1 Mikroorganisme digunakan dalam produksi industri. Industri penggunaan mikroorganisme

Distribusi mikroorganisme yang luas menunjukkan peran mereka yang sangat besar di alam. Dengan partisipasi mereka, terjadi penguraian berbagai zat organik di tanah dan badan air, mereka menentukan sirkulasi zat dan energi di alam; kesuburan tanah, pembentukan batu bara, minyak, dan banyak mineral lainnya bergantung pada aktivitasnya. Mikroorganisme terlibat dalam pelapukan batuan dan proses alami lainnya.

Banyak mikroorganisme digunakan dalam produksi industri dan pertanian. Jadi, memanggang, pembuatan produk susu fermentasi, pembuatan anggur, produksi vitamin, enzim, protein makanan dan pakan, asam organik, dan banyak zat yang digunakan dalam pertanian, industri, obat-obatan didasarkan pada aktivitas berbagai mikroorganisme. Penggunaan mikroorganisme dalam produksi tanaman dan peternakan sangat penting. Pengayaan tanah dengan nitrogen, pengendalian hama tanaman pertanian dengan bantuan persiapan mikroba, persiapan dan penyimpanan pakan yang tepat, pembuatan protein pakan, antibiotik dan zat mikroba untuk pakan ternak bergantung padanya.

Mikroorganisme memiliki efek positif pada proses dekomposisi zat yang tidak berasal dari alam - xenobiotik, disintesis secara artifisial, jatuh ke tanah dan badan air dan mencemari mereka.

Seiring dengan mikroorganisme yang menguntungkan, ada kelompok besar yang disebut mikroorganisme penyebab penyakit, atau patogen, yang menyebabkan berbagai penyakit pada hewan ternak, tanaman, serangga, dan manusia. Akibat aktivitas vital mereka, muncul wabah penyakit menular pada manusia dan hewan, yang memengaruhi perkembangan ekonomi dan kekuatan produktif masyarakat.

Data ilmiah terbaru tidak hanya secara signifikan memperluas pemahaman tentang mikroorganisme tanah dan proses yang ditimbulkannya di lingkungan, tetapi juga memungkinkan terciptanya industri baru dalam produksi industri dan pertanian. Misalnya, antibiotik yang disekresikan oleh mikroorganisme tanah telah ditemukan, dan kemungkinan penggunaannya untuk pengobatan manusia, hewan dan tumbuhan, serta untuk penyimpanan produk pertanian, telah ditunjukkan. Kemampuan mikroorganisme tanah untuk membentuk zat aktif biologis ditemukan: vitamin, asam amino, stimulan pertumbuhan tanaman - zat pertumbuhan, dll. Cara telah ditemukan untuk menggunakan protein mikroorganisme untuk memberi makan hewan ternak. Persiapan mikroba telah diidentifikasi yang meningkatkan aliran nitrogen ke dalam tanah dari udara.

Penemuan metode baru untuk memperoleh bentuk mikroorganisme menguntungkan yang dimodifikasi secara turun-temurun telah memungkinkan penggunaan mikroorganisme secara lebih luas dalam produksi pertanian dan industri, serta dalam pengobatan. Perkembangan gen atau rekayasa genetika sangat menjanjikan. Pencapaiannya memastikan pengembangan bioteknologi, munculnya mikroorganisme yang sangat produktif yang mensintesis protein, enzim, vitamin, antibiotik, zat pertumbuhan, dan produk lain yang diperlukan untuk peternakan dan produksi tanaman.

Umat ​​\u200b\u200bmanusia selalu berhubungan dengan mikroorganisme, selama ribuan tahun tanpa menyadarinya. Sejak dahulu kala, orang mengamati fermentasi adonan, menyiapkan minuman beralkohol, memfermentasi susu, membuat keju, menderita berbagai penyakit, termasuk yang mewabah. Bukti yang terakhir dalam kitab-kitab alkitab merupakan indikasi wabah penyakit (mungkin wabah) dengan anjuran untuk membakar mayat dan berwudhu.

Namun, hingga pertengahan abad lalu, tak seorang pun membayangkan bahwa berbagai macam proses fermentasi dan penyakit bisa jadi akibat aktivitas makhluk kecil yang bisa diabaikan.

Di bagian sebelumnya, Anda telah mempelajari beberapa teknik untuk bekerja dengannya mikroorganisme dan memiliki kesempatan untuk mencoba teknik ini dalam pengalaman. Dalam perpindahan dari skala laboratorium ke skala industri, ahli bioteknologi harus menyelesaikan banyak masalah di berbagai cabang ilmu, antara lain bioteknologi, kimia, dan biologi. Saat membuat keputusan dalam produksi industri bakteri, penting untuk mempertimbangkan aspek ekonomi, sosial, dan etika. Pada bagian ini, kita akan membahas beberapa aspek praktis dari produksi skala besar, dan pada bagian selanjutnya kita akan mempertimbangkan contoh spesifik dari produksi mikrobiologi dan masalah terkait.

Penggunaan mikroorganisme dalam produksi industri dimungkinkan karena alasan berikut:
1) mikroorganisme memiliki kebutuhan nutrisi yang sederhana;
2) dalam fermentor (bejana besar tempat mikroorganisme tumbuh), kondisi pertumbuhan dapat dikontrol dengan sangat tepat;
3) mikroorganisme dicirikan oleh tingkat pertumbuhan yang tinggi;
4) reaksi dapat dilakukan pada suhu yang lebih rendah daripada di pabrik kimia konvensional; tagihan energi berkurang sesuai;
5) mikroorganisme memberikan hasil produk yang lebih tinggi dan spesifisitasnya lebih tinggi daripada produksi kimia konvensional;
6) dapat menggunakan dan menghasilkan berbagai macam senyawa kimia;
7) dimungkinkan untuk menghasilkan beberapa senyawa kimia kompleks, seperti hormon dan antibiotik, yang sulit diperoleh dengan metode lain, serta isomer tertentu (seperti asam L-amino);
8) genetika mikroorganisme relatif sederhana, dan metode manipulasi genetik dengannya terus berkembang.

Namun, perlunya metode khusus seperti sebagai metode sterilisasi dan metode pemisahan yang rumit, dapat menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam persyaratan teknis proses.

Penyaringan

Kami tahu itu untuk mikroorganisme dicirikan oleh berbagai macam reaksi kimia yang dapat mereka lakukan, dan produk yang mereka bentuk. Namun, hanya sebagian kecil dari potensinya yang digunakan dalam produksi industri. Perusahaan komersial, terutama perusahaan farmasi, terus mencari mikroorganisme yang mungkin berguna. Dengan harapan menemukan produk baru yang penting secara komersial atau cara yang lebih efisien untuk mendapatkan produk yang ada, mikroorganisme dikumpulkan dan dibudidayakan dari seluruh dunia, dari berbagai macam habitat. Sangat sering ini adalah karya empiris murni dalam arti bahwa kebetulan memainkan peran penting dalam penemuan apa pun. Pengecekan mikroorganisme dengan cara ini disebut screening. Contoh yang baik adalah skrining berkelanjutan yang dilakukan untuk menemukan antibiotik baru. Antibiotik pertama ditemukan pada tahun 1928 oleh Alexander Fleming dan diberi nama penisilin setelah jamur Penisilin yang memproduksinya. Antibiotik alami adalah bahan kimia yang disintesis oleh mikroorganisme yang membunuh mikroorganisme lain atau menghambat pertumbuhannya. Sejak tahun 1928, lebih dari 5.000 antibiotik yang berbeda telah diisolasi dari mikroorganisme, termasuk sejumlah penisilin yang berbeda dengan struktur dan aktivitas yang sedikit berbeda. Sebagian besar antibiotik yang ditemukan tidak cocok untuk tujuan medis, terutama karena toksisitasnya yang tinggi. Namun, anggota genus Streptomyces telah terbukti menjadi sumber yang sangat kaya akan berbagai antibiotik, termasuk streptomisin.

Antibiotik digunakan untuk mengobati penyakit bakteri atau jamur pada manusia dan hewan peliharaan. Beberapa di antaranya juga menghambat pertumbuhan tumor kanker. Rupanya, antibiotik adalah produk dari metabolisme sekunder. Dengan skrining sistematis, selalu ada harapan untuk menemukan “obat ajaib” baru atau mikroorganisme yang menghasilkan antibiotik yang dikenal tetapi dengan khasiat yang lebih baik.

Tautan utama dari proses bioteknologi, yang menentukan seluruh esensinya, adalah objek biologis yang mampu melakukan modifikasi tertentu pada bahan baku dan membentuk satu atau beberapa produk yang diperlukan. Sel mikroorganisme, hewan dan tumbuhan, hewan dan tumbuhan transgenik, serta sistem enzim multikomponen sel dan enzim individu dapat berfungsi sebagai objek bioteknologi tersebut.

Dasar dari sebagian besar industri bioteknologi modern adalah sintesis mikroba, yaitu sintesis berbagai zat aktif biologis dengan bantuan mikroorganisme. Sayangnya, benda-benda yang berasal dari tumbuhan dan hewan, karena beberapa alasan, belum menemukan aplikasi yang begitu luas.

Terlepas dari sifat objeknya, tahap utama dalam pengembangan proses bioteknologi apa pun adalah untuk mendapatkan kultur murni organisme (jika ini adalah mikroba), sel atau jaringan (jika ini adalah organisme yang lebih kompleks - tumbuhan atau hewan). Banyak tahapan manipulasi lebih lanjut dengan yang terakhir (yaitu, dengan sel tumbuhan atau hewan), pada kenyataannya, adalah prinsip dan metode yang digunakan dalam produksi mikrobiologi. Baik kultur sel mikroba maupun kultur jaringan tumbuhan dan hewan secara praktis tidak berbeda dengan kultur mikroorganisme dari sudut pandang metodologis.

Dunia mikroorganisme sangat beragam. Saat ini

relatif baik ditandai (atau dikenal) lebih dari 100 ribu spesies yang berbeda. Ini terutama prokariota (bakteri, actinomycetes, rickettsia, cyanobacteria) dan bagian dari eukariota (ragi, jamur berfilamen, beberapa protozoa dan alga). Dengan keragaman mikroorganisme yang begitu luas, masalah yang sangat penting, dan seringkali kompleks, adalah pilihan yang tepat dari organisme yang mampu menyediakan produk yang diinginkan, yaitu melayani keperluan industri. Mikroorganisme dibagi menjadi industri dan non-industri, ini adalah mikroorganisme yang digunakan dalam produksi industri - industri, dan yang tidak digunakan - non-industri.

Basis produksi industri adalah beberapa kelompok mikroorganisme yang dipelajari secara mendalam yang berfungsi sebagai objek model dalam studi proses kehidupan mendasar. Semua mikroorganisme lain belum dipelajari sama sekali oleh ahli genetika, ahli biologi molekuler dan insinyur genetika atau telah dipelajari sampai batas yang sangat terbatas. Yang pertama termasuk Escherichia coli (E. coli), basil jerami (Bac. subtilis) dan ragi roti (S. cerevisiae).

Banyak proses bioteknologi menggunakan mikroorganisme dalam jumlah terbatas yang diklasifikasikan sebagai GRAS (umumnya diakui aman). Mikroorganisme tersebut termasuk bakteri Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, jenis bacilli dan lactobacilli lainnya, spesies Streptomyces. Ini juga termasuk spesies jamur Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus dan ragi Saccharomyces, dll. Mikroorganisme GRAS bersifat non-patogen, tidak beracun dan umumnya tidak membentuk antibiotik, oleh karena itu, ketika mengembangkan proses bioteknologi baru, orang harus fokus pada mikroorganisme ini sebagai objek dasar bioteknologi.

Industri mikrobiologi saat ini menggunakan ribuan strain dari ratusan spesies mikroba yang awalnya diisolasi dari sumber alami berdasarkan sifat menguntungkannya dan kemudian (kebanyakan) ditingkatkan menggunakan berbagai metode. Sehubungan dengan perluasan produksi dan jangkauan produk, semakin banyak perwakilan dunia mikroba yang terlibat dalam industri mikrobiologi. Harus disadari bahwa di masa mendatang tidak satupun dari mereka akan dipelajari pada tingkat yang sama seperti E.coli dan Bac.subtilis. Dan alasannya sangat sederhana - kerja keras yang luar biasa dan biaya tinggi dari penelitian semacam ini.

Objek bioteknologi yang paling umum adalah:

Bakteri dan cyanobacteria;

Rumput laut;

Protozoa;

Kultur sel tumbuhan dan hewan;

Tanaman - lebih rendah (anabena-azolla) dan lebih tinggi - duckweed.

Struktur subseluler (virus, plasmid, DNA).

Bakteri dan cyanobacteria

Fungsi bioteknologi bakteri beragam.

Bakteri asam asetat, genus Gluconobacter dan Acetobacter.

Bakteri gram negatif yang mengubah etanol menjadi asam asetat dan asam asetat menjadi karbon dioksida dan air.

Perwakilan dari genus Bacillus - B.subtilis B.thuringiensis digunakan untuk mendapatkan probiotik, zat yang memiliki efek antibiotik pada mikroorganisme lain, serta pada serangga (B.thuringiensis). Mereka adalah bakteri gram positif yang membentuk endospora.

B.subtilis adalah aerob yang ketat, sedangkan B.thuringiensis juga dapat hidup dalam kondisi anaerobik.

Anaerobik, bakteri pembentuk spora diwakili oleh genus Clostridium. C.acetobutylicum memfermentasi gula menjadi aseton, etanol, isopropanol dan n-butanol (fermentasi acetobutanol), spesies lain juga dapat memfermentasi pati, pektin dan berbagai senyawa nitrogen.

Bakteri asam laktat termasuk perwakilan dari genera Lactobacillus, Leuconostoc dan Streptococcus, yang tidak membentuk spora, bersifat gram positif dan tidak peka terhadap oksigen.

Bakteri heterofermentatif dari genus Leuconostoc mengubah karbohidrat menjadi asam laktat, etanol, dan karbon dioksida.

Bakteri homofermentatif dari genus Streptococcus hanya menghasilkan asam laktat.

Perwakilan dari genus Lactobacillus menyediakan sejumlah produk berbeda bersama dengan asam laktat.

Perwakilan dari genus Corynebacterium, sel gram positif non-motil C. glutamicum berfungsi sebagai sumber lisin dan monosodium glutamat.

Jenis lain dari corynebacteria digunakan untuk pencucian bijih mikroba dan pembuangan limbah pertambangan.

Properti beberapa bakteri ini banyak digunakan, seperti diazotrofi, yaitu kemampuan untuk memperbaiki nitrogen atmosfer.

Ada 2 kelompok diazotrof:

Simbion: tanpa bintil akar (kebanyakan lumut), dengan bintil akar (kacang-kacangan);

Hidup bebas: heterotrof (azotobacter, clostridium, methylobacter), autotrof (chlorobium, rhodospirillum dan amebobacter).

Bakteri juga digunakan untuk tujuan rekayasa genetika.

Cyanobacteria memiliki kemampuan untuk memperbaiki nitrogen, yang membuat mereka menjadi produsen protein yang sangat menjanjikan. Dalam sitoplasma sel, produk yang dekat dengan glikogen disimpan.

Perwakilan cyanobacteria seperti nostoc, spirulina, trichodesmium dapat dimakan dan langsung dimakan. Nostok membentuk kerak di tanah tandus yang membengkak saat basah. Di Jepang, penduduk setempat memakan lapisan nostoc yang terbentuk di lereng gunung berapi dan menyebutnya roti jelai Tengu (Tengu adalah roh gunung yang baik).

Spirulina (Spirulina platensis) berasal dari Afrika - wilayah Danau Chad.

Spirulina maxima tumbuh di perairan Danau Texcoco di Meksiko. Bahkan suku Aztec mengumpulkannya dari permukaan danau dan memakannya.

Spirulina digunakan untuk membuat biskuit, yang merupakan massa kering dari spirulina.

Analisis menunjukkan bahwa spirulina mengandung 65% protein (lebih banyak dari kedelai), 19% karbohidrat, 6% pigmen, 4% lipid, 3% serat, dan 3% abu. Protein dicirikan oleh kandungan asam amino yang seimbang. Dinding sel ganggang ini dicerna dengan baik.

Spirulina dapat dibudidayakan di kolam terbuka atau dalam sistem pipa polietilen tertutup. Hasil sangat tinggi: diperoleh hingga 20 g berat kering alga per 1 m 2 per hari, yaitu sekitar 10 kali lebih tinggi dari hasil gandum.

Industri farmasi dalam negeri memproduksi obat "Splat" berdasarkan cyanobacterium Spirulina platensis. Ini mengandung kompleks vitamin dan mikro dan digunakan sebagai agen tonik dan imunostimulasi.

Escherichia coli

Escherichia coli adalah salah satu organisme yang paling banyak dipelajari. Selama lima puluh tahun terakhir, dimungkinkan untuk memperoleh informasi yang komprehensif tentang genetika, biologi molekuler, biokimia, fisiologi, dan biologi umum. Escherichia coli. Ini adalah gram negatif, rak bergerak dengan panjang kurang dari 10 µm. Habitatnya adalah usus manusia dan hewan, tetapi juga dapat hidup di tanah dan air. Biasanya Escherichia coli tidak bersifat patogen, namun dalam kondisi tertentu dapat menyebabkan penyakit pada manusia dan hewan.

Karena kemampuan mengalikan dengan pembagian sederhana pada media yang hanya mengandung ion Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, NH 4 +, Cl -, HPO 4 2- dan SO 4 2-, elemen jejak dan karbon sumber (misalnya, glukosa ), e. coli menjadi subjek favorit penelitian ilmiah.

Saat berkultivasi e. coli pada media nutrisi cair yang diperkaya yang mengandung asam amino, vitamin, garam, elemen jejak dan sumber karbon, waktu generasi (yaitu waktu antara pembentukan bakteri dan pembelahan berikutnya) dalam fase pertumbuhan logaritmik pada suhu 37°C adalah sekitar 22 menit.

e. coli dapat tumbuh di bawah kondisi aerobik (dengan adanya oksigen) dan anaerobik (tanpa oksigen). Namun, untuk produksi protein rekombinan yang optimal e. coli biasanya tumbuh dalam kondisi aerobik.

Jika tujuan budidaya bakteri di laboratorium adalah sintesis dan isolasi protein tertentu, maka biakan tersebut ditumbuhkan pada media nutrisi cair kompleks dalam labu. Untuk mempertahankan suhu yang diinginkan dan memastikan aerasi media biakan yang cukup, labu ditempatkan di penangas air atau ruang yang dikontrol suhu dan dikocok terus menerus. Aerasi seperti itu cukup untuk reproduksi sel, tetapi tidak selalu untuk sintesis protein tertentu.

Pertumbuhan sel dan produksi protein tidak dibatasi oleh kandungan sumber karbon atau nitrogen dalam media nutrisi, tetapi oleh kandungan oksigen terlarut: pada 20 ° C, kira-kira sembilan juta. Ini menjadi sangat penting dalam produksi industri protein rekombinan. Untuk memastikan kondisi optimal untuk produksi protein maksimum, fermentor khusus dirancang dan sistem aerasi dibuat.

Untuk setiap organisme hidup, terdapat interval suhu tertentu yang optimal untuk pertumbuhan dan reproduksinya. Suhu yang terlalu tinggi menyebabkan denaturasi protein dan penghancuran komponen seluler penting lainnya, yang menyebabkan kematian sel. Pada suhu rendah, proses biologis melambat secara signifikan atau berhenti sama sekali karena perubahan struktural yang dialami molekul protein.

Berdasarkan rezim suhu yang disukai mikroorganisme tertentu, mereka dapat dibagi menjadi termofil (dari 45 hingga 90 ° C ke atas), mesofil (dari 10 hingga 47 ° C) dan psikrofil (dari -5 hingga 35 ° C). mikroorganisme yang aktif berkembang biak hanya pada kisaran suhu tertentu dapat menjadi alat yang berguna untuk memecahkan berbagai masalah bioteknologi. Misalnya, termofil sering menyediakan gen yang mengkode enzim termostabil yang digunakan dalam proses industri atau laboratorium, sedangkan psikrotrof yang dimodifikasi secara genetik digunakan untuk mendegradasi limbah beracun yang terkandung dalam tanah dan air pada suhu rendah.

Selain dari e. coli, banyak mikroorganisme lain yang digunakan dalam bioteknologi molekuler (Tabel 1). Mereka dapat dibagi menjadi dua kelompok: mikroorganisme sebagai sumber gen spesifik dan mikroorganisme yang dibuat dengan metode rekayasa genetika untuk memecahkan masalah tertentu. Gen spesifik termasuk, misalnya, gen yang mengkode polimerase DNA termostabil, yang digunakan dalam reaksi berantai polimerase (PCR) yang banyak digunakan. Gen ini diisolasi dari bakteri termofilik dan dikloning menjadi e. coli. kelompok mikroorganisme kedua mencakup, misalnya, berbagai galur Corynebacterium glutamicum, yang telah dimodifikasi secara genetik untuk meningkatkan produksi asam amino penting industri.

Tabel 1. Beberapa mikroorganisme hasil rekayasa genetika yang digunakan dalam bioteknologi.

Pada tahap ini, muncul masalah pengembangan strategi dan taktik penelitian yang akan memungkinkan, dengan pengeluaran tenaga kerja yang masuk akal, untuk mengekstraksi semua yang paling berharga dari potensi mikroorganisme baru dalam penciptaan galur produsen penting industri yang sesuai. untuk digunakan dalam proses bioteknologi. Pendekatan klasik adalah mengisolasi mikroorganisme yang diinginkan dari kondisi alam.

1. Sampel bahan diambil dari habitat alami produsen yang diduga (sampel bahan diambil) dan diinokulasi ke dalam lingkungan elektif yang memastikan perkembangan dominan mikroorganisme yang diinginkan, yaitu, apa yang disebut kultur pengayaan diperoleh.

2. Langkah selanjutnya adalah isolasi kultur murni dengan studi diagnostik diferensial lebih lanjut dari mikroorganisme yang diisolasi dan, jika perlu, penentuan perkiraan kapasitas produksinya.

Ada cara lain untuk memilih mikroorganisme penghasil - ini adalah pilihan spesies yang diinginkan dari koleksi mikroorganisme yang dipelajari dengan baik dan dikarakterisasi secara menyeluruh. Ini, tentu saja, menghilangkan kebutuhan untuk melakukan sejumlah operasi padat karya.

Kriteria utama untuk memilih objek bioteknologi (dalam kasus kami, mikroorganisme produsen) adalah kemampuan untuk mensintesis produk target. Namun, selain itu, teknologi proses itu sendiri mungkin mengandung persyaratan tambahan, yang terkadang sangat, sangat penting, apalagi menentukan. Secara umum, mikroorganisme harus:

Memiliki tingkat pertumbuhan yang tinggi;

1. Organisme uniseluler biasanya dicirikan oleh tingkat pertumbuhan dan proses sintetik yang lebih tinggi daripada organisme tingkat tinggi. Namun, ini tidak berlaku untuk semua mikroorganisme. Ada beberapa di antaranya (misalnya oligotrofik) yang tumbuh sangat lambat, tetapi menarik, karena mampu menghasilkan berbagai zat yang sangat berharga.

Buang substrat murah yang diperlukan untuk kehidupan mereka;

2. Perhatian khusus sebagai objek pengembangan bioteknologi diwakili oleh mikroorganisme fotosintetik yang menggunakan energi sinar matahari dalam hidupnya. Beberapa dari mereka (cyanobacteria dan eukariota fotosintetik) menggunakan CO2 sebagai sumber karbon, dan beberapa perwakilan cyanobacteria, selain semua hal di atas, memiliki kemampuan untuk mengasimilasi nitrogen atmosfer (yaitu, mereka sangat tidak membutuhkan nutrisi).

Mikroorganisme fotosintetik menjanjikan sebagai penghasil amonia, hidrogen, protein, dan sejumlah senyawa organik. Namun, kemajuan dalam penggunaannya karena pengetahuan dasar yang terbatas tentang organisasi genetik mereka dan mekanisme biologis molekuler dari aktivitas vital, tampaknya, tidak diharapkan dalam waktu dekat.

Menjadi tahan terhadap mikroflora asing, yaitu menjadi sangat kompetitif.

3. Beberapa perhatian diberikan pada objek bioteknologi seperti mikroorganisme termofilik yang tumbuh pada suhu 60–80 ° C. Sifat mereka ini merupakan hambatan yang hampir tidak dapat diatasi untuk pengembangan mikroflora asing selama budidaya yang relatif tidak steril, yaitu. terhadap polusi. Di antara termofil, penghasil alkohol, asam amino, enzim, dan molekul hidrogen telah ditemukan. Selain itu, tingkat pertumbuhan dan aktivitas metabolisme mereka 1,5–2 kali lebih tinggi daripada mesofil. Enzim yang disintesis oleh termofil ditandai dengan peningkatan resistensi terhadap panas, beberapa zat pengoksidasi, deterjen, pelarut organik, dan faktor merugikan lainnya. Pada saat yang sama, mereka tidak terlalu aktif pada suhu normal. Jadi, protease dari salah satu perwakilan mikroorganisme termofilik 100 kali lebih aktif pada 200 C dibandingkan pada 750 C. Yang terakhir adalah properti yang sangat penting untuk beberapa produksi industri.

Semua hal di atas memberikan pengurangan yang signifikan dalam biaya produksi produk target.

Pilihan

Komponen integral dalam proses penciptaan produsen yang paling berharga dan aktif, yaitu dalam pemilihan objek dalam bioteknologi, adalah pemilihannya. Dan cara umum seleksi adalah konstruksi genom secara sadar pada setiap tahap pemilihan produsen yang diinginkan. Dalam pengembangan teknologi mikroba, pada suatu waktu mereka memainkan (dan masih terus memainkan) metode peran yang sangat penting berdasarkan pemilihan varian modifikasi yang muncul secara spontan yang dicirikan oleh fitur berguna yang diperlukan. Dengan metode seperti itu, seleksi bertahap biasanya digunakan: pada setiap tahap seleksi, varian paling aktif (mutan spontan) dipilih dari populasi mikroorganisme, dari mana strain baru yang lebih efektif dipilih pada tahap berikutnya.

Proses pemilihan produsen yang paling efektif dipercepat secara signifikan saat menggunakan metode induksi mutagenesis.

Sebagai efek mutagenik, radiasi UV, sinar-X dan gamma, bahan kimia tertentu, dll.Namun, teknik ini juga bukan tanpa kekurangan, yang utamanya adalah tenaga kerja dan kurangnya informasi tentang sifat perubahan, karena eksperimen memilih sesuai dengan hasil akhir.

Dengan demikian, tren saat ini adalah desain sadar dari strain mikroorganisme dengan sifat yang diinginkan berdasarkan pengetahuan mendasar tentang organisasi genetik dan mekanisme biologis molekuler dari implementasi fungsi utama tubuh.

Pemilihan mikroorganisme untuk industri mikrobiologi dan penciptaan galur baru seringkali ditujukan untuk meningkatkan kapasitas produksinya, yaitu. pembentukan produk tertentu. Solusi dari masalah ini, pada tingkat tertentu, dikaitkan dengan perubahan proses pengaturan di dalam sel.

Perubahan laju reaksi biokimia pada bakteri dapat terjadi setidaknya dalam dua cara. Salah satunya yang sangat cepat (direalisasikan dalam hitungan detik atau menit) adalah mengubah aktivitas katalitik molekul enzim individu. Yang kedua, yang lebih lambat (direalisasikan selama beberapa menit), terdiri dari perubahan laju sintesis enzim. Kedua mekanisme tersebut menggunakan prinsip kontrol sistem tunggal - prinsip umpan balik, meskipun ada juga mekanisme yang lebih sederhana untuk mengatur aktivitas metabolisme sel. Cara paling sederhana untuk mengatur jalur metabolisme apa pun didasarkan pada ketersediaan substrat atau keberadaan enzim. Penurunan jumlah substrat (konsentrasinya dalam medium) menyebabkan penurunan laju aliran zat tertentu melalui jalur metabolisme tertentu. Di sisi lain, peningkatan konsentrasi substrat menyebabkan stimulasi jalur metabolisme. Oleh karena itu, terlepas dari faktor lainnya, keberadaan (ketersediaan) substrat harus dianggap sebagai mekanisme potensial untuk setiap jalur metabolisme. Kadang-kadang cara yang efektif untuk meningkatkan hasil produk target adalah dengan meningkatkan konsentrasi prekursor tertentu dalam sel.

Cara paling umum untuk mengatur aktivitas reaksi metabolisme dalam sel adalah dengan mengatur jenis retroinhibisi.

Biosintesis banyak metabolit primer dicirikan oleh fakta bahwa dengan peningkatan konsentrasi produk akhir dari jalur biosintesis ini, aktivitas salah satu enzim pertama dari jalur ini terhambat. Kehadiran mekanisme pengaturan seperti itu pertama kali dilaporkan pada tahun 1953 oleh A. Novik dan L. Szillard, yang mempelajari biosintesis triptofan oleh sel E. coli. Langkah terakhir dalam biosintesis asam amino aromatik tertentu terdiri dari beberapa tahap yang dikatalisis oleh masing-masing enzim.

Para penulis ini menemukan bahwa dalam salah satu mutan E. coli dengan gangguan biosintesis triptofan, penambahan asam amino ini (yang merupakan produk akhir dari jalur biosintetik ini) secara tajam menghambat akumulasi salah satu prekursor, indol gliserofosfat, di dalam sel. Meski begitu, disarankan agar triptofan menghambat aktivitas beberapa enzim yang mengkatalisis pembentukan indol gliserofosfat. Ini telah dikonfirmasi.

Bioteknologi modern didasarkan pada pencapaian ilmu alam, teknik, teknologi, biokimia, mikrobiologi, biologi molekuler, dan genetika. Metode biologis digunakan dalam perang melawan pencemaran lingkungan dan hama organisme tumbuhan dan hewan. Pencapaian bioteknologi juga dapat mencakup penggunaan enzim amobil, produksi vaksin sintetik, penggunaan teknologi sel dalam pemuliaan.

Hibridoma dan antibodi monoklonal yang dihasilkannya banyak digunakan sebagai agen diagnostik dan terapeutik.

Bakteri, jamur, ganggang, lumut, virus, protozoa memainkan peran penting dalam kehidupan manusia. Sejak zaman kuno, orang telah menggunakannya dalam proses memanggang, membuat anggur dan bir, dan di berbagai industri. Saat ini, sehubungan dengan masalah perolehan zat protein yang berharga, peningkatan kesuburan tanah, pembersihan lingkungan dari polutan, perolehan sediaan biologis, dan tujuan serta sasaran lainnya, jangkauan studi dan penggunaan mikroorganisme telah berkembang secara signifikan. Mikroorganisme membantu manusia dalam produksi nutrisi protein dan biogas yang efisien. Mereka digunakan dalam penerapan metode bioteknik pemurnian udara dan air limbah, dalam penggunaan metode biologis untuk penghancuran hama pertanian, dalam produksi sediaan obat, dalam penghancuran bahan limbah.

Beberapa jenis bakteri digunakan untuk meregenerasi metabolit dan obat-obatan yang berharga, mereka digunakan untuk memecahkan masalah pengaturan diri dan biosintesis biologis, dan untuk memurnikan badan air.

Mikroorganisme, dan terutama bakteri, adalah objek klasik untuk memecahkan masalah umum genetika, biokimia, biofisika, dan biologi luar angkasa. Bakteri banyak digunakan dalam memecahkan banyak masalah dalam bioteknologi.

Reaksi mikrobiologi karena spesifisitasnya yang tinggi banyak digunakan dalam proses transformasi kimia senyawa senyawa alami yang aktif secara biologis. Ada sekitar 20 jenis reaksi kimia yang dilakukan oleh mikroorganisme. Banyak dari mereka (hidrolisis, reduksi, oksidasi, sintesis, dll.) Berhasil digunakan dalam kimia farmasi. Saat menghasilkan reaksi ini, berbagai jenis bakteri, aktinomisetes, jamur mirip ragi, dan mikroorganisme lainnya digunakan.

Industri bioteknologi telah diciptakan untuk produksi antibiotik, enzim, interferon, asam organik, dan metabolit lain yang dihasilkan oleh banyak mikroorganisme.

Beberapa jamur dari marga Aspergillus dan Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) mampu menghidrolisis glukosida jantung, xilosida dan rhamnosida, serta glikosida yang mengandung glukosa, galaktosa atau arabinosa sebagai gula akhir. . Dengan bantuan A.terreus, asam nikotinat diperoleh.

Di bidang farmasi, transformasi mikrobiologis digunakan untuk mendapatkan zat yang lebih aktif secara fisiologis atau produk setengah jadi, yang sintesisnya dengan cara kimiawi murni dicapai dengan susah payah atau tidak mungkin sama sekali.

Reaksi mikrobiologis digunakan dalam mempelajari metabolisme zat obat, mekanisme aksinya, serta untuk menjelaskan sifat dan aksi enzim.

Penghasil zat aktif biologis banyak protozoa. Secara khusus, protozoa yang hidup di dalam rumen ruminansia menghasilkan enzim selulase, yang mendorong penguraian serat (selulosa).

Protozoa adalah penghasil tidak hanya enzim, tetapi juga histon, serotonin, lipopolisakarida, lipopolipeptidoglikan, asam amino, metabolit yang digunakan dalam pengobatan dan kedokteran hewan, industri makanan dan tekstil. Mereka adalah salah satu objek yang digunakan dalam bioteknologi.

Agen penyebab trypanosomiasis Amerika Selatan, Trypanosoma cruzi, adalah penghasil crucin obat antikanker dan analognya, trypanose. Obat ini memiliki efek sitotoksik pada sel tumor ganas.

Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti dan Astasia longa juga merupakan penghasil penghambat antiblastoma.

Obat astalizide yang diproduksi oleh Astasia longa tidak hanya memiliki efek antiblastoma, tetapi juga antibakteri (terhadap E. coli dan Pseudomonas aeruginosa), serta antiprotozoal (terhadap Leischmania).

Yang paling sederhana digunakan untuk mendapatkan asam lemak tak jenuh ganda, polisakarida, histon, serotonin, enzim, glukan untuk digunakan dalam pengobatan, serta dalam industri makanan dan tekstil.

Herpetomonas sp. Dan Crithidia fasciculate menghasilkan polisakarida yang melindungi hewan dari Trpanosoma cruzi.

Karena biomassa protozoa mengandung protein hingga 50%, protozoa yang hidup bebas digunakan sebagai sumber protein pakan untuk hewan.

Persiapan enzim Aspergillus oryzae digunakan dalam industri pembuatan bir, sedangkan enzim A.niger digunakan dalam produksi dan klarifikasi jus buah dan asam sitrat. Pemanggangan makanan yang dipanggang ditingkatkan dengan penggunaan enzim A.oryzae dan A.awamori. Dalam produksi asam sitrat, cuka, makanan ternak, dan produk roti, indikator kinerja ditingkatkan ketika Aspergillus niger dan actinomycetes digunakan dalam proses teknologi. Penggunaan sediaan pektinase murni dari miselium A. niger dalam produksi jus membantu meningkatkan hasil, mengurangi viskositas, dan meningkatkan klarifikasi.

Enzim bakteri (Bac.subtilis) digunakan untuk menjaga kesegaran produk kembang gula dan di mana penguraian zat protein yang dalam tidak diinginkan. Penggunaan sediaan enzim dari Bac.subtilis pada industri kembang gula dan bakery meningkatkan kualitas dan memperlambat proses produk basi. Enzim

Bac.mesentericus mengaktifkan penghilangan kulit mentah.

Mikroorganisme banyak digunakan dalam industri makanan dan fermentasi.

Ragi susu banyak digunakan dalam industri susu. Dengan bantuan mereka, siapkan koumiss, kefir. Enzim dari mikroorganisme ini menguraikan gula susu menjadi alkohol dan karbon dioksida, akibatnya rasa produk meningkat dan daya cerna tubuh meningkat. Saat memperoleh produk asam laktat di industri susu, ragi banyak digunakan, yang tidak memfermentasi gula susu dan tidak menguraikan protein dan lemak. Mereka berkontribusi pada pengawetan minyak dan meningkatkan kelangsungan hidup bakteri asam laktat. Ragi filmy (mycoderma) berkontribusi pada pematangan keju laktat.

Jamur Penicillum roqueforti digunakan dalam produksi keju Roquefort, dan jamur Penicillum camemberi digunakan dalam proses pematangan keju snack.

Dalam industri tekstil, fermentasi pektin banyak digunakan, disediakan oleh aktivitas enzimatik Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. Fermentasi pektin mendasari pemrosesan awal rami berserat, rami, dan tanaman lain yang digunakan untuk membuat benang dan kain.

Hampir semua senyawa alami diurai oleh bakteri, karena aktivitas biokimianya, tidak hanya dalam reaksi oksidatif yang melibatkan oksigen, tetapi juga secara anaerobik dengan akseptor elektron seperti nitrat, sulfat, belerang, karbon dioksida. Bakteri berpartisipasi dalam siklus semua elemen penting secara biologis dan memastikan sirkulasi zat di biosfer. Banyak reaksi kunci dari siklus materi (misalnya, nitrifikasi, denitrifikasi, fiksasi nitrogen, oksidasi dan reduksi belerang) dilakukan oleh bakteri. Peran bakteri dalam proses penghancuran sangat menentukan.

Banyak spesies dan varietas ragi memiliki kemampuan untuk memfermentasi berbagai karbohidrat menjadi alkohol dan produk lainnya. Mereka banyak digunakan dalam industri pembuatan bir, anggur dan roti. Perwakilan khas dari ragi tersebut adalah Saccharomyces cerevisial, S.ellipsoides.

Banyak mikroorganisme, termasuk jamur mirip ragi dan beberapa jenis jamur mikroskopis, telah lama digunakan dalam transformasi berbagai substrat untuk mendapatkan berbagai jenis produk makanan. Misalnya penggunaan ragi untuk menghasilkan roti berpori dari tepung, penggunaan jamur dari marga Rhisopus, Aspergillus untuk fermentasi beras dan kedelai, produksi produk asam laktat menggunakan bakteri asam laktat, ragi, dll.

Mutan auxotrophic dari Candida guillermondii digunakan untuk mempelajari flavinogenesis. Jamur hifa mampu mengasimilasi hidrokarbon minyak, parafin, n-hexadecane, dan solar dengan baik.

Untuk berbagai tingkat pemurnian zat ini, spesies dari genera Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma digunakan.

Strain Penicillium digunakan untuk pemanfaatan asam lemak, dan alkohol sekunder berlemak lebih baik diproses dengan adanya strain Penicillium dan Trichoderma.

Spesies jamur Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria digunakan untuk pembuangan parafin, minyak parafin, bahan bakar diesel, hidrokarbon aromatik, alkohol polihidrat, asam lemak.

Penicillium vitale digunakan untuk mendapatkan sediaan oksidase glukosa murni yang menghambat perkembangan patogen dermatomycetes Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

Penggunaan industri mikroorganisme untuk mendapatkan produk makanan baru berkontribusi pada penciptaan industri seperti pembuatan roti dan produk susu, produksi antibiotik, vitamin, asam amino, alkohol, asam organik, dll.

Penggunaan bakteri asam laktat sejati (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis, dll.) Atau kombinasinya dengan ragi dalam industri makanan memungkinkan untuk mendapatkan tidak hanya asam laktat, tetapi juga asam laktat dan produk sayuran asam. Ini termasuk susu kental, matsoni, susu panggang fermentasi, krim asam, keju cottage, asinan kubis, acar mentimun dan tomat, keju, kefir, adonan roti asam, kvass roti, koumiss dan produk lainnya. Untuk persiapan susu kental dan keju cottage, Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum digunakan.

Saat menyiapkan minyak, bakteri penyedap dan lactic streptococci Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus digunakan.

Bakteri asam laktat palsu (komune E. coli, Bact. Lactis aerogenes, dll.) Terlibat dalam proses pembuatan pakan hijau.

Di antara metabolit sel mikroba, tempat khusus ditempati oleh zat yang bersifat nukleotida, yang merupakan produk antara dalam proses oksidasi biologis. Zat-zat ini adalah bahan baku yang sangat penting untuk sintesis turunan asam nukleat, obat antimikroba dan antiblastoma yang berharga, dan zat aktif biologis lainnya untuk industri mikrobiologi dan pertanian.

Sintesis mikrobiologis pada dasarnya mewakili reaksi yang terjadi dalam sel hidup. Untuk melakukan sintesis tersebut, digunakan bakteri yang mampu memfosforilasi basa purin dan pirimidin, nukleosidanya atau analog sintetik dari komponen asam nukleat dengan berat molekul rendah.

E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, gen B.ammonia, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp. memiliki kemampuan tersebut.

Mikroorganisme juga dapat digunakan dalam ekstraksi batubara dari bijih. Bakteri litotrofik (Thiobacillus ferrooxidous) mengoksidasi besi sulfat menjadi besi sulfat. Besi oksida sulfat, pada gilirannya, mengoksidasi uranium tetravalen, akibatnya uranium dalam bentuk kompleks sulfat mengendap menjadi larutan. Uranium diekstraksi dari larutan dengan metode hidrometalurgi.

Selain uranium, logam lain, termasuk emas, dapat dilarutkan dari larutan. Pencucian logam oleh bakteri karena oksidasi sulfida yang terkandung dalam bijih memungkinkan untuk mengekstraksi logam dari bijih yang kurang seimbang.

Cara yang sangat menguntungkan dan hemat energi untuk mengubah bahan organik menjadi bahan bakar adalah metanogenesis dengan partisipasi sistem mikroba multikomponen. Bakteri pembentuk metana, bersama dengan mikroflora asetonogenik, mengubah zat organik menjadi campuran metana dan karbon dioksida.

Mikroorganisme dapat digunakan tidak hanya untuk menghasilkan bahan bakar gas, tetapi juga untuk meningkatkan produksi minyak.

Mikroorganisme dapat membentuk zat aktif permukaan yang mengurangi tegangan permukaan pada antarmuka antara minyak dan air menggantikannya. Sifat pengganti air meningkat dengan meningkatnya viskositas, yang dicapai dengan penggunaan lendir bakteri, yang terdiri dari polisakarida.

Dengan metode pengembangan ladang minyak yang ada, tidak lebih dari setengah cadangan minyak geologis diekstraksi. Dengan bantuan mikroorganisme, dimungkinkan untuk memastikan pencucian minyak dari reservoir dan pelepasannya dari serpih minyak.

Bakteri pengoksidasi metana yang ditempatkan di lapisan minyak menguraikan minyak dan berkontribusi pada pembentukan gas (metana, hidrogen, nitrogen) dan karbon dioksida. Saat gas menumpuk, tekanannya pada oli meningkat dan, sebagai tambahan, oli menjadi kurang kental. Akibatnya, minyak dari sumur mulai menyembur keluar.

Harus diingat bahwa penggunaan mikroorganisme dalam kondisi apa pun, termasuk kondisi geologis, memerlukan penciptaan kondisi yang menguntungkan untuk sistem mikroba yang kompleks.

Penggunaan metode mikrobiologi untuk meningkatkan produksi minyak sangat tergantung pada situasi geologis. Perkembangan bakteri pereduksi sulfat dalam formasi dapat menyebabkan produksi hidrogen sulfida berlebih dan korosi pada peralatan, dan alih-alih meningkatkan porositas, bakteri dan lendirnya dapat menyumbat pori-pori.

Bakteri berkontribusi pada pencucian logam dari tambang lama dari mana bijih dipilih dan dari pembuangan. Dalam industri, proses pencucian mikrobiologis digunakan untuk memperoleh tembaga, seng, nikel, dan kobalt.

Di zona kerja tambang, akibat oksidasi senyawa belerang oleh mikroorganisme di tambang, terbentuk dan terakumulasi air asam tambang. Asam sulfat memiliki efek merusak pada bahan, struktur, lingkungan, dan membawa logam bersamanya. Anda dapat memurnikan air, menghilangkan sulfat dan logam, membuat reaksi menjadi basa dengan bantuan bakteri pereduksi sulfat.

Pembentukan biogenik hidrogen sulfida dapat digunakan untuk memurnikan perairan industri metalurgi. Bakteri fotosintetik anaerob menyebabkan dekomposisi bahan organik yang dalam.

Strain bakteri yang mampu memproses produk plastik telah ditemukan.

Pengenalan zat antropogenik yang berlebihan menyebabkan pelanggaran terhadap keseimbangan alam yang sudah mapan.

Pada tahap awal pengembangan industri, cukup untuk membubarkan polutan di aliran air, yang darinya dihilangkan dengan pemurnian alami. Zat gas tersebar di udara melalui pipa tinggi.

Saat ini, pembuangan limbah telah berkembang menjadi masalah yang sangat serius.

Dalam sistem pemurnian, ketika memurnikan air dari zat organik, metode biologis digunakan menggunakan sistem campuran mikroflora (bakteri aerob, alga, protozoa, bakteriofag, jamur), lumpur aktif, biofilm, pengoksidasi zat yang masuk.

Perwakilan dari campuran mikroba berkontribusi pada intensifikasi proses pemurnian air alami. Tetapi harus diingat bahwa kondisi operasi komunitas mikroba yang stabil adalah keteguhan komposisi lingkungan.

Bakteri, fitoplankton dan zooplankton digunakan untuk mengolah air limbah untuk menjaga kualitas air permukaan dan air tanah. Pengolahan air limbah biologis dapat dilakukan pada tingkat yang berbeda - sebelum dibuang ke reservoir, di perairan permukaan itu sendiri, di air tanah selama proses pemurnian sendiri.

Mikroorganisme banyak digunakan dalam pemurnian biologis air laut dari produk minyak.

Proses tersebut harus dipastikan dengan suplai oksigen dalam jumlah yang cukup pada suhu konstan.

Salah satu tugas bioteknologi adalah pengembangan teknologi untuk memperoleh protein menggunakan mikroorganisme dari berbagai jenis substrat tanaman, dari metana dan hidrogen murni, dari campuran hidrogen dan karbon monoksida, dari hidrokarbon minyak berat menggunakan ragi atau bakteri metilotrofik, Candida. tropicalis, bakteri pengoksidasi metana dan pengurai selulosa serta mikroba lainnya.

Penggunaan strain aktif spesies jamur mikroskopis berkontribusi pada pengayaan pakan seperti pakan ternak, pulp, dedak dengan protein dan asam amino. Untuk tujuan ini, spesies micromycetes termo dan mesofilik Fusarium sp., Thirlavia sp., serta beberapa jenis jamur tingkat tinggi digunakan.

Contoh lain dari penggunaan industri jamur dalam bioteknologi adalah penanaman spesies jamur entomopatogen, khususnya Beanvtria bassiana dan Entomophthora thaxteriana untuk persiapan sediaan "boverine" dan "aphedine" yang digunakan untuk memerangi kutu daun fitopatogenik.

Strain terpilih dari karoten hipersintetik alami dari jamur Blakeslee trispora digunakan dalam produksi industri karoten, yang penting dalam proses pertumbuhan dan perkembangan hewan, meningkatkan ketahanannya terhadap penyakit.

Strain Trichoderma viride yang dipilih digunakan dalam produksi industri persiapan trichodermin berdasarkan mereka untuk memerangi jamur fitopatogenik, terutama ketika menanam tanaman dalam kondisi rumah kaca (mentimun Fusarium, penyakit tanaman berbunga).

Phosphobacterin, yang diperoleh dari Baccilus megathrtium, merupakan cara yang efektif untuk meningkatkan hasil pakan ternak bit, kol, kentang, dan jagung. Di bawah pengaruh obat ini, kandungan fosfor terlarut dalam tanah rizosfer, serta fosfor dan nitrogen dalam massa hijau, meningkat.

Kondisi terpenting untuk produktivitas tanaman polongan yang tinggi adalah peningkatan sintesis zat nitrogen oleh tanaman polongan dengan mengorbankan nitrogen atmosfer. Mikroba nodul dari genus Rhizobium, Eubacteriales, Actinomycetales, Mycobacteriales, spesies Azotobacter chroococcum, Clostridium pasterianum memainkan peran penting dalam asimilasi nitrogen atmosfer oleh tumbuhan.

Dari sel Clostridium pasterianum, Rhodospirillum rubrum, Bac.polymixa, bakteri dari genera Chromatium dan Klebsiella, diperoleh preparat pengikat nitrogen yang mendorong asimilasi nitrogen dari udara oleh tumbuhan.

Di bidang pertanian, untuk meningkatkan produktivitas, digunakan pupuk bakteri seperti Azotobacterin (dibuat dari Azotobacter), Nitragin (dari bakteri bintil), Phosphobacterin (dari Bac. Megatherium).

Pertanian menggunakan pupuk dan pestisida. Begitu berada di lingkungan alami, zat ini berdampak negatif pada hubungan alami dalam biocenosis, dan pada akhirnya, di sepanjang rantai makanan, zat ini berdampak negatif pada kesehatan manusia. Peran positif dalam penghancuran zat-zat ini dalam air dimainkan oleh mikroorganisme aerob dan anaerob.

Di bidang pertanian, perlindungan biologis tanaman dari hama digunakan. Untuk tujuan ini, berbagai organisme digunakan - bakteri, jamur, virus, protozoa, burung, mamalia, dan organisme lain.

Gagasan metode mikrobiologi pengendalian hama pertama kali dikemukakan oleh Mechnikov pada tahun 1879.

Saat ini, persiapan mikrobiologis sedang dibuat yang memusnahkan banyak serangga berbahaya.

Dengan bantuan enterobacterin, Anda bisa melawan hampir semua ulat kupu-kupu. Di antara hama tanaman buah dan berry adalah ngengat apel, hawthorn, lacewing, ulat sutera cincin, ulat daun, dll.

Obat virus virin sangat efektif melawan ulat yang merusak spesies pohon hutan.

Mikroorganisme tanah adalah salah satu kelompok ekologi terbesar. Mereka memainkan peran penting dalam mineralisasi bahan organik dan pembentukan humus. Di bidang pertanian, mikroorganisme tanah digunakan untuk menghasilkan pupuk.

Beberapa jenis mikroorganisme tanah - bakteri, jamur (terutama ascomycetes), protozoa masuk ke dalam asosiasi kompleks (asosiasi) dengan alga, yang merupakan komponen biocenosis air dan tanah.

Alga, sebagai komponen aktif mikroflora tanah, berperan penting dalam siklus biologis unsur abu.

Alga bersama dengan mikroorganisme lainnya digunakan dalam bioteknologi.

Dari lebih dari 100 ribu mikroorganisme yang diketahui, hanya beberapa ratus spesies yang digunakan dalam industri, karena strain industri harus memenuhi sejumlah persyaratan ketat:

1) tumbuh di substrat yang murah;

2) memiliki tingkat pertumbuhan yang tinggi atau memberikan hasil produksi yang tinggi dalam waktu singkat;

3) menunjukkan aktivitas sintetik terhadap produk yang diinginkan; pembentukan produk sampingan harus rendah;

4) stabil dalam kaitannya dengan produktivitas dan persyaratan kondisi budidaya;

5) tahan terhadap fag dan jenis infeksi lainnya;

6) tidak berbahaya bagi manusia dan lingkungan;

7) strain termofilik, asidofilik (atau alkofilik) diinginkan, karena lebih mudah mempertahankan sterilitas dalam produksi dengannya;

8) strain anaerob menarik, karena strain aerobik menimbulkan kesulitan dalam budidaya - mereka membutuhkan aerasi;

9) produk yang dihasilkan harus memiliki nilai ekonomis dan mudah diisolasi.

Dalam praktiknya, strain dari empat kelompok mikroorganisme digunakan:

- ragi;

- jamur berfilamen (jamur);

– bakteri;

- ascomycetes.

Istilah "ragi" dalam arti sempit tidak memiliki arti taksonomi. Ini adalah eukariota uniseluler yang termasuk dalam tiga kelas: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.

Ascomycetes termasuk, pertama-tama, Saccharomyces cerevisiae, strain tertentu yang digunakan dalam pembuatan bir, pembuatan anggur, produksi roti, dan etil alkohol.

Ascomycetes Saccharomyces lipolytica mendegradasi hidrokarbon minyak dan digunakan untuk memperoleh massa protein.

Deuteromycete Candida utilis digunakan sebagai sumber protein dan vitamin dan ditanam pada bahan baku non-makanan: cairan sulfit, hidrolisat kayu, dan hidrokarbon cair.

Deuteromycete Trichosporon cutaneum mengoksidasi banyak senyawa organik, termasuk yang beracun (misalnya fenol), dan digunakan dalam pengolahan air limbah.

Penggunaan jamur miselium:

– dalam memperoleh asam organik: sitrat (Aspergillus niger), glukonat (Aspergillus niger), itakonik (Aspergillus terreus), furmarat (Rhizopus chrysogenum);

- dalam memperoleh antibiotik (penisilin dan sefalosporin);

– dalam produksi jenis keju khusus: Camembert (Penicillium camamberti), Roquefort (Penicillium roqueforti);

- menyebabkan hidrolisis pada media padat: pada pati beras saat pembuatan sake, pada kedelai saat pembuatan tempe, miso.

Bakteri yang menguntungkan disebut eubacteria.

Bakteri asam laktat dari genera Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus telah lama digunakan secara industri.

Bakteri asam asetat dari genera Acetobater, Gluconobacter mengubah etanol menjadi asam asetat.

Bakteri dari genus Bacillus digunakan untuk menghasilkan racun yang berbahaya bagi serangga, serta untuk mensintesis antibiotik dan asam amino.

Bakteri dari genus Corynebacterium digunakan untuk menghasilkan asam amino.

Dari actinomycetes, yang paling representatif adalah genus Streptomyces dan Micromonospora, yang digunakan sebagai penghasil antibiotik. Ketika tumbuh di media padat, actinomycetes membentuk miselium tipis dengan hifa udara, yang berdiferensiasi menjadi rantai konidiospora.

Saat ini, dengan bantuan mikroorganisme, senyawa berikut disintesis:

- alkaloid,

- asam amino,

- antibiotik,

- antimetabolit,

– antioksidan,

- protein,

- vitamin,

- herbisida,

- penghambat enzim

- insektisida,

- ionofor,

- koenzim

- lemak,

- asam nukleat,

- nukleotida dan nukleosida

- oksidan,

- asam organik

- pigmen,

- surfaktan,

- polisakarida,

- agen antihelminthic,

- agen antikanker,

- pelarut,

- hormon pertumbuhan tanaman

- gula,

- sterol dan zat yang diubah,

- faktor transportasi besi,

- zat farmasi

- enzim

- pengemulsi.

2 PRODUKSI PROTEIN SELULER TUNGGAL

ORGANISME

^

2.1 Kelayakan penggunaan mikroorganisme untuk

produksi protein

Sesuai dengan norma nutrisi, seseorang harus menerima 60 hingga 120 g protein lengkap setiap hari dengan makanan.

Untuk mempertahankan fungsi vital tubuh, membangun sel dan jaringan, diperlukan sintesis konstan dari berbagai senyawa protein. Jika tumbuhan dan sebagian besar mikroorganisme mampu mensintesis semua asam amino dari karbon dioksida, air, amonia, dan garam mineral, maka manusia dan hewan tidak dapat mensintesis beberapa asam amino (valin, leusin, isoleusin, lisin, metionin, treonin, triptofan, dan fenilalanin). Asam amino ini disebut esensial. Mereka harus berasal dari makanan. Kekurangan mereka menyebabkan penyakit manusia yang parah dan mengurangi produktivitas hewan ternak.

Saat ini defisit protein dunia sekitar 15 juta ton. Sintesis mikrobiologi yang paling menjanjikan. Jika untuk sapi dibutuhkan 2 bulan untuk menggandakan massa protein, untuk babi - 1,5 bulan, untuk ayam - 1 bulan, kemudian untuk bakteri dan ragi - dari 1 hingga 6 jam. Produksi produk protein makanan dunia karena sintesis mikroba lebih dari 15 ribu ton per tahun.

Perhatikan contoh: waktu penggandaan Escherichia coli adalah 20 menit, kemudian setelah 20 menit dua sel anak terbentuk dari satu sel, setelah 40 menit - empat "cucu", setelah 60 menit - delapan "cicit", setelah 80 menit - 16 "cicit perempuan". Setelah 10 jam 40 menit, lebih dari 6 miliar bakteri akan terbentuk dari satu bakteri, yang sesuai dengan populasi Bumi, dan setelah 44 jam, dari satu bakteri dengan berat 1 10 -12 g, akan terbentuk biomassa dalam jumlah yang banyak. dari 6 10 24 g, yang sesuai dengan massa Bumi.

Penggunaan berbagai mikroorganisme sebagai sumber protein dan vitamin disebabkan oleh faktor-faktor berikut:

A) kemungkinan penggunaan berbagai senyawa kimia untuk budidaya mikroorganisme, termasuk limbah produksi;

B) teknologi produksi mikroorganisme yang relatif sederhana, yang dapat dilakukan sepanjang tahun; kemungkinan otomatisasinya;

C) kandungan protein yang tinggi (hingga 60...70%) dan vitamin, serta karbohidrat, lipid dalam sediaan mikroba;

D) kandungan asam amino esensial yang tinggi dibandingkan dengan protein nabati;

E) kemungkinan pengaruh genetik terarah pada komposisi kimia mikroorganisme untuk meningkatkan nilai protein dan vitamin produk.

Untuk produksi industri produk makanan berdasarkan mikroorganisme, diperlukan penelitian biomedis yang cermat. Produk tersebut harus menjalani pengujian komprehensif untuk mengidentifikasi efek karsinogenik, mutagenik, embriotropik pada manusia dan hewan. Studi toksikologi, kecernaan produk sintesis mikroba adalah kriteria utama untuk kelayakan teknologi produksinya.

Ragi, bakteri, ganggang dan jamur berfilamen digunakan untuk menghasilkan protein.

Keunggulan ragi dibandingkan mikroorganisme lain adalah kemampuan manufakturnya: resistensi terhadap infeksi, kemudahan pemisahan dari media karena ukuran sel yang besar. Mereka mampu mengakumulasi hingga 60% protein yang kaya lisin, treonin, valin, dan leusin (asam amino ini langka dalam makanan nabati). Fraksi massa asam nukleat hingga 10%, yang memiliki efek berbahaya bagi tubuh. Sebagai hasil dari hidrolisisnya, terbentuk banyak basa purin, yang kemudian berubah menjadi asam urat dan garamnya, yang menyebabkan urolitiasis, osteochondrosis, dan penyakit lainnya. Tingkat penambahan massa ragi yang optimal pada pakan hewan ternak adalah dari 5 hingga 10% bahan kering. Ragi digunakan untuk keperluan makanan dan pakan.

Keunggulan bakteri adalah laju pertumbuhan yang tinggi dan kemampuan mensintesis hingga 80% protein. Protein yang dihasilkan mengandung banyak asam amino yang kurang: metionin dan sistein. Kerugiannya adalah ukuran sel yang kecil dan konsentrasinya yang rendah dalam media kultur, yang mempersulit proses isolasi. Beberapa lipid bakteri mungkin mengandung racun. Fraksi massa asam nukleat hingga 16%. Digunakan untuk tujuan pakan saja.

Keunggulan alga adalah tingginya kandungan protein yang lengkap dari segi komposisi asam amino, terakumulasi dalam jumlah 65%, isolasi alga yang mudah dari media kultur, kandungan asam nukleat yang rendah - 4% (untuk perbandingan - pada tumbuhan tinggi 1 ... 2%). Alga digunakan untuk keperluan makanan dan pakan.

Jamur otot secara tradisional digunakan sebagai produk makanan di negara-negara Afrika, di India, Indonesia, Cina, dll. Mereka mengakumulasi hingga 50% protein, yang dalam hal komposisi asam amino mendekati protein hewani, kaya akan Vitamin B. Dinding selnya tipis dan mudah dicerna di saluran cerna saluran cerna hewan. Fraksi massa asam nukleat adalah 2,5%.

Sejak tahun 1985, protein mikroba telah digunakan dalam industri makanan untuk pembuatan berbagai produk dan produk setengah jadi.

Tiga penggunaan utama protein mikroba dipertimbangkan dalam produksi makanan:

1) seluruh massa (tanpa penghancuran dinding sel);

2) biomassa yang dimurnikan sebagian (perkiraan penghancuran dinding sel dan penghilangan komponen yang tidak diinginkan);

3) protein diisolasi dari biomassa (isolat).

WHO (Organisasi Kesehatan Dunia) telah menyimpulkan bahwa protein mikroorganisme dapat digunakan dalam makanan, tetapi jumlah asam nukleat yang diperbolehkan yang dimasukkan dengan protein ke dalam makanan orang dewasa tidak boleh melebihi 2 g per hari. Pengenalan protein mikroba tidak menimbulkan konsekuensi negatif, tetapi terjadi reaksi alergi, penyakit lambung, dll.