Сартакова О.Ю. Промышленная микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

161

тратов. Весьма эффективным представляется применение для этих це-

лей сульфатредуцирующих бактерий, на основе чего можно разрабо-

тать принципиально новые процессы и существенно улучшить их.

При проведении процессов флотации окисленных минералов

свинца и сурьмы применение сульфатредуцирующих бактерий повы-

шает на 6%-8% извлечение минералов в результате сульфидизации

окислов; в процессах флотации церуссита (PbCO

) извлечение свинца

возрастает на 20-25%. Применение сульфатредуцирующих бактерий

для десорбции ксантогената позволяет селективно разделить некото-

рые минералы (CuFeS

и MoS

, PbS и ZnS).

Таким образом, биотехнологические методы активно допол-

няют, а в некоторых случаях являются единственными традици-

онными методами горнодобывающей промышленности. Методами

кучного и подземного выщелачивания сегодня добывают медь, уран,

кобальт, марганец. С помощью чанового выщелачивания добывают

драгметаллы – золото, серебро.

Применение биотехнологических методов позволяет увеличить

сырьевые ресурсы, обеспечить комплексность извлечения металлов,

при

этом не требуется сложная горная техника, процессы поддаются

регулированию и автоматизации, позволяют решать многие природо-

охранные задачи. Важным направлением биотехнологических иссле-

дований является разработка новых технологий защиты окружающей

среды от загрязнения отходами различных промышленных произ-

водств и очистка уже загрязненных территорий.

6.10.8 Извлечение нефти

Биотехнологии, основанные на использовании различных групп

микроорганизмов, находят все большее применение при добыче нефти

и при очистке объектов окружающей среды от нефтяного загрязнения.

Острота проблемы разработки новых методов повышения нефтеотдачи

объясняется тем, что при современном уровне технологии нефтедобы-

чи средняя величина нефтеотдачи составляет всего от 40% до 45% от

разведанных нефтяных запасов. А на месторождениях с карбонатными

коллекторами нефтеотдача

составляет часто лишь от 8% до 10% от за-

пасов нефти. Микробиологические методы повышения нефтеотдачи

основаны на способности микроорганизмов продуцировать такие неф-

тевытесняющие вещества как газы, растворители и т.д. Кроме того,

многие микроорганизмы окисляют нефтяные углеводороды с образо-

ванием углекислоты и низкомолекулярных органических кислот, кото-

162

рые растворяют карбонатные минералы нефтяного пласта коллектора,

увеличивая его пористость, что также благоприятно влияет на повы-

шение нефтеотдачи. Закрепленные на поверхностях раздела (жидкость

– твердое тело и жидкость - жидкость) микроорганизмы применяют

для увеличения добычи нефти. Интенсификация добычи нефти осуще-

ствляется микроорганизмами и продуктами их жизнедеятельности. Для

этого используют стимуляцию деятельности природной

микрофлоры

путем введения в скважины питательных растворов (мелассы, молоч-

ной сыворотки), микроорганизмов, продуцирующих нужные метабо-

литы, а также введением определенных биопродуктов, выработанных

вне месторождений. Ксантан, внеклеточный полисахарид бактерии

Xanthomonas campestris, может применяться для извлечения нефти из

иссякающих месторождений. Ксантан был первым микробным полиса-

харидом, который начали производить в промышленном масштабе

(1967 г.). Остаточные

порции нефти обычно адсорбируются на различ-

ных породах, содержащихся в нефтеносных пластах, и не вымываются

из них водой. Раствор ксантана в воде обладает высокой вязкостью и

при закачке в пласты под повышенным давлением высвобождает капли

нефти из всех трещин и углублений нефтеносных пород.

Бактерии - деэмульгаторы, например Nocardia sp, разделяют вод-

ную и

нефтяную фазы, что может быть использовано как для кон-

центрирования нефти, так и для очистки сточных вод от нефтяных

примесей, создающих угрозу для окружающей среды.

6.11 Безопасность биотехнологических процессов

Биотехнология должна служить на благо человека и повышать

его уровень жизни. Всегда ли биообъекты, созданные по заранее задан-

ным параметрам

служат на благо? Современный потенциал биотехно-

логии - это обоюдоострый меч, который может принести не только

пользу, но и вред при бесконтрольном, неосторожном неумелом и тем

более злонамеренном применении.

Так в распространении методов генной инженерии видят угрозу

заражения людей болезнетворными "генетическими монстрами", со-

здание разновидностей злостных сорняков и даже выведения "стан-

дартных

людей" по заранее заданным программам.

Потенциальную угрозу биотехнологии нельзя ни преувеличивать,

ни преуменьшать. Она в значительной степени определяется этически-

ми и социально-политическими факторами.

163

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ

Глава 1

1. Микробиология, объект изучения, этапы развития науки

2. Морфология и систематика микроорганизмов

3. Различие в строении эукариот и прокариот

4. Функции и строение цитоплазматической мембраны

5. Химический состав и функции цитоплазмы

6. Роль митохондрий, рибосом, лизосом, комплекса Гольджи в живой

клетке.

7. Ретикулум, его функции в

живой клетке

8. Явление пино-и фагоцитоза

9. Строение и функции клеточной стенки

10. Ядро, его роль в живой клетки

11. Строение вирусов, вирусные заболевания

12. Морфология и классификация фагов

13. Титр фага, роль фагов.

14. Бактерии, их классификация

15. Кокковые формы бактерий

16. Палочковидные бактерии

17. Извитые бактерии

18.

Нитчатые формы бактерий

19. Споры, их устойчивость к неблагоприятным факторам

20. Спорообразование у бактерий

21. Движение бактерий, классификация бактерий по расположению

жгутиков

22. Размножение бактерий

23. Классификация микроорганизмов по типу питания

24. Полиморфизм и мономорфизм

25. Морфология актиомицет

26. Грибы, морфология дрожжевых форм, их роль в природе и в произ-

водстве

27. Грибы, морфология плесневых форм. Их роль в природе и в произ-

водстве

28. Водоросли, их характерные светочувствительные пигменты, клас-

сификация

29. Зеленые водоросли их строение, роль в природе

30. Диатомовые водоросли, особенности строения, роль в природе

31. Простейшие, их классификация, способ размножения

164

32. Морфология амеб

33. Морфология эвглены, особенности поведения в различных услови-

ях.

34. Инфузории их строение, и роль в природе

35. Морфология и роль коловраток

Главы 2, 3

1. Биотехнология, объекты биотехнологии

2. Что изучает биоинженерия

3. Пять периодов в истории развития биотехнологии

4. Перспективы развития биотехнологии

5. Преимущества биотехнологических процессов

Виды биохимической деятельности микрообъектов используемые в

биотехнологии.

7. Назвать основные стадии биотехнологических производств

8. Перечислить подготовительные стадии биотехнологических произ-

водств

Глава 4

1. Дать определение понятий биокатализ, биотрансформация

2. Дать определение понятий биодеградация, биоокисление, био-

сорбция

3. Дать определение понятий биокомпостирование, бактериальное

выщелачивание

4. Биокатализ, преимущества и недостатки биокатализа

Ферменты, их классификация

6. Механизм действия ферментов, модель Фишера, модель Кошленда

7. Иммобилизация ферментов, три характеристики иммобилизо-

ванного фермента

8. Способы иммобилизации ферментов

Глава 5

1. Ферментация, классификация процессов ферментации

2. Понятие абсолютной и относительной скорости роста

3. Кривая роста, фазы периодической ферментации

4. Преимущества периодической ферментации

5. Недостатки периодической ферментации

165

Глава 6

1. Аэробные методы очистки воды, активный ил и биопленка в со-

оружениях аэробной очистки воды

2. Очистка воды в аэротенках

3. Очистка воды в биофильтрах

4. Процесс нитрификации

5. Процесс денитрификации

6. Аэробная стабилизация осадка

7. Биометаногенез, химизм процесса, микробная ассоциация

8. Аппаратура и технологические режимы метанового брожения

9. Сапробность

водоемов по Никитиноскому

10. Описать полисапробную и мезасапрбную зоны водоема

11. Дать характеристику олигосапробной зоны, токсобность, зоны ток-

собности

12. Применение биотехнологии в медицине, основные продукты био-

технологии применяемые в диагностики и лечении заболеваний

13. Биотехнология и энергетика, альтернативные источники энергии

14. Основные продукты биотехнологии в пищевой промышленности

15.

Основные виды брожений, химизм процессов

16. Биотехнология приготовления пива

17. Роль биотехнологических процессов в химической промыш-

ленности

18. Сельское хозяйство и биотехнология

19. Процессы биогеотехнологии

166

ГЛОССАРИЙ

Биотехнология - это организованная человеком деятельность мик-

роорганизмов, направленная на получение определенного продукта.

Микробиология - это наука о микроорганизмах, относящихся к различ-

ным систематическим группам - вирусам, бактериям, водорослям, грибам, про-

стейшим, имеющим бесконечно малый размер.

Эукариоты и прокариоты. Клетки эукариотов имеют обособленное яд-

ро, отделенное от цитоплазмы мембраной. В клетках прокариотов истинное ядро

отсутствует, но есть ядроподобные образования – нуклеоиды.

Морфология – наука, изучающая внешний вид, структуру, форму и раз-

меры организмов.

Протопласт - цитоплазма и ядро клетки в совокупности образуют прото-

пласт, окруженный снаружи цитоплазматической мембраной,

Цитоплазматическая мембрана обладает избирательной проницае-

мостью - пропускает внутрь клетки и отводит из нее определенные вещества.

Благодаря такой способности мембрана играет роль органнеллы, концентри-

рующей питательные вещества внутри клетки и способствующей выведению

наружу продуктов жизнедеятельности.

Ретикулум (эндоплазматическая сеть) пронизывает всю цитоплазму клет-

ки, образуя многочисленные каналы и полости. Ретикулум состоит из цито-

плазматических мембран.

Рибосомы имеют вид мелких зернышек, локализованных во внутрикле-

точных мембранах, образующих эндоплазматическую сеть. Рибосомы богаты

рибонуклеиновой кислотой (РНК). В них осуществляется синтез белка.

В митохондриях протекают окислительные процессы, сопровож-

дающиеся образованием энергии (дыхание).

Комплекс Гольджи представляет собой тельца серповидной или палоч-

ковидной формы. Важнейшей функцией комплекса Гольджи является накопле-

ние продуктов обмена перед выводом их из клетки. Одним из продуктов ком-

плекса являются лизосомы – округлые включения диаметром около 1 мкм,

внутри которых сосредоточены ферменты, способные расщеплять питательные

вещества.

Лизосомы – клеточные структуры (маленькие мембранные пузырьки),

содержащие ферменты, способные расщеплять органические вещества. Они

способны переваривать не только пищу, попавшую в клетку, но и части самой

клетки, вышедшие из строя. При разрыве мембраны лизосом ферменты прони-

кают в цитоплазму и вызывают растворение клетки.

Явления пиноцитоза и фагоцитоза. Сущность этих явлений состоит в

переносе небольших капелек жидкости (пиноцитоз) или твердых частиц (фаго-

167

цитоз) в клетку в результате втягивания участка цитоплазматической мембраны

внутрь, отрыва образовавшегося мешочка и превращения его в вакуоль, которая

сливается с лизосомой, при этом вещества, попавшие в клетку, подвергаются

гидролизу.

Вирусы (от лат. virus – яд) отличаются от других микроорганизмов отсут-

ствием клеточной структуры. Они не имеют ни ядра, ни оболочки, ни цитоплаз-

мы. Размеры структурных единиц вирусов (вирионов) колеблются от 10 до 300

нм.

Фаги, развивающиеся в клетках бактерий, называются бактериофагами,

актиномицет – актинофаги, грибов – микофаги, водорослей – альгофаги.

Бактерии. Размер клеток бактерий обычно изменяется от 0,4 до 10 мкм.

По форме клеток бактерии делятся на группы шаровидные, палочковидные и

извитые.

Классификация бактерий шаровидной формы (кокков). Если после де-

ления клетки отходят друг от друга, то образуются одиночные клетки – микро-

кокки. При делении, происходящем в одном направлении, кокки могут оста-

ваться соединёнными попарно, образуя диплококки, объединяться по четыре –

тетракокки, по восемь и более клеток. Кокки, соединённые в цепочку, называ-

ются стрептококками. При делении клеток в трёх взаимно перпендикулярных

направлениях происходит образование групп клеток, отличающихся плотной

упаковкой – сарцин. Если же деление клеток идёт беспорядочно, то образуются

группы бактерий, напоминающих по внешнему виду виноградную гроздь –

стафилококки.

Палочковидные бактерии по наличию жгутиков классифицируются на

монотрихи - имеют один жгутик, лофотрихи - жгутики располагаются пучками

на одном или обоих концах клетки, амфитрихи - имеется по одному жгутику на

обоих концах клетки, перитрихи - жгутики покрывают всю поверхность клетки.

Клостридии (от англ. closter – веретено) - веретенообразные спороносные

палочковидные бактерии.

Бациллы - спороносные палочковидные бактерии.

Извитые формы отличаются количеством витков и классифицируются

на три группы. Бактерии, имеющие небольшой изгиб - до ¼ витка, называются

вибрионами; с одним или несколькими витками – спириллами; длинные, тон-

кие клетки с большим количеством витков – спирохетами.

Нитчатые бактерии размножаются при помощи гонидий и конидий –

особых спороподобных овальных телец, возникающих из концевых клеток ни-

ти. Гонидии – подвижные тельца, имеющие жгутики. Конидии – неподвижные

клетки.

Автотрофы (autos – сам; trophe – пища) – бактерии использую-

щие углерод неорганических соединений. Они в свою очередь подраз-

168

деляются на: фотоавтортрофы – получают энергию при фотосинтезе;

хемоавтотрофы - энергию получают при хемосинтезе (окисление

; O

; S; Fe

)

Гетеротрофы (heteros – другой) – бактерии для синтеза своего

тела требуют готовые органические вещества;

Паратрофы (паразиты) – нуждаются в живом белке, т.е. питают-

ся органическим веществом, входящим в состав живого организма.

Фотосинтезирующие пигменты водорослей: зеленый — хлорофилл,

синий - фикоциан, бурый - фукоксантин, красный - фикоэритрин, оранжевые

- каротин и ксантофилл.

Биотехнология - это интегрированное использование биохимии,

микробиологии и инженерных наук с целью технологического при-

менения способностей микроорганизмов. Многоликость биотехноло-

гии видна из того, что она охватывает многие науки, такие как: генети-

ка, микробиология, технология пищевых продуктов, химическая тех-

нология, электроника.

Задачи Биоинженерии: создание аппаратуры биотехнологиче-

ских процессов (биореакторов, специфичных систем аэрации, тепло-

обмена, перемешивания, стерилизации питательных сред и воздуха),

разработка контрольной и измерительной техники, а также масштаби-

рование и моделирование биотехнологических процессов.

Объектами биотехнологии являются отдельные части клеток

(митохондрии, рибосомы, хромосомы, мембраны и т.д.), сами клетки и

их коллективы - клеточные культуры, отдельные микроорганизмы

(грибы, водоросли, бактерии, простейшие, вирусы и т. д.), и их коло-

нии, а также - самостоятельные многоклеточные растительные и жи-

вотные микроорганизмы.

Периоды развития биотехнологии. На третьем съезде Европей-

ской ассоциации биотехнологов (Мюнхен, 1984г) голландский ученый

Е. Хаувинк разделил историю развития биотехнологии на пять пе-

риодов, учитывая основные открытия, способствующие ее развитию:

допастеровская эра (до 1858г); послепастеровская эра (1858 г. – 1949

г.); эра антибиотиков (1941 г. – 1960 г.); эра управляемого биосинтеза

(1961 г.- 1975 г.); новая

эра (после 1975 г.).

Биотрансформация — процесс изменения химической структуры

вещества под действием ферментативной активности клеток микроорга-

низмов или готовых ферментов.

Биотрансформация - процесс, в результате которого под воздейст-

вием биохимической деятельности микроорганизмов или ферментов про-

исходит изменение химического состава исходного химического вещества.

169

Кроме того, в процессе биотрансформации используют обычно уже го-

товый биологический агент — клетки микроорганизмов или ферменты, в

ходе самого процесса биотрансформации они не образуются.

Ферментация – это процесс, в котором происходит преобразова-

ние исходного сырья в продукт с использованием биохимической дея-

тельности микроорганизмов или изолированных клеток.

Биокатализ — химические превращения вещества, протекающие с

использованием биокатализаторов-ферментов.

Биоокисление — потребление загрязняющих веществ с помощью

микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных усло-

виях.

Метановое брожение — переработка органических отходов с по-

мощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных усло-

виях.

Биокомпостирование — снижение содержания вредных органи-

ческих веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, кото-

рым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения дос-

тупа воздуха и равномерного увлажнения.

Биосорбция — сорбция вредных примесей из газов или жидкостей

микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых

носителях.

Бактериальное выщелачивание — процесс перевода нерастворимых

в воде соединений металлов в растворенное состояние под действием

специальных микроорганизмов.

Биодеградация — деструкция вредных соединений под воздей-

ствием микроорганизмов – биодеструкторов.

Ферменты специфические катализаторы, имеющих белковую природу.

Ферменты также называют энзимами. Наука, изучающая ферменты и фермен-

тативные реакции называется энзимологией.

Классификация ферментов. Все ферменты могут классифицироваться

в зависимости от реакций которые они ускоряют: оксиредуктазы - ускоряют

окислительно-восстановительные реакции; трансферазы - ускоряют перенос

атомной группы радикалов от одного соединения к другому; гидролазы - ус-

коряют процесс разложения, протекающие с участием воды; дегидрогеназы-

осуществляют перенос Н; изомеразы – способны ускорять процессы внут-

ренней перегруппировки молекул; синтетазы – определяют возможность син-

теза сложных соединений из простых.

Иммобилизация - это прикрепление фермента к некоторому нерас-

творимому носителю, причем таким образом, чтобы фермент мог обме-

ниваться с раствором молекулами субстрата и продукта.

170

Методы иммобилизации ферментов: адсорбция на носителе, включе-

ние в гель,ковалентное связывание с носителем, поперечная «сшивка» моле-

кул фермента при помощи бифункциональных реагентов, адсорбция на но-

сителе с последующей поперечной «сшивкой», включение в полу-

проницаемые капсулы, сополимеризация фермента и по-

лимера-носителя, физическое смешение.

Абсолютная скорость роста (валовая) характеризуется приростом

биомассы за единицу времени V = dm / dt.

Относительная скорость роста (удельная) – это абсолютная ско-

рость роста культуры отнесенная к единицы исходной биомассы M = V / m.

Фазы периодической ферментации - лаг-фаза,фаза ускорения рос-

та, фаза экспоненциального роста,фаза замедления роста, стационарная

фаза,фаза отмирания.

БПК - (биохимическая потребность в кислороде) - потребное

для полного окисления органических веществ количество

кислорода,

БПК является мерой количества органического вещества, способного

окисляться бактериями в аэробных условиях.

Активный ил и биопленка представляют собой сообщество

микроорганизмов, основную часть которого составляют бактерии, в

незначительном количестве присутствуют различные виды простей-

ших, коловратки, некоторые виды червей.

Активный ил – это свободно перемещающиеся в очищаемой во-

де микроорганизмы. Активный ил

применяется в аэротенках.

Биопленка – сообщество прикрепленных (иммобилизованных)

на специальной загрузке микроорганизмов. Биопленка развивается в

биофильтрах.

Сапробность – это комплекс физиологических свойств данного

организма, обуславливающий его способность развиваться в воде с тем

или иным содержанием органического вещества, с той или иной степе-

нью загрязнения».

Токсобность -это свойство гидробионтов выживать в водах с

различной

степенью загрязнения токсичными веществами.

Медицинская микробиология изучает патогенные для человека

микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы, простейшие), вызываемые

ими заболевания, а также разрабатывает технологию получения из

микроорганизмов разнообразных продуктов – антибиотиков, вакцин,

ферментов, белков, витаминов.

Нитрификация - удаление из сточных вод аммонийного азота

осуществляется автотрофными бактериями, использующими для пита-

ния неорганический углерод (углекислоту, карбонаты,

бикарбонаты).