Микроорганизмы и биотехнология

Современная биотехнология опирается на достижения естествознания, техники, технологии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики. Биологические методы используются в борьбе с загрязнением окружающей среды и вредителями растительных и животных организмов. К достижениям биотехнологии можно также отнести применение иммобилизованных ферментов, получение синтетических вакцин, использование клеточной технологии в племенном деле.

Широкое распространение получили гибридомы и продуцируемые ими моноклональные антитела, используемые в качестве диагностических и лечебных препаратов.

Бактерии, грибы, водоросли, лишайники, вирусы, простейшие в жизни людей играют значительную роль. С давних времен люди использовали их в процессах хлебопечения, приготовления вина и пива, в различных производствах. В настоящее время в связи с проблемами получения ценных белковых веществ, увеличения плодородия почв, очищения окружающей среды от загрязнителей, получения биопрепаратов и другими целями и задачами диапазон изучения и использования микроорганизмов значительно расширился. Микроорганизмы помогают людям в производстве эффективных питательных белковых веществ и биологического газа. Их используют при применении биотехнических методов очистки воздуха и сточных вод, при использовании биологических методов уничтожения сельскохозяйственных вредителей, при получении лечебных препаратов, при уничтожении утильсырья.

Некоторые виды бактерий используются для регенерации ценных метаболитов и лекарств, их используют с целью решения проблем биологического саморегулирования и биосинтеза, очищения водоемов.

Микроорганизмы, и прежде всего бактерии, - классический объект для решения общих вопросов генетики, биохимии, биофизики, космической биологии. Бактерии широко используются при решении многих проблем биотехнологии.

Микробиологические реакции благодаря своей высокой специфичности широко используются в процессах химических превращений соединений биологически активных природных соединений. Известно около 20 типов химических реакций, которые осуществляются микроорганизмами. Многие из них (гидролиз, восстановление, окисление, синтез и пр.) с успехом используются в фармацевтической химии. При произведении этих реакций применяются разные виды бактерий, актиномицетов, дрожжеподобных грибов и других микроорганизмов.

Создана биотехнологическая промышленность для получения антибиотиков, ферментов, интерферона, органических кислот и других метаболитов, продуцентами которых являются многие микроорганизмы.

Некоторые грибы родов Aspergillus и Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) способны гидролизовать сердечные глюкозиды, ксилозиды и рамнозиды, а также гликозиды, содержащие в качестве конечного сахара глюкозу, галактозу или арабинозу. С помощью A.terreus получают никотиновую кислоту.

В фармации микробиологические трансформации применяются с целью получения физиологически более активных веществ или полуфабрикатов, синтез которых чисто химическим путем достигается с большими трудностями или вообще невозможен.

Микробиологические реакции используются при изучении метаболизма лекарственных веществ, механизма их действия, а также для выяснения природы и действия ферментов.

Продуцентами биологически активных веществ являются многие простейшие. В частности, простейшие обитающие в рубце жвачных животных, вырабатывают фермент целлюлазу, способствующий разложению клетчатки (целлюлозы).

Простейшие являются продуцентами не только ферментов, но и гистонов, серотонина, липополисахаридов, липополипептидоглюканов, аминокислот, метаболитов, применяемых в медицине и ветеринарии, пищевой и текстильной промышленностях. Они являются одним из объектов, применяемых в биотехнологии.

Возбудитель южноамериканского трипаносомоза Trypanosoma cruzi является продуцентом противоопухолевого препарата круцина и его аналога – трипанозы. Эти препараты оказывают цитотоксическое действие на клетки злокачественных образований.

Продуцентами антибластомных ингибиторов являются также Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti и Astasia longa.

Препарат астализид, продуцируемый Astasia longa, обладает не только антибластомным действием, но и антибактериальным ( в отношении E.coli и Pseudomonas aeruginosa), а также и антипротозойным ( против Leischmania).

Простейшие используются для получения полиненасыщенных жирных кислот, полисахаридов, гистонов, серотонина, ферментов, глюканов для применения в медицине, а также в пищевой и текстильной промышленности.

Herpetomonas sp. И Crithidia fasciculate продуцируют полисахариды, защищающие животных от Trpanosoma cruzi.

Поскольку биомасса простейших содержит до 50% белка, свободноживущие простейшие используются в качестве источника кормового белка для животных.

Ферментные препараты Aspergillus oryzae используются в пивоваренной промышленности, а ферменты A.niger используются при производстве и осветлении плодовоягодных соков и лимонной кислоты. Выпечка хлебобулочных изделий улучшается при использовании ферментов A.oryzae и A.awamori. При производстве лимонной кислоты, уксуса, кормовых и хлебопекарных изделий производственные показатели улучшаются при применении в технологическом процессе Aspergillus niger и актиномицетов. Применение очищенных препаратов пектиназы из мицелия A.niger при получении соков способствует увеличению их выхода, снижению вязкости и увеличению осветления.

Бактериальные ферменты (Bac.subtilis) используются для сохранения свежести кондитерских изделий и там, где нежелателен глубокий распад белковых веществ. Использование ферментных препаратов из Bac.subtilis в кондитерском и хлебобулочном производстве способствует улучшению качества и замедлению процесса червстления изделий. Ферменты

Bac.mesentericus активизируют депелирование кожевенного сырья.

Микроорганизмы широко используются в пищевой и бродильной промышленности.

В молочной промышленности очень широко используются молочные дрожжи. С их помощью приготавливают кумыс, кефир. Ферментами этих микроорганизмов молочный сахар разлагается до спирта и углекислоты, в результате этого улучшается вкус продукта и повышается его усвояемость организмом. При получении молочнокислых продуктов в молочной промышленности широко используются дрожжи, не сбраживающие молочный сахар и не разлагающие белки и жир. Они способствуют сохранению масла и увеличению жизнеспособности молочнокислых бактерий. Пленчатые дрожжи (микодерма) способствуют созреванию молочнокислых сыров.

Грибы Penicillum roqueforti используют при производстве сыра рокфор, а грибы Penicillum camemberi – в процессе созревания закусочного сыра.

В текстильной промышленности широко используется пектиновое брожение, обеспечиваемое ферментной активностью Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. Пектиновое брожение лежит в основе начальной обработки волокнистых растений льна, конопли и других растений, используемых для изготовления пряжи и тканей.

Практически все природные соединения разлагаются бактериями, благодаря их биохимической активности, е только в окислительных реакциях с участием кислорода, но и анаэробно с такими акцептора электрона, как нитрат, сульфат, сера, углекислый газ. Бактерии участвуют в циклах всех биологически важных элементов и обеспечивают круговорот веществ в биосфере. Многие ключевые реакции круговорота веществ (например, нитрификация, денитрификация, азотфиксация, окисление и восстановление серы) осуществляются бактериями. Роль бактерий в процессах деструкции является определяющей.

Многие виды и разновидности дрожжей обладают способностью сбраживать различные углеводы с образованием спирта и других продуктов. Они широко используются в пивоваренной, винодельческой промышленности и хлебопечении. Типовыми представителями таких дрожжей являются Saccharomyces cerevisial, S.ellipsoides.

Многие микроорганизмы, в том числе дрожжеподобные и некоторые виды микроскопических грибов, издавна использовались при превращении различных субстратов для получения различных видов пищевых продуктов. Например, использование дрожжей для получения из муки пористого хлеба, использование грибов родов Rhisopus, Aspergillus для ферментации риса и сои, получение молочно – кислых продуктов с помощью молочно – кислых бактерий, дрожжей и др.

Ауксотрофные мутанты Candida guillermondii используются для изучения флавиногенеза. Гифальные грибы хорошо усваивают углероды нефти, парафина, n- гекасдекана, дизельного топлива.

Для разной степени очистки этих веществ используются виды родов Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma.

Для утилизации жирных кислот используются штаммы Penicillium, а жирные вторичные спирты лучше перерабатываются в присутствии штаммов Penicillium и Trichoderma.

Виды грибов Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria используются при утилизации парафинов, парафинового масла, дизельного топлива, ароматических углеводородов, многоатомных спиртов, жирных кислот.

Penicillium vitale используется для получения очищенного препарата глюкозооксидазы, ингибирующего развитие патогенных дерматомицетов Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

Промышленное использование микроорганизмов для получения новых пищевых продуктов способствовало созданию таких видов промышленности как хлебопекарская и молочная, производство антибиотиков, витаминов, аминокислот, спиртов, органических кислот и пр.

Использование в пищевой промышленности истинных молочнокислых бактерий (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis и др.) или их комбинаций с дрожжами позволяет получать не только молочнокислые, но и спипртомолочнокислые и кислоовощные продукты. К ним относятся простокваша, мацони, ряженка, сметана, творог, квашенная капуста, квашенные огурцы и помидоры, сыры, кефир, кислое хлебное тесто, хлебный квас, кумыс и другие продукты. Для приготовления простокваши и творога применяют Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum.

При приготовлении масла используют ароматизирующие бактерии и молочнокислые стрептококки Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

Ложные молочнокислые бактерии (E.coli commune, Bact. Lactis aerogenes и др.) участвуют в процессах силосования зеленых кормов.

Среди метаболитов микробной клетки особое место занимают вещества нуклеотидной природы, которые являются промежуточными продуктами в процессе биологического окисления. Эти вещества являются очень важным сырьем для синтеза производных нуклеиновых кислот, ценных лекарственных препаратов антимикробного и антибластомного действия и других биологически активных веществ для микробиологической промышленности и сельского хозяйства.

Микробиологический синтез в основе своей представляет реакции, протекающие в живых клетках. Для осуществления такого синтеза используются бактерии способные осуществлять фосфорилирование пуриновых и пиримидиновых оснований, их нуклеозидов или синтетических аналогов низкомолекулярных компонентов нуклеиновых кислот.

Такими способностями обладают E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, B.ammonia genes, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp.

Микроорганизмы могут быть использованы и при добыче угля из руд. Литотрофные бактерии (Thiobacillus ferrooxidous) окисляют сернокислое закисное железо до сернокислого окисного железа. Сернокислое окисное железо в свою очередь окисляет четырехвалентный уран, в результате чего уран в виде сульфатных комплексов выпадает в раствор. Из раствора уран извлекается методами гидрометаллургии.

Кроме урана из растворов могут выщелачиваться и другие металлы, в том числе и золото. Бактериальное выщелачивание металлов за счет окисления содержащихся в руде сульфидов позволяет вести добычу металлов из бедных забалансованных руд.

Очень выгодным и энергетически экономичным путем превращения органического вещества в топливо является метаногенез с участием многокомпонентной микробной системой. Метанобразующие бактерии совместно с ацетоногенной микрофлорой осуществляют превращение органических веществ в смесь мета и углекислоты.

Микроорганизмы можно использовать не только для получения газообразного топлива, но и для повышения добычи нефти.

Микроорганизмы могут образовывать поверхностно – активны вещества, снижающие поверхностно натяжение на границе между нефтью и вытесняющей ее водой. Вытесняющие свойства воды усиливаются с увеличением вязкости, что достигается применением бактериальной слизи, состоящей из полисахаридов.

При существующих методах разработки нефтяных месторождений извлекается не более половины геологических запасов нефти. С помощью микроорганизмов можно обеспечить вымывание нефти из пластов и освобождение ее из битуминозных сланцев.

Окисляющие метан бактерии, помещенные в нефтяной слой, разлагают нефть и способствуют образованию газов (метана, водорода, азота) и углекислоты. По мере накопления газов увеличивается их давление на нефть и, кроме того, нефть становится менее вязкой. В результате нефть из скважины начинает бить фонтаном.

Необходимо помнить о том, что применение микроорганизмов в каких бы то ни было условиях, в том числе и в геологических, требует создания благоприятных условий для сложной микробной системы.

Применение микробиологического метода с целью повышения добычи нефти, во многом зависит от геологической обстановки. Развитие восстанавливающих сульфаты бактерий в пласте может привести к избыточному образованию сероводорода и коррозии оборудования, а вместо увеличения пористости возможно заклеивание пор бактериями и их слизью.

Бактерии способствуют выщелачиванию металлов из старых шахт, из которых выбрана руда, и из отвалов. В промышленности используют процессы микробиологического выщелачивания при получении меди, цинка, никеля, кобальта.

В зоне горных выработок за счет окисления микроорганизмами соединений серы в шахтах образуются и накапливаются кислые шахтные воды. Серная кислота оказывает разрушительное действие на материалы, сооружения, окружающую среду, несет с собой металлы. Очистить воду, удалить сульфаты и металлы, сделать реакцию щелочной можно при помощи восстанавливающих сульфаты бактерий.

Для очистки вод металлургических производств может быть использовано Биогенное образование сероводорода. Анаэробные фотосинтезирующие бактерии обуславливают глубокое разложение органических веществ.

Найдены штаммы бактерий, способные перерабатывать пластмассовые изделия.

Внесение избыточных антропогенных веществ ведет к нарушению установившегося естественного равновесия.

На начальных этапах развития индустрии было достаточно рассеять загрязняющие вещества в водотоках, из которых они удалялись путем естественного самоочищения. Газообразные вещества рассеивали в воздухе через высокие трубы.

В настоящее время уничтожение отходов выросло в очень серьезную проблему.

В очистительных системах при очистке вод от органических веществ используется биологический метод с применением системы смешанной микрофлоры (аэробные бактерии, водоросли, простейшие, бактериофаги, грибы), активного ила, биопленки, окисляющих поступающих веществ.

Представители микробной смеси способствуют интенсификации естественных процессов очистки воды. Но при этом следует помнить, что условием устойчивой работы микробного сообщества служит постоянство состава окружающей среды

Бактерии, представители фито- и зоопланктона используются для обработки сточных вод с целью поддержания качества поверхностных и грунтовых вод. Биологическая очистка сточных вод может поводиться на разных уровнях – перед спуском их в водоем, в самих поверхностных водах, в грунтовых водах при процессах самоочищения.

Микроорганизмы широко используются при очистке биологическим методом вод морей от нефтепродуктов.

Процесс должен обеспечиваться поступлением кислорода в достаточном количестве при постоянной температуре.

Одной из задач биотехнологии является разработка технологии получения с помощью микроорганизмов белка из различных видов растительных субстратов, из метана и очищенного водорода, из смеси водорода и окиси углерода, из тяжелых углеводородов нефти с помощью метилотрофных дрожжей или бактерий, Candida tropicalis, метаноокисляющих и целлюлозоразрушающих бактерий и других микробов.

Использование активных штаммов видов микроскопических грибов способствует обогащению белками и аминокислотами таких кормов как комбикорм, жом, отруби. Для этой цели используют селекционированные нетоксичные быстро растущие виды термо- и мезофильных микромицетов Fusarium sp., Thirlavia sp., а также некоторые виды высших грибов.

Еще одним примером промышленного использования грибов в биотехнологии можно назвать культивирование энтомопатогенных видов грибов, в частности Beanvtria bassiana и Entomophthora thaxteriana для приготовления препаратов «боверина» и «афедина», применяемых для борьбы с фитопатогенными тлями.

Селекционированные штаммы природного гиперсинтетика каротина гриба Blakeslee trispora используют при промышленном получении каротина, имеющего важное значение в процессах роста и развития животных, повышения их устойчивости к заболеваниям.

Селекционированные штаммы Trichoderma viride используют при промышленном получении га их основе препарата триходермина для борьбы с фитопатогенными грибами, особенно при выращивании растений в условиях закрытого грунта (фузариоза огурцов, болезней цветочных растений).

Фосфобактерин, полученный из Baccilus megathrtium, является эффективным средством повышения урожайности кормовой свеклы, капусты, картофеля, кукурузы. Под влиянием этого препарата повышается содержание растворимого фосфора в ризосферной почве, а также фосфора и азота в зеленой массе.

Важнейшим условием высокой продуктивности бобовых растений является улучшение синтеза азотных веществ бобовыми растениями за счет азота воздуха. Большую роль в усвоении атмосферного азота растениями играют клубеньковые микробы из родов Rhizobium, Eubacteriales, Actinomycetales, Mycobacteriales, виды Azotobacter chroococcum, Clostridium pasterianum.

Из клеток Clostridium pasterianum, Rhodospirillum rubrum, Bac.polymixa, бактерий родов Chromatium и Klebsiella получены азотфиксирующие препараты, способствующие усвоению азота воздуха растениями.

В сельском хозяйстве с целью повышения урожайности используются бактериальные удобрения такие как азотобактерин (готовится из азотобактера), нитрагин (из клубеньковых бактерий), фосфобактерин (из Bac. Megatherium).

В сельском хозяйстве используются удобрения и пестициды. Попадая в естественные природные условия, эти веществ оказывают негативное влияние на естественные взаимоотношения в биоценозах, а в конечном итоге по кормовой цепочке эти вещества оказывают негативное влияние на здоровье людей. Положительную роль в разрушении этих веществ в воде играют аэробные и анаэробные микроорганизмы.

В сельском хозяйстве применяется биологическая защита растений от вредителей. С этой целью используются различные организмы – бактерии, грибы, вирусы, простейшие, птицы, млекопитающие и другие организмы.

Идея микробиологического метода борьбы с вредными насекомыми впервые была выдвинута Мечниковым в 1879 году.

В наши дни изготавливают микробиологические препараты, уничтожающие многих вредных насекомых.

С помощью энтеробактерина можно бороться почти со всеми гусеницами бабочек. Среди вредителей плодово – ягодных растений – яблоневая моль, боярышница, златоглазка, кольчатый шелкопряд, листовертки и др.

Против колорадского жука применяют боверин, а паразитический гриб ашерсонию – против белокрылки.

Вирусный препарат вирин очень эффективен против гусениц, повреждающих лесные древесные породы.

Почвенные микроорганизмы являются одной из наиболее крупных экологических групп. Они играют важную роль в минерализации органических веществ и образовании гумуса. В сельском хозяйстве почвенные микроорганизмы используются для производства удобрений.

Некоторые виды почвенных микроорганизмов - бактерии, грибы ( в основном аскомицеты), простейшие вступают в сложные объединения (ассоциации) с водорослями, являющимися компонентами биоценозов как воды, так и почвы.

Водоросли, как активные компоненты почвенной микрофлоры играют важную роль в биологическом круговороте зольных элементов.

Водоросли наряду с другими микроорганизмами используются в биотехнологии.