
Вид растения |
Целевой продукт |
Предполагаемое применение |
|
Lithospermum erithrorhizon (воробейник) |
Шиконин и его производные |
Красный пигмент, используемый в косметике как «биологическая губная помада», антибактериальный агент, используемый при лечении ран, ожогов, геморроя |
|
Nicotiana tabacum (табак) |
Убихинон- 10 |
Важный компонент дыхательной и фотосинтетической цепей переноса электронов, применяемый как витамин и в аналитических целях |
|
To же |
Глутатион |
Участник многих окислительно-восстановительных реакций в клетке, приравнивается к витамину |
|
Morinda citrifolia |
Антрахиноны |
Сырье для лакокрасочной промышленности |
|
Coleus blumei |
Розмариновая кислота |
Жаропонижающее средство, проходящее клинические испытания |
|
Berberis stolonifera (барбарис) |
Ятрорризин |
Спазмолитическое лекарственное средство |
Биодеградация пестицидов. Пестициды обладают мощным, но недостаточно избирательным действием. Так, гербициды, смываясь дождевыми потоками или почвенными водами на посевные площади, наносят ущерб сельскохозяйственным культурам. Помимо этого, некоторые пестициды длительно сохраняются в почве, что тоже приводит к потерям урожая. Возможны разные подходы к решению проблемы: 1) усовершенствование технологии применения пестицидов, что не входит в компетенцию биотехнологии; 2) выведение растений, устойчивых к пестицидам; биодеградация пестицидов в почве.
К разрушению многих пестицидов способна микрофлора почвы. Методами генетической инженерии сконструированы штаммы микроорганизмов с повышенной эффективностью биодеградации ядохимикатов, в частности штамм Pseudomonas ceparia, разрушающий 2, 4, 5-трихлорфеноксиацетат. Устойчивость того или иного пестицида в почве меняется при добавлении его в сочетании с другим пестицидом. Так, устойчивость гербицида хлорпро-фама увеличивается при его внесении совместно с инсектицидами из группы метилкарбаматов. Оказалось, что метилкарбаматы ингибируют микробные ферменты, катализирующие гидролиз хлорпрофама.
Микробная трансформация пестицидов имеет и оборотную сторону. Во-первых, быстрая деградация пестицидов сводит на нет их полезный эффект. Во-вторых, в результате микробного превращения могут образоваться продукты, сильно ядовитые для растений. При использовании гербицида тиобенкарба в Японии наблюдали подавление роста и развития риса. Установлено, что подавляет не сам гербицид, а его дехлорированное производное S-бензил-N,N-диэтилтиокарбамат. Чтобы предотвратить образование такого производного, тиобенкарб применяют в комбинации с метоксифеном, ингибитором дехлорирующего фермента микроорганизмов.
Биологическая защита растений от вредителей и патогенов. Из широкого спектра биологических средств защиты растений ограничимся рассмотрением средств борьбы с насекомыми-вредителями и патогенными микроорганизмами. Именно в этих областях имеются наибольшие перспективы.
К традиционным биологическим средствам, направленным против насекомых, принадлежат хищные насекомые. В последние годы арсенал «оружия» инсектицидного действия пополнен грибами, бактериями, вирусами, патогенными для насекомых (энтомо-патогенными). Многие виды насекомых-вредителей (тля, колорадский жук, яблоневая плодожорка, озимая совка и др.) восприимчивы к заболеванию, вызываемому грибом Beauveria bussiana. Препарат боверин из лиофильно высушенных конидий гриба сохраняет энтомопатогенность в течение года после обработки почвы или растений. Препарат пецилолин из гриба Poecilomyces fumoso- roseus применяют для борьбы с вредителями кустарников, например смородины.
Важным источником бактериальных энтомопатогенных препаратов служит Bacillus thuringiensis. Эти препараты обладают высокой устойчивостью и патогенны для нескольких сотен видов насекомых-вредителей, в том числе для листогрызущих насекомых — вредителей яблонь, винограда, капусты, лесных деревьев. Гены, отвечающие за синтез одного из токсинов В. thuringiensis, были изолированы и перенесены в растения табака. Необходимо, чтобы такие «энтомопатогенные» растения не содержали веществ, токсичных для человека и животных.
Вирусные препараты отличаются высокой специфичностью действия, длительным (до 10—15 лет) сохранением активности, устойчивостью к колебаниям температуры и влажности. Из многих сотен известных энтомопатогенных вирусов наибольшее применение находят вирусы ядерного полиэдроза, обладающие высокой эффективностью действия на насекомых-вредителей. Насекомых выращивают в искусственных условиях, заражают вирусом, из гомогенатов погибших насекомых готовят препараты. Применяют отечественные препараты вирин-ЭКС (против капустной совки), вирин-ЭНШ (против непарного шелкопряда). В последние годы для культивирования вирусов широко применяю; культуры клеток насекомых.
Комбинация из нескольких биологических средств нередко действует на вредителей более эффективно, чем каждый в от дельности. Смертность соснового шелкопряда резко возрастает, если вирус цитоплазматического полиэдроза применяют в сочетании с препаратами из Вас. thuringiensis. Эффективна комбинация биологических и химических средств защиты растений от насекомых.
Среди новых средств защиты растений — вещества биогенного происхождения, ингибирующие откладку яиц насекомыми или стимулирующие активность естественных врагов насекомых вредителей: хищников, паразитов .
Разнообразны средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.
1. Антибиотики. Примерами могут служить триходермин и трихотецин, продуцируемые грибами Trichoderma sp. и Trichotecium roseum. Эти антибиотики используются для борьбы с корневыми гнилями овощных, зерновых и технических культур.
2. Фитоалексины, естественные растительные агенты, инактивирующие микробных возбудителей заболеваний. Эти соединения, синтезируемые в тканях растений в ответ на внедрение фитопатогенов, могут служить высокоспецифичными замените-
лями пестицидов. Фитоалексин перца успешно применяли при фитофторозе. Могут быть использованы также вещества, стимулирующие синтез фитоалексинов в растительных тканях.
3. Использование микробов-антагонистов, вытесняющих патогенный вид и подавляющих его развитие.
4. Иммунизация и вакцинация растений. Вакцинные препараты стремятся вводить непосредственно в прорастающие семена.
5. Введение в ткани растений специфичного агента (d-фактора), снижающего жизнеспособность возбудителя.
Биологические средства — важная составная часть комплексной программы защиты растений. Эта программа предусматривает проведение защитных мероприятий агротехнического, биологического и химического плана наряду с использованием устойчивых сортов растений. Задачей комплексной программы является поддержание численности вредителей растений на экологически сбалансированном уровне, не наносящем ощутимого вреда культурным растениям.
Биологические удобрения. Биологические (бактериальные) удобрения применяют для обогащения почвы связанным азотом. Большое распространение получили препараты нитрагин и азотобактерин — клетки клубеньковых бактерий и азотобактера, к которым добавляют стабилизаторы (мелассу, тиомочевину) и наполнитель (бентонит, почву). Азотобактерин обогащает почву не только азотом, но и витаминами и фитогормонами, гиббереллинами и гетероауксинами. Препарат фосфо-бактерин из Bacillus megaterium превращает сложные органические соединения фосфора в простые, легко усвояемые растениями. Фосфобактерин также обогащает почву витаминами и улучшает азотное питание растений.
Растения синтезируют ряд соединений, регулирующих их рост и развитие (фитогормоны, биорегуляторы). К их числу принадлежат ауксины, гиббереллины, цитокинины. Созревание плодов стимулирует этилен. Эти биорегуляторы находят применение в сельском хозяйстве. К числу новых, обнаруженных в последние годы биорегуляторов относят пептиды, имеются перспективы их применения в сельском хозяйстве.
Биотехнология и животноводство.
Большое значение в связи с интенсификацией животноводства отводится профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных с применением рекомбинантных живых вакцин и генноинженерных вакцин-антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с помощью моноклональных антител и ДНК/РНК-проб.
Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов — бактерий,
грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одноклеточных организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет получить 0,4- 0,6 т свинины, до 1,5 т мяса птиц, 25—30 тыс. яиц и сэкономить 5—7 т зерна (Р. С. Рычков, 1982). Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80% площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.
Одноклеточные организмы характеризуются высоким содержанием белка — от 40 до 80% и более. Белок одноклеточных богат лизином, незаменимой аминокислотой, определяющей его кормовую ценность. Добавка биомассы одноклеточных к недостаточным по лизину растительным кормам позволяет приблизить их аминокислотный состав к оптимальному. Недостатком биомассы одноклеточных является нехватка серусодержащих аминокислот, в первую очередь метионина. У одноклеточных его приблизительно вдвое меньше, чем в рыбной муке. Этот недостаток присущ и таким традиционным белковым кормам, как соевая мука. Питательная ценность биомассы одноклеточных может быть значительно повышена добавкой синтетического метионина.
Производство кормового белка на основе одноклеточных — процесс, не требующий посевных площадей, не зависящий от климатических и погодных условий. Он может быть осуществлен в непрерывном и автоматизированном режиме.
В нашей стране производится биомасса одноклеточных, в особенности на базе углеводородного сырья. Достигнутые успехи не должны заслонять проблемы, возникающей при использовании углеводородов как субстратов для крупномасштабного производства белка, — ограниченность их ресурсов. Важнейшими альтернативными субстратами служит метанол, этанол, углеводы растительного происхождения, в перспективе водород.
Очищенный этанол на мировом рынке стоит почти вдвое дороже метанола, но этанол отличается очень высокой эффективностью биоконверсии. Из 1 кг этанола можно получить до 880 г дрожжевой массы, а из 1 кг метанола-до 440 г. Биомасса из этанола особенно богата лизином — до 7%.
Большое значение для животноводства имеет обогащение растительных кормов микробным белком. Для этого широко применяют твердофазные процессы.
Перспективными источниками белка представляются фото-трофные микроорганизмы, в особенности цианобактерии рода Spirulina и зеленые одноклеточные водоросли из родов Chlorella и Scenedesmus. Наряду с обычными аппаратами для их выращивания используют искусственные водоемы. Добавление к растительным кормам биомассы Scenedesmus позволяет резко повысить эффективность усвоения белков животными.
Таким образом, существуют разнообразные источники сырья для получения биомассы одноклеточных. Некоторые субстраты (этанол) дают столь высококачественный белок, что он может быть рекомендован в пищу. Цианобактерии рода Spirulina издавна используют в пищу ацтеки в Центральной Америке и племена, обитающие на озере Чад в Африке.
2. Технологическая биоэнергетика
Технологическая биоэнергетика — одно из направлений биотехнологии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это может быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, накопленной в результате фотосинтеза в дешевое и высококалорийное топливо — метан и другие углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации самого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО2 и синтеза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования энергии Солнца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи энергии).
Рассмотрим вначале путь, пролегающий через использование биомассы, в первую очередь, растительной, ресурсы которой в мире огромны и оцениваются в 100 млрд. т по сухому веществу в год. Лишь незначительная часть ее расходуется человечеством, но и эта часть дает до 14% потребляемой в мире энергии. Биомасса — не только возобновляемый и почти даровой источник энергии, но и альтернатива тающим запасам полезных ископаемых.
Получение этанола как топлива.
Этанол — экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО2 и Н2 О. Он используется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10—20%-ная добавка к бензину (газохол). В Бразилии уже к 1983 г. 75% автомобилей работали на 95%-ном этаноле, а остальные — на газохоле. В США предполагают заменить на этанол 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.
На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотехнологической переработки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: продовольствие или энергия. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным: на каждый литр спирта при-
ходится 12—14 л сточных вод с высокой концентрацией отходов, опасных для природных экосистем. Проблема рациональной переработки этих отходов не решена.
Классическим биообъектом, используемым при получении спирта, являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи имеют ряд недостатков.
1. Конкуренция брожения и дыхания. Субстрат (например, глюкоза) лишь частично сбраживается до этанола. Оставшаяся часть безвозвратно теряется, превращаясь в результате дыхания в СО2 и Н2 О. Процесс необходимо вести в анаэробных условиях или применять мутанты дрожжей, утратившие митохондрии и не способные к дыханию.
2. Чувствительность к этанолу, которая снижает выход целевого продукта на единицу объема биореактора. Получены устойчивые к этанолу мутанты, характеризующиеся измененным строением клеточных мембран.
3. Отсутствие ферментов, катализирующих расщепление крахмала, целлюлозы, ксилана. Необходим предварительный гидролиз субстрата или засев биореактора смешанной культурой, содержащей, помимо S. cerevisiae, микроорганизмы с соответствующей гидролитической активностью.
Бактерия Zymomonas molilis, применявшаяся центральноамериканскими индейцами для сбраживания сока агавы, более эффективно сбраживает сахара и более устойчива к этанолу. Дальнейшее повышение устойчивости Z. mobilis к этанолу достигается добавлением в среду инкубации Mg2+ и ряда нуклео-тидных компонентов.
Термофильные бактерии, продуценты этанола характеризуются высокой скоростью роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами, необычной для остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и более). Термофилы способны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так, Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellum — целлюлозу, Cl. thermohydrosulfuricum утилизирует продукты деградации целлюлозы с очень высоким выходом спирта. Перспективно применение экстремально термофильного продуцента спирта Thermoanaerobacter ethanolicus. Планируют использование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и галофильных продуцентов спирта.
Повышение выхода спирта и стабилизация активности его продуцентов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так, эффективный синтез этанола осуществлен с применением клеток Z. mobilis, иммобилизованных на хлопчатобумажных волокнах (S. Prentis, 1984).
Получение метана и других углеводородов.
Получение метана — важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Он получается в виде биогаза — смеси метана и СО2. Присутствие СО2 ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в зависимости от соотношения СН4 /СО2 составляет 20,9—33,4 кДж/м3. Содержание метана в биогазе варьирует от 50 до 85%.
Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жизнедеятельность метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях. Субстратами для образования метана могут служить муравьиная и уксусная кислоты, метанол, газовые смеси (Н2 + СО, Н2 + СО2 ). Поскольку биогаз практически получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образования применяют многокомпонентные микробные ассоциации.
Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служить метаногенная ассоциация « Methanobacillus Kuzneceovii», образующая метан при разложении биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).
Процесс метанобразования отличается высокой эффективностью: до 90—95% используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с успехом используют для очистки сточных вод от органических загрязнений с одновременным получением высококалорийного топлива. До 5—10% потребленного углерода превращается в биомассу, которая также находит применение. Используют как жидко-, так и твердофазные процессы получения биогаза (биогазификации).
Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют другие ценные продукты, например витамин В12 После переработки органического субстрата в биогаз остается материал, представляющий собой ценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение.
Получение биогаза — процесс, отличающийся простотой оборудования и доступностью сырья, требует небольших капиталовложений. В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10—15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти человек.
Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов — продуцентов углеводородов как заменителей топлива. Это микроводоросли — Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo- ropsis и др. Углеводороды накапливаются в значительных количествах — до 80% сухой массы клеток. В США действует ферма для выращивания водорослей с суммарной площадью водоемов 52 тыс. гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углеводородов в сутки. Для улучшения топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают гидрированию (Г Н Чернов, 1982).
Получение водорода как топлива будущего.
Получение водорода как топлива пока остается на уровне поисковых разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2 О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г. Химический и электрохимический способы получения Н2 неэкономичны, поэтому заманчиво использование микроорганизмов, способных выделять водород. Такой способностью обладают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие (Е. Н. Кондратьева, И. Н. Го-готов, 1981). Процесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.
Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры. Она катализирует реакцию
2Н+ + 2е- = Н2
Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной гидрогеназы в состав искусственных Н2 -генерирую-щих систем. Сложной проблемой является нестабильность изолированного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение стабильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилизацией (Чан Динь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. al., 1986). Иммобилизация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом.
Предложено много вариантов модельных систем, катализирующих образование водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированный из них хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторые системы наряду с водородом образуют кислород: в этом случае речь идет о биофотолизе воды.
Примером может служить система хлоропласт — ферредоксин — гидрогеназа. Ферредоксин служит промежуточным переносчиком электронов от фотосинтетической цепи хлоропластов к добавленной гидрогеназе. Серьезной проблемой является поддержание низкого парциального давления этих газов, с тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н2. Флавопротеид и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным в детергент ные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена также система с гидрогеназой, иммобилизованной в агарозном геле, с которым прочно связан полимерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла.
Водород получают также с применением целых клеток микроорганизмов, стабильность которых возрастает при их иммобилизации. Высокоэффективными продуцентами Н2 являются пурпурные фототрофные бактерии, например Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до 180 мкмоль Н2 за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла (М. Tadashi, A. Akira, 1983). Важное направление работ — поиск продуцентов Н2 с устойчивой к О2 гидрогеназой.
Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа. У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина). Основной функцией нитрогеназы является восстановление молекулярного азота:
N2 + 8H+ + 8е- + nАТФ -> 2NH3 + Н2 + nАДФ + nфосфорная кислота
В отсутствие основного субстрата (N2 ) нитрогеназа катализирует энергозависимое
восстановление Н+ с образованием Н2. Переключение фермента с одного режима работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения — получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утилизирующей азот.
В Японии получен штамм Anabaena sp., который осуществляет биофотолиз воды в режиме, не чувствительном к Н2, О2 и N2. Повышению эффективности биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования биообъекта как продуцента Н2 и О2 с периодами «отдыха», когда клетки фотоассими-лируют СО2 (вводимый на этот период в среду культивирования). Возможно комбинирование процессов получения Н2 и других ценных продуктов. В частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой Cl. saccharo- perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н2, то наблюдается ингибирование образования Н2 и эффективный синтез бутанола, ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с довольно активным образованием Н2 культура синтезирует лишь этанол. Этот пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического процесса условиями культивирования биообъекта.
Таким образом, предложены разнообразные проекты систем для получения водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного превращения в энергию химической связи в молекуле Н2 .
Пути повышения эффективности фотосинтетических систем.
Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е. коэффициент превращения световой энергии в химическую энергию органических веществ, близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктивные культурные растения запасают не более 1,5—2% энергии падающего света. Актуальная проблема технологической биоэнергетики — повышение эффективности фотосинтеза у культурных растений.
Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы: 1) повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% за счет увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство в системы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование фитогормонов, трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что приведет к повышению их фотосинтетической активности; 4) увеличение числа хлоропластов в клетке на единицу площади листа; 5) установление оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, например, цитохромами; 6) увеличение скорости переноса электронов между фотосистемами I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом АТФ.
Радикальным способом максимизации эффективности фотосинтеза было бы создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими десятилетиями.
Биотопливные элементы.
На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток, например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.
Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). Посредником между субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей передачи электронов на
электрод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный транспорт электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985). Конструкция биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток, но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в смесь фруктозы и глюконовой кислоты.
Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они представляют собой основной компонент биологических датчиков — биосенсоров, широко применяемых в химиче-
ской промышленности, медицине, при контроле за биотехнологическими процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода. Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают чувствительный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина. Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для измерения концентрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro- somonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH4+. На биосенсоре протекают следующие превращения: NH4+Nitrosomonas NO2Nitrobacter NO3 Разработаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.
3. Биотехнология и медицина
Нет такого экспериментального подхода или исследовательского направления в биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему столь многообразны связи между биотехнологией и самой гуманной из всех наук. Здесь мы остановимся лишь на основных моментах.
Антибиотики.
Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающих их рост или полностью подавляющих развитие (Н. С. Егоров, 1979). Далеко не все из этих соединений, число которых приближается к 5000, допущены для применения в медицине. К важнейшим антибиотикам терапевтического назначения принадлежат следующие их классы (табл. 2).
Приведенные классы антибиотиков не исчерпывают их многообразия, список их пополняется с каждым годом. Причины неослабевающего внимания к поиску новых антибиотиков, как видно из табл. 10, связаны с токсичностью существующих антибиотиков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастанием устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым препаратам и, помимо этого, с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, против которых недостаточно эффективны известные ныне антибиотики. Основные пути поиска включают:
1. Испытание новых продуцентов. Так, с начала 80-х годов исследуют миксобактерии, продуцирующие большое количество антимикробных агентов (Н. Thierbach, N. Reichenbach, 1981).
2. Химическая модификация антибиотиков. Противомикроб-ные макролиды токсичны для человека. Например, гептаен амфо-терицин В, используемый по жизненным показаниям при тяжелых микозах, вызывает необратимые поражения почек. Получены метиловые эфиры амфотерицина, менее токсичные и сохраняющие противогрибковую активность. При модификации пенициллинов и цефалоспоринов используют иммобилизованные ферменты.
Таблица 2. Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения (по И Г… Егорову, 1979; Д.Ланчини, Ф Паренти, 1985)
|
Класс |
Типичные антибиотики |
Продуценты |
На кого действует |
Механизм действии |
Трудности терапевтического применения |
|
b-Лактамные |
Пенициллины, це-фалоспорины |
Грибы родов Ре nicillium , Cephalosporum |
Грамположитель-ные и грамотрицательные бактерии |
Нарушение синтеза клеточной стенки |
Аллергические реакции |
|
Аминогликозидные |
Стрептомицин, гентамицин, канамицин, тобрамицин, амикацин |
Актиномицеты рода Streptomyces , бактерии родов Micromonospora . Bacil lus |
В основном грамотрицательные бактерии |
Необратимое подавление синтеза белка |
Токсическое действие на слуховой нерв и почки |
|
Тетрациклины |
Одноименные антибиотики |
Актиномицеты рода Streptomyces |
Грамположительные и грамотрицательные бактерии, риккетсии, хламидии, простейшие |
Обратимое подавление синтеза белка |
Распространение устойчивых штаммов |
|
Макролиды |
Антибактериальные: эритромицин Противогрибковые и антипротозойные: полиены |
Актиномицеты рода Streptomyces То же |
Грамположительные бактерии Грибы, некоторые простейшие |
То же Нарушение плазматической мембраны |
Токсичность |
|
Полипептидные и депсипептидные |
Полимиксины, грамицидины, бацитрацины |
Различные микро-организмы |
В основном грамотрицательные бактерии |
Механизм действия различен |
Высокая токсичность |
3. Мутасинтез. Применяют мутантные штаммы, у которых блокирован синтез отдельных фрагментов молекулы антибиотика. В среду культивирования вносят аналоги этих фрагментов. Микроорганизм использует эти аналоги для биосинтеза, в результате чего получают модифицированный антибиотик.
4. Клеточная инженерия. Получают гибридные антибиотики, например, с новыми комбинациями агликона и Сахаров.
5. Генетическая инженерия — введение в геном микроорганизма информации о ферменте, необходимом для модификации продуцируемого антибиотика, например его метилирования при помощи метилаз.
Важной задачей является повышение эффективности биосинтеза известных антибиотиков. Значительных результатов удалось добиться за десятилетия селекции штаммов-продуцентов с применением индуцированного мутагенеза и ступенчатого отбора. Например, продуктивность штаммов Penicillium по синтезу пенициллина увеличена в 300—350 раз. Определенные перспективы открываются в связи с возможностью клонирования генов «узких мест» биосинтеза антибиотика или в случае, если все биосинтетические ферменты кодируются единым опероном.
Многообещающим подходом служит инкапсулирование антибиотиков, в частности их включение в лигюсомы, что позволяет прицельно доставлять препарат только к определенным органам и тканям, повышает его эффективность и снижает побочное действие. Этот подход применим и для других лекарственных препаратов. Например, кала-азар, болезнь, вызываемая лейгшма-нией, поддается лечению препаратами сурьмы. Однако лечебная доза этих препаратов токсична для человека. В составе липосом препараты сурьмы избирательно доставляются к органам, пораженным лейшманией, — селезенке и печени.
Вместо антибиотика в организм человека может вводиться его продуцент, антагонист возбудителя заболевания. Этот подход берет начало с работ И. И.Мечникова о подавлении гнилостной микрофлоры в толстом кишечнике человека посредством молочнокислых бактерий. Важную роль в возникновении кариеса зубов, по-видимому, играет обитающая во рту бактерия Streptococ cus mutans, которая выделяет кислоты, разрушающие зубную эмаль и дентин. Получен мутант Strept. mutans, который при введении в ротовую полость почти не образует коррозивных кислот, вытесняет дикий патогенный штамм и выделяет летальный для него белковый продукт.
Гормоны.
Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли в последние годы в направлении синтеза пеп-тидных гормонов.
Раньше гормоны получали из органов и тканей животных и человека (крови доноров, удаленных при операциях органов, трупного материала). Требовалось много материала для получения небольшого количества продукта. Так, человеческий гормон роста (соматотропин) получали из гипофиза человека, каждый гипофиз содержит его не более 4 мг. В то же время для лечения одного ребенка, страдающего карликовостью, требуется около 7 мг соматотропина в неделю; курс лечения должен продолжаться несколько лет. С применением генноинже-нерного штамма Е. coli в настоящее время получают до 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования. Открываются перспективы борьбы не только с карликовостью, но и с низкорос-лостью — более слабой степенью дефицита соматотропина. Соматотропин способствует заживлению ран и ожогов, наряду с каль-цитонином (гормоном щитовидной железы) регулирует обмен Са2+ в костной ткани.
Инсулин, пептидный гормон островков Лангерганса поджелудочной железы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. Эта болезнь вызвана дефицитом инсулина и проявляется повышением уровня глюкозы в крови. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка и свиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина 1—3 аминокислотными заменами, так что возникала угроза аллергических реакций, особенно у детей. Широкомасштабное терапевтическое применение инсулина сдерживалось его высокой стоимостью и ограниченностью ресурсов. Путем химической модификации инсулин из животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это означало дополнительное удорожание продукта.
Компания Eli Lilly с 1982 г. производит генноинженерный инсулин на основе раздельного синтеза Е. coli его А- и В-цепей. Стоимость продукта значительно снизилась, получаемый инсулин идентичен человеческому. С 1980 г. в печати имеются сообщения о клонировании у Е. сой гена проинсулина — предшественника гормона, переходящего в зрелую форму при ограниченном протеолизе.
К лечению диабета приложена также технология инкапсули-рования: клетки поджелудочной железы в капсуле, введенные однократно в организм больного, продуцируют инсулин в течение года.
Компания Integrated Genetics приступила к выпуску фолли-кулостимулирующего и лютенизирующего гормонов. Эти пептиды составлены из двух субъединиц. На повестке дня вопрос о промышленном синтезе олигопептидных гормонов нервной системы — энкефалинов, построенных из 5 аминокислотных остатков, и эндорфинов, аналогов морфина. При рациональном применении эти пептиды снимают болевые ощущения, создают хорошее
настроение, повышают работоспособность, концентрируют внимание, улучшают память, приводят в порядок режим сна и бодрствования. Примером успешного применения методов генетической инженерии может служить синтез р-эндорфина по технологии гибридных белков, описанной выше для другого пептидного гормона, соматостатина.
Значителен вклад биотехнологии и в промышленное производство непептидных гормонов, в первую очередь стероидов. Методы микробиологической трансформации позволили резко сократить число этапов химического синтеза кортизона, гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артрита. При производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованные микробные клетки, например Arthrobacter globiformis, для синтеза преднизолона из гидрокортизона. Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тироксина из микроводорослей.
Интерфероны, интерлейкины, факторы крови.
Интерфероны выделяются клетками человека и животных в ответ на инфици-рование вирусами. Они обладают антивирусной активностью. Механизм действия интерферонов до конца не выяснен. Предполагается, в частности, что Интерфероны препятствуют проникновению вирусных частиц в клетку. Интерфероны стимулируют деятельность иммунной системы и препятствуют размножению клеток раковых опухолей. Все аспекты действия интерферонов важны с точки зрения их терапевтического применения.
Различают a-, b -, g- и e-интерфероны, образуемые соответственно лейкоцитами, фибробластами соединительной ткани, Т-лимфоцитами и эпителиальными клетками. Наибольшее значение имеют первые три группы. Интерфероны состоят из 146—166 аминокислотных остатков, b — и g-интерфероны связаны с остатками Сахаров (гликозилированы). До введения методов генетической инженерии интерфероны получали из донорской крови — до 1 мкг неочищенного интерферона из 1 л крови, т. е. примерно одну дозу для инъекции.
В настоящее время a-, b — и g-интерфероны успешно получают с применением генноинженерных штаммов Е. coli, дрожжей, культивируемых клеток насекомых ( Drosophil a) и млекопитающих. Генно-инженерные интерфероны могут быть очищены с использованием моноклональных антител. В случае у- и р-интерферонов предпочтительно применение эукариотических продуцентов, так как прокариоты не гликозилируют белки. Некоторые фирмы, например Bioferon (ФРГ), используют не генноинженерные мутанты, а культивируемые in vitro фибропласты человека.
Интерфероны используются для лечения болезней, вызываемых вирусами герпеса, бешенства, гепатитов, цитомегаловиру-сом, вирусом, вызывающим опасное поражение сердца, а также для профилактики вирусных инфекций. Вдыхание аэрозоля интерферонов позволяет предупредить развитие острых респираторных заболеваний. Несколько курьезной проблемой является то что интерфероны, в частности a-интерфероны, сами могут вызывать у пациентов простудные симптомы (насморк, повышение температуры и т.д.). Проблема побочного действия стоит особенно остро при длительном терапевтическом применении интерферонов, необходимом для лечения злокачественных опухолей.
Интерфероны оказывают лечебное воздействие на организм больных раком груди, кожи, гортани, легких, мозга, рассеянной миеломе и саркоме Капоци — два последних заболевания характерны для лиц, страдающих приобретенными иммунодефицитами (см. ниже). Интерфероны полезны также при лечении рассеянного склероза.
Методы генетической инженерии позволяют получать модифицированные Интерфероны. Антивирусная активность интерферонов варьирует при аминокислотных заменах (J. Werenne, 1983). Американская компания Cetus Corporation производит b -интер-ферон, в аминокислотной последовательности которого цистеин в положении 17 замещен на серии. Это приводит к повышению терапевтической активности препарата, так как предотвращает наблюдаемое in vitro формирование неактивного димера b -интер-ферона за счет дисульфидных связей между остатками цистеина в положении 17. Определенные надежды возлагают на модификацию интерферонов путем получения гибридных молекул (Е. Д. Свердлов, 1984).
Интерлейкины —сравнительно короткие (около 150 аминокислотных остатков) полипептиды, участвующие в организации иммунного ответа. Интерлейкин-1, образующийся определенной группой лейкоцитов крови — макрофагами, в ответ на введение антигена стимулирует размножение (пролиферацию) Т-хелперов (субпопуляции Т-лимфоцитов), продуцирующих, в свою очередь, интерлейкин-2. Последний вызывает пролиферацию различных субпопуляций Т-лимфоцитов — Т-киллеров, Т-хелперов, Т-супрессоров, а также В-лимфоцитов, продуцентов антител. Под влиянием интерлейкина-2 из Т-лимфоцитов высвобождаются регуляторные белки — лимфокины, активирующие звенья иммунной системы; синтезируются также Интерфероны.
Интерлейкины, основные лечебные средства при иммунных расстройствах, получают путем клонирования соответствующих генов в Е. coll или культивирования лимфоцитов in vitro. Английская компания Celltech Ltd и японская Sakyo Company предлагают синтезированный генноинженерными бактериями интерлей-кин-1 наряду с другим тюлипептидным агентом —фактором некроза опухолей — для лечения ряда опухолевых заболеваний (В. Sikyta el al., 1986).
Получаемые биотехнологическим путем факторы свертывания крови, особенно фактор VIII (с помощью культивируемых клеток млекопитающих) и фактор IX (с помощью генноинженер-ного штамма Е. coli ), необходимы для терапии форм гемофилии наследственной болезни, при которой кровь теряет способность свертываться. К числу ценных с клинической точки зрения факторов, полученных в биореакторах с культурами животных клеток, следует отнести фактор роста В-лимфоцитов, фактор активации макрофагов, Т-заместительный фактор, активатор тканевого плазминогена.
Моноклокальные антитела и ДНК-или РНК-пробы.
Моноклональные антитела — продукты В-гибридомных клеток — используют для диагностики различных заболеваний. Обладая высокой специфичностью действия, они обеспечивают идентификацию не только вида возбудителя, но и его серотипа. С помощью моноклональных антител можно тестировать различные гормоны, метаболиты, белковые факторы. Наиболее быстрый метод индикации основан на применении антител, иммобилизованных на мембранных электродах — аналогах ферментных биосенсоров. Они позволяют диагностировать беременность, выявлять предрасположенность к диабету, ревматоидному артриту (J. Col-lins et al., 1986), идентифицировать наследственные заболевания, сопровождающиеся утратой тех или иных ферментов и других белковых компонентов. Моноклональные антитела широко используют для диагностики рака и определения его форм.
Трудности связаны с тем, что специфических «раковых» антигенов, по-видимому, не бывает, и характерные для злокачественно переродившейся клетки детерминанты могут быть с некоторой, пусть небольшой, вероятностью обнаружены и в здоровых клетках. Перспективна диагностика рака при помощи моноклональ-ных антител к вырабатываемым злокачественной опухолью особым гормонам, аутокринам, ведущим к самостимуляции роста раковых клеток.
Моноклональные антитела имеют не только диагностическое, но и лечебное значение. При аутоиммунных заболеваниях, когда иммунные клетки «ополчаются» против собственных органов и тканей, моноклональные антитела соответствующей специфичности могут связывать антитела, наносящие вред организму больного. Для лечения рака предлагают использовать моноклональные антитела, конъюгированные с токсичными для раковых клеток соединениями. Моноклональные антитела доставляют яд точно по адресу, избегая поражения здоровых клеток. Поэтому к моноклональным антителам можно присоединять очень сильные токсины, например рицин — яд из клещевины, одной молекулы которого достаточно для поражения одной клетки. В современной фармацевтической промышленности моноклональные антитела используют для очистки лекарственных препаратов.
Диагностическое значение имеют короткие фрагменты ДНК и РНК, несущие радиоактивную или иную метку, так называемые ДНК/РНК-пробы. С их помощью можно установить наличие в организме определенных типов нуклеиновых кислот, соответствующих болезнетворным агентам, злокачественным опухолям, а также проверить геном пациента на наличие у него тех или иных генетических аномалий. Метод основан на комплементарном взаимодействии проб с участками ДНК или РНК, выделенными из исследуемых клеток и фиксированными на носителе. Взаимодействия нуклеотидных цепочек пробы с ДНК (РНК) из образца регистрируют по радиоактивной метке или иным способом.
Моноклональные антитела и ДНК/РНК-пробы используют для диагностики болезней животных и растений. В частности, с помощью этих проб проводят индикацию зараженности картофеля вирусом. Диагностические средства из арсенала биотехнологов предлагают применять для быстрого определения пола у цыплят.
Рекомбинантные вакцины и вакцины-антигены.
Вакцинация — один из основных способов борьбы с инфекционными заболеваниями. Путем поголовной вакцинации ликвидирована натуральная оспа, резко ограничено распространение бешенства, полиомиелита, желтой лихорадки. На повестке дня — изготовление вакцин против гриппа, гепатитов, герпесов, свинки, кори, острых респираторных заболеваний. Большое экономическое значение имеет разработка вакцин против болезней сельскохозяйственных животных — ящура, африканской болезни лошадей, овечьей бо-
лезни «синего языка», трипаносомозов и др. Традиционные вакцинные препараты изготовляют на основе ослабленных, инактивиро-ванных или дезинтегрированных возбудителей болезней.
Современные биотехнологические разработки предусматривают создание рекомбинантных вакцин и вакцин-антигенов. Вакцины обоих типов основаны на генноинженерном подходе.
Для получения рекомбинантных вакцин обычно используют хорошо известный вирус коровьей оспы (осповакцины). В его ДНК встраивают чужеродные гены, кодирующие иммуногенные белки различных возбудителей (гемагглютинин вируса гриппа, гликопротеин D вируса герпеса, поверхностный антиген вируса гепатита В, антиген малярийного плазмодия). Получаются вакцины против соответствующих инфекций, хорошо зарекомендовавшие себя в опытах на животных. К их достоинствам относится возможность создания поливалентных вакцинных препаратов на основе объединения участков ДНК различных патогенов «под эгидой» ДНК вируса осповакцины. Открывается возможность одномоментной комплексной иммунизации, скажем, крупного рогатого скота против всех опасных инфекций данной местности.
Вакцины-антигены получают, клонируя гены возбудителя болезни в Е. colt, дрожжах, клетках насекомых и млекопитающих. Клонирован ген поверхностного антигена HBS-вируса гепатита В (сывороточного гепатита), ген белка оболочки УРЬвируса ящура. Вирус ящура существует в виде многих серотипов, методом белковой инженерии удалось скомбинировать иммуногенные компоненты различных серотипов в рамках одной вакцины-антигена.
Вакцины-антигены высокостабильны при хранении и перевозке, сравнительно просты в изготовлении (в том числе и при крупномасштабном производстве), содержат минимальное количество белка и поэтому малоопасны как аллергены. Они гарантированы от остаточной инфекционности — способности вызывать инфекционную болезнь вместо того, чтобы предохранять от нее. Проблемой является низкая иммуногенность вакцин-антигенов. Одной из причин может быть то, что вакцина не включает всех компонентов возбудителя, необходимых для создания иммунитета к нему. Так, вирус, покидая клетку, часто «одевается» ее мембраной. Компоненты этой мембраны, отсутствующие в генноинженерном белке, могут обладать иммуноген-ными свойствами. К повышению иммуногенности вакцин-антигенов ведет добавление адьювантов, иммобилизация вакцин на носителях или их включение в липосомы.
Ферменты медицинского назначения.
Многообразно применение ферментных препаратов в медицине. Их используют для растворения тромбов, лечения наследственных заболеваний (вместо отсутствующих эндогенных ферментов), удаления не-
жизнеспособных, денатурированных структур, клеточных и тканевых фрагментов, освобождения организма от токсических веществ (Н. Ф. Казанская и др., 1984). Яркий пример-спасение жизни больных с тромбозом конечностей, легких, коронарных сосудов сердца при помощи громболитически.х ферментов (стрсптокиназы, урокиназы). В СССР такие препараты созданы в иммобилизованной форме под руководством Е. И. Чазова и И. В. Березина. Ген урокнназы клонирован в бактериях (S. Prentis, 1984). В современной медицине протеазы применяются для очистки очагов гнойно-некротических процессов от патологических продуктов, а также для лечения ожогов Лечение рака связано с использованием L-аспарагиназы, кото рая лишает раковые клетки ресурсов необходимого для их раз вития аспарагина, поступающего с током крови. Здоровые клетки в отличие от раковых (некоторых типов) способны к самостоятельному синтезу аспарагина.
Известно около 200 наследственных заболеваний, обуслов ленных дефицитом какого-либо фермента или иного белкового фактора. В настоящее время делают попытки лечения этих заболеваний с применением ферментов. Так, пытаются лечить болезнь Готе, при которой организм не способен расщеплять, глюкоцереброзиды (S. Prentis, 1984).
В последние годы все больше внимания уделяют ингибиторам ферментов. Ингибиторы протеаз, получаемые из актино мицетов (лейпептин, антипаин, химостатин и др.) и генноинже нерных штаммов Е. coil (эглин) и дрожжей a-1 антитрипсин) оказываются полезными при септических процессах, инфаркте миокарда, эмфиземе легких, панкреатите. Уменьшение концентрации глюкозы в крови больных диабетом может быть достигнуто при исполь зовании ингибиторов кишечных инвертаз и амилаз, отвечающих за превращение крахмала и сахарозы в глюкозу. Особой задачей является поиск ингибиторов ферментов, с помощью которых патогенные микроорганизмы разрушают антибиотики, вводимые в организм больного.
Таковы основные направления биотехнологических разработок в области медицины. Без преувеличения можно сказать что центральное приложение новейших биотехнологических подходов — медицина. Одной из проблем, связанных с белками медицинского назначения, является наличие у них побочных эффектов. Например, аллергические реакции возникают как против генноинженерных белков, так и против моноклональных антител, даже если их получают на основе человеческих гибридом. Эта проблема не нова для медицины и не является непреодолимой.
4. Биотехнология и пищевая промышленность
Микроорганизмы, культуры растительных клеток могут дать пищевые добавки, выгодно отличающиеся своей «натуральностью» от синтетических продуктов, преобладающих в настоящее время. В будущем кулинар сможет добавить в изделие аромат земляники или винограда, масло чеснока или мяты — продукты, образуемые в биореакторах с растительными клетками.
Все большее значение приобретают низкокалорийные, не опасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза — продукт превращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкоизомеразы. В некоторых продуктах применяют глицин, дающий в комбинации с аспарагиновой кислотой различные оттенки сладкого и кислого. Планируют пищевое применение очень сладкого дипептида аснартама и особенно 100—200-звенных пептидов тауматина и монеллина, которые слаще сахарозы в 10 тыс. раз. В виде мультимера аспартам получен с помощью генноинженерных мутантов Е. coli, недавно клонирован также ген тауматина.
Немаловажную роль играют ныне в пищевой промышленности ферменты. С их помощью осветляю! фруктовые соки, производят безлактозное (диетическое) молоко, размягчают мясо. Большие возможности в плане повышения питательной ценности представляет добавление в продукты питания витаминов и аминокислот. Ряд аминокислот производят с применением микробов-сверхпродуцентов, полученных с применением методов генетической инженерии. Так, генноинженерный штамм E. coli синтезирует до 30 г/л L-треонина за 40 ч культивирования. Важный аспект биотехнологии — улучшение штаммов промышленных микроорганизмов. Основные приложения биотехнологии к пищевой промышленности суммированы в табл. 3.
Биомасса одноклеточных в перспективе может употребляться как пищевая добавка. Основные принципы получения белка в пищу те же, что и для производства кормового белка, однако крут допустимых субстратов более ограничен, в требования к компонентному составу биомассы более жесткие. В пищевой биомассе должно содержаться не менее 80% белка сбалансированного аминокислотного состава, не более 2% нуклеиновых кислот и 1% липидов (М. Г. Безруков, 1985). Необходимы детальные токсикологические и медико-биологические исследования с последующим клиническим испытанием пищевых препаратов биомассы (В. Г. Высоцкий, 1985)
Психологический барьер, на который наталкивается произ водство «микробной пиши» в странах Европы и Японии, связан не только с прямым риском подвергнуться интоксикации, но и с сомнительными вкусовыми достоинствами этой «пищи будущего». Эксперт по проблемам питания, попробовав образец бактериальной биомассы, заметил: «Она имеет все те свойства, которыми должна обладать новая человеческая пища: не имеет ни запаха, ни цвета, ни структуры, ни вкуса».
Остается выразить надежду на то, что в эпоху, когда белок одноклеточных войдет в употребление, биотехнология сможет в полной мере использовать созданный ею же потенциал растительных и микробных клеток как продуцентов вкусовых, ароматизирующих и структурирующих пищу добавок. Перспективным представляется культивирование грибов ( Fusarium), цианобак-терий ( Spirulina), зеленых водорослей ( Chlorella, Scenedesmus), имеющих консистенцию и другие органолептические свойства, более привычные для человека. Волокнистую массу Fusarium на базе картофельного или пшеничного крахмала как источник пищи для человека производит ныне компания Rank Hovis Me. Dougall.
Таблица 3. Перспективы использования биотехнологических продуктов в пищевой промышленности (по П. П. Клесову, 1984; М. Haas, 1984; J. Kas, 1984; О. Volfova, 1984; О. Sahai, M. Knuth, 1985)
|
Продукт |
Примеры |
Применение в пищевой промышленности |
|
Аминокислоты |
Цистеин, метионин, лизин |
Повышение питательной ценности пищи (в том числе белка одноклеточных) |
|
Глутамат |
Усиление аромата мясных, рыбных, грибных изделий |
|
|
Глицин, аспартат |
Придание кондитерским изделиям и напиткам кисло-сладкого вкуса |
|
|
Олигопептиды |
Аспартам, тауматин, монеллин |
Низкокалорийные, очень сладкие вещества |
|
Ферменты |
a-Амилаза |
Гидролиз крахмала при производстве спирта, вин, в пивоварении, хлебопечении, изготовлении кондитерских изделий и детского питания |
|
Глюкоамилаза |
Получение глюкозы, удаление остаточных декстринов из пива |
|
|
Инвертаза |
Производство кондитерских изделий |
|
|
Пуллуланаза |
Производство мальтозных (в сочетании с a-амилазой) или глюкозных (в сочетании с глюкоамилазой) сиропов из крахмала, предварительно обработанного a-амилазой |
|
|
b-Галактози-даза |
Производство безлактозного молока, освобождение молочной сыворотки от лактозы, приготовление мороженого |
|
|
Целлюлозы |
Приготовление растворимого кофе, морковного джема, улучшение консистенции грибов и овощей, обработка цитрусовых |
|
|
Пектиназы |
Осветление вин и фруктовых соков, обработка цитрусовых |
|
|
Микробные протеазы |
Сыроварение, ускорение созревания теста, производство крекеров |
|
|
Пепсин, па-паин |
Осветление пива |
|
|
Фицин, трипсин, бромелаин |
Ускорение маринования рыбы, удаление мяса с костей |
|
|
Липазы |
Придание специфического аромата сыру, шоколаду, молочным продуктам, улучшение качества взбитых яичных белков |
|
|
Глюкозооксидаза в сочетании с каталазой |
Удаление кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, лимонных, апельсиновых и виноградных соков |
|
|
Витамины |
А, В1, В2, В6, В12, С, D, Е, никотиновая кислота С, Е |
Повышение питательной ценности пищевых продуктов Антиоксиданты |
|
Терпены и родственные соединения |
Гераниол, нерол |
Ароматизаторы |
|
Органические кислоты |
Уксусная, бен-зойная, молочная, глюконовая, лимонная |
Консерванты, ароматизаторы |
5. Биогеотехнология
Приложения биотехнологии к добыче, обогащению и перераработке руд, отделению и концентрированию металлов из сточных вод как вторичного сырья, экстракции остаточных порций нефти из иссякающих месторождений относятся к области биогео-технологии. Большую роль в этих процессах играют микроорганизмы, способные жить в недрах Земли и осуществлять там химические превращения.
Способностью переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руд) обладают различные бактерии. Например, Thiobacillus ferrooxydans выщелачивает железо, медь, цинк, уран и другие металлы, окисляя их серной кислотой, которая образуется этой бактерией из сульфида (Г. И. Ка-равайко, 1984). Chromobacterium violaceum растворяет золото по схеме Au-vAu(CN)2 (A. D. Smith, R. J. Hunt, 1985). Технологии подобных процессов подкупают своей простотой: для извлечения остатков меди, урана, никеля из «пустых пород» горнорудного производства их обливают водой и собирают вытекающие продукты жизнедеятельности микроорганизмов — растворимые соединения (CuSO4, UO|+ и т. д.). Метод бактериального выщелачивания позволяет рассматривать разработку бедных месторождений как экономически выгодное предприятие. В США бедные никелевые руды, содержащие всего около 1 кг Ni на 1 т породы, предполагают «выдать на гора» с применением бактериального выщелачивания.
Если речь идет об извлечении металлов из сточных вод, то большое значение придается таким микроорганизмам, как Citrobacter sp. (L. Е. Macaskie, А. С. R. Dean, 1985), Zoogloea ramigera, клетки и внеклеточные полисахариды которой извлекают U, Си, Cd (Г. И. Каравайко, 1984). Велика хелирующая способность грибной биомассы, что, учитывая сравнительную дешевизну ее наработки в больших количествах, открывает
перспективы не только для концентрирования металлов (РЬ, Hg, Zn, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, Ag, Au, Pt, Pd) из растворов, где они присутствуют в следовых количествах (Г’. И. Каравайко, 1984), но и для освобождения растворов от радиоактивных примесей (дезактивации).
Ксантан, внеклеточный полисахарид бактерии Xanthomonas campestris, может применяться для извлечения нефти из иссякающих месторождений. Остаточные порции нефти обычно адсорбируются на различных породах, содержащихся в нефтеносных пластах, и не вымываются из них водой. Раствор ксантана в воде обладает, однако, высокой вязкостью и при закачке в пласты под повышенным давлением высвобождает капли нефти из всех трещин и углублений нефтеносных пород (S. Prentis,
1984). Бактерии-деэмульгаторы, например Nocardia sp, Rhodoco-сеик rhodochrous, разделяют водную и нефтяную фазы, что может быть использовано как для конценгрирования нефти, так и для очистки сточных вод от нефтяных примесей, создающих угрозу для окружающей среды.
Пересечение различных сфер приложения биотехнологии (в нашем примере — биогеотехнологической и природоохранной) составляет характерную особенность ее современного этапа развития. Генноинженерные штаммы псевдомонад, утилизирующие сырую нефть, допускают, по меньшей мере, две сферы применения: получение биомассы на базе необ работанной нефти и предотвращение нефтяного загрязнения окружающей среды, в частности устранения нефтяных пленок на поверхности вод морей и океанов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нет сомнения, потенциал биотехнологии в наши дни велик. Ей дано — пусть в определенных границах — перевивать поновому «нить жизни» — ДНК — методами генетической и клеточной инженерии, создавать биообъекты по заранее заданным параметрам и, как обычно добавляют, на благо человечества.
Всегда ли на благо? Думается, что уже из основного текста ясно: что накопленный разносторонний потенциал современной биотехнологии — это обоюдоострый меч, который, подобно другим новым отраслям научно-технического прогресса, сформировавшимся в XX в. (ядерная энергетика, компьютерная электроника, космонавтика), может принести не только пользу, но и вред при бесконтрольном, неосторожном и тем более злонамеренном применении. Так, в распространении методов генетической инженерии видели угрозу заражения людей невиданными болезнетворными «генетическими монстрами», создания новых разновидностей злостных сорняков и даже выведения «стандартных людей» по заранее заданным программам. Потенциальную угрозу, заключающуюся в развитии биотехнологии, нельзя ни преувеличивать, ни преуменьшать, она в значительной мере определяется не чисто научно-техническими, а этическими и социально-политическими факторами. Как отмечено в материалах XXVII съезда КПСС, в разных общественно-политических системах научно-техническая революция оборачивается разными ее гранями и последствиями.
Биотехнология представляется «страной контрастов», сочетания самых передовых достижений научно-технического прогресса с определенным возвратом к прошлому, выражающимся в использовании живой природы как источника полезных для человека продуктов вместо химической индустрии.
Значительные контрасты характерны для биотехнологии и в отношении необходимых для ее развития финансовых средств, сырьевых материалов и кадров. Есть биотехнологические разработки, требующие весьма внушительных капиталовложений, концентрации усилий крупных коллективов научных работников, инженерно-технических и управленческих кадров, дорогостоящего сырья и оборудования (многие генноинженерные разработки, биотехнологические процессы с применением автоматизированных систем управления). Это так называемая «большая
биотехнология». Ей противостоит «малая биотехнология» (получение биогаза, выращивание микроводорослей в прудах), обходящаяся во многом даровыми источниками энергии и сырья, низкими капиталовложениями, небольшими затратами труда.
Все направления современной биотехнологии должны служить всему человечеству, а не только тем, кто способен финансировать развитие той или иной отрасли. В частности, развивающиеся страны должны получить доступ к «большой биотехнологии», которая им пока во многом «не по карману». Генно-инженерная вакцина против малярии необходима для стран Африки, где от малярии погибает более миллиона детей в год. Но могут ли развивающиеся страны Африки финансировать массовое производство генно-инженерных вакцин? Настоятельной необходимостью является международная координация усилий биотехнологов, всех заинтересованных стран. В рамках государств — участников СЭВ такая координация предусмотрена в Комплексной программе научно-технического прогресса, рассчитанной на период до 2000 г.
Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса. Она весьма гетерогенна по своему теоретическому базису, потому что призвана исследовать не какой-либо класс объектов, а решать определенный круг комплексных проблем. Одной из них является, например, поиск дешевого заменителя тростникового (свекловичного) сахара, и армия биотехнологов берется за дело, сочетая в своей деятельности элементы различных наук: методы микробиологии, необходимые для выращивания микроорганизма, биохимии — для выделения глюкоизомеразы (дающей глюкозо-фруктозный сироп при использовании глюкозы как субстрата), органического синтеза— для получения полимерного носителя, а при регулировке параметров системы с иммобилизованным ферментом необходимы физико-химические расчеты. Можно добавить еще, что для повышения эффективности биосинтеза глюкоизомеразы могут быть использованы методы генетической и клеточной инженерии.
Круг вопросов, к решению которых привлекают биотехнологические разработки, весьма широк. Однако большинство из них прямо или косвенно связано с глобальными проблемами, стоящими перед современной цивилизацией: загрязнение окружающей среды, угроза экологического кризиса; истощение запасов полезных ископаемых, в первую очередь источников энергии, угроза мирового энергетического кризиса; нехватка продовольствия, особенно ощутимая в развивающихся странах.
Слова «биология» и «биотехнология» различаются лишь тем, что в слове «биотехнология» есть вставка «техно». И биология, и биотехнология имеют дело с живыми объектами, но как различны их подходы к живому! Биотехнолог изучает живое не из чисто познавательного интереса, он пытается «заставить» работать живые объекты, производить нужные человеку продукты. «Зачем брать на себя труд изготовления химических соедине-
ний, если микроб может сделать это за нас?», — говорил Дж. Б. С. Холдейн еще в 1929 г., предвосхищая грядущий расцвет биотехнологии. В современной биотехнологии живое рассматривается как средство производства в ряду всех прочих средств; например, при биологической трансформации органических соединений микроорганизмам отводят роль химических реагентов. Не случайна и стандартная для инженерной энзи-мологии метафора, уподобляющая иммобилизованные биообъекты «закованным в цепи рабам». Биообъект, таким образом, понижают в ранге, переводя из категории самостоятельной целостной живой системы в категорию реагентов, датчиков, реле, компьютерных деталей, прочих орудий модернизированного производства.
Эта тенденция современной биотехнологии имеет не только философское, но и практическое значение. Она порождает чересчур грубый, примитивный, чисто эмпирический подход к такому сложному объекту, как живое, что ведет к его низкоэффективному функционированию в условиях биотехнологического процесса. Не оправдал себя, в частности, лобовой метод оптимизации подобного процесса, оптимизация «грубой силой», проводимый без детальных знаний физиологии используемого организма. Недостаточно надежен в биотехнологии и метод кибернетического моделирования, упрощающий биологический объект до «черного ящика».
Существует и другая тенденция в биотехнологии. Ее приверженцы относятся с «пониманием» к тонкости и слаженности систем регуляции процессов жизнедеятельности в клетке биообъекта. В полушутливой форме эти мысли выражены журналистом и популяризатором биотехнологии Фишлоком в предисловии к книге «Биотехнологический бизнес» (1982): «Микробы намного умнее и способнее микробиологов, генетиков и инженеров». Речь нередко идет о повышении ранга биообъекта в биотехнологии.
Описанные особенности подхода биотехнологии к объекту выделяют ее среди традиционных естественно-научных дисциплин.
Биотехнология — типичное порождение нашего бурного, динамичного XXI в. Она открывает новые горизонты перед человеческим разумом. Проблемы биотехнологии чрезвычайно многообразны, начиная от чисто технических (например, снижение каталитической активности ферментов при их иммобилизации) и кончая тонкими интеллектуальными проблемами, связанными с обеднением фундаментальной науки в связи с доминированием чисто проблемно-прикладных разработок.
В условиях социализма открываются широкие перспективы и возможности для использования новых научных исследований и разработок на благо человека и общества.
Список используемой литературы.
- »Биотехнология: свершения и надежды» – Сассон А., Москва, «Мир» 1987г.
- »Биотехнология проблемы и перспективы» – Егоров Н.С., Москва, «Высшая школа» 1987г.
- »Биотехнология: что это такое?» Вакула В.Л., Москва, «Молодая гвардия» 1989г.
Узнай стоимость на индивидуальную работу!
Цены в 2-3 раза ниже
Мы работаем
7 дней в неделю
Только проверенные эксперты
Курсовые работы по биотехнологии
Нет нужной работы в каталоге?
Сделайте индивидуальный заказ на нашем сервисе. Там эксперты помогают с учебой без посредников 
Разместите задание – сайт бесплатно отправит его исполнителя, и они предложат цены.
Цены ниже, чем в агентствах и у конкурентов
Вы работаете с экспертами напрямую. Поэтому стоимость работ приятно вас удивит
Бесплатные доработки и консультации
Исполнитель внесет нужные правки в работу по вашему требованию без доплат. Корректировки в максимально короткие сроки
Гарантируем возврат
Если работа вас не устроит – мы вернем 100% суммы заказа
Техподдержка 7 дней в неделю
Наши менеджеры всегда на связи и оперативно решат любую проблему
Строгий отбор экспертов
К работе допускаются только проверенные специалисты с высшим образованием. Проверяем диплом на оценки «хорошо» и «отлично»
1 000 +
Новых работ ежедневно
Требуются доработки?
Они включены в стоимость работы 
Работы выполняют эксперты в своём деле. Они ценят свою репутацию, поэтому результат выполненной работы гарантирован 
Иванна
Экономика
Маркетинг
Информатика
115809
рейтинг
2806
работ сдано
1263
отзывов
Ludmila
Математика
Физика
История
113674
рейтинг
5504
работ сдано
2483
отзывов
77976
рейтинг
1894
работ сдано
1201
отзывов
Константин Николаевич
Высшая математика
Информатика
Геодезия
62710
рейтинг
1046
работ сдано
598
отзывов
Отзывы студентов о нашей работе
Инесса
ВГУИТ
Работа выполнена качественно, с подробным решением, за короткий срок(день, даже меньше).
Сергей
МТИ
Работа выполнена в срок. Замечания преподавателя незначительные. Оценка отлично. Доработка…
Милана
КБГУ им. Х.М. Бербекова
Работа выполнена по минимальной цене, раньше установленного срока,преподаватель оценил на …
Работа выполнена качественно, с подробным решением, за короткий срок(день, даже меньше).
Работа выполнена в срок. Замечания преподавателя незначительные. Оценка отлично. Доработка не потребовалась.
Работа выполнена по минимальной цене, раньше установленного срока,преподаватель оценил на отлично. Спасибо ??
Милана
КБГУ им. Х.М. Бербекова
Последние размещённые задания
Ежедневно эксперты готовы работать над 1000 заданиями. Контролируйте процесс написания работы в режиме онлайн 
нужно решить 2 и 4
Контрольная, Управление персоналом и управление учетом
Срок сдачи к 4 апр.
Закажи индивидуальную работу за 1 минуту!
Размещенные на сайт контрольные, курсовые и иные категории работ (далее — Работы) и их содержимое предназначены исключительно для ознакомления, без целей коммерческого использования. Все права в отношении Работ и их содержимого принадлежат их законным правообладателям. Любое их использование возможно лишь с согласия законных правообладателей. Администрация сайта не несет ответственности за возможный вред и/или убытки, возникшие в связи с использованием Работ и их содержимого.
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
1
Введение
2
Экологическая биотехнология
3
Типы бытовых отходов
4
Проблема утилизации твёрдых бытовых
отходов
5
Биологическая переработка промышленных
отходов
5.1
Отходы молочной промышленности; сыворотка
5.2
Отходы целлюлозно-бумажной промышленности
5.3
Переработка отходов после очистки воды
5.3.1
Переработка ила
5.3.2
Ликвидация ила
6
Биодеградация отходов
6.1
Биодеградация ксенобиотиков в окружающей
среде
6.2
Биодеградация нефтяных загрязнений
6.3
Пестициды
7
Ликвидация токсичных и опасных отходов
8
Компостирование органических отходов
9
Заключение
10
Практическая часть
Список
используемой литературы
Введение
Современная
биотехнология — это направление,
призванное изыскивать пути промышленного
применения биологических агентов и
процессов. Это комплексная многопрофильная
область, включающая микробиологический
синтез, генетическую, белковую и клеточную
инженерию, инженерную энзимологию.
Биотехнология
в основном опирается на использование
микроорганизмов. Поэтому знания,
накопленные микробиологией о многообразии
мира, о строении, генетике, физиологии,
изменчивости, экологии микробов создают
научную основу для развития многих
биотехнологических производств.
Традиционное сырьё для различных
отраслей химической и перерабатывающей
промышленности (нефть и газ) истощается,
а это приведёт к тому, что всё более
широко будут использоваться ресурсы
биомассы.
Бродильное
производство и технология на основе
ферментов будут основными источниками
моторного топлива 21 века.
Помимо
новых способов получения химических
веществ из биомассы, биотехнология даёт
нам также более эффективные и
производственные катализаторы для
осуществления химических взаимопревращений.
Многообещающей
областью дальнейшего развития
представляется производство ценных
веществ из растений, например терпенов
и алкалоидов, используемых при производстве
лекарств; в настоящее время 25% всех
лекарств производится из растений.
В
области сельского хозяйства решаются
вопросы создания полноценных кормов
для животных на основе белка одноклеточных.
Для переработки отходов сельскохозяйственного
производства используются биотехнологические
процессы с помощью анаэробных и аэробных,
термофильных бактерий. Созданы новые
бактериальные удобрения. Прежде всего,
биотехнология перспективна с экологической
точки зрения. С момента возникновения
цивилизации на Земле остро стоит
экологическая проблема охраны окружающей
среды.
Благодаря
антропогенной деятельности человека
(промышленной, сельскохозяйственной,
бытовой и т.д.) постоянно происходит
изменение физических, химических и
биологических свойств окружающей среды,
причём многие из этих изменений весьма
неблагоприятны. Прогнозируется, что
биотехнология будет оказывать
многообразное и всё возрастающее влияние
на способы контроля за окружающей средой
и на её состояние
Прекрасным
примером такого влияния служит внедрение
новых, более совершенных методов
биотехнологической переработки отходов,
применение биотехнологии в борьбе
против распространения ксенобиотиков
и нефтяных загрязнений.
Сегодня
быстро развиваются разнообразные
отрасли промышленности, в которых
процессы жизнедеятельности микроорганизмов
используются для создания замкнутых
систем, для контроля за загрязнением
сточных вод, биотестирования, для
использования альтернативных
энергоресурсов и химического сырья,
как в промышленности, так и в сельском
хозяйстве [5].
Основные
задачи, которые решает биотехнология
в деле охраны окружающей среды, следующие:
1.Деградация
органических и неорганических токсичных
отходов.
2.Возобновление
ресурсов для возврата в круговорот
веществ углерода, азота, фосфора и серы.
3.Получение
ценных видов органического топлива.
Одно
из наиболее важных направлений
биотехнологии — обработка сточных вод,
твёрдых выбросов, контроль за загрязнением
окружающей среды и создание безотходных
технологий.
В
последнее время резко увеличилось
количество и усложнился качественный
состав веществ, загрязняющих среду.
Бурное развитие химии и её внедрение в
народное хозяйство наряду с огромным
экономическим эффектом и многими
блестящими достижениями несёт определённую
опасность в смысле нарушения сложившихся
в течение сотен тысяч лет биомов
симбиотирующих и взаимодополняющих
обитателей биосферы. Наиболее опасно
загрязнение окружающей среды вредными
для здоровья человека ядовитыми,
канцерогенными и мутагенными веществами.
Остро
стоит проблема очистки сточных вод, а
вместе с ней и — дефицит чистой воды. По
подсчётам некоторых учёных человечество
может остаться без пресной воды в 21
веке. Особенно большие надежды в решении
этих проблем учёные возлагают на развитие
биотехнологии
Биотехнология
— это новый путь человечества к спасению
природы.
2 Экологическая
биотехнология
Биотехнология
активно применяется в целях очистки
всех компонентов биосферы (воды, почвы,
воздуха и др.) от загрязняющих веществ.
Кроме того, существенным является не
только сам процесс очистки, но и
возможность использования выделенных
отходов в качестве вторичного сырья.
Биологическая
очистка стоков. Существуют микроорганизмы,
для которых загрязнения, содержащиеся
в сточных водах, являются питательными
веществами. В начале 20 века произошла
революция в очистки сточных вод с помощью
активного ила — сложной смеси
микроорганизмов. Хотя при этом требуется
перемешивать жидкость и непрерывно
аэрировать её воздухом, такой способ
позволяет перерабатывать большие объёмы
стоков с самыми разнообразными
загрязнениями — от хозяйственно-бытовых
до промышленных.
Биологическая
очистка газовых выбросов. Многие выбросы
в атмосферу содержат вредные или дурно
пахнущие примеси. Для их очистки применяют
биофильтры, заполненные насадкой, на
которой закреплены специальные
микроорганизмы. Вредные примеси
сорбируются на насадке и затем потребляются
и обезвреживаются микроорганизмами.
Биокомпостирование
твёрдых отходов. Аналогом аэробной
очистки стоков является аэробное
биокомпостирование твёрдых отходов.
Твёрдые отходы смешиваются с
микроорганизмами, разлагающими вредные
загрязнения, и балластным материалом
типа торфа, который обеспечивает доступ
кислорода к микроорганизмам. Это
позволяет превратить отходы в удобрение
или просто использовать их в качестве
подсыпки для дорог, в строительстве и
в других случаях.
Метановое
сбраживание твёрдых отходов. Ещё в 1776
году Вольта обнаружил, что в болотном
газе содержится метан. С 1901 года успешно
применяют анаэробное сбраживание осадка
избыточного активного ила, образующегося
при работе установок биологической
очистки сточных вод. Сброженный осадок,
если только он не содержит повышенных
концентраций тяжёлых металлов, успешно
используют как удобрение. Он лучше
исходного осадка по составу, и в нём
почти полностью отсутствуют болезнетворные
микроорганизмы [2].
Также
существуют и многие другие способы
биотехнологического воздействия на
окружающую среду: биодеградация
химических пестицидов и инсектицидов,
борьба с накоплением метана в шахтах,
обессеривание нефти и каменного угля,
обогащение воздуха кислородом и другие.
3Типы
бытовых отходов
Интенсивный
рост промышленности и городов привели
к увеличению загрязнения окружающей
среды. Результатом деятельности
промышленных предприятий является
образование отходов. Виды отходов самые
разнообразные, и, соответственно, методы
их обработки и переработки многочисленны.
Органические отходы в соответствии с
источником подразделяются на бытовые,
промышленные и сельскохозяйственные,
а по физическому состоянию — на жидкие,
полужидкие текучие и твёрдые. Типы
органических отходов и методы их
биологической обработки представлены
в таблице №1.[3]
Типы
органических отходов и методы их
биологической обработки.
Таблица
№1.
|
Физическое состояние |
Типы |
ХПК, |
Вид |
Преимущество |
|
|
Жидкое |
Городские Промышлен- ные
Навозные
ной |
200-500
300 50000
1000 3000 |
Аэробная
То Анаэробная Аэробная
Выдерживание Анаэробная |
Глубокая
То
Отсутствие
Очистка
Дешевизна, Удобрение |
|
|
Полужидкое |
Осадки
Навоз |
4000 6000
2000 7000 |
Анаэробная
То |
Метан,
Метан, |
|
|
Твёрдое |
Твёрдые
Органическая
Подстилоч-ный |
Анаэробная
То Компостиро-вание Анаэробная Компостиро-вание |
Метан
Метан, Удобрение
Метан,
Дешёвое,
ное |
||
4 Проблема
утилизации твёрдых бытовых отходов
В
области переработки и ликвидации твердых
отходов биотехнологические методы
наиболее широко применяются для
утилизации коммунальных отходов и ила
из систем биоочистки стоков.
Традиционно
твердые отходы складируются на городских
свалках. Все возрастающие объемы отходов
на душу населения приводят к возникновению
огромного количества свалок, увеличению
их площадей, а также к неуправляемому
попаданию отходов в окружающую среду
из-за рассыпания их при транспортировке.
После того, как стало ясно, что при
анаэробной переработке отходов в больших
количествах образуется ценный
энергетический носитель — биогаз,
основные усилия стали направляться на
соответствующую организацию свалок и
получение на месте их переработки
метана.
На
городских свалках в последние годы
четко просматривается тенденция
увеличения объема бумаги и пластмасс
на фоне снижения доли органических и
растительных материалов, что удлиняет
время стабилизации отходов.
Поведение
отходов на свалке носит чрезвычайно
сложный характер, так как постоянно
происходит наслаивание нового материала
через различные временные промежутки.
В результате этого процесс подвержен
действию градиентов температуры, рН,
потоков жидкости, ферментативной
активности и пр. В общей массе материала
свалок присутствует сложная ассоциация
микроорганизмов, которые развиваются
на поверхности твердых частиц, являющихся
для них источником биогенных элементов.
Внутри ассоциации складываются
разнообразные взаимосвязи и взаимодействия.
В целом состояние и биокаталитический
потенциал микробного сообщества зависит
от спектра химических веществ материала
свалок, степени доступности этих веществ,
наличия градиентов концентраций
различных субстратов, в особенности
градиентов концентраций доноров и
акцепторов электронов и водорода.
На
начальной стадии биодеградации твердых
отходов доминируют аэробные процессы,
в ходе которых под воздействием
микроорганизмов (грибов, бактерий,
актиномицетов) и также беспозвоночночных
(клещей, нематод и др.) окисляются наиболее
деградируемые компоненты. Затем
деструкции подвергаются трудно и
медленно окисляемые субстраты — лигнин,
лигноцеллюлозы, меланины, танины.
Существуют различные методы оценки
степени биодеградации твердых отходов.
Наиболее информативным принято считать
метод оценки, основанный на различиях
в скоростях разложения целлюлозы и
лигнина. В непереработанных отходах
отношение содержания целлюлозы к лигнину
составляет около 4,0; в активно
перерабатываемых — 0,9-1,2 и в полностью
стабилизированных отходах — 0,2. В течение
аэробной стадии температура среды может
повышаться до 80°С, что вызывает инактивацию
и гибель патогенной микрофлоры, вирусов,
личинок насекомых. Температура может
служить показателем состояния свалки.
Увеличение температуры повышает скорость
протекание процессов деструкции
органических веществ, но при этом
снижается растворимость кислорода, что
является лимитирующим фактором.
Исчерпание молекулярного кислорода
приводит к снижению тепловыделения и
накоплению углекислоты. Это, в свою
очередь, стимулирует развитие в микробной
ассоциации сначала факультативных, а
затем облигатных анаэробов. При анаэробной
минерализации в отличие от аэробного
процесса участвуют разнообразные,
взаимодействующие между собой
микроорганизмы. При этом виды, способные
использовать более окисленные акцепторы
электронов, получают термодинамические
и кинетические преимущества. Происходит
последовательно процесс гидролиза
полимеров типа полисахаридов, липидов,
белков; образованные при этом мономеры
далее расщепляются с образованием
водорода, диоксида углерода, а также
спиртов и органических кислот. Далее
при участии метаногенов происходит
процесс образования метана (рис.1).
Рис.
1. Взаимодействие микроорганизмов в
анаэробных условиях заключительной
стадии катаболизма (по К. Форстеру и Е.
Сениору, 1990).
Бактерии,
потребляющие: I — нитраты, II — сульфаты;
бактерии, образующие: III — пропионат, IV
— ацетат, V — метан; бактерии, катаболирующие:
VI — аминокислоты, VII — метилированные
металлоорганические комплексы.
В
результате комплекса процессов,
происходящих при биодеградации
содержимого свалок, образуются два типа
продуктов — фильтрующиеся в почву воды
и газы.
Фильтрующиеся
воды, помимо микроорганизмов, содержат
комплекс разнообразных веществ, включая
аммонийный азот, летучие жирные кислоты,
алифатические, ароматические и
ациклические соединения, терпены,
минеральные макро- и микроэлементы,
металлы. Поэтому важным моментом при
выборе и организации мест свалок является
защита поверхности земли и грунтовых
вод от загрязнений. Для борьбы с
фильтрацией вод применяют малопроницаемые
засыпки или создают непроницаемые
оболочки вокруг свалки или специальные
заграждения. Возможно, что наиболее
эффективным способом может стать
организация сбора фильтрующихся вод
свалок и управляемая анаэробная
переработка с применением капельных
биофильтров, аэротенков или аэрационных
прудов. В системе аэрационных прудов в
течение нескольких месяцев можно удалить
из вод до 70% БПК; в капельных биофильтрах
или системах с активным илом — до 92% БПК
с одновременным извлечением в результате
биосорбции свыше 90% металлов (железа,
марганца, цинка). Анаэробная биоочистка
позволяет удалить 80-90% ХПК в течение
40-50 дней при 25°С ( при 10°С величина
удаления ХПК снижается до 50%).
Биогаз,
образуемый при биодеградации материала
свалок, является ценным энергоносителем,
но также может вызывать негативные
явления в окружающей среде (дурной
запах, закисление грунтовых вод, снижение
урожайности сельскохозяйственных
культур), поэтому следует ограничивать
утечки газа. Это возможно при помощи
специальных приспособлений (преграды,
траншеи, наполненные гравием, системы
экстракции газа), позволяющих управлять
перемещением газа, а также созданием
над массивом свалок оболочек, препятствующих
его утечке.
Теоретический
выход метана может составлять 0,266 м3/кг
сухих твердых отходов. Реальные
экспериментальные выходы биогаза,
полученные на различных лабораторных,
пилотных установках и контролируемых
свалках, дают существенный разброс
данных, от десятков до сотен л/кг в год.
Огромное влияние на процесс метаногенеза
оказывают многие факторы, — температура
и рН среды, влажность, уровень аэрации,
химический состав отходов, наличие в
них токсических компонентов и др. Газ,
образуемый на свалке, извлекается с
помощью вертикальных или горизонтальных
перфорированных труб из полиэтилена.
Применение воздуходувок и насосов может
повысить степень извлечения газа. Газ
используют для обогрева теплиц, получения
пара, а после дополнительной очистки
его можно перекачивать по трубам к
местам потребления [1].
Таким
образом, помимо экологической, проблема
носит экономический характер, так как
использование образующегося на свалках
биогаза, снижает материальные затраты
на борьбу с загрязнениями, опасными и
дурнопахнущими отходами.
5 Биологическая
переработка промышленных отходов
Неотъемлемой
чертой любого цивилизованного общества
является образование как жидких, так и
твёрдых отходов. Поиск безопасных для
здоровья населения и не загрязняющих
окружающую среду способов их ликвидации
представляет собой одну из первостепенных
задач. В области переработки и ликвидации
твёрдых отходов биотехнологическими
методами наиболее значительное место,
как по стоимостным, так и по объёмным
показателям занимает утилизация ила
сточных вод и твёрдых коммунальных
отходов.
Промышленные
отходы можно в первом приближении
разделить на две категории: 1) отходы
производств, основанных на использовании
биологических процессов (производство
пищевых продуктов, напитков, ферментация);
2) отходы химической промышленности. В
первом случае отходы имеют различный
состав и обычно перерабатываются путем
биологического окисления, как это
делалось традиционно в случае бытового
мусора. Однако такой способ экономически
невыгоден, и в настоящее время широко
обсуждается вопрос о возможности
уменьшения объема разбавленных сточных
вод либо их непосредственного использования
— трансформации (для получения биомассы
или других ценных продуктов), или же
путем извлечения из них ценных соединений.
В
многочисленных и разнообразных отраслях
химической промышленности образуется
большое количество отходов, причем
многие из них с трудом поддаются
разрушению и длительное время присутствуют
в среде. Поэтому часто перед обычной
биологической переработкой отходов
бывает необходимо провести их
предварительную химическую или физическую
обработку. Использование специфических
микроорганизмов для расщепления
ксенобиотиков при переработке отходов
еще не нашло широкого применения в
промышленности, и тем не менее подобный
подход представляется весьма перспективным.
Это может быть:
1)
деградация отдельных видов отходов in
situ с помощью специализированных культур
микроорганизмов или их сообществ;
2)
введение специально подобранных культур
в обычные системы переработки отходов;
3)
ликвидация и обезвреживание разливов
нефти;
4)
извлечение металлов;
5)
биологическая очистка газов от пахучих
и вредных соединений (меркаптанов,
сероводорода, цианида, хлорзамещенных
углеводородов и т.д.);
6)
получение биомассы из отходов;
7)
превращение отходов в метан.
В
результате широкого применения человеком
продукции химической промышленности
в окружающую среду попадают различные
типы ксенобиотиков: пластмассы
(пластификаторы), взрывоопасные вещества,
добавки, полимеры, красители,
поверхностно-активные вещества пестициды
и органические соединения — производные
нефти. Что касается бытового мусора, то
для его переработки созданы широко
применяемые системы, использующие
активный ил и оросительные фильтры.
Сточные же воды химической промышленности,
как правило, не соответствуют возможностям
подобных систем. Интенсивность переноса
кислорода в ходе процессов, обычно
протекающих в таких системах, бывает
недостаточна для поддержания максимальной
скорости окисления при участии микрофлоры.
Эти процессы чувствительны также к
колебаниям в загрузке реактора, особенно
если токсичные вещества и ингибиторы
поступают в систему в высоких и
непостоянных концентрациях.
Проблему
недостатка кислорода, возникающую при
переработке отходов химической
промышленности в обычно используемых
системах на основе активного ила,
пытались решить несколькими способами.
В двух случаях (распределитель с
пробулькиванием и система «Анокс»)
для увеличения скорости переноса газа
использовали чистый кислород. В одной
из новых систем переработки отходов —
колонном эрлифтном ферментере,
разработанном фирмой ICI — пошли по пути
увеличения количества растворенного
кислорода. В центральной части колонны
имеется не доходящая до дна вертикальная
секция, в которую сверху поступают
отходы и повторно используемый активный
ил; туда же вводится воздух. Когда смесь
выходит из ферментера вверх по наружной
секции колонны, давление в системе
падает, что вызывает пробулькивание
пузырьков воздуха. Благодаря высокому
содержанию растворенного кислорода и
турбулентности биомасса поддерживается
в высокоактивном состоянии и становится
более устойчивой по отношению к
перегрузкам, а также к уменьшению аэрации
и времени нахождения отходов в ферментере,
особенно в случаях высококонцентрированных
отходов.
Такие
процессы с повышенной аэрацией устойчивы
к резким перегрузкам отходами, не
оказывающими токсического или
ингибирующего действия. В случае же
токсичных отходов более пригодными
оказываются системы, в которых используются
микроорганизмы, растущие в пленках.
Такие популяции микробов не вымываются
из системы, даже если на их рост и
метаболизм оказывают неблагоприятное
воздействие поступающие сточные воды.
Кроме того, внутри пленки из-за ограничения
диффузии создаются градиенты концентрации.
Это приводит к понижению концентраций
токсичных продуктов внутри пленки, а
следовательно, к повышению скорости их
усвоения и окисления. Пленка создает
также экологическую нишу для организмов,
рост которых в присутствии высоких
концентраций отходов при перегрузках
существенно замедляется; Самая простая
форма пленочной системы — это перколяционный
фильтр, однако подобного рода пленки
разрушаются, если они становятся очень
тонкими, при уменьшении концентрации
субстрата на поверхности подложки. В
таком случае клетки погибают, и пленка
отпадает, засоряя фильтры внутри системы
переработки отходов. При слишком высоких
концентрациях субстрата происходит
быстрый рост микроорганизмов, что
приводит к образованию толстой пленки
и к ее периодическому отслоению.
Интенсивность подобных процессов можно
снизить, разбавив поступающий раствор
с питательными веществами, осветленными
сточными водами. Разработка новых
методов сохранения толщины пленки
представляет безусловный интерес. Так,
при помощи медленного вращения диска
из полистирола внутри протекающих
сточных вод толщина пленки поддерживается
постоянной за счет гидродинамических
сил и аэрации при выходе пленки из воды.
Такая эффективная и простая система
была предложена для очистки стоков с
низкой величиной БГЖ. Еще один эффективный
метод переработки токсичных отходов
in situ может быть основан на использовании
реакторов с ожиженной подложкой, где
микроорганизмы растут на поверхности
небольших инертных частиц (песок, стекло,
антрацит), через слой которых пропускают
с контролируемой скоростью сточные
воды и воздух.
Отходы,
не содержащие азота или фосфора, не
способны поддерживать рост микроорганизмов.
В подобных случаях для окисления
токсичных соединений до двуокиси
углерода можно использовать покоящиеся
клетки при условии, что активность их
гидролитических и окислительных
ферментов не подавляется. Поскольку
среда при переработке отходов в колонных
реакторах периодически меняется,
микроорганизмы оказываются в условиях
голодания и в это время их рост
прекращается. При поступлении источника
углерода на короткое время включается
несопряженный метаболизм, когда организмы
дышат, но не растут. Это дает то
преимущество, что уменьшается общий
выход биомассы (ила).
5.1 Отходы
молочной промышленности; сыворотка
Сыворотка
является побочным продуктом сыроварения.
Ее состав зависит от типа используемого
молока и вырабатываемого сыра. В
высушенном или концентрированном виде
сыворотка применялась в качестве корма
для животных; одна-. ко ее недостатком
является то, что она несбалансирована
с точки зрения содержания питательных
веществ: в ней слишком высока концентрация
минеральных веществ и лактозы. Разработаны
способы извлечения из сыворотки белков
путем ультрафильтрации, осаждения или
выделения с помощью ионного обмена Из
таких белков можно получать белковые
гидролизаты, используя для этого
ферментеры. После извлечения белков
получают большие объемы фильтратов с
высокими концентрациями лактозы (35 — 50
г/л), минеральных веществ, витаминов и
молочной кислоты, и встает проблема
дальнейшего их использования. Если
превратить лактозу в молочную кислоту
при участии молочнокислых бактерий, то
мы получим источник углерода, который
может сбраживаться дрожжами (например,
смешанными культурами Lactobacillus bulgarius к
Candida krusei). Возможно и прямое сбраживание
лактозы дрожжами Kluyveromyces fragilis или Candida
intermedia. После подобного сбраживания не
обязательно отделять микроорганизмы
от среды, объем которой можно уменьшить
и получить обогащенную белком сыворотку.
Из
сыворотки получают не только белковые
продукты, но и (путем ферментации) сырье
для химической промышленности (например,
этанол). Путем химического гидролиза
лактозы с последующим удалением глюкозы
из раствора с помощью ферментации можно
получать галактозу. Альтернативный
биологический путь — использование
мутантных дрожжей, лишенных в-галактозидазы.
Такие мутанты сохраняют способность к
гидролизу лактозы и используют
образующуюся глюкозу в качестве источника
углерода. В результате гидролиза лактозы
фильтрат становится более сладким; на
опытных установках такой гидролиз
осуществляют с помощью иммобилизованной
в-галактозидазы. Гидролизованный
фильтрат не только находит применение
в пищевой промышленности, но может
оказаться полезным и при решении проблем,
связанных с недостатком ферментов у
некоторых животных-отъемышей и с
непереносимостью лактозы у человека.
Из сыворотки получают и другие химические
соединения: лактозу, лактулозу, лактитол
и лакто-бионовую кислоту [5].
5.2 Отходы
целлюлозно-бумажной промышленности
Волокнистый
материал, применяющийся при производстве
бумаги и других продуктов, получают как
из древесных, так и из травянистых
растений после химического расщепления
лигнина. Однако этот процесс сопровождается
потерей большого количества древесины
и образованием огромного количества
отходов. Все это должно стимулировать
разработку альтернативной химической
технологии.
В
настоящее время применяют два процесса
получения древесной пульпы. Основной
из них — это щелочная варка (сульфатный
процесс), в результате которой образуется
темная сульфатная варочная жидкость.
Эти отходы содержат трудно перерабатываемые
ароматические продукты расщепления
лигнина и низкомолекулярные органические
кислоты (глюкоизосахариновую, молочную,
уксусную и муравьиную). При получении
пульпы из смолистой древесины сосны
образуются талловое масло и терпены,
широко использующиеся в промышленности.
Сульфатную варочную жидкость не удается
перерабатывать биологическими способами,
которые могли бы применяться в промышленном
масштабе; гораздо экономичнее упаривать
эту жидкость и сжигать ее, получая таким
образом энергию из отходов.
Сульфатная
варка целлюлозы применяется реже; она
дает отходы следующего состава:
лигносульфонаты с ароматическими
элементами (60%), сахара (манноза, галактоза,
глюкоза, ксилоза, арабиноза (36%), уксусная
кислота, метанол и фур-фураль). Эти жидкие
отходы — хорошее сырье для ферментации
благодаря высокому содержанию в них
углеводов. Их ферментация в широких
масштабах начата в 1909 г. В настоящее
время традиционным методом удаления
пентоз, гексоз и уксусной кислоты из
таких отходов служит их ферментация
при участии дрожжей. Помимо этих
традиционных методов, вскоре будут
использоваться и новые процессы
превращения отходов в грибной белок с
помощью Paecilomyces variotii, Sporotrichum pulveralentum и
Chaetomicum cellulolyticum.Неподдающиеся переработке
соединения можно концентрировать и
сжигать. Лигносульфонаты применяют в
качестве связывающих веществ и
вспомогательных средств при бурении;
щелочным окислением при повышенном
давлении их можно превращать в ванилин.
Вообще говоря, главное в переработке
отходов целлюлозно-бумажной промышленности
— это понижение энергозатрат, а какой
химический принцип при этом используется,
менее существенна.
Основная
экологическая проблема, порождаемая
целлюлозно-бумажной промышленностью,
это очистка сточных вод, а также обработка
конденсатов, образующихся в испарителях
и реакторах. Сточные воды осветляют
путем нейтрализации и отстаивания,
окисления в одно- и двухстадийных
установках с активным илом, в аэрируемых
отстойниках или путем сочетания
биологических и химических способов
окисления. Эти методы пригодны для
эффективного удаления соединений,
подверженных биодеградации, а также
токсичных производных фенола, однако
они оказываются дорогими и неэффективными
в случае производных лигнина, с трудом
поддающихся переработке. Отбеливатели,
содержащие хлорпроизводные бифенилов,
можно обесцвечивать с помощью грибов
— возбудителей белой гнили.
Среди
побочных продуктов сульфитного процесса
получения целлюлозы преобладают
химически модифицированные лигнины,
образующиеся во многих реакциях между
активным сульфитом и каким-либо сложным
природным полимером. Структура
лигносульфонатов в деталях неизвестна.
Они представляют собой гетерогенную
смесь соединений с широким спектром
молекулярных масс (300-100000); состав смесей
определяется природой перерабатываемой
древесины. Образование сульфонатов
приводит к частичной солюбилизации
лигниновых фрагментов. Сложность
структуры лигносульфонатов затрудняет
изучение их биодеградации. Для упрощения
задачи обычно используют модельные
соединения, например дегидрополимеры
кониферилового спирта или другие
низкомолекулярные продукты.
Низкомолекулярные лигносульфонаты
чувствительнее к биодеградации, чем
высокомолекулярные; с другой стороны,
производные лигнина, видимо, устойчивее
к разрушению, чем сам лигнин. Следовательно,
образование сульфопроизводных затрудняет
переработку.
В
таких сопряженных окислительно-деградативных
процессах почвенные грибы и бактерии
более эффективны, чем гнилостные грибы;
для осуществления этих процессов
требуется также дополнительный источник
углерода. Распад лигносульфонатов
нередко сопровождается полимеризацией,
в результате чего наблюдается сдвиг в
распределении полимеров по молекулярным
массам. Эти изменения могут коррелировать
с присутствием внеклеточных фенолоксидаз
(например, лакказы), физиологическая
роль которых остается неизвестной.
Фенолы превращаются в соответствующие
хиноны и фенокси-радикалы, которые
спон-; танно полимеризуются. Таким
образом, полимеризация и деградация
происходят одновременно. Однако в случае
некоторых грибов реакции полимеризации
не протекают в присутствии целлюлозы.
Целлюлоза распадается до целлобиозы,
являющейся субстратом для целлобиоза:
хинон оксидоредуктазы, которая
одновременно окисляет целлобиозу и
восстанавливает хиноны и фенокси-радикалы.
Может существовать и другая оксидоредуктазная
система, в которой легкодоступные
источники углерода используются для
восстановления хинонов. Возможная роль
подобной биологической полимеризации
состоит в облегчении осаждения
лигно-сульфонатов. Лигносульфонаты
применяются как связывающие вещества
при производстве отдельных видов
картона, где в качестве катализатора
полимеризации используют содержащие
лакказу культуральные фильтраты.
Фенолоксидазы могут играть важную роль
в определении судьбы многих ксенобиотиков
в окружающей среде, участвуя в полимеризации
фенолов и в образовании органических
полимеров почвы.
Чувствительность
лигносульфонатов к биодеградации
увеличивается после их химической или
физической модификации. Под действием
УФ-облучения и озонирования происходит
фрагментация этих молекул, а удаление
остатков сульфоновой кислоты хотя и
снижает растворимость лигносульфонатов,
одновременно уменьшает их устойчивость
к биодеградации. Предпринимались попытки
использовать для микробного десульфирования
анаэробные сульфатредуцирующие бактерии
и некоторые виды Pseudomonas. Большими
потенциальными возможностями в этом
смысле обладают смешанные культуры.
Использование таких культур для
разрушения лигносульфонатов может
оказаться более эффективным, чем
применение отдельных штаммов, поскольку
при этом могут быть созданы сообщества
с широким спектром активностей, например,
способные к десульфированию, расщеплению
прочных связей, метилированию и
деполимеризации. В результате может
быть получена высокоэффективная
биоокислительная система. В одной из
опытных установок для получения БОО из
углеводов, содержащихся в отходах
целлюлозно-бумажной промышленности,
используют Candida utilis, a для разрушения
остаточных лигносульфонатов — смешанную
культуру. Биомасса, образующаяся на
второй стадии этого процесса, не находит
сбыта, поэтому ее повторно используют
после термообработки для ускорения
роста Candida.
5.3 Переработка
отходов после очистки воды
Традиционные
физико-химические методы переработки
сточных или канализационных вод приводит
к образованию значительного количества
твёрдых отходов. Некоторая их часть
накапливается уже на первичной стадии
осаждения, а остальные обусловлены
приростом биомассы за счёт биологического
окисления углеродсодержащих компонентов
в сточных водах. Твёрдые отходы изначально
существуют в виде различных суспензий
с содержанием твёрдых компонентов от
1 до 10%. По этой причине процессам
выделения, переработки и ликвидации
ила стоков следует уделять особое
внимание при проектировании и эксплуатации
любого предприятия по переработке
сточных вод.
В
общих чертах, технические методы
обработки ила сводятся к достижению
определённой степени обезвоженности.
Выбор процесса или последовательности
процессов в любой технологической
цепочке утилизации ила определяется
способом его ликвидации, наиболее
подходящим для конкретного вида ила и
места его переработки. Каждый тип ила
обладает различными свойствами в таких
процессах, как, например, перекачка,
химическая обработка или фильтрование.
Поэтому выбор способа переработки
определяется главным образом экономическими
показателями процесса, зависящими от
типа ила.
5.3.1
Переработка ила
Концентрирование.
Различные типы сырых осадков сточных
вод первоначально не отличаются высокой
концентрацией твёрдых компонентов.
Поэтому, согласно современным теориям
утилизации ила, в большинстве случаев
необходимо обеспечивать определённую
степень обезвоживания ещё до начала
основных процессов переработки. Одним
из наиболее простых способов достижения
этой цели является длительное осаждение
под действием силы тяжести — отстаивание.
Различают первичное и вторичное
отстаивание. Первичное применяется
непосредственно после сброса сточных
вод. Вторичное отстаивание применяется
для ила, прошедшего стадию анаэробного
сбраживания. Сложности при этом обычно
связаны с наличием микропузырьков
биогаза, образующихся во время процесса
сбраживания. Поэтому перед вторичным
отстаиванием обычно предусматривают
операции удаления газа.
Концентрировать
ил также можно и с помощью центрифугирования
и флотации.
Фильтрование.
Ил может быть обезвожен до более высокой
степени фильтрованием. В Великобритании
подобные процессы чаще всего проводят
на фильтр-прессах. Установка состоит
из набора плит, подвешенных на боковых
брусьях или верхней балке. На плитах
сделаны углубления таким образом, чтобы
между ними образовывались камеры, на
каждую плиту натягивается фильтровальная
ткань, и вся конструкция фиксируется
либо болтами, либо с помощью гидравлического
давления. Далее насосами фильтр
заполняется илом и обеспечивается
давление для создания движущей силы
фильтрования. В конце цикла, после
прекращения стока воды, давление
снимается, плиты разделяют, а твёрдый
осадок удаляют.
Модификация
ила. Обезвоживание большинства типов
ила, полученных в ходе различных операций
по переработке стоков, — сложный процесс.
Необходимой стадией является
предварительная обработка ила с целью
улучшения фильтруемости. Это и есть
модификация его свойств. Как правило,
этот процесс заключается в добавлении
химикатов, действующих как коагулянты
или флокулянты. В качестве таких реагентов
могут быть использованы неорганические
соли (известь, хлорид железа, сульфат
железа, хлоргидрат алюминия) или
специально подобранные органические
полимеры с различной молекулярной
массой и ионным сродством.
Какие
бы типы реагентов ни употреблялись
(неорганические или органические), на
практике важно не превышать некоторой
оптимальной дозировки. Избыточное
количество не только ведёт к расточительству
и увеличению расходов, но иногда вызывает
и ухудшение фильтруемости.
Аэробная
переработка отходов. Аэробная переработка
стоков — это самая обширная область
контролируемого использования
микроорганизмов в биотехнологии. Она
включает 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. Эффективность переработки
пропорциональна количеству биомассы
и времени контактирования ее с отходами.
Системы аэробной переработки можно
разделить на системы с перколяционными
фильтрами и системы с использованием
активного ила
Активный
ил.
Переработка
отходов с помощью активного ила,
осуществляемая сложной смесью
микроорганизмов, была предложена в 1914
г. Этот процесс более эффективен, чем
фильтрация, и позволяет перерабатывать
сточные воды в количестве, в десять раз
превышающем объем реактора. Однако он
обладает рядом недостатков: более
высокими эксплуатационными расходами
из-за необходимости перемешивания и
аэрации; большими трудностями в
осуществлении и поддержании процесса;
образованием большого избытка биомассы.
Несмотря на все это, процесс, использующий
активный ил, остается наиболее
распространенным методом переработки
сточных вод в густонаселенных районах,
поскольку требует меньших площадей,
чем эквивалентная фильтрационная
система.
Как
и в фильтрационные системы, в систему
с активным илом были внесены некоторые
изменения. Следующие из них связаны с
аэрацией.
1.
Градиентная аэрация, приводящая
интенсивность аэрации в соответствие
с потребностью в кислороде, которая на
входе больше, чем на выходе.
2.
Ступенчатая аэрация, при которой по
всей длине тэнка сточные воды поступают
с интервалами.
3.
Контактная стабилизация, при которой
повторно используемый ил аэриру ется,
что способствует более полной утилизации
микроорганизмами любых доступных
питательных компонентов. Это приводит
к более полной ассимиляции отходов при
возврате в основные рабочие танки. В
результате объем ила на стадии аэробного
разложения уменьшается, что в принципе
аналогично увеличению аэрации.
4.
Использование чистого кислорода в
закрытых тэнках, которые поэтому могут
работать при более высоких концентрациях
биомассы; таким образом уменьшается
время пребывания сточных вод в тэнке
и, кроме того, решается проблема
«разбухания» (избыточного роста
нитчатых бактерий и грибов), препятствующего
оседанию ила.
Активный
ил — это истинно водная среда. Как и в
перколяционных фильтрах, основная
группа бактерий, участвующих в процессе
переработки, — это Zoogloea. Считается, что
активно растет только небольшая часть
флокуляционного ила. По сравнению с
перколяционными фильтрами в активном
иле наблюдается меньшее экологическое
разнообразие. Рост водорослей
ограничивается недостатком света, а
виды и разнообразие присутствующих в
иле простейших определяются степенью
переработки отходов.
Для
успешной переработки бытовых и
промышленных отходов необходимо точно
знать состав и концентрацию стоков. Это
служит «руководством к действию»:
зная качественные и количественные
характеристики среды, можно сразу
установить, какой микробный посевной
материал необходим для инициации работы
системы. Часто бывает трудно показать,
что именно те микроорганизмы, которых
выделяют из систем биологической
переработки отходов, осуществляют
окисление присутствующих соединений.
Микробиологическое изучение любой
системы, использующей активный ил,
включает:
1)
идентификацию микроорганизмов и
определение их численности;
2)
оценку микробиологической активности
как популяции в целом, так и отдельных
видов;
3)
оценку соотношения между (I) и (2), с одной
стороны, и количеством вводимых
питательных веществ и продуктов
переработки — с другой.
Микробиологическую
активность активных илов можно оценивать
по приросту биомассы или по интенсивности
общего метаболизма; последний включает
изменения, происходящие в среде. Измерения
могут проводиться и для какой-то отдельной
популяции микроорганизмов. Можно
показать, что активность ила связана с
определенными бактериями, точно
подсчитать их число и определить
метаболическую активность. Далее можно
выяснить, в какой мере та или иная
специфическая активность ила определяется
конкретными видами бактерий с известными
свойствами, и установить, какое влияние
оказывают на них неблагоприятные
условия, в которых они оказываются из-за
поступления в среду тех или иных
питательных веществ или продуктов
метаболизма других микроорганизмов.
Для сточных вод, поступающих в емкость
с активным илом, характерны высокие
концентрации органических соединений
и, следовательно, наличие больших
количеств хемоорганотрофных видов,
например Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas и
Moraxella, а также многих других бактерий.
При высоких концентрациях неорганических
соединений в стоках обнаруживаются
бактерии Thiobacillus, Nitrosomonas, Nitrobacter и
Ferrobacillus spp., окисляющие соответственно
серу, аммиак и железо. Эти организмы
были выделены из систем для переработки
отходов и идентифицированы с помощью
методов селективных культур. В ходе
этих работ важно установить, играют ли
какие-либо виды главенствующую роль в
тех процессах, которые протекают в
активном иле. Этот аспект часто
недооценивается, особенно небиологами.
Нередко бывает трудно однозначно
установить роль того или иного
микроорганизма. Например, если из системы
по переработке отходов выделены
Thiobacilhts, окисляющие соединения серы, то
это еще не означает, что вся активность
такого рода определяется именно этими
микроорганизмами: частичное окисление
ряда соединений серы осуществляют и
виды Pseudomonas.
Взаимосвязи
между организмами, участвующими в
катаболизме органических и неорганических
субстратов, имеют важное значение для
регуляции процессов, происходящих в
активном иле. Промежуточные продукты
метаболизма у одного вида бактерий
способны оказывать влияние на процессы
деградации у другого. Например, фенол
подавляет активность организмов,
окисляющих аммиак: он может ингибировать
этот окислительный процесс даже при
столь малых концентрациях, как 3 — 4 мкг/л.
Промежуточные
продукты расщепления бензойной кислоты
до катехола, сукцината и ацетата
ингибируют образование ферментов,
участвующих в начальных этапах
расщепления. Катехол и сукцинат подавляют
синтез ферментов, разрушающих
бензоилформиат и бензальдегид, по
механизму обратной связи, а ацетат
действует как катаболитный репрессор:
наличие простого органического соединения
подавляет расщепление более сложных
молекул до тех пор, пока это более простое
соединение не будет использовано. Когда
ингибирование снимается, синтезируются
новые ферменты, ответственные за
расщепление более сложных ароматических
структур. На практике при наличии в
отходах гомологичных рядов каких-либо
соединений необходимо образование
ферментов, способных справиться с
расщеплением самой сложной молекулы
данного ряда Полное расщепление таких
соединений должно происходить в течение
определенного минимального времени
удержания (нахождения, отходов в реакторе)
в процессе переработки. Следовательно,
можно предсказать, какая обработка
потребуется для окисления фенольных
соединений; например, чем сложнее боковая
цепь молекулы, тем больше времени
необходимо для ферментативного разрушения
этого вещества.
Эффективность
данного процесса можно повысить, изучив
механизмы регуляции метаболизма в
микрофлоре систем с активным илом.
Регуляция биодеградации — это сложная
задача. Однако, зная биохимию соответствующих
процессов, мы, по-видимому, сможем
вмешиваться и в их регуляцию. Например,
добавление к илу промежуточных продуктов
цикла трикарбоновых кислот в низких
концентрациях (2-5 мг/л), глюкозы, аминокислот
и витаминов (в частности, аланина и
никотиновой кислоты) приводит к ускорению
окисления ряда соединений. Введение
этих промежуточных продуктов в состав
биомассы увеличивает энергетические
потребности системы, стимулирует синтез
АТР за счет усиленного окисления
неорганических веществ типа серы или
аммиака. Понимание биохимии подобных
процессов, видимо, даст возможность
вмешиваться в процессы регуляции
метаболизма
Задача
микробиолога-биотехнолога при разработке
методов очистки сточных вод состоит в
более полном изучении и учете взаимосвязи
между активностью микроорганизмов,
образованием хлопьев ила и производительностью
установки по переработке отходов. В
этом смысле превращения в системе
активного ила следует рассматривать в
основном как окислительные процессы
во влажной среде, сопровождающиеся
увеличением объема ила, которое можно
расценивать как вредное или полезное
(последнее — когда ил используется
повторно). Совершенно очевидно, что
биологический способ переработки
пригоден для множества различных
органических и неорганических соединений
и устраняет их вредное воздействие на
окружающую среду.
Акт
о защите среды от загрязнений от 1994 г.
по мере претворения его в жизнь будет
оказывать все возрастающее влияние на
технологию очистки сточных вод. Термин
«биодеградация» используется
сейчас очень широко, но имеет множество
толкований. Иногда под биодеградацией
понимают полную минерализацию какого-либо
соединения микроорганизмами с образованием
углекислого газа, сульфата, нитрата и
воды — это одна крайность. Другая крайность
состоит в том, что данный термин используют
применительно к незначительным изменениям
соединений, приводящим к утрате ими
некоторых характерных свойств. Стандартные
методы оценки деградации позволяют
определить термин «биодеградация»
следующим образом:
1)
первичная деградация, при которой
характерные свойства исходного соединения
утрачиваются и перестают выявляться
специфическими химическими тестами;
2)
допустимая для окружающей среды
биодеградация, при которой происходит
минимальное изменение исходного
соединения, необходимое для утраты его
свойств (оба этих определения основаны
на произвольных критериях, и поэтому
неточны);
3)
окончательная биодеградация, включающая
полное превращение исходного соединения
в неорганические конечные продукты и
связанная с нормальными процессами
метаболизма микробов.
Анаэробное
разложение. Все возрастающая стоимость
переработки отходов с помощью аэробного
разложения и энергетический кризис, с
одной стороны, и новые достижения
микробиологии и технологии — с другой,
возродили интерес к анаэробной
переработке. Самая распространенная
технология анаэробной переработки —
разложение ила сточных вод. Эта хорошо
разработанная технология с успехом
используется с 1901 г. Однако здесь
существует ряд проблем, обусловленных
малой скоростью роста облигатных
анаэробных метанобразующих бактерий,
которые используются в данной системе.
К ним относятся также чувствительность
к различным воздействиям и неприспособленность
к изменениям нагрузки. Конверсия
субстрата также происходит довольно
медленно, и поэтому обходится дорого.
Некоторые проблемы связаны с неудачными
инженерными решениями. Тем не менее,
этот подход представляется перспективным
с точки зрения биотехнологии; например,
можно добавить к отходам ферменты для
повышения эффективности процесса или
попытаться усилить контроль за
переработкой путем изменения тех или
иных биологических параметров.
Анаэробная
ферментация отходов или растительных
культур, специально выращиваемых для
получения энергии, очень перспективна
для экономичного получения газообразного
топлива при умеренных температурах (30
— 35°С). Эта новая отрасль биотехнологии
была развита микробиологами в
сотрудничестве с инженерами-химиками
и механиками, работниками сельского
хозяйства и экономистами.
При
выращивании сообщества различных
бактерий на смеси органических соединений
происходят сложные биохимические
реакции. Метанобразующие бактерии
способны к синтезу энергоносителя
непосредственно из водорода и углекислого
газа. Микроорганизмы, расщепляющие
целлюлозу, синтезируют жирные кислоты,
которые могут подвергаться восстановительному
расщеплению до метана и углекислого
газа; некоторые бактерии способны даже
образовывать молекулярный водород.
Описано сложное, взаимозависимое
микробное сообщество, в котором можно
выделить три группы бактерий: бактерии,
осуществляющие гидролиз и брожение;
бактерии, образующие водород и уксусную
кислоту; а также водородотрофные,
метанобразующие бактерии. Метанобразующие
бактерии растут медленно и очень
чувствительны к резким изменениям
загрузки реактора и накоплению водорода.
Можно надеяться, что усовершенствование
конструкции реактора и контроль за
процессом помогут уменьшить колебания
загрузки реактора и позволят контролировать
ее, определяя содержание водорода и
промежуточных продуктов типа пропионовой
и масляной кислот. Проблемы перегрузки,
особенно существенные в случае
промышленных стоков, можно обойти,
увеличивая скорости оборота и применяя
в качестве буферных систем сточные воды
химических предприятий и бытовые сточные
воды. Для увеличения метаногенной
активности бактерий можно использовать
обычные методы отбора или методы генной
инженерии. Оценить возможность
использования данного процесса при
переработке смешанных отходов, а также
охарактеризовать потребности в
питательных веществах и усовершенствовать
начальный этап процесса за счет уменьшения
количества необходимого микробного
посевного материала поможет дальнейшее
изучение физиологии и экологии участвующих
в процессе микроорганизмов.
Для
получения энергии и полезных побочных
продуктов можно использовать самые
разнообразные отходы и сырье.
5.3.2 Ликвидация
ила
1.Захоронение
в почве. В странах ЕЭС ежегодно производится
около 6 Мт ила, причём до 30% применяется
в качестве удобрения в сельском хозяйстве.
Такое использование ила весьма выгодно
как с точки зрения роста урожайности,
так и в плане улучшения почвы. Сброженный
ил, обычно в виде пульпы, содержит азота
5,1; фосфора 1,6 и калия 0,4%. Доступность
этого азота для сельскохозяйственных
культур составляет 50-85%, а фосфора
20-100%. Таким образом, жидкий сброженный
ил по содержанию этих элементов не
уступает навозу.
Этот
способ ликвидации осложняется двумя
обстоятельствами: присутствием в иле
патогенных организмов и токсичных
элементов. Распространение патогенных
организмов может быть пресечено рядом
мер по дезинфекции ила перед его внесением
в почву.
Принято
считать, что основной повод для
беспокойства дают два патогенных
организма: Salmonella spp. и бычий цепень.
Однако в иле могут присутствовать и
другие патогенные виды, в частности
паразитические, например Brucella abortus и
Ascaris suum. Борьба с болезнями основывается
на стабилизации ила.
Основными
стабилизирующими ил процессами являются
сбраживание, складывание в кучи или
обработка известью. В качестве альтернативы
возможно захоронение ила ниже уровня
почвы.
2.
Захоронение в море.
3.Сжигание.
6
Биодеградация твёрдых отходов
Перед
транспортировкой твёрдых отходов на
свалку они могут быть подвергнуты
обработке, т.е. измельчению, перемалыванию
и дроблению. Эта предварительная
обработка может сильно влиять на
катаболические процессы в твёрдых
отходах. На типичной свалке, где отходы
размещаются по отсекам, вся система в
целом работает как группа реакторов
периодического действия, в которых
отходы находятся на разных стадиях
биодеградации и подвергаются случайным
воздействиям, например, попаданию воды,
содержащей растворённый кислород или
различные ксенобиотики. В этом случае
можно применить простую модель
периодических культивирований,
действующих в той последовательности,
в какой происходит загрузка. Для более
традиционного типа свалки можно
использовать модель периодического
культивирования с повторным внесением
посевного материала микроорганизмов
и беспозвоночных.
В
начальной стадии катаболизма твёрдых
отходов, сопровождаемого физическими
и химическими процессами, преобладают
аэробные процессы, в ходе которых
наиболее лабильные молекулы быстро
разрушаются рядом беспозвоночных и
микроорганизмами. Утилизация миксотрофных
субстратов затем сменяется последующим
катаболизмом макромолекул, таких как
лигноцеллюлозы, лигнин, танины и меланины,
которые способны только к медленной
биодеградации, что приводит к тому, что
кислород перестаёт быть лимитирующим
субстратом.
6.1 Биодеградация
ксенобиотиков в окружающей среде
Биодеградация
органических соединений, загрязняющих
окружающую среду, оправдана только в
том случае, если в результате происходит
их полная минерализация, разрушение и
детоксикация; если же биохимическая
модификация этих соединений приводит
к повышению их токсичности или увеличивает
время нахождения в среде, она становится
не только нецелесообразной, но даже
вредной. Детоксикация загрязняющих
среду веществ может быть достигнута
путем всего одной модификации структуры.
Судьба ксенобиотика зависит от ряда
сложным образом взаимосвязанных факторов
как внутреннего характера (устойчивость
ксенобиотика к различным воздействиям,
растворимость его в воде, размер и заряд
молекулы, летучесть), так и внешнего
(рН, фотоокисление, выветривание). Все
эти факторы будут определять скорость
и глубину его превращения. Скорость
биодеградации ксенобиотика данным
сообществом микроорганизмов зависит
от его способности проникать в клетки,
а также от структурного сходства этого
синтетического продукта и природного
соединения, которое подвергается
естественной биодеградации. В удалении
ксенобиотиков из окружающей среды
важную роль играют различные механизмы
метаболизма.
В
большинстве случаев при исследовании
биодеградации использовался традиционный
подход, основанный на выделении и анализе
свойств чистых изолятов из окружающей
среды. С другой стороны, из-за гетерогенности
среды в ней формируются местообитания
для множества разных микроорганизмов
с самыми разнообразными метаболическими
свойствами. Эти местообитания не могут
не быть взаимосвязанными друг с другом.
Ксенобиотики подвергаются действию
смешанных популяций микроорганизмов,
т.е. сообществ, для которых характерны
отношения кооперации, комменсализма и
взаимопомощи.
6.2 Биодеградация
нефтяных загрязнений
Рассмотрим
процессы биодеградации сложных смесей
углеводородов и их производных в средах,
загрязненных нефтью. Речь пойдет как о
сточных водах нефтяной промышленности,
так и о загрязнении нефтью окружающей
среды. Источники таких загрязнений
могут быть самые разнообразные: промывка
корабельных бункеров для горючего,
аварии на танкерах в открытом море
(основная причина нефтяных загрязнений
окружающей среды), утечки в нефтехранилищах
и сброс отработанных нефтепродуктов.
Сточные
воды нефтяной промышленности обычно
очищают биологическим способом после
удаления большей части нефти физическими
способами или с помощью коагулянтов.
Токсическое воздействие компонентов
таких сточных вод на системы активного
ила можно свести к минимуму путем
постепенной «акклиматизации» очистной
системы к повышенной скорости поступления
стоков и последующего поддержания
скорости потока и его состава на одном
уровне. Однако загрузка этих систем
может значительно варьировать и, видимо,
лучше использовать более совершенные
технологии, например системы с илом,
аэрированным чистым кислородом, или же
колонные биореакторы.
Самые
большие утечки нефти в окружающую среду
происходят в море, где она затем
подвергается различным физическим
превращениям, известным как выветривание.
В ходе этих абиотических процессов,
включающих растворение, испарение и
фотоокисление, разлагается ( в зависимости
от качества нефти и от метеорологических
условий) 25 — 40% нефти. На этой стадии
разрушаются многие низкомолекулярные
алканы. Степень микробиологической
деградации выветрившихся нефтяных
разливов определяется рядом факторов.
Весьма важен состав нефти: относительное
содержание насыщенных, ароматических,
содержащих азот, серу и кислород
соединений, а также асфальтенов в
различных типах нефти различно.
Определенную устойчивость нефти придают
разветвленные алканы, серосодержащие
ароматические соединения и асфальтены.
Кроме того, скорость роста бактерий, а,
следовательно, и скорость биодеградации
определяются доступностью питательных
веществ, в частности азота и фосфора.
Оказалось, что добавление таких веществ
увеличивает скорость биодеградации.
Количество разных организмов, способных
расти на компонентах нефти, зависит от
степени загрязненности углеводородами.
Например, больше всего их находят
поблизости от крупных портов или нефтяных
платформ, где среда постоянно загрязнена
нефтью. Полная деградация нефти зачастую
не происходит даже при участии богатых
по видовому составу микробных сообществ.
Наиболее биологически инертные
компоненты, например асфальтены,
содержатся в осадочных породах и нефтяных
залежах. Основные физические факторы,
влияющие на скорость разложения нефти,
— это температура, концентрация кислорода,
гидростатическое давление и степень
дисперсности нефти. Наиболее эффективная
биодеградация осуществляется тогда,
когда нефть эмульгирована в воде.
Особую
проблему представляют выбросы или
случайные разливы нефти на поверхности
почвы, поскольку они могут привести к
загрязнению почвенных вод и источников
питьевой воды. В почве содержится очень
много микроорганизмов, способных
разрушать углеводороды. Однако даже их
активность не всегда достаточна, если
образуются растворимые производные
или поверхностно-активные соединения,
увеличивающие распространение остаточной
нефти.
6.3 Пестициды
Слив
отходов производства пестицидов сегодня
строго контролируется; технология
очистки сточных вод или их детоксикации
хорошо разработана, хотя остается
сложной и многообразной. Она включает
сначала экстракцию пестицидов
растворителями, а затем обычную
биологическую обработку. Для ликвидации
непредусмотренных выбросов, происходящих
при утечках или при промывке и замене
контейнеров с пестицидами, подходящая
технология пока отсутствует. Пестициды
попадают в окружающую среду и в результате
использования их для обработки
сельскохозяйственных культур. Большинство
пестицидов расщепляются бактериями и
грибами. Превращение исходного пестицида
в менее сложные соединения нередко
осуществляется при участии сообществ
микроорганизмов. Были описаны различные
стадии и промежуточные продукты процессов
деградации ДДТ, идущей, например, в ходе
сопряженного метаболизма и приводящей
к полной минерализации этого стойкого
пестицида. Часто из среды, содержащей
ксенобиотик, можно выделить сообщества
такого рода, в которых он служит не
основным источником углерода, а источником
фосфора, серы или азота. Чрезвычайно
высокая токсичность пестицидов зачастую
утрачивается на первой же стадии их
модификации. Это позволяет разработать
относительно несложные микробиологические
способы их детоксикации. Например, в
результате гидролиза может значительно
уменьшиться токсичность пестицидов
или увеличиться вероятность биодеградации.
Для этого хорошо было бы использовать
внеклеточные ферменты, способные
функционировать в отсутствие коферментов
или специфических факторов и осуществлять
детоксикацию разнообразных пестицидов.
Это могут быть такие гидролазы, как
эстразы, ациламиназы и фосфоэстеразы.
Чтобы выбранный фермент можно было
применять in situ, он должен обладать
подходящей кинетикой в широком диапазоне
температур и рН, быть нечувствительным
к небольшим количествам растворителей
и тяжелых металлов, не ингибироваться
субстратом при концентрациях, характерных
для содержимого очистных систем, а также
хорошо храниться. В ряде случаев в
качестве биологического агента
детоксикации была испробована
паратионгидролаза, выделенная из
Pseudomonas spр. С её помощью удалось удалить
94 — 98% остаточного паратиона (около 75г)
из контейнера с пестицидом за 16 ч при
концентрации субстрата 1% (по весу).
Забуференные растворы (паратионгидролазы)
использовали также для детоксикации
паратиона в разливах на почве, где его
концентрация, по-видимому, была весьма
высока. Скорость разложения паратиона
в этом случае зависела от типа почвы,
влажности, буферной емкости раствора
и концентрации фермента. При этом
значительные количества пестицида были
обезврежены всего за 8 ч. Как показали
лабораторные эксперименты, еще одна
возможная сфера применения иммобилизованных
ферментов — это очистка сточных вод.
Были описаны гидролазы для детоксикации
других пестицидов. Многие из них обладают
широкой субстратной специфичностью,
что открывает большие возможности для
создания других простых систем
детоксикации пестицидов. В будущем
подобные системы смогут применять при
промывке промышленных химических
установок и реакторов, ферменты в виде
аэрозолей — для удаления пестицидов с
поверхностей, а ферменты в сочетании с
пестицидами — для быстрого разрушения
пестицидов после их использования.
7 Ликвидация токсичных
и опасных отходов
Ликвидация
токсичных и опасных отходов на свалке,
отдельно или вместе с твёрдыми отходами,
требует тщательного выбора места свалки
и материала для ограждения. Часто
токсичные и опасные жидкие отходы и илы
подвергаются стабилизации или отверждению
перед их ликвидацией на свалке.
Ликвидация
токсичных и опасных твёрдых отходов
вместе с обычными требует учёта следующих
факторов: типа отходов (твёрдые, ил,
жидкие), совместимости видов микроорганизмов,
нагрузки, испарения, скорости вымывания,
характеристик твёрдых отходов, температуры
и водного баланса в данном месте.
Механизм
ослабления вредных воздействий может
быть как микробиологическим, так и
физико-химическим. Так, при ликвидации
отходов, содержащих соли бария, было
показано, что основную роль играют
физико-химические механизмы, в основном
адсорбция. Микроорганизмы косвенно
участвуют в этом процессе, так как
происходит осаждение бария в виде
карбоната за счёт выделяемого
микроорганизмами диоксида углерода, а
присутствие жирных кислот существенно
влияет на подвижность бария за счёт
образования комплексов.
Радиоактивные
отходы также могут быть подвергнуты
микробной трансформации. Если такие
изотопы, как 3Н, 58Со, 85Sr
и 134Cs,
нуждаются только в косвенном проявлении
микробной активности, то ликвидация
соединений мышьяка требует прямого
участия микроорганизмов в процессах
восстановления и метилирования до ди-
и триметиларсина.
8 Компостирование
органических отходов
Компостирование
— это экзотермический процесс биологического
окисления, в котором органический
субстрат подвергается аэробной
биодеградации смешанной популяцией
микроорганизмов в условиях повышенной
температуры и влажности. В процессе
биодеградации органический субстрат
претерпевает физические и химические
превращения с образованием стабильного
гумифицированного конечного продукта.
Этот продукт представляет ценность для
сельского хозяйства и как органическое
удобрение, и как средство, улучшающее
структуру почвы.
Отходы,
поддающиеся компостированию, варьируют
от городского мусора, представляющего
собой смесь органических и неорганических
компонентов, до более гомогенных
субстратов, таких как навоз, отходы
растениеводства, сырой активный ил и
нечистоты. В процессе компостирования
удовлетворяется в основном потребность
в кислороде, органические вещества
переходят в более стабильную форму,
выделяются диоксид углерода и вода и
возрастает температура. В естественных
условиях процесс биодеградации протекает
медленно, на поверхности земли, при
температуре окружающей среды и в основном
в анаэробных условиях. Естественный
процесс разложения может быть ускорен,
если перерабатываемый субстрат собрать
в кучи, что позволит сохранить часть
теплоты, выделяющейся при ферментации,
и достигнуть более высокой скорости
реакции. Этот ускоренный процесс и есть
процесс компостирования.
Важными
параметрами являются соотношение
углерода и азота и мультидисперсность
субстрата, необходимая для нормальной
аэрации. Навоз, сырой активный ил и
многие растительные отходы имеют низкое
отношение углерода к азоту, высокую
влажность и плохо поддаются аэрации.
Их необходимо смешивать с твёрдым
материалом, собирающим влагу, который
обеспечит дополнительный углерод и
нужную для аэрации структуру смеси.
В
процессе компостирования принимает
участие множество видов бактерий — более
2000 и не менее 50 видов грибов. Эти виды
можно подразделить на группы по
температурным интервалам, в которых
каждая из них активна. Для психрофилов
предпочтительна температура ниже 200С,
для мезофиллов — от 20 до 400С
и термофилов — свыше 400С.
Микроорганизмы, которые преобладают
на последней стадии компостирования,
являются, как правило, мезофилами.
Заключение
Развитие
всех современных направление биотехнологии,
включая экологическую биотехнологию,
происходит в настоящее время настолько
быстро, что точные прогнозные оценки в
этой области весьма затруднительны.
Биологические технологии целиком
базируются на научных достижениях. При
этом то, что лишь недавно было предметом
лабораторных исследований, сегодня
активно внедряется в производство. Круг
наук, результаты которых воплощаются
в биотехнологию, непрерывно расширяется.
Таким образом, расширяются возможности
и сферы самой биотехнологии. Вероятно,
в будущем не будет ни одного направления
человеческой деятельности, которое не
было бы в тех или иных пределах связано
с биотехнологией.
Расширение
сферы внедрения биотехнологии изменяет
соотношение в системе «человек —
производство — природа», повышает
производительность труда, принципиально
изменят его качество. Биологизация
производства в целом — одно из важнейших
направлений в создании гибких
саморегулирующихся производственных
процессов будущего, которые гармонично
вписываются в природу, не причиняя ей
вреда. В настоящее время последствия
антропогенной деятельности достигли
такой грани, когда дальнейшая
некоординируемая деятельность может
привести к не- обратимым изменениям в
биосфере в целом. Это может привести к
тому, что биосфера станет непригодной
для обитания человека. Разрешение это-
го противоречия, то есть создание такого
равновесия в природе, которое в состоянии
привести к гармоничному сосуществованию
возрастающего населения планеты и
биосферы, возможно только на основе
дальнейшего развития науки и техники.
Для этого необходимо разумное развитие
человеческого общества в целом,
направленное не на разрушение биосферы,
а на ее дальнейшее развитие. Последнее,
в свою очередь, должно оказывать
позитивное влияние на дальнейший
прогресс человечества, то есть создание
ноосферы. Один из основных путей решения
данной проблемы — дальнейшее развитие
биологии и расширение сферы применения
биотехнологии. Внедрение биотехнологии
ведет к созданию экологически чистых
технологий в различных сферах человеческой
деятельности, включая более рациональное
использование природных ресурсов и
создание замкнутых производственных
циклов.
Практическая
часть
Задача
№1. При инокулировании клетками E.coli 25
мл пептонной среды исходная численность
популяции составила 3,8*106 клеток;
инкубация происходила при 37оС.
Стационарная фаза (3*109 кл/мл)
была достигнута через 284 мин; лаг-фазы
не было. Каково среднее время генерации
на пептонной среде?
Задача
№2. Клетки E.сoli росли на среде, содержащей
фруктозу в количестве 0,5 г/л (единственный
источник углерода); сахар был полностью
исчерпан за 528 минут. Концентрация клеток
при инокулировании 5*104 кл/мл.
Соотношение между стационарной популяцией
бактерий и концентрацией фруктозы
линейно до концентрации сахара 0,8 г/л
(при этой концентрации численность
популяции бактерий составляет
3,2*108 кл/мл).
Определите среднее время генерации
организма в этой среде. Какова
продолжительность периода времени до
начала снижения роста в условиях избытка
фруктозы (при том же количестве
инокулянта). Можно принять, что нарушение
линейности между суммарным ростом и
концентрацией фруктозы происходит
очень резко.
Задача
№3. Для бактериологического анализа
через мембранные фильтры профильтровано
10 мл воды до хлорирования и 1 л хлорированной
воды. Определить коли — индекс и
эффективность процесса обеззараживания,
если при выращивании на среде Эндо в
первом случае на фильтре обнаружено 40
специфических колоний, а во втором — 3.
Оценить пригодность такой воды для
питьевых целей.
Задача
№4. Среда, содержащая глюкозу в концентрации
0,25 г/л и неизвестное количество галактозы,
была инокулирована E.coli (5,2*105 кл/мл
среды). Лаг-фаза отсутствовала. Среднее
время генерации было равно 40 минут (при
утилизации глюкозы); после исчерпания
глюкозы клетки адаптированлись к
галактозе, а затем продолжали расти со
средним временем генерации 45 минут.
Численность популяции достигла
стационарного состояния (3,1*106 кл/мл)
через 6,5 ч после инокуляции. Определите
продолжительность фазы адаптации между
двумя циклами роста, а также концентрацию
галактозы в среде. Известно, что
соотношение между стационарной популяцией
микробов и концентрацией сахаров линейно
до концентрации 0,9 г/л (для каждого
сахара), когда численность популяции
достигает 3,7*106 кл/мл.
Задача
№5. Клетки Aerobacter aerogenes росли в начале в
анаэробных условиях, затем их инокулировали
в глюкозо-аммонийно-сульфатную среду,
в которой они росли в условиях слабого
аэрирования при 37оС.
Сразу после внесения инокулянта
концентрация бактерий составила
2*106 кл/мл.
Далее проводили определение числа
клеток во времени; были получены следующие
данные:
|
Время, |
150 |
200 |
250 |
280 |
310 |
340 |
370 |
400 |
|
|
Популяция бактерий, млн/мл |
14,1 |
38,9 |
104,7 |
190,6 |
346,7 |
616,5 |
794,2 |
812,7 |
|
Определите
графически среднее время генерации
организма в данных условиях; имеется
ли лаг-период и, если имеется, какова
его продолжительность?
Задача
№6. Aerobakter sp. Выращивали в условиях
непрерывного процесса на небольшой
опытной установке, имеющей сосуд ёмкостью
20 л. Источником углерода в аммонийной
солевой среде является глицерин
(концентрация 5 г/л). Какова концентрация
бактериальной суспензии при условии,
что скорость поступления среды равна
5,0; 10,0; 20,0 л/ч, и какова при этом будет
величина «выхода» клеток для системы?
В
ряде экспериментов в условиях однообразной
культуры было установлено, что при
достижении предельного роста на казанной
выше среде можно получить 1,325 г сухой
бактерии в 1л среды; максимальная удельная
скорость роста составляет 0,85 ч-1моль/л.
Список
используемой литературы
1.
Экологическая биотехнология: Пер. с
англ./Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза.
— Л.: Химия, 1990. — Пер. изд.: Великобритания,
1987. — 384 с.: ил. ISBN 5 — 7245 — 0418 — 9
2.
Бирюков В.В. Основы промышленной
биотехнологии. — М.: КолосС, 2004. — 296 с.: ил.
— (Учебники и учебные пособия для студентов
высш. учеб. заведений).
3.
Экология микроорганизмов: Учеб. для
студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А.
Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко и др.;
Под ред. А.И. Нетрусова. — М.: Издательский
центр «Академия», 2004. — 272 с.
4.
Биотехнология / Т.Г. Волова. — Новосибирск:
Изд-во Сибирского отделения Российской
Академии наук, 1999. — 252 с.
5.
Свергузова С.В., Тарасова Г.И. Основы
микробиологии и биотехнологии: Учебное
пособие. — Белгород: Изд-во БелГТАСМ,
1999. — Ч.2. — 96с.
6.
Основы микробиологии и биотехнологии:
методические указания к выполнению
курсовой работы для студентов специальности
280201 — Охрана окружающей среды и рациональное
использование природных ресурсов /
сост. Е. Н. Гончарова. — Белгород: Изд-во
БГТУ, 2009. — 28 с.