Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Связь биотехнологии с фундаментальными и прикладными науками.

Фундаментальные науки:

- физиология растений (регенерация, гормоны, культуры клеток и тканей);

- биохимия;

- генетика и селекция (андрогенез и мутагенез);

- кибернетика;

- информатика;

- микробиология (синтез АК, азотфиксаторы, векторы);

- инженерная энзимология.

Прикладные науки:

- иммобилизованные клетки и ферменты;

- молекулярная биология (структура генома, экспрессия генома);

- БАВ.

Требования к продуцентам. Отбор продуцентов для биотехнологического процесса.

Промышленный штамм должен удовлетворять следующим требованиям (по Л.И.Воробьевой, 1987):

а) способность к росту на дешевых питательных средах,

б) высокая скорость роста и образования целевого продукта,

в) минимальное образование побочных продуктов,

г) стабильность продуцента в отношении производственных свойств,

д) безвредность продуцента и целевого продукта для человека и окружающей среды;

е) быть устойчивым к фагам и другой посторонней микрофлоре;

ж) желательно, чтобы продуценты были термофильными и ацидофильными (или алкалофильными), т.к. легче предохранить ферментируемый субстрат от контаминации посторонней микрофлорой;

з)  целевой продукт биосинтеза должен легко выделяться из субстрата.

Во многих биотехнологических процессах используют ограниченное число микроорганизмов, которые классифицируются как GRAS («generally recognized as safe» обычно считаются безопасными). К GRAS относят микроорганизмы непатогенные, нетоксичные и в основном не образующие антибиотики, поэтому при разработке нового биотехнологического процесса следует ориентироваться на данные микроорганизмы, как базовые объекты биотехнологии.

К таким микроорганизмам относят бактерии Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, другие виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces. Сюда также относят виды грибов родов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus и дрожжей Saccharomyces и др.

         Отбор продуцентов для биотехнологического процесса.

Определение способности синтезировать целевой продукт - главный критерий при отборе продуцентов.

1. Выделение микроорганизмов из природных источников. Отбирают пробы из мест обитания микроорганизмов (почва, растительные остатки и т.д.).

а) Получение накопительных культур. Образцы вносят в жидкие питательные среды специального состава, создают благоприятные условия для развития продуцента (температура, РН, источники энергии, углерода,
азота и т.д.).

б) Выделение чистых культур. На плотные питательные среды засевают образцы проб из накопительных культур. Изолированные колонии или клоны,
при пересеве - чистые культуры, состоящие из клеток одного вида про­дуцента.

2. Подбор микроорганизмов из имеющихся коллекций. Например, продуцентами антибиотиков чаще являются актиномицеты, этанола -дрожжи.

3. Лабораторные штаммы, изменённые в результате селекции или индуцированных мутаций. Основной контингент промышленных микроорганизмов представлен искусственно селекционно-выведенными штаммами. Отбор случайных мутаций применяют тогда, когда не известен путь синтеза метаболита и его регуляция. Этот метод отбора всегда осуществляется в несколько последовательных этапов, поэтому его часто называ­ют ступенчатым отбором. Суть метода заключается в следующем:

•     Исходная культура обрабатывается мутагеном, взятым в нескольких дозах.

•     Отбирают 100 клонов, выросших после воздействия каждой отдельной дозы мутагена и определяют уровень продукции метаболита.

Уровень продукции выражают в процентах по отношению к уровню продукции исходной культуры и распределяют в вариационном ряду.

•     Полученные вариационные ряды, число которых соответствует числу примененных доз, сравнивают с контрольным рядом.

•     Отбирают плюс ­варианты и оценивают их продукционную способность в нескольких повторах.

•     Выбирают варианты, дающие максимальную продукцию, и еще раз проверяют их уровень продукции после 2–3 пересевов на агаризованной среде.

•     Все данные суммируются и обрабатываются статистически.

•     Выбирают вариант, уровень продукции которого достоверно превышает уровень продукции исходного штамма.

Последовательные этапы отбора, проводимого непосредственно по количественному признаку, позволяют «собрать» в геноме продуцента группу мутаций, сочетание которых и обеспечивает высокий уровень продукции. Такой подход широко применяется для получения сверхпродуцентов аминокислот и особенно антибиотиков. С большим эффектом он применялся в течение многих десятилетий. Классическим примером является создание Висконсинской серии продуцентов пенициллина, которая была осуществлена в США на штамме Penicillum chrysogenum с применением различных физических и химических мутагенов. Селекция штаммов этой серии, продолжавшаяся более 30 лет, позволила повысить уровень продукции пенициллина в несколько тысяч раз по сравнению с уровнем исходного штамма.

4. Штаммы, полученные методами генной или клеточной инженерии.

8.

 

9. Получение трансгенных организмов.

 К наи­более важным методам биотехнологии рекомбинантных ДНК сле­дует отнести следующие:

1. Специфическое расщепление ДНК рестрикцирующими нуклеазами, что в значительной степени ускоряет выделение различных генов и манипуляции с ними.

2. Быстрое секвенирование всех нуклеотидов в очищенном фраг­менте ДНК, позволяющее определить точные границы гена и кодируемую им аминокислотную последовательность полипептида;,

3. Гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая с большой точностью выявить специфические нуклеотидные последовательности на основе их способности связывать комплементарные основания.                                   

4. Клонирование ДНК, суть которого сводится к введению ДНК фрагмента в самореплицирующийся генетический аппарат (плазмиду или вирус), который используют для трансформации бактерий. Бактериальная клетка после трансформации способна воспроизводить этот фрагмент во многих миллионах идентичных копий.

5. Генетическая инженерия, позволяющая получать модифицированные версии генов и затем внедрять их в клетки или организмы.

Технология рекомбинантных ДНК оказала существенное воздействие на всю клеточную биологию, позволяя решать такие задачи, как определение строения и функций не только белков, но и индивидуальных доменов, а также расшифровывать механизмы регуляции экспрессии генов, получать многие белки, участвую­щие в регуляции обменных процессов, клеточной пролиферации и развитии организма.

 

Твердофазная ферментация

Большинство ферментационных технологий связано с жидкими аэрируемыми системами, однако в настоящее время достаточно широко используются ферментационные технологии, основанные на утилизации плотных субстратов, при отсутствии воды или малом ее количестве, а также в безкислородных условиях. Существуют процессы, в которых роль жидкой фазы сведена до минимума: она, используется лишь для увлажнения твердой поверхности или воздуха (газа). В зависимости от превалирующей фазы процессы и соответствующие им аппараты подразделяются на твердофазные и газофазные.

Твердофазные процессы осуществляются, как правило, на основе растительного сырья и используют чаще всего мицелиальные грибы или дрожжи. Различают три типа твердофазных процессов:

а) Поверхностные, когда слой субстрата не превышает 3-7 см. В качестве "биореакторов" используются большие (до нескольких квадратных метров) подносы или культуральные камеры.

б) Глубинные процессы, идущие в не перемешиваемом слое. Биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды. Для аэробных твердофазных процессов разработаны приспособления, обеспечивающие диффузионный и конвекционный газообмен.

в) Перемешиваемые процессы, протекающие в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, который может быть гомогенным (полужидкой консистенции) или состоять из частиц твердого вещества, взвешенных в жидкости (переходный вариант от твердофазного процесса к процессу в жидкой фазе). Для этого обычно используют биореакторы с низкоскоростным перемешиванием.

Интерес к твердофазным процессам обусловлен некоторыми их преимуществами по сравнению с процессами, осуществляющимися в жидкой фазе: они требуют меньших затрат на оснащение и более дешевые в эксплуатации; характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта; низкое содержание воды препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой; твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду больших количеств сточных вод.

Однако, и в данных процессах есть некоторые недостатки. Так, вследствие отсутствия хорошего перемешивания, продуцент часто растет в виде колоний и лишь постепенно может распространяться по субстрату. При этом возникает локальная недостача питательных веществ и часть субстрата вообще не используется продуцентом.

22. Особенности получения целевых продуктов при различных условиях ферментации

Завершающие стадии биотехнологических процессов — выделение целевогопродукта - существенно различаются в зависимости от того, накапливается продукт в клетке, или он выделяется в культуральную жидкость, или же продуктом является клеточная биомасса. Наиболее сложным является выделение внутриклеточного продукта. При этом клетки необходимо отделить от среды культивирования, подвергнуть их разрушению, а затем целевой продукт очистить от остатков разрушенных клеток. Выделение продукта существенно облегчается, если он экскретируется продуцентом в культуральную жидкость. Поэтому одной из насущных задач биотехнологии является создание промышленных штаммов микроорганизмов, секретирующих возможно большее число ценных продуктов в значительных количествах. Технология выделения и очистки в значительной степени определяется природой целевого продукта. В ряде случаев существует возможность не использовать тщательную очистку продукта, если он обладает требуемыми активностями в неочищенном состоянии и если примесь посторонних веществ не оказывает каких-либо нежелательных влияний при его использовании. Некоторые традиционные биотехнологические процессы вообще исключают этап отделения продукта.

Первым этапом на пути к очистке целевого продукта является разделение культуральной жидкости и биомассы–сепарация. Существуют различные методы сепарации:1) флотация, если клетки продуцента в биореакторе из-за низкой сма-чиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости;2) фильтрация на пористой фильтрующей перегородке; 3) центрифугирование. Метод основан на осаждении взвешенных в жидкости частиц с применением центробежной силы. Ценрифугирование требует более дорогостоящего оборудования, чем фильтрование. Поэтому оно оправдывает себя, если: а) суспензия фильтруется медленно; б) поставлена задача максимального освобождения культуральной жидкости от содержащихся частиц; в) необходимо наладить непрерывный процесс сепарации в условиях, когда фильтры рассчитаны только на периодическое действие. Центрифугирование и фильтрация в некоторых производственных процессах реализуются в комбинации–речь идет о фильтрационных центрифугах. Широко применяют центрифуги, где разделение жидкой и твердой фаз не связано с фильтрацией и основано лишь на центробежной силе.

Следующим этапом получение целевого продукта является разрушение клеток. Разрушение клеток (дезинтеграцию) проводят физическим, химическим и химико-ферментативным методами. Наибольшее индустриальное значение имеет физическое разрушение: ультразвуком; с помощью вращающихся лопастей или вибраторов–метод, обычно используемый в пилотных и промышленных установках; встряхиванием со стеклянными бусами; продавливанием через узкое отверстие под высоким давлением; раздавливанием замороженной клеточной массы; растиранием в ступке; осмотическим шоком; замораживанием–оттаиванием; сжатием клеточной суспензии с последующим резким снижением давления (декомпрессия).

За дезинтеграцией клеток следует этап отделения фрагментов клеточных стенок. Используют те же методы, что и при сепарации клеток: центрифугирование или фильтрацию. Однако применяют более высокоскоростные центрифуги и фильтры с меньшим диаметром пор (часто мембранные), чем при сепарации клеток. В большинстве биотехнологических процессов клеточные стенки отбрасываюткак балласт, но возможно и промышленное получение компонентов клеточных стенок как целевого продукта. Выделение целевого продукта из культуральной жидкости или гомогената разрушенных клеток проводят путем его осаждения, экстракции или адсорбции.

Осаждение растворенных веществ осуществляется физическими (нагревание, разведение или концентрирование, охлаждение раствора) или химическими воздействиями, переводящими растворенное вещество в малорастворимое состояние.

Экстракция подразделяется на твердо-жидкофазную (при которой продукт из твердой фазы переходит в жидкую) и жидко-жидкофазную (когда обеспечивается перевод продукта из одной жидкой фазы в другую, также жидкую фазу).

Твердо-жидкофазная экстракция сводится порой к простой обработке твердого образца водой или органическим растворителем с целью извлечения из него растворимых соединений. Достаточно широко применяются различные органические растворители, в частности экстрагирование ацетоном, который эффективно переводит в раствор ряд липидных и белковых компонентов клеток. При жидко-жидкофазной экстракции используются различные органические растворители - алкилфенолы, эфиры, галогениды, гексан, хлороформ и др. Почти полностью избежать инактивации позволяют методы экстрагирования на холоде, т. е. путем использовании методов криоэкстракции. При этом уравниваются различия между твердым субстратом и культуральной жидкостью, поскольку и то и другое находится в замороженном состоянии (в одной фазе). Криоэкстракция проводится с применением растворителей, температура кипения которых низка и при обычной комнатной температуре находится в газообразном состоянии.

Адсорбция является достаточно распространенным методом отделения продукта и рассматривается в качестве частного случая экстракции, при котором экстрагирующим агентом служит твердое тело. Механизм ее сводится к связыванию выделяемого из жидкой или газообразной фазы вещества поверхностью твердого тела. Традиционными адсорбентами являются древесный уголь, пористые глины и т. п.

Более современные методы разделения веществ включают хроматографию, электрофорез, электрофокусировку, которые основаны на принципах экстракции и адсорбции.

 

23.Принцип масштабирования технологических процессов: лабораторные, пилотные и промышленные установки.

Технология производственного процесса отрабатывается поэтапно: в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках. Чаще встречаются аппараты с объемами ферменторной камеры: 0,5-100 л (лабораторные), 100-5000 л (лабораторно-промышленные) и 5000-1 000 000 л и более (промышленные). На каждом этапе увеличения масштаба ферментации решаются конкретные задачи отработки (налаживания) производства и его оптимизации.

Лабораторные ферментёры по устройству и форме напоминают промышленные и подразделяются на те же типы. Правда, в лабораторных масштабах наиболее часто применяются аппараты с механическим перемешиванием. По принципу теплообмена и стерилизации они делятся на две категории. К первой относятся лишенные собственных систем теплообмена и стерилизации. Такие аппараты, по сути дела, представляют собой камеры для культивирования, помещаемые в водяные бани и стерилизуемые в автоклавах. Аппараты второй категории снабжены системами теплообмена и стерилизации, принципиально не отличающимися от таковых промышленных установок.

С помощью лабораторных биореакторов решаются следующие задачи:

1) кинетические - определение скорости роста клеток, эффективности утилизации субстратов и образования целевого продукта;

2) некоторые массообменные - расчет коэффициентов массопередачи, скорость поступления в среду О₂ и других газов, скорость освобождения от газообразных продуктов, образующихся при культивировании продуцентов (в первую очередь СО₂);

3) определение коэффициентов реакций, связывающих утилизируемые субстраты и О₂ с получаемыми целевым и побочными продуктами.

Пилотные установки используют для поиска (отсюда и название) наиболее целесообразных технологий и в общих чертах моделирование промышленного процесса. Поэтому на данном этапе стараются применять тот тип аппарата, который предполагается использовать в промышленном масштабе. Иными словами, отрабатываются все аспекты производства, вплоть до штатных вопросов. При масштабных переходах следует постоянно иметь в виду, что при соблюдении одинаковых условий (среда, тип аппарата, температура и рН, скорость перемешивания) уровень и скорость синтеза целевого продукта могут существенно различаться ситуация, очень четко прослеженная еще в 1940-1950 гг. при организации крупномасштабных производств антибиотиков.

При переходе от лабораторных к пилотным, а затем от пилотных к промышленным установкам, приходится наряду с объемом изменять и конструкцию, и режимы работы аппаратов. Центральной проблемой при этом является подбор надежных критериев масштабирования, обеспечивающих разработку высокоэффективных и экономичных технологий промышленного производства целевого продукта.

 

Способы получения.

Существует три основных способа получе­ния антибиотиков:

• биологический синтез (так получают при­родные антибиотики — натуральные продук­ты ферментации, когда в оптимальных ус­ловиях культивируют микробы-продуценты, которые выделяют антибиотики в процессе своей жизнедеятельности);

• биосинтез с последующими химическими модификациями (так создают полусинтетичес­кие антибиотики). Сначала путем биосинтеза получают природный антибиотик, а затем его первоначальную молекулу видоизменяют путем химических модификаций, например присо­единяют определенные радикалы, в результате чего улучшаются противомикробные и фарма­кологические характеристики препарата;

• химический синтез (так получают синте­тические аналоги природных антибиотиков, например хлорамфеникол/левомицетин). Это вещества, которые имеют такую же структуру.

 

40. Биотехнология в энергетике. Получение этилового спирта в качестве биотоплива. Технологическая биоэнергетика - одно из направлений биотех-гии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это м.б достигнуто путем: 1) превращения биомассы, накопленной в рез-те фотосин-за в дешевое и высококалорийное топливо - метан и др. углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации самого пр-са фотосин-за, в рез-те которой энергия света с максимал-ой эффективностью использ-ся на образование водорода или др. топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО₂ и синтеза компонентов кл-ки. На уровне теоретич-их разработок находится идея непосред-ного преобразования энергии Солнца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи энергии). Рассмотривается путь, пролегающий через использование биомассы, в 1 очередь, растит-ной, ресурсы которой в мире огромны и оцениваются в 100 млрд. т по сухому веществу в год. Лишь незначит-ная часть ее расходуется человечеством, но и эта часть дает до 14% потребляемой в мире энергии. Биомасса - не только возобновляемый и почти даровой источник энергии, но и альтернатива тающим запасам полезных ископаемых.

 Получение этанола как топлива. Этанол-экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО₂ и Н₂О. Он исп-ся в двигателях внутр-него сгорания в чистом виде или как 10-20%-ная добавка к бензину (газохол). Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы. На значит-ных посевных площадях намечают выращивать с/х культуры, предназначенные для биотех-ой переработки в этанол. Производство этанола из растит-го сырья не яв-ся безотходным: на каждый литр спирта приходится 12-14 л сточных вод с высокой концентрацией отходов, опасных для природных экосистем. Проблема рациональной переработки этих отходов не решена. Классическим биообъектом, используемым при получении спирта, являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи имеют ряд недостатков. 1.Конкуренция брожения и дыхания. Субстрат (напр, глюкоза) лишь частично сбраживается до этанола. Оставшаяся часть безвозвратно теряется, превращаясь в результате дыхания в СО₂ и Н₂О. Пр-сс необходимо вести в анаэробных условиях или применять мутанты дрожжей, утратившие митохондрии и не способные к дыханию. 2.Чувствит-ть к этанолу, которая снижает выход целевого продукта на единицу объема биореактора. Получены устойчивые к этанолу мутанты, характеризующиеся измененным строением клеточных мембран. 3.Отсутствие ферментов, катализирующих расщепление крахмала, целлюлозы, ксиланазы. Необходим предварит-ный гидролиз субстрата или засев биореактора смешанной культурой, содержащей, помимо S. cerevisiae, микроорганизмы с соответствующей гидролитической активностью.

Бактерия Zymomonas mobilis, применявшаяся центрально американскими индейцами для сбраживания сока агавы, более эффективно сбраживает сахара и более устойчива к этанолу. Дальнейшее повышение устойчивости Z. mobilis к этанолу достигается добавлением в среду инкубации Mg2+ и ряда нуклеотидных компонентов. Термофильные бактерии, продуценты этанола характериз-ся высокой скоростью роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами, необычной для остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и более). Термофилы способны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так, Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellum -целлюлозу, Cl. утилизирует продукты деградации целлюлозы с оч.высоким выходом спирта. Перспективно применение экстремально термофильного продуцента спирта Thermoanaerobacter ethanolicus. Планируют использование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и галофильных продуцентов спирта. Повышение выхода спирта и стабилизация активности его продуцентов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток.

 

 

41. Биотехнология утилизации твердых отходов

В области переработки и ликвидации твердых отходов БТ методы наиболее широко примен-ся для утилизации коммунальных отходов и ила из систем биоочистки стоков. Традиционно твердые отходы складируются на городских свалках. После того, как стало ясно, что при анаэробной переработке отходов в больших количествах образуется ценный энергетический носитель – биогаз, основные усилия стали направляться на соответств-ю организацию свалок и получение на месте их переработки метана. Поведение отходов на свалке носит чрезвычайно сложный характер, так как постоянно происходит наслаивание нового материала через различные временные промежутки. В рез-те этого процесс подвержен действию градиентов t, рН, потоков жидкости, ферментативной активности и пр. В общей массе материала свалок присутствует сложная ассоциация МО, которые развиваются на поверхности твердых частиц, являющихся для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываются разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. В целом состояние и биокаталитический потенциал микробного сообщества зависит от спектра хим-х веществ материала свалок, степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентраций различных субстратов, в особенности градиентов концентраций доноров и акцепторов электронов и водорода. На начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют аэробные процессы, в ходе которых под воздействием МО (грибов, бактерий, актиномицетов) и также беспозвоночночных (клещей, нематод и др.) окисляются наиболее деградируемые компоненты. Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты - лигнин, лигноцеллюлозы, меланины, танины. В течение аэробной стадии температура среды может повышаться до 80°С, что вызывает инактивацию и гибель патогенной микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. Температура может служить показателем состояния свалки. Увелич-е температуры повышает скорость протекание процессов деструкции органических веществ, но при этом снижается растворимость кислорода, что является лимитирующим фактором. Исчерпание молекулярного кислорода in situ приводит к снижению тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь, стимулирует развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем облигатных анаэробов. При анаэробной минерализации в отличие от аэробного процесса участвуют разнообразные, взаимодействующие между собой МО. При этом виды, способные использовать более окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические и кинетические преимущества. Происходит последовательно процесс гидролиза полимеров типа полисахаридов, липидов, белков; образованные при этом мономеры далее расщепляются с образованием водорода, диоксида углерода, а также спиртов и органических кислот. Далее при участии метаногенов происходит процесс образования метана. В рез-те комплекса процессов, происходящих при биодеградации содержимого свалок, образуются два типа продуктов - фильтрующиеся в почву воды и газы. Фильтр-ся воды, помимо МО, содержат комплекс разнообразных веществ, включая аммонийный азот, летучие жирные кислоты, алифатические, ароматические и ациклические соединения, терпены, минеральные макро- и микроэлементы, металлы. Биогаз, образуемый при биодеградации материала свалок, является ценным энергоносителем, но также может вызывать негативные явления в окружающей среде (дурной запах, закисление грунтовых вод, снижение урожайности сельскохозяйственных культур), поэтому следует ограничивать утечки газа. Это возможно при помощи специальных приспособлений (преграды, траншеи, наполненные гравием, системы экстракции газа), позволяющих управлять перемещением газа, а также созданием над массивом свалок оболочек, препятствующих его утечке.

42. Биотехнология очистки сточных вод (СВ). СВ обычно содержат сложную смесь нерастворимых и растворимых компонентов различной природы и концентрации. Бытовые отходы, содержат почвенную и кишечную микрофлору, включая патогенные МО. СВ сахарных, крахмальных, пивных и дрожжевых заводов, мясокомбинатов содержат в больших количествах углеводы, белки и жиры, являющиеся источниками питательных веществ и энергии. Стоки химических и металлургических производств могут содержать значительное количество токсических и даже взрывчатых веществ. Серьезное загрязнение возникает при попадании в окружающую среду соединений тяжелых металлов, таких как железо, медь, олово и др. Цель очистки СВ - удаление растворимых и нерастворимых компонентов, элиминирование патогенных микроорганизмов и проведение детоксикации таким образом, чтобы компоненты стоков не вредили человеку, не загрязняли водоемы. Наиболее универсален для очистки сточных вод от органических загрязнений биологический метод. Он основан на способности МО использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания в процессе их жизнедеятельности. При очистке сточных вод выполняют 4 основных этапа:

1. При первичной переработке происходит усреднение и осветление СВ от механических примесей (усреднители, песколовки, решетки, отстойники).

2.На втором этапе происходит разрушение растворенных орг-их в-в при участии аэробных МО. Образующийся ил, состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в реактор. При технологии, использующей активный ил, часть его возвращается в аэрационный тенк.

3. На третьем (необязательном) этапе производится химическое осаждение и разделение азота и фосфора.

4. Для переработки ила, образующегося на первом и втором этапах, обычно используется процесс анаэробного разложения. При этом уменьшается объем осадка и количество патогенов, устраняется запах и образуется ценное органическое топливо - метан.

Биологическая очистка воды происходит в аэротенках. Аэротенк – открытое железобетонное сооружение, через которое проходит сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом. Интенсивная аэрация суспензии активного ила кислородом приводит к восстановлению его способности сорбировать органические примеси.

В основе биологической очистки СВ лежит деятельность активного ила (АИ) или биопленки, естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. АИ представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров. На 70% он состоит из живых организмов и на 30% - из твердых частиц неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем образуют зооглей - симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой оболочкой. МО, выделенные из активного ила относятся к различным родам: Actynomyces, Azotobacter, Bacillus, Pseudomonas (наиболее многочисленны). В зависимости от внешней среды, которой в данном случае является сточная вода, та или иная группа бактерий может оказаться преобладающей, а остальные становятся спутниками основной группы.

Существенная роль в создании и функционировании АИ принадлежит простейшим; они сами не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ, но регулируют возрастной и видовой состав МО в активном иле, поддерживая его на определенном уровне. В АИ встречаются представители четырех классов простейших: саркодовые, жгутиковые инфузории, реснитчатые инфузории, сосущие инфузории. Показателем качества АИ является коэффициент протозойности, который отражает соотношение количества клеток простейших МО к количеству бактериальных кл-к. В высококачественном иле на 1 миллион бактериальных кл-к должно приходиться 10-15 кл-к простейших. При изменении состава сточной воды может увеличится численность одного из видов МО, но другие культуры все равно остаются в составе биоценоза. На формирование ценозов АИ могут оказывать влияние и сезонные колебания темпер-ры, обеспеченность О₂, присутствие минеральных компонентов. Очищенная вода и АИ из аэротенка подаются во вторичный отстойник, где происходит отделение АИ от воды. Часть АИ возвращается в систему очистки, а избыток АИ, образовавшийся в результате роста МО, поступает на иловые площадки, где обезвоживается и вывозится на поля. Избыток АИ можно также перерабатывать анаэробным путем в метатенке. Переработанный АИ может служить и как удобрения, и как корм для рыб, скота.

Метатенк представляет собой герметичный ферментер объемом в несколько кубических метров с перемешиванием, который обязательно оборудуется газоотделителями с противопламенными ловушками. Метатенки работают в периодическом режиме загрузки отходов или СВ с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка после завершения процесса. Использование метаногенеза при сбраживании орг-их отходов - это перспективный путь решения энергетических и экологических проблем, который позволяет агропромышленным комплексам перейти на автономное энергообеспечение.

Возможно применение биологических прудов, где биологически очищенная вода проходит осветление и насыщается О₂. Пруды относятся к системе биологической очистки, в которой под воздействием биоценоза АИ происходит окисление органических примесей. В биопрудах из воды хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие органические соединения. Интенсифицировать процессы биологической очистки можно путем аэрации суспензии активного ила чистым О₂. Этот процесс можно осуществить в модифицированных аэротенках закрытого типа - окситенках, с принудительной аэрацией сточной воды. В отличие от аэротенков в биофильтрах кл-ки МО находятся в неподвижном состоянии, они прикреплены к поверхности пористого носителя. Такая биопленка может отностится к иммобилиз-м кл-ам. Очищаемая вода контактирует с неподвижным носителем, на котором иммобилизованы клетки и за счет их жизнедеятельности происходит снижение концентрации загрязнителя. Преимущество применения биофильтров состоит в том, что формирование конкретного ценоза приводит к практически полному удалению всех орг-их примесей. В качестве носителей можно использовать керамику, щебень, гравий, керамзит, металлический или полимерный материал.

 

Интерферон (ИФ)

ИФ - это группа белков, открытых в ходе изучения вещ-в, вырабат-х клетками, зараж-ми вирусами. Они индуцируют как локальные, так и системные противови­русные реакции в других клетках. Кроме того, ИФ об­ладают еще 2 мя важными свойствами: подавляют пролифе­рацию клеток (и, таким образом, потенциально явл-ся про­тивоопухолевым средством) и модулируют иммунную систему.

Классификация интерферонов: лейкоцитарные, интерфероны фибробластов и иммунные интерфероны.

Синтезирован ген лейкоцитарного ИФ человека длиной 514 пар нуклеотидов; его включали в плазмиду и клонирова­ли затем в Е. coli. Удалось достичь экспрессии гена ИФ человека в клетках дрожжей, а ген фибробластного ИФ был включен в Е. coli. За его экспрессией можно проследить по образованию продукта с противовирусной ак­тивностью.

Гормон роста (ГР).

 ГР образ-ся и секретируется передней долей гипофиза и необходим для роста костей. ГР, синтезир-й в специально сконструированных клет-х бактерий, имеет очевидные преимущества: доступен в больших колич., его препараты явл-ся биохимически чистыми и свободными от вирусных загрязнений.

1)На первом этапе клонировали двухнитиевую ДНК-копию мРНК и расщеплением рестрикционными эндонуклеазами получили последов-сть, кот-я кодирует всю аминокислотную последоват-сть гормона, за исключением первых 23 аминокислот.

2) Затем клонировали синтет-й полинуклеотид, соответств-й аминокислотам от 1-й до 23-й и два получ-х фрагмента объединили вместе, и «подстроили» к паре промоторов и участку связывания рибосом. Конечный выход гормона состав-ет 1 % от растворенных белковых клеток этого генетически сконструированного штамма E.coli.

Синтезиро-й в бактер-х гормон обладает нужной молекулярной массой и не связан с каким-либо бактериальным белком, от которого его необходимо было бы отщепить. Однако синтетический гормон содержал на N-конце полипептидной цепи дополнительный остаток метионина. Эта лишняя аминокислота удалялась при длительном выращивании кишечной палочки.

 

 

Основные этапы развития биотехнологии.

Впервые термин "биотехнология" применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.

Отдельные элементы биотехнологии появились достаточно давно. По сути, это были попытки использовать в промышленном производстве отдельные клетки (микроорганизмы) и некоторые ферменты, способствующие протеканию ряда химических процессов.

Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.

В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки использовать ферменты в текстильной промышленности.

В 1916—1917 годах русский биохимик А. М. Коленев пытался разработать способ, который позволил бы управлять действием ферментов в природном сырье при производстве табака.

А. Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака и т. п., а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами. Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств (чая, табака и т. п.) были важнейшими предпосылками возникновения современной биотехнологии.

В производственном отношении основой биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность. За послевоенные годы микробиологическая промышленность приобрела принципиально новые черты: микроорганизмы стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохимических процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток ценнейшие и сложнейшие химические соединения. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков. Первый антибиотик — пенициллин — удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 году, что дало новые задачи: поиск и налаживание промышленного производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня биобезопасности новых лекарственных препаратов.

 

3. Области применения достижений биотехнологии:

- генная инженерия – инсулин, гормон роста человека, самотропин, устойчивость растений к пестицидам и гербицидам, трансгенные растения и животные, переработка нефти, вакцины и т.д.;

- ферментеры – создание и использование ферментеров и другого производственного оборудования;

- разработка недр – получение металлов методом биовыщелачивания;

- пищевые продукты и напитки, белок одноклеточных м/о, молочные продукты, пекарное производство, производство пива;

- ферментные технологии – биологические стиральные порошки, пектиназы во фруктовых соках, биосенсоры, сычун;

- переработка отходов – бумажные отходы, нефтяные разливы и отходы, обработка сточных вод, отходы горных разработок, домашний мусор, токсичные и с/х отходы;

- медикаменты – гормоны, лекарства, антибиотики, моноклональные антитела, вакцины;

- топливо – биогаз (метан), газохол (смесь этанола и бензина)

- хим в-ва – этиловый спирт, ацетон, бутиловый спирт, полимеры;

- с.-х. сорта растений устойчивые к пестицидам и гербицидам, созданные с помощью генной инженерии, трансгенные растения и животные, азотфиксация, клонирование растений из культуры тканей.