Получение белка и других продуктов

Для выращивания микроорганизмов с целью получения белка хорошо бы иметь богатый углеродом, но дешевый субстрат. Этому требованию вполне отвечают нормальные (неразветвленные) парафины нефти. Выход биомассы может достигать при их использовании до 100% от массы субстрата. Качество продукта зависит от степени чистоты парафинов. При использовании парафинов достаточной степени очистки, полученная дрожжевая масса может успешно применяться в качестве дополнительного источника белка в рационах животных.

В нашей стране мало районов, пригодных для выращивания сои, являющейся основным источником белковых добавок. Поэтому налажено крупнотоннажное

производство кормовых дрожжей на n-парафинах. Действует несколько заводов. Сырьем служат жидкие очищенные парафины. Одним из перспективных источников углерода для культивирования продуцентов белка высокого качества считается метиловый спирт. Его можно получать методом микробного синтеза на таких субстратах, как древесина, солома, городские отходы. Использование метанола в качестве субстрата затруднено из-за его химической структуры: молекула метанола содержит один атом углерода, тогда как синтез большинства органических соединений осуществляется через двухуглеродные молекулы. На метаноле как на единственном источнике углерода и энергии способны расти около 25 видов дрожжей, в том числе Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica. Наилучшими продуцентами на этом субстрате считаются бактерии, потому что они могут расти на метаноле с добавлением минеральных солей. Процессы получения белка на метаноле достаточно экономичны. Продуцентами белка служат бактерии рода Methylomonas. Выращивание на метаноле метилотрофных бактерий, таких как Methylophilus methylotrophus, выгодно, так как они используют одноуглеродные соединения более эффективно. При росте на метаноле бактерии дают больше биомассы, чем дрожжи. Первая реакция окисления метанола у дрожжей катализируется оксидазой, а у метилотрофных прокариот - дегидрогеназой.

Использование этанола как субстрата снимает проблему очистки биомассы от аномальных продуктов обмена с нечетным числом углеродных атомов.

19. Биотехнология и повышение продуктивности растений. Прогресс в сельском хозяйственном производстве и производ-стве продуктов питания в целом зависит от почвенных и энергети-ческих ресурсов, которые в принципе могут быть увеличены, но обычно рассматриваются как ограниченные. Достижения в этих об-ластях зависят также от возобновляемых биологических ресурсов, таких, как культурные растения, домашние животные и микроорга-низмы. Повышение продуктивности последних, то есть, их биоло-гической продуктивности, является предметом активных исследова-ний естественных наук. Удельный вес биотехнологических методов в этих исследованиях постоянно возрастает (в частности в создании и размножении новых культивируемых сортов растений). Методы биотехнологии применяются также при использовании микроорга-низмов для получения полезных веществ, приготовления продо-вольственных продуктов, их консервирования и улучшения пита-тельных свойств.Cовершенствование техники культивирования рас-тительных клеток и тканей открывает новые перспективы для улуч-шения культурных видов и сортов. Достигнутые результаты по се-лекции новых сортов сельскохозяйственных растений можно запи-сать в актив традиционных исследований по генетике растений. Ис-пользованная для их получения техника заключалась в переносе ме-тодом скрещиваний большого количества генов.

20.Культура клеток и протопластов. С тех пор как удалось индуцировать регенерацию целого рас-тения из отдельной клетки, техника культуры клеток стала все шире применяться для клонирования. Если обработать растительные клетки ферментами, разрушающими клеточную стенку, такими, как целлюлаза и пектиназа, можно добиться получения протопласта. Если культивировать протопласты на соответствующей среде, мож-но добиться их деления. В результате деления протопласты форми-руют каллус, способный к регенерации с образованием целого рас-тения. В результате таких экспериментов можно получить целое растение всего из одной клетки материнского растения. Полученные растения -регенеранты будут сходны с родительскими линиями как по генотипу, так и по фенотипу.

Основанные методы используемые в генной инженерии.

Методы генной инженерии

Методы генной инженерии основаны на получении фрагментов исходной ДНК и их модификации.

Для получения исходных фрагментов ДНК разных организмов используется несколько способов:

– Получение фрагментов ДНК из природного материала путем разрезания исходной ДНК с помощью специфических нуклеаз (рестриктаз).

– Прямой химический синтез ДНК, например, для создания зондов (см. ниже).

– Синтез комплементарной ДНК (кДНК) на матрице мРНК с использованием фермента обратной транскриптазы (ревертазы).

21. Культура растительных клеток и производства полезных соединений. С тех пор как удалось индуцировать регенерацию целого рас-тения из отдельной клетки, техника культуры клеток стала все шире применяться для клонирования. Если обработать растительные клетки ферментами, разрушающими клеточную стенку, такими, как целлюлаза и пектиназа, можно добиться получения протопласта. Если культивировать протопласты на соответствующей среде, мож-но добиться их деления. В результате деления протопласты форми-руют каллус, способный к регенерации с образованием целого рас-тения. В результате таких экспериментов можно получить целое растение всего из одной клетки материнского растения. Полученные растения -регенеранты будут сходны с родительскими линиями как по генотипу, так и по фенотипу. Эта весьма перспективная техни-ка не зависит от обычного полового размножения, посредством ко-торого удалось, хотя и с большим трудом, получить гибриды пше-ницы с рожью (тритикале) и репы с капустой (рафанобрассика). Так было проведено успешное слияние протопластов картофеля и тома-тов. В результате получен новый гибридный вид «поматы». Эти рас-тения образуют такие же большие клубни, как и картофель, но го-раздо более крупные плоды, содержащие алкалоиды (томатин и со-ланин), унаследованные от томатов. В настоящее время разработаны методы регенерации растений из гибридных клеток после слияния протопластов. Этим методом уже получено множество гибридов де-коративных, овощных, зерновых и кормовых видов культурных рас-тений.

22.Пищевые растения в нашей жизни. Пищевая ценность продуктов определяется не только содержанием белков, жиров, углеводов, минеральных солей, но и витаминов. Из всех продуктов растительного происхождения ведущее место в питании человека занимают свежие овощи и плоды. В них питательные вещества находятся в гармоничном сочетании и поэтому лучше и полнее усваиваются, играют особо важную роль в биохимических процессах, протекающих в организме. В овощах, помимо полноценных углеводов, содержатся в большом количестве почти все известные в настоящее время витамины. Так, в одной весовой части листьев петрушки витамина С больше, чем в такой же части лимона. Благодаря наличию в растениях нескольких витаминов усиливается физиологическое действие каждого из них. Витамины ускоряют обмен белков, жиров, углеводов, минеральных веществ, улучшают и нормализуют водный обмен.

Высокое содержание витаминов делает эти продукты ценными как для здорового, так и для больного человека

Некоторые овощи (лук, чеснок, редька и другие) обладают также бактерицидным свойством.

Климатические и почвенные условия позволяют выращивать пищевые растения в различных районах страны. Обеспечивать ими население круглый год.

При изучении свойств различных растительных продуктов, дает возможность довольно разнообразно применять их в лечении разных заболеваний.

Пищевые растения в нашей жизни играют важную роль и для этого нам нужно знать состав овощных культур. Растения, способствующие сохранению сельскохозяйственной продукции.

Одним из путей повышения сохранности продукции животного и растительного происхождения является ее консервирование с помощью химических соединений. Многим, очевидно, известно, что зрелые ягоды клюквы и брусники долго не портятся благодаря консервирующему. Содержащиеся в крапиве муравьиная и галлусовая кислоты, а также фитонциды являются прекрасными консервантами и дезинфекторами скоропортящихся органических веществ. Такие растения могут в перспективе оказать большую пользу. Как показали наблюдения, добавление небольшого количества свежего сока мяты полевой обеспечивает летом сохранение свежего молока. Над осуществлением этой идеи, разумеется, надо еще много работать. Известно, что высокие надои молока на животноводческих комплексах можно получить только при сбалансированном рационе кормления животных, в том числе при благоприятном сахаро-протеиновом соотношении. В северных областях Нечерноземья основным источником сахаров являются кормовые корнеплоды: полусахарная и кормовая свекла, брюква, турнепс, морковь. Растут эти культуры здесь неплохо, да вот только хранить корнеплоды еще не научились. Большой отход урожая происходит в процессе его хранения за счет развития гнили и расходования сахарозы и глюкозы на дыхание живых клеток корнеплодов. Одним из путей повышения сохранности сахаров в кормовых корнеплодах является приготовление из них кормовых паст. Для этого необходимо оборудовать подземные герметичные емкости, тщательно подготовить однородную массу и надежно законсервировать ее. Опыты, проведенные в Северо-Западном научно-производственном объединении по селекции и растениеводству "Белогорка", показали, что хорошим консервантом, даже для быстропортящейся пасты из моркови, может служить мелкоизмельченная хвоя ели и сосны, обладающая сильными антисептическими (бактерицидными) свойствами и богатая витамином С.

23. Из практики известно, что не все сорта одинаково проявляют себя в одних и тех же условиях их возделывания, поэтому и реализация потенциальной продуктивности у разных сортов идет по-разному. Высокопродуктивные сорта выносят из почвы большое количество питательных веществ, расходуют много воды, поэтому такие сорта требуют высокой агротехники. Если таких условий нет, то потенциально более продуктивный сорт не только не дает прибавки, но может и уступить по урожайности другому менее продуктивному, но и менее требовательному к условиям возделывания сорту. Следовательно, нужен дифференцированный подход к подбору сортов. Особенно он важен в настоящее время, когда многие хозяйства не могут обеспечить посевы высокими дозами удобрений и комплексом защиты растений. Вполне очевидно, что экономически слабым и сильным хозяйствам необходим разный сортовой состав. На современном этапе развития сельского хозяйства, при внедрении новых технологий возделывания зерновых культур, значение сорта сохранилось.

Сорт остается не только средством повышения урожайности, но и становится фактором, без которого невозможно реализовать достижения науки и техники. В сельскохозяйственном производстве сорт выступает как биологическая система, которую нельзя ничем заменить. Однако биологически разные сорта по-разному реализуют потенциальную продуктивность на естественном фоне. Есть сорта, которые резко снижают урожайность при отсутствии удобрений и защиты их от болезней, а есть сорта, сохраняющие относительно высокую продуктивность при любых условиях выращивания. Поэтому необходимо внедрять в производство сорта с разной экологической адаптивностью. Необходимо учитывать и требования рынка. Новые сорта должны обладать не только высокой питательной ценностью для человека и животных, но и обладать такими коммерческими признаками, от которых зависят вкусовые качества, запах, транспортабельность и, наконец, при определении направлений и задач селекции необходимо учитывать и экономичность производства (2).

Из краткого литературного обзора видно, что направлений в селекции много. Селекционеры стараются в одном сорте объединить все ценные признаки, учесть требования рынка и экономичность его возделывания

24. Генетическая инженерия подразделяется на генную, геномную и хромосомную. Сущность первой (генной) состоит в целенаправленном использовании перестроек естественного генома, для изменения генетических характеристик известных вирусов и клеток. В качестве примера можно привести перемещение в вирусные геномы некоторых клеточных генов, придающих вирусам свойства онкогенности.

Сущность геномной инженерии заключается в целенаправленной глубокой перестройке генома прокариот вплоть до создания новых видов. При геномной инженерии вносят большое количество дополнительной генетической информации и получают гибридный организм, который отличается от исходного по многим признакам.

Хромосомная инженерия – сеть генетической инженерии, объектами ее является хромосомы клеток высших и низших микроорганизмов (прокариоты, эукариоты), благодаря хромосомной инженерии стало возможным лечение наследственных заболеваний, селекция пород животных, различных видов растений.

25.Микробная перераб-ка отходов. Самым простым методом утилизации твердых бытовых и промышленных отходов является их захоронение в естественных понижениях рельефа местности (оврагах, карьерах) и сваливание с последующей засыпкой слоем грунта. Захоронение может быть произведено на специальных полигонах ТБО с уплотненным глинистым дном. Слои мусора на полигонах периодически уплотняют и пересыпают слоем грунта. Высота мусорных куч может достигать 20-40 м. Микроорганизмы попадают в кучу вместе с отходами и из почвы и грунта. Разложение отходов происходит медленно (30-50 лет), при этом разрушается только 30% захороненной органики. В погребенных отходах анаэробное разложение сдерживается низкой влажностью и небольшой плотностью популяции микроорганизмов-деструкторов. В микробном сообществе свалки присутствуют группы микроорганизмов, осуществляющих разные стадии превращения сложных полимерных соединений в биогаз. В период активного метаногенеза происходит разогрев массы до 30-55оС. В верхней части кучи развиваются аэробные микробы, среди которых особое значение имеют метанотрофные бактерии. Благодаря их активности значительная часть образуемого в анаэробной зоне свалки метана не попадает в атмосферу. Тем не менее, свалки и полигоны ТБО вносят существенный вклад в парниковый эффект. На современных полигонах ТБО отходы герметически отделены от окружающей среды, а биогаз собирается и используется как топливо.

В сельской местности органические отходы традиционно компостируются для получения удобрений. Компостирование является аэробным микробным процессом переработки органических веществ с выделением тепла. В настоящее время в развитых странах все большую популярность приобретает компостирование ТБО как альтернатива промышленным и бытовым свалкам больших городов. Перед закладкой разлагаемую часть отходов отделяют от инертных материалов и смешивают с целлюлозосодержащими трудноразлагаемыми остатками (щепой, шелухой, опилками).

26. Микрообрг-мы в к-ве контроля среды. На уровне вида и сообщества о состоянии природной среды можно судить по показателям продуктивности растений. Индикаторами присутствия сернистого газа являются лишайники и хвойные породы, наиболее сильно страдающие от загрязнений. Во многих промышленных городах вокруг заводов возникают зоны, где лишайники вообще отсутствуют – «лишайниковые пустыни». Хвоя сосны образует на своей поверхности тем более толстый слой воска, чем выше концентрация или продолжительнее действие на нее сернистого газа. На этом основании был разработан метод индикации в атмосфере сернистого газа – «тест помутнения по Гертелю». Другой признак действия двуокиси серы на растения – снижение рН содержимого клеток.

Весь комплекс экологических факторов (температура воздуха и почвы, влагообеспеченность, рН среды, загрязнение почв и воздуха металлами) сказывается на биосинтезе пигментов, изменяя окраску различных частей растения. Этот биоиндикатор может оказаться наиболее информативным. Исследования, проведенные на древесных растениях показали, что тяжелые металлы могут накапливаться в растениях, и по их содержанию можно оценить экологическую обстановку территории. Загрязнение медью сказывается на росте растений, цинком – приводит к отмиранию листьев у растений, кобальтом – к ненормальному развитию и т.д. Индикаторами присутствия фтора являются чувствительные растения, накапливающие его и реагирующие на этот фитотоксикант некрозом листьев (гладиолусы, фрезия).Для выявления разных загрязняющих веществ используются разные виды Б.и.: для общего загрязнения - лишайники и мхи, для загрязнения тяжелыми металлами - слива и фасоль, диоксидом серы - ель и люцерна, аммиаком - подсолнечник, сероводородом - шпинат и горох, полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) - недотрога и др.

27. Произв-во энергии биомассы. Биомасса считается возобновляемым источником энергии, так как содержащаяся в ней энергия производится в процессе фотосинтеза, когда растения преобразуют лучистую энергию солнца в углеводороды. Выращивание растений специально для превращения в биомассу, по сути, есть форма сохранения солнечной энергии.

При сгорании углеводороды выделяют тепло, двуокись углерода (С02, так называемый «парниковый» газ) и воду. Двуокись углерода возвращается в окружающую среду и участвует в биохимическом углеродном цикле (круговороте углерода), способствуя росту других растений и восполнению сожженной биомассы. Таким образом, сжигание биомассы при правильной организации процесса не приводит к дополнительному загрязнению окружающей среды двуокисью углерода. Вода возвращается в природный гидроцикл (круговорот воды в природе). Тепло можно использовать для выработки электричества, а также для удовлетворения других энергетических потребностей человечества.

В результате перегнивания (компостирования) растительных и животных отходов может образоваться горючий газ метан. Приходилось ли вам слышать о так называемом болотном газе, накапливающемся в заболоченных местах и время от времени возгорающемся? Это и есть природный биогаз. По сути, это тот же самый биогаз, который производят в коммерческих или частных целях для обогрева, электрификации или для использования в качестве топлива.

28. Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей - от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для автомобилей. При рассмотрении энергетического потенциала к биомассе относят все формы материалов растительного происхождения, которые могут быть использованы для получения энергии: древесину, травяные и зерновые культуры, отходы лесного хозяйства и животноводства и т.д. Поскольку биомасса представляет собой твердое топливо, ее можно сравнивать с углем. Пр-во спирта: До недавнего времени производство этилового спирта основывалось на пищевом сырье – сбраживание крахмала из некоторых зерновых культур и картофеля с помощью ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками. Этот способ сохранился и до сих пор, но он связан с большими затратами пищевого сырья и не может удовлетворить промышленность. Другой метод, также основанный на переработке растительного сырья, заключается в переработке древесины (гидролизный спирт). Древесина содержит до 50% целлюлозы, и при ее гидролизе водой в присутствии серной кислоты образуется глюкоза, которую подвергают затем спиртовому брожению. Синтетический этиловый спирт получают гидратацией этилена. Гидратация этилена осуществляется двумя методами: при помощи серной кислоты (сернокислая гидратация) и непосредственным взаимодействием этилена с водяным паром в присутствии катализатора (парофазная каталитическая гидратация).

29. Процесс получения биогаза – сложный микробиологический процесс делится на 3 стадии: Под влиянием экстрацеллюлярных ферментов. Ферментному гидролизу подвергаются белки, липиды, полисахариды и др. орг. Соединения, имеющие в растительных, животных и др. орг. Остатках. Вместе с гидролитическими бактериями здесь функционируют и микроорганизмы участвующие в разложении орг. к-т, моносахаридов и многих др. соединений. Проходит при участии 2гр. микроорганизмов: ацетогенные, гомоацетатные. 1-ые ферментные моносахара, спирты, орг кислоты, альдегиды с образованием водорода, углекислого газа, низших жирных кислот, спиртов и др. в-в. Образование метан, он может синтезироваться через стадии восстановления углекислого газа, молекул. Водород, а также из метильной гр ацетата. Некоторые метановые бактерии в качестве субстрата

2H_2+〖CO〗_2=〖CH〗_4+2H_2O

3H_2+CO=〖CH〗_4+H_2 O

2H_2 O+4CO=〖CH〗_4+3〖CO〗_2

2HCOOH=H_2+2〖CO〗_2+2H_2 O

4H〖CH〗_3 COOH=3〖CH〗_4+〖CO〗_2+2H_2 O

30. Все возрастающий дефицит ископаемых топливных ресурсов выдвигает на первый план острую проблему создания и внедрения возобновляемых источников энергии и сырья за счет биосистем: растений и фототропных микрооганизмов, конвертирующих с высокой эффективностью солнечную энергию в энергию химических связей.Один из наиболее перспективных м. крупномасштабного преобразования солнечной энергии основан на использовании биосистем.

Фотопроизводство водорода.

Известно, что хлоропласты в присутствии искусственного донора электронов и бактериального экстракта, содержащего фермент гидрогеназу, способны продуцировать водород.

Гидрогеназа получает электроны от ферредоксина. В качестве доноров электронов используются различные орг соединения. Процесс сопровождается облучением видимым светом. Эта форма получения энергии имеет ряд достоинств: изб субстрата фотолиза (воды); нелимитированный источник энергии (солнечный свет); не загрязняющий атмосферу водород. Он обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с Ув, кроме того, процесс получения водорода – возобновляемый процесс, зависящий в основном от стабильности выделенных хлоропластов.

31. экологическая биотехнология -биоремедиация. Биоремедиация — комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов — растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.

В очищаемую среду или в утилизируемые отходы вносятся высокие концентрации специально подобранных микроорганизмов, которые ранее были выделены из почвы, селекционированы и размножены в форме готового к применению препарата. В результате в нужном месте в нужное время искуственно создается высокая концентрация клеток микробных сообществ, быстрой усваивающих загрязнители в качестве главного источника энергии жизнедеятельности и при этом перерабатывающих их в продукты собственного метаболизма: углекислый газ (СО2), воду (H2O). И в результате полностью нейтрализуется неблагоприятное подавляющее воздействие загрязнителей на естественные процессы биологического самоочищения почвы и воды, нормализуется метаболизм, восстанавливается и активизируется аборигенный видовой состав микрофлоры, естественные процессы почвообразования, дыхания, самоочищения. К преимуществам биоремедиации относят недеструктивный характер в отношении окружающей среды, возможность целенаправленного применения в нужном месте в нужное время, высокая скорость усвоения и переработки микроорганизмами загрязнителей на безвредные для окружающей среды продукты жизнедеятельности бактерий, экологическая и гигиеническая безопасность. Cегодня, когда ухудшение экологических условий имеет особенно гл

Биоремедиация почвы и воды от нефти и нефтепродуктов:

Неблагоприятные для окружающей среды последствия разливов нефти и нефтепродуктов на почву и в водоемы эффективно устраняются cообществом из (12) видов углеводородокисляющих микроорганизмов и биологически активных веществ. В результате взаимодействия биопрепарата и нефтяного загрязнения, токсичные нефтяные загрязнители (углеводороды нефти) усваиваются и преобразуются микроорганизмами в воду, углекислоту, и безвредные для окружающей среды продукты микробного метаболизма - нефть и нефтяные отходы подвергаются полному биологическому разложению бактериями и превращаются в безвредные продукты жизнедеятельности естественных микроорганизмов.