Основными продуцентами природных ан­тибиотиков являются микроорганизмы, ко­торые, находясь в своей естественной среде (в основном, в почве), синтезируют антибио­тики в качестве средства выживания в борьбе за существование. Животные и растительные клетки также могут вырабатывать некото­рые вещества с селективным антимикробным действием (например, фитонциды), однако широкого применения в медицине в качестве продуцентов антибиотиков они не получили.

Таким образом, основными источниками получения природных и полусинтетических антибиотиков стали:

• Актиномицеты (особенно стрептомицеты) — ветвящиеся бактерии. Они синтезиру­ют большинство природных антибиотиков (80 %).

• Плесневые грибы — синтезируют природ­ные бета-лактамы (грибы рода Cephalosporium и Penicillium) Hфузидиевую кислоту.

• Типичные бактерии — например, эубактерии, бациллы, псевдомонады — продуцируют бацитрацин, полимиксины и другие вещества, обладающие антибактериальным действием.

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.