Tiek izmantoti mikroorganismi. Mikroorganismu loma dabā un lauksaimniecībā. Fermentācijas atkritumu pārstrāde un iznīcināšana
Nosūtiet savu labo darbu zināšanu bāzē ir vienkārši. Izmantojiet zemāk esošo veidlapu
Studenti, maģistranti, jaunie zinātnieki, kuri izmanto zināšanu bāzi savās studijās un darbā, būs jums ļoti pateicīgi.
Ievietots vietnē http://www.allbest.ru
Ievads
Ģenētikas un gēnu inženierijas sasniegumi ir pamats biotehnoloģijas attīstībai - zinātnei, kas radās bioloģijas un tehnoloģiju krustpunktā. Mūsdienu biotehnoloģija balstās uz dabaszinātņu, inženierzinātņu, tehnoloģiju, bioķīmijas, mikrobioloģijas, molekulārās bioloģijas un ģenētikas sasniegumiem. Mūsdienu biotehnoloģija izmanto bioloģiskas metodes cīņā pret vides piesārņojumu un augu un dzīvnieku organismu kaitēkļiem. Biotehnoloģijas sasniegumi ietver arī imobilizētu enzīmu izmantošanu, sintētisko vakcīnu ražošanu un šūnu tehnoloģiju izmantošanu selekcijā.
Baktērijām, sēnītēm, aļģēm, ķērpjiem, vīrusiem un vienšūņiem ir nozīmīga loma cilvēka dzīvē. Kopš seniem laikiem cilvēki tos izmantojuši maizes cepšanas procesos, vīna un alus darīšanā un dažādās nozarēs. Šobrīd vērtīgo proteīna vielu iegūšanas, augsnes auglības paaugstināšanas, vides attīrīšanas no piesārņotājiem, bioloģisko produktu iegūšanas un citiem mērķiem un uzdevumiem problēmām ir būtiski paplašinājies mikroorganismu izpētes un izmantošanas klāsts.
Biotehnoloģiskā procesa galvenā saite ir bioloģisks objekts, kas spēj veikt noteiktu izejvielu modifikāciju un veidot vienu vai otru nepieciešamo produktu. Šādi biotehnoloģijas objekti var ietvert mikroorganismu, dzīvnieku un augu šūnas, transgēnus dzīvniekus un augus, sēnītes, kā arī daudzkomponentu šūnu un atsevišķu fermentu enzīmu sistēmas. Mūsdienu biotehnoloģiskās ražošanas pamats ir mikrobu sintēze, t.i., dažādu bioloģiski aktīvo vielu sintēze ar mikroorganismu palīdzību. Diemžēl augu un dzīvnieku izcelsmes objekti vairāku iemeslu dēļ vēl nav tikuši tik plaši izmantoti. Tāpēc nākotnē mikroorganismus vēlams uzskatīt par galvenajiem biotehnoloģijas objektiem.
Šobrīd ir zināmi vairāk nekā 100 tūkstoši dažādu veidu mikroorganismu. Tās galvenokārt ir baktērijas, aktinomicīti un zilaļģes. Pie tik plašas mikroorganismu daudzveidības ļoti svarīga un bieži vien sarežģīta problēma ir pareizi izvēlēties tieši tādu organismu, kas spēj nodrošināt nepieciešamo produktu, t.i. kalpo rūpnieciskiem mērķiem.
1. Mikroorganismi kā galvenie biotehnoloģijas objekti
Pašlaik mikroorganismi palīdz cilvēkiem ražot efektīvu uzturvielu proteīnu un biogāzi. Tos izmanto, pielietojot gaisa un notekūdeņu attīrīšanas biotehniskās metodes, izmantojot bioloģiskās metodes lauksaimniecības kaitēkļu iznīcināšanai, iegūstot ārstnieciskās zāles un iznīcinot atkritumus. Dažus baktēriju veidus izmanto vērtīgu metabolītu un medikamentu atjaunošanai, bioloģiskās pašregulācijas un biosintēzes problēmu risināšanai un ūdenstilpju attīrīšanai. Mikroorganismi un galvenokārt baktērijas ir klasisks objekts vispārīgu ģenētikas, bioķīmijas, biofizikas un kosmosa bioloģijas problēmu risināšanai. Baktērijas tiek plaši izmantotas, lai atrisinātu daudzas biotehnoloģijas problēmas.
Mikrobioloģiskās reakcijas to augstās specifikas dēļ tiek plaši izmantotas bioloģiski aktīvo dabas savienojumu ķīmisko pārveidojumu procesos. Ir aptuveni 20 veidu ķīmiskās reakcijas, kuras veic mikroorganismi. Daudzas no tām (hidrolīze, reducēšana, oksidēšana, sintēze utt.) tiek veiksmīgi izmantotas farmaceitiskajā ķīmijā. Veicot šīs reakcijas, tiek izmantotas dažāda veida baktērijas, aktinomicīti, rauga sēnītes un citi mikroorganismi.
Mikroorganismu rūpnieciskā izmantošana jaunu pārtikas produktu iegūšanai veicināja tādu nozaru izveidi kā maizes un piena rūpniecība, antibiotiku, vitamīnu, aminoskābju, spirtu, organisko skābju u.c.
Mikroorganismu loma biotehnoloģijā.
1. Vienšūnas organismiem, kā likums, ir raksturīgi augstāki augšanas un sintētisko procesu tempi nekā augstākiem organismiem. Tomēr tas nav raksturīgs visiem mikroorganismiem. Daži no tiem aug ārkārtīgi lēni, bet ir īpaši interesanti, jo spēj radīt dažādas ļoti vērtīgas vielas.
2. Īpaši interesanti kā biotehnoloģijas attīstības objekti ir fotosintētiski mikroorganismi, kas savās dzīves aktivitātēs izmanto saules gaismas enerģiju. Dažas no tām (cianobaktērijas un fotosintētiskie eikarioti) izmanto CO2 kā oglekļa avotu, un daži zilaļģu pārstāvji papildus visam iepriekšminētajam spēj asimilēt atmosfēras slāpekli (t.i., tie ir ārkārtīgi nepretenciozi barības vielām). Fotosintētiskie mikroorganismi ir daudzsološi kā amonjaka, ūdeņraža, olbaltumvielu un vairāku organisko savienojumu ražotāji. Tomēr to izmantošanas progress, ņemot vērā ierobežotās fundamentālās zināšanas par to ģenētisko organizāciju un dzīvības molekulāri bioloģiskajiem mehānismiem, acīmredzot nav gaidāms tuvākajā nākotnē.
3. Zināma uzmanība tiek pievērsta tādiem biotehnoloģijas objektiem kā termofīlie mikroorganismi, kas aug 60-80°C temperatūrā.
Šī īpašība ir gandrīz nepārvarams šķērslis svešas mikrofloras attīstībai salīdzinoši nesterilās audzēšanas laikā, t.i. nodrošina drošu aizsardzību pret piesārņojumu. Starp termofiliem tika atrasti spirtu, aminoskābju, fermentu un molekulārā ūdeņraža ražotāji. Turklāt to augšanas ātrums un vielmaiņas aktivitāte ir 1,5-2 reizes augstāka nekā mezofiliem. Termofilu sintezētajiem fermentiem ir raksturīga paaugstināta izturība pret karstumu, dažiem oksidētājiem, mazgāšanas līdzekļiem, organiskajiem šķīdinātājiem un citiem nelabvēlīgiem faktoriem. Tajā pašā laikā tie ir maz aktīvi parastā temperatūrā. Tātad viena no termofīlo mikroorganismu pārstāvju proteāzes 20°C ir 100 reižu mazāk aktīvas nekā 75°C. Pēdējais ir ļoti svarīgs īpašums daļai rūpnieciskās ražošanas. Piemēram, termofīlās baktērijas Thermus aquaticus ferments Tag polimerāze ir atradis plašu pielietojumu gēnu inženierijā.
2. Mikroorganismi farmācijā
Ir izveidota biotehnoloģiskā nozare, lai ražotu antibiotikas, fermentus, interferonu, organiskās skābes un citus metabolītus, kuru ražotāji ir daudzi mikroorganismi.
Farmācijā mikrobioloģiskās pārvērtības izmanto, lai iegūtu fizioloģiski aktīvākas vielas vai pusfabrikātus, kuru sintēze ar tīri ķīmiskiem līdzekļiem tiek panākta ar lielām grūtībām vai nav iespējama vispār. Mikrobioloģiskās reakcijas izmanto, lai pētītu zāļu metabolismu, to darbības mehānismu, kā arī noteiktu fermentu raksturu un darbību. Daudzi vienšūņi ir bioloģiski aktīvo vielu ražotāji. Jo īpaši atgremotāju spureklī dzīvojošie vienšūņi ražo fermentu celulozi, kas veicina šķiedrvielu sadalīšanos. Vienšūņi ir ne tikai fermentu, bet arī histonu, serotonīna, lipopolisaharīdu, lipopolipeptidoglikānu, aminoskābju, metabolītu, ko izmanto medicīnā un veterinārmedicīnā, pārtikas un tekstilrūpniecībā, ražotāji. Tie ir viens no biotehnoloģijā izmantotajiem objektiem.
3. Mikroorganismi pārtikas rūpniecībā
Aspergillus oryzae fermentu preparātus izmanto alus rūpniecībā, bet A. niger fermentus izmanto augļu sulu un citronskābes ražošanā un dzidrināšanā. Maizes izstrādājumu cepšana tiek uzlabota, izmantojot A.oryzae un A.awamori enzīmus. Baktēriju fermentus (Bac.subtilis) izmanto, lai saglabātu konditorejas izstrādājumu svaigumu un kur nav vēlama proteīna vielu dziļa sadalīšanās. Bac.subtilis fermentu preparātu izmantošana konditorejas izstrādājumu un maizes izstrādājumu ražošanā palīdz uzlabot produktu kvalitāti un palēnināt rūsēšanas procesu.
Mikroorganismus plaši izmanto pārtikas un fermentācijas rūpniecībā. Piena raugs tiek plaši izmantots piena rūpniecībā. Ar viņu palīdzību tiek pagatavots kumys un kefīrs. Šo mikroorganismu fermenti sadala piena cukuru spirtā un oglekļa dioksīdā, kā rezultātā uzlabojas produkta garša un palielinās tā sagremojamība organismā. Ražojot pienskābes produktus piena rūpniecībā, plaši tiek izmantots raugs, kas neraudzē piena cukuru un nesadala olbaltumvielas un taukus. Tie palīdz saglabāt eļļu un palielina pienskābes baktēriju dzīvotspēju. Plēvveida raugs (mikoderma) veicina pienskābes sieru nogatavināšanu. Sēnes Penicillum roqueforti izmanto Rokforas siera ražošanā, bet Penicillum camemberi sēnes izmanto uzkodu siera nogatavināšanas procesā.
Daudzus mikroorganismus, tostarp raugam līdzīgus un dažus mikroskopisko sēņu veidus, jau sen izmanto dažādu substrātu pārveidošanā, lai ražotu dažāda veida pārtikas produktus. Piemēram, rauga izmantošana porainas maizes ražošanai no miltiem, Rhisopus, Aspergillus ģints sēņu izmantošana rīsu un sojas pupiņu raudzēšanai, pienskābes produktu ražošana, izmantojot pienskābes baktērijas, raugu u.c.
Īsto pienskābes baktēriju (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis u.c.) vai to kombināciju ar raugu izmantošana pārtikas rūpniecībā ļauj iegūt ne tikai pienskābi, bet arī pienskābi un skābos augu valsts produktus. Tajos ietilpst jogurts, matsoni, raudzēts ceptais piens, skābais krējums, biezpiens, skābēti kāposti, marinēti gurķi un tomāti, sieri, kefīrs, skābmaizes mīkla, maizes kvass, kumiss un citi produkti. Jogurta un biezpiena pagatavošanai izmanto Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum. Gatavojot eļļu, tiek izmantotas aromatizējošās baktērijas un pienskābes streptokoki Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.
4. Mikroorganismi lauksaimniecībā
Lauksaimniecība izmanto mēslojumu un pesticīdus. Nokļūstot dabiskos apstākļos, šīs vielas negatīvi ietekmē dabiskās attiecības biocenozēs, un galu galā barības ķēdē šīs vielas negatīvi ietekmē cilvēka veselību. Aerobiem un anaerobiem mikroorganismiem ir pozitīva loma šo vielu iznīcināšanā ūdenī.
Lauksaimniecībā tiek izmantota augu bioloģiskā aizsardzība pret kaitēkļiem. Šim nolūkam tiek izmantoti dažādi organismi – baktērijas, sēnītes, vīrusi, vienšūņi, putni, zīdītāji un citi organismi.
5. Citas mikroorganismu īpašības biotehnoloģijā
Mikroorganismus var izmantot arī ogļu ieguvē no rūdām. Litotrofās baktērijas (Thiobacillus ferrooxidous) oksidē dzelzs sulfātu par dzelzs sulfātu. Savukārt dzelzs sulfāts oksidē četrvērtīgo urānu, kā rezultātā urāns izgulsnējas šķīdumā sulfātu kompleksu veidā. Urānu no šķīduma ekstrahē, izmantojot hidrometalurģiju. Papildus urānam no šķīdumiem var izskalot arī citus metālus, tostarp zeltu. Metālu baktēriju izskalošanās rūdas sastāvā esošo sulfīdu oksidēšanās dēļ ļauj iegūt metālus no slikti sabalansētām rūdām.
Ļoti izdevīgs un energoefektīvs veids, kā organiskās vielas pārvērst degvielā, ir metanoģenēze, piedaloties daudzkomponentu mikrobu sistēmai. Metānu veidojošās baktērijas kopā ar acetonogēno mikrofloru pārvērš organiskās vielas metāna un oglekļa dioksīda maisījumā.
Mikroorganismus var izmantot ne tikai gāzveida degvielas ražošanai, bet arī naftas ieguves palielināšanai. Mikroorganismi var veidot virsmaktīvās vielas, kas samazina virsmas spraigumu saskarē starp eļļu un ūdeni, kas to izspiež. Ūdens izspiežošās īpašības palielinās, palielinoties viskozitātei, kas tiek panākta, izmantojot baktēriju gļotas, kas sastāv no polisaharīdiem. Ar esošajām naftas atradņu attīstības metodēm tiek atgūta ne vairāk kā puse no naftas ģeoloģiskajiem krājumiem. Ar mikroorganismu palīdzību ir iespējams izskalot eļļu no veidojumiem un atbrīvot to no bitumena slānekļa. Eļļas slānī ievietotās metānu oksidējošās baktērijas sadala eļļu un veicina gāzu (metāna, ūdeņraža, slāpekļa) un oglekļa dioksīda veidošanos. Gāzēm uzkrājoties, palielinās to spiediens uz eļļu un turklāt eļļa kļūst mazāk viskoza. Rezultātā eļļa no akas sāk izplūst kā no strūklakas.
Jāatceras, ka mikroorganismu izmantošanai jebkuros apstākļos, arī ģeoloģiskos, ir jārada labvēlīgi apstākļi sarežģītai mikrobu sistēmai.
Pārmērīga antropogēno vielu ievadīšana izraisa izveidotā dabiskā līdzsvara traucējumus. Rūpniecības attīstības sākumposmā pietika ar piesārņojošo vielu izkliedēšanu ūdenstecēs, no kurām tie tika izvadīti dabiskā pašattīrīšanās ceļā. Gāzveida vielas tika izkliedētas gaisā pa augstām caurulēm. Šobrīd atkritumu izvešana ir kļuvusi par ļoti nopietnu problēmu.
Attīrīšanas sistēmās, attīrot ūdeni no organiskām vielām, tiek izmantota bioloģiska metode, izmantojot jauktas mikrofloras (aerobās baktērijas, aļģes, vienšūņi, bakteriofāgi, sēnes), aktīvo dūņu, bioplēves un oksidējošo ienākošo vielu sistēmu. Mikrobu maisījuma pārstāvji veicina dabisko ūdens attīrīšanas procesu intensificēšanu. Taču jāatceras, ka mikrobu kopienas ilgtspējīgas funkcionēšanas nosacījums ir vides sastāva noturība.
Viens no biotehnoloģijas uzdevumiem ir tehnoloģiju izstrāde proteīnu iegūšanai, izmantojot mikroorganismus no dažāda veida augu substrātiem, no metāna un attīrīta ūdeņraža, no ūdeņraža un oglekļa monoksīda maisījuma, no smagajiem naftas ogļūdeņražiem, izmantojot metilotrofos raugus vai baktērijas, Candida tropicalis. , metānu oksidējošās un celulozi noārdošās baktērijas un citi mikrobi.
Mikroskopisko sēņu sugu aktīvo celmu izmantošana veicina olbaltumvielu un aminoskābju bagātināšanu barībā, piemēram, barībā, mīkstumā un klijās. Šim nolūkam tiek izmantotas atlasītas netoksiskas ātri augošas termo- un mezofīlo mikromicītu sugas Fusarium sp., Thirlavia sp., kā arī daži augstāko sēņu veidi.
6. Biotehnoloģisko objektu atlase
mikrobioloģiskā metanoģenēze organiskā
Neatņemama sastāvdaļa vērtīgāko un aktīvāko ražotāju radīšanas procesā, t.i. Izvēloties objektus biotehnoloģijā, to izvēle ir svarīga. Galvenais atlases veids ir apzināta genomu projektēšana katrā vēlamā ražotāja atlases posmā. Šo situāciju ne vienmēr varēja realizēt, jo trūkst efektīvu metožu atlasīto organismu genomu maiņai. Mikrobu tehnoloģiju attīstībā nozīmīga loma ir bijusi metodēm, kuru pamatā ir spontāni radušos modificēto variantu atlase, ko raksturo vēlamās derīgās īpašības. Ar šādām metodēm parasti tiek izmantota pakāpeniskā selekcija: katrā selekcijas posmā no mikroorganismu populācijas tiek atlasīti aktīvākie varianti (spontānie mutanti), no kuriem nākamajā posmā tiek atlasīti jauni, efektīvāki celmi utt. Neskatoties uz šīs metodes acīmredzamajiem ierobežojumiem, kas ietver zemu mutantu sastopamības biežumu, ir pāragri uzskatīt, ka tās iespējas ir pilnībā izsmeltas.
Karotīna rūpnieciskajā ražošanā tiek izmantoti izvēlēti dabiskās hipersintētiskās karotīna sēnes Blakeslee trispora celmi, kas ir svarīgi dzīvnieku augšanas un attīstības procesos, palielinot to izturību pret slimībām. Atsevišķi Trichoderma viride celmi tiek izmantoti uz tiem balstīta zāļu trihodermīna rūpnieciskajā ražošanā, lai apkarotu fitopatogēnas sēnītes, īpaši, audzējot augus siltumnīcas apstākļos (gurķu fusarium, puķu augu slimības). No Baccilus megathrtium iegūtais fosfobakterīns ir efektīvs līdzeklis lopbarības biešu, kāpostu, kartupeļu un kukurūzas ražas palielināšanai. Šīs zāles ietekmē palielinās šķīstošā fosfora saturs rizosfēras augsnē, kā arī fosfora un slāpekļa saturs zaļajā masā.
Ievietots vietnē Allbest.ru
Līdzīgi dokumenti
Bioloģisko procesu rūpnieciskā izmantošana, pamatojoties uz mikroorganismiem, šūnu kultūru, audiem un to daļām. Biotehnoloģijas rašanās vēsture un attīstības posmi. Galvenie virzieni, uzdevumi un metodes: klonēšana, gēnu un šūnu inženierija.
prezentācija, pievienota 22.10.2016
Mūsdienu biotehnoloģijas galvenie uzdevumi, sadaļas un virzieni. Cilvēkam nepieciešamo produktu un bioloģiski aktīvo savienojumu ražošana, izmantojot dzīvos organismus. Ģenētiskās, šūnu un bioloģiskās inženierijas studijas. Biotehnoloģijas objekti.
prezentācija, pievienota 03.06.2014
Ogļūdeņražu oksidējošo mikroorganismu izmantošanas iezīmes vides problēmu risināšanā. Mūsdienīgas metodes cīņai pret ūdens un augsnes piesārņojumu ar naftas produktiem. Transformācijas, ko veic sēnīšu un aktinomicītu sporas. Kooksidācija un kometabolisms.
kursa darbs, pievienots 01.02.2012
Mikroorganismi ir sīki organismi, kurus var redzēt tikai mikroskopā. Gēnu rekombinācijas metodes. Mikroorganismu atlases mehānisms. Tehnoloģija mākslīgai gēna sintezēšanai un ievadīšanai baktēriju genomā. Biotehnoloģijas pielietošanas nozares.
prezentācija, pievienota 22.01.2012
Aļģes kā baktēriju mēslojuma sastāvdaļas un kā bioloģiskie indikatori. Tajos esošie vitamīni. Aļģu izmantošana notekūdeņu bioloģiskai attīrīšanai. To izmantošana kā pārtikas piedevas. Biodegvielas ražošana no aļģēm.
prezentācija, pievienota 02.02.2017
Halofīlo mikroorganismu fizioloģiskās un bioķīmiskās īpašības. Halofīlie mikroorganismi un to izmantošana rūpniecībā. Halofilo mikroorganismu izolēšana no ūdens paraugiem no Mramornoe ezera un to skaita noteikšana. Pētījuma rezultāti.
kursa darbs, pievienots 06.05.2009
Dažādu vides faktoru ietekmes uz mikroorganismiem būtība un novērtējums: fizikālā, ķīmiskā un mikrobioloģiskā. Mikroorganismu nozīme siera gatavošanā, attiecīgo procesu attīstība galaprodukta ražošanā, nogatavināšanas stadijas.
abstrakts, pievienots 22.06.2014
Baktēriju, aktinomicītu, rauga un pelējuma pavairošanas metožu apskats. Starojuma enerģijas un antiseptisku līdzekļu ietekme uz mikroorganismu attīstību. Pārtikas produktu nozīme pārtikas izraisītu slimību rašanās gadījumā, infekcijas avoti, profilakses pasākumi.
tests, pievienots 24.01.2012
Gatavo zāļu formu mikroflora. Sanitārās un bakterioloģiskās izmeklēšanas objekti aptiekās. Augu zāļu izejvielu mikrobu piesārņojuma noteikšana. Zāļu mikrobu piesārņojums. Patogēno mikroorganismu noteikšana.
prezentācija, pievienota 03.06.2016
Pētījums par dažu mikroorganismu spēju iznīcināt dažādas ķīmiskas dabas taukvielas. Vietējo mikroorganismu morfoloģisko, kultūras un fizioloģisko īpašību izpēte, to destruktīvās aktivitātes analīze un pazīmes.
No vairāk nekā 100 tūkstošiem zināmo mikroorganismu rūpniecībā tiek izmantoti tikai daži simti sugu, jo rūpnieciskajam celmam ir jāatbilst vairākām stingrām prasībām:
1) augt uz lētiem substrātiem;
2) ar augstu augšanas ātrumu vai dod augstu produkta ražu īsā laikā;
3) uzrāda sintētisku aktivitāti pret vēlamo produktu; blakusproduktu veidošanai jābūt mazai;
4) jābūt stabilai produktivitātes un audzēšanas apstākļu prasību ziņā;
5) jābūt izturīgam pret fāgu un cita veida infekcijām;
6) būt nekaitīgiem cilvēkiem un videi;
7) ir vēlami termofīli, acidofīli (vai alkofīli) celmi, jo ar tiem ir vieglāk saglabāt sterilitāti ražošanā;
8) interesē anaerobie celmi, jo aerobie celmi rada grūtības kultivēšanas laikā - tiem nepieciešama aerācija;
9) ražotajam produktam jābūt ar ekonomisku vērtību un viegli atšķiramam.
Praksē tiek izmantoti četru mikroorganismu grupu celmi:
- raugs;
– pavedienveida sēnes (pelējums);
- baktērijas;
- ascomycetes.
Terminam "raugs" tiešā nozīmē nav taksonomiskas nozīmes. Tie ir vienšūnu eikarioti, kas pieder trīs klasēm: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.
Ascomycetes, pirmkārt, ietver Saccharomyces cerevisiae, kuras dažus celmus izmanto alus darīšanā, vīna darīšanā, maizes un etilspirta ražošanā.
Ascomycetes Saccharomyces lipolytica noārda eļļas ogļūdeņražus un tiek izmantotas olbaltumvielu masas iegūšanai.
Deuteromycete Candida utilis tiek izmantots kā olbaltumvielu un vitamīnu avots, un to audzē no nepārtikas izejvielām: sulfīta šķidrumiem, koksnes hidrolizātiem un šķidriem ogļūdeņražiem.
Deuteromicete Trichosporon cutaneum oksidē daudzus organiskos savienojumus, tostarp toksiskos (piemēram, fenolu), un to izmanto notekūdeņu attīrīšanā.
Filamento sēņu izmantošana:
– organisko skābju ražošanā: citronskābe (Aspergillus niger), glikonskābe (Aspergillus niger), itakonskābe (Aspergillus terreus), furmaric (Rhizopus chrysogenum);
– antibiotiku (penicilīnu un cefalosporīnu) iegūšanā;
– īpašu veidu sieru ražošanā: kamambērs (Penicillium camamberti), rokfors (Penicillium roqueforti);
– izraisīt hidrolīzi cietā vidē: rīsu cietē, ražojot sakē, sojas pupās, ražojot tempeh, miso.
Noderīgās baktērijas tiek klasificētas kā eubaktērijas.
Lactobacillus, Leuconostoc un Lactococcus ģinšu pienskābes baktērijas rūpnieciski tiek izmantotas jau ilgu laiku.
Acetobater un Gluconobacter ģinšu etiķskābes baktērijas pārvērš etanolu etiķskābē.
Bacillus ģints baktērijas tiek izmantotas kukaiņiem kaitīgu toksīnu ražošanai, kā arī antibiotiku un aminoskābju sintēzei.
Corynebacterium ģints baktērijas izmanto aminoskābju ražošanai.
No aktinomicītiem visreprezentatīvākās ir Streptomyces un Micromonospora ģintis, ko izmanto kā antibiotiku ražotājus. Audzējot uz cietas barotnes, aktinomicīti veido plānu micēliju ar gaisa hifām, kas diferencējas konidiosporu ķēdēs.
Pašlaik, izmantojot mikroorganismus, tiek sintezēti šādi savienojumi:
- alkaloīdi,
- aminoskābes,
- antibiotikas,
- antimetabolīti,
- antioksidanti,
- olbaltumvielas,
- vitamīni,
- herbicīdi,
- enzīmu inhibitori,
- insekticīdi,
- jonofori,
- koenzīmi,
- lipīdi,
- nukleīnskābes,
- nukleotīdi un nukleozīdi,
- oksidētāji,
- organiskās skābes,
- pigmenti,
- virsmaktīvās vielas,
- polisaharīdi,
- antihelmintiskie līdzekļi,
- pretvēža līdzekļi,
- šķīdinātāji,
- augu augšanas hormoni,
- cukurs,
– sterīni un pārveidotās vielas,
- dzelzs transportēšanas faktori,
- farmakoloģiskās vielas,
- fermenti,
- emulgatori.
2 VIENŠŪNAS PROTEĪNU RAŽOŠANA
ORGANISMI
^
2.1 Mikroorganismu izmantošanas iespējamība
olbaltumvielu ražošana
Saskaņā ar uztura standartiem cilvēkam katru dienu ar pārtiku jāsaņem no 60 līdz 120 g pilnvērtīga proteīna.
Lai uzturētu ķermeņa dzīvībai svarīgās funkcijas, veidotu šūnas un audus, ir nepieciešama pastāvīga dažādu olbaltumvielu savienojumu sintēze. Kamēr augi un lielākā daļa mikroorganismu spēj sintezēt visas aminoskābes no oglekļa dioksīda, ūdens, amonjaka un minerālsāļiem, cilvēki un dzīvnieki nevar sintezēt dažas aminoskābes (valīnu, leicīnu, izoleicīnu, lizīnu, metionīnu, treonīnu, triptofānu un fenilalanīnu). Šīs aminoskābes sauc par neaizvietojamām. Tiem jānāk no pārtikas. To trūkums izraisa smagas cilvēku slimības un samazina lauksaimniecības dzīvnieku produktivitāti.
Pašlaik globālais olbaltumvielu deficīts ir aptuveni 15 miljoni tonnu. Mikrobioloģiskā sintēze ir visdaudzsološākā. Ja liellopiem olbaltumvielu masas dubultošanai nepieciešami 2 mēneši, cūkām - 1,5 mēneši, cāļiem - 1 mēnesis, tad baktērijām un raugam - no 1 līdz 6 stundām. Pasaules pārtikas olbaltumvielu produktu ražošana mikrobu sintēzes dēļ ir vairāk nekā 15 tūkstoši tonnu gadā.
Apskatīsim piemēru: E. coli dubultošanās laiks ir 20 minūtes, tad pēc 20 minūtēm no vienas šūnas veidojas divas meitas šūnas, pēc 40 minūtēm - četras "mazmeitas", pēc 60 minūtēm - astoņas "mazmazmeitas", pēc. 80 minūtes - 16 “vecmazmeitas”. Pēc 10 stundām 40 minūtēm no vienas baktērijas, kas atbilst Zemes populācijai, veidosies vairāk nekā 6 miljardi baktēriju un pēc 44 stundām no vienas baktērijas, kas sver 1 10 -12 g, veidosies biomasa 6 apjomā. 10 24 g, kas atbilst Zemes masai.
Dažādu mikroorganismu kā olbaltumvielu un vitamīnu avotu izmantošana ir saistīta ar šādiem faktoriem:
A) iespēju mikroorganismu kultivēšanai izmantot dažādus ķīmiskos savienojumus, tostarp rūpnieciskos atkritumus;
B) salīdzinoši vienkārša mikroorganismu ražošanas tehnoloģija, ko var veikt visu gadu; tā automatizācijas iespēja;
C) augsts olbaltumvielu (līdz 60...70%) un vitamīnu, kā arī ogļhidrātu, lipīdu saturs mikrobu preparātos;
D) palielināts neaizvietojamo aminoskābju saturs, salīdzinot ar augu proteīniem;
D) iespēja virzīt ģenētisku ietekmi uz mikroorganismu ķīmisko sastāvu, lai uzlabotu produkta olbaltumvielu un vitamīnu vērtību.
Uz mikroorganismiem balstītu pārtikas produktu rūpnieciskai ražošanai nepieciešama rūpīga biomedicīnas izpēte. Šādiem produktiem jāveic visaptveroša pārbaude, lai noteiktu kancerogēno, mutagēno un embriotropo ietekmi uz cilvēkiem un dzīvniekiem. Toksikoloģiskie pētījumi, mikrobu sintēzes produktu sagremojamība ir galvenie kritēriji to ražošanas tehnoloģijas iespējamībai.
Raugu, baktērijas, aļģes un pavedienveida sēnītes izmanto proteīnu ražošanai.
Rauga priekšrocība salīdzinājumā ar citiem mikroorganismiem ir to izgatavojamība: izturība pret infekcijām, viegla atdalīšana no apkārtējās vides, jo šūnas ir lielas. Tie spēj uzkrāt līdz 60% olbaltumvielu, kas bagāti ar lizīnu, treonīnu, valīnu un leicīnu (šīs aminoskābes augu barībā ir maz). Nukleīnskābju masas daļa ir līdz 10%, kas kaitīgi ietekmē organismu. To hidrolīzes rezultātā veidojas daudzas purīna bāzes, kuras pēc tam pārvēršas par urīnskābi un tās sāļiem, kas izraisa urolitiāzi, osteohondrozi un citas slimības. Optimālais rauga masas pievienošanas ātrums lauksaimniecības dzīvnieku barībai ir no 5 līdz 10% no sausnas. Raugu izmanto pārtikā un barībā.
Baktēriju priekšrocības ir to augstais augšanas ātrums un spēja sintezēt līdz pat 80% olbaltumvielu. Iegūtais proteīns satur daudz deficītu aminoskābju: metionīnu un cisteīnu. Trūkumi ir šūnu mazais izmērs un to zemā koncentrācija barotnē, kas sarežģī izolācijas procesu. Daži baktēriju lipīdi var saturēt toksīnus. Nukleīnskābju masas daļa līdz 16%. Izmanto tikai barības vajadzībām.
Aļģu priekšrocības ir augstais proteīna saturs ar pilnīgu aminoskābju sastāvu, kas uzkrājas 65% apmērā, viegla aļģu izdalīšana no barotnes, zems nukleīnskābju saturs - 4% (salīdzinājumam - augstākajos augos 1 ...2%). Aļģes izmanto pārtikā un barībā.
Vītņsēnes tradicionāli izmanto kā pārtikas produktu Āfrikas valstīs, Indijā, Indonēzijā, Ķīnā uc Tās uzkrāj līdz 50% olbaltumvielu, kuru aminoskābju sastāvs ir tuvs dzīvnieku izcelsmes olbaltumvielām un ir bagātas ar B vitamīniem. Šūnu sienas ir plānas un viegli sagremojamas kuņģa-zarnu traktā.dzīvnieku zarnu trakts. Nukleīnskābju masas daļa ir 2,5%.
Kopš 1985. gada mikrobu proteīns tiek izmantots pārtikas rūpniecībā dažādu produktu un pusfabrikātu ražošanai.
Pārtikas ražošanā tiek ņemti vērā trīs galvenie mikrobu olbaltumvielu izmantošanas veidi:
1) visa masa (bez šūnu sieniņu iznīcināšanas);
2) daļēji attīrīta biomasa (tiek nodrošināta šūnu sieniņu iznīcināšana un nevēlamo komponentu noņemšana);
3) no biomasas izolēti proteīni (izolāti).
PVO (Pasaules Veselības organizācija) secināja, ka mikroorganismu olbaltumvielas var izmantot pārtikā, taču pieļaujamais nukleīnskābju daudzums, ko kopā ar olbaltumvielām ievada pieauguša cilvēka uzturā, nedrīkst pārsniegt 2 g dienā. Mikrobu proteīna ieviešana neizraisa negatīvas sekas, bet rodas alerģiskas reakcijas, kuņģa slimības utt.
Biotehnoloģiskā procesa galvenā saite, kas nosaka visu tā būtību, ir bioloģisks objekts, kas spēj veikt noteiktu izejvielu modifikāciju un veidot vienu vai otru nepieciešamo produktu. Šādi biotehnoloģijas objekti var ietvert mikroorganismu, dzīvnieku un augu šūnas, transgēnus dzīvniekus un augus, kā arī daudzkomponentu šūnu un atsevišķu enzīmu sistēmas.
Vismodernākās biotehnoloģiskās ražošanas pamatā joprojām ir mikrobu sintēze, t.i., dažādu bioloģiski aktīvo vielu sintēze ar mikroorganismu palīdzību. Diemžēl augu un dzīvnieku izcelsmes objekti vairāku iemeslu dēļ vēl nav tikuši tik plaši izmantoti.
Neatkarīgi no objekta rakstura primārais jebkura biotehnoloģiskā procesa attīstības posms ir organismu tīrkultūru (ja tie ir mikrobi), šūnu vai audu (ja tie ir sarežģītāki organismi – augu vai dzīvnieku) iegūšana. Daudzi turpmākas manipulācijas ar pēdējiem posmi (ti, ar augu vai dzīvnieku šūnām) faktiski ir principi un metodes, ko izmanto mikrobioloģiskajā ražošanā. No metodoloģiskā viedokļa gan mikrobu šūnu kultūras, gan augu un dzīvnieku audu kultūras praktiski neatšķiras no mikrobu kultūrām.
Mikroorganismu pasaule ir ārkārtīgi daudzveidīga. Šobrīd
Vairāk nekā 100 tūkstoši dažādu sugu ir salīdzinoši labi raksturotas (vai zināmas). Tie galvenokārt ir prokarioti (baktērijas, aktinomicīti, riketijas, zilaļģes) un daļa no eikariotiem (raugs, pavedienveida sēnītes, daži vienšūņi un aļģes). Ar tik plašu mikroorganismu daudzveidību ļoti svarīga un bieži vien sarežģīta problēma ir pareizi izvēlēties tieši tādu organismu, kas spēj nodrošināt nepieciešamo produktu, t.i., kalpot rūpnieciskiem mērķiem. Mikroorganismus iedala rūpnieciskajos un nerūpnieciskajos; tie ir tie mikroorganismi, kurus izmanto rūpnieciskajā ražošanā - rūpnieciskajā, un tie, kurus neizmanto - nerūpnieciskajos.
Rūpnieciskās ražošanas pamatā ir neliela, bet dziļi izpētīta mikroorganismu grupa, kas kalpo kā paraugobjekti fundamentālo dzīvības procesu pētījumos. Visus pārējos mikroorganismus ģenētiķi, molekulārie biologi un gēnu inženieri nav pētījuši vispār vai arī tie ir pētīti ļoti ierobežotā apjomā. Pirmie ir Escherichia coli (E. coli), Bacillus subtilis (Bac. subtilis) un maizes raugs (S. cerevisiae).
Daudzos biotehnoloģiskos procesos tiek izmantots ierobežots skaits mikroorganismu, kas ir klasificēti kā GRAS (“vispārēji atzīti par drošiem”). Pie šādiem mikroorganismiem pieder baktērijas Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, cita veida baciļi un laktobacilli un Streptomyces sugas. Tas ietver arī sēņu sugas Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus un rauga sēnītes Saccharomyces u.c.. GRAS mikroorganismi ir nepatogēni, netoksiski un parasti neveido antibiotikas, tāpēc, izstrādājot jaunu biotehnoloģisko procesu, jākoncentrējas uz šiem. mikroorganismi kā biotehnoloģijas pamatobjekti.
Mikrobioloģijas nozare mūsdienās izmanto tūkstošiem celmu no simtiem mikroorganismu sugu, kas sākotnēji tika izolēti no dabīgiem avotiem, pamatojoties uz to labvēlīgajām īpašībām un pēc tam (galvenokārt) uzlaboti ar dažādām metodēm. Saistībā ar ražošanas un produkcijas klāsta paplašināšanos arvien vairāk mikrobu pasaules pārstāvju iesaistās mikrobioloģiskajā nozarē. Jāatzīst, ka pārskatāmā nākotnē neviens no tiem netiks pētīts tādā pašā mērā kā E. coli un Bac. subtilis. Un iemesls tam ir ļoti vienkāršs - šāda veida pētījumu milzīgā darbaspēka intensitāte un augstās izmaksas.
Visizplatītākie biotehnoloģijas objekti ir:
Baktērijas un zilaļģes;
Jūras aļģes;
Vienšūņi;
Augu un dzīvnieku šūnu kultūras;
Augi – zemākie (anabena-azolla) un augstākie – pīle.
Subcelulārās struktūras (vīrusi, plazmīdas, DNS).
Baktērijas un zilaļģes
Baktēriju biotehnoloģiskās funkcijas ir dažādas.
Etiķskābes baktērijas, Gluconobacter un Acetobacter ģints.
Gramnegatīvas baktērijas, kas pārvērš etanolu par etiķskābi un etiķskābi par oglekļa dioksīdu un ūdeni.
Bacillus - B.subtilis B.thuringiensis ģints pārstāvjus izmanto, lai iegūtu probiotikas, vielas, kurām ir antibiotiska iedarbība uz citiem mikroorganismiem, kā arī kukaiņi (B.thuringiensis). Tās ir grampozitīvas baktērijas, kas veido endosporas.
B.subtilis ir stingrs aerobs, savukārt B.thuringiensis var dzīvot anaerobos apstākļos.
Anaerobās, sporas veidojošās baktērijas pārstāv Clostridium ģints. C. acetobutylicum fermentē cukurus acetonā, etanolā, izopropanolā un n-butanolā (acetobutanola fermentācija), citas sugas var fermentēt arī cieti, pektīnu un dažādus slāpekli saturošus savienojumus.
Pie pienskābes baktērijām pieder Lactobacillus, Leuconostoc un Streptococcus ģinšu pārstāvji, kas neveido sporas, ir grampozitīvas un nejutīgas pret skābekli.
Leuconostoc ģints heterofermentatīvās baktērijas pārvērš ogļhidrātus pienskābē, etanolā un oglekļa dioksīdā.
Streptococcus ģints homofermentatīvās baktērijas ražo tikai pienskābi.
Lactobacillus ģints pārstāvji kopā ar pienskābi ražo vairākus dažādus produktus.
Corynebacterium ģints pārstāvis, C.glutamicum nekustīgās grampozitīvās šūnas kalpo kā lizīna un mononātrija glutamāta avots.
Citas korinebaktēriju sugas izmanto rūdu mikrobu izskalošanai un kalnrūpniecības atkritumu pārstrādei.
Šī dažu baktēriju īpašība tiek plaši izmantota, piemēram diazotrofija, tas ir, spēja fiksēt atmosfēras slāpekli.
Ir 2 diazotrofu grupas:
Simbionti: bez sakņu mezgliņiem (galvenokārt ķērpji), ar sakņu mezgliņiem (pākšaugi);
Brīvi dzīvo: heterotrofi (Azotobacter, Clostridium, Methylobacter), autotrofi (Chlorobium, Rhodospirillum un Amoebobacter).
Baktērijas tiek izmantotas arī gēnu inženierijas nolūkos.
Cianobaktērijām ir spēja fiksēt slāpekli, kas padara tās par ļoti perspektīvām olbaltumvielu ražotājām. Produkts, kas ir tuvu glikogēnam, tiek nogulsnēts šūnu citoplazmā.
Cianobaktēriju pārstāvji, piemēram, Nostoc, Spirulina, Trichodesmium, ir ēdami un tiek tieši patērēti kā pārtika. Nostoc veido garozas uz neauglīgām zemēm, kas mitrinātas uzbriest. Japānā vietējie iedzīvotāji uzturā izmanto vulkāna nogāzēs izveidojušos nostoku slāņus un sauc tos par Tengu miežu maizi (Tengu ir labs kalnu gars).
Spirulīna (Spirulina platensis) nāk no Āfrikas - Čadas ezera reģiona.
Spirulina maxima aug Texcoco ezera ūdeņos Meksikā. Acteki to savāca arī no ezeru virsmas un izmantoja pārtikā.
No spirulīnas gatavoja cepumus, kas bija kaltēta spirulīnas masa.
Analīze parādīja, ka spirulīna satur 65% olbaltumvielu (vairāk nekā sojas pupās), 19% ogļhidrātu, 6% pigmentus, 4% lipīdus, 3% šķiedrvielu un 3% pelnu. Olbaltumvielām raksturīgs sabalansēts aminoskābju saturs. Šo aļģu šūnu siena ir viegli sagremojama.
Spirulīnu var audzēt atklātos dīķos vai slēgtā polietilēna cauruļu sistēmā. Raža ir ļoti augsta: no 1 m 2 dienā iegūst līdz 20 g sausās aļģu masas, tas ir aptuveni 10 reizes vairāk nekā kviešu raža.
Vietējā farmācijas rūpniecība ražo zāles "Splat", kuras pamatā ir zilaļģes Spirulina platensis. Tas satur vitamīnu un mikroelementu kompleksu un tiek izmantots kā vispārējs stiprinošs un imūnstimulējošs līdzeklis.
Escherichia coli
Escherichia coli- viens no visvairāk pētītajiem organismiem. Pēdējo piecdesmit gadu laikā ir bijis iespējams iegūt visaptverošu informāciju par ģenētiku, molekulāro bioloģiju, bioķīmiju, fizioloģiju un vispārējo bioloģiju Escherichia coli. Tas ir gramnegatīvs, mobils plaukts, kura garums ir mazāks par 10 µm. Tās dzīvotne ir cilvēku un dzīvnieku zarnas, taču tā var dzīvot arī augsnē un ūdenī. Parasti E. coli nav patogēns, bet noteiktos apstākļos tas var izraisīt cilvēku un dzīvnieku slimības.
Sakarā ar spēju pavairot ar vienkāršu dalīšanu uz barotnēm, kas satur tikai Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, NH4 +, Cl -, HPO 4 2- un SO 4 2- jonus, mikroelementus un oglekli avots (piemēram, glikoze), E. coli ir kļuvis par iecienītu zinātniskās pētniecības objektu.
Kad audzē E. coli uz bagātinātām šķidrām barotnēm, kas satur aminoskābes, vitamīnus, sāļus, mikroelementus un oglekļa avotu, ģenerēšanas laiks (t.i., laiks starp baktērijas veidošanos un tās nākamo sadalīšanos) logaritmiskās augšanas fāzē 37 ° temperatūrā C ir aptuveni 22 minūtes.
E. coli var kultivēt gan aerobos (skābekļa klātbūtnē), gan anaerobos (bez skābekļa) apstākļos. Tomēr optimālai rekombinanto proteīnu ražošanai E. coli parasti audzē aerobos apstākļos.
Ja baktēriju kultivēšanas mērķis laboratorijā ir konkrēta proteīna sintēze un izdalīšana, tad kultūras audzē kompleksās šķidrās barotnēs kolbās. Lai uzturētu vēlamo temperatūru un nodrošinātu pietiekamu barotnes aerāciju, kolbas ievieto ūdens vannā vai termostata telpā un nepārtraukti krata. Šāda aerācija ir pietiekama šūnu reprodukcijai, bet ne vienmēr noteikta proteīna sintēzei.
Šūnu masas augšanu un olbaltumvielu veidošanos ierobežo nevis oglekļa vai slāpekļa avotu saturs barības vidē, bet gan izšķīdušā skābekļa saturs: 20°C temperatūrā tas ir aptuveni deviņas daļas uz miljonu. Tas kļūst īpaši svarīgi rekombinanto proteīnu rūpnieciskajā ražošanā. Lai nodrošinātu optimālus apstākļus maksimālai olbaltumvielu ražošanai, tiek konstruēti speciāli fermentatori un izveidotas aerācijas sistēmas.
Katram dzīvam organismam ir noteikts temperatūras diapazons, kas ir optimāls tā augšanai un pavairošanai. Ja temperatūra ir pārāk augsta, olbaltumvielas denaturējas un citi svarīgi šūnu komponenti tiek iznīcināti, izraisot šūnu nāvi. Zemās temperatūrās bioloģiskie procesi ievērojami palēninās vai apstājas pavisam strukturālo izmaiņu dēļ, kas notiek olbaltumvielu molekulās.
Pamatojoties uz temperatūras režīmu, kuram daži mikroorganismi dod priekšroku, tos var iedalīt termofilos (no 45 līdz 90 ° C un augstāk), mezofilos (no 10 līdz 47 ° C) un psihrofilos (no -5 līdz 35 ° C). mikroorganismi, kas aktīvi vairojas tikai noteiktā temperatūras diapazonā, var būt noderīgs instruments dažādu biotehnoloģisko problēmu risināšanā. Piemēram, termofīli bieži nodrošina gēnus, kas kodē termostabilus enzīmus, kurus izmanto rūpnieciskos vai laboratorijas procesos, un ģenētiski modificētos psihotrofus izmanto toksisko atkritumu bioloģiskai noārdīšanai augsnē un ūdenī zemā temperatūrā.
Turklāt E. coli, daudzi citi mikroorganismi tiek izmantoti molekulārajā biotehnoloģijā (1. tabula). Tos var iedalīt divās grupās: mikroorganismi kā specifisku gēnu avoti un mikroorganismi, kas radīti ar gēnu inženierijas metodēm noteiktu problēmu risināšanai. Konkrēti gēni ietver, piemēram, gēnu, kas kodē termostabilu DNS polimerāzi, ko izmanto plaši izmantotajā polimerāzes ķēdes reakcijā (PCR). Šis gēns tika izolēts no termofīlajām baktērijām un klonēts E. coli. Otrajā mikroorganismu grupā ietilpst, piemēram, dažādi celmi Corynebacterium glutamicum, kas ir ģenētiski modificēti, lai palielinātu rūpnieciski svarīgu aminoskābju ražošanu.
1. tabula. Daži biotehnoloģijā izmantotie ģenētiski modificētie mikroorganismi.
|
Akremonijs krizogēns Bacillus brevis Bacillus subtilis Bacillus thuringiensts Corynebacterium glutamicum Erwinia herbicola Escherichia coli Pseudomonas spp. Rhizoderma spp. Trichoderma reesei Xanthomonas campestris Zymomonas mobilis |
Pašreizējā posmā rodas problēmas izstrādāt pētniecības stratēģiju un taktiku, kas ļautu ar saprātīgu darbaspēka daudzumu no jaunu mikroorganismu potenciāla iegūt visu vērtīgāko, veidojot rūpnieciski nozīmīgus, lietošanai piemērotus ražotāju celmus. biotehnoloģiskos procesos. Klasiskā pieeja ir izolēt vēlamo mikroorganismu no dabiskajiem apstākļiem.
1. Materiāla paraugus ņem no iespējamā ražotāja dabiskajiem biotopiem (tiek ņemti materiāla paraugi) un sēj elektīvā vidē, kas nodrošina interesējošā mikroorganisma preferenciālu attīstību, t.i., iegūst tā sauktās bagātināšanas kultūras.
2. Nākamais posms ir tīrkultūras izdalīšana ar tālāku izolētā mikroorganisma diferenciāldiagnostikas izpēti un, ja nepieciešams, aptuvenu tā ražošanas spēju noteikšanu.
Ir vēl viens veids, kā atlasīt ražotāju mikroorganismus - tas ir atlasīt vajadzīgās sugas no pieejamajām labi izpētīto un rūpīgi raksturotu mikroorganismu kolekcijām. Tas, protams, novērš nepieciešamību veikt vairākas darbietilpīgas operācijas.
Galvenais kritērijs, izvēloties biotehnoloģisko objektu (mūsu gadījumā ražojošo mikroorganismu), ir spēja sintezēt mērķa produktu. Tomēr papildus tam paša procesa tehnoloģija var ietvert papildu prasības, kas dažkārt ir ļoti, ļoti svarīgas, lai neteiktu, ka izšķirošas. Vispārīgi runājot, mikroorganismiem ir:
Ir augsts izaugsmes temps;
1. Vienšūnas organismiem, kā likums, ir raksturīgi augstāki augšanas un sintētisko procesu tempi nekā augstākiem organismiem. Tomēr tas nav raksturīgs visiem mikroorganismiem. Ir daži no tiem (piemēram, oligotrofi), kas aug ārkārtīgi lēni, taču tie rada zināmu interesi, jo spēj radīt dažādas ļoti vērtīgas vielas.
Pārstrādājiet lētus substrātus, kas nepieciešami to mūžam;
2. Īpaši interesanti kā biotehnoloģijas attīstības objekti ir fotosintētiski mikroorganismi, kas savās dzīves aktivitātēs izmanto saules gaismas enerģiju. Dažas no tām (cianobaktērijas un fotosintētiskie eikarioti) izmanto CO2 kā oglekļa avotu, un daži zilaļģu pārstāvji papildus visam iepriekšminētajam spēj asimilēt atmosfēras slāpekli (t.i., tie ir ārkārtīgi nepretenciozi barības vielām).
Fotosintētiskie mikroorganismi ir daudzsološi kā amonjaka, ūdeņraža, olbaltumvielu un vairāku organisko savienojumu ražotāji. Tomēr, acīmredzot, tuvākajā nākotnē nevajadzētu gaidīt progresu to izmantošanā, jo ir ierobežotas fundamentālās zināšanas par to ģenētisko organizāciju un dzīvības aktivitātes molekulāri bioloģiskajiem mehānismiem.
Esiet izturīgi pret svešu mikrofloru, t.i., ar augstu konkurētspēju.
3. Zināma uzmanība tiek pievērsta tādiem biotehnoloģijas objektiem kā termofīlie mikroorganismi, kas aug pie 60–80° C. Šī īpašība ir gandrīz nepārvarams šķērslis svešas mikrofloras attīstībai salīdzinoši nesterilās kultivēšanas laikā, t.i., tā ir droša aizsardzība pret piesārņojumu. . Starp termofiliem tika atrasti spirtu, aminoskābju, fermentu un molekulārā ūdeņraža ražotāji. Turklāt to augšanas ātrums un vielmaiņas aktivitāte ir 1,5–2 reizes augstāka nekā mezofiliem. Termofilu sintezētajiem fermentiem ir raksturīga paaugstināta izturība pret karstumu, dažiem oksidētājiem, mazgāšanas līdzekļiem, organiskajiem šķīdinātājiem un citiem nelabvēlīgiem faktoriem. Tajā pašā laikā tie ir maz aktīvi parastā temperatūrā. Tādējādi viena no termofīlo mikroorganismu pārstāvju proteāzes 200 C temperatūrā ir 100 reižu mazāk aktīvas nekā 750 C. Pēdējā ir ļoti svarīga īpašība kādai rūpnieciskai ražošanai.
Viss iepriekš minētais nodrošina būtisku mērķa produkta ražošanas izmaksu samazinājumu.
Atlase
Neatņemama sastāvdaļa vērtīgāko un aktīvāko ražotāju radīšanas procesā, tas ir, izvēloties objektus biotehnoloģijā, ir to atlase. Un vispārējais atlases veids ir apzināta genomu konstruēšana katrā vēlamā ražotāja atlases posmā. Mikrobu tehnoloģiju izstrādē ļoti svarīga loma kādreiz bija (un joprojām ir) metodēm, kuru pamatā ir spontāni radušos modificētu variantu atlase, kam raksturīgas nepieciešamās noderīgas īpašības. Ar šādām metodēm parasti tiek izmantota pakāpeniskā selekcija: katrā selekcijas posmā no mikroorganismu populācijas tiek atlasīti aktīvākie varianti (spontānie mutanti), no kuriem nākamajā posmā tiek atlasīti jauni, efektīvāki celmi.
Izmantojot inducētās mutaģenēzes metodi, efektīvāko ražotāju atlases process tiek ievērojami paātrināts.
Kā mutagēns efekts tiek izmantots UV, rentgena un gamma starojums, noteiktas ķimikālijas uc Tomēr arī šai tehnikai nav bez trūkumiem, no kuriem galvenais ir tā darbietilpība un informācijas trūkums par izmaiņu būtību, jo eksperimentētājs izvēlas atbilstoši gala rezultātam.
Tādējādi mūsdienu tendence ir apzināta mikroorganismu celmu veidošana ar noteiktām īpašībām, pamatojoties uz fundamentālām zināšanām par ģenētisko organizāciju un ķermeņa pamatfunkciju īstenošanas molekulāri bioloģiskajiem mehānismiem.
Mikroorganismu selekcija mikrobioloģiskajai rūpniecībai un jaunu celmu radīšana bieži vien ir vērsta uz to ražošanas spēju uzlabošanu, t.i. konkrēta produkta veidošanās. Šo problēmu risināšana vienā vai otrā pakāpē ir saistīta ar regulēšanas procesu izmaiņām šūnā.
Bioķīmisko reakciju ātruma izmaiņas baktērijās var notikt vismaz divos veidos. Viens no tiem ir ļoti ātrs (īstenojams dažu sekunžu vai minūšu laikā), mainot atsevišķu enzīmu molekulu katalītisko aktivitāti. Otrais, lēnāks (īstenots daudzu minūšu laikā), sastāv no enzīmu sintēzes ātruma maiņas. Abi mehānismi izmanto vienu sistēmas kontroles principu - atgriezeniskās saites principu, lai gan ir arī vienkāršāki mehānismi šūnu vielmaiņas aktivitātes regulēšanai. Vienkāršākais veids, kā regulēt jebkuru vielmaiņas ceļu, ir balstīts uz substrāta pieejamību vai fermenta klātbūtni. Substrāta daudzuma (tā koncentrācijas barotnē) samazināšanās noved pie noteiktas vielas plūsmas ātruma samazināšanās pa noteiktu vielmaiņas ceļu. No otras puses, palielinot substrāta koncentrāciju, tiek stimulēts vielmaiņas ceļš. Tāpēc neatkarīgi no citiem faktoriem substrāta pieejamība (pieejamība) ir jāuzskata par iespējamu jebkura vielmaiņas ceļa mehānismu. Dažreiz efektīvs līdzeklis mērķa produkta iznākuma palielināšanai ir palielināt koncentrāciju konkrēta prekursora šūnā.
Visizplatītākais veids, kā regulēt vielmaiņas reakciju aktivitāti šūnā, ir regulēšana ar retroinhibīcijas veidu.
Daudzu primāro metabolītu biosintēzi raksturo fakts, ka, palielinoties noteiktā biosintētiskā ceļa galaprodukta koncentrācijai, tiek kavēta viena no pirmajiem fermentiem šajā ceļā. Pirmo reizi par šāda regulēšanas mehānisma klātbūtni 1953. gadā ziņoja A. Novik un L. Sillard, kuri pētīja triptofāna biosintēzi E. coli šūnās. Šīs aromātiskās aminoskābes biosintēzes pēdējais posms sastāv no vairākiem posmiem, ko katalizē atsevišķi fermenti.
Šie autori atklāja, ka vienā no E. coli mutantiem ar traucētu triptofāna biosintēzi šīs aminoskābes (kas ir šī biosintēzes ceļa galaprodukts) pievienošana krasi kavē viena no prekursoriem, indola glicerofosfāta, uzkrāšanos šūnās. Pat tad tika ierosināts, ka triptofāns kavē kāda enzīma aktivitāti, kas katalizē indola glicerofosfāta veidošanos. Tas ir apstiprināts.
Mikroorganismus plaši izmanto pārtikas rūpniecībā, mājsaimniecībās un mikrobioloģiskajā rūpniecībā, lai ražotu aminoskābes, fermentus, organiskās skābes, vitamīnus uc Klasiskā mikrobioloģiskā ražošana ietver vīna darīšanu, brūvēšanu, maizes, pienskābes produktu un pārtikas etiķa gatavošanu. Piemēram, vīna darīšana, alus darīšana un rauga mīklas ražošana nav iespējama bez dabā plaši izplatītā rauga izmantošanas.
Rauga rūpnieciskās ražošanas vēsture aizsākās Holandē, kur 1870. gadā tika dibināta pirmā rauga rūpnīca. Galvenais produkta veids bija presēts raugs ar aptuveni 70% mitruma saturu, ko varēja uzglabāt tikai dažas nedēļas. Ilgstoša uzglabāšana nebija iespējama, jo presētās rauga šūnas palika dzīvas un saglabāja savu aktivitāti, kas izraisīja to autolīzi un nāvi. Viena no rauga rūpnieciskās konservēšanas metodēm ir žāvēšana. Sausajā raugā pie zema mitruma rauga šūna atrodas anabiotiskā stāvoklī un var pastāvēt ilgu laiku. Pirmais sausais raugs parādījās 1945. gadā. 1972. gadā parādījās otrā sausā rauga paaudze, tā sauktais tūlītējais raugs. Kopš 90. gadu vidus ir parādījusies trešā sausā rauga paaudze: maizes raugs Saccharomyces cerevisiae, kas apvieno šķīstošā rauga priekšrocības ar augsti koncentrētu specializētu cepšanas enzīmu kompleksu vienā produktā. Šis raugs ne tikai uzlabo maizes kvalitāti, bet arī aktīvi pretojas nogatavināšanas procesam.
Maizes raugs Saccharomyces cerevisiae izmanto arī etilspirta ražošanā.
Vīna darīšanā izmanto daudz dažādu rasu raugu, lai ražotu unikālu vīnu ar unikālām īpašībām.
Pienskābes baktērijas ir iesaistītas tādu pārtikas produktu gatavošanā kā skābēti kāposti, marinēti gurķi, marinētas olīvas un daudzi citi marinēti ēdieni.
Pienskābes baktērijas pārvērš cukuru pienskābē, kas aizsargā pārtikas produktus no pūšanas baktērijām.
Ar pienskābes baktēriju palīdzību tiek pagatavots plašs pienskābes produktu klāsts, biezpiens, siers.
Tomēr daudziem mikroorganismiem ir negatīva loma cilvēka dzīvē, jo tie ir cilvēku, dzīvnieku un augu slimību patogēni; tie var izraisīt pārtikas bojāšanos, dažādu materiālu iznīcināšanu utt.
Lai cīnītos pret šādiem mikroorganismiem, tika atklātas antibiotikas - penicilīns, streptomicīns, gramicidīns u.c., kas ir sēnīšu, baktēriju un aktinomicītu vielmaiņas produkti.
Mikroorganismi nodrošina cilvēku ar nepieciešamajiem fermentiem. Tādējādi amilāzi izmanto pārtikas, tekstila un papīra rūpniecībā. Proteāze izraisa olbaltumvielu sadalīšanos dažādos materiālos. Austrumos proteāzi no sēnēm pirms vairākiem gadsimtiem izmantoja sojas mērces pagatavošanai. Pašlaik to izmanto mazgāšanas līdzekļu ražošanā. Konservējot augļu sulas, tiek izmantots tāds ferments kā pektināze.
Mikroorganismus izmanto notekūdeņu attīrīšanai un pārtikas pārstrādes atkritumiem. Organisko vielu anaerobā sadalīšanās atkritumos rada biogāzi.
Pēdējos gados parādījušās jaunas ražotnes. Karotinoīdus un steroīdus iegūst no sēnēm.
Baktērijas sintezē daudzas aminoskābes, nukleotīdus un citus reaģentus bioķīmiskiem pētījumiem.
Mikrobioloģija ir strauji augoša zinātne, kuras sasniegumi lielā mērā saistīti ar fizikas, ķīmijas, bioķīmijas, molekulārās bioloģijas u.c.
Lai sekmīgi apgūtu mikrobioloģiju, ir nepieciešamas uzskaitīto zinātņu zināšanas.
Šis kurss galvenokārt koncentrējas uz pārtikas mikrobioloģiju. Daudzi mikroorganismi dzīvo uz ķermeņa virsmas, cilvēku un dzīvnieku zarnās, augos, pārtikas produktos un uz visiem mums apkārt esošajiem objektiem. Mikroorganismi patērē ļoti daudzveidīgu pārtiku un ārkārtīgi viegli pielāgojas mainīgajiem dzīves apstākļiem: karstumam, aukstumam, mitruma trūkumam utt.. Tie ļoti ātri vairojas. Bez mikrobioloģijas zināšanām nav iespējams kompetenti un efektīvi vadīt biotehnoloģiskos procesus, uzturēt augstas kvalitātes pārtikas produktus visos to ražošanas posmos un novērst pārtikas izraisītu slimību un saindēšanās patogēnus saturošu produktu patēriņu.
Īpaši jāuzsver, ka pārtikas produktu mikrobioloģiskie pētījumi ne tikai no tehnoloģisko īpašību, bet ne mazāk svarīgi arī no to sanitārās un mikrobioloģiskās drošības viedokļa ir vissarežģītākais sanitārās mikrobioloģijas objekts. . Tas skaidrojams ne tikai ar mikrofloras daudzveidību un pārpilnību pārtikas produktos, bet arī ar mikroorganismu izmantošanu daudzu no tiem ražošanā.
Šajā sakarā pārtikas kvalitātes un nekaitīguma mikrobioloģiskajā analīzē ir jāizšķir divas mikroorganismu grupas:
– specifiska mikroflora;
- nespecifiskā mikroflora.
Konkrēts– tās ir mikroorganismu kultūras sacīkstes, kuras izmanto konkrēta produkta pagatavošanai un ir būtiska saikne tā ražošanas tehnoloģijā.
Šī mikroflora tiek izmantota vīna, alus, maizes un visu raudzēto piena produktu ražošanas tehnoloģijā.
Nespecifisks ir mikroorganismi, kas no vides nonāk pārtikas produktos, piesārņojot tos. No šīs mikroorganismu grupas izšķir saprofītos, patogēnos un oportūnistiskos mikroorganismus, kā arī mikroorganismus, kas izraisa pārtikas bojāšanos.
Piesārņojuma pakāpe ir atkarīga no daudziem faktoriem, kas ietver pareizu izejvielu sagādi, to uzglabāšanu un pārstrādi, tehnoloģisko un sanitāro režīmu ievērošanu produktu ražošanā, to uzglabāšanā un transportēšanā.
Mikrobioloģiskie procesi tiek plaši izmantoti dažādās tautsaimniecības nozarēs. Daudzu procesu pamatā ir vielmaiņas reakcijas, kas notiek noteiktu mikroorganismu augšanas un vairošanās laikā.
Ar mikroorganismu palīdzību tiek ražotas barības olbaltumvielas, fermenti, vitamīni, aminoskābes, organiskās skābes u.c.
Galvenās pārtikas rūpniecībā izmantotās mikroorganismu grupas
Galvenās pārtikas rūpniecībā izmantotās mikroorganismu grupas ir baktērijas, raugs un pelējums.
Baktērijas. Tos izmanto kā pienskābes, etiķskābes, sviestskābes un acetona-butil fermentācijas aktivatorus.
Kultivētās pienskābes baktērijas tiek izmantotas pienskābes ražošanā, cepšanā un dažreiz arī alkohola ražošanā. Viņi pārvērš cukuru pienskābē saskaņā ar vienādojumu
C 6 H 12 O 6 ® 2CH 3 – CH – COOH + 75 kJ
Rudzu maizes ražošanā piedalās īstās (homofermentatīvās) un neīstās (heterofermentatīvās) pienskābes baktērijas. Homofermentatīvie ir iesaistīti tikai skābes veidošanā, savukārt heterofermentatīvie līdz ar pienskābi veido gaistošās skābes (galvenokārt etiķskābi), spirtu un oglekļa dioksīdu.
Alkohola rūpniecībā rauga misas paskābināšanai izmanto pienskābes fermentāciju. Savvaļas pienskābes baktērijas nelabvēlīgi ietekmē fermentācijas ražošanas tehnoloģiskos procesus un pasliktina gatavā produkta kvalitāti. Iegūtā pienskābe kavē svešu mikroorganismu dzīvībai svarīgo aktivitāti.
Sviestskābes fermentāciju, ko izraisa sviestskābes baktērijas, izmanto sviestskābes ražošanai, kuras esteri tiek izmantoti kā aromātiskās vielas.
Sviestskābes baktērijas pārvērš cukuru sviestskābē saskaņā ar vienādojumu
C 6 H 12 O 6 ® CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + H 2 + Q
Etiķskābes baktērijas izmanto etiķa (etiķskābes šķīduma) ražošanai, jo tie spēj oksidēt etilspirtu etiķskābē saskaņā ar vienādojumu
C 2 H 5 OH + O 2 ® CH 3 COOH + H 2 O +487 kJ
Etiķskābes fermentācija ir kaitīga alkohola ražošanai, jo noved pie alkohola iznākuma samazināšanās, un alus pagatavošanā izraisa alus bojāšanos.
Raugs. Tos izmanto kā fermentācijas aģentus alkohola un alus ražošanā, vīna darīšanā, maizes kvasa ražošanā un maizes ceptuvē.
Pārtikas ražošanai ir svarīgi raugi - Saccharomyces, kas veido sporas, un nepilnīgais raugs - non-Saccharomycetes (raugveidīgās sēnes), kas neveido sporas. Saccharomyces dzimta ir sadalīta vairākās ģintīs. Vissvarīgākā ģints ir Saccharomyces (saccharomycetes). Ģints ir sadalīta sugās, un atsevišķas sugu šķirnes sauc par rasēm. Katra nozare izmanto atsevišķas rauga rases. Ir aizputināti un flokulēti raugi. Putekļveida šūnās šūnas ir izolētas viena no otras, savukārt flokulējošās šūnās tās salīp kopā, veidojot pārslas un ātri nosēžas.
Kultivētais raugs pieder Saccharomyces dzimtai S. cerevisiae. Optimālā temperatūra rauga reprodukcijai ir 25-30 0 C, minimālā temperatūra ir aptuveni 2-3 0 C. 40 0 C temperatūrā augšana apstājas, raugs nomirst, un zemā temperatūrā vairošanās apstājas.
Ir augšējās un apakšējās rūgšanas raugi.
No kultivētajiem raugiem apakšējās fermentācijas raugi ietver lielāko daļu vīna un alus raugu, savukārt augstākās rūgšanas raugi ietver alkoholu, maizes izstrādājumus un dažas alus rauga šķirnes.
Kā zināms, spirta fermentācijas procesā no glikozes veidojas divi galvenie produkti - etanols un oglekļa dioksīds, kā arī sekundārie starpprodukti: glicerīns, dzintarskābe, etiķskābe un pirovīnskābe, acetaldehīds, 2,3-butilēnglikols, acetoīns. ēteri un fūzu eļļas (izoamils, izopropils, butilspirti un citi spirti).
Atsevišķu cukuru fermentācija notiek noteiktā secībā, ko nosaka to difūzijas ātrums rauga šūnā. Glikozi un fruktozi visātrāk fermentē raugs. Saharoze kā tāda pazūd (apgriež) barotnē fermentācijas sākumā rauga enzīma b – fruktofuranozidāzes iedarbībā, veidojas glikoze un fruktoze, ko šūna viegli izmanto. Kad barotnē nav palicis glikoze un fruktoze, raugs patērē maltozi.
Raugs spēj raudzēt ļoti augstu cukura koncentrāciju - līdz 60%, tie pacieš arī augstu alkohola koncentrāciju - līdz 14-16 tilp. %.
Skābekļa klātbūtnē alkohola fermentācija apstājas un raugs saņem enerģiju caur skābekļa elpošanu:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ® 6CO 2 + 6H 2 O + 2824 kJ
Tā kā process ir enerģētiski bagātāks nekā fermentācijas process (118 kJ), raugs tērē cukuru daudz ekonomiskāk. Fermentācijas pārtraukšanu atmosfēras skābekļa ietekmē sauc par Pastēra efektu.
Spirta ražošanā tiek izmantota rauga suga S. cerevisiae, kurai ir visaugstākā rūgšanas enerģija, kas ražo maksimāli daudz alkohola un fermentē mono- un disaharīdus, kā arī dažus dekstrīnus.
Maizes raugā tiek novērtētas strauji augošas sacīkstes ar labu celtspēju un uzglabāšanas stabilitāti.
Alus darīšanā tiek izmantots apakšējās fermentācijas raugs, kas pielāgots salīdzinoši zemām temperatūrām. Tiem jābūt mikrobioloģiski tīriem, spējīgiem veidot floku un ātri nogulsnēties fermentācijas aparāta apakšā. Fermentācijas temperatūra 6-8 0 C.
Vīna darīšanā raugs tiek novērtēts, jo tas ātri vairojas, spēj nomākt cita veida raugu un mikroorganismus un piešķirt vīnam atbilstošu buķeti. Vīna darīšanā izmantotais raugs pieder pie S. vini sugas un enerģiski raudzē glikozi, fruktozi, saharozi un maltozi. Vīna darīšanā gandrīz visas ražošanas rauga kultūras dažādās jomās tiek izolētas no jauniem vīniem.
Zigomicīti– pelējuma sēnītes, tām ir svarīga loma kā enzīmu ražotājiem. Aspergillus ģints sēnes ražo amilolītiskos, pektolītiskos un citus enzīmus, kas tiek izmantoti spirta rūpniecībā iesala vietā cietes saharifikācijai, alus darīšanā, daļēji aizstājot iesalu ar neiesalu izejvielām u.c.
Citronskābes ražošanā A. niger ir citronskābes fermentācijas izraisītājs, pārvēršot cukuru citronskābē.
Mikroorganismiem pārtikas rūpniecībā ir divējāda loma. No vienas puses, tie ir kultūras mikroorganismi, no otras puses, infekcija nonāk pārtikas ražošanā, t.i. sveši (savvaļas) mikroorganismi. Savvaļas mikroorganismi ir izplatīti dabā (uz ogām, augļiem, gaisā, ūdenī, augsnē) un nonāk ražošanā no vides.
Lai pārtikas uzņēmumos uzturētu atbilstošus sanitāros un higiēniskos apstākļus, efektīvs veids, kā iznīcināt un apspiest svešzemju mikroorganismu attīstību, ir dezinfekcija.
Raksti par tēmu
