Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В основе многих процессов лежат реакции обмена веществ, происходящих при росте и размножении некоторых микроорганизмов.
С помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты, органические кислоты и т.д.
Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности, — бактерии, дрожжевые и плесневые грибы.
Бактерии. Используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения.
Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту по уравнению
C6H12O6 ® 2CH3 – CH – COOH + 75 кДж
В производстве ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочнокислые бактерии. Гомоферментативные участвуют только в кислотообразовании, а гетероферментативные, наряду с молочной кислотой, образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода.
В спиртовой промышленности молочнокислое брожение применяется для подкисления дрожжевого сусла. Дикие молочнокислые бактерии неблагоприятно влияют на технологические процессы бродильных производств, ухудшают качество готовой продукции. Образующаяся молочная кислота подавляет жизнедеятельность посторонних микроорганизмов.
Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ.
Маслянокислые бактерии превращают сахар в масляную кислоту по уравнению
C6H12O6 ® CH3CH2CH2COOH + 2CO2 + H2 + Q
Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), т.к. они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению
C2H5OH + O2 ® CH3COOH + H2O +487 кДж
Уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, т.к. приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении вызывает порчу пива.
Дрожжи. Применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, в хлебопечении.
Для пищевых производств имеют значение дрожжи – сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи – несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Наиболее важное значение имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а отдельные разновидности вида называют расами. В каждой отрасли применяют отдельные расы дрожжей. Различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У пылевидных клетки изолированы друг от друга, а у хлопьевидных клетки склеиваются между собой, образуя хлопья, и быстро оседают.
Культурные дрожжи относятся к семейству сахаромицетов S. сerevisiae. Температурный оптимум для размножения дрожжей 25-30 0С, а минимальная температура около 2-3 0С. При 40 0С рост прекращается, дрожжи отмирают, при низких температурах размножение приостанавливается.
Различают дрожжи верхового и низового брожения.
Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относят большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения – спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей.
Как известно, в процессе спиртового брожения из глюкозы образуется два основных продукта – этанол и диоксид углерода, а также промежуточные вторичные продукты: глицерин, янтарная, уксусная и пировиноградная кислоты, ацетальдегид, 2,3-бутиленгликоль, ацетоин, эфиры и сивушные масла (изоамиловый, изопропиловый, бутиловый и другие спирты).
Сбраживание отдельных сахаров происходит в определенной последовательности, обусловленной скоростью их диффузии в дрожжевую клетку. Быстрее всего сбраживаются дрожжами глюкоза и фруктоза. Сахароза, как таковая, исчезает (инвертируется) в среде еще в начале брожения под действием фермента дрожжей b — фруктофуранозидазы, с образованием глюкозы и фруктозы, которые легко используются клеткой. Когда в среде не остается глюкозы и фруктозы, дрожжи потребляют мальтозу.
Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара – до 60 %, они выносят также высокие концентрации спирта – до 14-16 об. %.
В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи получают энергию за счет кислородного дыхания:
C6H12O6 + 6O2 ® 6CO2 + 6H2O + 2824 кДж
Так как процесс более энергетически богат, чем процесс брожения (118 кДж), то дрожжи тратят сахар значительно экономнее. Прекращение брожения под действием кислорода воздуха называют эффектом Пастера.
В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. сerevisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов.
В хлебопекарных дрожжах ценят быстроразмножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении.
В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Они должны быть микробиологически чистыми, обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата. Температура брожения 6-8 0С.
В виноделии ценят дрожжи, быстро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответствующий букет. Дрожжи, применяемые в виноделии, относятся к виду S. vini, энергично сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. В виноделии почти все производственные культуры дрожжей выделены из молодых вин в различных местностях.
Зигомицеты – плесневые грибы, они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоварении при частичной замене солода несоложеным сырьем и т.д.
В производстве лимонной кислоты А. niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.
Микроорганизмы в пищевой промышленности играют двоякую роль. С одной стороны, это культурные микроорганизмы, с другой — в пищевые производства попадает инфекция, т.е. посторонние (дикие) микроорганизмы. Дикие микроорганизмы распространены в природе (на ягодах, плодах, в воздухе, воде, почве) и из окружающей среды попадают в производство.
Для соблюдения правильного санитарно-гигиенического режима на пищевых предприятиях эффективным способом уничтожения и подавления развития посторонних микроорганизмов является дезинфекция.
Читайте также:
II. ТРЕБОВАНИЯ ОХРАНЫ ТРУДА, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТ (ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ) ПО ДОБЫЧЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ РЫБЫ И МОРЕПРОДУКТОВ
Thema: Informationstechnologien (Информационные технологии)
V. Конкуренция импорта с отечественным производством
Автоматизированное производство.
Активная часть основных производственных средств
Анализ использования производственного оборудования.
Анализ использования производственных мощностей.
Анализ основных экономических показателей деятельности производственных отраслей
АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
Анализ производственных запасов Курского ОАО «Прибор»
Читайте также:
Значение бактерий в нашей жизни. Открытие пенициллина и развитие медицины. Результаты применения антибиотиков в растительном и животном мире. Что такое пробиотики, принцип их действия на организм людей и животных, растений, преимущества применения.
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Применение микроорганизмов в медицине, сельском хозяйстве; преимущества пробиотиков
Родникова Инна
ВВЕДЕНИЕ
Люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании.
Собственно сам термин «биотехнология» появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г.
при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов.
Из вышеизложенного мы видим, что уже довольно длительное время жизнедеятельность человека неразрывно связана с живыми микроорганизмами. И если столько лет люди успешно, хотя и безсознательно, « сотрудничали» с бактериями, логично будет задать вопрос — а для чего, собственно, нужно расширять свои познания в этой области?
Ведь и так вроде бы всё отлично, мы умеем печь хлеб и варить пиво, готовить вино и кефир, чего ещё надо? Зачем нам Биотехнологии? Некоторые ответы можно найти в этом реферате.
МЕДИЦИНА И БАКТЕРИИ
На протяжении всей истории человечества (вплоть до начала двадцатого века) семьи имели много детей т.к.
очень часто дети не доживали до зрелого возраста, они погибали от множества заболеваний, даже от легко излечимого в наше время воспаления лёгких, что уж говорить о таких тяжёлых болезнях, как холера, гангрена, чума. Все эти заболевания вызваны болезнетворными микроорганизмами и считались неизлечимыми, но, наконец, учёные медики поняли, что побороть «злые» бактерии под силу другим бактериям, или вытяжкой из их ферментов.
Впервые это удалось заметить Александру Флемингу на примере элементарной плесени.
Оказалось, что некоторые виды бактерий прекрасно уживаются с плесенью, но стрептококки и стафилококки в присутствии плесени не развивались.
Многочисленные прежде опыты с размножением вредоносных бактерий показали, что некоторые из них способны уничтожать других и не допускают их развития в общей среде. Это явление было названо „антибиозом» от греческого „анти» — против и „биос» — жизнь. Работая над нахождением действенного противомикробного средства, Флеминг об этом прекрасно знал. У него не было никаких сомнений, что на чашке с таинственной плесенью он встретился с явлением антибиоза. Он начал тщательно исследовать плесень.
Спустя некоторое время ему удалось даже выделить из плесени противомикробное вещество. Поскольку плесень, с которой он имел дело, носила видовое латинское название Penicilium notatum полученное вещество он назвал пенициллином.
Таким образом, в 1929 году, в лаборатории лондонской больницы св. Марии родился хорошо известный нам пенициллин.
Предварительные испытания вещества на подопытных животных показали, что даже при инъекции в кровь оно не приносит вреда, и одновременно в слабых растворах прекрасно подавляет стрептококки и стафилококки.
Роль микроорганизмов в технологии пищевых производств
Ассистент Флеминга, доктор Стюарт Греддок, заболевший гнойным воспалением так называемой гайморовой полости, был первым человеком, который решился принять вытяжку пенициллина.
Ему ввели в полость небольшое количество вытяжки из плесени, и уже через три часа можно было убедиться, что состояние его здоровья значительно улучшилось.
Таким образом, было положено начало эпохи антибиотиков, которые спасли миллионы жизней, как в мирное время, так и во времена войны, когда раненые умирали не от тяжести ранения, а от заражений, связанных с ними. В дальнейшем велись разработки новых антибиотиков, на базе пенициллина, способов их получения для широкого применения.
БИОТЕХНОЛОГИИ И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Следствием прорыва в медицине, стал быстрый демографический подъём.
Население резко увеличивалось, а значит, требовалось больше пищи, а в связи с ухудшением экологии из-за ядерных испытаний, развития промышленности, истощения гумуса обрабатываемой земли, появилось множество заболеваний растений и скота.
Сначала, люди лечили животных и растения антибиотиками и это приносило свои результаты.
Рассмотрим эти результаты. Да, если обрабатывать овощи, фрукты, зелень и др. в период вегетации сильными фунгицидами, то это поможет подавить развитие некоторых болезнетворных микроорганизмов (не всех и не полностью), но, во-первых, это приводит к накоплению в плодах ядов и токсинов, а значит, снижаются полезные качества плода, во-вторых, вредные микробы быстро вырабатывают иммунитет к травящим их веществам и последующие обработки должны проводится всё более и более сильными антибиотиками.
То же явление наблюдается и в животном мире, и, к сожалению, у человека.
К тому же, в организме теплокровных антибиотики вызывают ещё ряд негативных последствий, таких как дисбактериоз, деформации плода у беременных, и др.
Как же быть? Сама природа даёт ответ на этот вопрос! И этот ответ — ПРОБИОТИКИ!
В ведущий институтах биотехнологий и генной инженерии давно занимаются выводом новых и селекцией известных микроорганизмов, которые обладают удивительной жизнестойкостью и способностью «побеждать» в борьбе с другими микробами.
Эти элитные штаммы такие как «bacillus subtilis» и «Licheniformis» широко применяются для лечения людей, животных, растений невероятно эффективно и совершенно безопасно.
Как такое возможно? А вот как: в организме людей и животных обязательно содержится множество необходимых бактерий. Они участвуют в процессах пищеварения, образования ферментов и составляют почти 70% иммунной системы человека. Если по какой-либо причине (приём антибиотиков, неправильное питание) у человека нарушен бактериальный баланс, то он оказывается незащищённым от новых вредоносных микробов и в 95% случаев заболеет снова.
То же относится и к животным. А элитные штаммы, попадая в организм, начинают активно размножаться и уничтожать патогенную флору, т.к. уже говорилось выше, они обладают большей жизнеспособностью. Таким образом, с помощью штаммов элитных микроорганизмов, можно поддерживать макро организм в здоровье без антибиотиков и в гармонии с природой, т. к. сами по себе, находясь в организме, данные штаммы приносят только пользу и никакого вреда.
Они лучше, чем антибиотики ещё и потому, что:
ответ микромира на введение в деловую практику суперантибиотиков очевиден и следует из уже имеющегося в распоряжении ученых экспериментального материала — рождение супермикроба.
Микробы удивительно совершенные саморазвивающиеся и самообучающиеся биологические машины, способные запоминать в генетической памяти созданные ими механизмы защиты от губительного для них воздействия антибиотиков и передавать информацию потомкам.
Бактерии представляют собой своего рода «биореактор», в котором производятся ферменты, аминокислоты, витамины и бактериоцины, которые также как и антибиотики нейтрализуют болезнетворные микроорганизмы.
Однако при этом не возникает ни привыкания к ним, ни побочных действий, типичных при применении химических антибиотиков. Наоборот, они способны, очистить стенки кишечника, повысить их проницаемость для необходимых питательных веществ, восстановить биологический баланс кишечной микрофлоры и стимулировать всю иммунную систему
Ученые воспользовались естественным для природы путем поддержания здоровья макро организма, а именно — из природной среды выделили бактерии — сапрофиты, обладающие свойством подавлять рост и развитие патогенной микрофлоры, в том числе и в желудочно-кишечном тракте теплокровных.
Миллионы лет эволюции живого на планете создали столь замечательные и совершенные механизмы подавления патогенной микрофлоры непатогенной, что сомневаться в успехе такого подхода не приходится.
Непатогенная микрофлора в конкурентной борьбе побеждает в бесспорном большинстве случаев и, если бы это было не так — нас с вами не было бы сегодня на нашей планете.
На основании вышеизложенного, учёные, производящие удобрения и фунгициды для применения в сельском хозяйстве, тоже постарались перейти с химического на биологический взгляд.
И результаты не замедлили себя проявить! Выяснилось, что те же самые bacillus subtilis успешно борются аж с семьюдесятью разновидностей патогенных представителей, вызывающих такие заболевания садово-огородных культур, как бактериальный рак, фузариозное увядание, корневая и прикорневая гниль и др., ранее считавшиеся неизлечимыми болезнями растений, с которыми не мог справиться НИ ОДИН ФУНГИЦИД!
Кроме того, эти бактерии оказывают явно положительное влияние на вегетацию растения: сокращается срок налива и созревания плодов, увеличиваются полезные качества плодов, снижается содержание в них нитратов и др.
токсичных веществ, а главное — значительно уменьшается потребность в минеральных удобрениях!
Препараты, содержащие штаммы элитных бактерий, уже занимают первые места на российских и международных выставках, они завоёвывают медали за эффективность и экологичность. Уже начали их активное использование мелкие и крупные сельхозпроизводители, а фунгициды и антибиотики постепенно уходят в прошлое.
Подукция компании «Био-Бан» это препараты «Флора-С» и «Фитоп-Флора-С» предлагает сухие торфо-гуминовые удобрения, содержащие концентрированные гуминовые кислоты (а насыщенный гумус — залог отличного урожая) и штамм бактерий «bacillus subtilis» для борьбы с болезнями. Благодаря этим препаратам, можно в короткие сроки восстановить истощённую землю, увеличить урожайность земли, защитить свой урожай от болезней, а главное, возможно получать отличные урожаи в зонах рискового земледелия!
Я считаю, приведённых аргументов достаточно, что бы оценить преимущества пробиотиков и понять, почему же учёные утверждают, что двадцатый век — век антибиотиков, а двадцать первый — век пробиотиков!
Подобные документы
Селекция микроорганизмов
Понятие и значение селекции как науки о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов.
Оценка роли и значения микроорганизмов в биосфере, и особенности их использования. Формы молочнокислых бактерий.
презентация , добавлен 17.03.2015
Биология животных
Значение паукообразных и насекомых в медицине и сельском хозяйстве, борьба с вредителями. Критерии разделения позвоночных на анамнии и амниоты. Цикл жизни малярийного плазмодия.
контрольная работа , добавлен 12.05.2009
Генетически модифицированные организмы. Принципы получения, применение
Оснвные способы получения генетически модифицированных растений и животных. Трансгенные микроорганизмы в медицине, химической промышленности, сельском хозяйстве.
Неблагоприятные эффекты генно-инженерных организмов: токсичность, аллергия, онкология.
курсовая работа , добавлен 11.11.2014
Методы селекции животных и микроорганизмов
Отличия животных от растений.
Особенности отбора животных для селекции. Что такое гибридизация, ее классификация. Современные разновидности селекции животных. Сферы использования микроорганизмов, их полезные свойства, методы и особенности селекции.
презентация , добавлен 26.05.2010
Классификация микроорганизмов. Основы морфологии бактерий
Изучение предмета, основных задач и истории развития медицинской микробиологии.
Систематика и классификация микроорганизмов. Основы морфологии бактерий. Исследование особенностей строения бактериальной клетки. Значение микроорганизмов в жизни человека.
лекция , добавлен 12.10.2013
Характеристика микроорганизмов молочнокислых, бифидобактерий и пропионовокислых бактерий, используемых при производстве биомороженого
Пробиотики как непатогенные для человека бактерии, обладающие антагонистической активностью в отношении патогенных микроорганизмов.
Знакомство с особенностями пробиотических лактобацилл. Анализ кисломолочных продуктов с пробиотическими свойствами.
реферат , добавлен 17.04.2017
Современное учение о происхождении микроорганизмов
Гипотезы о зарождении жизни на Земле.
Изучение биохимической деятельности микроорганизмов, их роли в природе, жизни человека и животных в работах Л. Пастера. Генетические исследования бактерий и вирусов, их фенотипическая и генотипическая изменчивость.
реферат , добавлен 26.12.2013
Совершенствование потребительских свойств пробиотических препаратов
Влияние пробиотиков на здоровье человека.
Иммуностимулирующие, антимутагеные свойства пропионовокислых бактерий. Влияние йода на биохимические свойства бактерий-пробиотиков. Качественная характеристика йодированных препаратов, биохимические показатели.
статья , добавлен 24.08.2013
Биоинженерия – использование микроорганизмов, вирусов, трансгенных растений и животных в промышленном синтезе
Производство продуктов микробного синтеза первой и второй фазы, аминокислот, органических кислот, витаминов.
Крупномасштабное производство антибиотиков. Производство спиртов и полиолов. Основные типы биопроцессов. Метаболическая инженерия растений.
курсовая работа , добавлен 22.12.2013
Использование полезных микроорганизмов
Роль микроорганизмов в природе и сельском хозяйстве.
контрольная работа , добавлен 27.09.2009
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, производство какого-либо продукта с помощью микроорганизмов. Осуществляемый микроорганизмами процесс называют ферментацией; емкость, в которой он протекает, называется ферментером (или биореактором).
Процессы, протекающие при участии бактерий, дрожжей и плесневых грибов, человек применял сотни лет для получения пищевых продуктов и напитков, обработки текстиля и кожи, но участие в этих процессах микроорганизмов было четко показано только в середине 19 в.
В 20 в. промышленность использовала все разнообразие замечательных биосинтетических способностей микроорганизмов, и теперь ферментация занимает центральное место в биотехнологии. С ее помощью получают разнообразные химикалии высокой степени чистоты и лекарственные препараты, изготавливают пиво, вино, ферментированные пищевые продукты.
Во всех случаях процесс ферментации разделяется на шесть основных этапов.
Создание среды. Прежде всего необходимо выбрать соответствующую культуральную среду. Микроорганизмы для своего роста нуждаются в органических источниках углерода, подходящем источнике азота и различных минеральных веществах. При производстве алкогольных напитков в среде должны присутствовать осоложенный ячмень, выжимки из фруктов или ягод.
Например, пиво обычно делают из солодового сусла, а вино - из виноградного сока. Помимо воды и, возможно, некоторых добавок эти экстракты и составляют ростовую среду.
Среды для получения химических веществ и лекарственных препаратов намного сложнее. Чаще всего в качестве источника углерода используют сахара и другие углеводы, но нередко масла и жиры, а иногда углеводороды.
Источником азота обычно служат аммиак и соли аммония, а также различные продукты растительного или животного происхождения: соевая мука, соевые бобы, мука из семян хлопчатника, мука из арахиса, побочные продукты производства кукурузного крахмала, отходы скотобоен, рыбная мука, дрожжевой экстракт. Составление и оптимизация ростовой среды являются весьма сложным процессом, а рецепты промышленных сред - ревниво оберегаемым секретом.
Стерилизация. Среду необходимо стерилизовать, чтобы уничтожить все загрязняющие микроорганизмы. Сам ферментер и вспомогательное оборудование тоже стерилизуют. Существует два способа стерилизации: прямая инжекция перегретого пара и нагревание с помощью теплообменника.
Желаемая степень стерильности зависит от характера процесса ферментации.
Основные группы микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности
Она должна быть максимальной при получении лекарственных препаратов и химических веществ. Требования же к стерильности при производстве алкогольных напитков менее строгие.
О таких процессах ферментации говорят как о «защищенных», поскольку условия, которые создаются в среде, таковы, что в них могут расти только определенные микроорганизмы. Например, при производстве пива ростовую среду просто кипятят, а не стерилизуют; ферментер также используют чистым, но не стерильным.
Получение культуры. Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо получить чистую высокопродуктивную культуру. Чистые культуры микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в условиях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность; обычно это достигается хранением при низкой температуре.
Ферментер может вмещать несколько сотен тысяч литров культуральной среды, и процесс начинают, вводя в нее культуру (инокулят), составляющей 1-10% объема, в котором будет идти ферментация. Таким образом, исходную культуру следует поэтапно (с пересеваниями) растить до достижения уровня микробной биомассы, достаточного для протекания микробиологического процесса с требуемой продуктивностью.
Совершенно необходимо все это время поддерживать чистоту культуры, не допуская ее заражения посторонними микроорганизмами.
Сохранение асептических условий возможно лишь при тщательном микробиологическом и химико-технологическом контроле.
Рост в промышленном ферментере (биореакторе). Промышленные микроорганизмы должны расти в ферментере при оптимальных для образования требуемого продукта условиях.
Эти условия строго контролируют, следя за тем, чтобы они обеспечивали рост микроорганизмов и синтез продукта. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста - постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода.
Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндрический резервуар, в котором механически перемешиваются среда и микроорганизмы.
Через среду прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Такой ферментер с перемешиванием используется в тех случаях, когда ферментативный процесс требует много кислорода. Некоторые продукты, напротив, образуются в бескислородных условиях, и в этих случаях используются ферментеры другой конструкции. Так, пиво варят при очень низких концентрациях растворенного кислорода, и содержимое биореактора не аэрируется и не перемешивается.
Некоторые пивовары до сих пор традиционно используют открытые емкости, но в большинстве случаев процесс идет в закрытых неаэрируемых цилиндрических емкостях, сужающихся книзу, что способствует оседанию дрожжей.
В основе получения уксуса лежит окисление спирта до уксусной кислоты бактериями
Acetobacter . Процесс ферментации протекает в емкостях, называемых ацетаторами, при интенсивной аэрации. Воздух и среда засасываются вращающейся мешалкой и поступают на стенки ферментера.
Выделение и очистка продуктов. По завершении ферментации в бульоне присутствуют микроорганизмы, неиспользованные питательные компоненты среды, различные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и тот продукт, который желали получить в промышленном масштабе. Поэтому данный продукт очищают от других составляющих бульона.
При получении алкогольных напитков (вина и пива) достаточно просто отделить дрожжи фильтрованием и довести до кондиции фильтрат. Однако индивидуальные химические вещества, получаемые путем ферментации, экстрагируют из сложного по составу бульона.
Хотя промышленные микроорганизмы специально отбираются по своим генетическим свойствам так, чтобы выход желаемого продукта их метаболизма был максимален (в биологическом смысле), концентрация его все же мала по сравнению с той, которая достигается при производстве на основе химического синтеза.
Поэтому приходится прибегать к сложным методам выделения - экстрагированию растворителем, хроматографии и ультрафильтрации. Переработка и ликвидация отходов ферментации. При любых промышленных микробиологических процессах образуются отходы: бульон (жидкость, оставшаяся после экстракции продукта производства); клетки использованных микроорганизмов; грязная вода, которой промывали установку; вода, применявшаяся для охлаждения; вода, содержащая в следовых количествах органические растворители, кислоты и щелочи.
Жидкие отходы содержат много органических соединений; если их сбрасывать в реки, они будут стимулировать интенсивный рост естественной микробной флоры, что приведет к обеднению речных вод кислородом и созданию анаэробных условий. Поэтому отходы перед удалением подвергают биологической обработке, чтобы уменьшить содержание органического углерода. Промышленные микробиологические процессы можно разбить на 5 основных групп: 1) выращивание микробной биомассы; 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов; 3) получение ферментов микробного происхождения; 4) получение рекомбинантных продуктов; 5) биотрансформация веществ.
Микробная биомасса. Микробные клетки сами по себе могут служить конечным продуктом производственного процесса. В промышленном масштабе получают два основных типа микроорганизмов: дрожжи, необходимые для хлебопечения, и одноклеточные микроорганизмы, используемые как источник белков, которые можно добавлять в пищу человека и животных.
Пекарские дрожжи выращивали в больших количествах с начала 20 в. и использовали в качестве пищевого продукта в Германии во время Первой мировой войны.
Однако технология производства микробной биомассы как источника пищевых белков была разработана только в начале 1960-х годов. Ряд европейских компаний обратили внимание на возможность выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для получения т.н.
белка одноклеточных организмов (БОО). Технологическим триумфом было получение продукта, добавляемого в корм скоту и состоящего из высушенной микробной биомассы, выросшей на метаноле.
Процесс шел в непрерывном режиме в ферментере с рабочим объемом 1,5 млн. л
Однако в связи с ростом цен на нефть и продукты ее переработки этот проект стал экономически невыгодным, уступив место производству соевой и рыбной муки. К концу 80-х годов заводы по получению БОО были демонтированы, что положило конец бурному, но короткому периоду развития этой отрасли микробиологической промышленности. Более перспективным оказался другой процесс - получение грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием в качестве субстрата углеводов.
Продукты метаболизма. После внесения культуры в питательную среду наблюдается лаг-фаза, когда видимого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рассматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно увеличивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненциальной, или логарифмической, фазой.
Постепенно рост замедляется, и наступает т.н. стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.
Следуя описанной выше кинетике, можно проследить за образованием метаболитов на разных этапах.
В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и т.д. Их называют первичными метаболитами.
Многие первичные метаболиты представляют значительную ценность. Так, глутаминовая кислота (точнее, ее натриевая соль) входит в состав многих пищевых продуктов; лизин используется как пищевая добавка; фенилаланин является предшественником заменителя сахара аспартама.
Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей. Поэтому задача промышленных микробиологов состоит в создании мутантных форм микроорганизмов - сверхпродуцентов соответствующих веществ.
В этой области достигнуты значительные успехи: например, удалось получить микроорганизмы, которые синтезируют аминокислоты вплоть до концентрации 100 г/л (для сравнения - организмы дикого типа накапливают аминокислоты в количествах, исчисляемых миллиграммами).
В фазе замедления роста и в стационарной фазе некоторые микроорганизмы синтезируют вещества, не образующиеся в логарифмической фазе и не играющие явной роли в метаболизме. Эти вещества называют вторичными метаболитами. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи - ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью.
Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.
Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.
Вначале целью скрининга было получение новых антибиотиков, но вскоре обнаружилось, что микроорганизмы синтезируют и другие фармакологически активные вещества.
В течение 1980-х годов было налажено производство четырех очень важных вторичных метаболитов. Это были: циклоспорин - иммунодепрессант, используемый в качестве средства, предотвращающего отторжение имплантированных органов; имипенем (одна из модификаций карбапенема) - вещество с самым широким спектром антимикробного действия из всех известных антибиотиков; ловастатин - препарат, снижающий уровень холестерина в крови; ивермектин - антигельминтное средство, используемое в медицине для лечения онхоцеркоза, или «речной слепоты», а также в ветеринарии.
Ферменты микробного происхождения. В промышленных масштабах ферменты получают из растений, животных и микроорганизмов. Использование последних имеет то преимущество, что позволяет производить ферменты в огромных количествах с помощью стандартных методик ферментации.
Кроме того, повысить продуктивность микроорганизмов несравненно легче, чем растений или животных, а применение технологии рекомбинантных ДНК позволяет синтезировать животные ферменты в клетках микроорганизмов.
Ферменты, полученные таким путем, используются главным образом в пищевой промышленности и смежных областях. Синтез ферментов в клетках контролируется генетически, и поэтому имеющиеся промышленные микроорганизмы-продуценты были получены в результате направленного изменения генетики микроорганизмов дикого типа.
Рекомбинантные продукты. Технология рекомбинантных ДНК, более известная под названием «генная инженерия», позволяет включать гены высших организмов в геном бактерий. В результате бактерии приобретают способность синтезировать «чужеродные» (рекомбинантные) продукты - соединения, которые прежде могли синтезировать только высшие организмы.
На этой основе было создано множество новых биотехнологических процессов для производства человеческих или животных белков, ранее недоступных или применявшихся с большим риском для здоровья.
Сам термин «биотехнология» получил распространение в 1970-х годах в связи с разработкой способов производства рекомбинантных продуктов. Однако это понятие гораздо шире и включает любой промышленный метод, основанный на использовании живых организмов и биологических процессов.
Первым рекомбинантным белком, полученным в промышленных масштабах, был человеческий гормон роста. Для лечения гемофилии используют один из белков системы свертывания крови, а именно фактор
VIII. До того как были разработаны методы получения этого белка с помощью генной инженерии, его выделяли из крови человека; применение такого препарата было сопряжено с риском заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).
Долгое время сахарный диабет успешно лечили с помощью инсулина животных. Однако ученые полагали, что рекомбинантный продукт будет создавать меньше иммунологических проблем, если его удастся получать в чистом виде, без примесей других пептидов, вырабатываемых поджелудочной железой.
Кроме того, ожидалось, что число больных диабетом будет со временем увеличиваться в связи с такими факторами, как изменения в характере питания, улучшение медицинской помощи беременным, страдающим диабетом (и как следствие - повышение частоты генетической предрасположенности к диабету), и, наконец, ожидаемое увеличение продолжительности жизни больных диабетом.
Первый рекомбинантный инсулин поступил в продажу в 1982, а к концу 1980-х годов он практически вытеснил инсулин животных.
Многие другие белки синтезируются в организме человека в очень небольших количествах, и единственный способ получать их в масштабах, достаточных для использования в клинике, - технология рекомбинантных ДНК. К таким белкам относятся интерферон и эритропоэтин.
Эритропоэтин совместно с миелоидным колониестимулирующим фактором регулирует процесс образования клеток крови у человека. Эритропоэтин используется для лечения анемии, связанной с почечной недостаточностью, и может найти применение как средство, способствующее повышению уровня тромбоцитов, при химиотерапии раковых заболеваний.
Биотрансформация веществ. Микроорганизмы можно использовать для превращения тех или иных соединений в структурно сходные, но более ценные вещества. Поскольку микроорганизмы могут проявлять свое каталитическое действие в отношении лишь каких-то определенных веществ, протекающие при их участии процессы более специфичны, чем чисто химические. Наиболее известный процесс биотрансформации - получение уксуса в результате превращения этанола в уксусную кислоту.
Но среди продуктов, образующихся при биотрансформации, есть и такие высокоценные соединения, как стероидные гормоны, антибиотики, простагландины.См. также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии (специальный выпуск журнала «Scientific American»).
М., 1984
Биотехнология. Принципы и применение
. М., 1988
Производство Использование микроорганизмов человеком.
Микроорганизмы широко используются в пищевой промышленности, домашнем хозяйстве, микробиологической промышленности для получения аминокислот, ферментов, органических кислот, витаминов и др.
К классическим микробиологическим производствам относится виноделие, пивоварение, приготовление хлеба, молочнокислых продуктов и пищевого уксуса. К примеру, виноделие, пивоварение и производство дрожжевого теста͵ невозможны без использования дрожжей, широко распространенных в природе.
История индустриального производства дрожжей началась в Голландии, где в 1870 ᴦ. была основана первая фабрика, выпускавшая дрожжи. Основным видом продукции стали прессованные дрожжи влажностью около 70 %, которые могли храниться всего несколько недель.
Длительное хранение было невозможно, так как клетки прессованных дрожжей оставались живыми, сохраняли свою активность, что и приводило к их автолизу и гибели. Одним из способов промышленного консервирования дрожжей стало высушивание. В сухих дрожжах при низкой влажности дрожжевая клетка находится в анабиотическом состоянии и может сохраняться длительное время.
Первые сухие дрожжи появились в 1945 ᴦ. В 1972 ᴦ. появилось второе поколение сухих дрожжей, так называемые инстантные дрожжи.
Использование микроорганизмов в пищевой промышленности
С середины 1990-х годов появилось третье поколение сухих дрожжей: пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые объединили достоинства инстантных дрожжей с высококонцентрированным комплексом специализированных хлебопекарных ферментов в одном продукте.
Эти дрожжи позволяют не только улучшить качество хлеба, но и активно противостоять процессу черствения.
Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae используются и в производстве этилового спирта.
Виноделие использует множество разных рас дрожжей, чтобы получить уникальную марку вина с только ему присущими качествами.
Молочнокислые бактерии принимают участие в приготовлении таких пищевых продуктов, как квашеная капуста͵ соленые огурцы, маринованные маслины и множество других маринованных продуктов.
Молочнокислые бактерии преобразуют сахар в молочную кислоту, которая предохраняет пищевые продукты от гнилостных бактерий.
С помощью молочнокислых бактерий готовят большой ассортимент молочнокислых продуктов, творог, сыр.
При этом многие микроорганизмы играют отрицательную роль в жизни человека, являясь возбудителями болезней человека, животных и растений; они могут вызывать порчу пищевых продуктов, разрушение различных материалов и т.п.
Для противоборства с такими микроорганизмами были открыты антибиотики - пенициллин, стрептомицин, грамицидин и др., которые являются продуктами метаболизма грибов, бактерий и актиномицетов.
Микроорганизмы дают человеку необходимые ферменты.
Так, амилазу используют на предприятиях пищевой, текстильной, бумажной промышленности. Протеаза вызывает разложение белков в различных материалах. На Востоке протеазу из грибов применяли уже несколько столетий назад для приготовления соевого соуса.
Сегодня ее используют при производстве моющих средств. При консервировании фруктовых соков применяют такой фермент, как пектиназа.
Микроорганизмы используют для очистки сточных вод, переработки отходов пищевой промышленности. При анаэробном разложении органического вещества отходов образуется биогаз.
В последние годы появились новые производства.
Из грибов получают каротиноиды и стероиды.
Бактерии синтезируют многие аминокислоты, нуклеотиды и другие реактивы для биохимических исследований.
Микробиология является быстроразвивающейся наукой, достижения которой во многом связаны с развитием физики, химии, биохимии, молекулярной биологии и др.
Для успешного изучения микробиологии требуется знание перечисленных наук.
В настоящем курсе в основном рассматривается микробиология пищевых продуктов.
Множество микроорганизмов живет на поверхности тела, в кишечнике человека и животных, на растениях, на пищевых продуктах и на всех предметах вокруг нас. Микроорганизмы потребляют самую разнообразную пищу, чрезвычайно легко приспосабливаются к изменяющимся условиям жизни: теплу, холоду, недостатку влаги и т.
п. Οʜᴎ очень быстро размножаются. Без знания микробиологии нельзя грамотно и эффективно управлять биотехнологическими процессами, сохранить высокое качество пищевых продуктов на всех этапах его производства и предотвратить потребление продуктов, содержащих возбудителей пищевых заболеваний и отравлений.
Следует особо подчеркнуть, что микробиологические исследования пищевых продуктов, не только с точки зрения технологических особенностей, но и, что не менее важно, с точки зрения их санитарно-микробиологической безопасности, являются самым сложным объектом санитарной микробиологии.
Это объясняется не только разнообразием и обилием микрофлоры в продуктах питания, но и использованием микроорганизмов в производстве многих из них.
В этой связи, при микробиологическом анализе качества и безопасности продуктов питания следует различать две группы микроорганизмов:
– специфическая микрофлора;
– неспецифическая микрофлора.
Специфическая — ϶ᴛᴏ культурные расы микроорганизмов, которые используются для приготовления того или иного продукта и являются обязательным звеном в технологии его производства.
Такая микрофлора используется в технологии получения вина, пива, хлеба, всех кисломолочных продуктов.
Неспецифическая — ϶ᴛᴏ микроорганизмы, которые попадают в пищевые продукты из окружающей среды, загрязняя их.
Среди этой группы микроорганизмов различают сапрофитные, патогенные и условно-патогенные, а также микроорганизмы, вызывающие порчу продуктов.
Степень загрязнения зависит от множества факторов, к которым следует отнести правильность заготовки сырья, его хранения и переработки, соблюдение технологических и санитарных режимов производства продуктов, их хранения и транспортировки.
Современная биотехнология опирается на многие науки: генетику, микробиологию, биохимию, естествознание. Основным объектом их изучения являются бактерии и микроорганизмы. Многие проблемы в биотехнологиях решает именно применение бактерий. Сегодня область их использования в жизни человека настолько широка и разнообразна, что вносит неоценимый вклад в развитие таких отраслей, как:
- медицина и здравоохранение;
- животноводство;
- растениеводство;
- рыбная отрасль;
- пищевая промышленность;
- добыча полезных ископаемых и энергетика;
- тяжелая и легкая промышленности;
- септик;
- экология.
Область применения бактерий в фармакологии и медицине настолько широка и значима, что их роль в лечении у человека многих заболеваний просто неоценима. В нашей жизни они необходимы при создании кровезаменителей, антибиотиков, аминокислот, ферментов, противовирусных и противораковых препаратов, пробы ДНК для диагностики, гормональных препаратов.
Неоценимый вклад в медицину сделали ученые, выявив ген, отвечающий за гормон инсулина. Вживив его в бактерию коли, получили выработку инсулина, спасая жизни многим больным. Японские ученые обнаружили бактерии, выделяющие вещество, уничтожающее зубной налет, тем самым предотвращая появление кариеса у человека.
Из бактерий-термофилов выводят ген, кодирующий ферменты, имеющие ценность в научных исследованиях, так как они нечувствительны к высоким температурам. При производстве витаминов в медицине используют микроорганизм Clostridium, получая при этом рибофлавин, выполняющий важную роль в здоровье человека.
Свойство бактерий вырабатывать антибактериальные вещества было применено при создании антибиотиков, решив проблему лечения многих инфекционных заболеваний, тем самым спасло жизнь не одному человеку.
В фармакологии создание лекарственных препаратов и синтетических вакцин, куда входят иммунорегуляторы, алкалоиды, нуклеотиды и ферменты, также невозможно без микроорганизмов.
Животноводство
Для возрастания привесов и увеличения скорости роста молодых особей применяют белково-витаминные добавки, ферменты, их продуцентами являются фотосинтезирующие бактерии. Снижая таким способом расход кормов и повышая производительность. При производстве силоса применяют E.coli commune, Lactis aerogenes, являющиеся молочнокислыми микроорганизмами. Незаменимую аминокислоту лизин, используемую в качестве пищевой добавки в животноводстве, продуцируют из таких бактерий, как Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium sp и Escherichia coli.
Применение бактерий распространено при создании высокопродуктивных пород, гормонов роста и пересадке оплодотворенной клетки. Препараты, созданные на основе Bac. subtilis и Bac. Licheniformis, используются в ветеринарии при лечении многих заболеваний.
Сельскохозяйственная отрасль
Использование пестицидов и удобрений в сельскохозяйственной отрасли приводит к негативному воздействию на микрофлору почвы. Для разрушения вредных веществ применяют аэробные и анаэробные бактерии.
Использование бактериальных удобрений способствует повышению урожайности. Из клеток Klebsiella и Chromatium получают бакпрепараты, удерживающие азот. Это дает возможность растениям усваивать азот, содержащийся в воздухе. Из Bacillus megathrtium получают фосфобактерин, повышающий содержание фосфора в почве и азота в зеленой массе. В качестве биозащиты растений от всевозможных вредителей разработаны микробиологические препараты на основе бактерий, которые не наносят вреда человеку.
Рыбная отрасль
Биотехнологии, применяемые в рыбных хозяйствах, позволяют создавать породы рыб, устойчивые ко многим заболеваниям, и породы с высокими темпами прироста. Также из продуцируемых бактерий в рыбной промышленности изготавливают кормовые добавки, ферменты и лекарственные препараты.
Пищевая индустрия
Широко применение биотехнологий в бродильной и пищевой промышленностях. Применение молочнокислых бактерий при изготовлении кефира, кумыса и кисломолочных продуктов способствует улучшению их вкуса и перевариваемости. Это достигается тем, что выделяемые ферменты разлагают молочный сахар на спирт и углекислоту. Для улучшения качества кондитерских изделий и сохранения свежести хлебобулочных в пищевой промышленности применяют ферменты, продуцируемые из Bac.subtilis.
Добыча и переработка полезных ископаемых
Применение биотехнологий в добывающей промышленности позволяет существенно сократить расходы и энергетические затраты. Так, применение литотрофных бактерий (Thiobacillus ferrooxidous), с их способностью окислять железо, используется в гидрометаллургии. За счет бактериального выщелачивания из низкосодержащих пород добывают драгоценные металлы. Для увеличения добычи нефти применяют метансодержащие бактерии. При добыче нефти обычным способом из недр извлекается не более половины природных запасов, а с помощью микроорганизмов происходит более эффективное освобождение запасов.
Легкая и тяжелая индустрия
Микробиологическое выщелачивание используют в старых шахтах для получения цинка, никеля, меди, кобальта. В горнодобывающей промышленности для восстановительных реакций в старых шахтах применяют сульфаты бактерий, так как остатки серной кислоты несут разрушающие воздействия на опоры, материалы и окружающую среду. Анаэробные микроорганизмы способствуют основательному разложению органических веществ. Это свойство применяется для очистки воды в металлургической промышленности.
Человек использует бактерии при производстве шерсти, искусственной кожи, текстильного сырья, в парфюмерно-косметических целях.
Очистка стоков и водоемов
Бактерии, участвующие в разложении, применяют для очистки септиков. Основа этого метода заключается в том, что питаются микроорганизмы сточными водами. Этим способом обеспечивается удаление запаха и обеззараживание стоков. Микроорганизмы, применяемые в септиках, выращиваются в лабораториях. Результат их действия обуславливается распадом органики на простейшие вещества, безвредные для экологии. В зависимости от вида септика подбираются анаэробные либо аэробные микроорганизмы. Аэробные микроорганизмы, помимо септиков, применяют в биофильтрах.
Для поддержания качества воды в водоемах и стоках, очистки загрязненной поверхности морей и океанов от нефтепродуктов также необходимы микроорганизмы.
С развитием биотехнологий в нашей жизни человечество шагнуло вперед практически во всех отраслях своей деятельности.
Бактерии представляют собой одноклеточные безъядерные микроорганизмы, относящиеся к классу прокариотов. На сегодняшний день существует более 10 тысяч изученных видов (предполагается что их около миллиона), многие из них являются патогенными и могут возбуждать различные заболевания у человека, животных и растений.
Для их размножения необходимо достаточное количество кислорода и оптимальная влажность. Размеры бактерий варьируются от десятых долей микрона до нескольких микронов, по форме они делятся на шаровидные (кокки), палочковидные, нитеобразные (спириллы), в виде изогнутых палочек (вибрионы).
Первые организмы, появившиеся миллиарды лет назад
(Бактерии и микробы под микроскопом )
Бактерии играют очень важную роль на нашей планете, являясь важным участником любого биологического круговорота веществ, основы существования всего живого на Земле. Большая часть как органических, так и неорганических соединений под влиянием бактерий существенно изменяются. Бактерии, появившиеся на нашей планете более 3,5 миллиарда лет назад, стояли у первоисточников основания живой оболочки планеты и до сих пор активно перерабатывают неживую и живую органику и вовлекают результаты обменного процесса в биологический круговорот.
(Строение бактерии )
Сапрофитные почвенные бактерии играют огромную роль в почвообразовательном процессе, именно они перерабатывают остатки растительных и животных организмов и помогают в образовании гумуса и перегноя, повышающих её плодородие. Наиболее важную роль в процессе повышения плодородия почвы играют азотофиксирующие клубеньковые бактерии-симбионты, «живущие» на корнях бобовые растений, благодаря им почва обогащается ценными азотными соединениями, необходимым для роста растений. Они улавливают азот из воздуха, связывают его и создают соединения в форме, доступной для растений.
Значение бактерий в круговороте веществ в природе
Бактерии обладают отличными санитарными качествами, они удаляют грязь в сточных водах, расщепляют органические вещества, превращая их в безвредную неорганику. Уникальные цианобактерии, зародившиеся в первозданных морях и океанах 2 миллиарда лет назад, были способны к процессу фотосинтеза, они поставляли в окружающую среду молекулярный кислород, и таким образом сформировали атмосферу Земли и создали озоновый слой, защищающий нашу планету от пагубного влияния ультрафиолетовых лучей. Многие полезные ископаемые создавались на протяжении многих тысяч лет под воздействием воздуха, температуры, воды и бактерий на биомассу.
Бактерии наиболее распространенные организмы на Земле, они определяют верхнюю и нижнюю границу биосферы, проникают повсюду и отличаются большой выносливостью. Если бы бактерий не было, умершие животные и растения не перерабатывались бы дальше, а просто накапливались в огромных количествах, без них биологический круговорот станет невозможным, и вещества не смогут вновь возвращаться в природу.
Бактерии - важное звено в трофических цепях питания, они выступают в роли редуцентов, раскладывая остатки умерших животных и растений, тем самым очищая Землю. Многие бактерии играют в организме млекопитающих роль симбионтов и помогают им разложить клетчатку, которую те не в состоянии переварить. Процесс жизнедеятельности бактерий — источник витамина К и витаминов группы В, играющих важную роль в процессе нормального функционирования их организмов.
Полезные и вредные бактерии
Большое количество болезнетворных бактерий могут приносить здоровью человека, домашних животных и культурных растений огромный вред, а именно вызывать такие инфекционные заболевания как дизентерию, туберкулез, холеру, бронхит, бруцеллез и сибирскую язву (животные), бактериоз (растения).
Существуют бактерии, приносящие человеку и его хозяйственной деятельности пользу. Люди научились использовать бактерии на промышленных производствах, изготовляя ацетон, этиловый и бутиловый спирт, уксусную кислоту, ферменты, гормоны, витамины, антибиотики, белково-витаминные препараты. Очищающая способность бактерий применяется на водочистных сооружениях, для очистки сточных вод и превращения органики в безвредные неорганические вещества. Современные достижения генных инженеров позволили получать такие лекарственные препараты как инсулин, интерферон из бактерии кишечной палочки, кормовой и пищевой белок из некоторых бактерий. В сельском хозяйстве используют специальные бактериальные удобрения, также с помощью бактерий фермеры борются с различными сорняками и вредными насекомыми.
(Бактерии любимое блюдо инфузории туфельки )
Бактерии участвуют в процессе дубления кожи, сушки табачных листьев, с их помощью изготовляют шелк, каучук, какао, кофе, замачивают коноплю, лен, выщелачивают металлы. Они участвуют в процессе изготовления лекарств, таких сильнейших антибиотиков как тетрациклин и стрептомицин. Без молочнокислых бактерий, вызывающих процесс брожения, невозможен процесс приготовления таких молочных продуктов как простокваша, ряженка, ацидофилин, сметана, масло, кефир, йогурт, творог. Также молочнокислые бактерии участвуют в процессе засолки огурцов, квашении капусты, силосовании кормов.
Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельность в настоящее время широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, медицине.
История применения микроорганизмов
Еще за 1000 лет до нашей эры римляне, финикийцы и люди других ранних цивилизаций извлекали медь из рудничных вод или вод, просочившихся сквозь рудные тела. В XVII в. валлийцы в Англии (графство Уэльс) и в XVIII в. испанцы на месторождении Рио-Тинто применяли такой процесс «выщелачивания» для получения меди из содержащих ее минералов. Эти.древние горняки и не подозревали, что в подобных процессах экстракции металлов активную роль играли бактерии. В настоящее время этот процесс, известный как бактериальное выщелачивание, применяется в широких масштабах во всем мире для извлечения меди из бедных руд, содержащих этот и другие ценные металлы в незначительных количествах. Биологическое выщелачивание применяется также (правда, менее широко) для высвобождения урана. Проведены многочисленные исследования природы организмов, участвующих в процессах выщелачивания металлов, их биохимических свойств и возможностей применения в данной области. Результаты этих исследований показывают, в частности, что бактериальное выщелачивание может широко использоваться в горнодобывающей промышленности и, по всей видимости, сможет полностью удовлетворить потребности в энергосберегающих, не оказывающих вредного влияния на окружающую среду технологиях.
Несколько менее известно, но столь же важно использование микроорганизмов в горнодобывающей промышленности для извлечения металлов из растворов. Некоторые прогрессивные технологии уже включают биологические процессы для получения металлов в растворенном состоянии или в виде твердых частиц «из моечных вод, остающихся от переработки руд. О способности микроорганизмов накапливать металлы известно уже давно, и энтузиасты издавна мечтали об использовании микробов для получения ценных металлов из морской воды. Проведенные исследования рассеяли некоторые надежды и в значительной степени определили области применения микроорганизмов. Извлечение металлов при их участии остается многообещающим способом дешевой обработки загрязненных металлами промышленных стоков, а также экономичного получения ценных металлов.
Давно известно и о способности микроорганизмов синтезировать полимерные соединения; в самом деле, большинство компонентов клетки - это полимеры. Однако на сегодняшний день менее 1% всего количества полимерных материалов производит микробиологическая промышленность; остальные 99% получают из нефти. Пока биотехнология не оказала решающего влияния на технологию полимеров. Возможно, в будущем с помощью микроорганизмов удастся создавать новые материалы специального назначения.
Следует отметить еще один важный аспект применения микроорганизмов в химическом анализе - концентрирование и выделение микроэлементов из разбавленных растворов. Потребляя и усваивая микроэлементы в процессе жизнедеятельности, микроорганизмы могут селективно накапливать некоторые из них в своих клетках, очищая при этом питательные растворы от примесей. Например, плесневые грибы применяют для избирательного осаждения золота из хлоридных растворов.
Современные сферы применения
Микробная биомасса используется как корм скоту. Микробная биомасса некоторых культур используется в виде разнообразных заквасок, которые применяются в пищевой промышленности. Так приготовлении хлеба, пива, вин, спирта, уксуса, кисломолочных продуктов сыров и многих продуктов. Другое важное направление-это использование продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Продукты жизнедеятельности по природе этих веществ и по значимости для продуцента можно разделить на три группы.
1 группа - это крупные молекулы с молекулярной массой. Сюда относятся разнообразные ферменты (липазы и т.д.) и полисахариды. Использование их чрезвычайно широка - от пищевой и текстильной промышленности до нефтедобывающей.
2 группа - это первичные метаноболиты, к которым относится вещества, необходимые для роста и развития самой клетки: аминокислоты, органические кислоты, витамины и другие.
3 группа - вторичные метаноболиты. К ним относится: антибиотики, токсины, алкалоиды, факторы роста и др. Важное направление биотехнологии - использовании микроорганизмов как биотехнических агентов для превращения или трансформации некоторых веществ, очистки вод, почв или воздуха от загрязнителей. Также в добыче нефти микроорганизмы играют важную роль. Традиционным способом из нефтяного пласта извлекается не более 50% нефти. Продукты жизнедеятельности бактерий, накапливая в пласте, способствуют вытеснения нефти и более полному выходу её на поверхность.
Огромная роль микроорганизмов в создании поддержании и сохранении почвенного плодородия. Они принимают в участии в образовании почвенного перегноя - гумуса. Применяются в повышении урожайности сельскохозяйственных культур.
В последние годы началось развиваться ещё одно принципиально новое направление биотехнологии - бесклеточная биотехнология.
Селекция микроорганизмов основана на том, что микроорганизмы приносят огромную пользу в промышленности, в сельском хозяйстве, в животном и растительном мире.
Другие сферы применения
В медицине
Традиционные методы производства вакцин основаны на применении ослабленных или убитых возбудителей. В настоящее время многие новые вакцины (например, для профилактики гриппа, гепатита В) получают методами генной инженерии. Противовирусные вакцины получают, внося в микробную клетку гены вирусных белков, проявляющих наибольшую иммуногенность. При культивировании такие клетки синтезируют большое количество вирусных белков, включаемых впоследствии в состав вакцинных препаратов. Более эффективно производство вирусных белков в культурах клеток животных на основе технологии рекомбинантных ДНК.
В нефтедобыче:
В последние годы получают развитие методы увеличения нефтеотдачи с применением микроорганизмов. Их перспектива связана, в первую очередь, с простотой реализации, минимальной капиталоемкостью и экологической безопасностью. В 1940 - х годах во многих нефтедобывающих странах были начаты исследования по применению микроорганизмов для интенсификации притока в добывающих скважинах и восстановления приемистости нагнетательных скважин.
В пищевой и хим. промышленности:
К наиболее известным промышленным продуктам микробного синтеза относятся: ацетон, спирты (этанол, бутанол, изопропанол, глицерин), органические кислоты (лимонная, уксусная, молочная, глюконовая, итаконовая, пропионовая), ароматизаторы и вещества, усиливающие запахи (глутамат натрия). Спрос на последние постоянно увеличивается из-за тенденции к употреблению малокалорийной и растительной пищи, для придания вкусу и запаху пищи разнообразия. Ароматические вещества растительного происхождения можно производить путём экспрессии генов растений в клетках микроорганизмов.
