Главная / Закуски / Микробиологическая промышленность. Микроорганизмы как основные объекты биотехнологии Микроорганизмы - продуценты индивидуальных веществ

Микробиологическая промышленность. Микроорганизмы как основные объекты биотехнологии Микроорганизмы - продуценты индивидуальных веществ

В предыдущих разделах вы уже познакомились с некоторыми приемами работы с микроорганизмами и имели возможность испробовать эти приемы на опыте. При переходе от масштаба лаборатории к промышленному масштабу биотехнологи должны решать множество проблем, касающихся в различных отраслей науки, включая биоинженерию, химию и биологию. При принятии решений в сфере промышленного производства бактерий важно учитывать как экономические, социальные, так и этические аспекты. В данном разделе мы коснемся некоторых практических сторон крупномасштабного производства, а в последующих разделах рассмотрим конкретные примеры микробиологического производства и связанные с ним проблемы.

Использование микроорганизмов в промышленном производстве возможно по следующим причинам:
1) микроорганизмы имеют простые питательные потребности;
2) в ферментерах (больших сосудах, в которых растут микроорганизмы) можно очень точно контролировать условия роста;
3) микроорганизмы отличаются высокими скоростями роста;
4) реакции можно проводить при более низких температурах, чем на обычных химических заводах; соответственно уменьшается плата за энергию;
5) микроорганизмы обеспечивают более высокий выход продукта и более высокую его специфичность, чем обычное химическое производство;
6) можно использовать и производить широкий спектр химических соединений;
7) можно производить некоторые сложные химические соединения, такие как гормоны и антибиотики, которые трудно получить другими методами, а также специфические изомеры (такие как L-аминокис-лоты);
8) генетика микроорганизмов относительно проста, и методы генетических манипуляций с ними постоянно развиваются.

Однако необходимость применения особых методов, таких как методы стерилизации и сложные методы разделения, может повлечь за собой существенное повышение технических требований к процессу.

Скрининг

Мы знаем, что для микроорганизмов характерно огромное разнообразие химических реакций, которые они могут осуществлять, и продуктов, которые они образуют. Однако лишь небольшая часть их потенциала используется в промышленном производстве. Коммерческими компаниями, в особенности производящими лекарственные препараты, ведется постоянный поиск микроорганизмов, которые могут оказаться полезными. В надежде открыть новые коммерчески важные продукты или более эффективные способы получения имеющихся продуктов собирают и культивируют микроорганизмы со всего света, из самых разных мест обитания. Очень часто это чисто эмпирическая работа в том смысле, что существенную роль в любом открытии играет случай. Проверка микроорганизмов таким путем называется скринингом. Хороший пример - это постоянный скрининг, который проводится с целью обнаружения новых антибиотиков. Первый антибиотик был открыт в 1928 г. Александром Флемингом и назван пенициллином по названию гриба РепкШшт, который его вырабатывает. Природные антибиотики - это химические вещества, синтезируемые микроорганизмами и убивающие другие микроорганизмы или подавляющие их рост. Начиная с 1928 г. из микроорганизмов было выделено более 5000 различных антибиотиков, включая ряд различных пенициллинов, слегка различающихся по структуре и активности. Большинство из обнаруженных антибиотиков непригодно для медицинских целей, главным образом из-за их высокой токсичности. Однако представители рода Streptomyces оказались чрезвычайно богатым источником различных антибиотиков, включая стрептомицин.

Антибиотики используются для лечения бактериальных или грибковых заболеваний человека и домашних животных. Некоторые из них подавляют также рост раковых опухолей. По-видимому, антибиотики являются продуктами вторичного метаболизма. При систематическом скрининге всегда есть надежда найти новое «чудо-лекарство» или микроорганизм, который продуцирует известный антибиотик, но с улучшенными свойствами.

Использование полезных микроорганизмов - раздел Биология, Содержание Роль Микроорганизмов В Природе И Сельском Хозяйстве Классификация...

Многие микроорганизмы используют в промышленном и сельскохозяйственном производстве.Так, хлебопечение, изготовление кисломолочных продуктов, виноделие, получение витаминов, ферментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и многих веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленности и медицине, основаны на деятельности разнообразных микроорганизмов. Особенно важно использование микроорганизмов в растениеводстве и животноводстве.

От них зависит обогащение почвы азотом, борьба с вредителями сельскохозяйственных культур при помощи микробных препаратов, правильное приготовление и хранение кормов, создание кормового белка, антибиотиков и веществ микробного происхождения для кормления животных.

Микроорганизмы оказывают положительное влияние на процессы разложения веществ неприродного происхождения - ксенобиотиков, искусственно синтезированных, попадающих в почвы и водоемы и загрязняющих их. Наряду с полезными микроорганизмами существует большая группа так называемых болезнетворных, или патогенных, микроорганизмов, вызывающих разнообразные болезни сельскохозяйственных животных, растений, насекомых и человека.В результате их жизнедеятельности возникают эпидемии заразных болезней человека и животных, что сказывается на развитии экономики и производительных сил общества. Последние научные данные не только существенно расширили представления о почвенных микроорганизмах и процессах, вызываемых ими в окружающей среде, но и позволили создать новые отрасли в промышленности и сельскохозяйственном производстве.

Например, открыты антибиотики, выделяемые почвенными микроорганизмами, и показана возможность их использования для лечения человека, животных и растений, а также при хранении сельскохозяйственных продуктов.

Обнаружена способность почвенных микроорганизмов образовывать биологически активные вещества: витамины, аминокислоты, стимуляторы роста растений - ростовые вещества и т.д. Найдены пути использования белка микроорганизмов для кормления сельскохозяйственных животных. Выделены микробные препараты, усиливающие поступление в почву азота из воздуха.Открытие новых методов получения наследственно измененных форм полезных микроорганизмов позволило шире применять микроорганизмы в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в медицине. Особенно перспективно развитие генной, или генетической, инженерии.

Ее достижения обеспечили развитие биотехнологии, появление высокопродуктивных микроорганизмов, синтезирующих белки, ферменты, витамины, антибиотики, ростовые вещества и другие, необходимые для животноводства и растениеводства продукты.С микроорганизмами человечество соприкасалось всегда, тысячелетия даже не догадываясь об этом. С незапамятных времен люди наблюдали брожение теста, готовили спиртные напитки, сквашивали молоко, делали сыры, переносили различные заболевания, в том числе эпидемические.

Свидетельством последнего в библейских книгах служит указание о повальной болезни (вероятно, чуме) с рекомендациями сжигать трупы и делать омовения.Однако до середины прошлого века даже никто не представлял, что разного рода бродильные процессы и заболевания могут быть следствием деятельности ничтожно малых существ.

Таким образом, по способу получения энергии и углерода микроорганизмы можно подразделить на фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы и хемогетеротрофы.

Внутри группы в зависимости от природы окисляемого субстрата, называемого донором электронов (Н-донором), в свою очередь, выделяют органотрофы, потребляющие энергию при разложении органических веществ, и литотрофы (от греч. lithos - камень), получающие энергию за счет окисления неорганических веществ.Поэтому в зависимости от используемого микроорганизмами источника энергии и донора электронов следует различать фотоорганотрофы, фотолитотрофы, хемоорганотрофы и хемолитотрофы.

Таким образом, выделяют восемь возможных типов питания. Каждой группе микроорганизмов присущ определенный тип питания. Ниже приведено описание наиболее распространенных типов питания и краткий перечень микроорганизмов, их осуществляющих.При фототрофии источник энергии - солнечный свет. Фотолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, использующих энергию света для синтеза веществ клетки из С02 и неорганических соединений (Н20, Н2S, S°), т.е. осуществляющих фотосинтез.

К данной группе относят цианобактерий, пурпурных серных бактерий и зеленых серных бактерий. Цианобактерий (порядок Суаnobасtеriа1еs), как и зеленые растения, восстанавливают С02 до органического вещества фотохимическим путем, используя водород воды: С02 + Н20 свет-› (СH2 O) * + O2 Пурпурные серные бактерии (семейство Chromatiaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, обусловливающие способность данных микроорганизмов к фотосинтезу, и различные каротиноидные пигменты.Для восстановления С02 в органическое вещество бактерии данной группы используют водород, входящий в состав Н25. При этом в цитоплазме накапливаются гранулы серы, которая затем окисляется до серной кислоты: С02 + 2Н2S свет-› (СH2 O) + Н2 + 2S 3CO2 + 2S + 5H2O свет-› 3 (СН20) + 2Н2S04 Пурпурные серные бактерии обычно бывают облигатными анаэробами.

Зеленые серные бактерии (сем. Chlorobiaceae) содержат зеленые бактериохлорофиллы с, и, в небольшом количестве бактериохлорофилла, а также различные каротиноиды.

Как и пурпурные серные бактерии, они строгие анаэробы и способны окислять в процессе фотосинтеза сероводород, сульфиды и сульфиты, накапливая серу, которая в большинстве случаев окисляется до 50^"2. Фотоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, которые для получения энергии помимо фотосинтеза могут использовать еще и простые органические соединения. К этой группе относятся пурпурные несерные бактерии.Пурпурные несерные бактерии (семейство Rhjdospirillaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, а также различные каротиноиды.

Они не способны окислять сероводород (Н2S), накапливать серу и выделять ее в окружающую среду. При хемотрофии энергетический источник - неорганические и органические соединения.Хемолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих энергию при окислении неорганических соединений, таких, как Н2, NH4+, N02 Fе2+, Н2S, S°, S0з2 S20з2 СО и др. Сам процесс окисления называют хемосинтезом. Углерод для построения всех компонентов клеток хемолитоавтотрофы получают из диоксида углерода.

Хемосинтез у микроорганизмов (железобактерий и нитрифицирующих бактерий) был открыт в 1887-1890 гг. известным русским микробиологом С.Н. Виноградским.Хемолитоавтотрофию осуществляют нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак или нитриты), серные бактерии (окисляют сероводород, элементарную серу и некоторые простые неорганические соединения серы), бактерии, окисляющие водород до воды, железобактерии, способные окислять соединения двухвалентного железа, и т.д. Представление о количестве энергии, получаемой при процессах хемолитоавтотрофии, вызываемых указанными бактериями, дают следующие реакции: NH3 + 11/2 02 - HN02 + Н20 + 2,8 105 Дж HN02 + 1/2 02 - HN03 + 0,7 105 Дж Н2S + 1/2 02 - S + Н20 + 1,7 105Дж S + 11/2 02 - Н2S04 + 5,0 105 Дж Н2 + 1/2 02 - Н20 + 2,3 105 Дж 2FеС03 + 1/2 02 + ЗН20 - 2Fе (ОН) 3 + 2С02 + 1,7 105 Дж Хемоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих необходимую энергию и углерод из органических соединений.

Среди данных микроорганизмов многие аэробные и анаэробные виды, обитающие в почвах и других субстратах.

Первый тип питания характерен для высших растений, водорослей и ряда бактерий, второй - для животных, грибов и многих микроорганизмов. Остальные типы питания встречаются лишь у отдельных групп бактерий, живущих в особых, специфичных условиях среды.Установлена способность многих микроорганизмов переходить с одного типа питания на другой.

Например, водородокисляющие бактерии при наличии 02, на средах с углеводами или органическими кислотами способны переключаться с хемолитоавтотрофии на хемоорганогетеротрофию. Поэтому их называют факультативными хемолитоавтотрофами. Микроорганизмы, не способные расти в отсутствие специфичных неорганических доноров электронов (например, нитрифицирующие и некоторые другие бактерии), называют облигатными хемолитоавтотрофами. У микроорганизмов отмечена и так называемая миксотрофия.Это тип питания, при котором микроорганизм - миксотроф - одновременно использует различные возможности питания, например, сразу окисляя органические и минеральные соединения, или источником углерода для него одновременно могут служить диоксид углерода и органическое вещество и т.д. В природе широко распространены микроорганизмы, источниками энергии и углерода для которых служат одноуглеродные соединения (метан, метанол, формиат, метиламин и др.). Данные микроорганизмы называют С1 использующими формами, или метилотрофами, а тип их питания - метилотрофией. В группе метилотрофных бактерий выделяют облигатные и факультативные виды. Первые способны расти в результате использования только одноуглеродных соединений, вторые - и на средах с другими веществами.

Среди метилотрофов есть микроорганизмы разных систематических групп. 48. Участие микроорганизмов в круговороте серы. Процеесы минерализации органических соединений серы, сульфофикация, десульфофикация, характеристика возбудителей, условия, определяющие их развитие. Значение превращений серы в природе и для сельского хозяйства.

Сера - необходимый питательный элемент для организмов.

В почве она встречается в форме сульфатов - СаS04 2Н20, Nа2S04, К2S04 (NH4) 2S04, сульфидов - FеS2, Na2S, ZnS и органических соединений.Сера содержится в аминокислотах белков растений, животных и микроорганизмов, валовые ее запасы в почвах сравнительно невелики, и растения часто испытывают недостаток в ней. Органические и неорганические формы серы под влиянием деятельности микроорганизмов подвергаются в почве различным превращениям.

Направление трансформаций соединений серы регулируется в основном факторами внешней среды. Органические соединения серы могут быть разрушены и минерализованы.В определенных условиях восстановленные неорганические соединения серы подвергаются окислению микроорганизмами, а окисленные (сульфаты, сульфиты и др.), наоборот, могут быть восстановлены в Н2S. Среди активных окислителей восстановленных неорганических соединений серы можно выделить четыре группы микроорганизмов: тионовые бактерии, представленные родами Thiobacillus, Thiosphaera, Thiomicrospira, Thiodendron и Sulfolobus; одноклеточные и многоклеточные (нитчатые) формы, образующие трихомы и относящиеся к родам Achromatium, Thiobacterium, Thiospira, Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca и др.; фотосинтезирующие пурпурные и зеленые серные бактерии, а также некоторые цианобактерии; хемоорганогетеротрофные организмы родов Bacillus, Pseudomonas актиномицеты и грибы (Penicillium, Aspergillus). Микроорганизмы первой группы обитают в почве.

Нитчатые формы встречаются главным образом в грязевых водоемах, возможно, их развитие в затопленных почвах, содержащих восстановленные формы серных соединений.

Фотосинтезирующие бактерии обитают в водной среде (пруды, морские лагуны, озера и т.д.). Наиболее широко распространены тионовые бактерии рода Thiobacillus, впервые выделенные из морского ила в 1902 г. Натансоном, а в 1904 г М. Бейеринком.

Представители данного рода способны окислять тиосульфат, сероводород, сульфиды, тетратионаты и тиоцианаты.Наиболее интересны виды: Т. thiooxidans, Т. thioparus, Т. novellus,T. denitrificans, Т. ferrooxidans и др. Бактерии рода Thiobacillus представляют собой неспорообразующие грамотрицательные палочки длиной от 1 до 4 мкм, диаметром около 0,5 мкм. Большинство видов рода подвижны и передвигаются посредством полярного жгутика. Источником углерода для синтеза углеводов и других органических соединений бактерии служат С02 и бикарбонаты.

За исключением Т. novellus и некоторых других видов, относящихся к факультативным хемолитоавтотрофам и хемолитогетеротрофам представители рода Thiobacillus облигатные хемолитоавтотрофы, т.е. живут за счет энергии, выделяющейся при окислении неорганических соединений серы. Ход окислительных процессов, вызываемых серными бактериями, может быть представлен следующими уравнениями: 2S + 3O2 +2H2O→ 2H2SO4 5NA2S2O3 + 4O2+H2O→5NA2SO4+H2SO4+4S 2NA2S2O3+ 1/2O2+ H2O→NA2S4O6+2NAOH Тетратионаты могут подвергаться дальнейшему окислению до серной кислоты: NA2S4O6+SO2+6H+→NA2SO4+3H2SO4 Гипотетическая цепь реакций окисления элементарной серы бактериями рода Thiobacillus может быть представлена в следующем виде: ТИОСУЛЬФАТ ТЕТРАТИОНАТ S0→S2O3²→S4 O6² ↓ SO4²←SO3²&am p;#8592;S3O6² СУЛЬФАТ СУЛЬФИТ ТРИТИОНАТ По современным представлениям, сера из среды поступает в клеточную вакуоль тиобактерии, наполненную валютином, путем диффузии и накапливается в виде запасного вещества.

Последнее позволяет предположить, что на клеточной поверхности бактерий действуют ферменты, способствующие поступлению серы внутрь клетки, и под их влиянием сера восстанавливается до сульфидного иона, окисление которого происходит в дольнейщем внутриклеточное.

Sulfolobus sp. И Thiobacillus ferrooxidans кроме окисления серы обладают также способностью окислять двухвалентное железо FE2+. Тионовые бактерии - облигатные аэробы, за исключением Т. Denitrificans, который в присутствии нитрата развивается как анаэроб. В последнее время обнаружены сероокисляющие бактерии, способные к жизнедеятельности при pH 2…3 и температуре 70…75С и сохраняющие жизнеспособность при 90С. Это термоацидофильные архебактерии, факультативные хемолитоавтотрофы рода Sulfolobus.

Распространены они в термальных серных источниках. Одноклеточные бесцветные серобактерии представлены родами Ahromatium, Thiobacterium, Macromonas, Thiospira и др. эти организмы имеют сферическую, овальную, палочковидную или извитую форму, есть подвижные и неподвижные, грамотрицательные.К многоклеточным бесцветным (нитчатым) серным бактериям относят микроорганизмы родов Beggiatoa, Thiop1оса, Thiothrix и др. Они окисляют сероводород до элементарной серы, которая временно откладывается внутри клеток.

Установлена способность бактерий указанных родов окислять серу и использовать органические вещества. Способность автотрофного усвоения СО 2 для снабжения клеток углеродом пока не доказана.Процессы окисления сульфида и серы можно представить по следующим уравнениям: Н2S +1/202 - S + Н20 S+ 11/202 + Н20 - Н2S04 Окисляют соединения серы также фотолитоавтотрофные пурпурные и зеленые серные бактерии.

Они обычно обитают в среде, где имеется Н2S. Большой роли в почвах не играют. Серу могут окислять многие хемоорганогетеротрофные микроорганизмы. Например, некоторые виды родов Bacillus, Pseudomonas, актиномицетов и грибов окисляют порошковидную серу. Хемоорганогетеротрофные организмы окисляют серу в присутствии органических веществ.Процесс ее окисления экзотермический, но хемоорганогетеротрофные микроорганизмы не используют выделяющуюся энергию.

Такое превращение представляется для них побочным процессом в главном направлении метаболизма. Окисление серы хемоорганогетеротрофными микроорганизмами идет довольно медленно и слабо. Бактерии, окисляющие неорганические соединения серы, применяют при разработке месторождений полезных ископаемых.Так, проведены исследования, которые позволили начать применение окисляющих серу бактерий из рода Thiobacillus (Т. ferrooxidans) для выщелачивания бедных сульфидных руд. Наиболее практически освоены методы микробиологического выщелачивания меди из минералов, в которых медь соединена с серой.

Обработке подвергают отвалы бедных руд на поверхности или под землей. Аналогично бактерии рода Thiobacillus можно использовать для получения различных металлов и редких элементов из минералов, содержащих серу. Использование микробов в качестве "металлургов" экономически выгодно.Стоимость меди, полученной микробиологическим выщелачиванием, обходится в два с половиной раза дешевле, чем гидрометаллургическим способом.

Микробиологический способ разработки полезных ископаемых применяют во многих странах мира. Восстановление неорганических соединений серы осуществляется при разнообразных обменных процессах. Сульфаты могут быть источником серы, как для микро так и для макроорганизмов. Усвоение данных соединений сопровождается восстановлением серы в биосинтетических процессах так называемой ассимиляционной сульфатредукции. Указанный процесс характерен для всех живых организмов.Если растворимые сульфаты закрепляются в клетках микроорганизмов, процесс обозначают как иммобилизацию серы. В плохо аэрированных, затопляемых почвах, с дефицитом кислорода, а также в водах лиманов, некоторых морей и других водоемов в зоне анаэробиоза происходит микробиологическое восстановление сульфатов.

Такой процесс называют диссимиляционной сульфатредукцией, или сульфатным дыханием.Бактерии, вызывающие восстановление сульфатов, подразделяют на неспорообразующие - род Desulfovibrio и спорообразующие - род Desulfotomaculum.

К роду Desulfovibrio относят неспороносные грамотрицательные изогнутые палочки, иногда S-образные или спиральные, имеющие полярные жгутики и отличающиеся большой подвижностью. Это облигатные анаэробы, мезофилы (оптимальная температура 30˚С). Обнаружены в морской воде или иле, пресной воде и почве. Типичный вид - Desulfovibrio desulfuricans. Известны также D. vulgaris и D. gigas.Среди представителей рода встречаются галофилы. Бактерии рода Desulfotomaculum представлены грамотрицательными, прямыми или изогнутыми спорообразующими подвижными палочками с перитрихальным расположением жгутиков.

Это облигатные анаэробы, восстанавливающие сульфаты до сульфидов. Они обнаружены в пресных водах, почвах, геотермальных областях, некоторых испорченных продуктах, в кишечнике насекомых и рубце животных.Desulfotomaculum nigrificans может превращать сульфаты в сульфиды при высоких температурах (оптимально 55 °С). К роду Desulfotomaculum относят также D. orientis, представленный изогнутыми палочками, D.ruminis и D. acetooxidans, имеющие прямые палочки.

Обнаружен ряд новых сульфатредуцирующих бактерий в частности, рода Desulfobacter с неспорообразующими палочками, родов Desulfoсоссиs Desulfosarcina, представленных кокковыми формами, рода Desulfoпета имеющих нитевидную форму и передвигающихся скольжением.Сульфатредуцирующие бактерии - специализированная группа микроорганизмов, использующих сульфат как акцептор электронов (водорода) в анаэробных условиях для окисления органических соединений или водорода.

Вопреки ранее распространенным представлениям Сульфатредуцирующие бактерии неспособны к автотрофному связыванию СО2 и нуждаются в готовых органических веществах, т.е. относятся к хемоорганогетеротрофам. Донором электронов (водорода) служат углеводы, органические кислоты, спирты, а также молекулярный водород.Водород окисляемых органических субстратов переносится на окисленные соединения серы (сульфаты, сульфиты, тиосульфаты), которые восстанавливаются до Н2S. Анаэробное окисление органических веществ сульфатредуцирующими бактериями (Desulfotomaculum nigrificans, D. оrientis, D.ruminis, D. аcetooxidans, desulfuricans и др.) неполное ведет к аккумуляции уксусной кислоты и ее солей как конечного продукта: 2CH3CHOHCOONa + MgSO4 → H2S + 2CH3COONa + CO2 + MgCO3 + H2O ЛАКТАТ НАТРИЯ АЦЕТАТ НАТРИЯ Восстановлению могут подвергаться и другие соединения серы, например тиосульфаты и молекулярная сера. Восстановление SO3² - до Sx˚ осуществляют облигатно-анаэробные бактерии. Clostridium thermosulfurogenes, выделенные из термального источника.

Это хемоорганогетеротрофы, термофилы, они могут вызывать брожение с образованием этанола, молочной и уксусной кислот, Н2, осуществляют гидролиз пектина икрахмала.

Восстановление тиосульфата.CL. Thermosulforogenes выполняют с образованием молекулярной среды, которая откладывается на их клеточных стенках и выделяется в среду. Молекулярную серу могут восстанавливать до H2S многие термоацедофильные облигатно-анаэробные архебактерии - Desulfuroccucus mucosus, pyrococcus furiosus, Thermoproteus tenax и др. перечисленные виды обитают в кислых гидротермальных источниках.

Так, для pyrococcus furiosus оптимальная реакция среды составляет ph 1, температурный оптиум - 100 ˚С. В анаэробных условиях серу могут восстанавливать архебактерии рода Sulfolobus, которые, как указывалось выше, в аэробных условиях серу окисляют. Значительное количество сероводорода образуется при минерализации белковых соединений.

Возбудителями данного процесса служат бактерии родов Psedomonos, Baccilus, Proteus, Clostridium и др. Считают, что биогенная сера, которая поступает в атмосферу в виде органических летучих соединений, представляет главным образом продукт жизнедеятельности бактерий, минерализующие белковые вещества.Сульфатредуцирующие бактерии наносят определенный ущерб, разрушая материалы, неустойчивые к сероводороду.

Например, указанные организмы разлагают нефтяные продукты, загрязняют сероводородом промышленный газ и т.д. Деятельность сульфатредуцирующих бактерий - одна из причин коррозии металлического оборудования в анаэробной зоне. Считают, что ущерб от коррозии трубопроводов под землей наполовину может быть отнесен на счет этих микроорганизмов.Сероводород токсичен, поэтому при накоплении его в почве растительность быстро погибает. Если сероводород образуется в водоеме, то растения и животные в нем тоже гибнут.

В некоторых озерах, лиманах и даже в открытом море на определенной глубине (в черном море на глубине 200 м) сероводород накапливается в таком количестве, что полностью подавляет развитие живых существ. В то же время бактерии, восстанавливающие сульфаты, игра большую роль в геологических процессах. Они образуют НзS, участвующий в образовании серных руд. При окислении сероводород серными бактериями появляются залежи серы промышленного значения.Сульфатредуцирующие бактерии участвуют и в образовании сульфидных руд. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СУММАРНОЙ БИОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВЕННОЙ МИКРОФЛОРЫ При анализе почв устанавливают не только состав их микронаселения, но и суммарную биохимическую активность почв. Одним из показателей такой активности служит нитрификационная способность почвы, характеризующая мобилизуемость азотного запаса почвы в результате деятельности микроорганизмов.

Нитрификационную способность устанавливают по нарастанию в почве количества нитратов после выдерживания при определенных условиях в термостате.

По результатам такого анализа можно судить о потенциальной способности почвы накапливать то или иное количество минерального азота. Если в начале опыта в почву внести соль аммония, то по накоплению нитратов можно получить дополнительное представление об энергии работы нитрифицирующих бактерий.При изучении почвенной биодинамики определяют выделение почвой СО2 - Данная проба показывает в основном интенсивность разложения в почве органических соединений.

Можно установить быстроту распада в почве любого химического вещества учетом продуктов распада или убыли внесенного в почву соединения. Для этого в почву помещают полосы бумаги или лучше льняной ткани, закрепленной на стекле метод "аппликаций". Периодически материал извлекают из почвы, просматривают и фиксируют на нем зоны распада Метод аппликаций весьма показателен при решении некоторых агрономических задач.Например, он помогает выявить интенсивность процессов в разных горизонтах пахотного слоя, установить действие различных удобрений, мелиорирующих средств и т.д. Для оценки активности почвы исследуют также ферменты, находящиеся в почве.

В основном их продуцируют микроорганизмы. Поэтому между показателями активности ферментов почвы и определенными микробиологическими процессами намечается коррелятивная зависимость.Подобная связь отмечена, например, между активностью инверта-зы и интенсивностью дыхания почвы, активностью оксидазы и динамикой нитратов.

Абсолютное значение отдельных показателей активности ферментов, по данным ученых, неодинаково у почв разных климатических зон, что может быть использовано в диагностических целях. При отмирании микроорганизмов окружающая среда еще более обогащается ферментами, которые в значительной части адсорбируются почвенными коллоидами, что способствует стабилизации последних.Отмечено, что ферментные процессы в почве прекращаются при значительно более низкой влажности, чем деятельность микроорганизмов.

Следовательно, биохимические процессы могут протекать даже в относительно сухих почвах. Определение активности ферментов почвы, как показано А.Ш. Галстяном, может дать представление об их плодородии. В зависимости от теоретических или практических задач почвенные микробиологи пользуются различными комплексами методов анализа почвы.Распад льняной ткани под действием микроорганизмов в черноземе: а, б, в - в течение одного, двух, трех месяцев соответственно ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОБОВ КЛЕТОЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ Систематика, или таксономия распределение, классификация организмов по группам - таксонам в соответствии с определенными признаками, а также установление родственных связей между ними. Изучение основных групп микроорганизмов полезно предварить знакомством с принципами их номенклатуры.

Номенклатура - это система наименований, применяемых в определенной области знаний.Любая система номенклатуры и таксономии требует совершенного знания объектов. Чтобы получить информацию, необходимую для наименования и классификации микроорганизмов, изучают все многообразие и все особенности внешней и внутренней структуры микроба, его физиологические и биохимические свойства, а также процессы, вызываемые микроорганизмом в естественной среде его обитания.

С основными характеристиками микроба знакомятся в следующем порядке: определяют, каков внешний вид микроорганизма - его форма, подвижность (наличие жгутиков и их расположение), наличие капсул и способность к образованию эндоспор, способность окрашиваться по Граму; выясняют особенности обмена веществ, способы получения энергии; наконец, определяют, каким образом он изменяет внешнюю среду, в которой растет, и как окружающая среда влияет на его жизнедеятельность.

В последнее время в связи с развитием биологии выявлены новые подходы к характеристике микроорганизмов, что оказало положительное воздействие на их систематику. В частности, определенную ценность имеют методы геносистематики, позволяющие непосредственно охарактеризовать наследственные свойства (генотип) микроорганизмов и таким образом дополнить их описание, которое до последнего времени отражало исключительно структурные и функциональные свойства (фенотип). Данные о генотипе микроорганизма получают при помощи двух основных методов анализа выделенных нуклеиновых кислот: определения нуклеотидного состава ДНК и изучения химической гибридизации нуклеиновых кислот, изолированных из разных микроорганизмов.

По соотношениям пар пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК выявляют генетические различия между группами микроорганизмов.

Второй метод помогает установить гомологию ДНК при гибридизации пары исследуемых молекул, выделенных из разных микроорганизмов.Если наблюдается высокая степень связывания молекул ДНК (80 90% и более), то можно говорить о гомологии первичной структуры и близком генетическом родстве микроорганизмов (филогенетические связи). Низкая степень гомологии (50%) характеризует достаточно отдаленные генетические связи между микроорганизмами.

В систематике микроорганизмов иногда используют нумерическую таксономию, предложенную современником Карла Линнея М. Адансоном. В основу адансоновской, или нумерической, таксономии положены следующие принципы: равномерность изучаемых признаков организмов; доведение их количества до максимальной величины; выделение каждой таксономической группы по числу совпадающих признаков.Указанный подход к систематике микроорганизмов достаточно объективен, однако для его реализации необходимы обширные математические расчеты с использованием электронно-вычислительных машин.

После подробного изучения микроорганизму дают научное название, которое должно быть выражено двумя латинскими словами, как этого требует биноминальная номенклатура, предложенная еще в XVIII в.К. Линнеем.Первое слово - название рода, обычно оно латинского происхождения, пишется с прописной буквы и характеризует какой-либо морфологический или физиологический признак микроорганизма, либо фамилию ученого, открывшего микроорганизм, либо особый отличительный признак, например место обитания.

Второе слово пишется со строчной буквы, оно обозначает видовое название микроорганизма и, как правило, представляет собой производное от существительного, дающего описание цвета колонии, источника происхождения микроорганизма, вызываемого этим микроорганизмом процесса или болезни и некоторых других отличительных признаков.Например, название Bacillus albus указывает, что микроорганизм грамположителен, представляет собой спорообразующую аэробную палочку (свойства рода Bacillus), а видовое название характеризует цвет колонии (albus - белый). Названия микроорганизмам присваиваются в соответствии с правилами Международного кодекса номенклатуры бактерий, введенного с 1 января 1980 г они едины во всех странах мира. В классификации для группирования родственных микроорганизмов используют следующие таксономические категории: вид (species), род (genus), семейство (familia), порядок (ordo), класс (classis), отдел (divisio), царство (regnum). Вид - основная таксономическая единица, представляет собой совокупность особей одного генотипа, обладающих хорошо выраженным фенотипическим сходством.

Вид подразделяют на подвиды или варианты.

В микробиологии часто пользуются терминами " штамм" или "клон". Штамм - более узкое понятие, чем вид. Обычно штаммами называют культуры микроорганизмов одного и того же вида, выделенные из различных природных сред (почв, водоемов, организмов и т.д.) или из одной и той же среды, но в разное время.

Штаммы одного вида могут быть близки по своим свойствам или различаться по отдельным признакам. В то же время характерные свойства разных штаммов не выходят за пределы вида. Клон - это культура, полученная из одной клетки. Совокупность (популяция) микроорганизмов, состоящую из особей одного вида, называют чистой культурой.Согласно современным представлениям, живой мир нашей планеты подразделяют на четыре царства: растения (Р1аntае), животные (Animalia), грибы (Мусота) и прокариоты (Procaryotae). Однако в последнее время пересмотрены классификации высших таксонов живого мира в связи с тем, что среди прокариот обнаружена группа бактерий, отличающаяся особой макромолекулярной организацией клеток и уникальными биохимическими особенностями.

Бактерии этой группы назвали архебактериями (предположительно одна из самых древних групп живых организмов на Земле) и отнесли к новому царству архебактерий.

Выделение нового царства архебактерий обусловило необходимость разделять прокариоты и эукариоты на уровне надцарств. В связи с этим система высших таксонов живого мира выглядит следующим образом: Надцарства Царства. Прокариоты Архебактерии, цианобактерии, зубактерии Эукариоты Растения, животные, грибы. В биологии выделяют две систематики живых организмов - филогенетическую, или естественную, и искусственную.Микробиология еще не располагает достаточными данными об эволюции и филогении микроорганизмов, позволяющим построить естественную систематику, подобную той, что создана для высших растений и животных.

Современные системы классификации микроорганизмов, по существу, искусственные. Они играют роль диагностических ключей, или определителей, которыми пользуются главным образом при идентификации того или иного микроорганизма.Известны "определитель родов бактерий" В. Б.Д. Скерман (1975) и "определитель бактерий и актиномицетов" Н.А. Красильникова.

Необходимость создания естественной систематики микроорганизмов побуждает ученых искать подход к установлению эволюционных и родственных связей. Одно из важных направлений такой работы основано на исследовании состава и первичной структуры рибосомальных частиц 16s и 5SpРНК, а также транспортной РНК, в соответствии с которыми царство Procaryotae подразделяют на две группы: Eubacteria и Archeobacteria.Группа Eubacteria подразделяется на три отдела: Gracilicutes, Firmicutes, Mollicutes.

В настоящем учебнике приведено описание наиболее важных групп микроорганизмов в соответствии с последним, девятым изданием (1984)"определителя бактерий" Д.Х. Берги. В этом определителе все прокариотные микроорганизмы объединены в царство Procariotae, которое подразделено на четыре отдела - Gracilicutes, Firmicutes, Tenericutes, Mendosicutes.В свою очередь, отделы делят на классы, порядки, семейства, роды, виды. Микроорганизмы разделены на четыре отдела главным образом на основании наличия или отсутствия клеточных стенок и их вида, а на классы, порядки, семейства, роды, виды - по совокупности морфологических и физиолого-биохимических признаков.

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Человечество для своих нужд с давних пор широко использовало многие процессы, не догадываясь об их микробиологической природе. К такой «полезной» деятельности микроорганизмов можно отнести:

производство продуктов питания (кваса, пива, вина, спирта, уксуса, хлеба, молочнокислых, квашеных и соленых продуктов, рыбных и мясных продуктов ферментации);
производство пищевого и кормового микробного белка, пищевых добавок и кормов для животных;
получение индивидуальных химических веществ (растворителей, газов, ферментов, витаминов, органических и аминокислот, нуклеотидов, биополимеров, токсинов и т.д.), причем некоторые продукты вообще не могут быть получены химическим путем или их образование чрезвычайно дорого;
получение препаратов для медицины, ветеринарии и сельского хозяйства (вакцин , сывороток, антибиотиков, алкалоидов, стероидов, гормонов, стимуляторов роста растений, микробных удобрений и т.д.);
участие микроорганизмов в ряде непищевых производств (биогидрометаллургии, изготовлении льняных волокон и табачных изделий);
переработка промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов и очистка окружающей среды от загрязнений;
применение различных физиологических групп микроорганизмов (фототрофов, гидролитиков, бродильщиков, метилотрофов, метаногенов и т.д.) для создания замкнутых систем жизнеобеспечения на космических станциях и подводных лодках, находящихся в автономном плавании. В таких системах продукты жизнедеятельности человека служат питательным субстратом для микроорганизмов, производящих пищевой белок и кислород для дыхания;
использование микроорганизмов в качестве тест-систем, биосенсоров, моделей и инструментов научных исследований.

«Вредными» микробными процессами являются:

порча пищевых продуктов;
микробная коррозия промышленных и бытовых объектов и материалов;
болезнетворность микроорганизмов для человека, животных и растений.

Следует иметь в виду, что «полезность» и «вредность» здесь рассматриваются именно по отношению к интересам человека, которые часто противоречат «интересам» природы в целом. Например, негативный для человека процесс порчи пищевых продуктов является лишь одной из сторон необходимого природного процесса деструкции органических веществ.

Создание любого микробиологического производства требует проведения предварительных лабораторных исследований. Они заключаются в поиске продуцентов, всестороннем изучении их свойств и оптимизации способов культивирования. Следующим этапом является масштабирование процесса и испытание его в промышленных условиях. При этом происходит постепенный переход от в колбах к выращиванию в лабораторных ферментерах и затем - в промышленных установках большого объема. На таком заводе всегда функционирует микробиологическая лаборатория, сотрудники которой постоянно следят за состоянием микроорганизма-продуцента, способного видоизменяться в процессе производства и хранения. Они контролируют отсутствие посторонних микроорганизмов и бактериофагов , создают условия для поддержания высокой активности продуцента, следят за расщеплением продуцента на диссоциативные варианты, проводят периодические рассевы, отбирая высокопродуктивные колонии микроорганизма.

Микробиологические производства постоянно совершенствуются. Одним из путей является применение мутантных и генно-инженерных продуцентов. Например, для получения промежуточных соединений различных циклов (ЦТК) используют регуляторные мутанты, что позволяет накапливать органические и аминокислоты. Путем введения определенных генов в микробную клетку микроорганизмы могут быть превращены в продуцентов, производящих в сверхколичествах уникальные вещества с заданными свойствами (высокотермостабильные ферменты, искусственно сконструированные пептиды и белки, человеческие терапевтические агенты - инсулин, интерферон, эпидермальный фактор роста, поверхностный антиген вируса гепатита В и т.д.).

Для получения новых свойств у ряда продуцентов (дрожжей, плесневых грибов, стрептомицетов, лактококков) применяют метод «слияния протопластов». Для этого ферментативно удаляют клеточную стенку и частично растворяют ЦПМ под действием полиэтиленгликоля, что позволяет протопластам двух штаммов соединиться. В этих условиях их генетический материал подвергается рекомбинации, в результате полученный продуцент после регенерации клеточной стенки будет обладать новыми свойствами. Такие микроорганизмы менее стабильны, чем « дикие», поэтому необходимо применять соответствующие методы сохранения их активности. Из относительно новых способов хранения можно назвать лиофилизацию и хранение под жидким азотом.

Еще один технологический прием - это иммобилизация(закрепление)клеток и/или ферментов на (в) твердом носителе. В зависимости от природы носителя и механизма прикрепления иммобилизация бывает нескольких видов. При иммобилизации не только изменяется пространственное положение продуцента для удобства работы с ним, но и происходят значительные преобразования его жизнедеятельности за счет изменения свойств поверхностных структур клетки (в частности, ЦПМ) и образования новой поверхности раздела фаз. Примеры некоторых производственных процессов, основанных на использовании закрепленных клеток, приведены в таблице.

Таблица.

Производственные процессы, основанные на использовании иммобилизованных клеток.

Процесс	Продукт или активность	Микроорганизм
Производство антибиотиков	Пенициллин	Penicillium chrysogenum
	Бацитрацин	Bacillus sp.
	Цефалоспорины	Streptomyces clavuligerus
Производство аминокислот	L- аланин	Corynebacterium dismutans
	L- глутамат
	L- триптофан
	L- лизин	Microbacterium ammoniaphila
Производство ферментов	Кофермент А	Brevibacterium ammoniagenes
Производство ферментов	Протеаза	Streptomyces fradiae
Производство витаминов	Пантотеновая кислота
Трансформация стероидов	Преднизолон	Curvularia lunata, Corynebacterium simplex
Производство продуктов брожения
Производство продуктов брожения		Lactobacillus delbrueckii
Очистка окружающей среды	Расщепление пара -нитрофенола	Pseudomonas ssp.
	Расщепление фенола	Candida tropicalis
	Денитрификация	Micrococcus ssp.
	Сорбция тяжелых металлов (уран, плутоний)	Pseudomonas aeruginosa

Для повышения эффективности промышленных микробиологических процессов постоянно ведется работа по совершенствованию аппаратов для культивирования и полной автоматизации и компьютеризации процесса.

Приготовление пищевых продуктов с помощью микроорганизмов

Задолго до того, как были раскрыты микробиологические механизмы приготовления ряда продуктов, человек интуитивно научился использовать их в своей жизни. Издавна известны способы выпечки хлеба, приготовления кваса, вина, кисломолочных продуктов, квашеных овощей, некоторых мясных изделий и различных национальных кушаний. Например, у народов Севера с древних времен и до наших дней сохранился способ приготовления китового мяса, позволяющий им восполнять недостаток витаминов и аминокислот: сырое мясо заворачивают в шкуру и кладут под снег для «вызревания», происходит развитие микроорганизмов, образующих витамины, а также частичный гидролиз белка, дающий пептиды и аминокислоты. Некоторые продукты, в приготовлении которых задействован микробный метаболизм, представлены в таблице.

Таблица.

Пищевые продукты, при изготовлении которых используются микроорганизмы.

*Готовый продукт*	*Стартовый материал*	*Микроорганизмы*
		Saccharomyces cerevisiae
	Рисовая мука	Lactobacillus brevis, Leuconostoc mesenteroides
	Ржаная мука	Lactobacillus sanfrancisco, Saccharomyces exignus
	Пшеничная мука	S. cerevisiae
		Aspergillus sp., Penicillium sp.
	Свежие оливки	Lactobacillus plantarum, Leuconostoc mesenteroides
Соленые огурцы	Свежие огурцы	Lactobacillus plantarum и др. виды, Pediococcus sp.
Квашеная капуста	Свежая капуста	Lactobacillus plantarum и др. виды, Leuconostoc sp.
	Говядина, свинина	Pediococcus cerevisiae
Соевый соус	Рис, соевые бобы	Aspergillus oryzae, Lactobacillus delbrueckii, Saccharomyces rouxii
	Виноградный сок	S . cerevisiae , S . champagnii

Приготовление кормов для сельскохозяйственных животных

Растительный материал для скармливания скоту (трава, сочные корма, а также капуста, огурцы и помидоры) можно сохранить в виде силоса с помощью молочнокислого брожения под действием природных популяций микроорганизмов, ассоциированных с наземными частями растений. Образующаяся при силосовании молочная кислота снижает рН корма и тем самым консервирует его. После силосования корма могут храниться довольно долго, но, как правило, их хранят до следующего урожая.

Материалы для хорошего силоса богаты углеводами и содержат относительно немного белка и воды. Это зеленая масса кукурузы, большинства зерновых, подсолнечника и турнепса. Медоносные травы, клевер, сено обычно силосовать труднее, а вика и горох не подвергаются силосованию.

Скошенную траву или сочные корма, приготовленные для силосования, режут, подсушивают, прессуют и закладывают в силосные башни, наземные хранилища или в силосные ямы для создания анаэробных условий. На начальном этапе силосования аэробные микроорганизмы и факультативно анаэробные энтеробактерии потребляют весь кислород в растительной массе. Это способствует преимущественному развитию и доминированию гомоферментативных лактобацилл, стрептококков, лактококков и лейконостока, которые образуют молочную кислоту и постепенно снижают рН до 4,0. При недостаточно быстром закислении может начаться рост Clostridium butyricum , который превращает лактат в масляную кислоту, придающую корму неприятный вкус и запах. Силос становится несъедобным для животных. Росту этого микроорганизма препятствует достижение значения рН ниже 4,5. На более поздних стадиях силосования преобладают кислотоустойчивые Lactobacillus plantarum, L. fermentum и L. brevis.

При производстве другого вида корма - сенажа, брожению подвергается подсушенная растительная масса с влажностью 50-65%. Несмотря на довольно высокое значение рН (около 5) гнилостные процессы происходят очень медленно, а процесс молочнокислого брожения активизируется за счет развития устойчивых к понижению активности воды представителей рода Lactobacillus . В сенаже содержатся умеренные количества лактата и ацетата.

В качестве дополнительного корма для животных могут быть использованы белково-витаминные концентраты (БВК) из биомассы различных микроорганизмов, выращенных на отходах пищевой промышленности. Некоторые индивидуальные вещества микробного происхождения (ферменты, аминокислоты, органические кислоты, витамины) также могут применяться как кормовые добавки, улучшающих структуру и усвоение кормов.

Микроорганизмы - продуценты индивидуальных веществ

Значительное количество индивидуальных веществ разного назначения (табл.) в настоящее время получают с помощью микроорганизмов. В их числе как простые органические и неорганические вещества, так и сложные соединения, химический синтез которых невозможен или крайне дорог.

Таблица.

Некоторые индивидуальные соединения, получаемые с помощью микроорганизмов.

Продукт	*Микроорганизм(ы)*
Растворители:	Saccharomyces cerevisiae Kluyveromyces fragilis Zymomonas mobilis Thermoanaerobacter sp.
Ацетон, бутанол, изопропанол	Clostridium acetobutylicum
2,3-бутандиол	Бактерии родов Enterobacter, Serratia
Газы:	Фотосинтезирующие микроорганизмы
	Метаногенные сообщества микроорганизмов
Органические кислоты:	Бактерии рода Gluconobacter
	Aspergillus niger
	Rhizopus nigricans
Глюконат	Aspergillus niger
	Lactobacillus delbrueckii
Аминокислоты: Глутамат, лизин	Corynebacterium glutamicum
Нуклеотиды	Corynebacterium glutamicum
Витамины	Грибы родов Ashbya, Eremothecium, Blakeslea, Saccharomyces, бактерии родов Pseudomonas, Propionibacterium
Полимеры: Декстран	Бактерии родов Klebsiella, Acetobacter, Leuconostoc
	Xanthomonas campestris
Пуллулан	Aureobasidium pullulans
Альгинат	Azotobacter vinelandii
Полиэфиры	Pseudomonas oleovorans
Циклодекстрины	Thermoanaerobacter sp.
Поли-β-гидроксибутират	Azotobacter sp., Alcaligenes eutrophus
Ферменты: Амилазы, протеазы	Грибы родов Aspergillus, Mucor, Trichoderma , бактерии рода Bacillus
Пектиназы	Бактерии рода Erwinia
	Дрожжи, Rhizopus sp.
Оксидазы: Глюкозооксидаза Глутаматоксидаза Лактатоксидаза	Penicillium sp. Streptomyces sp. Geothrichum sp.
Стимуляторы роста растений: Гиббереллины	Gibberella sp.
Антибиотики	Penicillium, Streptomyces, Bacillus
Алкалоиды	Claviceps purpurea
Стероиды	Rhizopus, Arthrobacter, Mycobacterium
Человеческие гормоны (инсулин, соматостатин, интерферон и др.)	Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida, Pichia pinus и другие рекомбинантные штаммы
Другие соединения: Акриламид	Rhodococcus rhodochrous

Убеждение в конечности запасов полезных ископаемых и необходимости перехода на возобновляемые источники энергии диктует необходимость разработки производственных биотехнологических процессов получения спиртов и органических кислот наряду с уже имеющимся их химическим синтезом из нефти. Спирты (в частности, этанол) легко могут быть получены с помощью микроорганизмов, растущих как на пищевых субстратах и отходах пищевых производств, так и на техническом сырье. Давно известны процессы получения спирта путем спиртового брожения дрожжей на сахаристых субстратах и на древесных опилках, подвергнутых щелочному гидролизу. Применение в качестве продуцентов термофильных анаэробных бактерий, обладающих собственными мощными гидролазами, значительно ускоряет процесс, так как исключается стадия предварительного гидролиза сырья, а повышенная температура культивирования увеличивает скорость реакций. Использование устойчивых микробных ассоциаций способствует повышению активности и стабильности процесса получения спирта из растительной массы. Высокий выход конечного продукта может быть достигнут при непрерывном режиме культивирования с использованием иммобилизованных клеток микроорганизмов.

Ряд органических кислот и аминокислот получают с использованием плесневых грибов и коринебактерий, осуществляющих неполные окисления, причем L -формы аминокислот могут быть синтезированы исключительно микробиологическим путем.

Молекулярный водород в настоящее время рассматривают как перспективное возобновляемое биотопливо. Этот газ выделяется при некоторых видах брожения и при азотфиксации. В качестве продуцентов водорода изучают фототрофные микроорганизмы, обладающие нитрогеназным комплексом (например, пурпурные бактерии и цианобактерии). Они способны расти при освещении на очень простых средах. При иммобилизации клеток на пористом стекле или внутри гранул различных гелей может быть достигнуто значительное повышение выхода газообразного водорода.

Метан в смеси с углекислым газом (биогаз) может быть получен при микробиологической переработке растительного и животного сырья в сельском хозяйстве или при уничтожении промышленных и бытовых отходов. Такая конверсия является наиболее эффективным способом преобразования отходов, сопровождающаяся получением полезных продуктов. Она осуществляется с помощью естественно сложившихся метаногенных микробных сообществ в анаэробных условиях и основана на тесных взаимодействиях микроорганизмов разных систематических и физиологических групп. Процесс начинается с гидролиза биополимеров растительного и животного сырья и отходов внеклеточными ферментами бактерий рода Clostridium . Продукты гидролиза подвергаются брожениям разных типов под действием энтеробактерий, клостридий, молочнокислых бактерий с образованием смеси летучих жирных кислот, спиртов и газов. Эти вещества используются бактериями-синтрофами, продуцирующими субстраты метаногенеза (Н 2 , СО 2 и ацетат). Завершающую стадию осуществляют водородотрофные и ацетокластические метаногенные археи, выделяя биогаз. Отходы сельского хозяйства перерабатываются в биогаз в специальных резервуарах (метантенках) при 54-56 о С. Некоторое количество кислорода, содержащееся в загружаемом сырье, быстро потребляется естественной аэробной и факультативно анаэробной микробиотой сельскохозяйственных отходов. Повышенная температура в метантенке позволяет увеличить скорость переработки и способствует обеззараживанию перерабатываемых отходов. Конверсию жидких отходов, в том числе бытовых и промышленных стоков, проводят в специальных анаэробных реакторах с высокой концентрацией агрегированной биомассы и с восходящим током жидкости. Использование микроорганизмов для получения биогаза позволяет комплексно решать проблемы малой энергетики, получения новых возобновляемых энергоресурсов и перехода к безотходным технологиям.

Микробиологические процессы играют существенную роль в фармацевтической промышленности при производстве витаминов, ферментов и стероидных гормонов. Так, для получения витамина В 2 (рибофлавина) используют фитопатогенные грибы, образующие его в больших количествах и выделяющие избыток в среду. Бактерии родов Pseudomonas и Propionibacterium синтезируют сложный по химической структуре витамин В 12 , применяемый в медицине. При экстракции осадков метантенков получают кормовой препарат витамина В 12 .

Микробные ферменты применяют в различных отраслях человеческой деятельности. Например, амилазы, протеазы, липазы и целлюлазы, образуемые плесневыми грибами, пектиназы бактерий рода Erwinia и инвертазу пекарских дрожжей используют в пищевой промышленности. Протеазы грибов, стрептомицетов и бацилл добавляют к стиральным порошкам для удаления белковых загрязнений. В медицине нашли применение лекарственные формы стрептокиназы бактерий рода Streptococcus и коллагеназы представителей рода Clostridium , используемые для заживления ран, а также грибные амилазы, протеазы и липазы, способствующие нормализации пищеварения. Микробные ферменты применяют при лабораторной диагностике в медицине и в научных исследованиях в качестве высокоспецифичных реагентов.

В промышленности, медицине и научных исследованиях в качестве загустителей, смазочных материалов, гелей для иммобилизации, молекулярных сит и сорбентов используются разнообразные микробные полисахариды. Поли-β-алканоаты (природные термопластики) добавляют при изготовлении в полимерные упаковочные материалы, что способствует их более быстрой микробной деструкции в окружающей среде.

Основными продуцентами при производстве антибиотиков служат плесневые грибы рода Penicillium и бактерии родов Streptomyces и Bacillus . В связи с возникновением множественной лекарственной устойчивости среди патогенных микроорганизмов микробиологическая стадия получения антибиотиков часто продолжается стадией их химической модификации. Исследователи постоянно ведут поиск новых антибиотических веществ и их продуцентов.

Стероидные гормоны широко используются в медицине как регуляторы метаболизма животных и человека. Потребности в этих препаратах не покрываются выделением их из животного сырья, так как в животном организме стероидов синтезируется крайне мало. Использование дешевого растительного сырья с последующей химической модификацией растительных стеринов требует проведения тонкой трансформации, затрагивающей только один-два определенных атома стероидного ядра, что крайне дорого и неэффективно. Однако такие реакции способны проводить некоторые микроорганизмы, специфически отщепляя или присоединяя атомы и группы в нужном положении и тем самым превращая низкоактивные стероиды растительного происхождения в гормональные препараты. В настоящее время ряд штаммов артробактеров, микобактерий, коринебактерий и плесневых грибов применяют для получения преднизолона, кортизона и гидрокортизона. При производстве стероидных гормонов микробиологический процесс используют как одну из стадий синтеза препарата. Растительные стероиды, нерастворимые в воде, добавляют в культуру в виде тонкодисперсной суспензии в фазе замедления роста микроорганизма. Микробные клетки прикрепляются к частицам фитостеринов, а трансформированные продукты выделяются в среду. Для получения некоторых человеческих гормонов и факторов применяют генно-инженерные технологии, когда нужные гены вводят в геном микроорганизма-продуцента.

Гиббереллины, полученные микробиологическим путем, успешно применяют в сельском хозяйстве для стимуляции роста растений. Исследования последнего времени показывают, что многие ризосферные микроорганизмы могут быть источником ряда фитогормонов.

Микробиологические процессы получения биопрепаратов для сельского хозяйства

Биопрепараты комплексного действия на основе микроорганизмов рассматриваются как альтернатива различным химическим препаратам (минеральным удобрениям, пестицидам и т.д.), применяемым в земледелии.

Для предпосевной обработки семян бобовых растений во многих странах используют препараты клубеньковых бактерий. Наиболее эффективен этот прием в случае внедрения новых культур бобовых на вновь осваиваемых посевных площадях, так как позволяет обеспечить тесный контакт потенциальных симбионтов, обеспечивает быстрое образование клубеньков и эффективную симбиотическую азотфиксацию. Обработка семян препаратами при посеве давно возделываемых бобовых культур на прежних посевных площадях также дает прибавку к урожаю за счет обеспечения контакта растения с высокоактивными видоспецифичными штаммами клубеньковых бактерий. Применение таких биопрепаратов позволяет не только снизить дозы минеральных азотных удобрений, но и положительно влияет на качество урожая бобовых, повышая содержание белка и витаминов в зерне. Препараты на основе клубеньковых бактерий имеют разные названия (нитрагин, нитразон, ризоторфин и др.). При их приготовлении используют стерильные или нестерильные носители (почва, торф), содержащие необходимые питательные вещества, в которые вносят суспензию клубеньковых бактерий, иногда выдерживают препарат в термостате для подращивания культуры, а затем фасуют в тару различного объема. Перед посевом препарат разводят водой и обрабатывают им семена.

Использование в качестве биопрепаратов культур микроорганизмов ризоферы и ризопланы обусловлено не только их способностью к ассоциативной азотфиксации, но и выработкой биологически активных по отношению к растениям веществ (стимуляторов роста, витаминов, антибиотических соединений, активных против фитопатогенных микроорганизмов). Для приготовления препаратов используют чистые или смешанные культуры представителей родов Azotobacter , Azospirillum , Agrobacterium , Arthrobacter , Enterobacter , Bacillus , Pseudomonas и др. Водной суспензией препарата обрабатывают поверхность семян или корневую систему растений. Как правило, положительные стабильные результаты применение препаратов дает на хорошо окультуренных, богатых органикой почвах (в теплицах, оранжереях). В настоящее время предлагается широкий спектр препаратов под разными названиями и на основе разных микроорганизмов (азотобактерин, азоризин, агрофил, мизорин, ризоагрин, псевдобактерин и т.д.).

Цианобактериальные препараты применяют в ряде стран на обводненных и затопляемых почвах, например, при выращивании риса. Массу цианобактерий получают в специальных бассейнах, внося туда маточную культуру (обычно это представители родов Anabaena и Nostoc ). В некоторых странах Азии в качестве «зеленого удобрения» используют водный папоротник азолла, несущий на листьях симбиотического диазотрофа Anabaena azollae . Размножают растение в небольших водоемах, а потом запахивают в почву рисовников, либо переносят на поверхность воды рисовых полей. Отмирающая масса папоротника минерализуется, и соединения азота становятся доступными растениям риса.

Ряд биопрепаратов применяют для активизации микробиологических процессов в почвах. Это, например, фосфоробактерин на основе спор Bacillus megaterium для повышения доступности фосфора для растений; бактогумин, содержащий смешанную культуру микроорганизмов разных физиологических групп, для изготовления биологически активных грунтов; комплексные биопрепараты почвенных бактерий для применения под овощные и плодовые культуры, в основном, в защищенном грунте и т.д.

Для защиты сельскохозяйственных растений от поражения фитопатогенными грибами препараты на основе микроорганизмов-антагонистов (обычно бактерий родов Pseudomonas и Azotobacter и грибов рода Trichoderma ) вносят в почву или обрабатывают ими семена и корни высаживаемых растений. К сожалению, в природной обстановке активность таких препаратов существенно снижается, так как вносимые микроорганизмы не всегда способны выдержать конкуренцию с естественной микробиотой почвы.

Для борьбы с вредителями сельского хозяйства широко применяют микробиологические методы. С помощью бактерий и грибов получают энтомопатогенные препараты, обладающие избирательной токсичностью для личинок и взрослых особей многих насекомых, но не опасные для других членов экосистемы и человека. Например, белковые кристаллы Bacillus thuringiensis вызывают паралич у личинок перепончатокрылых при попадании в их кишечник. Энтомопатогенный препарат представляет собой высушенные клетки бацилл в фазе начала споруляции, когда образуются белковые кристаллы токсина. Перед применением порошок разводят в воде и распыляют на листья растений. Для защиты растений также используют культуры возбудителей инфекционных болезней насекомых и грызунов, вызывающих эпизоотии среди этих вредителей, но не патогенных для других животных.

В традиционном земледелии большинство органических остатков превращается в органические удобрения в результате компостирования. Компостирование - это увеличение скорости природной минерализации отмершего органического вещества. В настоящее время компостирование завоевывает все большую популярность в развитых странах как альтернатива промышленным и бытовым свалкам больших городов. Компостирование приводит к:

уменьшению объема отходов;
снижению содержания органического вещества в отходах;
улучшению их физических характеристик, что позволяет складировать отходы более компактно;
уменьшению количества микроорганизмов, патогенных для растений, животных и человека, а также семян сорняков;
сокращению площадей, отчуждаемых под полигоны для свалок.

При компостировании сначала отделяют биодеградабельную часть отходов от не перерабатываемой микроорганизмами (пластика, металлов, стекла). Оставшаяся часть органических отходов смешивается с порцией старого компоста («посевной материал») и с органическими веществами, которые перерабатываются медленно (щепа, нарезанная бумага, подсолнечная шелуха), для создания рыхлой структуры и лучшей вентиляции компоста. Компостирование осуществляют в длинных, но не очень высоких (до 2 м) грядах, которые время от времени перемешивают для более равномерного прохождения процесса. Появления неприятного запаха (сероводорода, меркаптанов) избегают, накрывая компостные кучи слоем почвы.

Микробное выщелачивание металлов

Способность некоторых микроорганизмов окислять восстановленные соединения серы и металлов применяют в биогидрометаллургии бедных руд. Суспензия таких микробов, обогащенная кислородом, осуществляет реакции, переводящие металл (Ме) в растворенное состояние:

FeS 2 + 3½O 2 + H 2 O → FeSO 4 + H 2 SO 4

S 0 + 1½O 2 + H 2 O → H 2 SO 4

2FeSO 4 + ½O 2 + H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + H 2 O

MeS + 2Fe 3+ → Me 2+ + 2Fe 2+ + S 0

Полученный раствор концентрируют и осаждают из него металл. В технологических условиях процесс проходит под действием микробного сообщества, включающего грамотрицательные ацидитиобациллы и лептоспириллы , грамположительные сульфобациллы и археи ацидианусы , металлосферы , сульфолобусы и ферроплазмы . В зависимости от условий один или несколько штаммов в сообществе численно преобладают. Все участвующие в процессе микроорганизмы обладают устойчивостью к высоким концентрациям металлов.

Извлечение (выщелачивание) металлов с помощью микроорганизмов осуществляют тремя основными способами. При кучном выщелачивании отвал бедной руды орошают аэрируемой суспензией микроорганизмов. Из стекающего с кучи раствора осаждением или электролизом извлекают металл, а раствор вновь направляют на орошение руды. При подземном выщелачивании обогащенную кислородом суспензию микроорганизмов закачивают в скважину. При чановом выщелачивании сложные руды и концентраты перерабатывают в специальных установках, обеспечивающих непрерывный проточный режим. Микробиологические процессы используют при получении меди, урана, марганца, а также для освобождения олова, серебра и золота из кристаллов сульфидных минералов, содержащих мышьяк.

Биологическая обработка органических отходов

Жидкие органические отходы - это сточные воды бытовых, сельскохозяйственных и промышленных предприятий, к полужидким относятся полужидкий навоз и осадки сточных вод, а твердые формируются из бытового мусора и подстилочного навоза. В зависимости от характера производства состав загрязнений в промышленных стоках может сильно различаться. Обработка сточных вод заключается в практически полном удалении из них органического вещества. В полужидких и твердых отходах удаляется прежде всего быстро разлагаемая часть органических соединений, а оставшаяся часть стабилизируется. При аэробном разложении органических отходов примерно половина углерода и энергии расходуется на прирост биомассы микроорганизмов-деструкторов, а другая половина рассеивается в виде тепла. Анаэробное разложение с образованием метана приводит к переводу почти 90% углерода и энергии органических веществ в биогаз и только 5-8% расходуется на построение микробных клеток.

В настоящее время активно разрабатываются и используются аэробные процессы, позволяющие с высокой скоростью удалять даже низкие концентрации органических веществ. Существенным недостатком аэробных технологий, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию. Проблемы связаны также с образованием большого количества микробной биомассы, имеющей очень низкую водоотдающую способность. Чтобы использовать эту биомассу в качестве удобрения, необходимо снизить в ней содержание воды. Для этого используют длительную естественную сушку на значительных по территории иловых площадках, что приводит к ухудшению экологической обстановки. Некоторые сложные ксенобиотики на воздухе полимеризуются в трудноразлагаемые вещества, а продукты их аэробного разложения часто более токсичны, чем исходные загрязнители. Ароматические соединения понижают поверхностное натяжение водных растворов и могут являться причиной неконтролируемого пенообразования в аэрируемых водоёмах. Некоторые из них летучи и токсичны и при аэробном методе очистки способны загрязнять воздух.

При анаэробной обработке преимуществами являются незначительное образование биомассы, возможность удалять высококонцентрированные вещества и попутное образование возобновляемого источника энергии (метана). Оказалось, что в анаэробных условиях микроорганизмы способны разрушать органические соединения, содержащие ароматические и конденсированные циклические структуры. Полного разложения ксенобиотиков удается добиться при использовании структурированных микробных сообществ, содержащих микроорганизмы различных физиологических групп. Поскольку при низких концентрациях органического загрязнителя анаэробный процесс не всегда эффективен, для глубокой очистки применяют комбинацию бескислородной и аэробной обработки.

В современных процессах очистки, в основном, применяют естественно складывающиеся микробные сообщества. Видовой состав таких сообществ и взаимодействие микроорганизмов в них изучены недостаточно, что тормозит массовое применение биоремедиации. Изучение метаболических путей в микробных сообществах в перспективе позволит создать ассоциации микроорганизмов, способные разрушать весь набор загрязнителей.

Микробиологическая очистка сточных вод

Самыми простыми способами очистки сточных вод является их отстаивание и фильтрация . Эти процессы происходят в системе неглубоких водоемов (прудов и каналов), где микроорганизмы находятся в осадке и во взвешенном состоянии. Естественная фильтрация происходит через песок и глину. Иногда используют природные низины, затопляемые сточными водами (поля орошения и искусственные болота). В очистных водоемах часто выращивают водные растения, в ризосфере которых формируется микробное сообщество, участвующее в биоремедиации. К простым очистным сооружениям относятся струйные и дисковые биофильтры . Струйные биофильтры - это емкости или наклонные каналы, заполненные пористым материалом. На таком наполнителе формируется микробная биопленка. Ее основу составляют выделяющие слизь зооглеи . Микробное сообщество, погруженное в слизистый матрикс, состоит из бактерий, грибов, простейших. Сточные воды медленно просачиваются через наполнитель (керамзит, щебень) и собираются внизу. Дисковые биофильтры представляют собой медленно вращающиеся диски, наполовину погруженные в протекающую воду. Поверхность диска покрыта биопленкой, в верхнем слое которой обитают аэробные и факультативно анаэробные, а в нижнем - анаэробные микроорганизмы. При медленном вращении части диска последовательно соприкасаются с кислородом воздуха и погружаются в сточную воду, что приводит к чередованию аэробных и анаэробных процессов.

При централизованной очистке сточных вод применяют принудительную аэрацию и поддерживают высокую плотность микробной популяции. Городские очистные сооружения представляют собой крупные промышленные предприятия, перерабатывающие туалетные, кухонные, ливневые воды и нетоксичные стоки промышленных предприятий. Процесс аэробной очистки сточных вод на основе активированного ила состоит из 3-4 стадий. На первой стадии при проходе воды через решетку, песколовку и отстойник удаляются твердые включения. Вторая стадия заключается в биологической очистке воды с помощью активированного ила. Растворенные и суспендированные загрязнения окисляются сложным микробным сообществом в открытом бассейне (аэротенке) с принудительной подачей воздуха и интенсивным перемешиванием. Микроорганизмы активно растут и используют до 99% загрязнений. Обработанная вода и микробная биомасса разделяются во вторичном отстойнике. Из него микробный ил возвращается обратно в аэротенк, а вода направляется на третью стадию химической и биологической доочистки от азота и фосфора. Азот присутствует в виде аммония, нитрата и нитрита. При интенсивной аэрации и низкой концентрации органических веществ нитрифицирующие бактерии превращают аммоний в нитрат. В условиях периодического ограничения доступа кислорода денитрификаторы проводят восстановление нитрата в молекулярный азот. Фосфаты накапливаются некоторыми грамположительными бактериями и акинетобактерами и могут быть удалены с осадком ила. Другим широко распространенным методом удаления фосфора является его химическое осаждение в виде фосфатов железа и алюминия. Четвертой стадией очистки может быть дезинфекция соединениями хлора или озоном. Концентрированные осадки сточных вод из всех отстойников подвергаются анаэробной переработке в метантенке. Уплотненный осадок метантенка и твердые включения направляются на полигоны захоронения твердых бытовых отходов или используется в качестве удобрения.

В микробное сообщество активированного ила входят разнообразные микроорганизмы, многие из которых имеют слизистые капсулы (зооглеи , лейкотрикс , тиотрикс и др.). Ил содержит много микроорганизмов, не поддающихся лабораторному культивированию и определенных с помощью молекулярно-биологических методов. В сообщество ила входят паракокки, каулобактеры, гифомикробии, псевдомонады, цитофаги, флавобактерии, флексибактеры, коринебактерии, артробактеры, нокардии, родококки, бациллы, клостридии, стафилококки, лактобациллы и др. Численность патогенных бактерий обычно мала. Простейшие представлены инфузориями и амебами . Микроорганизмы активированного ила образуют хлопьевидные агрегаты, способные к осаждению. При наличии избытка нитчатых форм может происходить вспухание ила, когда образуются гигантские пенообразные хлопья, выносимые с очищенной водой. Такой ил содержит большое количество нитчатых бактерий (сферотилус , беггиатоа , тиотрикс ) и бацилл , а также мицелий актиномицетов и плесневых грибов .

Анаэробная обработка применяется в случае концентрированных сточных вод. Поскольку рост микробного сообщества в анаэробных условиях замедлен, то в реакторе необходимо удерживать максимальное количество биомассы. Для этого используют реакторы с фиксированной загрузкой, представляющий собой анаэробный биофильтр с верхней или нижней подачей воды. Наиболее эффективен реактор с восходящим потоком воды через взвешенный слой ила . Анаэробное микробное сообщество в этом случае представлено плотными гранулами, основой которых являются клетки метаногенов. В сильно концентрированных стоках формируются мелкие рыхлые агрегаты, в которых клетки бактерий погружены в межклеточное вещество псевдоткани метаносарцины . Плотные гранулы образуются на основе нитей метаносаеты , между которыми расположены клетки других членов сообщества. Таким образом, образование метаногенных гранул - это пример самоиммобилизации микроорганизмов, для которых тесное соседство необходимо для межвидового переноса промежуточных веществ.

Полужидкие отходы, а также растительные и пищевые остатки перерабатываются обычно в метантенках - закрытых резервуарах разного объема. Длительность процесса составляет от 2 до 5 недель при температуре 30-35 или 50-55 о С. В больших метантенках содержимое перемешивают с помощью мешалок или путем продувки нагретого пара. В результате получается хорошее обеззараженное удобрение.

Биоконверсия растительного сырья и отходов сельского хозяйства в биогаз и растворители.

Микробиологическая конверсия растительного сырья - наиболее эффективный способ осуществить управляемую переработку целлюлозо- и крахмалсодержащих сельскохозяйственных продуктов и отходов в полезные субстанции. При этом решается ряд задач по переходу к безотходным технологиям и, в частности, проблемы малой энергетики и использования новых возобновляемых энергоресурсов, а также защиты окружающей среды.

Спирты (в основном, этанол) относятся к традиционным энергосоединениям, для получения которых используются микроорганизмы (табл. 26).

Таблица 26.

Производство спирта может быть основано не только на использовании пищевых субстратов и отходов пищевых производств, но и на техническом сырье, способном подвергаться гидролизу, в том числе неферментативному, с образованием сахаров (например, на древесных опилках). Использование термофильных анаэробных бактерий позволяет не только ускорить проведение процесса биоконверсии, но и исключить стадию предварительного гидролиза сырья, так как эти микроорганизмы способны сами продуцировать мощные гидролазы. Таким образом, становится возможным проведение непосредственной переработки растительного сырья сразу в этанол. Повышение активности и стабильности процесса получения спирта из растительной массы может быть достигнуто путем применения устойчивых микробных ассоциаций.

Конверсия сельскохозяйственных отходов в биогаз осуществляется под действием естественно сложившихся метаногенных микробных сообществ в анаэробных условиях. Такие микробные сообщества основаны на синтрофных взаимодействиях микроорганизмов разных систематических и физиологических групп, осуществляющих межвидовой перенос интермедиатов (водорода, ацетата, формиата). Процесс начинается с гидролиза биополимеров растительного сырья и отходов внеклеточными ферментами бактерий рода Clostridium. Далее продукты гидролиза подвергаются брожениям разных типов под действием микроорганизмов сем. Clostridiaceae , Enterobacteriaceae , Lactobacillaceae , Streptococcaceae , и образуется смесь летучих жирных кислот, спиртов и газов. Далее следует синтрофная стадия, на которой продукты брожения используются бактериями родов Synthrophomonas и Synthrophobacter с образованием субстратов метаногенеза (Н 2 , СО 2 и ацетата). Завершающая стадия процесса приводит к образованию метаногенными археями биогаза .

Переработка твердых отходов

К твердым загрязнителям относятся бытовые отходы, твердые включения сточных вод и сельскохозяйственные остатки. Твердые бытовые отходы (ТБО) представлены пищевыми и туалетными остатками, бумагой и инертными материалами (стеклом, металлом, пластиком и т.д.). Рациональному использованию ТБО способствует их раздельный сбор.

Самым простым методом утилизации твердых бытовых и промышленных отходов является их захоронение в естественных понижениях рельефа местности (оврагах, карьерах) и сваливание с последующей засыпкой слоем грунта. Захоронение может быть произведено на специальных полигонах ТБО с уплотненным глинистым дном. Слои мусора на полигонах периодически уплотняют и пересыпают слоем грунта. Высота мусорных куч может достигать 20-40 м. Микроорганизмы попадают в кучу вместе с отходами и из почвы и грунта. Разложение отходов происходит медленно (30-50 лет), при этом разрушается только 30% захороненной органики. В погребенных отходах анаэробное разложение сдерживается низкой влажностью и небольшой плотностью популяции микроорганизмов-деструкторов. В микробном сообществе свалки присутствуют группы микроорганизмов, осуществляющих разные стадии превращения сложных полимерных соединений в биогаз. В период активного метаногенеза происходит разогрев массы до 30-55 о С. В верхней части кучи развиваются аэробные микробы, среди которых особое значение имеют метанотрофные бактерии. Благодаря их активности значительная часть образуемого в анаэробной зоне свалки метана не попадает в атмосферу. Тем не менее, свалки и полигоны ТБО вносят существенный вклад в парниковый эффект. На современных полигонах ТБО отходы герметически отделены от окружающей среды, а биогаз собирается и используется как топливо.

В сельской местности органические отходы традиционно компостируются для получения удобрений. Компостирование является аэробным микробным процессом переработки органических веществ с выделением тепла. В настоящее время в развитых странах все большую популярность приобретает компостирование ТБО как альтернатива промышленным и бытовым свалкам больших городов. Перед закладкой разлагаемую часть отходов отделяют от инертных материалов и смешивают с целлюлозосодержащими трудноразлагаемыми остатками (щепой, шелухой, опилками).

В ряде стран практикуют твердофазную анаэробную переработку , когда ТБО загружают в специальные реакторы для получения метана. Процесс может быть периодическим или непрерывным. При непрерывной обработке ТБО отходы предварительно измельчаются и подогреваются паром до 50 о С. Загрузка отходов происходит сверху, а выгрузка переработанной смеси - из нижней части цилиндрического реактора. Процесс обработки длится три недели при 55 о С. После отжима воды продукт подвергается 10-тидневному аэробному компостированию для получения удобрения.

Биоремедиация загрязненных объектов природной среды

Доступность вещества-загрязнителя в различных природных местообитаниях для способных разрушить его микроорганизмов во многом будет зависеть от физико-химических свойств данного местообитания. Свойства водной экосистемы довольно легко поддаются лабораторному моделированию, в то время как почва может значительно изменять характеристики процессов, разработанных в лаборатории. Почву и подстилающие ее грунты следует рассматривать как сочетания локальных областей с разными наборами физико-химических свойств. Поэтому при пространственной миграции загрязняющего вещества существенно меняются факторы, влияющие на процесс его биоразрушения. Загрязнитель может связываться с веществами гумуса и минеральных частиц за счет сорбции или химических реакций, тем самым становясь малодоступным для микроорганизмов и накапливаясь в различных участках. Почвенные частицы могут создавать физический барьер между клетками и чужеродными веществами путем избирательной фильтрации через микропоры. Одним из широко распространенных и опасных загрязнителей природных экосистем является нефть, которая добывается в больших количествах и транспортируется на значительные расстояния. В состав нефти и нефтепродуктов входят линейные и разветвленные углеводороды с разным числом атомов углерода, соединения с бензольными кольцами и различными заместителями, полициклические ароматические углеводороды. Микроорганизмы, способные использовать разные фракции нефти присутствуют в любом типе почвы. Это представители акинетобактеров, бацилл, артробактеров, цитофаг, клостридий, коринебактерий, флавобактерий, микрококков, микобактерий, нокардий, родококков, псевдомонад, мицелиальных грибов аспергиллов, пенициллов, мукоров, фузариумов, триходерм и дрожжей кандида, эндомицетов, родоторул, торулопсисов и сахаромицетов.

В настоящее время загрязненные почвы и грунты либо обрабатывают на месте, либо вывозят и подвергают обработке на специальных предприятиях. В первом случае наряду с физическим устранением загрязнения (промыванием, счищанием) применяют и биоразрушающую способность микроорганизмов. Один из методов - стимулировать развитие представителей естественной микробиоты данной почвы, способных разлагать загрязнитель. Для активизации этих микроорганизмов в почву вносят доступные источники углерода и энергии (например, этанол), окислители (кислород, нитраты), источники азота и фосфора и вспомогательные вещества (например, эмульгаторы для гидрофобных соединений). Аэрация почвы достигается вспашкой и подачей воздуха под давлением через перфорированные трубы. Уничтожение загрязнителя требует достаточно длительного времени, однако без таких добавок процесс очищения может проходить десятилетиями. Так, при разливе нефти на Аляске добавление азота и фосфора сократило процесс разложения углеводородов до 1,5 лет. Вторым приемом очистки является внесение микроорганизмов с уже известной биоразрушающей активностью к веществам-загрязнителям. Эффективность их воздействия во многом зависит от возможности создания условий, оптимальных для проявления активности. В природных экосистемах это не всегда достижимо, так как для них характерны существенные колебания физико-химических факторов. Тем не менее, разработан целый ряд микробных препаратов на основе чистых и смешанных культур углеводородокисляющих микроорганизмов. Поскольку нет микроорганизма, способного разрушать абсолютно все химические компоненты нефти, то такие препараты, как правило, содержат виды, имеющие взаимодополняющие активности. Наряду с микробными клетками в препарат включают соединения, поддерживающие жизнедеятельность микроорганизмов в месте загрязнения. Применение таких препаратов целесообразно в свежих загрязнениях, пока естественная углеводородокисляющая микробиота не достигла значительной плотности.

Очистку с вывозом загрязненного грунта применяют в опасных случаях, чтобы не допустить проникновения загрязнителя в поверхностные и грунтовые воды. При этом удаляют почвенный слой и производят выемку грунта. Снятую почву укладывают в виде штабеля и аэрируют с помощью перфорированных труб для окисления кислородом воздуха. Растворимые загрязнения удаляются промывкой водой. При сжигании почва превращается в минерализованный продукт. Полную выемку грунта производят на территориях, занятых свалками и полигонами ТБО, при намерении использовать их под строительство или для хозяйственных нужд. Грунт просеивают для отделения неразложившихся частиц, которые сжигаются или перезахораниваются. Нетоксичный просеянный грунт можно применять для озеленения.

Нефть и нефтепродукты попадают в водоемы при авариях на нефтяных скважинах, разливах во время перевозок, с судов и из нефтехранилищ. Опасность разлива нефти в этих случаях определяется быстротой ее распространения по большой площади и образованием поверхностной пленки. Пленка нарушает газообмен воды и атмосферы, что приводит к гибели фитопланктона, осуществляющего первичную продукцию органического вещества и кислорода в водоемах. Компоненты нефти оказывают токсическое действие на живые организмы. Тяжелые фракции могут откладываться в прибрежной зоне и в донных осадках. В воде морей и пресных водоемов присутствуют микробы-деструкторы нефти в концентрациях 10 6 -10 7 клеток на 1 л. Это неспоровые бактерии , актинобактерии , мицелиальные грибы и дрожжи . Очистные мероприятия заключаются прежде всего в ограничении распространения нефтяного пятна и механическом сборе нефтяной пленки с поверхности воды. Микробиологическая биоремедиация осуществляется на месте загрязнения путем стимуляции естественной углеводородокисляющей микробиоты или с помощью вносимых микробных препаратов.

Особенностью процессов биоремедиации природных местообитаний при загрязнении ксенобиотиками является незначительная способность естественной микробиоты к их использованию при первом контакте. Однако многими исследователями отмечено явление адаптации микроорганизмов в природных и искусственных экосистемах, когда при повторном попадании данного соединения микробное сообщество осуществляет его переработку с большей скоростью и при более высоких концентрациях.

Современная биотехнология опирается на достижения естествознания, техники, технологии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики. Биологические методы используются 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.

Широкое распространение получили гибридомы и продуцируемые ими моноклональные антитела, используемые в качестве диагностических и лечебных препаратов.

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. 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.

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

Некоторые грибы родов Aspergillus и Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) способны гидролизовать сердечные глюкозиды, ксилозиды и рамнозиды, а также гликозиды, содержащие в качестве конечного сахара глюкозу, галактозу или арабинозу. С помощью A.terreus получают никотиновую кислоту.

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 целлюлазу, способствующий разложению клетчатки (целлюлозы).

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.

Возбудитель южноамериканского трипаносомоза Trypanosoma cruzi является продуцентом противоопухолевого препарата круцина и его аналога – трипанозы. Эти препараты оказывают цитотоксическое действие на клетки злокачественных образований.

Продуцентами антибластомных ингибиторов являются также Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti и Astasia longa.

Препарат астализид, продуцируемый Astasia longa, обладает не только антибластомным действием, но и антибактериальным (в отношении E.coli и Pseudomonas aeruginosa), а также и антипротозойным (против Leischmania).

Простейшие используются для получения полиненасыщенных жирных кислот, полисахаридов, гистонов, серотонина, ферментов, глюканов для применения в медицине, а также в пищевой и текстильной промышленности.

Herpetomonas sp. И Crithidia fasciculate продуцируют полисахариды, защищающие животных от Trpanosoma cruzi.

Поскольку биомасса простейших содержит до 50% белка, свободноживущие простейшие используются в качестве источника кормового белка для животных.

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. При производстве лимонной кислоты, уксуса, кормовых и хлебопекарных изделий производственные показатели улучшаются при применении в технологическом процессе Aspergillus niger и актиномицетов. Применение очищенных препаратов пектиназы из мицелия A.niger при получении соков способствует увеличению их выхода, снижению вязкости и увеличению осветления.

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. Ферменты

Bac.mesentericus активизируют депелирование кожевенного сырья.

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.

В текстильной промышленности широко используется пектиновое брожение, обеспечиваемое ферментной активностью Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. Пектиновое брожение лежит в основе начальной обработки волокнистых растений льна, конопли и других растений, используемых для изготовления пряжи и тканей.

Практически все природные соединения разлагаются бактериями, благодаря их биохимической активности, е только в окислительных реакциях с участием кислорода, но и анаэробно с такими акцептора электрона, как нитрат, сульфат, сера, углекислый газ. Бактерии участвуют в циклах всех биологически важных элементов и обеспечивают круговорот веществ в биосфере. Многие ключевые реакции круговорота веществ (например, нитрификация, денитрификация, азотфиксация, окисление и восстановление серы) осуществляются бактериями. Роль бактерий в процессах деструкции является определяющей.

Многие виды и разновидности дрожжей обладают способностью сбраживать различные углеводы с образованием спирта и других продуктов. Они широко используются в пивоваренной, винодельческой промышленности и хлебопечении. Типовыми представителями таких дрожжей являются Saccharomyces cerevisial, S.ellipsoides.

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.

Ауксотрофные мутанты Candida guillermondii используются для изучения флавиногенеза. Гифальные грибы хорошо усваивают углероды нефти, парафина, n- гекасдекана, дизельного топлива.

Для разной степени очистки этих веществ используются виды родов Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma.

Для утилизации жирных кислот используются штаммы Penicillium, а жирные вторичные спирты лучше перерабатываются в присутствии штаммов Penicillium и Trichoderma.

Виды грибов Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria используются при утилизации парафинов, парафинового масла, дизельного топлива, ароматических углеводородов, многоатомных спиртов, жирных кислот.

Penicillium vitale используется для получения очищенного препарата глюкозооксидазы, ингибирующего развитие патогенных дерматомицетов Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

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.

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.

Ложные молочнокислые бактерии (E.coli commune, Bact. Lactis aerogenes и др.) участвуют в процессах силосования зеленых кормов.

Среди метаболитов микробной клетки особое место занимают вещества нуклеотидной природы, которые являются промежуточными продуктами в процессе биологического окисления. Эти вещества являются очень важным сырьем для синтеза производных нуклеиновых кислот, ценных лекарственных препаратов антимикробного и антибластомного действия и других биологически активных веществ для микробиологической промышленности и сельского хозяйства.

Микробиологический синтез в основе своей представляет реакции, протекающие в живых клетках. Для осуществления такого синтеза используются бактерии способные осуществлять фосфорилирование пуриновых и пиримидиновых оснований, их нуклеозидов или синтетических аналогов низкомолекулярных компонентов нуклеиновых кислот.

Такими способностями обладают E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, B.ammonia genes, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp.

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.

Применение микробиологического метода с целью повышения добычи нефти, во многом зависит от геологической обстановки. Развитие восстанавливающих сульфаты бактерий в пласте может привести к избыточному образованию сероводорода и коррозии оборудования, а вместо увеличения пористости возможно заклеивание пор бактериями и их слизью.

Бактерии способствуют выщелачиванию металлов из старых шахт, из которых выбрана руда, и из отвалов. В промышленности используют процессы микробиологического выщелачивания при получении меди, цинка, никеля, кобальта.

В зоне горных выработок за счет окисления микроорганизмами соединений серы в шахтах образуются и накапливаются кислые шахтные воды. Серная кислота оказывает разрушительное действие на материалы, сооружения, окружающую среду, несет с собой металлы. Очистить воду, удалить сульфаты и металлы, сделать реакцию щелочной можно при помощи восстанавливающих сульфаты бактерий.

Для очистки вод металлургических производств может быть использовано Биогенное образование сероводорода. Анаэробные фотосинтезирующие бактерии обуславливают глубокое разложение органических веществ.

Найдены штаммы бактерий, способные перерабатывать пластмассовые изделия.

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.

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

Бактерии, представители фито- и зоопланктона используются для обработки сточных вод с целью поддержания качества поверхностных и грунтовых вод. Биологическая очистка сточных вод может поводиться на разных уровнях – перед спуском их в водоем, в самих поверхностных водах, в грунтовых водах при процессах самоочищения.

Микроорганизмы широко используются при очистке биологическим методом вод морей от нефтепродуктов.

Процесс должен обеспечиваться поступлением кислорода в достаточном количестве при постоянной температуре.

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.

Еще одним примером промышленного использования грибов в биотехнологии можно назвать культивирование энтомопатогенных видов грибов, в частности Beanvtria bassiana и Entomophthora thaxteriana для приготовления препаратов «боверина» и «афедина», применяемых для борьбы с фитопатогенными тлями.

Селекционированные штаммы Trichoderma viride используют при промышленном получении га 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.

Важнейшим условием высокой продуктивности бобовых растений является улучшение синтеза азотных веществ бобовыми растениями за счет азота воздуха. Большую роль в усвоении атмосферного азота растениями играют клубеньковые микробы из родов Rhizobium, Eubacteriales, Actinomycetales, Mycobacteriales, виды Azotobacter chroococcum, Clostridium pasterianum.

Из клеток Clostridium pasterianum, Rhodospirillum rubrum, Bac.polymixa, бактерий родов Chromatium и Klebsiella получены азотфиксирующие препараты, способствующие усвоению азота воздуха растениями.

В сельском хозяйстве с целью повышения урожайности используются бактериальные удобрения такие как азотобактерин (готовится из азотобактера), нитрагин (из клубеньковых бактерий), фосфобактерин (из Bac. Megatherium).

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.

Идея микробиологического метода борьбы с вредными насекомыми впервые была выдвинута Мечниковым в 1879 году.

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.

Вирусный препарат вирин очень эффективен против гусениц, повреждающих лесные древесные породы.

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.

Водоросли, как активные компоненты почвенной микрофлоры играют важную роль в биологическом круговороте зольных элементов.

Водоросли наряду с другими микроорганизмами используются в биотехнологии.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

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.

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.

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

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.

4. Микроорганизмы в сельском хозяйстве

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

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.

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.

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.

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

Подобные документы

Промышленное использование биологических процессов на основе микроорганизмов, культуры клеток, тканей и их частей. История возникновения и этапы становления биотехнологии. Основные направления, задачи и методы: клонирование, генная и клеточная инженерия.

презентация , добавлен 22.10.2016

Основные задачи, разделы и направления современной биотехнологии. Производство необходимых человеку продуктов и биологически активных соединений с помощью живых организмов. Изучение генетической, клеточной и биологической инженерии. Объекты биотехнологии.

презентация , добавлен 06.03.2014

Особенности использования углеводородокисляющих микроорганизмов для решения экологических проблем. Современные методы борьбы с нефтяными загрязнениями воды и почвы. Трансформации, осуществляемые спорами грибов и актиномицетов. Соокисление и кометаболизм.

курсовая работа , добавлен 02.01.2012

Микроорганизмы как мельчайшие организмы, различаемые только под микроскопом. Способы рекомбинирования генов. Механизм селекции микроорганизмов. Технология синтеза гена искусственным путем и введения в геном бактерий. Отрасли применения биотехнологии.

презентация , добавлен 22.01.2012

Водоросли как компоненты бактериальных удобрений и как биологические индикаторы. Витамины, содержащиеся в них. Использование водорослей для биологической очистки сточных вод. Их применение в качестве пищевых добавок. Изготовление биотоплива из водорослей.

презентация , добавлен 02.02.2017

Физиолого-биохимические особенности галофильных микроорганизмов. Галофильные микроорганизмы и их применение в промышленности. Выделение из проб воды озера Мраморное галофильных микроорганизмов, определение их численности. Результаты исследования.

курсовая работа , добавлен 05.06.2009

Характер и оценка влияния разнообразных факторов внешней среды на микроорганизмы: физических, химических и микробиологических. Значение микроорганизмов в сыроделии, развитие соответствующих процессов при производстве конечного продукта, этапы созревания.

реферат , добавлен 22.06.2014

Обзор способов размножения бактерий, актиномицетов, дрожжей, плесневых грибов. Влияние лучистой энергии и антисептиков на развитие микроорганизмов. Роль пищевых продуктов в возникновении пищевых заболеваний, источники инфицирования, меры профилактики.

контрольная работа , добавлен 24.01.2012

Микрофлора готовых лекарственных форм. Объекты санитарно-бактериологического обследования в аптеках. Определение микробной обсемененности растительного лекарственного сырья. Микробная обсемененность препаратов. Определение патогенных микроорганизмов.

презентация , добавлен 06.03.2016

Изучение способности некоторых микроорганизмов деструктировать жировые вещества различной химической природы. Исследование морфолого-культуральных и физиологических свойств аборигенных микроорганизмов, анализ и особенности их деструктивной активности.

Микробиологическая промышленность. Микроорганизмы как основные объекты биотехнологии Микроорганизмы - продуценты индивидуальных веществ

Скрининг

Что будем делать с полученным материалом:

Биологическая обработка органических отходов

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Подобные документы

Восстановление пароля