Пищевая индустрия
Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили молочнокислые бактерии и дрожжи.
Механизм воздействия бактерий и дрожжей состоит в переработке молочного сахара в молочную кислоту, в результате чего нейтральный продукт превращается в молочнокислый.
К молочнокислым бактериям относят:
лактобактерии – грамположительные микроаэрофилы отряда Lactobacillales, неспорообразующие кокки или палочковидные бактерии;
бифидобактерии – спорообразующие термофильные аэробы рода Sporolactobacillus и Bacillus.
Молочнокислые бактерии и дрожжи используют при сквашивании молочных продуктов и овощей, переработке какао-бобов, изготовлении дрожжевого теста. Способность прокариотов оказывать влияние на продукты определяется их высокой ферментативной активностью и определяется выделяемыми ферментами.
В бродильной микрофлоре, помимо молочнокислых бактерий, присутствуют дрожжи, состоящие с бактериями в сложных симбиотических отношениях.
Подобная бродильная закваска с дрожжами используется в хлебопекарной промышленности, особенно при выпечке ржаных хлебов.
Одна из самых древних биотехнологий, используемых человеком, – производство сыров. Использование пропионовокислых бактерий при изготовлении твердых сычужных сыров позволяет получить продукт высокого качества с заданными свойствами.
Эти бактерии не обладают активностью к казеину, но имеют высокую липолитическую активность, в результате которой образуется ряд органических кислот:
уксусная;
изомасляная;
масляная;
изовалериановая;
валериановая;
и диацетил.
Состав продуктов метаболизма бактерий, который и определяет органолептические (вкусовые) свойства конечного продукта (сыра), зависит от штамма микроорганизмов.
Использование в технологической схеме пропионовокислых бактерий придает готовым сырам типичный для них цвет, вкус и аромат, обогащая продукт биологически активными веществами.
Кроме того, пропионовокислые бактерии обладают бактерицидными свойствами, являясь естественными консервантами казеина (молочный белок).
Если для крупных сыров пропионовокислые бактерии являются технологической необходимостью, то для мелких это нежелательная биофлора, наличие которой приводит к нарушению вкусовых характеристик.
Рост пропионовокислой микрофлоры в мелких сырах происходит только в случае нарушения технологических стандартов:
понижении уровня соли;
нарушении температурных условий при созревании.
Промышленность
Выщелачивание
Бактерии способны в процессе своей жизни избирательно извлекать вещества из сложных соединений, растворяя их в воде. Этот процесс носит название бактериального выщелачивания и имеет большое практическое значение:
позволяет извлекать полезные химические вещества из руд, производственных отходов;
удалять ненужные примеси – мышьяк из руд цветных и черных металлов.
Чаще всего в промышленности для бактериального выщелачивания применяют тионовые бактерии:
Thiobacillius ferrooxidans – железобактерии, окисляющие закисное железо и сульфидные минералы.
Thiobacillius thiooxidans – серобактерии, окисляющие серу.
Железная руда - это результат жизнедеятельности бактерий
Железо- и серобактерии являются хемоавтотрофами – процессы окисления сульфидов, оксида железа (ll) и серы для них являются единственным источником энергии.
В промышленности большое практическое значение имеет бактериальное выщелачивание полезных ископаемых (уран, медь) непосредственно на месторождениях.
Процесс не требует сложного оборудования и с учетом возврата в технологический процесс отработанного раствора, содержащего бактерии, имеет ряд значительных преимуществ:
позволяет значительно понизить себестоимость добычи;
значительно расширяет сырьевую базу за счет обедненных, забалансовых или потерянных руд, отходов обогащения, шлаков и др.
В будущем бактериальное выщелачивание позволит создать автоматизированное производство по извлечению металлов непосредственно из недр, минуя сложный и дорогостоящий процесс обогащения породы
Медицинские препараты
Препараты, созданные при участии бактерий, широко применяются в современной медицине и спасли тысячи жизней. Революцией стало появление пенициллина – первого полученного антибиотика.
Антибиотики – вещества, способные подавить рост бактериальных клеток, при этом механизм воздействия может быть различным:
пенициллин разрушает саму оболочку бактерии;
стрептомицин подавляет рибосомы клеток патогенных микроорганизмов.
Поэтому в современной медицине антибиотики являются эффективным средством в борьбе с инфекционными заболеваниями человека, но практически неэффективны против вирусных инфекций.
Современные биотехнологии позволяют осуществлять производство ферментов, гормонов, антибактериальных препаратов и витаминов.
Ферменты (энзимы) – биокатализаторы процессов, увеличивающие скорость протекания реакции в порядки раз в сравнении с химическими катализаторами. Под действием ферментов выход продукции составляет почти 100%, при этом сами ферменты в процессе реакции не расходуются.
Естественным источником ферментов в природе являются бактерии и дрожжи, известно более 3000 ферментов.
Все энзимы по способу получения делят на 2 группы:
внеклеточные;
внутриклеточные.
Ферменты часто применяются человеком на производствах:
пищевом;
фармацевтическом;
кожевенном;
текстильном;
химическом;
в сельском хозяйстве.
Ферментативный спектр
Для каждого вида бактерий характерны свои наборы ферментов, что позволяет использовать ферментный спектр как важный метод идентификации бактерий.
Существует множество методик идентификации бактерий, которые решают одну задачу – определить таксономическое положение микроорганизма.
Бактериологическая практика идентифицирует бактерии по морфологическим, генотипическим, культурным, тинкториальным, патогенным и другим признакам, используя определители.
Одним из самых популярных является определитель Берджи – бактерии в определителе разделены на группы по различным признакам, внутри группы тоже происходит разделение по признакам.
Определитель микроорганизмов Берджи позволяет достаточно быстро провести идентификацию бактерии и установить ее таксономическое положение.
Другим методом идентификации бактерий является изучение ферментативной активности, чаще всего это исследования на сахаролитическую и протеолитическую активность.
Идентификация бактерий по ферментативной активности
Как экспресс-метод используют тест-системы для идентификации определенной группы микроорганизмов – анаэробов, энтеробактерий и других. Существуют специализированные тест-системы, разработанные для санитарно-микробиологических исследований.
Земледелие
Применение человеком методов биотехнологии в сельском хозяйстве успешно решает целый ряд вопросов:
создание болезнестойких и высокоурожайных сортов растений;
производство удобрений на основе бактерий (нитрагин, агрофил, азотобактерин и др.), в том числе компосты и сброженные (метановое брожение) отходы животноводства;
разработка безотходных технологий для сельского хозяйства.
Растениям в природе необходим азот, но усваивать азот из воздуха они не способны, а вот некоторые бактерии, клубеньковые и цианобактерии, в природе производят около 90% от общего числа связанного азота, обогащая им почву.
В сельском хозяйстве используют растения, содержащие на свои корнях клубеньковые бактерии:
люцерна;
люпин;
горох;
бобовые культуры.
Эти культуры используют в севообороте для обогащения почвы азотом.
Для борьбы с болезнетворными микроорганизмами в растениеводстве вместо фунгицидов используют пробиотики.
Биотехнология при участии генно-инженерных разработок предлагает для борьбы с патогенными микроорганизмами использовать бактерии с нужными свойствами, способные подавить рост патогенных микробов и не имеющие побочных негативных действий.
К ним относятся элитные штаммы бактерий Bacillus subtilis и Licheniformis, полученные в результате направленной селекции. Попадая в организм растения или животного, элитные штаммы микроорганизмов начинают быстро размножаться и подавляют патогенную микрофлору.
Элитные штаммы, как и антибиотики, нейтрализуют вредные микроорганизмы, но не имеют их негативных сторон:
не возникает зависимость или привыкание;
не происходит накопление в организме ядов или токсинов;
не вырабатывается иммунитет.
Применение в сельском хозяйстве пробиотиков успешно в отношении более 70 патогенных микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, включая ранее не подлежащие лечению совсем. Помимо этого, элитные штаммы благотворно воздействуют на вегетацию растений в целом:
созревание плодов требует меньшего времени;
значительно уменьшается содержание в плодах нитратов и других токсинов;
сокращается необходимость в минеральных подкормках растений.
Животноводство
Молочнокислые бактерии используют в производстве силоса – силосовании.
В сельском хозяйстве силосование является одним из основных методов консервации растительной массы и осуществляется путем регулируемого сбраживания под воздействием молочнокислых, кокковидных и палочковидных форм бактерий.
Процесс молочнокислого сбраживания растительной массы требует соблюдения оптимальных для жизнедеятельности бактерий условий:
химический состав растительной массы;
определенный уровень влажности сырья;
оптимальная температура ферментации – 25°С;
молочнокислые бактерии анаэробны – силосование проходит без доступа воздуха.
Полученный в результате молочнокислого сбраживания силос является высококачественным сочным кормом для животных, сохраняющим полезные вещества растительного сырья и имеющим высокую кормовую ценность.
Бактерии разлагают навоз животных, в результате получая метан – углеводородное соединение, которое используется в органическом синтезе.
Экологические проблемы
Одной из основных экологических проблем, стоящих перед человеком сегодня, является проблема очистки воды в природе.
Совместное использование гетеротрофных и автотрофных бактерий позволило добиться значительного успеха – бактерии в природе успешно справляются с очисткой воды, нормализуют ее кислотность, разлагают придонные отложения, в результате чего нормализуется жизнедеятельность всех обитателей водоемов.
Также бактерии в природе способны разлагать компоненты синтетических моющих средств и ряд лекарственных препаратов.
Ксенобактерии успешно используются для очистки в природе почвы и воды при разливе нефти и нефтепродуктов.
Человек использует большое количество воды для своих личных нужд, решая вопрос очистки сточных вод использованием септиков.
Эффективность работы очистных сооружений обеспечивают специальные бактерии, используемые в септиках.
Микроорганизмы, используемые в септиках, разлагают органические соединения любого происхождения, при очистке сточных вод они успешно уничтожают специфический запах.
По составу бактериальная флора септика представляет собой сочетание аэробной и анаэробной культур.
Анаэробные (бескислородные) микроорганизмы осуществляют первичную очистку воды, а аэробные бактерии доочищают и осветляют воду.
бактерии для утилизации содержимого туалета, Водограй
При использовании микроорганизмов для септика существуют определенные правила для очистки сточных вод:
необходимо поддерживать определенный уровень микроорганизмов в септике;
обязательным является наличие воды – без нее микроорганизмы погибнут;
нельзя использовать для очистки агрессивные химические средства – они убьют микроорганизмы.
Инструменты биотехнологических процессов
Основными инструментами биотехнологии для получения наиболее эффективных микроорганизмов являются селекция и генная инженерия.
Селекция – направленный отбор высокоэффективных особей в популяции вследствие естественной мутации микроорганизмов.
В природе процесс достаточно длительный, но под действием мутагенных факторов (жесткое излучение, азотистая кислота и др.) может быть значительно ускорен.
Плюсами селекции являются экологичность, натуральность продукта.
Минусами метода следует считать:
длительность процесса;
невозможность контролировать направление мутации – определяется по конечному результату.
Генно-инженерные методы в биотехнологии
Методы генно-инженерного вмешательства изменяют клетки микроорганизмов и дрожжей, превращая их в эффективных производителей любого белка. Что открывает широкие возможности использования генно-модифицированных клеток микробов и дрожжей для получения конечного организма с заданными характеристиками.