Глава 1. Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации:

Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации:

а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК);

б) бактерии и цианобактерии;

в) грибы;

г) водоросли;

д) простейшие;

е) культуры клеток растений и животных;

ж) растения – низшие (анабена-азолла) и высшие – рясковые.

Бактерии и цианобактерии

Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько сотен видов. Биотехнологические функции бактерий разнообразны.

Бактерии используются при производстве: - пищевых продуктов, например, уксуса (Gluconobacter suboxidans), молочнокислых напитков (Lactobacillus, Leuconostoc) и др.; - микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis); - белка (Methylomonas); - витаминов (Clostridium - рибофлавин); - растворителей и органических кислот; - биогаза и фотоводорода. Полезные бактерии относятся к эубактериям.

Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, - это грамотрицательные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту в углекислый газ и воду.

Род Bacillus относится к грамположительным бактериям, которые способны образовывать эндоспоры и имеют перитрихиальное жгутикование. B.subtilis - строгий аэроб, а B.thuringiensis может жить и в анаэробных условиях.

Анаэробные, образующие споры бактерии представлены родом Clostridium. C.acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n-бутанол (ацетобутаноловое брожение), другие виды могут также сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения.

К молочнокислым бактериям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и нечувствительны к кислороду.

Гетероферментативные молочнокислые бактерии рода Leuconostoc превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ.

Гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Streptococcus продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода Lactobacillus, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов.

К бактериям рода Corynebacterium, неподвижные грамположительные клетки которых не образуют эндоспор, относятся патогенные (C.diphtheriae, C.tuberculosis) и непатогенные почвенные виды, имеющие промышленное значение. С.glutamicum служит источником лизина и улучшающих вкус нуклеотидов. Коринебактерии хотя и считаются факультативными анаэробами, лучше растут аэробно. Бактерии используются для микробного выщелачивания руд и утилизации горнорудных отходов.

Широко используется такое свойство некоторых бактерий, как диазотрофность, то есть способность к фиксации атмосферного азота.

Выделяют 2 большие группы диазотрофов:

- симбионты: без корневых клубеньков (азотобактер - лишайники, азоспириллум - лишайники, анабена – лишайники, азолла), с корневым клубеньками (бобовые – ризобии, ольха, лох, облепиха – актиномицеты);

- свободноживущие: гетеротрофы (азотобактер, клостридиум, метилобактер), автотрофы (хлоробиум, родоспириллум и амебобактер).

Микробные клетки используют для трансформации веществ.

Бактерии также широко используются в генноинженерных манипуляциях при создании геномных клонотек, введении генов в растительные клетки (агробактерии).

Производственные штаммы микроорганизмов должны соответствовать определенным требованиям: способность к росту на дешевых питательных средах, высокая скорость роста и образования целевого продукта, минимальное образование побочных продуктов, стабильность продуцента в отношении производственных свойств, безвредность продуцента и целевого продукта для человека и окружающей среды. В связи с этим все микроорганизмы, используемые в промышленности проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окружающей среды. Важным свойством продуцента является устойчивость к инфекции, что важно для поддержания стерильности, и фагоустойчивость.

Все цианобактерии обладают способностью к азотфиксации, что делает их весьма перспективными продуцентами белка. Анабена (Anabaena) - нитчатая сине-зеленая водоросль. Нити из более или менее округлых клеток, содержат гетероцисты и иногда крупные споры, по всей длине нить одинаковой толщины. В цитоплазме клеток откладывается близкий к гликогену запасной продукт - анабенин. Такие представители цианобактерий, как носток, спирулина, триходесмиум съедобны и непосредственно употребляются в пищу. Носток образует на бесплодных землях корочки, которые разбухают при увлажнении. В Японии местное население использует в пищу пласты ностока, образующиеся на склонах вулкана и называет их ячменным хлебом Тенгу (Тенгу - добрый горный дух).

Свое шествие спирулина (Spirulina platensis) начала из Африки — население района озера Чад давно употребляет ее в пищу, называя этот продукт «дихе». Другое место, откуда начала распространяться спирулина, но иного вида (Spirulina maxima) — воды озера Тескоко в Мексике. Еще ацтеки собирали с поверхности озер и употребляли в пищу слизистую массу сине-зеленой водоросли спирулины. Впервые галеты " текуитлатл" упомянуты испанцем Кастильо в 1521 г. Эти галеты продавались на базаре в Мехико и состояли из высушенных слоев S.maxima. В 1964 году бельгийский ботаник Ж.Леонар обратил внимание на галеты сине-зеленого цвета, которые местное население изготовляло из водорослей, растущих в щелочных прудах вокруг озера Чад. Эти галеты представляли собой высушенную массу спирулины. Анализ образцов Spirulina показал, что в ней содержится 65% белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков этой водоросли характерно сбалансированное содержание аминокислот. Клеточная стенка этой водоросли хорошо переваривается. Как озеро Тескоко, так и водоемы района озера Чад имеют в воде очень высокое содержание щелочей. Характерно, что в таких озерах спирулина полностью доминирует и растет почти как монокультура — составляет в отдельных озерах до 99 % общего количества водорослей. Растет спирулина в щелочной среде при рН вплоть до 11. Ее собирают также из озер около г. Мехико, получая до 2 т сухого веса биомассы водоросли в сутки, и эта продукция рассылается в США, Японию, Канаду. В других странах спирулину культивируют обычно в искусственных водоемах или специальных емкостях. Спирулину можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20 г сухой массы водоросли с 1 м2 в день, а расчеты на год показали, что она превысит выход пшеницы примерно в 10 раз.

Преимущества спирулины по сравнению с другими съедобными водорослями не только в простоте культивирования, но и в несложности сбора биомассы, высушивания ее, например, под солнцем. В ряде стран выращивают спирулину вида Spirulina platensis. Недавно было показано, что в клетках спирулины, помимо ценного белка, углеводов, липидов, витаминов, в значительных количествах запасается, например, такое ценное вещество, как поли-b-оксибутират. Отечественная фармацевтическая промышленность выпускает препарат «Сплат» на основе цианобактерии Spirulina platensis. Он содержит комплекс витаминов и микроэлементов и применяется как общеукрепляющее и иммуностимулирующе средство.

Объекты биотехнологии и их биотехнологические функции

Использование грибов в биотехнологии

Биотехнологические функции грибов разнообразны. Их используют для получения таких продуктов, как:

антибиотики (пенициллы, цефалоспорины);

гиббереллины и цитокинины (фузариум и ботритис);

каротиноиды (н-р, астаксантин, придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттенок вырабатывают Rhaffia rhodozima, которых добавляют в корм на рыбозаводах);

белок (Candida, Saccharomyces lipolitica);

сыры типа рокфор и камамбер (пенициллы);

соевый соус (Aspergillus oryzae).

К грибам относятся дрожжи и плесени.

Из 500 известных видов дрожжей первым люди научились использовать Saccharomyces cerevisiae, этот вид наиболее интенсивно культивируется. К дрожжам, сбраживающим лактозу, относится Kluyveromyces fragilis, который используют для получения спирта из сыворотки. Saccharomycopsis lipolytica деградирует углеводороды и употребляется для получения белковой массы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов. Другие полезные виды относятся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов), так как они размножаются не половым путем, а почкованием. Candida utilis растет в сульфитных сточных водах (отходы бумажной промышленности). Trichosporon cutaneum, окисляющий многочисленные органические соединения, включая некоторые токсичные (например, фенол), играет важную роль в системах аэробной переработки стоков. Phaffia rhodozyma синтезирует астаксантин - каротиноид, который придает мякоти форели и лосося, выращиваемых на фермах, характерный оранжевый или розоватый цвет. Промышленные дрожжи обычно не размножаются половым путем, не образуют спор и полиплоидны. Последним объясняется их сила и способность адаптироваться к изменениям среды культивирования (в норме ядро клетки S.cerevisiae содержит 17 или 34 хромосомы, т.е. клетки либо гаплоидны, либо диплоидны).

Плесени вызывают многочисленные превращения в твердых средах, которые происходят пред брожением. Их наличием объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве сакэ и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищи, употребляемой в азиатских странах. Пищевые продукты на основе сброженных плесневыми грибами Rhizopus oligosporus соевых бобов или пшеницы содержат в 5 - 7 раз больше таких витаминов, как рибофлавин, никотиновая кислота) и отличаются повышенным в несколько раз содержанием белка. Плесени также продуцируют ферменты, используемые в промышленности (амилазы, пектиназы и т.д.), органические кислоты и антибиотики. Их применяют и в производстве сыров, например, камамбера и рокфора.

Искусственное выращивание грибов способно внести и иной, не менее важный вклад в дело обеспечения продовольствием возрастающего населения земного шара. Люди употребляют грибы в пищу с глубокой древности. Поэтому сделать грибы такой же управляемой сельскохозяйственной культурой, как зерновые злаки, овощи, фрукты, давно уже стало актуальной задачей. Наиболее легко поддаются искусственному выращиванию древоразрушающие грибы. Это связано с особенностями их биологии, которые стали нам известны и понятны только сейчас. Их способность легко расти и плодоносить использовали с древнейших времен.

Искусственное разведение древоразрушающих грибов получило довольно широкое распространение. Мицелий съедобных грибов можно выращивают на жидких средах, например на молочной сыворотке и др., в специальных ферментерах, в так называемой глубинной культуре. Это полностью механизированный и автоматизированный процесс. Так, в Институте микробиологии Академии наук БССР разработаны и апробированы в опытном производстве способы получения белковых грибных препаратов даедалина и пантегрина из мицелия древоразрушающих грибов дедалеопсиса бугристого и пилолистника тигрового, с высоким содержанием белка и биологически активных веществ. По содержанию белка 1 кг этих препаратов эквивалентен 2 кг мяса. По биологической ценности белок этих препаратов не уступает растительным и приближается к животным белкам. Перевариваемость белков данных препаратов составляет свыше 80 %. В основе этого способа получения пищевого белка лежат полученные микологами данные о том, что плодовые тела грибов и их грибница близки по своему химическому составу и пищевой ценности. Грибные белковые препараты даедалин и пантегрин рекомендованы в качестве пищевых добавок после соответствующего медицинского контроля. Исследования в этом направлении продолжаются.

Биотехнологические процессы в сельском хозяйстве, фармакологии.

Переработка и хранение сельскохозяйственной продукции биотехнологическим методом. Биотехнологические методы и приемы направлены на сохранение и улучшение вкусовых и других качеств продукции, основанных на применении биологических компонентов-добавок-консервантов и пищевкусовых соединений растительного и синтетического происхождения; мембранной технологии, трансгенных микроорганизмов, обеспечивающих надежную и длительную сохранность продукции. Современная промышленность, производящая витамины, аминокислоты, кормовые и пищевые добавки, почти полностью основана на современных методах биотехнологии. Объем их производства пока не удовлетворяет потребности заинтересованных отраслей и предприятий.

Биоконверсия и биоэнергетика.

Около половины валовой продукции растениеводства - солома и ботва сельскохозяйственных растений, около 300 млн. т навоза составляют органические отходы сельскохозяйственного производства. Только половина соломы и не более 30 % ботвы используется на корм скоту. Остальная солома и ботва практически не используется, сжигается или сгнивает на полях, в местах временного хранения.

Биотехнологи и инженеры предложили способы их биоконверсии – преобразования в биогаз. Из одной тонны сухого вещества навоза можно получить в специальных конверсионных установках до 400 м3метана. Каждый кубометр метана при сжигании дает 8 тыс. мгДж энергии. Оставшиеся после биоконверсии навоза органические отходы содержат углерод, фосфор, калий, кальций, микроэлементы и могут быть использованы в виде органического удобрения. Биоконверсия навоза и других органических отходов может быть постоянным возобновляемым источником энергии и давать до 5 % от общего количества потребляемой энергии в сельском хозяйстве. Экспериментальные биоконверсионные установки в нашей стране созданы во Всероссийском институте электрификации и используются в ряде сельскохозяйственных предприятий, а также предприятий коммунального хозяйства.

Общие масштабы развития биотехнологии в мире в XXI в. определяются глобальными проблемами по обеспечению необходимого уровня жизни людей и всех видов безопасности. Есть разные методы и подходы к определению потребности всего населения земного шара в ХХI в. в основных ресурсах. В обобщенном виде прогноз их роста можно представить в виде таблицы.

Прогнозные объемы производства и уровни затрат, которых необходимо достичь в XXI в (Россия).

Продовольствие

— увеличение в 2-3 раза

Энергообеспечение

— увеличение в 5-6 раз

Пресная вода (за счет опреснения)

— увеличение в 5-6 раз

Затраты на экологию

— рост в 10 раз

Затраты на регулирование климата

— в 20 раз

Затраты на поддержание здоровья населения

— в 20 раз

Затраты на восстановление и повышение плодородия

почв

— в 10 раз

Затраты на восстановление лесов, лугов и пастбищ

— в 20 раз

Затраты на восстановление фауны (животного мира)

— в 10 раз

Затраты на освоение космоса

— в 20 раз

Затраты на предотвращение техногенных катастроф

— в 20 раз

С учетом реально сложившейся ситуации с ресурсами для жизнеобеспечения человечества, а также ближайшего и перспективного прогноза возможных изменений в количественных и качественных характеристиках на первое место по значимости должны быть поставлены глобальные меры по увеличению объемов потребляемой энергии в текущем столетии, как минимум, в 5-6 раз, продовольствия - в 2-3 раза, а увеличение затрат на экологическую безопасность - не менее чем в 10 раз, по сравнению с объемами и показателями конца XX - начала XXI вв.

Спорными являются цифры роста затрат на увеличение производства продовольствия - в 2-3 раза и освоение космоса в 20 раз. Масштабы продовольственного фонда ограничиваются нерегулируемыми факторами производства и прежде всего площадью пахотнопригодных земель и резервами поливной воды для орошения.

Исходя из экономической значимости биотехнологии и сегодня, и в перспективе правительства почти всех стран мира утвердили национальные программы по развитию биотехнологии и, в первую очередь, биоинженерии, и обеспечили высокий уровень их государственной поддержки и прежде всего бюджетного финансирования.

Таким образом, биопромышленность производит кормовые и пищевые белки пептиды, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, этанол, регуляторы роста растений, лечебные и иммунные препараты. В перспективе решение проблем связывания азота, синтеза белков и жиров, окисления серы в SO2и SO3и др. По мнению американских экспертов, биотехнология в наибольшей степени изменит жизнь человека в 21 веке.

Биологические процессы имеют существенные достоинства: они используют возобновляемое сырье, происходят в мягких условиях, их отходы доступны переработке. Применение биотехнологических процессов особенно выгодно экономически и технологически при производстве относительно дорогих малотоннажных продуктов.

Ферменты. Подавляющее большинство продуктов биопромышленности получают ферментацией с помощью микроорганизмов (главным образом, бактерий и грибов). Микроорганизмы очень разнообразны по строению и физиологическим свойствам, они переносят высокую кислотность, быстро размножаются. Хотя ферментация осуществляется живыми клетками, она основана на биохимическом превращении исходного субстрата под действием биологических катализаторов – ферментов.

Фермент – это белок, состоящий из аминокислот, соединенных в полипептидные цепи различной длины и в разной последовательности

Это так называемая первичная структура фермента, где боковые остатки, или важнейшие функциональные группы белков, возможно, выступают в качестве активных центров ферментов. На эти боковые группы и ложится основная нагрузка при работе фермента, пептидная же цепь играет роль опорного скелета. Согласно структурной модели Полинга - Кори, она свернута в спираль, которая в обычном состоянии стабилизирована водородными связями между кислотными и основными центрами (вторичная структура).

Для некоторых ферментов установлены полный аминокислотный состав и последовательность расположения их в цепи, а также сложная пространственная структура.

Строгая избирательность и высокая скорость - два основных признака ферментативного катализа, отличающие его от лабораторного и производственного катализа. Ни один из созданных руками человека катализаторов не может сравниться с ферментами по силе и избирательности воздействия на органические молекулы.

Активность фермента, как и любого другого катализатора, тоже зависит от температуры: с повышением температуры возрастает и скорость ферментативной реакции. При этом обращает на себя внимание резкое снижение энергии активации ЕАпо сравнению к некаталитической реакцией. Правда, это происходит не всегда. Известно много случаев, когда скорость возрастает благодаря увеличению независящего от температуры предэкспоненциального множителя в уравнении Аррениуса.

Активность фермента зависит также от кислотности среды, в которой протекает химическая реакция. Создается впечатление, что ферментам предоставлено право решать, что в данном конкретном случае им выгодно - организовать более прочную связь активного центра с молекулой субстрата или произвести разупорядочение своей структуры.

Трудно сказать, каков механизм выбора пути активации субстрата. Во всяком случае, изучение кинетики ферментативной реакции и термодинамики образования промежуточных комплексов, хотя и дает ценную количественную информацию, не позволяет полностью раскрыть молекулярный и электронный механизм работы фермента. Здесь, как и при изучении обычных химических реакций, приходится идти по пути моделирования - грубо говоря, придумывания таких молекулярных механизмов, которые, по крайней мере, не противоречили бы данным эксперимента и элементарной логике химических реакций.

Анализ зависимостей скорости от рН является весьма эффективным средством идентификации функциональных групп белковой молекулы фермента, участвующих в процессе активации молекул субстрата. Зная природу активных центров, можно представить себе, как они работают. При этом пользуются теми же представлениями о механизме элементарных актов, которые сложились при изучении обычных реакций органической и неорганической химии. Вводить какие-то особые механизмы нет никакой необходимости. Существует твердое убеждение в том, что работа фермента сводится, в конечном счете, к совокупности простых операций, аналогичных тем, которые совершаются при взаимодействии органических молекул в обычных пробирочных условиях.

Производство антибиотиков. Антибиотики - специальные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и их модификации, которые обладают высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов (вирусам, бактериям, грибам, водорослям) или к злокачественным опухолям. Нужны в очень малых концентрациях (обладают высокой специфичностью).

Применение: в медицине, ветеринарии, с/х, пищевой промышленности как консерванты). В медицинской практике используются около 100 антибиотиков.

Получение: путем химической или биохимической трансформации.

Витамины.Витамины – низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, необходимые для осуществления жизненно важных биохимических и физиологических процессов в живых организмах.

Применение: в профилактических и лечебных целях для коррекции их недостаточного поступления с пищей, профилактики и лечения гипо- и авитаминозов. Витамины и их производные применяют также как лекарственные средства в случаях, не связанных непосредственно с коррекцией витаминного дефицита, например, ретиноевая кислота (витамин А) и ее производные – противоопухолевые средства.

Получение: химическим (витамины А, В6, тиамин, фолиевая кислота и др.) и микробиологическим (рибофлавин, витамин В12) синтезом или выделяют из природных источников (витамин Е, аскорбиновая кислота и др.).

Однако несмотря на все преимущества, биотехнологии обладают рядом недостатков. Процессы протекают в разбавленных водных растворах, что приводит к низким скоростям протекания процессов. Биотехнологические процессы требуют отдельного производства ферментов, чаще всего, в стерильных условиях, что требует дополнительных затрат.

Биоконверсия лигноцеллюлозных объектов

Растительная биомасса - возобновляемый и легкодоступный источник сырья. Основные ее компоненты - целлюлоза (2/3), крахмал, гемицеллюлоза, лигнин. Лигнин - высокомолекулярный нерастворимый трехмерный неупорядоченный ароматический полимер. Целлюлоза - высокомолекулярный нерастворимый полимер глюкозы. Она является главным компонентом как растительной биомассы, так и сельскохозяйственных, бытовых отходов, а также отходов деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

В основе биологической деградации лигноцеллюлозы лежит действие целлюлолитических ферментов. Реакционная способность природных целлюлозосодержащих материалов невелика, поэтому сырье для ферментативного осахаривания целлюлозы должно иметь большую поверхность, а микрофибриллярная структура целлюлозы должна быть разрушена. Реакционную способность природных субстратов также снижает наличие лигнина. Наиболее эффективным, а также дорогим и энергоемким способом предварительной подготовки сырья является размол. Поэтому для предобработки используют воздействие 0.5-2% растворов щелочи, гамма-облучение, механо-термообработку в разбавленной серной кислоте с последующей экстракцией лигнина и др. методы.

Гидролиз можно проводить и биологическим способом, с помощью ферментов, выделяемых грибами видов Trichoderma, Aspergillus, Sporotrichum. Далее при использовании дрожжей можно получить спирт, при использовании бактерий Klebsiella или Aeromonas - бутанол. Ряд микроорганизмов рода Clostridium могут продуцировать уксусную и молочную кислоты, лактат, ацетон из опилок, соломы, отходов сахарного тростника. С помощью Trichoderma reesii биомасса разлагается до сахаров.

Ферменты и неразложившаяся целлюлоза поступают в повторные циклы, а остаточный лигнин используется в качестве источника энергии для перегонки спирта. Остающийся лигнин также используется для перегонки в качестве топлива, но пентозы не сбраживаются. Фирма «Био фьюэл индастриз» из Ричмонда намерена построить в шт. Вирджиния фабрику, на которой в 1985 г. будет производиться 500 т этилового спирта в сутки из 2500 т целлюлозных отходов посредством этой технологии и целлюлаз из Trichoderma reesii.

Третий вид технологии состоит в прямом сбраживании целлюлозными бактериями гексоз и пентоз, образующихся при гидролизе целлюлозы и гемицеллюлоз. Преимущества этой технологии, разработанной в лабораториях Массачусетского технологического института, заключаются в следующем: помимо одновременной конверсии целлюлоз и пентоз в этанол происходит комбинация целлюлозного и спиртового брожения, а, кроме того, необходимая предварительная обработка субстратов сводится к минимуму.

При микробной деградации и конверсии целлюлоз и гемицеллюлоз можно получать этиловый спирт и сырье для химической промышленности (фурфурол, фенолы, крезолы). 200 000 т надлежащим образом переработанной соломы дают 50 000 т этанола и 20 000 т фурфурола. По оценкам некоторых специалистов, при микробной переработке целлюлозы можно получить до 30% нефтехимикатов. Методы генной инженерии помогут создать штаммы, которые будут лучше адаптированы к этим типам конверсии и дадут больший выход. Это позволит разработать реальную стратегию замещения, которая станет эффективной после 2000 г. (к тому времени химия углерода придет на смену нефтехимии при производстве новых биополимеров, биорастворителей и биодетергентов). Перенос генов целлюлаз и гемицеллюлаз из Clostridium thermocellum в другие виды Clostridium позволит превращать целлюлозы и гемицеллюлозы в этиловый спирт, ацетон, бутанол, уксусную и молочную кислоты.

Термофилия определенных штаммов Clostridium (при оптимальной температуре роста 65—75° С) создает известные преимущества, так как стоимость перегонки этилового спирта и других растворителей уменьшится, а это сделает производственный процесс более экономичным.

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и Рутгерского университета (США) обнаружили, что бактерия Zymomonas mobilis, выделяемая из пальмового вина и мексиканского алкогольного напитка пульке, сбраживает сахара вдвое быстрее, чем дрожжи. Этот вид также подвергается геномной модификации, которая позволит разлагать целлюлозу с одновременным сбраживанием сахаров, получающихся в ходе деградации.

В условиях строгого анаэробиоза можно осуществлять биометаногенез ароматических соединений. Этот процесс, надо полагать, широко распространен в природе, особенно в отходах и сточных водах, а также при конверсии некоторых биоцидов. По наблюдениям Ферри и Вольфа, в этом процессе участвуют несколько видов микробов, ответственных за различные стадии деградации ароматических колец до ацетата, который является одним из субстратов для метанобактерий (иными словами, его дегидрирование дает электроны, требующиеся для восстановления двуокиси углерода в метан). Среди бактерий видов превалируют, судя по всему, Methanobacterium formicicum и Methanospirillum hungati. Ферри и Вольфу удалось их вывести в чистые культуры.

Бензольное кольцо сначала восстанавливается и затем разрезается на алифатические кислоты под действием грамотрицательных микроорганизмов. Последние превращаются в субстраты, используемые метанобактериями. Образующиеся электроны, вероятно, способствуют образованию водорода, который восстанавливает СО2 в СН4.

Разложение бензольного кольца в метан в процессе анаэробиоза не является правилом. Например, в рубце жвачных животных бензоат и ароматические кислоты, получающиеся за счет деградации целлюлозы, не приводят к образованию метана; их можно обнаружить в моче и виде гиппуратов и других сходных соединений. В природных условиях ароматические соединения получаются при медленном разложении таннинов и лигнина главным образом благодаря внеклеточным микробным ферментам.

Так как лигнины и таннины составляют значительную часть почвенного органического материала, метаногенез этих полимеров - важный процесс в углеродном цикле биосферы.

Одним их отходов сельского хозяйства является солома. Эти отходы трудно использовать, так как скорость разложения соломы невелика. Лучшая утилизация - инокулирование её ассоциацией целлюлолитических грибов, азотфиксирующих и полисахаридообразующих бактерий. В таком виде солому можно запахивать в землю как органическое удобрение, а можно через определенное время использовать как высокобелковый витаминизированный корм.

https://www.biotechnolog.ru/prombt/prombt2_7.htm

АЛЬТЕРНАТИВНОЕ КОРМОПРОИЗВОДСТВО

Во всех развитых странах наблюдается устойчивая тенденция к сокращению расхода зерна в производимых комбикормах. В странах Западной Европы в составе комбикормов часть зерновых составляет только 12-15%. Это в 4-5 раз меньше, чем в отечественном кормопроизводстве. Помимо зерна комбикорма, содержат в большом количестве компоненты нетрадиционного сырья, в том числе приготовленные из отходов сельского хозяйства, животноводства и растениеводства, вторичного сырья перерабатывающей и пищевой промышленности.

По данным многочисленных исследований, примерно 40% питательных веществ корма не переваривается и выделяется с пометом или навозом. В этой связи рассматривается идея их использования для кормления животных и птицы. Куриный помет обеззараживают под воздействием высоких температур, удаляют из него перо, пух и семена сорняков. Полученный продукт, содержащий 20-30% сырого протеина, в смеси с комбикормом дают бычкам.

В Англии, к примеру, птичий помет ферментируют и обрабатывают муравьиной кислотой. Применяют навоз и для приготовления специальных силосов - вестлажа и навосажа. В США делают следующие смеси: 57% коровьего навоза и 43% сена; 42% дробленой кукурузы, 12% кукурузного силоса и 40% свиного навоза. При откорме бычков используют около 0, 5 млн. тони мочевины, которую частично заменяют птичьим пометом, как в чистом виде, так и с опилками. Овцы и козы охотно поедают вестлаж из 40% навоза КРС, 12% сенной резки и 12% дробленой кукурузы. В Канаде для подготовки к скармливанию навоз предварительно смешивают с соломой, потом засевают спорами грибов. В итоге получают высокобелковый корм, пригодный в пищу не только жвачным, но и моногастричным животным.

Сложившаяся в отечественном кормопроизводстве зависимость от зерновых культур автоматически ставит все животноводческие, птицеводческие и рыбные хозяйства в жесткую зависимость от погодных условий, урожайности, коммерческих интересов в землепользовании, состояния продовольственного рынка, а также государственной политики импорта.

Результатом сложившейся ситуации является сокращение сельскохозяйственного поголовья и избыток производственных мощностей, занятых в переработке зерна.

Наращивание темпов экономического развития в сельском хозяйстве, пищевой и лесотехнической промышленности также привело к обострению проблемы использования и утилизации сопутствующих отходов. Крайне нерационально используются солома, зерноотходы, отсев мукомольной промышленности, отруби, камыш, стебли кукурузы и другие отходы растениеводства, винного, пивного и кондитерского производств. В мире ежегодно производится 355 млн. тонн пшеничной соломы. В Азии более 500 млн. тонн рисовой соломы используется в основном в качестве стройматериалов или топлива. Почти не используются как кормовое сырье древесные опилки или щепа. Причем количество растительных отходов в несколько раз превосходит часть целевой выращенной продукции.

Развитие животноводства и птицеводства привело к накоплению огромного количества отходов и образованию угрожающих очагов экологического загрязнения. Технология гидросмыва, применяемая в РФ на крупных и средних животноводческих комплексах, ежегодно приводит к образованию более чем 300 млн. тонн жидких навозных стоков, в которых концентрация по основным загрязнителям значительно превышает все допустимые нормы и представляет существенную угрозу для окружающей среды, так как обычно используется «доисторический» способ утилизации - вывоз на поля. Сегодня о таком способе утилизации отходов можно забыть, потому что из-за внесения в почву помета и навоза в чистом виде возникает ряд проблем. Во-первых, перевозка громадного количества стоков (содержание сухого вещества 2-5%) требует немалых средств, во-вторых, почва, подземные и поверхностные воды заражаются инвазионными, инфекционными и токсическими элементами, в-третьих, это приводит к накоплению вредных химических соединений и нитратов, меди и цинка в зерне, траве и водных источниках.

Между тем в Европе давно применяется достаточно простой и дешевый метод утилизации - компостирование. Правда он требует специальных площадок, техники и большого количества торфа или отходов растениеводства и других материалов, снижающих содержание влаги. При соблюдении технологии получают

биогумус хорошего качества, однако до 30-40% питательных веществ теряется в виде газов.

Еще одной жизненно важной проблемой, поставившей многие агропромышленные предприятия на грань банкротства, является непомерная стоимость энергоносителей. Хотя эти же хозяйства в несоизмеримых количествах сжигают или же выбрасывают на свалку свои сопутствующие отходы, которые при рациональном использовании могут снять на 60-80% их энергетические проблемы.

Таким образом, объемы производства сырья, малоиспользуемого, но потенциально пригодного для кормовых целей, многократно превосходят объемы специально производимых фуражных компонентов.

ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ

На 1 кгфуражной зерносмеси в среднем приходится 5 кг растительных отходов: 4 кг отходов животного происхождения и 1 кг пищевых отходов, не считая растительных отходовтехнических производств. При этом потенциально возможные доходы от реализации продукции, полученной из различных отходов, могут многократно превышать доходы от продажи основного продукта и позволят без дополнительных затрат на выращивание зерна увеличить общую рентабельность производства минимум на 300-400%.

Что касается отходов пищевой промышленности, то они богаты питательными веществами, безвредны, легче поддаются ферментативной и микробиологической биоконверсии, различным видам предобработки. Эти ресурсы рассматриваются как наиболее лучшие для развития альтернативных технологий кормопроизводств.

На сегодняшний день и в РФ уже разработана, апробирована и внедрена в промышленном варианте технология производства комбикормов и кормовых добавок на основе микробиологической биоконверсии малоиспользуемых или же вообще не используемых отходов сельскохозяйственных, животноводческих, пищевых и промышленных производств.

Сущность технологии микробиологической переработки (биоконверсии) растительных отходов в корма заключается в следующем. Растительные компоненты и их производные, содержащие сложные полисахариды - пектиновые вещества, целлюлозу, гемицеллюлозу и др., подвергаются воздействию комплексных ферментных препаратов, содержащих пектиназу, гемицеллюлозу и целлюлозу. В итоге действия ферментов сложные полисахариды расщепляются до простых Сахаров, на основе которых в дальнейшем синтезируется кормовой белок и ряд других биологически активных веществ.

Ферменты представляют собой очищенный внеклеточный белок и способны к глубокой деструкции клеточных стенок и отдельных структурных полисахаридов. То есть под их воздействием осуществляется расщепление сложных полисахаридов на простые с последующим построением на их основе кормового белка. В зависимости от вида исходного сырья и требований к готовой продукции весь процесс микробиологической обработки может проходить от одного до трех этапов, а длительность полного цикла производства может находиться в пределах от 2 до 6 суток. С увеличением длительности процесса снижаются финансовые затраты на переработку сырья и повышаются зоотехнические показатели конечной продукции.

Заметим, что для микробиологической биоконверсии в углеводно-белковые корма ассоциациями культур микроорганизмов подходит любое растительное сырье и его производные: растительные компоненты с/х культур, отходы зерноперерабатывающей, сахарной, деревообрабатывающей, целлюлозной, консервной, винодельческой, пивоваренной, солодовенной, спиртовой, крахмалопаточной, чайной, эфирно-масличной, масложировой, кондитерской, молочной промышленностей, верховой малоразложившийся торф, помет птиц, навоз животных.

Таким образом, запасы сырья для производства корма по альтернативной технологии - микробиологической биоконверсии - не ограничены.

Наряду с переработкой кондиционных растительных и зерновых компонентов технология позволяет восстанавливать и многократно увеличивать прежние кормовые свойства сырья, зараженного патогенной микрофлорой, испорченного насекомыми или частично разложившегося из-за неправильного хранения. На этапе производства в некондиционных компонентах уничтожаются болезнетворная микрофлора, яйца гельминтов, возбудители тяжелых заболеваний (бруцеллез, туберкулез, холера, тиф и др.), а также вредные паразитирующие простейшие (аскариды, солитеры и др.). При этом кормовая ценность некондиционного сырья после соответствующей обработки превышает кормовую ценность кондиционных аналогов в 1, 1-1/4 раза.

Технология альтернативного кормопроизводства, по сравнению с традиционной, обеспечивает получение комбикормов с высокими зоотехническими и качественными параметрами. Получаемый корм отличается высокой питательностью (протеин 22-24%), более легкой усвояемостью, биологической активностью, а также ферментной, витаминной и минеральной ценностью. В подтверждение сказанного, проведем сравнение комбикормов, получаемых по альтернативной технологии, с комбикормами, выработанными по традиционной. Для примера рассмотрим комбикорм для рыбы (карпа), наиболее сложный по производству и зоотехническим параметрам.

Главной особенностью продукции, получаемой по альтернативной технологии микробиологической биоконверсии, является то, что по своей сути, сырье для производства кормовой добавки УБК проходит обработку в среде, аналогичной микрофлоре начального участка пищевода, т.е. первый этап пищеварения - «подготовка корма к перевариванию» начинается вне пищевода. Поэтому процесс переваривания таких кормов уже непосредственно в пищеводе животных, птиц и рыбы характеризуется высокими уровнем биологических процессов и переваримостью корма, а также сниженными ферментными и энергетическими затратами организма на всем этапе пищеварения.

В обычном кормопроизводстве зерно и другие фуражные компоненты измельчаются и без дополнительной обработки смешиваются с другими компонентами комбикорма. В таком виде пшеница, имеющая высокое содержание клейковины, попадая в желудок животных, присоединяет большое количество воды с образованием резиноподобной массы-клейстера. Это снижает доступность всех питательных веществ для пищеварения по времени. Кроме этого, возрастают затраты энергии на пищеварение и увеличиваются потери в итоге образования метана. Поэтому по технологии биоконверсии все зерновые компоненты проходят физико-механическую обработку, что исключает ненужные изменения зернофуражного сырья и повышает его кормовую ценность, а также полностью исключает необходимость запаривания или увлажнения кормов перед скармливанием.

Как и в традиционных кормах, продукция, полученная по альтернативной технологии, соответствует принятым стандартам по питательности и содержанию необходимого набора витаминов и микроэлементов, безопасна с точки зрения ветеринарии, может быть сертифицирована и является экологически чистой. Средние же затраты на производство 1 кг корма по рассматриваемой технологии соизмеримы со стоимостью 0, 5 кг фуражного зерна, а по кормовой ценности превышают показатели фуражного зерна в 1, 4-2, 0 раза.

В заключение стоит отметить, что главной особенностью альтернативных технологий кормопроизводства является комплексность, которая заключается в способности одновременно решать важнейшие проблемы сельскохозяйственных предприятий:

1. обеспечение хозяйства высококачественными кормами

2. решение экологического вопроса - утилизации отходов

3. электро- и теплоснабжение предприятия.

https://www.megasoft.ru/modules/projects/? id=5171

ЛЕКЦИЯ 13. Безотходное производство.

Под безотходной технологией понимается такой способ производст­ва, при котором рационально используются все компоненты сырья и энергии в цикле:

Последние 10-15 лет в мышлении специалистов, в их подходах к решению профессиональных задач произошли почти революционные изменения - вопросы охраны окружающей среды стали составной частью многих технологий, и экологическое образование сыграло свою роль. Не только инженеры и ученые – весь мир поворачивается к вопросам промышленной экологии. Теоретической предпосылкой таких решений являются понятия безотходного и малоотходного производства. Сейчас под безотходной технологией понимают такой принцип организации производства, при котором цикл: первичные сырьевые ресурсы – производство – потребление – вторичные сырьевые ресурсы построен с рациональным использованием всех компонентов сырья, всех видов энергии и без нарушения экологического равновесия.

Примером естественного «безотходного производства» являются некоторые природные экосистемы – в этих системах осуществляются полный круговорот веществ. Безотходное производство может мыслиться только теоретически, поскольку законы природы не позволяют полностью превращать энергию в работу (II закон термодинамики) и потери вещества не могут быть нулевыми, да и экосистемы вовлекают в круговорот не все вещества: животные, птицы и рыбы оставляют после своей гибели скелеты, моллюски – раковины. Но это понятие ставит цель: максимально приблизиться к теоретическому пределу. А цель, как известно, определяют и средства ее достижения. В данном случае это комплексная переработка сырья, разумное кооперирование и т.д. Понятие о безотходном производстве позволяет сформулировать требования к новым технологиям и новым аппаратам. В определении безотходного производства учитывается стадия потребления, что накладывает ограничения на свойства производимых продуктов потребления, влияет на их качество. Главные требования – надежность, долговечность, возможность возвращения в цикл на переработку или превращения в безвредную экологическую форму. Не может не тревожить, например, судьба контейнеров и упаковок из пластмассы, миллионы которых накапливаются в природной среде. Стремясь сделать контейнеры экологически безвредными, ученые специально создали неустойчивые в атмосферном воздухе и почве пластмассы, которые в естественных условиях способны терять форму и быстро разлагаться на безвредные простые вещества.

Еще одна сторона безотходных технологий – это внимание к сырью и его источникам. Рассмотрим, например производство аммиака. Реакция, используемая на большинстве современных аммиачных заводов довольно проста N2+3H2→ 2NH3и протекает при 450-500С и давлении около 300 мПа на катализаторе. Никаких отходов здесь в соответствии с уравнением реакции не должно образовываться. Является ли это производство безотходным? Ответ сегодня должен быть отрицательным, поскольку и при производстве N2и при получении Н2пока неизбежно образовывается большое количество отходов. Например, водород чаще всего получают конверсией природного газа, которая в простейшем случае описывается уравнениями

СН4+Н2О СО+3Н2

СО+Н2О СО2+Н2

Но и здесь исходные газы надо предварительно очистить от примесей соединений серы, а полученный Н2от остатков СО и больших количеств СО2. Сам синтез NН3– тоже на практике не безотходен. Подобным образом можно стадию за стадией рассмотреть любые производства, убеждаясь что в реальности безотходное производство пока не существует. Правда термин «безотходное» в некоторых отраслях имеет иное содержание. Так в химической промышленности к безотходным относят производства, в которых материальные ресурсы используются на 90-98%. Это очень высокие показатели и если бы все предприятия их достигали экологическая обстановка в стране стала бы гораздо лучше.

Реальная задача стоящая сейчас перед промышленностью, сельским хозяйством и транспортом свести до минимума наносимый природе вред, т.е. перейти на малоотходные производства. Эти производства часть сырья и материалов переводят в отходы, которые направляются на длительное хранение, а часть сбрасывают в окружающую среду. При этом количество отходов должно находится на уровне ниже которого опускаться невозможно без оказания вредного воздействия на окружающую среду. Выбор глубины переработки сырья и «коэффициента безотходности» проводится с экономических позиций. Поэтому необходимо уметь измерить опасность.

Роль катализа в экологии. Огромную роль призван сыграть катализ в решении актуальнейшей проблемы - охраны окружающей среды. Нам некуда сбрасывать отходы, кроме как в ту же среду, в которой мы живем. Химики-каталитики настойчиво работают над этой проблемой и уже добились некоторых результатов. Разработаны специальные устройства для дожигания выхлопных газов автомобилей, работающие на основе каталитического окисления вредных компонентов газов. Подобраны катализаторы и условия для обезвреживания отходящих газов химических производств. Каталитические фильтры конструируются в виде патронов, заполненных металлической сеткой или керамическими материалами с нанесенными на них каталитическими агентами; работают эти фильтры при 250-350° С.

Мы привели температуру, при который ведут катализ реакций в промышленных условиях, отчасти для того, чтобы сравнить их с условиями подобных химических реакций, протекающих в организмах растительного и животного мира. Последние имеют гораздо большую скорость при обычных температуре и давлении. Достигается это с помощью биологических катализаторов - продуктов длительной, неизбежно сопровождающейся миллионами ошибок и тупиков, эволюции жизни на Земле. Вероятно, мы не скоро узнаем извилистый путь, по которому шла природа в поисках эффективных органических конструкций с их фантастической способностью ускорять в мягких условиях процессы в живых организмах.

В решении проблем окружающей среды важная роль принадлежит образованию. С самого раннего возраста каждый живущий на Земле человек должен знать к чему приводит беспечное отношение к окружающей среде. Он должен знать о заболеваниях, вызываемых загрязнениями среды, о генетических отклонениях, о гибели животных и растений, об уменьшении плодородия почв, об исчерпании запасов питьевой воды, и других негативных изменениях среды обитания. И не только знать, но и ощущать личную ответственность за ее состояние.

https://www.studfiles.ru/preview/2038457/page: 6/

https://mikrobiki.ru/biotehnologii/promyshlennaya-biotehnologiya/biokonversiya-lignotscelluloznyh-obektov.html

Таблицы 1, 2 - Количество бактерий в микробных препаратах в тыс. на 1 мл

Таблица 1

Таблица 2

Заключение

Расширение сферы внедрения биотехнологии изменяет соотношение в системе «человек - производство - природа», повышает производительность труда, принципиально изменят его качество. Биологизация производства в целом - одно из важнейших направлений в создании гибких саморегулирующихся производственных процессов будущего, которые гармонично вписываются в природу, не причиняя ей вреда. В настоящее время последствия антропогенной деятельности достигли такой грани, когда дальнейшая некоординируемая деятельность может привести к не - обратимым изменениям в биосфере в целом. Это может привести к тому, что биосфера станет непригодной для обитания человека. Разрешение это - го противоречия, то есть создание такого равновесия в природе, которое в состоянии привести к гармоничному сосуществованию возрастающего населения планеты и биосферы, возможно только на основе дальнейшего развития науки и техники. Для этого необходимо разумное развитие человеческого общества в целом, направленное не на разрушение биосферы, а на ее дальнейшее развитие. Последнее, в свою очередь, должно оказывать позитивное влияние на дальнейший прогресс человечества, то есть создание ноосферы. Один из основных путей решения данной проблемы - дальнейшее развитие биологии и расширение сферы применения биотехнологии. Внедрение биотехнологии ведет к созданию экологически чистых технологий в различных сферах человеческой деятельности, включая более рациональное использование природных ресурсов и создание замкнутых производственных циклов.