Лекция №1
|
|
Скачать 0.82 Mb.
|
Лекция № 1Биотехнология. Биотехнологическая промышленность. Области применения в народном хозяйстве. Необходимые условия для микробиологического синтеза. Состав клеток биомассы. Преимущества микробиологического синтеза по сравнению с химическим. Микробиологические процессы широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Успехи биологических и инженерных наук позволяют создать высокопроизводительные, основанные на промышленных методах управляемые процессы микробиологического производства ряда пищевых и кормовых продуктов, медикаментов, органических веществ. В настоящее время микробиологическая промышленность обеспечивает народное хозяйство важными необходимыми продуктами такими как: кормовые дрожжи, аминокислоты, ферменты, антибиотики, витамины, биологические средства защиты растений, бактериальное удобрение и др. Микробиологические процессы широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Достижения биотехнологии позволяют ускоренными темпами развивать микробиологическую промышленность. Уже имеются дрожжевые заводы, созданы биоцеха при кормозаготовительных пунктах для рационального использования местного сырья и превращения малоценных отходов сельскохозяйственного производства в богатые белками и незаменимыми аминокислотами кормовые продукты. Биотехнология тесно связана с технической микробиологией и биохимией. В биотехнологии применяются многие методы химической технологии, особенно на конечных этапах производственного процесса, при выделении веществ из культуральной жидкости или из биомассы микроорганизмов. Для того, чтобы получить какое-либо вещество микробиологическим путем, необходима соответствующая культура микроорганизмов, необходимо знать физиологию микроорганизмов этой культуры (т.е. комплекс процессов, протекающих в клетке, и условия, определяющие их протекание в необходимом направлении). В промышленности биологические процессы осуществляются не только с помощью микроорганизмов, но и при помощи клеток или тканевых культур растений и животных, а также при использовании изолированных ферментов. Провести микробиологический синтез на практике означает культивировать избранную культуру микроорганизмов в питательной среде определенного состава, строго соблюдать технологию, а также ограничить или полностью исключить нежелательную микрофлору. Во время культивирования клетки растут и размножаются. В результате активности находящихся в клетке ферментов не только увеличивается биомасса клеток, но иногда синтезируются различные внеклеточные вещества, которые можно выделить из среды культивации. В состав клеток микроорганизмов (как и в состав живых клеток) вводят белки, ферменты, аминокислоты, витамины, липиды и другие органические вещества, которые можно выделить из биомассы клеток, применяя методы химической технологии. Эту же биомассу можно использовать как источник получения питательных веществ для человека ( например, дрожжи) и для целей животноводства. Согласно литературных данных при оптимальных условиях в среде культивирования можно достичь выхода до 100 г/л сухой биомассы. Микробиологическим процессам, протекающим в живых клетках присущи огромные потенциальные возможности. Бактерии за сутки могут переработать объем веществ в 30 – 40 раз превышающих массу самих клеток. Пример: Клетки микроорганизмов растут и делятся очень быстро. Некоторые бактерии дают новую генерацию каждые 30 минут. Это значит, что за 5 часов из одной клетки может образоваться примерно 1000 клеток. Масса одной бактерии равна 0,2 ·10-9 мг, но масса образовавшейся из нее биомассы через 16 часов уже равна 1 мг. Теоретически в течение суток одна клетка образует около 1 кг биомассы, а течение 2 суток – такое количество биомассы, которое трудно было бы вместить в один железнодорожный состав. На практике прирост биомассы значительно меньше и новое поколение клеток, например дрожжевых образуется через каждые 2-3 часа. При выращивании кормовых дрожжей в 1 м3 питательной среды за 1 час можно получить около 3 кг биомассы дрожжевых клеток в пересчете на сухое вещество. Это означает, что с каждого кубического метра аппаратуры в течение суток можно получить приблизительно 30 кг белков. Для получения такого количества животных белков в сутки необходимо: держать 100 коров, а для получения такого же количества растительного белка, используя, например, горох, требовалось бы 18 га посевов этой культуры. Как видно, микроорганизмы в сотни тысяч раз продуктивнее животных и растений. Для микробиологичекого получения аминокислот используют способность различных культур ауксотрофных мутантов синтезировать определенную аминокислоту, например глутаминовую или лизин. Количество аминокислот, производимых клеткой, в 10-100 раз превышает их расход на построение самих клеток. Эти аминокислоты выделяются в окружающую среду. В течение 2 дней в 1 л питательной среды накапливается 30-60 г аминокислот. Для культивирования микроорганизмов используют дешевое недефицитное сырье (таким сырьем являются побочные продукты промышленности и сточные воды). Кормовые дрожжи можно получить из отходов спиртовой промышленности, мелассной барды и гидролизатов древесины. Последнее время при помощи микроорганизмов практикуют различные превращения молекул органических веществ – микробиологическую трансформацию. Отбирая особые культуры микроорганизмов (в специальных каталогах ферментативных реакций культур микроорганизмов указано, какие биохимические реакции осуществляет данная культура) можно провести самые различные химические реакции – окисление и восстановление, фосфорилирование, аминирование, специфический гидролиз. Провести эти реакции химическим путем очень трудно, а иногда и невозможно. Микробиологическая трансформация открыла большие возможности препаратов стероидов. Этот метод широко используется для получения кортизона, гидрокортизона, преднизолона и др. С помощью микробиологической трансформации можно превращать продукты химического синтеза в другие необходимые для народного хозяйства вещества. По сравнению с химическими микробиологические процессы имеют ряд преимуществ. Под действием биологических катализаторов-ферментов реакции протекают при сравнительно низкой температуре (20-600С), нет необходимости и в повышении давления. ^ В нашей стране предприятия микробиологической промышленности производят белки, ферменты, витамины, аминокислоты и антибиотики, а также различные препараты для сельского хозяйства (нитрагин, азотобактерин, энтобактерин и ацидофильные культуры). Медицинская промышленность также получает ряд препаратов микробиологическим путем (антибиотики, гормоны, токсины). В пищевой промышленности микроорганизмы используются при получении ряда продуктов. Например; алкогольные напитки - вина, шампанское, пиво, коньяки, ликероводочные изделия, виски и другие продукты брожения получают при помощи дрожжей. Хлебопекарная промышленность связана с использованием дрожжей и бактериальных заквасок. Органические кислота (лимонную, уксусную, молочную кислоты) получают микробиологическим путем. Перечисленные кислоты играют огромную роль в народном хозяйстве. Молочная промышленность производит продукты молочного брожения – сметану, кефир, простоквашу, сыры. Достижения науки и технический прогресс позволяют постоянно совершенствовать технологические схемы, появляется новое оборудование, порой коренным образом меняется сырьевая база В настоящее время благодаря успехам микробиологической науки вступили в строй и дают ценнейшую продукцию для сельского хозяйства гиганты биоиндустрии – крупные заводы по производству белково-витаминных концентратов на основе парафинов нефти. Лекция №2 Микроорганизмы Виды микроорганизмов (бесхлорофидьные, хлороыильные, автотрофные, гетеротрофные, аспрофиты, паразиты). Размеры и форма клеток. ^ Микроорганизмы – (микробы) мельчайшие преимущественно одноклеточные организмы, видимые только в микроскоп. К ним относятся: бактерии, дрожжи, микроскопические грибы, низшие одноклеточные растения и водоросли. Основным процессом в живой природе, от которого зависит существование человека, является фотосинтез. Он осуществляется растениями, содержащими зеленый пигмент хлорофилл. Микроорганизмы (дрожжи, плесневые грибы, бактерии) являются бесхлорофильными низшими растениями. Однако некоторые низшие одноклеточные растения, например хореллы, содержат хлорофилл и, следовательно, осуществляют фотосинтез - хлорофильные. Суммарную реакцию фотосинтеза можно записать так: 6СО2 + 6Н2О + солнечная энергия → С6Н12О6 + 6О2. В процессе фотосинтеза получаются не только глюкоза, но и другие вещества очень сложного состава, образующие протоплазму. Водород, который одновременно образуется при фотолизе имеет очень большое энергетическое значение, так как стимулирует превращение особого энергопереносящего вещества – аденозиндифосфата (АДФ) в энергетически более богатое соединение – аденозинтрифосфат(АТФ). В упрощенном виде энергетические процессы фотосинтеза можно представить следующим образом:
Еhv+6H2O 3О2+6Н2;
nАДФ + 2Н2+О2 nАТФ + 2Н2О;
Таким образом, фотосинтез происходит при участии клеточных органоидов – хлоропластов, где находится хлорофилл и митохондрий. Обратный процесс, который связан с окислением органических веществ, также происходит в митохондриях с образованием углекислого газа, воды и высвобождением энергии. В природе встречаются хемосинтезирующие микроорганизмы, которые способны синтезировать органические соединения из СО2 без помощи хлорофила и без прямого использования солнечной энергии. Энергию, необходимую для синтеза, они получают, окисляя минеральные вещества. К хемосинтезирующим микроорганизмам относятся нитрифицирующие бактерии, которые, окисляя аммиак до азотистой кислоты, высвобождают необходимую для синтеза энергию: 1  ) 2NH3+2O2 2HNO2+2H2+энергия2 ) СО2+2H2+энергия (CH2O)+H2O.К хемосинтетикам относятся и водородные бактерии, получающие энергию в процессе окисления молекулярного водорода: 6 Н2+2О2+СО2 (СН2О)+5Н2О.Водородные бактерии, культивируемые в питательной среде, которая содержит минеральные вещества и смесь газов Н2, О2 и СО2, дают богатую белками микробную массу. Так как Н2 и О2 можно получить электролизом из воды, то пригодную для целей питания и животноводства органическую массу можно получать из минеральных веществ, воды, воздуха и электроэнергии. Микроорганизмы, которые способны сами синтезировать органические вещества из СО2 в процессе хемо- или фотосинтеза, называют автотрофными, а микроорганизмы, для существования которых необходимы уже готовые органические вещества, - гетеротрофными. В круговороте углерода в природе принимают участие как авто-, так и геторотрофные организмы, причем существует определенное равновесие между фиксирующими СО2фотосинтезирующими организмами (главным образом растениями) и микроорганизмами, разрушающими органические соединения. Иногда к микроорганизмам относятся вирусы. Микроорганизмы характеризуются огромным разнообразием видов, способных существовать в различных условиях (горячие источники, дно океана, снега гор, почва и т.д.). Например: в каждом грамме почвы содержатся иногда миллиарды микроогранизмов; в каждом миллилитре речной воды и бродящего сока имеются миллионы микроогранизмов. Микроорганизмы, которые питаются органическими остатками, называются сопрофитами. Паразиты – используют для питания веществ живых организмов. К наиболее часто встречающимся в природе и широко используемым в микробиологической промышленности группам относятся микроскопические грибы (дрожжи или плесени), актиномицеты или лучистые грибы, а также бактерии. Размеры и форма клетокК наиболее часто встречающимся в природе и широко используемым в микробиологической промышленности группам относятся микроскопические грибы (дрожжи или плесени), актиномицеты или лучистые грибы, а также бактерии. Размеры их клеток обычно находятся в пределах 0,5 до 10 мкм, они видны в световых микроскопах. Сравнение размеров микроорганизмов с другими биологическими объектами дано в таблице 1. В среде, содержащей все необходимые питательные вещества, микроорганизмы растут и размножаются. На практике это явление можно наблюдать следующим образом: Если к жидкой питательной среде (например бульон или пивное сусло) добавить агар или желатин, она затвердевает. В пробирках или чашках Петри на поверхности твердой питательной среды невооруженным глазом можно наблюдать как образуются и растут колонии микроорганизмов. По форме, окраске колоний, их величине и скорости роста можно судить о систематической принадлежности микроорганизмов. ^
Возбудителями многих болезней человека, животных и растений являются вирусы. Их можно рассмотреть только с помощью микроскопа, т.к. размер вирусов колеблется от 10до 400 нм. (1нм =10-9м) (1мкм =10-6м) В клетках бактерий паразитируют бактериофаги или вирусы бактерий. Бактерии могут быть шаровидные, палочковидные и спиральные. Если шаровидные бактерии (кокки) расположены в группе по две, их называют диплококками, в группе по четыре – тетракокками, в группе по восемь – сарцинами, цепочками – стептококками.       кокки диплококки тетракокки сарцины стрептококки   Рис.1. Колонии микроорганизмов: а — Penicillium potatum, б — Bacillus mycoides Клетки дрожжей могут быть круглыми, продолговатыми, лимонообразными или сильно удлиненными. Плесени образуют длинные нитевидные мицелии, которые часто переплетаются друг с другом. У некоторых видов бактерий имеется специальный двигательный аппарат – жгутики. Лекция №3 Структура клетки. ^ В общих чертах строение клеток животных, растений и микроорганизмов одинаково. От внешней среды клетку отделяет оболочка , под которой находится цитоплазматическая мембрана. Цитоплазма содержит органоиды – ядро, митохондрии, мезосомы, рибосомы (Рис.2.). |
отолиз воды
ереход АДФ в АТФ
Н2 + СО2 + nАТФ [C(H2O)]n + nАТФ + Н2О.
плохо
1
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям