Микроорганизмы как основные объекты биотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Достижения генетики и генной инженерии являются основой для развития биотехнологии - науки, возникшей на стыке биологии и технологии. Современная биотехнология опирается на достижения естествознания, техники, технологии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики. Современная биотехнология использует биологические методы в борьбе с загрязнением окружающей среды и вредителями растительных и животных организмов. К достижениям биотехнологии можно также отнести применение иммобилизованных ферментов, получение синтетических вакцин, использование клеточной технологии в племенном деле.

Бактерии, грибы, водоросли, лишайники, вирусы, простейшие в жизни людей играют значительную роль. С давних времен люди использовали их в процессах хлебопечения, приготовления вина и пива, в различных производствах. В настоящее время в связи с проблемами получения ценных белковых веществ, увеличения плодородия почв, очищения окружающей среды от загрязнителей, получения биопрепаратов и другими целями и задачами диапазон изучения и использования микроорганизмов значительно расширился.

Главным звеном биотехнологического процесса является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии могут выступать клетки микроорганизмов, животных и растений, трансгенные животные и растения, грибы, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и отдельные ферменты. Основой большинства современных биотехнологических производств является микробный синтез, т. е. синтез разнообразных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. К сожалению, объекты растительного и животного происхождения в силу ряда причин еще не нашли столь широкого применения. Поэтому в дальнейшем целесообразно рассматривать микроорганизмы как основные объекты биотехнологии.

В настоящее время известно более 100 тысяч различных видов микроорганизмов. Это в первую очередь бактерии, актиномицеты, цианобактерии. При столь большом разнообразии микроорганизмов весьма важной, а зачастую и сложной проблемой является правильный выбор именно того организма, который способен обеспечить получение требуемого продукта, т.е. служить промышленным целям.

1. Микроорганизмы как основные объекты биотехнологии

В настоящее время микроорганизмы помогают людям в производстве эффективных питательных белковых веществ и биологического газа. Их используют при применении биотехнических методов очистки воздуха и сточных вод, при использовании биологических методов уничтожения сельскохозяйственных вредителей, при получении лечебных препаратов, при уничтожении утильсырья. Некоторые виды бактерий используются для регенерации ценных метаболитов и лекарств, их используют с целью решения проблем биологического саморегулирования и биосинтеза, очищения водоемов. Микроорганизмы, и прежде всего бактерии, - классический объект для решения общих вопросов генетики, биохимии, биофизики, космической биологии. Бактерии широко используются при решении многих проблем биотехнологии.

Микробиологические реакции благодаря своей высокой специфичности широко используются в процессах химических превращений соединений биологически активных природных соединений. Известно около 20 типов химических реакций, которые осуществляются микроорганизмами. Многие из них (гидролиз, восстановление, окисление, синтез и пр.) с успехом используются в фармацевтической химии. При произведении этих реакций применяются разные виды бактерий, актиномицетов, дрожжеподобных грибов и других микроорганизмов.

Промышленное использование микроорганизмов для получения новых пищевых продуктов способствовало созданию таких видов промышленности как хлебопекарская и молочная, производство антибиотиков, витаминов, аминокислот, спиртов, органических кислот и пр.

Роль микроорганизмов для биотехнологии.

1. Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями роста и синтетических процессов, чем высшие организмы. Тем не менее, это присуще не всем микроорганизмам. Некоторые из них растут крайне медленно, однако представляют известный интерес, поскольку способны продуцировать различные очень ценные вещества.

2. Особое внимание как объекты биотехнологических разработок представляют фотосинтезирующие микроорганизмы, использующие в своей жизнедеятельности энергию солнечного света. Часть из них (цианобактерии и фотосинтезирующие эукариоты) в качестве источника углерода утилизируют СО2, а некоторые представители цианобактерий, ко всему сказанному, обладают способностью усваивать атмосферный азот (т.е. являются крайне неприхотливыми к питательным веществам). Фотосинтезирующие микроорганизмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и ряда органических соединений. Однако прогресса в их использовании вследствие ограниченности фундаментальных знаний об их генетической организации и молекулярно-биологических механизмах жизнедеятельности, по всей видимости, не следует ожидать в ближайшем будущем.

3. Определенное внимание уделяется таким объектам биотехнологии, как термофильные микроорганизмы, растущие при 60-80°С.

Это их свойство является практически непреодолимым препятствием для развития посторонней микрофлоры при относительно не стерильном культивировании, т.е. является надежной защитой от загрязнений. Среди термофилов обнаружены продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода. Кроме того, скорость их роста и метаболическая активность в 1,5-2 раза выше, чем у мезофилов. Ферменты, синтезируемые термофилами, характеризуются повышенной устойчивостью к нагреванию, некоторым окислителям, детергентам, органическим растворителям и другим неблагоприятным факторам. В то же время они мало активны при обычных температурах. Так, протеазы одного из представителей термофильных микроорганизмов при 20°С в 100 раз менее активны, чем при 75°С. Последнее является очень важным свойством для некоторых промышленных производств. Например, широкое применение в генетической инженерии нашел фермент Tag-полимераза из термофильной бактерии Thermus aquaticus.

2. Микроорганизмы в фармации

Создана биотехнологическая промышленность для получения антибиотиков, ферментов, интерферона, органических кислот и других метаболитов, продуцентами которых являются многие микроорганизмы.

В фармации микробиологические трансформации применяются с целью получения физиологически более активных веществ или полуфабрикатов, синтез которых чисто химическим путем достигается с большими трудностями или вообще невозможен. Микробиологические реакции используются при изучении метаболизма лекарственных веществ, механизма их действия, а также для выяснения природы и действия ферментов. Продуцентами биологически активных веществ являются многие простейшие. В частности, простейшие обитающие в рубце жвачных животных, вырабатывают фермент целлюлозу, способствующий разложению клетчатки. Простейшие являются продуцентами не только ферментов, но и гистонов, серотонина, липополисахаридов, липополипептидоглюканов, аминокислот, метаболитов, применяемых в медицине и ветеринарии, пищевой и текстильной промышленностях. Они являются одним из объектов, применяемых в биотехнологии.

3. Микроорганизмы в пищевой промышленности

Ферментные препараты Aspergillus oryzae используются в пивоваренной промышленности, а ферменты A.niger используются при производстве и осветлении плодовоягодных соков и лимонной кислоты. Выпечка хлебобулочных изделий улучшается при использовании ферментов A.oryzae и A.awamori. Бактериальные ферменты (Bac.subtilis) используются для сохранения свежести кондитерских изделий и там, где нежелателен глубокий распад белковых веществ. Использование ферментных препаратов из Bac.subtilis в кондитерском и хлебобулочном производстве способствует улучшению качества и замедлению процесса червстления изделий.

Микроорганизмы широко используются в пищевой и бродильной промышленности. В молочной промышленности очень широко используются молочные дрожжи. С их помощью приготавливают кумыс, кефир. Ферментами этих микроорганизмов молочный сахар разлагается до спирта и углекислоты, в результате этого улучшается вкус продукта и повышается его усвояемость организмом. При получении молочнокислых продуктов в молочной промышленности широко используются дрожжи, не сбраживающие молочный сахар и не разлагающие белки и жир. Они способствуют сохранению масла и увеличению жизнеспособности молочнокислых бактерий. Пленчатые дрожжи (микодерма) способствуют созреванию молочнокислых сыров. Грибы Penicillum roqueforti используют при производстве сыра рокфор, а грибы Penicillum camemberi - в процессе созревания закусочного сыра.

Многие микроорганизмы, в том числе дрожжеподобные и некоторые виды микроскопических грибов, издавна использовались при превращении различных субстратов для получения различных видов пищевых продуктов. Например, использование дрожжей для получения из муки пористого хлеба, использование грибов родов Rhisopus, Aspergillus для ферментации риса и сои, получение молочно - кислых продуктов с помощью молочно - кислых бактерий, дрожжей и др.

Использование в пищевой промышленности истинных молочнокислых бактерий (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis и др.) или их комбинаций с дрожжами позволяет получать не только молочнокислые, но и спипртомолочнокислые и кислоовощные продукты. К ним относятся простокваша, мацони, ряженка, сметана, творог, квашенная капуста, квашенные огурцы и помидоры, сыры, кефир, кислое хлебное тесто, хлебный квас, кумыс и другие продукты. Для приготовления простокваши и творога применяют Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum. При приготовлении масла используют ароматизирующие бактерии и молочнокислые стрептококки Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

4. Микроорганизмы в сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве используются удобрения и пестициды. Попадая в естественные природные условия, эти веществ оказывают негативное влияние на естественные взаимоотношения в биоценозах, а в конечном итоге по кормовой цепочке эти вещества оказывают негативное влияние на здоровье людей. Положительную роль в разрушении этих веществ в воде играют аэробные и анаэробные микроорганизмы.

В сельском хозяйстве применяется биологическая защита растений от вредителей. С этой целью используются различные организмы - бактерии, грибы, вирусы, простейшие, птицы, млекопитающие и другие организмы.

В наши дни изготавливают микробиологические препараты, уничтожающие многих вредных насекомых. С помощью энтеробактерина можно бороться почти со всеми гусеницами бабочек. Среди вредителей плодово-ягодных растений - яблоневая моль, боярышница, златоглазка, кольчатый шелкопряд, листовертки и др. Против колорадского жука применяют боверин, а паразитический гриб ашерсонию - против белокрылки. Почвенные микроорганизмы являются одной из наиболее крупных экологических групп. Они играют важную роль в минерализации органических веществ и образовании гумуса. В сельском хозяйстве почвенные микроорганизмы используются для производства удобрений. Некоторые виды почвенных микроорганизмов - бактерии, грибы (в основном аскомицеты), простейшие вступают в сложные объединения (ассоциации) с водорослями, являющимися компонентами биоценозов, как воды, так и почвы.

5. Другие свойства микроорганизмов в биотехнологии

Микроорганизмы могут быть использованы и при добыче угля из руд. Литотрофные бактерии (Thiobacillus ferrooxidous) окисляют сернокислое закисное железо до сернокислого окисного железа. Сернокислое окисное железо в свою очередь окисляет четырехвалентный уран, в результате чего уран в виде сульфатных комплексов выпадает в раствор. Из раствора уран извлекается методами гидрометаллургии. Кроме урана из растворов могут выщелачиваться и другие металлы, в том числе и золото. Бактериальное выщелачивание металлов за счет окисления содержащихся в руде сульфидов позволяет вести добычу металлов из бедных забалансованных руд.

Очень выгодным и энергетически экономичным путем превращения органического вещества в топливо является метаногенез с участием многокомпонентной микробной системой. Метанобразующие бактерии совместно с ацетоногенной микрофлорой осуществляют превращение органических веществ в смесь мета и углекислоты.

Микроорганизмы можно использовать не только для получения газообразного топлива, но и для повышения добычи нефти. Микроорганизмы могут образовывать поверхностно - активны вещества, снижающие поверхностно натяжение на границе между нефтью и вытесняющей ее водой. Вытесняющие свойства воды усиливаются с увеличением вязкости, что достигается применением бактериальной слизи, состоящей из полисахаридов. При существующих методах разработки нефтяных месторождений извлекается не более половины геологических запасов нефти. С помощью микроорганизмов можно обеспечить вымывание нефти из пластов и освобождение ее из битуминозных сланцев. Окисляющие метан бактерии, помещенные в нефтяной слой, разлагают нефть и способствуют образованию газов (метана, водорода, азота) и углекислоты. По мере накопления газов увеличивается их давление на нефть и, кроме того, нефть становится менее вязкой. В результате нефть из скважины начинает бить фонтаном.

Необходимо помнить о том, что применение микроорганизмов в каких бы то ни было условиях, в том числе и в геологических, требует создания благоприятных условий для сложной микробной системы.

Внесение избыточных антропогенных веществ ведет к нарушению установившегося естественного равновесия. На начальных этапах развития индустрии было достаточно рассеять загрязняющие вещества в водотоках, из которых они удалялись путем естественного самоочищения. Газообразные вещества рассеивали в воздухе через высокие трубы. В настоящее время уничтожение отходов выросло в очень серьезную проблему.

В очистительных системах при очистке вод от органических веществ используется биологический метод с применением системы смешанной микрофлоры (аэробные бактерии, водоросли, простейшие, бактериофаги, грибы), активного ила, биопленки, окисляющих поступающих веществ. Представители микробной смеси способствуют интенсификации естественных процессов очистки воды. Но при этом следует помнить, что условием устойчивой работы микробного сообщества служит постоянство состава окружающей среды.

Одной из задач биотехнологии является разработка технологии получения с помощью микроорганизмов белка из различных видов растительных субстратов, из метана и очищенного водорода, из смеси водорода и окиси углерода, из тяжелых углеводородов нефти с помощью метилотрофных дрожжей или бактерий, Candida tropicalis, метаноокисляющих и целлюлозоразрушающих бактерий и других микробов.

Использование активных штаммов видов микроскопических грибов способствует обогащению белками и аминокислотами таких кормов как комбикорм, жом, отруби. Для этой цели используют селекционированные нетоксичные быстро растущие виды термо- и мезофильных микромицетов Fusarium sp., Thirlavia sp., а также некоторые виды высших грибов.

6. Селекция биотехнологических объектов

микробиологический метаногенез органический

Неотъемлемым компонентом в процессе создания наиболее ценных и активных продуцентов, т.е. при подборе объектов в биотехнологии, является их селекция. Главным путем селекции является сознательное конструирование геномов на каждом этапе отбора нужного продуцента. Такая ситуация не всегда могла быть реализована, вследствие отсутствия эффективных методов изменения геномов селектируемых организмов. В развитии микробных технологий сыграли важную роль методы, базирующиеся на селекции спонтанно возникающих измененных вариантов, характеризующихся нужными полезными признаками. При таких методах обычно используется ступенчатая селекция: на каждом этапе отбора из популяции микроорганизмов отбираются наиболее активные варианты (спонтанные мутанты), из которых на следующем этапе отбирают новые, более эффективные штаммы, и так далее. Несмотря на явную ограниченность данного метода, заключающуюся в низкой частоте возникновения мутантов, его возможности рано считать полностью исчерпанными.

Селекционированные штаммы природного гиперсинтетика каротина гриба Blakeslee trispora используют при промышленном получении каротина, имеющего важное значение в процессах роста и развития животных, повышения их устойчивости к заболеваниям. Селекционированные штаммы Trichoderma viride используют при промышленном получении на их основе препарата триходермина для борьбы с фитопатогенными грибами, особенно при выращивании растений в условиях закрытого грунта (фузариоза огурцов, болезней цветочных растений). Фосфобактерин, полученный из Baccilus megathrtium, является эффективным средством повышения урожайности кормовой свеклы, капусты, картофеля, кукурузы. Под влиянием этого препарата повышается содержание растворимого фосфора в ризосферной почве, а также фосфора и азота в зеленой массе.

Размещено на Allbest.ru