Экологическая биотехнология

Лекция 1

Введение в дисциплину

1. Биотехнология как наука

2. Этапы истории развития биотехнологии

3. Направления биохимической деятельности микроорганизмов для получения продуктов биотехнологии

4. Преимущества биотехнологических процессов

5. Значение биотехнологии для различных областей народного хозяйства

Биотехнология как наука

 

Биотехнология – это совокупность промышленных методов, в которых используют живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов.

 

Объекты биотехнологии:

· вирусы;

· бактерии;

· грибы (микро- и макромицеты);

· протозойные организмы;

· клетки и ткани растений, животных и человека, а также некоторые биогенные и функционально сходные с ними вещества (ферменты, простагландины, лектины и др.).

 

Этапы истории развития биотехнологии

 

1. Эмпирический период. Насчитывает около 8 тыс. лет. Люди интуитивно использовали биотехнологические процессы для получения хлеба, пива, уксуса, кисломолочных продуктов, силосования кормов и т.д.

 

2. Этиологический период (1856-1933 гг.). Открыта микробная природа брожения, оригинальный метод стерилизации – пастеризация, созданы научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии (Л. Пастер). Развивается учение о грибах (микология), создаются питательные среды для культивирования различных биообъектов, созданы простые установки для очистки сточных вод и др.

 

3. Биотехнический период (1934-1971 гг.). Развивается производство антибиотиков, выделен нуклеопротеин (ДНП), разработана кинетика ферментативных реакций, выяснены условия, необходимые для культивирования клеток растений, животных и человека и др.

 

4. Геннотехнический период (с 1972 г.). Создана рекомбинантная молекула ДНК, генно-инженерный инсулин, развивается хромосомная и клеточная инженерия, развиваются новые направления (медицинская биотехнология, иммунобиотехнология, биогеотехнология, инженерная энзимология).

 

Направления биохимической деятельности микроорганизмов

Для получения продуктов биотехнологии

 

При применении микроорганизмов преследуются следующие цели:

1. Наращивание клеточной массы (получение пекарских и кормовых дрожжей, вакцин).

2. Биосинтез ценных биохимических продуктов в процессе роста и развития клеток.

3. Биотрансформация (превращение глюкозы во фруктозу под действием фермента глюкозоизомеразы).

4. Потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ (биологическая очистка сточных вод).

5. Выщелачивание с помощью микроорганизмов (выщелачивание ценных металлов из руд – меди, цинка, урана и др.)

6. Использование биохимической деятельности микроорганизмов с целью образования газов (это одно из назначений дрожжей при получении пива или шампанского).

 

Преимущества биотехнологических процессов

По сравнению с химической технологией биотехнология имеет следующие преимущества:

1. можно получить специфичные и уникальные природные вещества, часть из которых (например, белки, ДНК) еще не удается получать путем химического синтеза;

2. биотехнологические процессы можно вести при относительно невысоких температурах и давлении;

3. микроорганизмы имеют значительно более высокие скорости роста и накопления клеточной массы, чем другие организмы. [ Например, с помощью микроорганизмов в ферментере объемом 300 м³ за сутки можно выработать 1 т белка (365 т/год). Чтобы такое же количество белка в год выработать с помощью крупного рогатого скота, нужно иметь стадо 30 000 голов. Если же использовать для получения такой скорости производства белка бобовые растения, например горох, то потребуется иметь поле гороха площадью 5400 га ];

4. в качестве сырья можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;

5. биотехнологические процессы обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам;

6. технология и аппаратура более просты и дешевы.

 

Значение биотехнологии для различных областей народного хозяйства

Животноводство, ветеринария

· кормовой белок (продуценты – бактерии, дрожжи, микроскопические водоросли, микро- и макромицеты, которые можно выращивать на различных отходах);

· силос;

· кормовые витамины (А, D, В₂, В_12, С и др.);

· ростовые гормоны белковой природы;

· пробиотики;

· вакцины;

· антибиотики.

Растениеводство

· антибиотики для растений;

· ростовые вещества;

· энтомопатогенные препараты;

· феромонами для борьбы с насекомыми-вредителями;

· бактериальные удобрения;

· безвирусная рассада.

 

Пищевая промышленность

· дрожжи применяются в производстве спирта, вина, пива, кваса, хлебобулочных изделий;

· различные микроорганизмы в виде заквасок применяют для получения кисломолочных продуктов, сырокопченых колбас;

· пищевые подкислители (лимонная, яблочная, молочная и другие кислоты);

· глутаминовая кислота (глутамат);

· витамины (бета-каротин (провитамин А) применяют как пищевой краситель (оранжевого цвета);

· ферменты микробного происхождения (целлюлаза – для приготовления растворимого кофе, улучшения консистенции грибов и овощей; глюкозооксидаза – для удаления кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, соков; протеаза – для размягчения мяса; бета-галактозидаза – для получения «безлактозного» молока; пектиназа – для осветления соков и др.);

· пищевые загустители (полисахариды микробного происхождения; декстран – стабилизатор при производстве мороженого);

· пищевые консерванты (низин – выделяется специальными штаммами молочнокислых бактерий).

Экологическая биотехнология

· аэробная биологическая очистка сточных вод с помощью активного ила;

· аэробное биокомпостирование твердых отходов (удобрение);

· анаэробное сбраживание жидких концентрированных отходов (биогаз);

· биофильтры для очистки газовых выбросов;

· биоремедиация загрязненных территорий при разливах нефти;

· биодеградация химических пестицидов и инсектицидов;

· методы снижения концентрации метана в шахтах;

· стиральные порошки с ферментами микробного происхождения (протеазами).

Медицина

· вакцины;

· антибиотики;

· витамины (В₂, В₁₂, D; в химическом производстве витамина С имеется одна биотехнологическая стадия);

· инсулин;

· гормон роста (соматотропный гормон);

· иммуномодуляторы;

· иммунодепрессанты;

· кровезаменители;

· медицинские ферменты (стрептокиназа – растворяет тромбы в кровеносных сосудах; протеаза – очистка гнойных очагов, лечение ожогов);

· медицинские аминокислоты для белкового питания или спортсменов;

· подсластители (аспартам в 160-200 раз слаще сахара);

· женьшень (культивирование изолированных клеток);

· биоразлагаемые полимеры (полигидроксибутират) – в хирургии из него формируют нити, штифты для соединения костей;

· моноклональные антитела – на их основе созданы диагностические препараты по определению беременности, предрасположенности к диабету, ревматоидному артриту, по установлению ряда наследственных заболеваний.

· препараты против комаров;

· косметические токсины.