Мікроорганізми як основні об'єкти біотехнології. Роль мікроорганізмів в природі і сільському господарстві Мікроорганізми використовують в промисловому виробництві вітамінів

Використання корисних мікроорганізмів - розділ Біологія, Зміст Роль Мікроорганізмів В Природі І Сільському Господарстві Класифікація ...

Багато мікроорганізмів використовують в промисловому і сільськогосподарському проізводстве.Так, хлібопечення, виготовлення кисломолочних продуктів, виноробство, отримання вітамінів, ферментів, харчових і кормових білків, органічних кислот і багатьох речовин, які застосовуються в сільському господарстві, Промисловості та медицині, засновані на діяльності різноманітних мікроорганізмів. Особливо важливим є використання мікроорганізмів в рослинництві і тваринництві.

Від них залежить збагачення грунту азотом, боротьба з шкідниками сільськогосподарських культур за допомогою мікробних препаратів, правильне приготування і зберігання кормів, створення кормового білка, антибіотиків і речовин мікробного походження для годування тварин.

Мікроорганізми впливають на процеси розкладання речовин неприродного походження - ксенобіотиків, штучно синтезованих, що потрапляють в грунти і водойми та забруднюючих їх. Поряд з корисними мікроорганізмами існує велика група так званих хвороботворних, або патогенних, мікроорганізмів, що викликають різноманітні хвороби сільськогосподарських тварин, рослин, комах і человека.В результаті їх життєдіяльності виникають епідемії заразних хвороб людини і тварин, що позначається на розвитку економіки і продуктивних сил суспільства. Останні наукові дані не тільки істотно розширили уявлення про грунтових мікроорганізмів і процесах, що викликаються ними в навколишнє середовище, але і дозволили створити нові галузі в промисловості і сільськогосподарському виробництві.

Наприклад, відкриті антибіотики, що виділяються грунтовими мікроорганізмами, і показана можливість їх використання для лікування людини, тварин і рослин, а також при зберіганні сільськогосподарських продуктів.

Виявлена \u200b\u200bздатність ґрунтових мікроорганізмів утворювати біологічно активні речовини: вітаміни, амінокислоти, стимулятори росту рослин - ростові речовини і т.д. Знайдені шляхи використання білка мікроорганізмів для годівлі сільськогосподарських тварин. Виділено мікробні препарати, які посилюють надходження в грунт азоту з воздуха.Откритіе нових методів отримання спадково змінених форм корисних мікроорганізмів дозволило ширше застосовувати мікроорганізми в сільськогосподарському та промисловому виробництві, а також в медицині. Особливо перспективним є розвиток генної, або генетичної, інженерії.

Її досягнення забезпечили розвиток біотехнології, поява високопродуктивних мікроорганізмів, які синтезують білки, ферменти, вітаміни, антибіотики, ростові речовини та інші, необхідні для тваринництва і рослинництва продукти.С мікроорганізмами людство стикалося завжди, тисячоліття навіть не здогадуючись про це. З незапам'ятних часів люди спостерігали бродіння тесту, готували спиртні напої, квасять молоко, робили сири, переносили різні захворювання, в тому числі епідемічні.

Свідченням останнього в біблійних книгах служить вказівку про повальної хвороби (ймовірно, чумі) з рекомендаціями спалювати трупи і робити омовенія.Однако до середини минулого століття навіть ніхто не уявляв, що різного роду бродильні процеси і захворювання можуть бути наслідком діяльності мізерно малих істот.

Таким чином, за способом отримання енергії і вуглецю мікроорганізми можна поділити на фотоавтотрофи, фотогетеротрофи, хемоавтотрофи і хемогетеротрофи.

Усередині групи в залежності від природи окисляемого субстрату, званого донором електронів (Н-донором), в свою чергу, виділяють органотрофи, які споживають енергію при розкладанні органічних речовин, і літотрофи (від грец. Lithos - камінь), які отримують енергію за рахунок окислення неорганічних речовин .Тому в залежності від використовуваного мікроорганізмами джерела енергії і донора електронів слід розрізняти фотоорганотрофи, фотолітотрофи, хемоорганотрофи і хемолітотрофамі.

Таким чином, виділяють вісім можливих типів харчування. Кожній групі мікроорганізмів притаманний певний тип харчування. Нижче наведено опис найбільш поширених типів харчування і короткий перелік мікроорганізмів, їх осуществляющіх.Прі фототрофам джерело енергії - сонячне світло. Фотолітоавтотрофія - тип харчування, характерний для мікроорганізмів, що використовують енергію світла для синтезу речовин клітини з С02 і неорганічних сполук (Н20, Н2S, S °), тобто здійснюють фотосинтез.

До даної групи відносять ціанобактерій, пурпурних сірчаних бактерій і зелених сірчаних бактерій. Ціанобактерій (порядок Суаnobасtеriа1еs), як і зелені рослини, відновлюють С02 до органічної речовини фотохимическим шляхом, використовуючи водень води: С02 + Н20 світло-\u003e (СH2 O) * + O2 Пурпурові сірчані бактерії (сімейство Chromatiaceae) містять бактеріохлорофіл а й b, що зумовлюють здатність даних мікроорганізмів до фотосинтезу, і різні каротиноїдні пігменти.Для відновлення С02 в органічну речовину бактерії даної групи використовують водень, що входить до складу Н25. При цьому в цитоплазмі накопичуються гранули сірки, яка потім окислюється до сірчаної кислоти: С02 + 2Н2S світло-\u003e (СH2 O) + Н2 + 2S 3CO2 + 2S + 5H2O світло-\u003e 3 (СН20) + 2Н2S04 Пурпурові сірчані бактерії зазвичай бувають облігатними анаеробами .

Зелені сірчані бактерії (сем. Chlorobiaceae) містять зелені бактеріохлорофіл с, і, в невеликій кількості бактериохлорофилла, а також різні каротиноїди.

Як і пурпурні сірчані бактерії, вони строгі анаероби і здатні окисляти в процесі фотосинтезу сірководень, сульфіди і сульфіти, накопичуючи сірку, яка в більшості випадків окислюється до 50 ^ "2. Фотоорганогетеротрофія - тип харчування, характерний для мікроорганізмів, які для отримання енергії крім фотосинтезу можуть використовувати ще і прості органічні сполуки. До цієї групи належать пурпурові несерние бактеріі.Пурпурние несерние бактерії (сімейство Rhjdospirillaceae) містять бактеріохлорофіл а й b, а також різні каротиноїди.

Вони не здатні окисляти сірководень (Н2S), накопичувати сірку і виділяти її в навколишнє середовище. При хемотрофов енергетичне джерело - неорганічні і органічні соедіненія.Хемолітоавтотрофія - тип харчування, характерний для мікроорганізмів, які отримують енергію при окисленні неорганічних сполук, таких, як Н2, NH4 +, N02 Fе2 +, Н 2 S, S °, S0з2 S20з2 СО і ін. Сам процес окислення називають хемосинтезом. Вуглець для побудови всіх компонентів клітин хемолітоавтотрофів отримують з діоксиду вуглецю.

Хемосинтез у мікроорганізмів (железобактерий і нитрифицирующих бактерій) був відкритий в 1887-1890 рр. відомим російським мікробіологом С.М. Віноградскім.Хемолітоавтотрофію здійснюють нитрифицирующие бактерії (окислюють аміак або нітрити), сірчані бактерії (окислюють сірководень, елементарну сірку і деякі прості неорганічні сполуки сірки), бактерії, що окислюють водень до води, железобактерии, здатні окисляти сполуки двовалентного заліза, і т.д. Подання про кількість енергії, одержуваної при процесах хемолітоавтотрофів, що викликаються зазначеними бактеріями, дають такі реакції: 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 Хемоорганогетеротрофія - тип харчування, характерний для мікроорганізмів, які отримують необхідну енергію і вуглець з органічних сполук.

Серед даних мікроорганізмів багато аеробні і анаеробні види, що мешкають в грунтах та інших субстратах.

Перший тип харчування характерний для вищих рослин, водоростей і ряду бактерій, другий - для тварин, грибів і багатьох мікроорганізмів. Решта типів харчування зустрічаються лише у окремих груп бактерій, що живуть в особливих, специфічних умовах среди.Установлена \u200b\u200bздатність багатьох мікроорганізмів переходити з одного типу харчування на інший.

Наприклад, водородокісляющіе бактерії при наявності 02, на середовищах з вуглеводами або органічними кислотами здатні перемикатися з хемолітоавтотрофів на хемоорганогетеротрофію. Тому їх називають факультативними хемолітоавтотрофами. Мікроорганізми, які не здатні рости в відсутність специфічних неорганічних донорів електронів (наприклад, нитрифицирующие і деякі інші бактерії), називають облігатними хемолітоавтотрофами. У мікроорганізмів відзначена і так звана міксотрофія.Ето тип харчування, при якому мікроорганізм - міксотрофів - одночасно використовує різні можливості харчування, наприклад, відразу окислюючи органічні і мінеральні сполуки, або джерелом вуглецю для нього одночасно можуть служити діоксид вуглецю і органічна речовина і т.д . У природі широко поширені мікроорганізми, джерелами енергії і вуглецю для яких служать одинвуглецевого з'єднання (метан, метанол, форміат, метиламін та ін.). Дані мікроорганізми називають С1 використовують формами, або метілотрофов, а тип їх харчування - метілотрофов. У групі метилотрофних бактерій виділяють облігатні і факультативні види. Перші здатні рости в результаті використання тільки одноуглеродних з'єднань, другі - і на середовищах з іншими речовинами.

Серед метілотрофов є мікроорганізми різних систематичних груп. 48. Участь мікроорганізмів у кругообігу сірки. Процеес мінералізації органічних сполук сірки, сульфофікація, десульфофікація, характеристика збудників, умови, що визначають їх розвиток. Значення перетворень сірки в природі і для сільського господарства.

Сірка - необхідний живильний елемент для організмів.

У грунті вона зустрічається в формі сульфатів - СаS04 2Н20, Nа2S04, К2S04 (NH4) 2S04, сульфідів - FеS2, Na2S, ZnS і органічних соедіненій.Сера міститься в амінокислотах білків рослин, тварин і мікроорганізмів, валові її запаси в грунтах порівняно невеликі, і рослини часто відчувають нестачу в ній. Органічні і неорганічні форми сірки під впливом діяльності мікроорганізмів піддаються в грунті різним перетворенням.

Напрямок трансформацій сполук сірки регулюється в основному факторами зовнішнього середовища. Органічні сполуки сірки можуть бути зруйновані і мінералізовани.В певних умовах відновлені неорганічні сполуки сірки зазнають окислення мікроорганізмами, а окислені (сульфати, сульфіти і ін.), Навпаки, можуть бути відновлені в Н2S. Серед активних окислювачів відновлених неорганічних з'єднань сірки можна виділити чотири групи мікроорганізмів: тіонові бактерії, представлені родами Thiobacillus, Thiosphaera, Thiomicrospira, Thiodendron і Sulfolobus; одноклітинні і багатоклітинні (нитчасті) форми, що утворюють трихоми і ставляться до родів Achromatium, Thiobacterium, Thiospira, Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca і ін .; фотосинтезирующие пурпурні і зелені сірчані бактерії, а також деякі ціанобактерії; хемоорганогетеротрофние організми родів Bacillus, Pseudomonas актиноміцети і гриби (Penicillium, Aspergillus). Мікроорганізми першої групи живуть у грунті.

Нитчасті форми зустрічаються головним чином в грязьових водоймах, можливо, їх розвиток в затоплених грунтах, що містять відновлені форми сірчаних сполук.

Фотосинтезирующие бактерії живуть у водному середовищі (ставки, морські лагуни, озера і т.д.). Найбільш широко поширені тіонові бактерії роду Thiobacillus, вперше виділені з морського мулу в 1902 р Натансоном, а в 1904 р М. Бейеринком.

Представники даного роду здатні окисляти тіосульфат, сірководень, сульфіди, тетратионат і тіоціанати.Наіболее цікаві види: Т. thiooxidans, Т. thioparus, Т. novellus, T. denitrificans, Т. ferrooxidans і ін. Бактерії роду Thiobacillus є неспорообразующие грамнегативні палички довжиною від 1 до 4 мкм, діаметром близько 0,5 мкм. Більшість видів роду рухливі і пересуваються за допомогою полярного джгутика. Джерелом вуглецю для синтезу вуглеводів та інших органічних сполук бактерії служать С02 і бікарбонати.

За винятком Т. novellus і деяких інших видів, що відносяться до факультативним хемолітоавтотрофів і хемолітогетеротрофам представники роду Thiobacillus облігатні хемолітоавтотрофів, тобто живуть за рахунок енергії, що виділяється при окисленні неорганічних сполук сірки. Хід окислювальних процесів, що викликаються сірчаними бактеріями, може бути представлений наступними рівняннями: 2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 5NA2S2O3 + 4O2 + H2O → 5NA2SO4 + H2SO4 + 4S 2NA2S2O3 + 1 / 2O2 + H2O → NA2S4O6 + 2NAOH тетратионат можуть піддаватися подальшому окислювання до сірчаної кислоти: NA2S4O6 + SO2 + 6H + → NA2SO4 + 3H2SO4 Гіпотетична ланцюг реакцій окиснення елементарної сірки бактеріями роду Thiobacillus може бути представлена \u200b\u200bв наступному вигляді: тіосульфат тетратионат S0 → S2O3² → S4 O6² ↓ SO4² ← SO3² & am p; # 8592; S3O6² СУЛЬФАТ сульфа ТРІТІОНАТ За сучасними уявленнями, сірка з середовища надходить в клітинну вакуоль тіобактеріі, наповнену валютін, шляхом дифузії і накопичується у вигляді запасного речовини.

Останнє дозволяє припустити, що на клітинної поверхні бактерій діють ферменти, які сприяють надходженню сірки всередину клітини, і під їх впливом сірка відновлюється до сульфідного іона, окислення якого відбувається в дольнейщем внутрішньоклітинний.

Sulfolobus sp. І Thiobacillus ferrooxidans крім окислення сірки володіють також здатністю окислювати двовалентне залізо FE2 +. Тіонові бактерії - облігатні аероби, за винятком Т. Denitrificans, який в присутності нітрату розвивається як анаероб. Останнім часом виявлені сіроокіслюючих бактерії, здатні до життєдіяльності при pH 2 ... 3 і температурі 70 ... 75С і зберігають життєздатність при 90С. Це термоацідофільние архебактерии, факультативні хемолітоавтотрофів роду Sulfolobus.

Поширені вони в термальних сірчаних джерелах. Одноклітинні безбарвні серобактерии представлені родами Ahromatium, Thiobacterium, Macromonas, Thiospira і ін. Ці організми мають сферичну, овальну, паличкоподібну або звиту форму, є рухомі і нерухомі, грамотріцательние.К багатоклітинних безбарвним (нитчатим) сірчаним бактеріям відносять мікроорганізми пологів Beggiatoa, Thiop1оса, Thiothrix та ін. Вони окислюють сірководень до елементарної сірки, яка тимчасово відкладається всередині клітин.

Встановлено здатність бактерій зазначених пологів окисляти сірку і використовувати органічні речовини. Здатність автотрофного засвоєння СО 2 для постачання клітин вуглецем поки не доказана.Процесси окислення сульфіду і сірки можна представити за такими рівняннями: Н2S +1/202 - S + Н20 S + 11/202 + Н20 - Н2S04 Окислюють сполуки сірки також фотолітоавтотрофние пурпурні і зелені сірчані бактерії.

Вони зазвичай мешкають в середовищі, де є Н2S. Великий ролі в грунтах не грають. Сірку можуть окисляти багато хемоорганогетеротрофние мікроорганізми. Наприклад, деякі види родів Bacillus, Pseudomonas, актиноміцетів і грибів окислюють порошкоподібних сірку. Хемоорганогетеротрофние організми окислюють сірку в присутності органічних веществ.Процесс її окислення екзотермічний, але хемоорганогетеротрофние мікроорганізми не використовують виділяється енергію.

Таке перетворення представляється для них побічним процесом в головному напрямку метаболізму. Окислення сірки хемоорганогетеротрофнимі мікроорганізмами йде досить повільно і слабо. Бактерії, що окислюють неорганічні сполуки сірки, застосовують при розробці родовищ корисних іскопаемих.Так, проведені дослідження, які дозволили розпочати застосування окислюють сірку бактерій з роду Thiobacillus (Т. ferrooxidans) для вилуговування бідних сульфідних руд. Найбільш практично освоєні методи мікробіологічного вилуговування міді з мінералів, в яких мідь з'єднана з сіркою.

Обробці піддають відвали бідних руд на поверхні або під землею. Аналогічно бактерії роду Thiobacillus можна використовувати для отримання різних металів і рідкісних елементів з мінералів, що містять сірку. Використання мікробів в якості "металургів" економічно вигодно.Стоімость міді, отриманої мікробіологічними вилуговуванням, обходиться в два з половиною рази дешевше, ніж гідрометалургійним способом.

Мікробіологічний спосіб розробки корисних копалин застосовують у багатьох країнах світу. Відновлення неорганічних сполук сірки здійснюється при різноманітних обмінних процесах. Сульфати можуть бути джерелом сірки, як для мікро так і для макроорганизмов. Засвоєння даних сполук супроводжується відновленням сірки в біосинтетичних процесах так званої асиміляційну сульфатредукции. Зазначений процес характерний для всіх живих організмов.Еслі розчинні сульфати закріплюються в клітинах мікроорганізмів, процес позначають як іммобілізацію сірки. У погано аерованих, затоплюваних грунтах, з дефіцитом кисню, а також у водах лиманів, деяких морів та інших водойм в зоні анаеробіозу відбувається мікробіологічне відновлення сульфатів.

Такий процес називають діссіміляціонной сульфатредукція, або сульфатним диханіем.Бактеріі, викликають відновлення сульфатів, підрозділяють на неспорообразующие - рід Desulfovibrio і спороутворюючі - рід Desulfotomaculum.

До роду Desulfovibrio відносять неспороносні грамнегативні зігнуті палички, іноді S-образні або спіральні, мають полярні джгутики і відрізняються великою рухливістю. Це облігатні анаероби, мезофіли (оптимальна температура +30? С). Виявлено в морській воді або мулі, прісній воді та грунті. Типовий вид - Desulfovibrio desulfuricans. Відомі також D. vulgaris і D. gigas.Среді представників роду зустрічаються галофили. Бактерії роду Desulfotomaculum представлені грамнегативними, прямими або вигнутими спороутворюючими рухливими паличками з перітріхальним розташуванням джгутиків.

Це облігатні анаероби, що відновлюють сульфати до сульфідів. Вони виявлені в прісних водах, ґрунтах, геотермальних областях, деяких зіпсованих продуктах, в кишечнику комах і рубці жівотних.Desulfotomaculum nigrificans може перетворювати сульфати в сульфіди при високих температурах (оптимально 55 ° С). До роду Desulfotomaculum відносять також D. orientis, представлений вигнутими паличками, D.ruminis і D. acetooxidans, які мають прямі палички.

Виявлено ряд нових сульфатредуцирующих бактерій зокрема, роду Desulfobacter з неспороутворюючими паличками, пологів Desulfoсоссіs Desulfosarcina, представлених кокковую формами, роду Desulfoпета мають ниткоподібну форму і пересуваються скольженіем.Сульфатредуцірующіе бактерії - спеціалізована група мікроорганізмів, що використовують сульфат як акцептор електронів (водню) в анаеробних умовах для окислення органічних сполук або водню.

Всупереч раніше поширеним уявленням Сульфатредуцирующие бактерії здатні до автотрофне зв'язування СО2 і потребують готових органічних речовинах, тобто відносяться до хемоорганогетеротрофам. Донором електронів (водню) служать вуглеводи, органічні кислоти, спирти, а також молекулярний водород.Водород окислюваних органічних субстратів переноситься на окислені сполуки сірки (сульфати, сульфіти, тіосульфати), які відновлюються до Н2S. Анаеробне окислення органічних речовин сульфатредукуючими бактеріями (Desulfotomaculum nigrificans, D. оrientis, D.ruminis, D. аcetooxidans, desulfuricans і ін.) Неповне веде до акумуляції оцтової кислоти і її солей як кінцевого продукту: 2CH3CHOHCOONa + MgSO4 → H2S + 2CH3COONa + CO2 + MgCO3 + H2O лактату НАТРІЮ АЦЕТАТ НАТРІЮ Відновленню можуть піддаватися і інші сполуки сірки, наприклад тіосульфати і молекулярна сірка. Відновлення SO3² - до Sx˚ здійснюють облігатно-анаеробні бактерії. Clostridium thermosulfurogenes, виділені з термального джерела.

Це хемоорганогетеротрофи, термофіли, вони можуть викликати бродіння з утворенням етанолу, молочної та оцтової кислот, Н2, здійснюють гідроліз пектину ікрахмала.

Відновлення тіосульфата.CL. Thermosulforogenes виконують з утворенням молекулярної середовища, яка відкладається на їх клітинних стінках і виділяється в середу. Молекулярну сірку можуть відновлювати до H2S багато термоацедофільние облігатно-анаеробні архебактерии - Desulfuroccucus mucosus, pyrococcus furiosus, Thermoproteus tenax і ін. Перераховані види мешкають в кислих гідротермальних джерелах.

Так, для pyrococcus furiosus оптимальна реакція середовища становить ph 1, температурний оптіум - 100 ˚С. В анаеробних умовах сірку можуть відновлювати архебактерии роду Sulfolobus, які, як зазначалося вище, в аеробних умовах сірку окислюють. Значна кількість сірководню утворюється при мінералізації білкових з'єднань.

Збудниками даного процесу служать бактерії пологів Psedomonos, Baccilus, Proteus, Clostridium і ін. Вважають, що біогенна сірка, яка надходить в атмосферу у вигляді органічних летких сполук, представляє головним чином продукт життєдіяльності бактерій, що мінералізують білкові вещества.Сульфатредуцірующіе бактерії завдають певної шкоди, руйнуючи матеріали, нестійкі до сірководню.

Наприклад, зазначені організми розкладають нафтові продукти, забруднюють сірководнем промисловий газ і т.д. Діяльність сульфатредуцирующих бактерій - одна з причин корозії металевого обладнання в анаеробної зоні. Вважають, що збиток від корозії трубопроводів під землею наполовину може бути віднесений на рахунок цих мікроорганізмов.Сероводород токсичний, тому при накопиченні його в грунті рослинність швидко гине. Якщо сірководень утворюється в водоймі, то рослини і тварини в ньому теж гинуть.

У деяких озерах, лиманах і навіть у відкритому морі на певній глибині (в чорному морі на глибині 200 м) сірководень накопичується в такій кількості, що повністю пригнічує розвиток живих істот. У той же час бактерії, що відновлюють сульфати, гра велику роль в геологічних процесах. Вони утворюють НзS, який бере участь в утворенні сірчаних руд. При окисленні сірководень сірчаними бактеріями з'являються поклади сірки промислового значенія.Сульфатредуцірующіе бактерії беруть участь і в освіті сульфідних руд. МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ СУМАРНОЮ біохімічної активності грунтової мікрофлори При аналізі ґрунтів встановлюють не тільки склад їх мікронаселенія, але і сумарну біохімічну активність грунтів. Одним з показників такої активності служить нітріфікаціонная здатність грунту, що характеризує мобілізуються азотного запасу ґрунту в результаті діяльності мікроорганізмів.

Нітріфікаціон здатність встановлюють по наростанню в грунті кількості нітратів після витримування при певних умовах в термостаті.

За результатами такого аналізу можна судити про потенційну здатність грунту накопичувати ту чи іншу кількість мінерального азоту. Якщо на початку досліду в грунт внести солі амонію, то з накопичення нітратів можна отримати додаткове уявлення про енергію роботи нитрифицирующих бактерій.Прі вивченні ґрунтової біодинаміки визначають виділення грунтом СО2 - Дана проба показує в основному інтенсивність розкладання в грунті органічних сполук.

Можна встановити швидкість розпаду в грунті будь-якого хімічного речовини урахуванням продуктів розпаду або убутку внесеного в грунт з'єднання. Для цього в грунт поміщають смуги паперу або краще лляної тканини, закріпленої на склі метод "аплікацій". Періодично матеріал витягають з грунту, переглядають і фіксують на ньому зони розпаду Метод аплікацій вельми показовий при вирішенні деяких агрономічних задач.Напрімер, він допомагає виявити інтенсивність процесів в різних горизонтах орного шару, встановити дію різних добрив, меліорірующіх засобів і т.д. Для оцінки активності грунту досліджують також ферменти, що знаходяться в грунті.

В основному їх продукують мікроорганізми. Тому між показниками активності ферментів грунту і певними мікробіологічними процесами намічається коррелятивная завісімость.Подобная зв'язок відзначена, наприклад, між активністю инверта-зи і інтенсивністю дихання грунту, активністю оксидази і динамікою нітратів.

Абсолютне значення окремих показників активності ферментів, за даними вчених, неоднаково у грунтів різних кліматичних зон, що може бути використано в діагностичних цілях. При відмирання мікроорганізмів навколишнє середовище ще більш збагачується ферментами, які в значній частині адсорбуються ґрунтовими колоїдами, що сприяє стабілізації последніх.Отмечено, що ферментні процеси в грунті припиняються при значно нижчій вологості, ніж діяльність мікроорганізмів.

Отже, біохімічні процеси можуть протікати навіть у відносно сухих ґрунтах. Визначення активності ферментів грунту, як показано А.Ш. Галстяном, може дати уявлення про їх родючості. Залежно від теоретичних або практичних завдань грунтові мікробіологи користуються різними комплексами методів аналізу почви.Распад лляної тканини під дією мікроорганізмів в чорноземі: а, б, в - протягом одного, двох, трьох місяців відповідно ХАРАКТЕРИСТИКА МІКРОБІВ КЛІТИННОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ Систематика, або таксономія розподіл, класифікація організмів за групами - таксонам відповідно до певними ознаками, а також встановлення родинних зв'язків між ними. Вивчення основних груп мікроорганізмів корисно випередити знайомством з принципами їх номенклатури.

Номенклатура - це система найменувань, що застосовуються в певній галузі знаній.Любая система номенклатури і таксономії вимагає досконалого знання об'єктів. Щоб отримати інформацію, необхідну для найменування і класифікації мікроорганізмів, вивчають усе різноманіття і всі особливості зовнішньої і внутрішньої структури мікроба, його фізіологічні та біохімічні властивості, а також процеси, що викликаються мікроорганізмом в природному середовищі її проживання.

З основними характеристиками мікроба знайомляться в наступному порядку: визначають, який зовнішній вигляд мікроорганізму - його форма, рухливість (наявність джгутиків і їх розташування), наявність капсул і здатність до утворення ендоспор, здатність забарвлюватися по Граму; з'ясовують особливості обміну речовин, способи отримання енергії; нарешті, визначають, яким чином він змінює зовнішнє середовище, в якій росте, і як навколишнє середовище впливає на його життєдіяльність.

Останнім часом у зв'язку з розвитком біології виявлені нові підходи до характеристики мікроорганізмів, що зробило позитивний вплив на їх систематику. Зокрема, певну цінність мають методи геносистематики, що дозволяють безпосередньо охарактеризувати спадкові властивості (генотип) мікроорганізмів і таким чином доповнити їх опис, яке до останнього часу відображало виключно структурні і функціональні властивості (фенотип). Дані про генотип мікроорганізму отримують за допомогою двох основних методів аналізу виділених нуклеїнових кислот: визначення нуклеотидного складу ДНК і вивчення хімічної гібридизації нуклеїнових кислот, ізольованих з різних мікроорганізмів.

За співвідношенням пар пуринових і піримідинових основ у молекулі ДНК виявляють генетичні відмінності між групами мікроорганізмів.

Другий метод допомагає встановити гомологію ДНК при гібридизації пари досліджуваних молекул, виділених з різних мікроорганізмов.Еслі спостерігається високий ступінь зв'язування молекул ДНК (80 90% і більше), то можна говорити про гомології первинної структури і близькому генетичну спорідненість мікроорганізмів (філогенезу). Низька ступінь гомології (50%) характеризує досить віддалені генетичні зв'язки між мікроорганізмами.

У систематиці мікроорганізмів іноді використовують нумеричної таксономию, запропоновану сучасником Карла Ліннея М. Адансон. В основу адансоновской, або нумеричної, таксономії покладено такі принципи: рівномірність досліджуваних ознак організмів; доведення їх кількості до максимальної величини; виділення кожної таксономічної групи по числу співпадаючих прізнаков.Указанний підхід до систематики мікроорганізмів досить об'єктивний, проте для його реалізації необхідні великі математичні розрахунки з використанням електронно-обчислювальних машин.

Після докладного вивчення мікроорганізму дають наукову назву, яка повинна бути висловлена \u200b\u200bдвома латинськими словами, як цього вимагає Біноміальна номенклатура, запропонована ще в XVIII В.К. Ліннеем.Первое слово - назва роду, зазвичай воно латинського походження, пишеться з великої літери і характеризує будь-якої морфологічний або фізіологічний ознака мікроорганізму, або прізвище вченого, який відкрив мікроорганізм, або особливий відмітний ознака, наприклад місце проживання.

Друге слово пишеться з малої літери, воно означає видову назву мікроорганізму і, як правило, являє собою похідне від іменника, що дає опис кольору колонії, джерела походження мікроорганізму, що викликається цим мікроорганізмом процесу або хвороби і деяких інших відмінних прізнаков.Напрімер, назва Bacillus albus вказує , що мікроорганізм грамположітелен, являє собою спорообразующую аеробне паличку (властивості роду Bacillus), а видову назву характеризує колір колонії (albus - білий). Назви мікроорганізмів присвоюються відповідно до правил Міжнародного кодексу номенклатури бактерій, введеного з 1 січня 1980 р вони єдині у всіх країнах світу. У класифікації для групування споріднених мікроорганізмів використовують такі таксономічні категорії: вид (species), рід (genus), сімейство (familia), порядок (ordo), клас (classis), відділ (divisio), царство (regnum). Вид - основна таксономічна одиниця, являє собою сукупність особин одного генотипу, що володіють добре вираженим фенотипическим схожістю.

Вид поділяють на підвиди або варіанти.

У мікробіології часто користуються термінами "штам" або "клон". Штам - більш вузьке поняття, ніж вид. Зазвичай штамами називають культури мікроорганізмів одного і того ж виду, виділені з різних природних середовищ (грунтів, водойм, організмів і т.д.) або з однієї і тієї ж середовища, але в різний час.

Штами одного виду можуть бути близькі за своїми властивостями або відрізнятися за окремими ознаками. У той же час характерні властивості різних штамів не виходять за межі виду. Клон - це культура, отримана з однієї клітини. Сукупність (популяція) мікроорганізмів, що складається з особин одного виду, називають чистою культурой.Согласно сучасними уявленнями, живий світ нашої планети поділяють на чотири царства: рослини (Р1аntае), тварини (Animalia), гриби (Мусота) і прокаріоти (Procaryotae). Однак останнім часом переглянуті класифікації вищих таксонів живого світу в зв'язку з тим, що серед прокаріотів виявлена \u200b\u200bгрупа бактерій, що відрізняється особливою макромолекулярной організацією клітин і унікальними біохімічними особливостями.

Бактерії цієї групи назвали архей (імовірно одна з найдавніших груп живих організмів на Землі) і віднесли до нового царства архей.

Виділення нового царства архей зумовило необхідність розділяти прокаріоти і еукаріоти на рівні надцарству. У зв'язку з цим система вищих таксонів живого світу виглядає наступним чином: надцарства Царства. Прокаріоти Архебактерії, ціанобактерії, зубактеріі Еукаріоти Рослини, тварини, гриби. У біології виділяють дві систематики живих організмів - филогенетическую, або природну, і іскусственную.Мікробіологія ще не має в своєму розпорядженні достатніми даними про еволюцію і філогенії мікроорганізмів, що дозволяє побудувати природну систематику, подібну до тієї, що створена для вищих рослин і тварин.

Сучасні системи класифікації мікроорганізмів, по суті, штучні. Вони грають роль діагностичних ключів, або визначників, якими користуються головним чином при ідентифікації того чи іншого мікроорганізма.Ізвестни "визначник родів бактерій" В. Б.Д. Скерман (1975) і "визначник бактерій і актиноміцетів" Н.А. Красильникова.

Необхідність створення природної систематики мікроорганізмів спонукає науковців шукати підхід до встановлення еволюційних і родинних зв'язків. Одне з важливих напрямів такої роботи засновано на вивченні складу і первинної структури рибосомних частинок 16s і 5SpРНК, а також транспортної РНК, відповідно до яких царство Procaryotae поділяють на дві групи: Eubacteria і Archeobacteria.Группа Eubacteria підрозділяється на три відділи: Gracilicutes, Firmicutes, Mollicutes.

У цьому підручнику наведено опис найбільш важливих груп мікроорганізмів відповідно до останнього, дев'ятим виданням (1984) "визначника бактерій" Д.Х. Берги. У цьому визначнику всі прокаріотні мікроорганізми об'єднані в царство Procariotae, яке подразделено на чотири відділи - Gracilicutes, Firmicutes, Tenericutes, Mendosicutes.В свою чергу, відділи ділять на класи, порядки, родини, роди, види. Мікроорганізми розділені на чотири відділи головним чином на підставі наявності або відсутності клітинних стінок і їх виду, а на класи, порядки, родини, роди, види - за сукупністю морфологічних і фізіолого-біохімічних ознак.

Що будемо робити з отриманим матеріалом:

Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:

Надіслати свою хорошу роботу в базу знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru

Вступ

Досягнення генетики та генної інженерії є основою для розвитку біотехнології - науки, що виникла на стику біології та технології. Сучасна біотехнологія спирається на досягнення природознавства, техніки, технології, біохімії, мікробіології, молекулярної біології, генетики. Сучасна біотехнологія використовує біологічні методи в боротьбі із забрудненням навколишнього середовища і шкідниками рослинних і тваринних організмів. До досягнень біотехнології можна також віднести застосування іммобілізованих ферментів, отримання синтетичних вакцин, використання клітинної технології в племінну справу.

Бактерії, гриби, водорості, лишайники, віруси, найпростіші в житті людей відіграють значну роль. З давніх часів люди використовували їх в процесах хлібопечення, приготування вина і пива, в різних виробництвах. В даний час у зв'язку з проблемами отримання цінних білкових речовин, підвищення родючості грунтів, очищення навколишнього середовища від забруднювачів, отримання біопрепаратів і іншими цілями і завданнями діапазон вивчення і використання мікроорганізмів значно розширився.

Головною ланкою біотехнологічного процесу є біологічний об'єкт, здатний здійснювати певну модифікацію вихідної сировини і утворювати той чи інший необхідний продукт. В якості таких об'єктів біотехнології можуть виступати клітини мікроорганізмів, тварин і рослин, трансгенні тварини і рослини, гриби, а також багатокомпонентні ферментні системи клітин і окремі ферменти. Основою більшості сучасних біотехнологічних виробництв є мікробний синтез, т. Е. Синтез різноманітних біологічно активних речовин за допомогою мікроорганізмів. На жаль, об'єкти рослинного і тваринного походження в силу ряду причин ще не знайшли такого широкого застосування. Тому в подальшому доцільно розглядати мікроорганізми як основні об'єкти біотехнології.

В даний час відомо більше 100 тисяч різних видів мікроорганізмів. Це в першу чергу бактерії, актиноміцети, ціанобактерії. При такій великій різноманітності мікроорганізмів вельми важливою, а часто і складною проблемою є правильний вибір саме того організму, який здатний забезпечити отримання необхідного продукту, тобто служити промисловим цілям.

1. Мікроорганізми як основні об'єкти біотехнології

В даний час мікроорганізми допомагають людям у виробництві ефективних поживних білкових речовин і біологічного газу. Їх використовують при застосуванні біотехнічних методів очищення повітря і стічних вод, при використанні біологічних методів знищення сільськогосподарських шкідників, при отриманні лікувальних препаратів, при знищенні утильсировини. Деякі види бактерій використовуються для регенерації цінних метаболітів і ліків, їх використовують з метою вирішення проблем біологічного саморегулювання і біосинтезу, очищення водойм. Мікроорганізми, і перш за все бактерії, - класичний об'єкт для вирішення спільних питань генетики, біохімії, біофізики, космічної біології. Бактерії широко використовуються при вирішенні багатьох проблем біотехнології.

Мікробіологічні реакції завдяки своїй високій специфічності широко використовуються в процесах хімічних перетворень сполук біологічно активних природних сполук. Відомо близько 20 типів хімічних реакцій, які здійснюються мікроорганізмами. Багато з них (гідроліз, відновлення, окислення, синтез та ін.) З успіхом використовуються у фармацевтичній хімії. При творі цих реакцій застосовуються різні види бактерій, актиноміцетів, дріжджоподібних грибів та інших мікроорганізмів.

Промислове використання мікроорганізмів для отримання нових харчових продуктів сприяло створенню таких видів промисловості як хлібопекарська і молочна, виробництво антибіотиків, вітамінів, амінокислот, спиртів, органічних кислот і ін.

Роль мікроорганізмів для біотехнології.

1. Одноклітинні організми, як правило, характеризуються більш високими швидкостями росту і синтетичних процесів, ніж вищі організми. Проте, це притаманне не всім мікроорганізмам. Деякі з них ростуть украй поволі, проте представляють певний інтерес, оскільки здатні продукувати різні дуже цінні речовини.

2. Особлива увага як об'єкти біотехнологічних розробок представляють фотосинтезирующие мікроорганізми, які використовують у своїй життєдіяльності енергію сонячного світла. Частина з них (ціанобактерії і фотосинтезуючі еукаріоти) в якості джерела вуглецю утилізують СО2, а деякі представники ціанобактерій, до всього сказаного, мають здатність засвоювати атмосферний азот (тобто є вкрай невибагливими до живильних речовин). Фотосинтезирующие мікроорганізми перспективні як продуценти аміаку, водню, білка і ряду органічних сполук. Однак прогресу в їх використанні через обмеженість фундаментальних знань про їх генетичною організації та молекулярно-біологічних механізмах життєдіяльності, по всій видимості, не слід очікувати в найближчому майбутньому.

3. Певна увага приділяється таким об'єктам біотехнології, як термофільні мікроорганізми, що ростуть при 60-80 ° С.

Це їх властивість є практично непереборною перешкодою для розвитку сторонньої мікрофлори при відносно не стерильному культивуванні, тобто є надійним захистом від забруднень. Серед Термофіли виявлені продуценти спиртів, амінокислот, ферментів, молекулярного водню. Крім того, швидкість їхнього зростання і метаболічна активність в 1,5-2 рази вище, ніж у мезофілов. Ферменти, що синтезуються термофіли, характеризуються підвищеною стійкістю до нагрівання, деяким окислювача, детергентів, органічних розчинників і інших несприятливих факторів. У той же час вони мало активні при звичайних температурах. Так, протеази одного з представників термофільних мікроорганізмів при 20 ° С в 100 разів менш активні, ніж при 75 ° С. Останнє є дуже важливою властивістю для деяких промислових виробництв. Наприклад, широке застосування в генетичній інженерії знайшов фермент Tag-полімераза з термофільної бактерії Thermus aquaticus.

2. Мікроорганізми в фармації

Створена біотехнологічна промисловість для отримання антибіотиків, ферментів, інтерферону, органічних кислот та інших метаболітів, продуцентами яких є багато мікроорганізмів.

У фармації мікробіологічні трансформації застосовуються з метою отримання фізіологічно більш активних речовин або напівфабрикатів, синтез яких чисто хімічним шляхом досягається з великими труднощами або взагалі неможливий. Мікробіологічні реакції використовуються при вивченні метаболізму лікарських речовин, механізму їх дії, а також для з'ясування природи і дії ферментів. Продуцентами біологічно активних речовин є багато найпростіші. Зокрема, найпростіші живуть в рубці жуйних тварин, виробляють фермент целюлозу, що сприяє розкладанню клітковини. Найпростіші є продуцентами не тільки ферментів, але і гістонів, серотоніну, липополисахаридов, ліпополіпептідоглюканов, амінокислот, метаболітів, що застосовуються в медицині і ветеринарії, харчовій та текстильній промисловості. Вони є одним з об'єктів, що застосовуються в біотехнології.

3. Мікроорганізми в харчовій промисловості

Ферментні препарати Aspergillus oryzae використовуються в пивоварної промисловості, а ферменти A.niger використовуються при виробництві та освітленні плодовоягідних соків і лимонної кислоти. Випічка хлібобулочних виробів поліпшується при використанні ферментів A.oryzae і A.awamori. Бактеріальні ферменти (Bac.subtilis) використовуються для збереження свіжості кондитерських виробів і там, де небажаний глибокий розпад білкових речовин. Використання ферментних препаратів з Bac.subtilis в кондитерському і хлібобулочному виробництві сприяє поліпшенню якості і уповільнення процесу червстленія виробів.

Мікроорганізми широко використовуються в харчовій і бродильної промисловості. У молочній промисловості дуже широко використовуються молочні дріжджі. З їх допомогою готують кумис, кефір. Ферментами цих мікроорганізмів молочний цукор розкладається до спирту і вуглекислоти, в результаті цього поліпшується смак продукту і підвищується його засвоюваність організмом. При отриманні молочнокислих продуктів у молочній промисловості широко використовуються дріжджі, які не зброджують молочний цукор і не розкладають білки і жир. Вони сприяють збереженню масла і збільшення життєздатності молочнокислих бактерій. Плівчасті дріжджі (мікодерма) сприяють дозріванню молочнокислих сирів. Гриби Penicillum roqueforti використовують при виробництві сиру рокфор, а гриби Penicillum camemberi - в процесі дозрівання закусочного сиру.

Багато мікроорганізмів, в тому числі дріжджоподібні і деякі види мікроскопічних грибів, здавна використовувалися при перетворенні різних субстратів для отримання різних видів харчових продуктів. Наприклад, використання дріжджів для отримання з борошна пористого хліба, використання грибів пологів Rhisopus, Aspergillus для ферментації рису і сої, отримання молочно - кислих продуктів за допомогою молочно - кислих бактерій, дріжджів та ін.

Використання в харчовій промисловості справжніх молочнокислих бактерій (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis і ін.) Або їх комбінацій з дріжджами дозволяє отримувати не тільки молочнокислі, але і спіпртомолочнокіслие і кіслоовощние продукти. До них відносяться простокваша, мацоні, ряжанка, сметана, сир, квашена капуста, квашені огірки і помідори, сири, кефір, кисле хлібне тісто, хлібний квас, кумис та інші продукти. Для приготування кислого молока і сиру застосовують Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum. При приготуванні масла використовують ароматизатори бактерії і молочнокислі стрептококи Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

4. Мікроорганізми в сільському господарстві

У сільському господарстві використовуються добрива та пестициди. Потрапляючи в природні природні умови, ці речовин чинять негативний вплив на природні взаємини в біоценозах, а в кінцевому підсумку по кормової ланцюжку ці речовини чинять негативний вплив на здоров'я людей. Позитивну роль в руйнуванні цих речовин у воді грають аеробні та анаеробні мікроорганізми.

У сільському господарстві застосовується біологічний захист рослин від шкідників. З цією метою використовуються різні організми - бактерії, гриби, віруси, найпростіші, птахи, ссавці та інші організми.

5. Інші властивості мікроорганізмів в біотехнології

Мікроорганізми можуть бути використані і при видобутку вугілля з руд. Літотрофние бактерії (Thiobacillus ferrooxidous) окислюють сірчанокисле закисне залізо до сірчанокислого окисного заліза. Сірчанокисле окисне залізо в свою чергу окисляє чотиривалентний уран, в результаті чого уран у вигляді сульфатних комплексів випадає в розчин. З розчину уран витягується методами гідрометалургії. Крім урану з розчинів можуть вилуговувати і інші метали, в тому числі і золото. Бактеріальне вилуговування металів за рахунок окислення які у руді сульфідів дозволяє вести видобуток металів з бідних забалансованних руд.

Дуже вигідним і енергетично економічним шляхом перетворення органічної речовини в паливо є метаногенеза за участю багатокомпонентної мікробної системою. Метаноутворюючі бактерії спільно з ацетоногенной мікрофлорою здійснюють перетворення органічних речовин в суміш мета і вуглекислоти.

Мікроорганізми можна використовувати не тільки для отримання газоподібного палива, але і для підвищення видобутку нафти. Мікроорганізми можуть утворювати поверхнево - активні речовини, що знижують поверхнево натяг на кордоні між нафтою і витісняє її водою. Витісняють властивості води посилюються зі збільшенням в'язкості, що досягається застосуванням бактеріальної слизу, що складається з полісахаридів. При існуючих методах розробки нафтових родовищ витягається не більше половини геологічних запасів нафти. За допомогою мікроорганізмів можна забезпечити вимивання нафти з пластів і звільнення її з бітумінозних сланців. Окислюють метан бактерії, поміщені в нафтовій шар, розкладають нафту і сприяють утворенню газів (метану, водню, азоту) і вуглекислоти. У міру накопичення газів збільшується їх тиск на нафту і, крім того, нафта стає менш в'язкою. В результаті нафта зі свердловини починає бити фонтаном.

Необхідно пам'ятати про те, що застосування мікроорганізмів в яких би то не було умов, в тому числі і в геологічних, вимагає створення сприятливих умов для складної мікробної системи.

Внесення надлишкових антропогенних речовин веде до порушення усталеного природної рівноваги. На початкових етапах розвитку індустрії було досить розсіяти забруднюючі речовини в водотоках, з яких вони віддалялися шляхом природного самоочищення. Газоподібні речовини розсіювали в повітрі через високі труби. В даний час знищення відходів зросла в дуже серйозну проблему.

В очисних системах при очищенні вод від органічних речовин використовується біологічний метод із застосуванням системи змішаної мікрофлори (аеробні бактерії, водорості, найпростіші, бактеріофаги, гриби), активного мулу, біоплівки, що окислюють надходять речовин. Представники мікробної суміші сприяють інтенсифікації природних процесів очищення води. Але при цьому слід пам'ятати, що умовою стійкої роботи мікробного співтовариства служить сталість складу навколишнього середовища.

Одним із завдань біотехнології є розробка технології отримання за допомогою мікроорганізмів білка з різних видів рослинних субстратів, з метану і очищеного водню, з суміші водню і окису вуглецю, з важких вуглеводнів нафти за допомогою метилотрофних дріжджів або бактерій, Candida tropicalis, метаноокісляющіх і целлюлозоразрушающіх бактерій і інших мікробів.

Використання активних штамів видів мікроскопічних грибів сприяє збагаченню білками і амінокислотами таких кормів як комбікорм, жом, висівки. Для цієї мети використовують селекціоновані нетоксичні швидко зростаючі види термо- і мезофільних мікроміцетів Fusarium sp., Thirlavia sp., А також деякі види вищих грибів.

6. Селекція біотехнологічних об'єктів

мікробіологічний метаногенеза органічний

Невід'ємним компонентом в процесі створення найбільш цінних і активних продуцентів, тобто при підборі об'єктів в біотехнології, є їх селекція. Головним шляхом селекції є свідоме конструювання геномів на кожному етапі відбору потрібного продуцента. Така ситуація не завжди могла бути реалізована, внаслідок відсутності ефективних методів зміни геномів селектіруемих організмів. У розвитку мікробних технологій зіграли важливу роль методи, що базуються на селекції спонтанних змінених варіантів, що характеризуються потрібними корисними ознаками. При таких методах зазвичай використовується ступінчаста селекція: на кожному етапі відбору з популяції мікроорганізмів відбираються найбільш активні варіанти (спонтанні мутанти), з яких на наступному етапі відбирають нові, більш ефективні штами, і так далі. Незважаючи на явну обмеженість даного методу, яка полягає в низькій частоті виникнення мутантів, його можливості рано вважати повністю вичерпаними.

Селекціоновані штами природного гіперсінтетіка каротину гриба Blakeslee trispora використовують при промисловому отриманні каротину, що має важливе значення в процесах росту і розвитку тварин, підвищення їх стійкості до захворювань. Селекціоновані штами Trichoderma viride використовують при промисловому отриманні на їх основі препарату триходерміну для боротьби з фітопатогенними грибами, особливо при вирощуванні рослин в умовах закритого грунту (фузаріозу огірків, хвороб квіткових рослин). Фосфобактерін, отриманий з Baccilus megathrtium, є ефективним засобом підвищення врожайності кормових буряків, капусти, картоплі, кукурудзи. Під впливом цього препарату підвищується вміст розчинного фосфору в ризосферной грунті, а також фосфору й азоту в зеленій масі.

Розміщено на Allbest.ru

подібні документи

Промислове використання біологічних процесів на основі мікроорганізмів, культури клітин, тканин і їх частин. Історія виникнення і етапи становлення біотехнології. Основні напрями, завдання і методи: клонування, генна та клітинна інженерія.

презентація, доданий 22.10.2016


Основні завдання, розділи і напрями сучасної біотехнології. Проводить необхідні людині продуктів і біологічно активних сполук за допомогою живих організмів. Вивчення генетичної, клітинної та біологічної інженерії. Об'єкти біотехнології.

презентація, доданий 06.03.2014


Особливості використання углеводородокисляющих мікроорганізмів для вирішення екологічних проблем. Сучасні методи боротьби з нафтовими забрудненнями води і грунту. Трансформації, що здійснюються спорами грибів і актиноміцетів. Соокісленіе і кометаболізм.

курсова робота, доданий 02.01.2012


Мікроорганізми як мікроорганізми, що розрізняються тільки під мікроскопом. Способи рекомбинирования генів. Механізм селекції мікроорганізмів. Технологія синтезу гена штучним шляхом і введення в геном бактерій. Галузі застосування біотехнології.

презентація, доданий 22.01.2012


Водорості як компоненти бактеріальних добрив і як біологічні індикатори. Вітаміни, що містяться в них. Використання водоростей для біологічного очищення стічних вод. Їх застосування в якості харчових добавок. Виробництво біопалива з водоростей.

презентація, доданий 02.02.2017


Фізіолого-біохімічні особливості галофільних мікроорганізмів. Галофільні мікроорганізми і їх застосування в промисловості. Виділення з проб води озера Мармурове галофільних мікроорганізмів, визначення їх чисельності. Результати дослідження.

курсова робота, доданий 05.06.2009


Характер і оцінка впливу різноманітних факторів зовнішнього середовища на мікроорганізми: фізичних, хімічних і мікробіологічних. Значення мікроорганізмів в сироваріння, розвиток відповідних процесів при виробництві кінцевого продукту, етапи дозрівання.

реферат, доданий 22.06.2014


Огляд способів розмноження бактерій, актиноміцетів, дріжджів, цвілевих грибів. Вплив променевої енергії і антисептиків на розвиток мікроорганізмів. Роль харчових продуктів у виникненні харчових захворювань, джерела інфікування, заходи профілактики.

контрольна робота, доданий 24.01.2012


Мікрофлора готових лікарських форм. Об'єкти санітарно-бактеріологічного обстеження в аптеках. Визначення мікробного обсіменіння рослинної лікарської сировини. Мікробна забрудненість препаратів. Визначення патогенних мікроорганізмів.

презентація, доданий 06.03.2016


Вивчення здатності деяких мікроорганізмів деструктировать жирові речовини різної хімічної природи. Дослідження морфолого-культуральних та фізіологічних властивостей аборигенних мікроорганізмів, аналіз і особливості їх деструктивної активності.

Людство для своїх потреб з давніх пір широко використовувало багато процесів, не здогадуючись про їх мікробіологічної природі. До такої «корисною» діяльності мікроорганізмів можна віднести:

1. виробництво продуктів харчування (квасу, пива, вина, спирту, оцту, хліба, молочнокислих, квашених і солоних продуктів, рибних і м'ясних продуктів ферментації);
2. виробництво харчового і кормового мікробного білка, харчових добавок і кормів для тварин;
3. отримання індивідуальних хімічних речовин (розчинників, газів, ферментів, вітамінів, органічних і амінокислот, нуклеотидів, біополімерів, токсинів і т.д.), причому деякі продукти взагалі не можуть бути отримані хімічним шляхом або їх утворення надзвичайно дорого;
4. отримання препаратів для медицини, ветеринарії та сільського господарства (вакцин, сироваток, антибіотиків, алкалоїдів, стероїдів, гормонів, стимуляторів росту рослин, мікробних добрив і т.д.);
5. участь мікроорганізмів в ряді нехарчових виробництв (біогідрометаллургіі, виготовленні лляних волокон і тютюнових виробів);
6. переробка промислових, сільськогосподарських і побутових відходів і очищення навколишнього середовища від забруднень;
7. застосування різних фізіологічних груп мікроорганізмів (фототрофов, гідролітіков, бродільщікі, метілотрофов, метаногенів і т.д.) для створення замкнутих систем життєзабезпечення на космічних станціях і підводних човнах, які перебувають в автономному плаванні. У таких системах продукти життєдіяльності людини служать живильним субстратом для мікроорганізмів, які виробляють харчовий білок і кисень для дихання;
8. використання мікроорганізмів як тест-систем, біосенсорів, моделей та інструментів наукових досліджень.

«Шкідливими» мікробними процесами є:

• псування харчових продуктів;
• мікробна корозія промислових і побутових об'єктів і матеріалів;
• хвороботворність мікроорганізмів для людини, тварин і рослин.

Слід мати на увазі, що «корисність» і «шкідливість» тут розглядаються саме по відношенню до інтересів людини, які часто суперечать «інтересам» природи в цілому. Наприклад, негативний для людини процес псування харчових продуктів є лише однією зі сторін необхідного природного процесу деструкції органічних речовин.

Створення будь-якого мікробіологічного виробництва вимагає проведення попередніх лабораторних досліджень. Вони полягають в пошуку продуцентів, всебічне вивчення їх властивостей і оптимізації способів культивування. Наступним етапом є масштабування процесу та випробування його в промислових умовах. При цьому відбувається поступовий перехід від в колбах до вирощування в лабораторних ферментерах і потім - в промислових установках великого обсягу. На такому заводі завжди функціонує мікробіологічна лабораторія, працівники якої постійно стежать за станом мікроорганізму-продуцента, здатного видозмінюватися в процесі виробництва і зберігання. Вони контролюють відсутність сторонніх мікроорганізмів і бактеріофагів, створюють умови для підтримки високої активності продуцента, стежать за розщепленням продуцента на діссоціатівние варіанти, проводять періодичні розсіви, відбираючи високопродуктивні колонії мікроорганізму.

Мікробіологічні виробництва постійно удосконалюються. Одним із шляхів є застосування мутантних і генно-інженерних продуцентів. Наприклад, для отримання проміжних з'єднань різних циклів (ЦТК) використовують регуляторні мутанти, що дозволяє накопичувати органічні та амінокислоти. Шляхом введення певних генів в мікробну клітину мікроорганізми можуть бути перетворені в продуцентів, які виробляють в сверхколічествах унікальні речовини з заданими властивостями (високотермостабільние ферменти, штучно сконструйовані пептиди і білки, людські терапевтичні агенти - інсулін, інтерферон, епідермальний фактор росту, поверхневий антиген вірусу гепатиту В і т.д.).

Для отримання нових властивостей у ряду продуцентів (дріжджів, цвілевих грибів, стрептоміцетов, лактококков) застосовують метод «злиття протопластів». Для цього ферментативно видаляють клітинну стінку і частково розчиняють ЦПМ під дією поліетиленгліколю, що дозволяє протопластах двох штамів з'єднатися. У цих умовах їх генетичний матеріал піддається рекомбінації, в результаті отриманий продуцент після регенерації клітинної стінки буде володіти новими властивостями. Такі мікроорганізми менш стабільні, ніж «дикі», тому необхідно застосовувати відповідні методи збереження їх активності. З відносно нових способів зберігання можна назвати лиофилизацию і зберігання під рідким азотом.

Ще один технологічний прийом - це іммобілізація (закріплення) клітин і / або ферментів на (в) твердому носії. Залежно від природи носія і механізму прикріплення іммобілізація буває декількох видів. При іммобілізації не тільки змінюється просторове положення продуцента для зручності роботи з ним, а й відбуваються значні перетворення його життєдіяльності за рахунок зміни властивостей поверхневих структур клітини (зокрема, ЦПМ) і утворення нової поверхні розділу фаз. Приклади деяких виробничих процесів, заснованих на використанні закріплених клітин, наведені в таблиці.

Таблиця.

Виробничі процеси, засновані на використанні іммобілізованих клітин.

Для підвищення ефективності промислових мікробіологічних процесів постійно ведеться робота по вдосконаленню апаратів для культивування і повної автоматизації та комп'ютеризації процесу.

Приготування харчових продуктів за допомогою мікроорганізмів

Задовго до того, як були розкриті мікробіологічні механізми приготування ряду продуктів, людина інтуїтивно навчився використовувати їх у своєму житті. З давніх-давен відомі способи випічки хліба, приготування квасу, вина, кисломолочних продуктів, квашених овочів, деяких м'ясних виробів і різних національних страв. Наприклад, у народів Півночі з давніх часів і до наших днів зберігся спосіб приготування китового м'яса, що дозволяє їм компенсувати брак вітамінів і амінокислот: сире м'ясо загортають в шкуру і кладуть під сніг для «визрівання», відбувається розвиток мікроорганізмів, що утворюють вітаміни, а також частковий гідроліз білка, що дає пептиди і амінокислоти. Деякі продукти, в приготуванні яких задіяний мікробний метаболізм, представлені в таблиці.

Таблиця.

Харчові продукти, при виготовленні яких використовуються мікроорганізми.

Приготування кормів для сільськогосподарських тварин

Рослинний матеріал для згодовування худобі (трава, соковиті корми, а також капуста, огірки і помідори) можна зберегти у вигляді силосу за допомогою молочнокислого бродіння під дією природних популяцій мікроорганізмів, асоційованих з наземними частинами рослин. Утворюється при силосуванні молочна кислота знижує рН корму і тим самим консервує його. Після силосування корму можуть зберігатися досить довго, але, як правило, їх зберігають до наступного врожаю.

Матеріали для хорошого силосу багаті вуглеводами і містять відносно небагато білка і води. Це зелена маса кукурудзи, більшості зернових, соняшнику і турнепсу. Медоносні трави, конюшина, сіно зазвичай силосування важче, а вика і горох не піддавалося силосованию.

Скошену траву або соковиті корми, приготовані для силосування, ріжуть, підсушують, пресують і закладають в силосні башти, наземні сховища або в силосні ями для створення анаеробних умов. На початковому етапі силосування аеробні мікроорганізми і факультативно анаеробні ентеробактерії споживають весь кисень в рослинній масі. Це сприяє переважному розвитку і домінування гомоферментативних лактобацил, стрептококів, лактококков і лейконостока, які утворюють молочну кислоту і поступово знижують рН до 4,0. При недостатньо швидкому закислення може початися зростання Clostridiumbutyricum, Який перетворює лактат в масляну кислоту, що додає корму неприємний смак і запах. Силос стає неїстівним для тварин. Зростанню цього мікроорганізму перешкоджає досягнення значення рН нижче 4,5. На більш пізніх стадіях силосування переважають кислотостійкі Lactobacillusplantarum,L.fermentumі L.brevis.

При виробництві іншого виду корму - сінажу, бродінню піддається підсушена рослинна маса з вологістю 50-65%. Незважаючи на досить високе значення рН (близько 5) гнильні процеси відбуваються дуже повільно, а процес молочнокислого бродіння активізується за рахунок розвитку стійких до зниження активності води представників роду Lactobacillus. У сенаже містяться помірні кількості лактату і ацетату.

В якості додаткового корму для тварин можуть бути використані білково-вітамінні концентрати (БВК) з біомаси різних мікроорганізмів, вирощених на відходах харчової промисловості. Деякі індивідуальні речовини мікробного походження (ферменти, амінокислоти, органічні кислоти, вітаміни) також можуть застосовуватися як кормові добавки, що поліпшують структуру і засвоєння кормів.

Мікроорганізми - продуценти індивідуальних речовин

Значна кількість індивідуальних речовин різного призначення (табл.) В даний час отримують за допомогою мікроорганізмів. У їх числі як прості органічні та неорганічні речовини, так і складні з'єднання, хімічний синтез яких неможливий або вкрай доріг.

Таблиця.

Деякі індивідуальні сполуки, одержувані за допомогою мікроорганізмів.

Переконання в кінцівки запасів корисних копалин і необхідності переходу на поновлювані джерела енергії диктує необхідність розробки виробничих біотехнологічних процесів отримання спиртів і органічних кислот поряд з вже наявним їх хімічним синтезом з нафти. Спирти (зокрема, етанол) легко можуть бути отримані за допомогою мікроорганізмів, що ростуть як на харчових субстратах і відходах харчових виробництв, так і на технічній сировині. Давно відомі процеси отримання спирту шляхом спиртового бродіння дріжджів на цукристих субстратах і на тирсі, підданих лужному гідролізу. Застосування в якості продуцентів термофільних анаеробних бактерій, що володіють власними потужними гідролазами, значно прискорює процес, так як виключається стадія попереднього гідролізу сировини, а підвищена температура культивування збільшує швидкість реакцій. Використання стійких мікробних асоціацій сприяє підвищенню активності і стабільності процесу отримання спирту з рослинної маси. Високий вихід кінцевого продукту може бути досягнуто при безперервному режимі культивування з використанням іммобілізованих клітин мікроорганізмів.

Ряд органічних кислот і амінокислот отримують з використанням пліснявих грибів і коринебактерій, які здійснюють неповні окислення, причому L-форми амінокислот можуть бути синтезовані виключно мікробіологічними шляхом.

Молекулярний водень в даний час розглядають як перспективне поновлюване біопаливо. Цей газ виділяється при деяких видах бродіння і при азотфіксації. Як продуцентів водню вивчають фототрофні мікроорганізми, що володіють нітрогеназну комплексом (наприклад, пурпурні бактерії і ціанобактерії). Вони здатні рости при освітленні на дуже простих середовищах. При іммобілізації клітин на пористому склі або всередині гранул різних гелів може бути досягнуто значне підвищення виходу газоподібного водню.

Метан в суміші з вуглекислим газом (біогаз) може бути отриманий при мікробіологічної переробки рослинної і тваринної сировини в сільському господарстві або при знищенні промислових і побутових відходів. Така конверсія є найбільш ефективним способом перетворення відходів, що супроводжується отриманням корисних продуктів. Вона здійснюється за допомогою природно сформованих метаногенних мікробних спільнот в анаеробних умовах і заснована на тісних взаємодіях мікроорганізмів різних систематичних і фізіологічних груп. Процес починається з гідролізу біополімерів рослинної і тваринної сировини і відходів позаклітинними ферментами бактерій роду Clostridium. Продукти гідролізу піддаються бродінню різних типів під дією ентеробактерій, клостридій, молочнокислих бактерій з утворенням суміші летких жирних кислот, спиртів і газів. Ці речовини використовуються бактеріями-сінтрофамі, що продукують субстрати метаногенеза (Н 2, СО 2 і ацетат). Завершальну стадію здійснюють водородотрофние і ацетокластіческіе метаногенів археї, виділяючи біогаз. Відходи сільського господарства переробляються в біогаз в спеціальних резервуарах (метантенках) при 54-56 о С. Деяка кількість кисню, що міститься у переданому сировину, швидко споживається природною аеробного і факультативно анаеробної мікробіотою сільськогосподарських відходів. Підвищена температура в метантенке дозволяє збільшити швидкість переробки і сприяє знезараженню переробляються відходів. Конверсію рідких відходів, в тому числі побутових і промислових стоків, проводять в спеціальних анаеробних реакторах з високою концентрацією агрегированной біомаси і з висхідним струмом рідини. Використання мікроорганізмів для отримання біогазу дозволяє комплексно вирішувати проблеми малої енергетики, отримання нових поновлюваних енергоресурсів і переходу до безвідходних технологій.

Мікробіологічні процеси відіграють істотну роль у фармацевтичній промисловості при виробництві вітамінів, ферментів і стероїдних гормонів. Так, для отримання вітаміну В2 (рибофлавіну) використовують фітопатогенні гриби, що утворюють його у великих кількостях і виділяють надлишок в середу. бактерії пологів Pseudomonas і Propionibacterium синтезують складний за хімічною структурою вітамін В12, який застосовується в медицині. При екстракції опадів метантенков отримують кормової препарат вітаміну В12.

Мікробні ферменти застосовують у різних галузях людської діяльності. Наприклад, амілази, протеази, ліпази і целюлази, утворені пліснявими грибами, пектиназу бактерій роду Erwinia і инвертазу пекарських дріжджів використовують в харчовій промисловості. Протеази грибів, стрептоміцетов і бацил додають до пральних порошків для видалення білкових забруднень. У медицині знайшли застосування лікарські форми стрептокінази бактерій роду Streptococcus і колагенази представників роду Clostridium, Використовувані для загоєння ран, а також грибні амілази, протеази і ліпази, що сприяють нормалізації травлення. Мікробні ферменти застосовують при лабораторній діагностиці в медицині і в наукових дослідженнях в якості високоспецифічних реагентів.

У промисловості, медицині і наукових дослідженнях як загусники, мастильних матеріалів, гелів для іммобілізації, молекулярних сит і сорбентів використовуються різноманітні мікробні полісахариди. Полі-β-алканоати (природні термопластики) додають при виготовленні в полімерні пакувальні матеріали, що сприяє їх більш швидкої мікробної деструкції в навколишньому середовищі.

Основними продуцентами при виробництві антибіотиків служать цвілеві гриби роду Penicilliumі бактерії пологів Streptomycesі Bacillus. У зв'язку з виникненням множинної лікарської стійкості серед патогенних мікроорганізмів мікробіологічна стадія отримання антибіотиків часто триває стадією їх хімічної модифікації. Дослідники постійно ведуть пошук нових антибіотичних речовин і їх продуцентів.

Стероїдні гормони широко використовуються в медицині як регулятори метаболізму тварин і людини. Потреби в цих препаратів не покриваються виділенням їх з тваринної сировини, так як в тваринному організмі стероїдів синтезується вкрай мало. Використання дешевого рослинної сировини з наступною хімічною модифікацією рослинних стеринів вимагає проведення тонкої трансформації, що зачіпає тільки один-два певних атома стероїдного ядра, що вкрай дорого і неефективно. Однак такі реакції здатні проводити деякі мікроорганізми, специфічно отщепляя або приєднуючи атоми і групи в потрібному положенні і тим самим перетворюючи низькоактивні стероїди рослинного походження в гормональні препарати. В даний час ряд штамів артробактеров, мікобактерій, коринебактерій і цвілевих грибів застосовують для отримання преднізолону, кортизону і гідрокортизону. При виробництві стероїдних гормонів мікробіологічний процес використовують як одну зі стадій синтезу препарату. Рослинні стероїди, нерозчинні у воді, додають в культуру у вигляді тонкодисперсної суспензії в фазі уповільнення зростання мікроорганізму. Мікробні клітини прикріплюються до частинкам фитостеринов, а трансформовані продукти виділяються в середу. Для отримання деяких людських гормонів і факторів застосовують генно-інженерні технології, коли потрібні гени вводять в геном мікроорганізму-продуцента.

Гібереліни, отримані мікробіологічними шляхом, успішно застосовують в сільському господарстві для стимуляції росту рослин. Дослідження останнього часу показують, що багато ризосферні мікроорганізми можуть бути джерелом ряду фітогормонів.

Мікробіологічні процеси отримання біопрепаратів для сільського господарства

Біопрепарати комплексної дії на основі мікроорганізмів розглядаються як альтернатива різним хімічним препаратам (мінеральних добрив, пестицидів і т.д.), що застосовуються в землеробстві.

Для передпосівної обробки насіння бобових рослин у багатьох країнах використовують препарати бульбочкових бактерій. Найбільш ефективний цей прийом в разі впровадження нових культур бобових на знову освоюваних посівних площах, так як дозволяє забезпечити тісний контакт потенційних симбіонтів, забезпечує швидке утворення бульб і ефективну симбіотичний азотфіксацию. Обробка насіння препаратами при посіві давно оброблюваних бобових культур на колишніх посівних площах також дає прибавку до врожаю за рахунок забезпечення контакту рослини з високоактивними видоспецифічними штамами бульбочкових бактерій. Застосування таких біопрепаратів дозволяє не тільки знизити дози мінеральних азотних добрив, а й позитивно впливає на якість врожаю бобових, підвищуючи вміст білка і вітамінів в зерні. Препарати на основі бульбочкових бактерій мають різні назви (нітрагін, нітразон, ризоторфін і ін.). При їх приготуванні використовують стерильні або нестерильні носії (грунт, торф), які містять необхідні живильні речовини, в які вносять суспензію бульбочкових бактерій, іноді витримують препарат в термостаті для підрощування культури, а потім фасують в тару різного об'єму. Перед посівом препарат розводять водою і обробляють їм насіння.

Використання в якості біопрепаратів культур мікроорганізмів різофери і різоплан обумовлено не тільки їх здатністю до асоціативної азотфіксації, а й виробленням біологічно активних по відношенню до рослин речовин (стимуляторів росту, вітамінів, антибіотичних з'єднань, активних проти фітопатогенних мікроорганізмів). Для приготування препаратів використовують чисті або змішані культури представників пологів Azotobacter, Azospirillum, Agrobacterium, Arthrobacter, Enterobacter, Bacillus, Pseudomonas та ін. Водної суспензією препарату обробляють поверхню насіння або кореневу систему рослин. Як правило, позитивні стабільні результати застосування препаратів дає на добре окультурених, багатих органікою грунтах (в теплицях, оранжереях). В даний час пропонується широкий спектр препаратів під різними назвами і на основі різних мікроорганізмів (азотобактерин, азорізін, Агрофена, мізорін, різоагрін, псевдобактерін і т.д.).

Ціанобактеріальние препарати застосовують в ряді країн на обводнених і затоплюваних грунтах, наприклад, при вирощуванні рису. Масу ціанобактерій отримують в спеціальних басейнах, вносячи туди маткову культуру (зазвичай це представники пологів Anabaena і Nostoc). У деяких країнах Азії в якості «зеленого добрива» використовують водний папороть азолла, що несе на листках симбіотичного діазотрофи Anabaena azollae. Розмножують рослину в невеликих водоймах, а потім заорюють в грунт рісовніков, або переносять на поверхню води рисових полів. Відмираюча маса папороті минерализуется, і сполуки азоту стають доступними рослинам рису.

Ряд біопрепаратів застосовують для активізації мікробіологічних процесів в грунтах. Це, наприклад, фосфоробактерін на основі спор Bacillus megaterium для підвищення доступності фосфору для рослин; бактогумін, що містить змішану культуру мікроорганізмів різних фізіологічних груп, для виготовлення біологічно активних грунтів; комплексні біопрепарати грунтових бактерій для застосування під овочеві і плодові культури, в основному, в захищеному грунті і т.д.

Для захисту сільськогосподарських рослин від ураження фітопатогенними грибами препарати на основі мікроорганізмів-антагоністів (зазвичай бактерій родів Pseudomonas і Azotobacter і грибів роду Trichoderma) Вносять в грунт або обробляють ними насіння і коріння рослин, що висаджуються. На жаль, в природній обстановці активність таких препаратів істотно знижується, так як вносяться мікроорганізми не завжди здатні витримати конкуренцію з природною мікробіотою грунту.

Для боротьби з шкідниками сільського господарства широко застосовують мікробіологічні методи. За допомогою бактерій і грибів отримують ентомопатогенниє препарати, що володіють виборчої токсичністю для личинок і дорослих особин багатьох комах, але не небезпечні для інших членів екосистеми і людини. Наприклад, білкові кристали Bacillusthuringiensisвикликають параліч у личинок перетинчастокрилих при попаданні в їх кишечник. Ентомопатогенні препарат являє собою висушені клітини бацил в фазі початку споруляции, коли утворюються білкові кристали токсину. Перед застосуванням порошок розводять у воді і розпилюють на листя рослин. Для захисту рослин також використовують культури збудників інфекційних хвороб комах і гризунів, викликають епізоотії серед цих шкідників, але не патогенних для інших тварин.

У традиційному землеробстві більшість органічних залишків перетворюється в органічні добрива в результаті компостування. Компостування - це збільшення швидкості природного мінералізації відмерлої органічної речовини. В даний час компостування завойовує все більшу популярність в розвинених країнах як альтернатива промисловим і побутовим звалищ великих міст. Компостування призводить до:

1. зменшення обсягу відходів;
2. зниження вмісту органічної речовини в відходах;
3. поліпшенню їх фізичних характеристик, що дозволяє складувати відходи більш компактно;
4. зменшення кількості мікроорганізмів, патогенних для рослин, тварин і людини, а також насіння бур'янів;
5. скорочення площ, відчужуваних під полігони для звалищ.

При компостуванні спочатку відокремлюють біодеградабельні частина відходів від не переробляється мікроорганізмами (пластика, металу, скла). Частина, що залишилася органічних відходів змішується з порцією старого компосту ( «посівний матеріал») і з органічними речовинами, які переробляються повільно (тріска, нарізана папір, соняшникова лушпиння), для створення пухкої структури і кращої вентиляції компосту. Компостування здійснюють в довгих, але не дуже високих (до 2 м) грядках, які час від часу перемішують для більш рівномірного проходження процесу. Появи неприємного запаху (сірководню, меркаптанів) уникають, накриваючи компостні купи шаром грунту.

Мікробне вилуговування металів

Здатність деяких мікроорганізмів окисляти відновлені сполуки сірки і металів застосовують в біогідрометаллургіі бідних руд. Суспензія таких мікробів, збагачена киснем, здійснює реакції, що переводять метал (Ме) в розчинений стан:

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

Отриманий розчин концентрують і осаджують з нього метал. У технологічних умовах процес проходить під дією мікробного співтовариства, що включає грамнегативні ацідітіобацілли і лептоспірілли, грампозитивні сульфобацілли і археї ацідіануси, металлосфери, сульфолобуси і фероплазма. Залежно від умов один або кілька штамів в співтоваристві чисельно переважають. Всі беруть участь в процесі мікроорганізми володіють стійкістю до високих концентрацій металів.

Витяг (вилуговування) металів за допомогою мікроорганізмів здійснюють трьома основними способами. При купчастому вилуговування відвал бідної руди зрошують аеріруемой суспензією мікроорганізмів. З стікає з гори розчину осадженням або електролізом витягають метал, а розчин знову направляють на зрошення руди. При підземному вилуговуванні збагачену киснем суспензію мікроорганізмів закачують в свердловину. При чанів вилуговування складні руди і концентрати переробляють в спеціальних установках, що забезпечують безперервний проточний режим. Мікробіологічні процеси використовують при отриманні міді, урану, марганцю, а також для звільнення олова, срібла і золота з кристалів сульфідних мінералів, що містять миш'як.

Біологічна обробка органічних відходів

Рідкі органічні відходи - це стічні води побутових, сільськогосподарських і промислових підприємств, до полужидким відносяться напіврідкий гній і осади стічних вод, а тверді формуються з побутового сміття та підстилкового гною. Залежно від характеру виробництва складу забруднень в промислових стоках може сильно відрізнятися. Обробка стічних вод полягає в практично повне видалення з них органічної речовини. У напіврідких і твердих відходах видаляється насамперед швидко розкладається частина органічних сполук, а частина, що залишилася стабілізується. При аеробному розкладанні органічних відходів приблизно половина вуглецю і енергії витрачається на приріст біомаси мікроорганізмів-деструкторів, а інша половина розсіюється у вигляді тепла. Анаеробне розкладання з утворенням метану призводить до переведення майже 90% вуглецю і енергії органічних речовин в біогаз і тільки 5-8% витрачається на побудову мікробних клітин.

В даний час активно розробляються і використовуються аеробні процеси, що дозволяють з високою швидкістю видаляти навіть низькі концентрації органічних речовин. Істотним недоліком аеробних технологій, особливо при обробці концентрованих стічних вод, є високі енерговитрати на аерацію. Проблеми пов'язані також з утворенням великої кількості мікробної біомаси, що має дуже низьку водоотдающую здатність. Щоб використовувати цю біомасу в якості добрива, необхідно знизити в ній вміст води. Для цього використовують тривалу природну сушку на значних по території мулових майданчиках, що призводить до погіршення екологічної обстановки. Деякі складні ксенобіотики на повітрі полимеризуются в трудноразлагаемих речовини, а продукти їх аеробного розкладання часто більш токсичні, ніж вихідні забруднювачі. Ароматичні сполуки знижують поверхневий натяг водних розчинів і можуть бути причиною неконтрольованого піноутворення в аерованих водоймах. Деякі з них летких і токсичні і при аеробному методі очищення здатні забруднювати повітря.

При анаеробної обробки перевагами є незначне утворення біомаси, можливість видаляти висококонцентровані речовини і попутне освіту поновлюваного джерела енергії (метану). Виявилося, що в анаеробних умовах мікроорганізми здатні руйнувати органічні сполуки, що містять ароматичні і конденсовані циклічні структури. Повного розкладання ксенобіотиків вдається домогтися при використанні структурованих мікробних спільнот, що містять мікроорганізми різних фізіологічних груп. Оскільки при низьких концентраціях органічного забруднювача анаеробний процес не завжди ефективний, для глибокого очищення застосовують комбінацію безкисневому і аеробного обробки.

У сучасних процесах очищення, в основному, застосовують природно складаються мікробні спільноти. Видовий склад таких спільнот і взаємодія мікроорганізмів в них вивчені недостатньо, що гальмує масове застосування біоремедіаціі. Вивчення метаболічних шляхів в мікробних співтовариствах в перспективі дозволить створити асоціації мікроорганізмів, здатними руйнувати весь набір забруднювачів.

Мікробіологічна очистка стічних вод

Найпростішими способами очищення стічних вод є їх відстоювання і фільтрація. Ці процеси відбуваються в системі неглибоких водойм (ставків і каналів), де мікроорганізми знаходяться в осаді і в підвішеному стані. Природна фільтрація відбувається через пісок і глину. Іноді використовують природні низини, затоплюються стічними водами (поля зрошення і штучні болота). В очисних водоймах часто вирощують водорості, в ризосфері яких формується мікробне співтовариство, яка бере участь в біоремедіаціі. До простих очисних споруд відносяться струменеві і дискові біофільтри. Струменеві біофільтри - це ємності або похилі канали, заповнені пористим матеріалом. На такому наповнювачі формується мікробна біоплівка. Її основу складають виділяють слиз зооглею. Мікробне співтовариство, занурене в слизовий матрикс, складається з бактерій, грибів, найпростіших. Стічні води повільно просочуються через наповнювач (керамзит, щебінь) і збираються внизу. Дискові біофільтри є повільно обертаються диски, наполовину занурені в протікає воду. Поверхня диска покрита біоплівки, в верхньому шарі якій мешкають аеробні і факультативно анаеробні, а в нижньому - анаеробні мікроорганізми. При повільному обертанні частини диска послідовно стикаються з киснем повітря і занурюються в стічну воду, що призводить до чергування аеробних і анаеробних процесів.

При централізованої очищення стічних вод застосовують примусову аерацію і підтримують високу щільність мікробної популяції. Міські очисні споруди є великі промислові підприємства, що переробляють туалетні, кухонні, зливові води і нетоксичні стоки промислових підприємств. Процес аеробного очищення стічних вод на основі активованого мулу складається з 3-4 стадій. На першій стадії при проході води через решітку, песколовку і відстійник видаляються тверді включення. Друга стадія полягає в біологічному очищенні води за допомогою активованого мулу. Розчинені і суспендовані забруднення окислюються складним мікробним співтовариством у відкритому басейні (аеротенки) з примусовою подачею повітря і інтенсивним перемішуванням. Мікроорганізми активно ростуть і використовують до 99% забруднень. Оброблена вода і мікробна біомаса поділяються на вторинному відстійнику. З нього мікробний мул повертається назад в аеротенк, а вода направляється на третю стадію хімічної і біологічної доочистки від азоту і фосфору. Азот присутній у вигляді амонію, нітрату і нітриту. При інтенсивної аерації і низькій концентрації органічних речовин нитрифицирующие бактерії перетворюють амоній в нітрат. В умовах періодичного обмеження доступу кисню денітріфікатори проводять відновлення нітрату в молекулярний азот. Фосфати накопичуються деякими грампозитивними бактеріями і акинетобактером і можуть бути видалені з осадом мулу. Іншим широко поширеним методом видалення фосфору є його хімічне осадження у вигляді фосфатів заліза і алюмінію. Четвертою стадією очищення може бути дезінфекція сполуками хлору або озоном. Концентровані осади стічних вод з усіх відстійників піддаються анаеробної переробки в метантенке. Ущільнений осад метантенка і тверді включення направляються на полігони захоронення твердих побутових відходів або використовується як добриво.

У мікробне співтовариство активованого мулу входять різноманітні мікроорганізми, багато з яких мають слизові капсули ( зооглею, лейкотрікс, тіотрікс та ін.). Іл містить багато мікроорганізмів, які чинять спротив лабораторному культивування та визначених за допомогою молекулярно-біологічних методів. У співтовариство мулу входять паракоккі, каулобактери, гіфомікробіі, псевдомонади, цітофагі, флавобактеріі, флексібактери, коринебактерії, артробактери, нокардии, родококкі, бацили, клостридії, стафілококи, лактобацилиі ін. Чисельність патогенних бактерій зазвичай мала. найпростіші представлені инфузориями і амебами. Мікроорганізми активованого мулу утворюють пухкі агрегати, здатні до осадження. При наявності надлишку нитчастих форм може відбуватися спухання мулу, коли утворюються гігантські піноподібні пластівці, що виносяться з очищеною водою. Такий мул містить велику кількість нитчастих бактерій ( сферотілус, беггіатоа, тіотрікс) і бацил, А також міцелій актиноміцетів і цвілевих грибів.

Анаеробна обробка застосовується в разі концентрованих стічних вод. Оскільки зростання мікробного співтовариства в анаеробних умовах уповільнений, то в реакторі необхідно утримувати максимальну кількість біомаси. Для цього використовують реактори з фіксованою завантаженням, що представляє собою анаеробний біофільтр з верхньої або нижньої подачею води. Найбільш ефективний реактор з висхідним потоком води через зважений шар мулу. Анаеробне мікробне співтовариство в цьому випадку представлено щільними гранулами, основою яких є клітини метаногенів. У сильно концентрованих стоках формуються дрібні пухкі агрегати, в яких клітини бактерій занурені в міжклітинний речовина псевдоткані метаносарціни. Щільні гранули утворюються на основі ниток метаносаети, Між якими розташовані клітини інших членів спільноти. Таким чином, освіта метаногенних гранул - це приклад самоіммобілізаціі мікроорганізмів, для яких тісне сусідство необхідно для міжвидового перенесення проміжних речовин.

Напіврідкі відходи, а також рослинні і харчові залишки переробляються зазвичай в метантенках - закритих резервуарах різного об'єму. Тривалість процесу складає від 2 до 5 тижнів при температурі 30-35 або 50-55 о С. У великих метантенках вміст перемішують за допомогою мішалок або шляхом продувки нагрітого пара. В результаті виходить гарне знезаражене добриво.

Біоконверсія рослинної сировини і відходів сільського господарства в біогаз і розчинники.

Мікробіологічна конверсія рослинної сировини - найбільш ефективний спосіб здійснити керовану переробку целлюлозо- і крахмалсодержащих сільськогосподарських продуктів і відходів в корисні субстанції. При цьому вирішується ряд завдань щодо переходу до безвідходних технологій і, зокрема, проблеми малої енергетики і використання нових відновлюваних енергоресурсів, а також захисту навколишнього середовища.

Спирти (в основному, етанол) відносяться до традиційних енергосоедіненіям, для отримання яких використовуються мікроорганізми (табл. 26).

Таблиця 26.

Виробництво спирту може бути засноване не тільки на використанні харчових субстратів і відходів харчових виробництв, а й на технічній сировині, здатному піддаватися гідролізу, в тому числі неферментативне, з утворенням цукрів (наприклад, на тирсі). Використання термофільних анаеробних бактерій дозволяє не тільки прискорити проведення процесу біоконверсії, але і виключити стадію попереднього гідролізу сировини, так як ці мікроорганізми здатні самі продукувати потужні гідролази. Таким чином, стає можливим проведення безпосередньої переробки рослинної сировини відразу в етанол. Підвищення активності і стабільності процесу отримання спирту з рослинної маси може бути досягнуто шляхом застосування стійких мікробних асоціацій.

Конверсія сільськогосподарських відходів в біогаз здійснюється під дією природно сформованих метаногенних мікробних спільнот в анаеробних умовах. Такі мікробні спільноти засновані на сінтрофних взаємодіях мікроорганізмів різних систематичних і фізіологічних груп, які здійснюють міжвидової перенесення интермедиатов (водню, ацетату, форміату). Процес починається з гідролізу біополімерів рослинної сировини і відходів позаклітинними ферментами бактерій роду Clostridium.Далі продукти гідролізу піддаються бродінню різних типів під дією мікроорганізмів сем. Clostridiaceae, Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Streptococcaceae, І утворюється суміш летючих жирних кислот, спиртів і газів. Далі слід сінтрофная стадія, на якій продукти бродіння використовуються бактеріями пологів Synthrophomonas і Synthrophobacter з утворенням субстратів метаногенеза (Н 2, СО 2 і ацетату). Завершальна стадія процесу призводить до утворення метаногенів археями біогазу.

Переробка твердих відходів

До твердих забруднювачів відносяться побутові відходи, тверді включення стічних вод і сільськогосподарські залишки. Тверді побутові відходи (ТПВ) представлені харчовими і туалетними залишками, папером та інертними матеріалами (склом, металом, пластиком і т.д.). Раціонального використання ТПВ сприяє їх роздільне збирання.

Найпростішим методом утилізації твердих побутових і промислових відходів є їх захоронення в природних зниженнях рельєфу місцевості (ярах, кар'єрах) і звалювання з подальшим засипанням шаром грунту. Поховання може бути вироблено на спеціальних полігонах ТПВ з ущільненим глинистим дном. Шари сміття на полігонах періодично ущільнюють і пересипають шаром грунту. Висота сміттєвих куп може досягати 20-40 м. Мікроорганізми потрапляють в купу разом з відходами та з грунту і грунту. Розкладання відходів відбувається повільно (30-50 років), при цьому руйнується тільки 30% похованої органіки. У похованих відходах анаеробне розкладання стримується низькою вологістю і невеликою щільністю популяції мікроорганізмів-деструкторів. У мікробному співтоваристві звалища присутні групи мікроорганізмів, які здійснюють різні стадії перетворення складних полімерних з'єднань в біогаз. В період активного метаногенеза відбувається розігрів маси до 30-55 о С. У верхній частині купи розвиваються аеробні мікроби, серед яких особливе значення мають метанотрофних бактерії. Завдяки їх активності значна частина утвореного в анаеробної зоні звалища метану не влучає у атмосферу. Проте, звалища і полігони ТПВ вносять істотний внесок у парниковий ефект. На сучасних полігонах ТПВ відходи герметично відокремлені від навколишнього середовища, а біогаз збирається і використовується як паливо.

У сільській місцевості органічні відходи традиційно компостуються для отримання добрив. Компостування є аеробних мікробних процесом переробки органічних речовин з виділенням тепла. В даний час в розвинених країнах все більшої популярності набуває компостування ТПВ як альтернатива промисловим і побутовим звалищ великих міст. Перед закладанням розкладається частина відходів відокремлюють від інертних матеріалів і змішують з целюлозовмістні трудноразлагаемих залишками (тріскою, лушпинням, тирсою).

У ряді країн практикують твердофазних анаеробну переробку, Коли ТПВ завантажують у спеціальні реактори для отримання метану. Процес може бути періодичним або безперервним. При безперервній обробці ТПВ відходи попередньо подрібнюються і підігріваються парою до 50 о С. Завантаження відходів відбувається зверху, а вивантаження переробленої суміші - з нижньої частини циліндричного реактора. Процес обробки триває три тижні при 55 о С. Після віджиму води продукт піддається 10-ти денний аеробного компостування для отримання добрива.

Біоремедіація забруднених об'єктів природного середовища

Доступність речовини-забруднювача в різних природних середовищ існування для здатних зруйнувати його мікроорганізмів багато в чому буде залежати від фізико-хімічних властивостей даного місцеперебування. Властивості водної екосистеми досить легко піддаються лабораторному моделювання, в той час як грунт може значно змінювати характеристики процесів, розроблених в лабораторії. Грунт і підстилають її грунти слід розглядати як поєднання локальних областей з різними наборами фізико-хімічних властивостей. Тому при просторової міграції забруднюючої речовини істотно змінюються фактори, що впливають на процес його біоруйнування. Забруднювач може зв'язуватися з речовинами гумусу і мінеральних часток за рахунок сорбції або хімічних реакцій, тим самим стаючи малодоступним для мікроорганізмів і накопичуючись в різних ділянках. Грунтові частинки можуть створювати фізичний бар'єр між клітинами і чужорідними речовинами шляхом виборчої фільтрації через мікропори. Одним з широко поширених і небезпечних забруднювачів природних екосистем є нафта, яка видобувається в великих кількостях і транспортується на значні відстані. До складу нафти і нафтопродуктів входять лінійні і розгалужені вуглеводні з різним числом атомів вуглецю, сполуки з бензольними кільцями і різними заступниками, поліциклічні ароматичні вуглеводні. Мікроорганізми, здатні використовувати різні фракції нафти присутні в будь-якому типі грунту. це представники акинетобактером, бацил, артробактеров, цітофаг, клостридій, коринебактерій, флавобактерій, микрококков, мікобактерій, нокардій, родококков, псевдомонад,міцеліальних грибів аспергиллов, пеніциллів, мукор, фузаріум, Триходермаі дріжджів кандида, ендоміцетов, родоторул, торулопсісові сахароміцетів.

В даний час забруднені грунти і грунти або обробляють на місці, або вивозять і піддають обробці на спеціальних підприємствах. У першому випадку поряд з фізичним усуненням забруднення (промиванням, счіщаніем) застосовують і біоразрушаемих здатність мікроорганізмів. Один з методів - стимулювати розвиток представників природної мікробіоти даної грунту, здатних розкладати забруднювач. Для активізації цих мікроорганізмів в грунт вносять доступні джерела вуглецю і енергії (наприклад, етанол), окислювачі (кисень, нітрати), джерела азоту і фосфору і допоміжні речовини (наприклад, емульгатори для гідрофобних сполук). Аерація грунту досягається оранкою і подачею повітря під тиском через перфоровані труби. Знищення забруднювача вимагає досить тривалого часу, проте без таких добавок процес очищення може проходити десятиліттями. Так, при розливі нафти на Алясці додавання азоту і фосфору скоротило процес розкладання вуглеводнів до 1,5 років. Другим прийомом очищення є внесення мікроорганізмів з уже відомою біоразрушаемих активністю до речовин-забруднювачів. Ефективність їх впливу багато в чому залежить від можливості створення умов, оптимальних для прояву активності. У природних екосистемах це не завжди можна досягти, так як для них характерні суттєві коливання фізико-хімічних факторів. Проте, розроблений цілий ряд мікробних препаратів на основі чистих та змішаних культур углеводородокисляющих мікроорганізмів. Оскільки немає мікроорганізму, здатного руйнувати абсолютно всі хімічні компоненти нафти, то такі препарати, як правило, містять види, що мають взаємодоповнюючі активності. Поряд з мікробними клітинами в препарат включають сполуки, які підтримують життєдіяльність мікроорганізмів в місці забруднення. Застосування таких препаратів доцільно в свіжих забрудненнях, поки природна углеводородокисляющих мікробіота не досягнула значної щільності.

Очищення з вивезенням забрудненого грунту застосовують в небезпечних випадках, щоб не допустити проникнення забруднювача в поверхневі і грунтові води. При цьому видаляють грунтовий шар і виробляють виїмку грунту. Зняту грунт укладають у вигляді штабеля і аерують за допомогою перфорованих труб для окислення киснем повітря. Розчинні забруднення видаляються промиванням водою. При спалюванні грунт перетворюється в мінералізований продукт. Повну виїмку грунту проводять на територіях, зайнятих звалищами і полігонами ТПВ, при намірі використовувати їх під будівництво або для господарських потреб. Грунт просівають для відділення неразложившихся частинок, які спалюються або перезаховують. Нетоксичний просіяний грунт можна застосовувати для озеленення.

Нафта і нафтопродукти потрапляють у водойми при аваріях на нафтових свердловинах, розливах під час перевезень, з судів і з нафтосховищ. Небезпека розливу нафти в цих випадках визначається швидкістю її поширення по великій площі і утворенням поверхневої плівки. Плівка порушує газообмін води і атмосфери, що призводить до загибелі фітопланктону, що здійснює первинну продукцію органічної речовини і кисню в водоймах. Компоненти нафти надають токсичну дію на живі організми. Важкі фракції можуть відкладатися в прибережній зоні і в донних відкладах. У воді морів і прісних водойм присутні мікроби-деструктори нафти в концентраціях 10 6 -10 7 клітин на 1 л. це неспоровие бактерії, актинобактерии, міцеліальні гриби і дріжджі. Очисні заходи полягають перш за все в обмеженні поширення нафтової плями і механічному зборі нафтової плівки з поверхні води. Мікробіологічна Біоремедіація здійснюється на місці забруднення шляхом стимуляції природної углеводородокисляющих мікробіоти або за допомогою внесених мікробних препаратів.

Особливістю процесів біоремедіації природних середовищ існування при забрудненні ксенобіотиками є незначна здатність природної мікробіоти до їх використання при першому контакті. Однак багатьма дослідниками відзначено явище адаптації мікроорганізмів в природних і штучних екосистемах, коли при повторному попаданні даного з'єднання мікробне співтовариство здійснює його переробку з більшою швидкістю і при більш високих концентраціях.

Процеси, які відбуваються за участю бактерій, дріжджів і цвілевих грибів, людина застосовував сотні років для отримання харчових продуктів та напоїв, обробки текстилю та шкіри, але участь в цих процесах мікроорганізмів було чітко показано тільки в середині 19 ст.

У 20 ст. промисловість використовувала всю різноманітність чудових биосинтетических здібностей мікроорганізмів, і тепер ферментація займає центральне місце в біотехнології. З її допомогою отримують різноманітні хімікалії високого ступеня чистоти і лікарські препарати, виготовляють пиво, вино, ферментовані харчові продукти. У всіх випадках процес ферментації розділяється на шість основних етапів.

Створення середовища.

Перш за все необхідно вибрати відповідну культуральне середовище. Мікроорганізми для свого росту потребують органічних джерелах вуглецю, відповідному джерелі азоту і різних мінеральних речовинах. При виробництві алкогольних напоїв в середовищі повинні бути присутніми осолодженого ячмінь, вичавки з фруктів або ягід. Наприклад, пиво зазвичай роблять з солодового сусла, а вино - з виноградного соку. Крім води і, можливо, деяких добавок ці екстракти і складають ростові середу.

Середовища для отримання хімічних речовин і лікарських препаратів набагато складніше. Найчастіше в якості джерела вуглецю використовують цукру і інші вуглеводи, але нерідко масла і жири, а іноді вуглеводні. Джерелом азоту зазвичай служать аміак і солі амонію, а також різні продукти рослинного або тваринного походження: соєве борошно, соєві боби, борошно з насіння бавовнику, борошно з арахісу, побічні продукти виробництва кукурудзяного крохмалю, відходи боєнь, рибне борошно, дріжджовий екстракт. Складання та оптимізація ростовой середовища є досить складним процесом, а рецепти промислових середовищ - ревниво оберігаємою секретом.

Стерилізація.

Середу необхідно стерилізувати, щоб знищити всі забруднюючі мікроорганізми. Сам ферментер і допоміжне обладнання теж стерилізують. Існує два способи стерилізації: пряма інжекція перегрітої пари і нагрівання за допомогою теплообмінника. Бажана ступінь стерильності залежить від характеру процесу ферментації. Вона повинна бути максимальною при отриманні лікарських препаратів і хімічних речовин. Вимоги ж до стерильності при виробництві алкогольних напоїв менш суворі. Про таких процесах ферментації говорять як про «захищених», оскільки умови, які створюються в середовищі, такі, що в них можуть рости тільки певні мікроорганізми. Наприклад, при виробництві пива ростові середу просто кип'ятять, а не стерилізують; ферментер також використовують чистим, але не стерильним.

Отримання культури.

Перш ніж почати процес ферментації, необхідно отримати чисту високопродуктивну культуру. Чисті культури мікроорганізмів зберігають в дуже невеликих обсягах і в умовах, що забезпечують її життєздатність і продуктивність; зазвичай це досягається зберіганням при низькій температурі. Ферментер може вміщати декілька сотень тисяч літрів культурального середовища, і процес починають, вводячи в неї культуру (інокулят), що становить 1-10% обсягу, в якому буде йти ферментація. Таким чином, вихідну культуру слід поетапно (з пересіву) ростити до досягнення рівня мікробної біомаси, достатнього для протікання мікробіологічного процесу з необхідною продуктивністю.

Абсолютно необхідно весь цей час підтримувати чистоту культури, не допускаючи її зараження сторонніми мікроорганізмами. Збереження асептичних умов можливо лише при ретельному мікробіологічному і хіміко-технологічному контролі.

Зростання в промисловому ферментере (біореакторі).

Промислові мікроорганізми повинні рости в ферментере при оптимальних для утворення необхідного продукту умовах. Ці умови строго контролюють, стежачи за тим, щоб вони забезпечували зростання мікроорганізмів і синтез продукту. Конструкція ферментера повинна дозволяти регулювати умови зростання - постійну температуру, pH (кислотність або лужність) і концентрацію розчиненого в середовищі кисню.

Звичайний ферментер є закритий циліндричний резервуар, в якому механічно перемішуються середовище та мікроорганізми. Через середу прокачують повітря, іноді насичений киснем. Температура регулюється за допомогою води або пари, що пропускаються по трубках теплообмінника. Такий ферментер з перемішуванням використовується в тих випадках, коли ферментативний процес вимагає багато кисню. Деякі продукти, навпаки, утворюються в безкисневих умовах, і в цих випадках використовуються ферментери іншої конструкції. Так, пиво варять при дуже низьких концентраціях розчиненого кисню, і вміст біореактора НЕ аерується і не перемішується. Деякі пивовари досі традиційно використовують відкриті ємності, але в більшості випадків процес йде в закритих неаеріруемих циліндричних ємностях, що звужуються донизу, що сприяє осіданню дріжджів.

В основі отримання оцту лежить окислення спирту до оцтової кислоти бактеріями Acetobacter. Процес ферментації протікає в ємностях, які називаються Ацетатори, при інтенсивній аерації. Повітря і середовище засмоктуються обертається мішалкою і надходять на стінки ферментера.

Виділення і очищення продуктів.

По завершенні ферментації в бульйоні присутні мікроорганізми, невикористані живильні компоненти середовища, різні продукти життєдіяльності мікроорганізмів і той продукт, який бажали отримати в промисловому масштабі. Тому даний продукт очищають від інших складових бульйону. При отриманні алкогольних напоїв (вина і пива) досить просто відокремити дріжджі фільтруванням і довести до кондиції фільтрат. Однак індивідуальні хімічні речовини, одержувані шляхом ферментації, екстрагують зі складного за складом бульйону. Хоча промислові мікроорганізми спеціально відбираються за своїми генетичними властивостями так, щоб вихід бажаного продукту їх метаболізму був максимальний (в біологічному сенсі), концентрація його все ж мала в порівнянні з тією, яка досягається при виробництві на основі хімічного синтезу. Тому доводиться вдаватися до складних методів виділення - екстрагуванню розчинником, хроматографії та ультрафільтрації.

Переробка та ліквідація відходів ферментації.

При будь-яких промислових мікробіологічних процесах утворюються відходи: бульйон (рідина, що залишилася після екстракції продукту виробництва); клітини використаних мікроорганізмів; брудна вода, якою промивали установку; вода, яка застосовувалася для охолодження; вода, що містить в невеликій кількості органічні розчинники, кислоти і луги. Рідкі відходи містять багато органічних сполук; якщо їх скидати в річки, вони будуть стимулювати інтенсивне зростання природної мікробної флори, що призведе до збіднення річкових вод киснем і створення анаеробних умов. Тому відходи перед видаленням піддають біологічної обробці, щоб зменшити вміст органічного вуглецю.

ПРОМИСЛОВІ МІКРОБІОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ

Промислові мікробіологічні процеси можна розбити на 5 основних груп: 1) вирощування мікробної біомаси; 2) отримання продуктів метаболізму мікроорганізмів; 3) отримання ферментів мікробного походження; 4) отримання рекомбінантних продуктів; 5) перетворення речовин.

Мікробна біомаса.

Мікробні клітини самі по собі можуть служити кінцевим продуктом виробничого процесу. У промисловому масштабі отримують два основних типи мікроорганізмів: дріжджі, необхідні для хлібопечення, і одноклітинні мікроорганізми, які використовуються як джерело білків, які можна додавати в їжу людини і тварин. Пекарські дріжджі вирощували у великих кількостях з початку 20 ст. і використовували в якості харчового продукту в Німеччині під час Першої світової війни.

Однак технологія виробництва мікробної біомаси як джерела харчових білків була розроблена тільки на початку 1960-х років. Ряд європейських компаній звернули увагу на можливість вирощування мікробів на такому субстраті, як вуглеводні, для отримання т.зв. білка одноклітинних організмів (БОО). Технологічним тріумфом було отримання продукту, який додається в корм худобі і складається з висушеної мікробної біомаси, що виросла на метанолі. Процес йшов в безперервному режимі в ферментере з робочим об'ємом 1,5 млн. Л. Однак у зв'язку з ростом цін на нафту і продукти її переробки цей проект став економічно невигідним, поступившись місцем виробництву соєвої та рибного борошна. До кінця 80-х років заводи з отримання БОО були демонтовані, що поклало кінець бурхливому, але короткому періоду розвитку цієї галузі мікробіологічної промисловості. Більш перспективним виявився інший процес - отримання грибної біомаси та грибного білка мікопротеіна з використанням в якості субстрату вуглеводів.

Продукти метаболізму.

Після внесення культури в живильне середовище спостерігається лаг-фаза, коли видимого росту мікроорганізмів не відбувається; цей період можна розглядати як час адаптації. Потім швидкість росту поступово збільшується, досягаючи постійної, максимальної для даних умов величини; такий період максимального зростання називається експоненціальною, або логарифмічною, фазою. Поступово зростання сповільнюється, і настає т.зв. стаціонарна фаза. Далі число життєздатних клітин зменшується, і зростання зупиняється.

Дотримуючись описаної вище кінетики, можна простежити за освітою метаболітів на різних етапах. У логарифмічною фазі утворюються продукти, життєво важливі для росту мікроорганізмів: амінокислоти, нуклеотиди, білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи і т.д. Їх називають первинними метаболітами.

Багато первинні метаболіти становлять значну цінність. Так, глутамінова кислота (точніше, її натрієва сіль) входить до складу багатьох харчових продуктів; лізин використовується як харчова добавка; фенілаланін є попередником замінника цукру аспартама. Первинні метаболіти синтезуються природними мікроорганізмами в кількостях, необхідних лише для задоволення їх потреб. Тому завдання промислових мікробіологів складається в створенні мутантних форм мікроорганізмів - сверхпродуцентов відповідних речовин. У цій області досягнуто значних успіхів: наприклад, вдалося отримати мікроорганізми, які синтезують амінокислоти аж до концентрації 100 г / л (для порівняння - організми дикого типу накопичують амінокислоти в кількостях, що обчислюються миллиграммами).

У фазі уповільнення зростання і в стаціонарній фазі деякі мікроорганізми синтезують речовини, що не утворюються в логарифмічною фазі і не грають явної ролі в метаболізмі. Ці речовини називають вторинними метаболітами. Їх синтезують не всі мікроорганізми, а в основному нитчасті бактерії, гриби і спороутворюючі бактерії. Таким чином, продуценти первинних і вторинних метаболітів відносяться до різних таксономічних груп. Якщо питання про фізіологічну роль вторинних метаболітів в клітинах-продуцента був предметом серйозних дискусій, то їх промислове отримання представляє безперечний інтерес, так як ці метаболіти є біологічно активними речовинами: одні з них мають антимікробну активність, інші є специфічними інгібіторами ферментів, треті - ростовими факторами , багато є неактивними. Отримання такого роду речовин послужило основою для створення цілого ряду галузей мікробіологічної промисловості. Першим в цьому ряду стало виробництво пеніциліну; мікробіологічний спосіб отримання пеніциліну був розроблений в 1940-х роках і заклав фундамент сучасної промислової біотехнології.

Фармацевтична промисловість розробила надскладні методи скринінгу (масової перевірки) мікроорганізмів на здатність продукувати цінні вторинні метаболіти. Спочатку метою скринінгу було отримання нових антибіотиків, але незабаром виявилося, що мікроорганізми синтезують і інші фармакологічно активні речовини. Протягом 1980-х років було налагоджено виробництво чотирьох дуже важливих вторинних метаболітів. Це були: циклоспорин - імунодепресанти, який використовується в якості засобу, що запобігає відторгнення імплантованих органів; имипенем (одна з модифікацій карбапенеми) - речовина з найширшим спектром антимікробної дії з усіх відомих антибіотиків; ловастатин - препарат, що знижує рівень холестерину в крові; івермектин - антигельминтное засіб, що використовується в медицині для лікування онхоцеркоза, або «річковий сліпоти», а також у ветеринарії.

Ферменти мікробного походження.

У промислових масштабах ферменти одержують з рослин, тварин і мікроорганізмів. Використання останніх має ту перевагу, що дозволяє виробляти ферменти в величезних кількостях за допомогою стандартних методик ферментації. Крім того, підвищити продуктивність мікроорганізмів незрівнянно легше, ніж рослин або тварин, а застосування технології рекомбінантних ДНК дозволяє синтезувати тварини ферменти в клітинах мікроорганізмів. Ферменти, отримані таким шляхом, використовуються головним чином в харчовій промисловості і суміжних областях. Синтез ферментів в клітинах контролюється генетично, і тому наявні промислові мікроорганізми-продуценти були отримані в результаті спрямованого зміни генетики мікроорганізмів дикого типу.

Рекомбінантні продукти.

Технологія рекомбінантних ДНК, більш відома під назвою «генна інженерія», дозволяє включати гени вищих організмів в геном бактерій. В результаті бактерії набувають здатність синтезувати «чужорідні» (рекомбінантні) продукти - з'єднання, які раніше могли синтезувати тільки вищі організми. На цій основі було створено безліч нових біотехнологічних процесів для виробництва людських або тваринних білків, раніше недоступних або застосовувалися з великим ризиком для здоров'я. Сам термін «біотехнологія» набув поширення в 1970-х роках у зв'язку з розробкою способів виробництва рекомбінантних продуктів. Однак це поняття набагато ширше і включає будь-який промисловий метод, заснований на використанні живих організмів і біологічних процесів.

Першим рекомбінантним білком, отриманим в промислових масштабах, був людський гормон росту. Для лікування гемофілії використовують один з білків системи згортання крові, а саме фактор VIII. До того як були розроблені методи отримання цього білка за допомогою генної інженерії, його виділяли з крові людини; застосування такого препарату було пов'язане з ризиком зараження вірусом імунодефіциту людини (ВІЛ).

Довгий час цукровий діабет успішно лікували за допомогою інсуліну тварин. Однак вчені вважали, що рекомбінантний продукт буде створювати менше імунологічних проблем, якщо його вдасться отримувати в чистому вигляді, без домішок інших пептидів, що виробляються підшлунковою залозою. Крім того, очікувалося, що число хворих на діабет буде з часом збільшуватися в зв'язку з такими факторами, як зміни в характері харчування, поліпшення медичної допомоги вагітним, які страждають на діабет (і як наслідок - підвищення частоти генетичної схильності до діабету), і, нарешті, очікуване збільшення тривалості життя хворих на діабет. Перший рекомбінантний інсулін надійшов у продаж в 1982, а до кінця 1980-х років він практично витіснив інсулін тварин.

Багато інші білки синтезуються в організмі людини в дуже невеликих кількостях, і єдиний спосіб отримувати їх в масштабах, достатніх для використання в клініці, - технологія рекомбінантних ДНК. До таких білків належать інтерферон і еритропоетин. Еритропоетин спільно з мієлоїдний колонієстимулюючим фактором регулює процес утворення клітин крові у людини. Еритропоетин використовується для лікування анемії, пов'язаної з нирковою недостатністю, і може знайти застосування як засіб, що сприяє підвищенню рівня тромбоцитів, при хіміотерапії ракових захворювань.

У харчовій промисловості мікроорганізми використовуються при отриманні ряду продуктів. Так, алкогольні напої - вино, пиво, коньяк, спирт - і інші продукти отримують за допомогою дріжджів. У хлібопекарської промисловості використовують дріжджі і бактерії, в молочній промисловості - молочнокислі бактерії і т.д.

Серед різноманіття викликаються мікроорганізмами процесів одним з істотних є бродіння.

Під бродінням розуміють перетворення вуглеводів і деяких інших органічних сполук в нові речовини під впливом ферментів, які продукуються мікроорганізмами. Відомі різні види бродіння. Зазвичай їх називають по кінцевим продуктам, що утворюється в процесі бродіння, наприклад, спиртове, молочнокисле, уксуснокислое і ін.

Багато видів бродіння - спиртове, молочнокисле, Ацетонобутилове, уксуснокислое, лимоннокисле і інші, що викликаються різними мікроорганізмами, використовують в промисловості. Наприклад, у виробництві етилового спирту, хліба, пива, вина застосовують дріжджі; у виробництві лимонної кислоти - цвілеві гриби; у виробництві оцтової і молочної кислот, ацетону - бактерії. Основна мета зазначених виробництв - перетворення субстрату (поживного середовища) під дією ферментів мікроорганізмів в необхідні продукти. В інших виробництвах, наприклад у виробництві хлібопекарських дріжджів, головним завданням є накопичення максимальної кількості культивованих дріжджів.

Основні групи мікроорганізмів, які використовуються в галузях харчової промисловості, - бактерії, дріжджові і цвілеві гриби.

Бактерії. Використовують в якості збудників молочнокислого, оцтового, Ацетонобутилове бродіння.

культурні молочнокислі бактерії використовують при отриманні молочної кислоти, в хлібопеченні, іноді в спиртовому виробництві. Вони перетворюють цукор на молочну кислоту за наведеним рівнянням 2СН 3 СНОНСООН.

Молочнокислі бактерії бувають циліндричні або паличкоподібні, а так само сферичні, грампозитивні, нерухомі, неспорообразующие.

Оптимальна температура для росту більшості молочнокислих бактерій 20 ... 30 о С, як і інші бесспоровие бактерії, вони гинуть при 70 ... 75 о С.

У процесі отримання житнього хліба беруть участь справжні (гомоферментативное) і несправжні (гетероферментативні) молочнокислі бактерії. Гетероферментативні молочнокислі бактерії поряд з молочною кислотою утворюють інші органічні кислоти (в основному - оцтову), спирт і діоксид вуглецю. Справжні бактерії в житньому тесті беруть участь тільки в кислотоутворення, а несправжні поряд з кислотоутворенням істотно впливають на розпушення тіста, будучи енергійними газообразователями. Молочнокислі бактерії житнього тесту істотний вплив багатодітній родині і на смак хліба, так як він залежить від загальної кількості кислот, що містяться в хлібі, і від їх співвідношення. Крім того, молочна кислота впливає на процес утворення і структурно-механічні властивості житнього хліба.

У спиртової промисловості молочнокисле бродіння може застосовуватися для підкислення дріжджового сусла. Дикі молочнокислі бактерії несприятливо впливають на технологічні процеси бродильних виробництв, погіршують якість готової продукції. Утворює при молочнокислом бродінні молочна кислота стимулює розвиток дріжджів і пригнічує життєдіяльність сторонніх мікроорганізмів.

Маслянокислое бродіння, що викликається маслянокислого бактеріями, використовують для виробництва масляної кислоти, ефіри якої застосовують в якості ароматичних речовин, а для спиртового виробництва ці бактерії небезпечні, так як масляна кислота пригнічує розвиток дріжджів і інактивує а-амілазу.

Маслянокислі бактерії - строгі анаероби, які мають великі спороутворюючі кульки довжиною до 10 мкм. Поряд з масляною кислотою вони можуть утворювати в менших кількостях оцтову, молочну, капронову, каприлова і інші кислоти, а також етиловий та бутиловий спирти. Оптимальна температура для росту бактерій 30 ... 40 о С, при рН нижче 4,9 вони не розвиваються.

До особливих видів маслянокисле бактерій відносяться Ацетонобутилове бактерії, здатні перетворювати крохмаль та інші вуглеводи в ацетон, бутиловий і етиловий спирти. Ці бактерії використовують в якості збудників бродіння в Ацетонобутилове виробництві.

оцтовокислі бактерії - грамнегативні, паличкоподібні бесспоровие строгоаеробние організми, що розвиваються в тих же умовах, що і дріжджі. Використовують для отримання оцту (розчин оцтової кислоти), так як вони здатні окисляти етиловий спирт в оцтову кислоту по рівнянню:

СН 3 СН 2 ОН + О 2 \u003d СН 3 СООН + Н 2 О + 487 кДж

Слід зазначити, що уксуснокислое бродіння є шкідливим для спиртового виробництва, так як призводить до зниження виходу спирту, а в пивоварінні погіршує якість пива, викликає його псування.

гнильні бактерії - викликають розпад білкових речовин. В аеробних умовах відбувається повна мінералізація білка аж до діоксиду вуглецю, аміаку, сірководню, води і мінеральні речовин. Особливо великої шкоди гнильні бактерії завдають дріжджів, скорочуючи терміни їх зберігання. Нітрити в концентрації навіть 0,0005% затримують розмноження дріжджів.

Дріжджі. Широко застосовуються в якості збудників бродіння при отриманні спирту і пива, в виноробстві, у виробництві хлібного квасу, а також в хлібопеченні для розпушення тіста.

Для харчових виробництв має значення дріжджі - сахароміцети, які утворюють спори, і недосконалі дріжджі - несахароміцети (дріжджоподібні гриби), що не утворюють спор. Сімейство сахароміцетів ділиться на кілька пологів. Найбільш важливе значення з цього сімейства має рід Saccharomyces (сахароміцети). Рід підрозділяється на види, а інші окремі різновиди виду, що відрізняються за деякими ознаками, називають расами. У кожній галузі застосовуються певні раси дріжджів. Розрізняють дріжджі пилоподібні і пухкі. У перших протягом усього періоду життєдіяльності клітини ізольовані один від одного, а у других клітини склеюються між собою, утворюючи пластівці, і швидко осідають.

Культурні дріжджі відносяться до сімейства сахароміцетів S. cerevisiae. Температурний оптимум для розмноження дріжджів знаходиться в межах 25-30 о С, а мінімальна температура близько 2-3 о С. При 40 о С ріст припиняється, дріжджі відмирають, але низькі температури дріжджі переносять добре, хоча розмноження їх припиняється.

Розрізняють дріжджі верхового та низового бродіння. У кожній з цих груп є кілька окремих рас.

Дріжджі верхового бродіння в стадії верхового бродіння виділяються на поверхні сбраживаемой середовища у вигляді досить товстого шару піни і залишаються в такому стані до закінчення бродіння. Затії вони осідають, але не дають щільного осаду. Ці дріжджі відносяться до пилоподібним дріжджів і не склеюються один з одним на відміну від хлопьевідний дріжджів низового бродіння, оболонки яких є клейкими, що призводить до злипання і швидкому осадженню клітин.

З культурних дріжджів до дріжджів низового бродіння відносяться більшість винних і пивних дріжджів, а до дріжджів верхнього бродіння - спиртові, хлібопекарські та деякі раси пивних дріжджів. Спочатку були відомі тільки дріжджі верхового бродіння, так як бродіння різних соків відбувалося при звичайній температурі. Бажаючи отримати напої, насичені СО2, людина стала вести бродіння при низькій температурі. Під впливом змінених зовнішніх умов вийшли дріжджі низового бродіння, що знайшли широке поширення в промисловості.

Як зазначалося раніше, в процесі спиртового бродіння з глюкози утворюється два основні продукти - етиловий спирт і діоксид вуглецю, а також проміжні вторинні продукти: гліцерин, бурштинова, оцтова, лимонна і піровиноградної кислоти, ацетальдегід, 2,3-бутиленгліколь, ацетоін, ефіри й так звані сивушні масла (ізоаміловий, ізотопропіловий, бутиловий та інші спирти).

Зброджування окремих цукрів відбувається в певній послідовності, обумовленої швидкістю їх дифузії в дріжджову клітину. Швидше за всіх сбраживаются дріжджами глюкоза і фруктоза. Однак сахароза, як така, зникає (інвертується) в середовищі ще на початку бродіння під дією ферменту, що міститься в оболонці дріжджової клітини - В -фруктофуранозідази, з утворенням глюкози і фруктози, які легко використовуються клітиною. Коли в середовищі майже не залишається фруктози і глюкози, дріжджі споживають мальтозу.

Дріжджі мають здатність зброджувати дуже високі концентрації цукру до 60%. Вони виносять також високі концентрації спирту - до 14-16 об. %. Токсична дія спирту збільшується з підвищенням температури.

У присутності кисню спиртове бродіння припиняється і дріжджі отримують енергію за рахунок кисневого дихання:

З 6 Н 12 О 6 + 6О 2 СО 2 + 6Н 2О + 2824 кДж

Так як цей процес енергетично більш багатий, ніж процес бродіння (118 кДж), то дріжджі витрачають цукор значно економніше. Припинення бродіння під впливом кисню повітря отримало назву ефекту Пастера.

У спиртовому виробництві застосовують верхові дріжджі виду S. cerevisiae, які володіють найбільшою енергією бродіння, утворюють максимум спирту і зброджують моно- і дисахариди, а також частина декстринів.

У хлібопекарських дріжджах цінують швидко розмножуються раси, що володіють хорошою підйомної силою і стійкістю при зберіганні. Підйомна сила визначається як особливостями рас дріжджів, так і способом ведення виробництва.

У пивоварінні використовують дріжджі низового бродіння, пристосовані до порівняно низьких температур. Пивні дріжджі повинні бути мікробіологічно чистими, а також мати здатність до утворення пластівців, швидко осідати на дно бродильного апарату і давати прозорий напій з певними смаком і ароматом.

У виноробстві цінуються дріжджі, швидко розмножуються, що володіють властивістю пригнічувати інші види дріжджів і мікроорганізми і надавати вину відповідний букет. Дріжджі, що застосовуються в виноробстві, відносяться до виду S / vini, енергійно зброджують глюкозу, фруктозу, сахарозу та мальтозу. Велика частина винних дріжджів відноситься до дріжджів низького бродіння. У виноробстві майже всі виробничі культури дріжджів виділені з молодих вин в різних місцевостях.

У пивоварної промисловості застосовують дріжджі низові виду S / carlsbergensis (в основному пухкі раси). Бродіння, що викликається ними, добре протікає при температурах від 6 до 8 о С.

Дріжджі сімейства несахароміцетов виробляють в якості цінного корму для сільськогосподарських тварин.

У таких галузях, як пивоваріння та дріжджове виробництво, дріжджоподібні гриби є шкідниками виробництва.

Зигоміцети. Раніше зігоміцети називали пліснявими грибами. Вони відіграють велику роль в якості продуцентів ферментів. Гриби роду Aspergillus продукують амилолитические, протеолітичні, пектолітіческіе і інші ферменти, які використовують в спиртовій промисловості замість солоду для оцукрювання крохмалю, у пивоварній - при частковій заміні солоду несоложеним зерном і т.д.

У виробництві лимонної кислоти А. Niger є збудником лімоннокіслого бродіння, перетворюючи цукор в лимонну кислоту.

Однак в ряді випадків цвілеві гриби викликають псування харчових продуктів.