Сельскохозяйственная биотехнология

Лекция

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ -НОВАЯ КОМПЛЕКСНАЯ ОТРАСЛЬ

В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения целесообразно выделить в качестве самостоятельных ряд разделов:

- пищевая биотехнология;

- промышленная микробиология;

- медицинская биотехнология;

- технологическая биоэнергетика;

- сельскохозяйственная биотехнология;

- биогидрометаллургия;

- инженерная, энзимология;

- клеточная и генетическая инженерия;

- экологическая биотехнология.

Биотехпологические процессы в отличие от химических протекают в мягкихусловиях, при нормальном давлении и рН среды, а также при физиологических температурах; они в меньшей степени загрязняют окружающую среду отходами и побочными продуктами, кроме того, они мало зависят от климатических и погодных условий, не требу­ют больших земельных площадей, не нуждаются в применении пестицидов, гербицидов и других чужеродных для окружающей среды агентов.

Экологическая биотехнология — это специальное применение биологических систем и процессов для решения задач охраны окружающей среды и рационального природопользования.

Эти процессы включают утилизацию сельскохозяйственных, бы­товых и промышленных отходов, очистку стоков и газо-воздушныхвыбросов, деградацию ксенобиотиков, получение эффективных и нетоксичных препаратов для борьбы с болезнями и вредителями культурных растений и домашних животных, а также создание аль­тернативных и безвредных для окружающей среды способов воепроизводства пищи, лекарственных препаратов, энергоносителей и добычи полезных ископаемых.

Биотехнология, или технология биопроцессов, это производс­твенное использование биологических агентов или их систем (мик­роорганизмов, растительных и животных клеток и их компонентов) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превра­щений.

Биотехнология разрабатывает такие процессы, в которых мик­роорганизмы, культуры растительных и животных клеток, выделен­ные из них ферменты, мембраны и клеточные органеллы в свободном или иммобилизованном состоянии используются для получения био­массы (белка одноклеточных), получения органических кислот, спиртов, аминокислот, лекарственных веществ, ферментов, гормо­нов и т.д., трансформации органических веществ (например, полу­чение биогаза, выщелачивание металлов, очистка сточных вод, утилизация отходов сельскохозяйственных и промышленных произ­водств и т. д.).

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые про­дукты, используя различные микроорганизмы, при этом 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.

Современная биотехнология тесно стыкуется с рядом научных дисциплин, осуществляя их практическое применение или же явля­ясь их основным инструментом.

Микробиологическая промышленность в настоящее время исполь­зует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и после­дующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариотов. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, ни­котин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений. Напри­мер, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жи­ров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост. Созданы пере­виваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела (для диагностики).

В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных.

В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, ис­кусственное оплодотворение.

Основные направления биотехнологии.

Биоэнергетика

Биотехнологическое получение топлива из биомассы энергетически выгоднее термохимических про­цессов. Анаэробное сбраживание биомассы позволяет получать биогаз, удобрения и кормовые добавки. Процесс метанообразования длится 8-10 дней. Под действием бактерий органические вещества навоза превращаются в метан, углекислоту и аммиак. Твердые ве­щества, содержащиеся в остатке служат источником белка для ско­та, а жидкая фракция, богатая азотом, используется в качестве удобрения.

Биотехнология обработки стоков и контроля загрязнения воды тяжелыми металлами

Бытовые отходы делятся на 2 группы: твердые отходы и сточные воды. Твердые бы­товые отходы состоят из целлюлозосодержащих материалов (до 40% бумаги, 2.5% дерева, 8% текстиля) и пищевых отходов (40%). Наи­более экономична и радикальна переработка их метановым брожени­ем, в результате образуется легко транспортируемое топливо -метан. Сточные воды обычно содержат сложную смесь нерастворимых и растворимых компонентов различной природы и концентрации.

Цель очистки сточных вод - удаление растворимых и нерастворимых ком­понентов, элиминирование патогенных микроорганизмов и проведе­ние детоксикации таким образом, чтобы компоненты стоков не вре­дили человеку, не загрязняли водоемы.

Бактерии рода Pseudomonas практически всеядны. Например, P. putida могут утилизировать нафталин, толуол, алканы, камфару и др. соединения. Выделены чистые культуры микроорганизмов, спо­собные разлагать специфические фенольные соединения, компоненты нефти в загрязненных водах и т.д. Микроорганизмы рода Pseudomonas могут утилизировать и необычные химические соедине­ния - инсектициды, гербициды и другие ксенобиотики.

Сельскохозяйственная биотехнология

Биологическая азотфиксация - процесс фиксации атмосферного азота бактериями, живущими в симбиозе с представителями семейс тва бобовых. Методами генной инженерии выведены мутанты клу­беньковых бактерий с повышенной способностью к азотфиксации. Ведутся работы по созданию азотфиксирующих растений, способных к симбиозу со злаковыми.

Микробные инсектициды. Для получения микробных инсектицидов используются виру­сы, грибы, простейшие, наиболее удобны - спорообразующие бакте­рии. Микробные инсектициды высокоспецифичны и действуют только на определенных вредных насекомых, оставляя невредимыми полез­ные. Патогенность микроорганизмов вызвана действием определен­ных токсинов, поэтому выработки устойчивости к биопрепаратам у насекомых не происходит. Микробные пестициды подвержены биодег­радации.

Микроорганизмы могут регулировать рост растений и животных, подавлять заболевания. Некоторые бактерии изменяют кислотность и соленость почвы, другие продуцируют соединения, связывающие железо, третьи - вырабатывают регуляторы роста. Как правило, микроорганизмами инокулируют семена и или растения перед посад­кой. В животноводстве биотехнология также находит применение. Это диагностика, профилактика, лечение заболеваний с использо­ванием техники моноклональных антител, генетическое улучшение пород животных.

Биогеотехнология

Некоторые микроорганизмы могут катализировать определенные окислительно-восстановительные реакции - окисление Fe и Мп в воде, окисление серосодержащих соединений, окисление-восстанов­ление азотсодержащих соединений. Аэробные бактерии могут выде­лять железо, медь, сульфаты.

Биогеотехнология - экстракция и концентрирование металлов при биологической очистке сточных вод предприятий горнодобываю­щей промышленности и флотационных процессах: выщелачивание бед­ных и отработанных руд, десульфирование каменного угля, окисле­ние пиритов и пиритсодержащих пород.

Извлекать металлы из окружающей среды способны все микроор­ганизмы, поскольку такие металлы, как железо, магний, цинк, медь, молибден и многие другие входят в состав ферментов или пигментов, подобных цитохромам и хлорофиллам. В ряде случаев металлы накапливаются микроорганизмами в значительных количест­вах. В результате метаболических ре­акций, протекающих у микроорганизмов, могут происходить различ­ные превращения металлов: выделяемые в окружающую среду продук­ты метаболизма способны образовывать комплексы с металлами или осаждать их из растворов; некоторые металлы могут переводиться в летучую форму и удаляться из раствора; металлы могут окис­ляться или восстанавливаться.

Биоэлектроника

В области электроники биотехнология может быть использована для создания улучшенных типов биосенсоров и новых приводящих устройств, называемых биочипы. Биосенсоры (ферментные электро­ды), в которых ферменты используются для индикации ряда ве­ществ, имеются и теперь, но их использование ограничено узким спектром определяемых веществ и температурной нестабильностью. Биотехнология предлагает более совершенные сенсоры на основе ферментов и моноклональных антител.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: