Использование биотехнологии в народном хозяйстве

Лекция 8

1.Методы новейшей биотехнологии

2.Микроорганизмы как продуценты веществ, используемых в народном хозяйстве и медицине.

3. Проблема кормового белка и способы её решения. Включение дрожжевых белков и белковых концентратов из бактерий в рацион питания животных.

4. Использование биотехнологии для биодеградации отходов растениеводства и животноводства. Получение биогаза.

1.Методы новейшей биотехнологии

Генетика- наука, изучающая наследственность и изменчивость организмов. Наследственность- способность организмов передавать из поколения в поколение свои признаки. Изменчивость- способность организмов приобретать новые признаки. Наследственность и изменчивость – два противоположных, но взаимосвязанных свойств организма.

Основные понятия: ген, аллели, фенотип и генотип, доминантные и рецессивные признаки и аллели, скрещивание.

Единицей наследственной информации является ген. Ген- участок хромосомы, определяющий развитие у организма одного или нескольких признаков.

Генотип - совокупность всех генов организма.

Фенотип - совокупность всех признаков организма. К ним относятся: морфологические (внешние) признаки (цвет глаз, окраска), биохимические (форма молекулы структурного белка или фермента), гистологические (форма и размер клеток), анатомические и др.

Аллели - различные состояния одного и того же гена, располагающиеся в определенном локусе(участке) гомологичных хромосом и определяющие развитее одного какого- то признака. Гомологичные хромосомы имеются только в клетках, содержащих диплоидный набор хромосом. Их нет в половых клетках эукариот и у прокариот.

Бурное развитие современной биологии и генетики, использующих достижения химии, физики, методы культивирования клеток и тканей животных, растений и микроорганизмов, технологии рекомбинантных ДНК, открыло широкие возможности биотехнологии.

Биотехнология как наука может рассматриваться в двух временных и сущностных измерениях: современном и традиционном, классическом.

В традиционном, классическом смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных нетрансгенных растений, животных и микроорганизмов в естественных и искусственных условиях.

Другими словами, биотехнология – методы и приемы получения полезных для человека продуктов и явлений с помощью живых организмов (бактерий, дрожжей и др.).

Новейшая биотехнология- это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

Основой «новой» биотехнологии является генетическая и клеточная инженерия в сочетании с микробиологическим синтезом и широким использованием методов биохимии, биоорганической химии и биопроцессорной инженерии.

Микробиологический синтез - использование микроорганизмов для получения белков, ферментов, органических кислот, лекарственных препаратов и других веществ. Благодаря селекции удалось вывести микроорганизмы, которые вырабатывают нужные человеку вещества в количествах, в десятки, сотни раз, превышающие потребности самих организмов. С помощью микроорганизмов получают лизин(аминокислоту, не образующуюся в организме животных; ее добавляют в растительную пищу) органические кислоты (уксусную, лимонную, молочную и др.), витамины, антибиотики и т.д..

Клеточная инженерия - выращивание клеток вне организма на специальных питательных средах, где они растут и размножаются, образую культуру ткани. Из клеток животных нельзя вырастить организм, а из растительных можно. Так получают и размножают ценные сорта растений. Клеточная инженерия позволяет проводить гибридизацию (слияние) как половых, так и соматических клеток. Гибридизация половых клеток позволяет проводить оплодотворение «в пробирке» и имплантацию оплодотворенной яйцеклетки в материнский организм. Гибридизация соматических клеток делает возможным создание новых сортов растений, обладающих полезными признаками и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды.

Генная инженерия – искусственная перестройка генома. Позволяет встраивать в геном организма одного вида гены другого вида.

Сегодня биотехнология занимает передний край научно-технического прогресса. Она обещает коренным образом изменить способы решения кардинальных проблем здравоохранения, охраны окружающей среды, многих сфер промышленного производства, обеспечения общества продовольствием. Зарождается космическая биотехнология.

2. Микроорганизмы как продуценты веществ, используемых в народном хозяйстве и медицине.

Рост народонаселения мира обостряет проблему обеспечения людей пищей. Как показывают расчеты, чтобы обеспечить хотя бы минимальные пищевые потребности населения, в ближайшие 20-25лет необходимо удвоить количество продовольствия, резко увеличить производство пищевого белка, доведя его количество хотя бы до 40-50млн тонн в год к началу XXI века.

Из биологических наук прямое отношение к производству имеют микробиология и биохимия, которые непосредственно вовлечены в разработку биотехнологических процессов, основанных на использовании биосинтезирующей способности микроорганизмов.

Уже давно в промышленных условиях осуществляется микробиологический синтез лимонной, щавелевой, глюконовой и других органических кислот, которые используются в пищевой промышленности.

Значительный удельный вес в микробиологической промышленности занимает производство ферментов, которые широко используются в пищевой промышленности с целью улучшения вкуса и аромата пищевых продуктов, а так же для ферментации соевых бобов и другого сырья.

Определенное значение имеет дешевое производство богатого незаменимыми аминокислотами кормового «одноклеточного» белка. Подсчитано, что тонны дрожжей, добавленной в корм кур, достаточно для получения почти 35 тыс. яиц и 1,5 т куриного мяса.

Микробиологическая промышленность производит в больших количествах различные витамины, которые добавляют в различные продукты, а в сочетании с белками добавляют в корма белково-витаминный комплекс для повышения продуктивности животных.

Существует так же микробиологическое производство кормовых антибиотиков, используемых для добавки в корм животным, а так же гибберелинов и энтомопатогенных препаратов, применяемых в растениеводстве для регуляции роста растений и для защиты их от вредителей.

Однако традиционных мер недостаточно для повышения количества и качества пищи, поэтому производство пищи стало важнейшим направлением генетической инженерии. Задачей этого направления является повышение на принципиально новой основе урожайности с.х. растений и, в первую очередь, злаковых культур как источника хлеба, а так же повышение продуктивности с.х. животных как источника мяса и мясопродуктов.

Генная инженерия распространила свои претензии на создание условий для управления такими процессами, как фиксация азота атмосферы, фотосинтез, цветение растений, водный режим, минеральное питание, транспорт веществ и др.

Важной задачей генной инженерии является повышение путей обеспечения растений генами, контролирующими:

- фиксацию азота атмосферы( перенос генов фиксации азота от клубеньковых бактерий, являющихся симбионтами бобовых и способных фиксировать азот атмосферы, к почвенным организмам, обитающим в ризосфере злаковых);

- сроки цветения;

- устойчивость к заморозкам, засухе и другим неблагоприятным факторам.

Ведутся поиски новых способов повышения продуктивности животноводства на основе методов генетической инженерии:

- «конструирование» животных с заданными свойствами путем пересадки генов;

- клонирование животных путем клонирования клеток после разделении эмбрионов и трансплантацией эмбрионов.

Это позволит ускорить разведение животных с высокими хозяйственными качествами, а в ряде случаев позволит сохранить ценный генофонд, т.к. эмбрионы можно консервировать замораживанием и хранить неопределенно долгий срок.

Генетическая инженерия и медицина

Генная инженерия оказалась очень перспективной для медицины. Прежде всего, создание новых технологий получения физиологически активных белков, используемых в качестве лекарств (инсулин, интерфероны и др.). Инсулин используется для лечения больных диабетом, который стоит на третьем месте по частоте вызываемых смертных случаев.

Интерфероны - белки, синтезируемые клетками главным образом на заражение организма вирусами.

Усилилось влияние генной инженерии на технологию тех лекарственных веществ, которые уже давно создаются по биологической технологии. Еще в 40-50 годы была создана биологическая промышленность для производства антибиотиков. Однако в последние годы отмечается рост лекарственной устойчивости бактерий, особенно к антибиотикам. Единственный пока путь преодоления резистентности бактерий к антибиотикам - это поиск новых антибиотиков.

Развивается иммунная биотехнология, которая связана с производством вакцин нового поколения для профилактики инфекционных заболеваний человека и животных. Это вакцины против гепатита людей, ящура животных и др.

Особое значение приобрела задача разработки генно-инженерных методов радикального лечения наследственных болезней.

Среди веществ, получаемым биотехнологическими методами и широко используемых в медицине, известны многочисленные стероиды, обладающие противовоспалительным действием, половые гормоны, витамины и ферменты.

Получение кормовых белков.

Белки являются обязательными компонентами клеток любого живого организма, выполняющими жизненно важные функции: каталитические, регуляторные, транспортные, биоэнергетические, защитные от инфекций и других стрессовых факторов, структурные, запасные и др. В вегетативной массе растений на долю белков приходится 5-15% сухого вещества, в зерне злаков 8-18%, семенах масличных растений-16-28%, зерне зернобобовых 20-40% .В различных тканях организма человека и животных содержание белка обычно от 20-80% сухой массы.

Растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все входящие в их состав аминокислоты из простых веществ - углекислоты, воды и минеральных солей, тогда как в организме человека и животных некоторые аминокислоты не могут синтезироваться, и должны поступать в организм в готовом виде как компоненты пищи. Такие аминокислоты принято называть незаменимыми, к ним относятся валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Отсутствие в пище хотя бы одной незаменимой аминокислоты приводит к тяжелым заболеваниям человека, а недостаток их в кормах снижает продуктивность с.х. животных.

Главным источником незаменимых аминокислот для человека являются белки животного или растительного происхождения, входящие в состав пищи, а для с.х. животных - главным образом растительные белки. Поступающие с пищей или кормом белковые вещества под действием ферментов желудочного сока гидролизуются до аминокислот, которые затем используются для образования белковых молекул человеческого или животного организма.

Все незаменимые аминокислоты должны содержаться в белках пищи в определенных соотношениях, отвечающих потребностям данного организма. Если хотя бы одна аминокислота оказывается в недостатке, то другие аминокислоты , оказавшиеся в избытке, не будут использоваться для синтеза белков. В таких условиях для обеспечения дальнейшего синтеза белковых веществ и поддержания жизнедеятельности организма потребуется дополнительное количество кормового белка, вследствие чего увеличится расходование пищи или корма. Последнее очень важно учитывать в животноводстве, т.к. несбалансированность кормовых белков по содержанию незаменимых аминокислот приводит к значительному перерасходу кормов и существенному и повышению себестоимости животноводческой продукции. Для предотвращения перерасхода кормов необходимо контролировать, с одной стороны, сбалансированность белков корма по содержанию незаменимых аминокислот, а с другой стороны, количество белка в корме.

В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей от 60 до 120г полноценного белка. Для правильного кормления с.х. животных необходимо, что бы в их кормовом рационе в расчете на каждую кормовую единицу содержалось 100-120г хорошо перевариваемого и полноценного белка.

Если содержание белков в растительной массе, используемой для кормления с.х. животных ниже, чем требуется по нормам, то во избежании перерасхода кормов и повышения себестоимости животноводческой продукции количества белка в корме балансируют путем добавления белковых концентратов. По такому же принципу контролируют содержание в кормовом белке незаменимых аминокислот.

Дешевым источником кормового и пищевого белка является соя, белки которой хорошо сбалансированы по аминокислотному составу и их содержание в семенах достигает 35-40%. Однако большой удельный вес в структуре кормопроизводства нашей страны составляют зерновые культуры. Для балансирования кормов, включающих в качестве основного компонента зерно злаковых культур, по белку и незаменимым аминокислотам применяются концентрированные кормовые добавки- комбикорма.

Для приготовления комбикормов обычно используют мясо- костную или рыбную муку, отходы мясной и молочной промышленности, жмыхи масличных растений, отруби. Учитывая, что рыбная и костная мука, другие белковые отходы животного происхождения во всё большем объеме направляются на получение пищевых белков, требуется их полноценный заменитель, способный сбалансировать недостаток белков и незаменимых аминокислот не только в зерновой части кормового рациона, но и в растительных компонентах комбикормов

Установлено, что высокой интенсивностью синтеза белков отличаются многие микроорганизмы, причем белки микробных клеток имеют повышенное содержание незаменимых аминокислот. Содержание белков в микроорганизмах достигает 60% сухой массы. Наряду с белками в микробных клетках образуются и другие ценные в питательном отношении вещества: легкоусвояемые углеводы, липиды с повышенным содержанием ненасыщенных жирных кислот, витамины, макро - и микроэлементы.

При использовании микроорганизмов на ограниченной площади можно организовать промышленное производство и получать большое количество кормовых концентратов в любое время года, причем микробные клетки способы синтезировать белки из отходов сельского хозяйства и промышленности и, таким образом, позволяют одновременно решать другую важную проблему – утилизацию этих отходов в целях охраны окружающей среды.

Микроорганизмы имеют еще одно ценное преимущество – способность очень быстро наращивать белковую массу. Например, растения сои массой 500 кг в фазе созревания семян способны в сутки синтезировать 40 кг белков, бык какой же массы – 0,5-1,5кг, а дрожжевые клетки массой 500 кг до 1,5т белков. В качестве источников кормового белка наиболее часто используют различные виды дрожжей и бактерий, микроскопические грибы, одноклеточные водоросли, белковые коагуляты травянистых растений.

Кормовые дрожжи

В качестве исходного сырья при получении кормового белка обычно используются отходы целлюлозной и деревообрабатывающей промышленности, солома, хлопковая шелуха, корзинки подсолнечника, льняная костра, стержни кукурузных початков, свекловичная меласса, картофельная мезга, виноградные выжимки, барда спиртовых производств, отходы кондитерской и молочной промышленности.

В России и некоторых нефтедобывающих странах разработаны технологии получения кормовых дрожжей из н-парафинов нефти. В нашей стране первый завод по производству кормовых дрожжей из жидких парафинов нефти вступил в действие в 1971 г.

Хороший субстрат для выращивания кормовых дрожжей – молочная сыворотка, являющаяся производственным отходом при переработке молока.

Наряду с использованием дрожжевых белков в качестве кормовой добавки при балансировании рационов с.х. животных ставится задача сделать эти белки пригодными для питания человека.

При переработки в пищевой белок биомассу дрожжей очищают. Очищенные диализом белки используют в качестве добавок в различные пищевые продукты: сосиски, студни, мясные и кондитерские начинки.

Белки дрожжей находят так же применение при получении искусственного мяса.

Белковые концентраты из бактерий

Важное значение для кормопроизводства имеют также бактериальные белковые концентраты с содержанием сырого белка 60-80% от сырой массы. Бактерии способны наращивать биомассу в несколько раз быстрее дрожжевых клеток и в белке бактерий содержится значительно больше серосодержащих аминокислот, в следствии чего он имеет боле высокую биологическую ценность, по сравнению с белком дрожжей. Источником углерода для бактерий могут служить различные газообразные продукты (природный и попутный газ, конденсат и др.), низшие спирты (Метанол и этанол), водород.

Обычно кормовой белок бактериального происхождения добавляют в комбикорма в количестве 2,5-7,5% от белка рациона, при кормлении взрослых свиней- до 15% Основное препятствие, которое не позволяет его использовать в большей концентрации – повышенное содержание нуклеиновых кислот( 10-25%).

Обострение экологических проблем, истощение запасов невозобновляемых энергоресурсов, рост цен на них, обусловили глобальный интерес к разработке и использованию технологии биоконсервации органических отходов для получения тепловой и других видов энергии.

Известно, что животные плохо усваивают энергию кормов и более половины её уходит в навоз, который прежде всего является ценным видом органического удобрения. Вместе с тем он может быть использован в качестве возобновляемого источника энергии. Концентрация животных на крупных фермах и комплексах обусловила увеличение объема навоза и навозных стоков, которые должны утилизироваться, не загрязняя окружающую среду. Одним из путей рациональной утилизации навоза и навозных стоков является их анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезвреживание навоза и сохранение его как важнейшего органического удобрения при одновременном получении биогаза.

В ряде стран мира в качестве сырья для получения биогаза используют городские, сельские и промышленные отходы, что способствует охране окружающей среде. Интересен в этом отношении опыт Японии, ученые которой на базе городской токийской свалки, содержащей 12 млн. тонн мусора, путем микробиологического брожения получают газ, являющийся топливом для электростанции мощностью 716 квт. Выхлопной газ с турбин поступает в систему отопления, отходы брожения перерабатывают в удобрения, обеспечивая таким образом полную безопасность технологии. Подобные приемы широко используют в Индии, Китае, странах Африки, а также в личных хозяйствах.

Однако, первый опыт относится к 1895 году, когда в английском городе Экзетер был введен в эксплуатацию так называемый септиктенк для очистки коммунальных отходов. Помимо чисто санитарных задач, эта установка обеспечивала получение биогаза, который использовался для освещения улиц.

Утилизация органических отходов на животноводческих объектах обеспечивает высокую степень обеззараживания, получение в кратчайший срок минерализованных органических удобрений и выработку биогаза.

Анаэробное сбраживание навоза с получением биогаза осуществляется в специальных биогазовых установках.

Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанобразующих бактерий превращаются в газообразные продукты – метан и углекислоту. Степень разложения органического вещества при анаэробном сбраживании навоза составляет 25-45%. В состав биогаза входят: СН4 (55-070%); СО2 (27-44%); Н2 (1%), где % - объемная доля.

Биогаз успешно применяют как топливо. Его можно сжигать в горелках отопительных установок, газовых плит, использовать в холодильных установках, в инфракрасных излучателях, в автотракторных двигателях, в газовом цикле Отто и газодизельном цикле. Карбюраторные двигатели легко переводятся на газ. Достаточно заменить карбюратор на смеситель.

При производстве энергии из биогаза в электрический ток преобразуется 30% его энергоресурса, остальная часть – отбросная теплота. Ее можно использовать при нагревании воды для бытовых нужд и содержания скота, отопления жилых помещений и теплиц, подогрева воздуха для сушилок, а также при регулировании микроклиматав животноводческих помещениях и нагрева навоза до нужной температуры брожения в биогазовых реакторах. Кроме того, метановое брожение навоза обеспечивают его дезодорацию, дегильминтацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую для растений форму. При этом питательные вещества – азот, фосфор, калий – практически не теряются. Потери азота, которые при других методах обработки навоза составляют до 30%, в процессе метаногенеза не превышают 5%. При этом значительная часть азота, присутствующего в свежем навозе в форме органических соединений, в сброженном содрежатся в аммиачной форме, которая быстро усваивается растениями. Навоз после анаэробной обработки является дозодорированным, биологически стабилизированным, не привлекает насекомых.

При высоких ценах на энергию перспективной становится малоэнергоемкая анаэробная биологическая очистка с положительным выходом энергии в виде биогаза. Анаэробную очистку навоза следует рассматривать не только как дополнительный источник энергии, но и как энергосберегающую технологию.

В связи в неизбежным истощением мировых запасов природных энергоносителей исключительное значение приобрело создание индустрии, связанной с использованием растительного сырья для получения моторного топлива. В обозримом будущем, вероятно, будут найдены заменители нефтепродуктов. Предполагается, что бензин будет полностью заменен этиловым спиртом. Поэтому идут поиски микроорганизмов, пригодных для создания более эффективной технологии получения дешевого этилового спирта из растительного сырья на основе ферментации. Дешевый этиловый спирт необходим так же для производства растворителей, красок, смазывающих и клеящих материалов, смол для синтетических волокон, лекарственных веществ и т.д.

Под энергетическим спиртом понимается этанол, получаемый при спиртовом брожении сахаридных субстратов. В последние годы в мире было произведено 70 млн. галлонов этанола путем брожения, что обеспечило экономию в 2% от современного потребления нефти.

С самого начала освоения космического пространства микробиологические приемы биотехнологии были использованы учеными различных стран. Так разработаны биотехнологические модели, в которых микроорганизмы генерируют искусственную атмосферу внутри космических кораблей и перерабатывают отходы.

Использование биотехнологии в народном хозяйстве