Сартакова О.Ю. Промышленная микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

есть как одиночные (Vorticella convallaria), так и колониальные формы

(Opercularia glomerata).

Подкласс сосущих инфузорий (Suctoria) представлен сидячими

формами, лишенными во взрослом состоянии ресничек и не имеющи-

ми рта. Сосущие формы инфузорий ведут сидячий образ жизни, при-

крепляясь несократительным стебельком к растениям, раковинам

моллюсков, хлопьям ила. Ведут паразитический образ жизни. Питают-

ся эти инфузории с помощью

особых сосательных щупалец – тонких

трубочек с внутренним каналом и отверстием на конце, которыми они

ловят добычу (главным образом ресничных инфузорий). Присасываю-

щая сила очень велика. Пелликула пойманной инфузории растворяет-

ся, и эндоплазма по каналу щупалец перетекает внутрь сосущей инфу-

зории.

1.3.9 Коловратки

Коловратки (Rotatoria) - представители животного мира, имеют

более сложное строение

, чем простейшие. Это многоклеточные орга-

низмы, имеющие членистое строение панциря. Размер их достигает

2 мм. Относятся к седиментаторам, т.е. метод введения в организм пи-

щи основан на осаждении (седиментации) взвеси (рис. 15). В передней

части имеется ротовое отверстие округлой формы, окружённое много-

численными ресничками. У коловратки имеется примитивная пищева-

рительная система

. Продукты обмена удаляются с помощью выдели-

тельных органов. Мерцательный аппарат (реснички) служит для созда-

ния направленного тока воды, в которой присутствуют микроорганиз-

мы, частицы взвешенного органического вещества, составляющие пи-

щу коловраток. Движутся с помощью коловращательного аппарата

ноги, выступающей из панциря в задней части. Нога используется так-

же для прикрепления к

субстрату. У большинства коловраток имеются

глаза в виде красных пятен. Коловратки – аэробы, чувствительны к не-

достатку кислорода. Предельно высокой для них является температура

50˚С. При неблагоприятных условиях, животное образует цисты, при

этом голова и ноги втягиваются в панцирь. Коловратки чувствительны

к изменению активной реакции среды. Они используются как индика-

торные

организмы при оценке работы очистных сооружений в аэроб-

ных условиях.

Рисунок 15 - Коловратки

2 ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Биотехнология предполагает использование в промышленной

практике биологических систем или процессов.

Согласно определению Европейской ассоциации биотехнологов

(третий съезд, Мюнхен, 1984 г): Биотехнология - это интегрированное

использование биохимии, микробиологии и инженерных наук с целью

технологического применения способностей микроорганизмов. Она

создает возможность получения с помощью легко доступных и

возоб-

новляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для

жизни и благосостояния людей.

Согласно определению Европейской биотехнологической федера-

ции, созданной в 1987 г., биотехнология на основе применения знаний

и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической техники

позволяет извлекать выгоду в технологических процессах из свойств

микроорганизмов и клеточных культур.

Использование научных достижений

в биотехнологии тесно свя-

зано с фундаментальными исследованиями в различных областях зна-

ний и осуществляется на самом высоком уровне современной науки. В

течение последних десятилетий в нашей стране создана новая отрасль

– микробиологическая промышленность с самой большой в мире мощ-

ностью производства кормовых дрожжей и парафинов. Разработано

отечественное производство кормового лизина

, различных фермент-

ных препаратов и др. Развивается производство микробиологических

продуктов на предприятиях медицинской и микробиологической, пи-

щевой промышленности, а также в сельском хозяйстве и на заводах

химреактивов в химической промышленности.

Многоликость биотехнологии видна из того, что она охватывает

многие науки, такие как: генетика, микробиология, технология пище-

вых продуктов, химическая технология, электроника. Все они вносят

вклад в развитие биотехнологии.

В промышленном масштабе подобная биотехнология представ-

ляет собой уже

биоиндустрию. Последняя включает в себя, с одной

стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успе-

хом заменить широко используемые в настоящее время традиционные

методы, а с другой – отрасли, в которых биотехнология играет веду-

щую роль.

Среди первых в области химической промышленности можно на-

звать синтез искусственных приправ, полимеров и

сырья для текстиль-

ной промышленности, в области энергетики – получение метанола,

этанола, биогаза и водорода, в области биометаллургии – извлечение

некоторых металлов.

Во второй группе отраслей биотехнология охватывает: произ-

водство продовольствия (широкомасштабное выращивание дрожжей,

водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витами-

нов, а так же для использования их ферментов); увеличение продуктив-

ности сельского хозяйства (клонирование и селекция сортов растений,

исходя из тканевых и клеточных культур, производство биоинсектици-

дов); фармацевтическую промышленность (разработка вакцин, синтез

гормонов, интерферонов и антибиотиков); защиту окружающей среды

и уменьшение ее загрязнения (очистка сточных вод, переработка хо-

зяйственных отходов, изготовление компоста, а так же производство

соединений, поддающихся расщеплению микроорганизмами).

Тесно

связана с биотехнологией биоинженерия. Ее задачи - соз-

дание аппаратуры биотехнологических процессов (биореакторов, спе-

цифичных систем аэрации, теплообмена, перемешивания, стерилиза-

ции питательных сред и воздуха), разработка контрольной и измери-

тельной техники, а также масштабирование и моделирование биотех-

нологических процессов.

2.1 Объекты биотехнологии

Объектами биотехнологии являются отдельные части клеток (ми-

тохондрии, 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 колонии, а так-

же - самостоятельные многоклеточные растительные и животные ми-

кроорганизмы.

Микроорганизмы - это удивительно совершенные творения при-

роды. Микробная клетка в состоянии жить и размножаться, используя

в качестве источника питания часто только один-единственный орга-

нический субстрат и минеральные соли. Бактерии способны

жить в

аэробных и анаэробных условиях при температурах, близких к 0 и

+80

С. Отдельные виды микроорганизмов находят в струях гейзеров

при температурах 105

С, в сверхсоленых озерах, например в зна-

менитом Мертвом море, в вечной мерзлоте Арктики, в океане на глу-

бине 11 км, в атмосфере на высоте 41 км. Некоторые бактерии пре-

красно себя чувствуют в воде, охлаждающей ядерные реакторы, оста-

ются жизнеспособными, получив дозу радиации в 10 тысяч раз превы-

шающую смертельную дозу для человека

. Они выдерживают двухне-

дельное пребывание в глубоком вакууме, не погибают в открытом

космосе в течение 18 ч под смертоносным воздействием солнечной ра-

диации. Совершенный, точно регулируемый метаболизм микробной

клетки позволяет ей расти с огромной скоростью. Так деление бакте-

рий Escherichia coli (кишечная палочка), при росте на полноценной

среде, происходит каждые 30 мин. Если сравнить

клетку с машиной, то

это очень совершенная машина, имеющая коэффициент полезного дей-

ствия до 70 % (превращение углерода субстрата в углерод клеточной

биомассы).

Быстрый рост численности населения нашей планеты и исчерпа-

ние природных ресурсов - источников питания, кормов и сырья для пе-

рерабатывающей промышленности - не позволяют развивать народное

хозяйство традиционными методами. Это определяет актуальность

развития биотехнологических процессов сегодня и позволяет считать

их наиболее перспективными.

2.2 Прошлое и настоящее биотехнологии

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет. По сви-

детельству легенд и народных сказаний древности, люди с незапамят-

ных времен готовили из сока винограда вино, делали сыр из скисшего

молока, поражали врагов и диких зверей стрелами

, наконечники кото-

рых были пропитаны смертельным ядом. Археологические раскопки в

Двуречье помогли найти сохранившиеся остатки пекарен и пивоварен,

которые были построены соответственно за 6000 и 2000 лет до н.э.

Человек наблюдал многие удивительные явления, происходящие

в живых организмах, таких как: свертывание крови, дозревание и раз-

ложение мясных, рыбных и растительных продуктов. Почему все это

происходило, он долгое время не мог объяснить. Наши предки не име-

ли представления о процессах, лежащих в основе знакомых им техно-

логий домашнего производства продуктов питания

и их хранения. Они

действовали интуитивно, пользуясь микроорганизмами, не догады-

ваясь об их существовании. Но в течение тысячелетий успешно приме-

няли метод микробиологической ферментации для приготовления и

сохранения пищи.

И лишь в начале 19 века, были обнаружены вещества, вызываю-

щие подобные превращения. Они получили названия ферментов. Люди

научились делать мыло из

жиров, изготавливать простейшие лекарства

и перерабатывать отходы.

Становлению и развитию биотехнологии как науки предшество-

вали открытия в области микробиологии таких ученых как: Хук, Ле-

венгук, Женнер, Пастер, Кох и др.

Первым из людей, заглянувших в таинственный мир микроорга-

низмов, стал голландский естествоиспытатель Антони ван Левенгук

(1632 г. - 1723 г.). Он изготовил линзы,

которые увеличивали в 100-300

раз. Самостоятельно шлифуя оптические стекла, он добился пре-

восходного качества. Рассматривая с их помощью растворы и настои,

он увидел причудливых "зверушек", постоянно снующих в разные сто-

роны. Левенгук назвал их "анималькулюс", что по латыни означает

"зверушка". Он первым описал и зарисовал микроорганизмы. В письме

№ 17 в Лондонское

королевское общество он так описывает это откры-

тие: «После всех попыток узнать, какие силы в корне действуют на

язык и вызывают его раздражение, я положил приблизительно пол-

унции корня в воду: в размягченном состоянии его лучше изучать. Ку-

сочек корня оставался в воде около трех недель. 24 апреля 1676 г. я по-

смотрел на эту воду под микроскопом и с большим удивлением увидел

в ней огромное количество мельчайших живых существ».

В конце 19 века благодаря трудам французского ученого Луи Па-

стера были созданы реальные предпосылки для дальнейшего развития

прикладной микробиологии, а также в значительной мере и биотехно-

логии. Пастер всегда стремился к тому,

чтобы его работы непосред-

ственно служили людям. Он знал, какую огромную роль играет вино-

делие в развитии экономики Франции. Порча вина приносила стране и

виноделам большие убытки. Требовалось найти научное объяснение

причинам вызывающим это явление. Будучи ценителем и любителем

вина, Пастер стал изучать процесс брожения, который считался многи-

ми учеными чисто химическим явлением. Ученый сделал вывод о том,

что брожение происходит только в присутствии живых организмов -

дрожжей и является биологическим явлением. Порчу вина он объяснил

тем, что при попадании бактерий в вино происходит вытеснение

дрожжей и вино превращается в уксус

. Для предотвращения порчи Па-

стер предложил сразу по окончании брожения подогревать вино до

С - 70

С, не доводя до кипения. Вкус вина при этом сохраняется, а

бактерии погибают. Этот процесс теперь называют пастеризацией. Так

обрабатывают молоко, пиво, вино.

Таким образом, Луи Пастер установил, что микробы играют клю-

чевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании от-

дельных продуктов участвуют различные их виды. Его исследования

послужили основой развития в конце 19 и начале 20 веков бродильного

производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола

и изопропанола) и других химических веществ, где использовались

разнообразные виды микроорганизмов. И сегодня многие химические

соединения получают путем брожения, самым выгодным с экономиче-

ской точки зрения способом.

Пастер открыл возможность жизни без кислорода. Так живут,

частности, масляно-кислые бактерии, делающие горьким вино, молоко,

пиво.

К дальнейшему изучению микроорганизмов Пастера подтолкнула

смерть дочери Жанны от тифа. Он предположил, что бактерии вызыва-

ют не только "болезни вина", но и людей. Пастер доказал, что, приви-

вая ослабленных микроорганизмов - возбудителей, можно создавать у

организма невосприимчивость к болезни - иммунитет. Прививочный

материал Пастер назвал вакциной. Открыл вакцину против бешенства.

В настоящее время процессы биохимической технологии широко

используются при производстве ценных биологически активных ве-

ществ (антибиотиков, ферментов, гормонов и др.), для предотвращения

загрязнения окружающей среды, защиты растений от болезней и вре-

дителей, в крупномасштабном производстве белков и аминокислот,

предназначенных в качестве добавок

к кормам в животноводстве.

Новая биотехнология началась после открытия Дж. Уотсоном и

Ф. Криком строения ДНК. Главным объектом исследований до сих

пор остается живая клетка, но центральное место в экспериментах за-

нимают манипуляции с ДНК. Пользуясь методами генетической инже-

нерии, создаются искусственные, заранее запрограммированные струк-

туры в виде рекомбинантных ДНК, осуществляют

трансплантацию ге-

нов между разными видами микробных клеток, а также между клетка-

ми одноклеточных и многоклеточных организмов. Многообразны био-

технологические манипуляции с клеточными структурами и протопла-

стами. Развитие генетической и клеточной инженерии позволило полу-

чать ранее недоступные вещества - в первую очередь лекарственные

препараты (интерфероны, гормоны роста, инсулин человека и др.). Раз-

работка методов

генетической инженерии, основанных на создании ре-

комбинантных ДНК, привела к "биологическому буму", свидетелями

которого мы являемся. Эти методы не только открывают возможности

улучшения уже освоенных процессов и продуктов, но и дают нам со-

вершенно оригинальные способы получения новых веществ, позволя-

ют осуществлять новые процессы.

На третьем съезде Европейской ассоциации биотехнологов

(Мюнхен, 1984г) голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю

развития биотехнологии на пять периодов, 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.).

2.3 Перспективы развития биотехнологии

Дальнейший

прогресс человечества связывают с активным вне-

дрением во все сферы жизни электроники и биотехнологии.

Биотехнология должна решать глобальные проблемы современ-

ной цивилизации: угроза экологического и энергетического кризисов,

истощение запасов полезных ископаемых, нехватка продовольствия.

Сфера применения методов биотехнологии расширится и будет

охватывать такие области, как:

• пищевая промышленность (продукты питания и

пищевые до-

бавки);

• сельскохозяйственное производство (выведение новых и про-

дуктивных видов сельскохозяйственных растений и животных и пере-

работка сельскохозяйственных отходов, борьба с болезнями растений и

животных);

• здравоохранение (диагностика, профилактика и лечение забо-

леваний с применением современных медикаментов и медицинской

техники);

• химическая промышленность (производство клеев, детерген-

тов, красителей, волокон, вкусовых добавок, желирующих веществ, за-

густителей, душистых веществ, пигментов, смазок, восков и др.);

• биоэнергетика (применение и использование нетрадиционных

источников энергии);

• мониторинг и охрана окружающей среды

(воздух, вода и поч-

ва), обезвреживание твердых отходов, очистка сточных вод и газовых

выбросов;

• биогеотехнология - добыча минерального сырья на суше и в

море;

• биоэлектроника, фотография, аналитические приборы.

2.4 Основные виды биотехнологической деятельности

микроорганизмов

Представим виды биохимической деятельности микрообъектов,

используемые в биотехнологии.

1. Наращивание клеточной массы, которая и представляет

собой

продукт. К такому классу технологий относится получение пекарских

дрожжей, кормовых дрожжей, многих вакцин.

2. Образование (биосинтез) в процессе роста и развития клеток

ценных биохимических продуктов. Некоторые из них выделяются в

среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе

(внутриклеточные продукты). В этих случаях производство существует

ради получения таких продуктов, а не

самой биомассы, которая часто

является балластом.

3. Биотрансформация - процесс, в результате которого под воз-

действием биохимической деятельности микроорганизмов или фер-

ментов происходит изменение химического состава исходного химиче-

ского вещества. Кроме того, в процессе биотрансформации используют

обычно уже готовый биологический агент — клетки микроорганизмов

или ферменты, в ходе самого процесса биотрансформации они не

обра-

зуются.

Пример процесса биотрансформации — превращение глюкозы во

фруктозу под воздействием фермента глюкозоизомеразы. Оба сахара

имеют одну формулу С

, но различную пространственную струк-

туру молекулы.

Интересно, что подобный процесс в природе осуществляют пче-

лы (если кормить их глюкозой). Но поскольку здесь в операции прини-

мает участие макроорганизм — пчела, мы не можем данный процесс

назвать биотехнологическим.

Или другой пример. Глицерин, представляющий собой трехатом-

ный спирт, под воздействием клеток глюконобактерий превращается в

диоксиацетон:

С Н

-ОН Н С

-ОН

| |

СН-ОН → С=О +

| |

С Н

-ОН С

-ОН

Как следует из схемы реакции, небольшое изменение в структуре

молекулы (уходят два атома водорода, то есть происходит дегидриро-

вание) приводит к образованию нового вещества, по своим свойствам

заметно отличающегося от исходного — глицерина.

4. Потребление микроорганизмами из жидких сред различных ве-

ществ, которые являются нежелательными примесями (загрязне-

ниями). Здесь биомасса микроорганизмов

служит промежуточным

агентом, по окончании процесса она становится ненужной. Такие про-

цессы применяют при биологической очистке сточных вод. Продуктом

здесь является очищенная вода, а биомасса активного ила, которая по-

требляет загрязнения, все время отводится от системы и затем обезвре-

живается или перерабатывается для получения из нее других полезных

продуктов.

5. Выщелачивание

с помощью микроорганизмов, то есть перевод

в растворенное состояние некоторых веществ, находящихся в твердых

телах. Примером является микробиологическое выщелачивание цен-

ных металлов из руд — меди, цинка, урана и др.

6. Особым случаем является использование биохимической дея-

тельности микроорганизмов с целью образования газов и за счет этого

создания, например, пористых материалов. Так

, для этого используют

дрожжи при приготовлении хлеба. Одно из назначений дрожжей при

получении пива или шампанского — также создать в среде высокую

концентрацию растворенного диоксида углерода, чтобы вино или пиво

хорошо пенилось.

Рассмотренные шесть основных направлений биохимической дея-

тельности микроорганизмов являются основой для получения широко-

го класса продуктов биотехнологии.

2.5 Преимущества биотехнологических процессов

По сравнению с химической технологией, биотехнология имеет

следующие основные преимущества:

1) возможность получения специфичных и уникальных

природных веществ, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не

удается получать путем химического

синтеза;

2) проведение биотехнологических процессов при относи-

тельно невысоких температурах и давлениях;

3) микроорганизмы имеют значительно более высокие ско-

рости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы. На-

пример, с помощью микроорганизмов в ферментаторе объемом 300 м

за сутки можно выработать 1 т белка (365 т/год). Чтобы такое же коли-

чество белка в год выработать с помощью крупного рогатого скота,

нужно иметь стадо 30 000 голов. Если же использовать для получения

белка с такой же скоростью производства бобовые растения, например

горох, то потребуется иметь поле гороха площадью 5400 га;

4) в

качестве сырья в процессах биотехнологии можно ис-

пользовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;

5) биотехнологические процессы по сравнению с химиче-

скими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов,

близки к протекающим в природе естественным процессам;

6) как правило, технология и аппаратура в биотехнологиче-

ских производствах более просты и дешевы.

3 ТИПОВАЯ СХЕМА И ОСНОВНЫЕ СТАДИИ

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Продукты биотехнологии получают по индивидуальным техноло-

гиям со своими биологическими агентами, сырьем, числом стадий

производства и их технологическими режимами. Тем не менее, можно

представить себе обобщенную типовую схему биотехнологических

производств.