1 Mikroorganizmi se uporabljajo v industrijski proizvodnji. Industrijska uporaba mikroorganizmov

Široka razširjenost mikroorganizmov kaže na njihovo izjemno vlogo v naravi. Z njihovo udeležbo pride do razgradnje različnih organskih snovi v tleh in vodnih telesih, določajo kroženje snovi in ​​energije v naravi; od njihove dejavnosti je odvisna rodovitnost tal, nastajanje premoga, nafte in mnogih drugih mineralov. Mikroorganizmi sodelujejo pri preperevanju kamnin in drugih naravnih procesih.

Številni mikroorganizmi se uporabljajo v industrijski in kmetijski pridelavi. Tako pekarstvo, proizvodnja fermentiranih mlečnih izdelkov, vinarstvo, proizvodnja vitaminov, encimov, živilskih in krmnih beljakovin, organskih kislin in številnih snovi, ki se uporabljajo v kmetijstvu, industriji in medicini, temeljijo na delovanju različnih mikroorganizmov. Posebej pomembna je uporaba mikroorganizmov v rastlinski pridelavi in ​​živinoreji. Od njih je odvisno obogatitev tal z dušikom, zatiranje škodljivcev kmetijskih pridelkov s pomočjo mikrobnih pripravkov, pravilna priprava in shranjevanje krme, ustvarjanje krmnih beljakovin, antibiotikov in mikrobnih snovi za krmo živali.

Mikroorganizmi pozitivno vplivajo na procese razgradnje snovi nenaravnega izvora - ksenobiotikov, umetno sintetiziranih, ki padajo v tla in vodna telesa ter jih onesnažujejo.

Poleg koristnih mikroorganizmov obstaja velika skupina tako imenovanih bolezenskih ali patogenih mikroorganizmov, ki povzročajo različne bolezni kmetijskih živali, rastlin, žuželk in ljudi. Zaradi njihove življenjske dejavnosti se pojavljajo epidemije nalezljivih bolezni ljudi in živali, kar vpliva na razvoj gospodarstva in produktivnih sil družbe.

Najnovejši znanstveni podatki niso le bistveno razširili razumevanja talnih mikroorganizmov in procesov, ki jih povzročajo v okolju, temveč so omogočili tudi ustvarjanje novih panog v industriji in kmetijski proizvodnji. Odkriti so bili na primer antibiotiki, ki jih izločajo talni mikroorganizmi, in prikazana je možnost njihove uporabe za zdravljenje ljudi, živali in rastlin ter za skladiščenje kmetijskih pridelkov. Odkrili so sposobnost talnih mikroorganizmov, da tvorijo biološko aktivne snovi: vitamine, aminokisline, stimulanse rasti rastlin - rastne snovi itd. Odkriti so bili načini uporabe beljakovin mikroorganizmov za krmljenje domačih živali. Identificirani so bili mikrobni pripravki, ki povečujejo dotok dušika v tla iz zraka.

Odkritje novih metod za pridobivanje dedno spremenjenih oblik koristnih mikroorganizmov je omogočilo širšo uporabo mikroorganizmov v kmetijski in industrijski pridelavi ter v medicini. Obetaven je predvsem razvoj genskega oziroma genskega inženiringa. Njegovi dosežki so zagotovili razvoj biotehnologije, nastanek visoko produktivnih mikroorganizmov, ki sintetizirajo beljakovine, encime, vitamine, antibiotike, rastne snovi in ​​druge proizvode, potrebne za živinorejo in pridelavo poljščin.

Človeštvo je že od nekdaj v stiku z mikroorganizmi, tisočletja, ne da bi se tega sploh zavedalo. Že od nekdaj so ljudje opazovali fermentacijo testa, pripravljali alkoholne pijače, fermentirali mleko, delali sir, trpeli različne bolezni, tudi epidemije. Dokaz o slednjem v svetopisemskih knjigah je navedba epidemije bolezni (verjetno kuge) s priporočili za sežiganje trupel in umivanje.

Vse do sredine prejšnjega stoletja pa si niti nihče ni predstavljal, da so lahko različni procesi vrenja in bolezni posledica delovanja zanemarljivo majhnih bitij.

V prejšnjih razdelkih ste se že naučili nekaterih tehnik za delo mikroorganizmi in imeli priložnost preizkusiti te tehnike v izkušnji. Pri prehodu iz laboratorijskega v industrijsko merilo morajo biotehnologi rešiti številne probleme v različnih vejah znanosti, vključno z bioinženiringom, kemijo in biologijo. Pri odločanju v industrijski proizvodnji bakterij je pomembno upoštevati tako ekonomske, socialne kot tudi etične vidike. V tem razdelku se bomo dotaknili nekaterih praktičnih vidikov obsežne proizvodnje, v naslednjih razdelkih pa bomo obravnavali specifične primere mikrobiološke proizvodnje in s tem povezane težave.

Uporaba mikroorganizmov v industrijski proizvodnji je možno iz naslednjih razlogov:
1) mikroorganizmi imajo preproste prehranske potrebe;
2) v fermentorjih (velikih posodah, v katerih rastejo mikroorganizmi) je mogoče zelo natančno nadzorovati pogoje rasti;
3) za mikroorganizme so značilne visoke stopnje rasti;
4) reakcije se lahko izvajajo pri nižjih temperaturah kot v običajnih kemičnih obratih; račun za energijo se ustrezno zmanjša;
5) mikroorganizmi zagotavljajo večji izkoristek produkta in njegovo večjo specifičnost kot klasična kemična proizvodnja;
6) lahko uporablja in proizvaja široko paleto kemičnih spojin;
7) mogoče je proizvesti nekatere kompleksne kemične spojine, kot so hormoni in antibiotiki, ki jih je težko dobiti z drugimi metodami, pa tudi posebne izomere (kot so L-aminokisline);
8) genetika mikroorganizmov je razmeroma preprosta, metode genetske manipulacije z njimi pa se nenehno razvijajo.

Vendar pa so potrebne posebne metode, kot npr kot metode sterilizacije in zapletene metode ločevanja, lahko vodijo do znatnega povečanja tehničnih zahtev postopka.

Pregledovanje

To vemo za mikroorganizmi za katere je značilna velika raznolikost kemičnih reakcij, ki jih lahko izvajajo, in produktov, ki jih tvorijo. Vendar se le majhen del njihovega potenciala uporablja v industrijski proizvodnji. Komercialna podjetja, zlasti farmacevtska podjetja, nenehno iščejo mikroorganizme, ki bi lahko bili uporabni. V upanju, da bodo odkrili nove komercialno pomembne izdelke ali učinkovitejše načine za pridobivanje obstoječih izdelkov, mikroorganizme zbirajo in gojijo z vsega sveta, iz najrazličnejših habitatov. Zelo pogosto gre za povsem empirično delo v smislu, da igra naključje bistveno vlogo pri vsakem odkritju. Preverjanje mikroorganizmov na ta način se imenuje presejanje. Dober primer so stalni pregledi, ki se izvajajo za odkrivanje novih antibiotikov. Prvi antibiotik je leta 1928 odkril Alexander Fleming in ga poimenoval penicilin po glivi Penicillin, ki ga proizvaja. Naravni antibiotiki so kemikalije, ki jih sintetizirajo mikroorganizmi in ubijajo druge mikroorganizme ali zavirajo njihovo rast. Od leta 1928 je bilo iz mikroorganizmov izoliranih več kot 5000 različnih antibiotikov, vključno s številnimi različnimi penicilini z nekoliko drugačno strukturo in delovanjem. Večina odkritih antibiotikov je neprimernih za medicinske namene, predvsem zaradi visoke toksičnosti. Izkazalo pa se je, da so predstavniki rodu Streptomyces izredno bogat vir različnih antibiotikov, tudi streptomicina.

Antibiotiki se uporabljajo za zdravljenje bakterijskih ali glivičnih bolezni pri ljudeh in domačih živalih. Nekateri med njimi tudi zavirajo rast rakavih tumorjev. Očitno so antibiotiki produkti sekundarne presnove. S sistematičnim presejanjem vedno obstaja upanje, da bomo našli novo »čudežno zdravilo« ali mikroorganizem, ki proizvaja znani antibiotik, vendar z izboljšanimi lastnostmi.

Glavna povezava biotehnološkega procesa, ki določa njegovo celotno bistvo, je biološki objekt, ki je sposoben izvesti določeno spremembo surovine in oblikovati en ali drug potreben izdelek. Kot taki predmeti biotehnologije lahko služijo celice mikroorganizmov, živali in rastlin, transgene živali in rastline, pa tudi večkomponentni encimski sistemi celic in posameznih encimov.

Osnova večine sodobnih biotehnoloških industrij je še vedno mikrobna sinteza, to je sinteza različnih biološko aktivnih snovi s pomočjo mikroorganizmov. Na žalost predmeti rastlinskega in živalskega izvora iz več razlogov še niso našli tako široke uporabe.

Ne glede na naravo objekta je primarna stopnja razvoja vsakega biotehnološkega procesa pridobivanje čistih kultur organizmov (če so to mikrobi), celic ali tkiv (če so to kompleksnejši organizmi - rastline ali živali). Številne stopnje nadaljnjih manipulacij s slednjimi (torej z rastlinskimi ali živalskimi celicami) so pravzaprav principi in metode, ki se uporabljajo v mikrobiološki proizvodnji. Tako kulture mikrobnih celic kot tkivne kulture rastlin in živali se z metodološkega vidika praktično ne razlikujejo od kultur mikroorganizmov.

Svet mikroorganizmov je izjemno raznolik. Trenutno

razmeroma dobro označenih (ali poznanih) več kot 100 tisoč različnih vrst. To so predvsem prokarionti (bakterije, aktinomicete, rikecije, cianobakterije) in del evkariontov (kvasovke, nitaste glive, nekatere praživali in alge). Pri tako veliki raznolikosti mikroorganizmov je zelo pomemben in pogosto kompleksen problem pravilna izbira ravno tistega organizma, ki je sposoben zagotoviti želeni produkt, torej služiti v industrijske namene. Mikroorganizme delimo na industrijske in neindustrijske, to so mikroorganizmi, ki se uporabljajo v industrijski proizvodnji - industrijski, in tisti, ki se ne uporabljajo - neindustrijski.

Osnova industrijske proizvodnje je nekaj, a globoko raziskanih skupin mikroorganizmov, ki služijo kot modelni objekti pri proučevanju temeljnih življenjskih procesov. Vseh drugih mikroorganizmov genetiki, molekularni biologi in genetski inženirji sploh niso proučevali ali pa so jih proučevali v zelo omejenem obsegu. Med prve spadajo Escherichia coli (E. coli), seneni bacil (Bac. subtilis) in pekovski kvas (S. cerevisiae).

Številni biotehnološki procesi uporabljajo omejeno število mikroorganizmov, ki so razvrščeni kot GRAS (splošno priznani kot varni). Takšni mikroorganizmi vključujejo bakterije Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, druge vrste bacilov in laktobacilov, vrste Streptomyces. Sem sodijo tudi vrste gliv Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus in kvasovke Saccharomyces itd. GRAS-mikroorganizmi so nepatogeni, netoksični in praviloma ne tvorijo antibiotikov, zato se je treba pri razvoju novega biotehnološkega procesa osredotočiti na ti mikroorganizmi kot osnovni objekti biotehnologije.

Mikrobiološka industrija danes uporablja na tisoče sevov iz stotin mikrobnih vrst, ki so bili sprva izolirani iz naravnih virov na podlagi njihovih koristnih lastnosti in nato (večinoma) izboljšani z različnimi metodami. V povezavi s širitvijo proizvodnje in obsega izdelkov se v mikrobiološko industrijo vključuje vse več predstavnikov sveta mikrobov. Zavedati se je treba, da v doglednem času nobena od njih ne bo tako raziskana kot E.coli in Bac.subtilis. In razlog za to je zelo preprost - ogromna napornost in visoki stroški tovrstnih raziskav.

Najpogostejši biotehnološki objekti so:

Bakterije in cianobakterije;

morske alge;

praživali;

Celične kulture rastlin in živali;

Rastline - nižje (anabena-azolla) in višje - vodna leča.

Subcelične strukture (virusi, plazmidi, DNA).

Bakterije in cianobakterije

Biotehnološke funkcije bakterij so raznolike.

Ocetnokislinske bakterije, rodovi Gluconobacter in Acetobacter.

Gramnegativne bakterije, ki pretvorijo etanol v ocetno kislino in ocetno kislino v ogljikov dioksid in vodo.

Predstavnike rodu Bacillus - B.subtilis B.thuringiensis uporabljamo za pridobivanje probiotikov, snovi, ki imajo antibiotični učinek na druge mikroorganizme, pa tudi na insekte (B.thuringiensis). So gram-pozitivne bakterije, ki tvorijo endospore.

B.subtilis je strogi aerob, B.thuringiensis pa lahko živi tudi v anaerobnih razmerah.

Anaerobne bakterije, ki tvorijo spore, so predstavljene z rodom Clostridium. C.acetobutylicum fermentira sladkorje v aceton, etanol, izopropanol in n-butanol (acetobutanolna fermentacija), druge vrste lahko fermentirajo tudi škrob, pektin in različne dušikove spojine.

Med mlečnokislinske bakterije spadajo predstavniki rodov Lactobacillus, Leuconostoc in Streptococcus, ki ne tvorijo spor, so po Gramu pozitivne in neobčutljive na kisik.

Heterofermentativne bakterije iz rodu Leuconostoc pretvarjajo ogljikove hidrate v mlečno kislino, etanol in ogljikov dioksid.

Homofermentativne bakterije iz rodu Streptococcus proizvajajo samo mlečno kislino.

Predstavniki rodu Lactobacillus skupaj z mlečno kislino zagotavljajo številne različne izdelke.

Predstavnik rodu Corynebacterium, negibljive gram-pozitivne celice C. glutamicum služi kot vir lizina in mononatrijevega glutamata.

Druge vrste korinebakterij se uporabljajo za mikrobno izpiranje rud in odlaganje rudarskih odpadkov.

Ta lastnost nekaterih bakterij se pogosto uporablja, kot npr diazotrofija, to je sposobnost fiksiranja atmosferskega dušika.

Obstajata dve skupini diazotrofov:

Simbionti: brez koreninskih gomoljev (večinoma lišaji), s koreninskimi gomolji (stročnice);

Prostoživeči: heterotrofi (azotobacter, clostridium, methylobacter), avtotrofi (chlorobium, rhodospirillum in amebobacter).

Bakterije se uporabljajo tudi za namene genskega inženiringa.

Cianobakterije imajo sposobnost vezave dušika, zaradi česar so zelo obetavne proizvajalke beljakovin. V citoplazmi celic se odlaga produkt, ki je blizu glikogena.

Predstavniki cianobakterij, kot so nostoc, spirulina, trichodesmium, so užitni in se neposredno uživajo. Nostok na pustih zemljiščih tvori skorje, ki nabreknejo, ko so mokre. Na Japonskem lokalno prebivalstvo uživa plasti nostoca, ki nastanejo na pobočjih vulkana, in jih imenuje ječmenov kruh Tengu (Tengu je dober gorski duh).

Spirulina (Spirulina platensis) izvira iz Afrike – območja jezera Čad.

Spirulina maxima raste v vodah jezera Texcoco v Mehiki. Že Azteki so ga nabirali z gladine jezer in jedli.

Spirulino so uporabljali za izdelavo piškotov, ki so bili posušena masa spiruline.

Analiza je pokazala, da spirulina vsebuje 65 % beljakovin (več kot soja), 19 % ogljikovih hidratov, 6 % pigmentov, 4 % lipidov, 3 % vlaknin in 3 % pepela. Za beljakovine je značilna uravnotežena vsebnost aminokislin. Celična stena te alge je dobro prebavljiva.

Spirulino lahko gojimo v odprtih ribnikih ali v zaprtem sistemu polietilenskih cevi. Pridelek je zelo visok: pridobimo do 20 g suhe mase alg na 1 m 2 na dan, kar je približno 10-krat več od pridelka pšenice.

Domača farmacevtska industrija proizvaja zdravilo "Splat" na osnovi cianobakterije Spirulina platensis. Vsebuje kompleks vitaminov in mikroelementov ter se uporablja kot tonik in imunostimulator.

Escherichia coli

Escherichia coli je eden najbolj raziskanih organizmov. V zadnjih petdesetih letih je bilo mogoče pridobiti celovite informacije o genetiki, molekularni biologiji, biokemiji, fiziologiji in splošni biologiji. Escherichia coli. Je gramnegativna, gibljiva polica, dolga manj kot 10 µm. Njegov življenjski prostor je črevesje ljudi in živali, lahko pa živi tudi v zemlji in vodi. Običajno Escherichia coli ni patogena, vendar lahko pod določenimi pogoji povzroči bolezni pri ljudeh in živalih.

Zaradi zmožnosti razmnoževanja s preprosto delitvijo na medijih, ki vsebujejo le ione Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, NH 4 +, Cl -, HPO 4 2- in SO 4 2-, elemente v sledovih in ogljik vir (na primer glukoza), E. coli postal priljubljen predmet znanstvenih raziskav.

Pri gojenju E. coli na obogatenih tekočih hranilnih gojiščih, ki vsebujejo aminokisline, vitamine, soli, elemente v sledeh in vir ogljika, generacijski čas (tj. čas med nastankom bakterije in njeno naslednjo delitvijo) v logaritemski fazi rasti pri temperaturi 37°C. je približno 22 minut.

E. coli lahko gojimo v aerobnih (v prisotnosti kisika) in anaerobnih (brez kisika) pogojih. Vendar pa za optimalno proizvodnjo rekombinantnih proteinov E. coli običajno goji v aerobnih pogojih.

Če je namen gojenja bakterij v laboratoriju sinteza in izolacija določenega proteina, potem kulture gojimo na kompleksnih tekočih hranilnih gojiščih v bučkah. Za vzdrževanje želene temperature in zagotovitev zadostnega zračenja gojišča se bučke postavijo v vodno kopel ali prostor z nadzorovano temperaturo in se nenehno stresajo. Takšno prezračevanje zadostuje za razmnoževanje celic, ne pa vedno tudi za sintezo določenega proteina.

Rast celic in proizvodnja beljakovin ni omejena z vsebnostjo virov ogljika ali dušika v hranilnem mediju, temveč z vsebnostjo raztopljenega kisika: pri 20 °C je ta približno devetmilijonink. To postane še posebej pomembno pri industrijski proizvodnji rekombinantnih proteinov. Da bi zagotovili optimalne pogoje za maksimalno proizvodnjo beljakovin, so zasnovani posebni fermentorji in ustvarjeni prezračevalni sistemi.

Za vsak živ organizem obstaja določen temperaturni interval, ki je optimalen za njegovo rast in razmnoževanje. Previsoke temperature povzročijo denaturacijo beljakovin in uničenje drugih pomembnih celičnih komponent, kar povzroči odmiranje celic. Pri nizkih temperaturah se biološki procesi močno upočasnijo ali popolnoma ustavijo zaradi strukturnih sprememb, ki so jim podvržene beljakovinske molekule.

Glede na temperaturni režim, ki ga imajo nekateri mikroorganizmi, jih lahko razdelimo na termofile (od 45 do 90 ° C in več), mezofile (od 10 do 47 ° C) in psihrofile (od -5 do 35 ° C). mikroorganizmi, ki se aktivno razmnožujejo le v določenem temperaturnem območju, so lahko koristno orodje za reševanje različnih biotehnoloških problemov. Na primer, termofili pogosto zagotavljajo gene, ki kodirajo termostabilne encime, ki se uporabljajo v industrijskih ali laboratorijskih procesih, medtem ko se gensko spremenjeni psihrotrofi uporabljajo za biološko razgradnjo strupenih odpadkov v tleh in vodi pri nizkih temperaturah.

Razen E. coli, se v molekularni biotehnologiji uporabljajo številni drugi mikroorganizmi (tabela 1). Lahko jih razdelimo v dve skupini: mikroorganizme kot vire specifičnih genov in mikroorganizme, ustvarjene z metodami genskega inženiringa za reševanje določenih problemov. Specifični geni vključujejo na primer gen, ki kodira termostabilno DNA polimerazo, ki se uporablja v široko uporabljeni verižni reakciji s polimerazo (PCR). Ta gen je bil izoliran iz termofilnih bakterij in kloniran v E. coli. v drugo skupino mikroorganizmov sodijo na primer različni sevi Corynebacterium glutaminum, ki so bili gensko spremenjeni za povečanje proizvodnje industrijsko pomembnih aminokislin.

Tabela 1. Nekateri gensko spremenjeni mikroorganizmi, ki se uporabljajo v biotehnologiji.

Na sedanji stopnji se pojavlja problem razvijanja strategije in taktike raziskav, ki bi omogočile z razumno porabo dela iz potenciala novih mikroorganizmov izluščiti vse najdragocenejše pri ustvarjanju industrijsko pomembnih sevov proizvajalcev, primernih za za uporabo v biotehnoloških procesih. Klasičen pristop je izolacija želenega mikroorganizma iz naravnih pogojev.

1. Vzorci materiala se odvzamejo iz naravnih habitatov domnevnega povzročitelja (vzorci materiala se vzamejo) in se nacepijo v elektivno okolje, ki zagotavlja prevladujoč razvoj mikroorganizma, ki nas zanima, to pomeni, da se pridobijo tako imenovane obogatitvene kulture.

2. Naslednji korak je izolacija čiste kulture z nadaljnjo diferencialno diagnostično študijo izoliranega mikroorganizma in po potrebi približna določitev njegove produktivne sposobnosti.

Obstaja še en način izbire mikroorganizmov producentov - to je izbira želene vrste iz razpoložljivih zbirk dobro raziskanih in temeljito karakteriziranih mikroorganizmov. To seveda odpravlja potrebo po izvajanju številnih delovno intenzivnih operacij.

Glavno merilo za izbiro biotehnološkega objekta (v našem primeru mikroorganizma proizvajalca) je sposobnost sinteze ciljnega produkta. Vendar pa lahko poleg tega sama tehnologija procesa vsebuje dodatne zahteve, ki so včasih zelo, zelo pomembne, da ne rečem odločilne. Na splošno bi morali mikroorganizmi:

Imajo visoko stopnjo rasti;

1. Za enocelične organizme so praviloma značilne višje stopnje rasti in sintetičnih procesov kot za višje organizme. Vendar to ne velja za vse mikroorganizme. Nekateri med njimi (na primer oligotrofni), ki rastejo zelo počasi, vendar so zanimivi, saj so sposobni proizvajati različne zelo dragocene snovi.

Zavrzite poceni podlage, potrebne za njihovo življenje;

2. Posebno pozornost kot objekt biotehnološkega razvoja predstavljajo fotosintetični mikroorganizmi, ki v svojem življenju uporabljajo energijo sončne svetlobe. Nekatere med njimi (cianobakterije in fotosintetični evkarionti) kot vir ogljika izkoriščajo CO2, nekatere predstavnice cianobakterij pa imajo poleg vsega naštetega tudi sposobnost asimilacije atmosferskega dušika (torej so izjemno nezahtevne glede hranil).

Fotosintetični mikroorganizmi so obetavni proizvajalci amoniaka, vodika, beljakovin in številnih organskih spojin. Vendar pa napredka pri njihovi uporabi zaradi omejenega temeljnega znanja o njihovi genetski organizaciji in molekularno bioloških mehanizmih življenjskega delovanja očitno ne gre pričakovati v bližnji prihodnosti.

Biti odporen na tujo mikrofloro, torej biti visoko konkurenčen.

3. Nekaj ​​pozornosti je namenjeno predmetom biotehnologije, kot so termofilni mikroorganizmi, ki rastejo pri 60–80 ° C. Ta njihova lastnost je skoraj nepremostljiva ovira za razvoj tuje mikroflore med relativno nesterilnim gojenjem, to je zanesljiva zaščita proti onesnaženju. Med termofili so najdeni proizvajalci alkoholov, aminokislin, encimov in molekularnega vodika. Poleg tega sta njihova stopnja rasti in presnovna aktivnost 1,5–2-krat višja kot pri mezofilih. Za encime, ki jih sintetizirajo termofili, je značilna povečana odpornost na toploto, nekatere oksidante, detergente, organska topila in druge škodljive dejavnike. Hkrati pa pri normalnih temperaturah niso zelo aktivni. Tako so proteaze enega od predstavnikov termofilnih mikroorganizmov pri 200 C 100-krat manj aktivne kot pri 750 C. Slednje je zelo pomembna lastnost za nekatere industrijske proizvodnje.

Vse našteto zagotavlja znatno znižanje stroškov proizvodnje ciljnega izdelka.

Izbira

Sestavni del procesa ustvarjanja najvrednejših in najaktivnejših proizvajalcev, torej selekcije objektov v biotehnologiji, je njihova selekcija. In splošni način selekcije je zavestna konstrukcija genomov na vsaki stopnji izbire želenega proizvajalca. Pri razvoju mikrobnih tehnologij so nekoč igrale (in še vedno igrajo) zelo pomembno vlogo metode, ki temeljijo na izbiri spontano nastalih modificiranih variant, za katere so značilne potrebne uporabne lastnosti. Pri takšnih metodah se navadno uporablja stopenjska selekcija: na vsaki stopnji selekcije se iz populacije mikroorganizmov izberejo najaktivnejše variante (spontani mutanti), iz katerih se v naslednji fazi izberejo novi, učinkovitejši sevi.

Pri uporabi metode inducirane mutageneze se bistveno pospeši selekcija najučinkovitejših proizvajalcev.

Kot mutageni učinki se uporabljajo UV, rentgensko in gama sevanje, nekatere kemikalije itd. Vendar pa tudi ta tehnika ni brez pomanjkljivosti, od katerih je glavna težava in pomanjkanje informacij o naravi sprememb, saj eksperimentator izbere glede na končni rezultat.

Tako je današnji trend zavestno načrtovanje sevov mikroorganizmov z želenimi lastnostmi, ki temeljijo na temeljnih spoznanjih o genetski organizaciji in molekularno bioloških mehanizmih izvajanja glavnih funkcij telesa.

Selekcija mikroorganizmov za mikrobiološko industrijo in ustvarjanje novih sevov sta pogosto namenjena povečanju njihove proizvodne sposobnosti, tj. nastanek določenega izdelka. Rešitev teh težav je v eni ali drugi meri povezana s spremembo regulativnih procesov v celici.

Spremembe v hitrosti biokemičnih reakcij v bakterijah se lahko pojavijo na vsaj dva načina. Eden od njih je zelo hiter (realiziran v nekaj sekundah ali minutah) je sprememba katalitične aktivnosti posameznih encimskih molekul. Drugi, počasnejši (realiziran v več minutah), je sestavljen iz spreminjanja hitrosti sinteze encimov. Oba mehanizma uporabljata enotno načelo nadzora sistema - načelo povratne zveze, čeprav obstajajo tudi enostavnejši mehanizmi za uravnavanje aktivnosti celičnega metabolizma. Najenostavnejši način uravnavanja katere koli presnovne poti temelji na razpoložljivosti substrata ali prisotnosti encima. Zmanjšanje količine substrata (njegove koncentracije v mediju) povzroči zmanjšanje pretoka določene snovi skozi dano presnovno pot. Po drugi strani pa povečanje koncentracije substrata povzroči stimulacijo presnovne poti. Zato je treba ne glede na druge dejavnike prisotnost (razpoložljivost) substrata obravnavati kot potencialni mehanizem za katero koli presnovno pot. Včasih je učinkovito sredstvo za povečanje donosa ciljnega produkta povečanje koncentracije določenega prekurzorja v celici.

Najpogostejši način uravnavanja aktivnosti presnovnih reakcij v celici je regulacija po vrsti retroinhibicije.

Za biosintezo številnih primarnih metabolitov je značilno, da se s povečanjem koncentracije končnega produkta te biosintetske poti zavira aktivnost enega prvih encimov te poti. O prisotnosti takega regulacijskega mehanizma sta leta 1953 prvič poročala A. Novik in L. Szillard, ki sta proučevala biosintezo triptofana s celicami E. coli. Končni korak v biosintezi dane aromatske aminokisline je sestavljen iz več stopenj, ki jih katalizirajo posamezni encimi.

Ti avtorji so ugotovili, da pri enem od mutantov E. coli z moteno biosintezo triptofana dodatek te aminokisline (ki je končni produkt te biosintetske poti) močno zavira kopičenje enega od prekurzorjev, indol glicerofosfata, v celicah. Že takrat so domnevali, da triptofan zavira delovanje nekega encima, ki katalizira tvorbo indol glicerofosfata. To je potrjeno.

Sodobna biotehnologija temelji na dosežkih naravoslovja, tehnike, tehnologije, biokemije, mikrobiologije, molekularne biologije in genetike. Biološke metode se uporabljajo v boju proti onesnaževanju okolja in škodljivcem rastlinskih in živalskih organizmov. Med dosežke biotehnologije lahko štejemo tudi uporabo imobiliziranih encimov, proizvodnjo sintetičnih cepiv, uporabo celične tehnologije pri žlahtnjenju.

Hibridomi in monoklonska protitelesa, ki jih proizvajajo, se pogosto uporabljajo kot diagnostična in terapevtska sredstva.

Bakterije, glive, alge, lišaji, virusi, protozoji igrajo pomembno vlogo v življenju ljudi. Že od pradavnine so jih ljudje uporabljali v procesih peke, pridelave vina in piva ter v različnih panogah. Trenutno se je v povezavi s problemi pridobivanja dragocenih beljakovinskih snovi, povečanja rodovitnosti tal, čiščenja okolja pred onesnaževalci, pridobivanja bioloških pripravkov ter drugih ciljev in ciljev obseg proučevanja in uporabe mikroorganizmov znatno razširil. Mikroorganizmi pomagajo človeku pri proizvodnji učinkovitih beljakovinskih hranil in bioplina. Uporabljajo se pri uporabi biotehničnih metod čiščenja zraka in odpadnih voda, pri uporabi bioloških metod za uničevanje kmetijskih škodljivcev, pri izdelavi zdravilnih pripravkov, pri uničevanju odpadnih snovi.

Nekatere vrste bakterij se uporabljajo za regeneracijo dragocenih metabolitov in zdravil, uporabljajo se za reševanje problemov biološke samoregulacije in biosinteze ter za čiščenje vodnih teles.

Mikroorganizmi, predvsem pa bakterije, so klasičen objekt za reševanje splošnih problemov genetike, biokemije, biofizike in vesoljske biologije. Bakterije se pogosto uporabljajo pri reševanju številnih problemov v biotehnologiji.

Mikrobiološke reakcije se zaradi svoje visoke specifičnosti pogosto uporabljajo v procesih kemičnih transformacij spojin biološko aktivnih naravnih spojin. Obstaja približno 20 vrst kemičnih reakcij, ki jih izvajajo mikroorganizmi. Mnogi od njih (hidroliza, redukcija, oksidacija, sinteza itd.) Se uspešno uporabljajo v farmacevtski kemiji. Pri izdelavi teh reakcij se uporabljajo različne vrste bakterij, aktinomicet, kvasovkam podobnih gliv in drugih mikroorganizmov.

Ustvarila se je biotehnološka industrija za proizvodnjo antibiotikov, encimov, interferona, organskih kislin in drugih metabolitov, ki jih proizvajajo številni mikroorganizmi.

Nekatere glive iz rodov Aspergillus in Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) lahko hidrolizirajo srčne glukozide, ksilozide in ramnozide ter glikozide, ki kot končni sladkor vsebujejo glukozo, galaktozo ali arabinozo. . S pomočjo A.terreus pridobivajo nikotinsko kislino.

V farmaciji se z mikrobiološkimi pretvorbami pridobivajo fiziološko bolj aktivne snovi ali polizdelki, katerih sinteza s čisto kemičnimi sredstvi je zelo težko ali pa sploh ni mogoča.

Mikrobiološke reakcije se uporabljajo pri proučevanju presnove zdravilnih učinkovin, mehanizma njihovega delovanja, pa tudi za pojasnitev narave in delovanja encimov.

Proizvajalci biološko aktivnih snovi so številne praživali. Predvsem praživali, ki živijo v vampu prežvekovalcev, proizvajajo encim celulazo, ki pospešuje razgradnjo vlaknin (celuloze).

Protozoji so proizvajalci ne le encimov, temveč tudi histonov, serotonina, lipopolisaharidov, lipopolipeptidoglukanov, aminokislin, metabolitov, ki se uporabljajo v medicini in veterini, živilski in tekstilni industriji. So eden od predmetov, ki se uporabljajo v biotehnologiji.

Povzročitelj južnoameriške tripanosomiaze Trypanosoma cruzi je proizvajalec zdravila proti raku krucina in njegovega analoga tripanoze. Ta zdravila imajo citotoksični učinek na celice malignih tumorjev.

Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti in Astasia longa so tudi proizvajalci zaviralcev antiblastoma.

Zdravilo astalizid, ki ga proizvaja Astasia longa, ima poleg antiblastomskega učinka tudi antibakterijsko (proti E. coli in Pseudomonas aeruginosa) ter antiprotozoalno (proti leischmaniji).

Najenostavnejši se uporabljajo za pridobivanje polinenasičenih maščobnih kislin, polisaharidov, histonov, serotonina, encimov, glukanov za uporabo v medicini, pa tudi v živilski in tekstilni industriji.

Herpetomonas sp. In Crithidia fasciculate proizvaja polisaharide, ki ščitijo živali pred Trpanosoma cruzi.

Ker biomasa praživali vsebuje do 50 % beljakovin, se prostoživeče praživali uporabljajo kot vir krmnih beljakovin za živali.

Encimski pripravki Aspergillus oryzae se uporabljajo v pivovarstvu, encimi A.niger pa pri proizvodnji in bistrenju sadnih sokov in citronske kisline. Peko pekovskih izdelkov izboljšamo z uporabo encimov A.oryzae in A.awamori. Pri proizvodnji citronske kisline, kisa, krme in pekovskih izdelkov se kazalniki učinkovitosti izboljšajo z uporabo Aspergillus niger in aktinomicet v tehnološkem procesu. Uporaba prečiščenih pripravkov pektinaze iz micelija A. niger pri proizvodnji sokov pomaga povečati njihov izkoristek, zmanjšati viskoznost in povečati bistrenje.

Bakterijski encimi (Bac.subtilis) se uporabljajo za ohranjanje svežine slaščičarskih izdelkov in tam, kjer globoka razgradnja beljakovinskih snovi ni zaželena. Uporaba encimskih pripravkov iz Bac.subtilis v slaščičarski in pekarski industriji izboljša kakovost in upočasni proces zastarelosti izdelkov. Encimi

Bac.mesentericus aktivira odstranjevanje surovih kož.

Mikroorganizmi se pogosto uporabljajo v prehrambeni in fermentacijski industriji.

Mlečni kvas se pogosto uporablja v mlečni industriji. Z njihovo pomočjo pripravite kumis, kefir. Encimi teh mikroorganizmov razgradijo mlečni sladkor v alkohol in ogljikov dioksid, zaradi česar se okus izdelka izboljša in njegova prebavljivost v telesu se poveča. Pri pridobivanju mlečnokislinskih izdelkov v mlečni industriji se pogosto uporablja kvas, ki ne fermentira mlečnega sladkorja in ne razgrajuje beljakovin in maščob. Prispevajo k ohranjanju olja in povečajo sposobnost preživetja mlečnokislinskih bakterij. Filmski kvas (mikoderma) prispeva k zorenju mlečnih sirov.

Gobe ​​Penicillum roqueforti se uporabljajo pri proizvodnji sira Roquefort, gobe Penicillum camemberi pa v procesu zorenja snack sira.

V tekstilni industriji se široko uporablja fermentacija pektina, ki jo zagotavlja encimska aktivnost Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. Pektinska fermentacija je osnova začetne predelave vlaknatega lanu, konoplje in drugih rastlin, ki se uporabljajo za izdelavo preje in tkanin.

Skoraj vse naravne spojine razgradijo bakterije zaradi njihove biokemične aktivnosti, ne samo v oksidativnih reakcijah, ki vključujejo kisik, ampak tudi anaerobno z akceptorji elektronov, kot so nitrat, sulfat, žveplo, ogljikov dioksid. Bakterije sodelujejo v ciklih vseh biološko pomembnih elementov in zagotavljajo kroženje snovi v biosferi. Številne ključne reakcije kroženja snovi (na primer nitrifikacija, denitrifikacija, fiksacija dušika, oksidacija in redukcija žvepla) izvajajo bakterije. Vloga bakterij v procesih uničevanja je odločilna.

Številne vrste in sorte kvasa imajo sposobnost fermentacije različnih ogljikovih hidratov, da tvorijo alkohol in druge izdelke. Široko se uporabljajo v pivovarski, vinski in pekarski industriji. Tipični predstavniki takih kvasovk so Saccharomyces cerevisial, S.ellipsoides.

Številni mikroorganizmi, vključno s kvasovkami in nekaterimi vrstami mikroskopskih gliv, se že dolgo uporabljajo pri preoblikovanju različnih substratov za pridobivanje različnih vrst živil. Na primer uporaba kvasa za pripravo poroznega kruha iz moke, uporaba gliv iz rodov Rhisopus, Aspergillus za fermentacijo riža in soje, proizvodnja mlečnokislinskih izdelkov z uporabo mlečnokislinskih bakterij, kvasovk itd.

Avksotrofni mutanti Candida guillermondii se uporabljajo za preučevanje flavinogeneze. Hifalne glive dobro asimilirajo ogljikovodike nafte, parafina, n-heksadekana in dizelskega goriva.

Za različne stopnje čiščenja teh snovi se uporabljajo vrste iz rodov Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma.

Sevi Penicillium se uporabljajo za izkoriščanje maščobnih kislin, sekundarni maščobni alkoholi pa se bolje predelajo v prisotnosti sevov Penicillium in Trichoderma.

Vrste gob Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria se uporabljajo pri odstranjevanju parafinov, parafinskega olja, dizelskega goriva, aromatskih ogljikovodikov, polihidričnih alkoholov, maščobnih kislin.

Penicillium vitale se uporablja za pridobivanje prečiščenega pripravka glukozooksidaze, ki zavira razvoj patogenih dermatomicet Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

Industrijska uporaba mikroorganizmov za pridobivanje novih prehrambenih izdelkov je prispevala k nastanku takšnih industrij, kot sta pekarstvo in mlekarstvo, proizvodnja antibiotikov, vitaminov, aminokislin, alkoholov, organskih kislin itd.

Uporaba pravih mlečnokislinskih bakterij (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis itd.) ali njihovih kombinacij s kvasovkami v živilski industriji omogoča pridobivanje ne le mlečnokislinskih, temveč tudi mlečnokislinskih in kislih rastlinskih izdelkov. Sem spadajo kislo mleko, matsoni, fermentirano pečeno mleko, kisla smetana, skuta, kislo zelje, vložene kumare in paradižniki, siri, kefir, kislo testo za kruh, krušni kvas, kumis in drugi izdelki. Za pripravo kislega mleka in skute uporabljamo Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum.

Pri pripravi olja se uporabljajo aromatične bakterije in mlečnokislinski streptokoki Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

V procesih siliranja zelene krme sodelujejo neprave mlečnokislinske bakterije (E. coli commune, Bact. Lactis aerogenes itd.).

Med metaboliti mikrobne celice zavzemajo posebno mesto snovi nukleotidne narave, ki so vmesni produkti v procesu biološke oksidacije. Te snovi so zelo pomembna surovina za sintezo derivatov nukleinskih kislin, dragocenih protimikrobnih in antiblastomskih zdravil ter drugih biološko aktivnih snovi za mikrobiološko industrijo in kmetijstvo.

Mikrobiološka sinteza v bistvu predstavlja reakcije, ki potekajo v živih celicah. Za izvedbo takšne sinteze se uporabljajo bakterije, ki so sposobne fosforilacije purinskih in pirimidinskih baz, njihovih nukleozidov ali sintetičnih analogov komponent nukleinskih kislin z nizko molekulsko maso.

Takšne sposobnosti imajo E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, B.ammonia geni, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp.

Mikroorganizme lahko uporabimo tudi pri pridobivanju premoga iz rud. Litotrofne bakterije (Thiobacillus ferrooxidous) oksidirajo železov sulfat v železov sulfat. Železov sulfatni oksid pa oksidira štirivalentni uran, zaradi česar se uran v obliki sulfatnih kompleksov obori v raztopino. Uran se ekstrahira iz raztopine s hidrometalurškimi metodami.

Poleg urana se lahko iz raztopin izlužijo tudi druge kovine, vključno z zlatom. Bakterijsko izpiranje kovin zaradi oksidacije sulfidov, ki jih vsebuje ruda, omogoča pridobivanje kovin iz slabo uravnoteženih rud.

Zelo donosen in energetsko učinkovit način pretvorbe organske snovi v gorivo je metanogeneza s sodelovanjem večkomponentnega mikrobnega sistema. Bakterije, ki tvorijo metan, skupaj z acetonogeno mikrofloro pretvarjajo organske snovi v mešanico metana in ogljikovega dioksida.

Mikroorganizme je mogoče uporabiti ne samo za proizvodnjo plinastih goriv, ​​ampak tudi za povečanje proizvodnje nafte.

Mikroorganizmi lahko tvorijo površinsko aktivne snovi, ki zmanjšajo površinsko napetost na meji med oljem in vodo, ki jo izpodriva. Izpodrivne lastnosti vode se povečajo z naraščajočo viskoznostjo, kar dosežemo z uporabo bakterijske sluzi, sestavljene iz polisaharidov.

Z obstoječimi metodami razvoja naftnih polj se ne izčrpa več kot polovica geoloških zalog nafte. S pomočjo mikroorganizmov je mogoče zagotoviti izpiranje nafte iz rezervoarjev in njeno sproščanje iz oljnih skrilavcev.

Bakterije, ki oksidirajo metan, nameščene v oljnem sloju, razgrajujejo olje in prispevajo k nastajanju plinov (metan, vodik, dušik) in ogljikovega dioksida. Ko se plini kopičijo, se njihov pritisk na olje poveča, poleg tega pa olje postane manj viskozno. Posledično začne nafta iz vrtine bruhati.

Ne smemo pozabiti, da uporaba mikroorganizmov v kakršnih koli pogojih, vključno z geološkimi, zahteva ustvarjanje ugodnih pogojev za kompleksen mikrobni sistem.

Uporaba mikrobiološke metode za povečanje proizvodnje nafte je v veliki meri odvisna od geoloških razmer. Razvoj bakterij, ki reducirajo sulfate, v formaciji lahko privede do prekomerne proizvodnje vodikovega sulfida in korozije opreme, namesto povečanja poroznosti pa lahko bakterije in njihova sluz zamašijo pore.

Bakterije prispevajo k izpiranju kovin iz starih rudnikov, iz katerih se odbira ruda, in iz odlagališč. V industriji se uporabljajo postopki mikrobiološkega luženja za pridobivanje bakra, cinka, niklja in kobalta.

V coni rudniških del zaradi oksidacije žveplovih spojin z mikroorganizmi v rudnikih nastajajo in kopičijo kisle rudniške vode. Žveplova kislina uničujoče deluje na materiale, konstrukcije, okolje in s seboj prenaša kovine. Vodo lahko očistite, odstranite sulfate in kovine, naredite reakcijo alkalno s pomočjo bakterij, ki reducirajo sulfat.

Biogena tvorba vodikovega sulfida se lahko uporablja za čiščenje voda v metalurški industriji. Anaerobne fotosintetske bakterije povzročajo globoko razgradnjo organske snovi.

Najdeni so bili bakterijski sevi, ki lahko predelujejo plastične izdelke.

Vnos presežnih antropogenih snovi vodi v kršitev vzpostavljenega naravnega ravnovesja.

V začetnih fazah razvoja industrije je bilo dovolj, da so onesnaževala razpršili v vodotoke, iz katerih so jih odstranili z naravnim samočiščenjem. Po visokih ceveh so bile plinaste snovi razpršene v zraku.

V današnjem času je odlaganje odpadkov preraslo v zelo resen problem.

V čistilnih sistemih se pri čiščenju vode iz organskih snovi uporablja biološka metoda z uporabo sistema mešane mikroflore (aerobne bakterije, alge, protozoji, bakteriofagi, glive), aktivno blato, biofilm, oksidirajoče vhodne snovi.

Predstavniki mikrobne mešanice prispevajo k intenziviranju naravnih procesov čiščenja vode. Vendar je treba zapomniti, da je pogoj za stabilno delovanje mikrobne skupnosti konstantnost sestave okolja.

Bakterije, fitoplankton in zooplankton se uporabljajo za čiščenje odpadne vode za ohranjanje kakovosti površinske in podzemne vode. Biološko čiščenje odpadnih voda se lahko izvaja na različnih ravneh – pred izpustom v zbiralnik, v samih površinskih vodah, v podtalnici med procesi samočiščenja.

Mikroorganizmi se pogosto uporabljajo pri biološkem čiščenju morske vode iz naftnih derivatov.

Postopek mora biti zagotovljen z dovajanjem kisika v zadostnih količinah pri stalni temperaturi.

Ena od nalog biotehnologije je razvoj tehnologije za pridobivanje beljakovin z uporabo mikroorganizmov iz različnih vrst rastlinskih substratov, iz metana in prečiščenega vodika, iz mešanice vodika in ogljikovega monoksida, iz ogljikovodikov težkega olja z uporabo metilotrofnih kvasovk ali bakterij Candida. tropicalis, bakterije, ki oksidirajo metan in razgrajujejo celulozo ter drugi mikrobi.

Uporaba aktivnih sevov vrst mikroskopskih gliv prispeva k obogatitvi krme, kot so krmne mešanice, celuloza, otrobi z beljakovinami in aminokislinami. V ta namen se uporabljajo izbrane nestrupene hitro rastoče vrste termo- in mezofilnih mikromicet Fusarium sp., Thirlavia sp. ter nekatere vrste višjih gliv.

Drug primer industrijske uporabe gliv v biotehnologiji je gojenje entomopatogenih vrst gliv, zlasti Beanvtria bassiana in Entomophthora thaxteriana za pripravo pripravkov »boverin« in »aphedine« za boj proti fitopatogenim listnim ušem.

Izbrani sevi naravnega hipersintetičnega karotena glive Blakeslee trispora se uporabljajo v industrijski proizvodnji karotena, ki je pomemben v procesih rasti in razvoja živali ter povečuje njihovo odpornost proti boleznim.

Izbrani sevi Trichoderma viride se uporabljajo v industrijski proizvodnji pripravka trichodermin na njihovi osnovi za boj proti fitopatogenim glivam, zlasti pri gojenju rastlin v rastlinjakih (fusarium kumar, bolezni cvetnic).

Fosfobakterin, pridobljen iz Baccilus megathrtium, je učinkovito sredstvo za povečanje pridelka krmne pese, zelja, krompirja in koruze. Pod vplivom tega zdravila se poveča vsebnost topnega fosforja v tleh rizosfere, pa tudi fosforja in dušika v zeleni masi.

Najpomembnejši pogoj za visoko produktivnost stročnic je izboljšanje sinteze dušikovih snovi s stročnicami na račun atmosferskega dušika. Nodulni mikrobi iz rodov Rhizobium, Eubacteriales, Actinomycetales, Mycobacteriales, vrste Azotobacter chroococcum, Clostridium pasterianum igrajo pomembno vlogo pri asimilaciji atmosferskega dušika v rastlinah.

Iz celic Clostridium pasterianum, Rhodospirillum rubrum, Bac.polymixa, bakterij rodov Chromatium in Klebsiella so bili pridobljeni dušikovi fiksatorji, ki spodbujajo asimilacijo dušika iz zraka v rastlinah.

V kmetijstvu se za povečanje produktivnosti uporabljajo bakterijska gnojila, kot so Azotobacterin (pripravljen iz Azotobacter), Nitragin (iz nodulnih bakterij), Phosphobacterin (iz Bac. Megatherium).

Kmetijstvo uporablja gnojila in pesticide. Ko pridejo v naravno okolje, te snovi negativno vplivajo na naravna razmerja v biocenozah, na koncu pa vzdolž prehranjevalne verige negativno vplivajo na zdravje ljudi. Pozitivno vlogo pri uničevanju teh snovi v vodi imajo aerobni in anaerobni mikroorganizmi.

V kmetijstvu se uporablja biološka zaščita rastlin pred škodljivci. V ta namen se uporabljajo različni organizmi – bakterije, glive, virusi, praživali, ptice, sesalci in drugi organizmi.

Zamisel o mikrobiološki metodi zatiranja škodljivcev je prvič predstavil Mečnikov leta 1879.

Dandanes se izdelujejo mikrobiološki pripravki, ki uničujejo številne škodljive insekte.

S pomočjo enterobakterina se lahko borite s skoraj vsemi gosenicami metuljev. Med škodljivci sadja in jagodičevja so jabolčni molj, glog, čipka, obročasta sviloprejka, listni črvi itd.

Virusno zdravilo virin je zelo učinkovito proti gosenicam, ki poškodujejo gozdne drevesne vrste.

Talni mikroorganizmi so ena največjih ekoloških skupin. Imajo pomembno vlogo pri mineralizaciji organskih snovi in ​​tvorbi humusa. V kmetijstvu se talni mikroorganizmi uporabljajo za proizvodnjo gnojil.

Nekatere vrste talnih mikroorganizmov - bakterije, glive (predvsem askomicete), protozoji vstopajo v zapletene asociacije (združbe) z algami, ki so sestavni del vodnih in talnih biocenoz.

Alge kot aktivne sestavine talne mikroflore igrajo pomembno vlogo v biološkem krogu elementov pepela.

Alge se skupaj z drugimi mikroorganizmi uporabljajo v biotehnologiji.

Od več kot 100 tisoč znanih mikroorganizmov se v industriji uporablja le nekaj sto vrst, saj mora industrijski sev izpolnjevati številne stroge zahteve:

1) rastejo na poceni substratih;

2) imajo visoko stopnjo rasti ali dajejo visok donos proizvoda v kratkem času;

3) kažejo sintetično aktivnost do želenega izdelka; tvorba stranskih produktov mora biti majhna;

4) biti stabilen glede na produktivnost in zahteve pogojev gojenja;

5) biti odporen na fage in druge vrste okužb;

6) biti neškodljiv za ljudi in okolje;

7) zaželeni so termofilni, acidofilni (ali alkofilni) sevi, saj je z njimi lažje vzdrževati sterilnost v proizvodnji;

8) zanimivi so anaerobni sevi, saj aerobni sevi povzročajo težave pri gojenju - zahtevajo prezračevanje;

9) dobljeni izdelek mora imeti ekonomsko vrednost in ga je enostavno izolirati.

V praksi se uporabljajo sevi štirih skupin mikroorganizmov:

- kvas;

- nitaste glive (plesni);

– bakterije;

- askomicete.

Izraz "kvas" v strogem pomenu nima taksonomskega pomena. To so enocelični evkarionti, ki spadajo v tri razrede: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.

Askomicete vključujejo predvsem Saccharomyces cerevisiae, katere nekatere vrste se uporabljajo v pivovarstvu, vinarstvu, proizvodnji kruha in etilnega alkohola.

Ascomycetes Saccharomyces lipolytica razgrajujejo oljne ogljikovodike in se uporabljajo za pridobivanje beljakovinske mase.

Deuteromycete Candida utilis se uporablja kot vir beljakovin in vitaminov ter se goji na neprehrambenih surovinah: sulfitnih lužinah, lesnih hidrolizatih in tekočih ogljikovodikih.

Deuteromycete Trichosporon cutaneum oksidira številne organske spojine, vključno s strupenimi (na primer fenol), in se uporablja pri čiščenju odpadne vode.

Uporaba micelijskih gob:

– pri pridobivanju organskih kislin: citronska (Aspergillus niger), glukonska (Aspergillus niger), itakonska (Aspergillus terreus), furmarna (Rhizopus chrysogenum);

- pri pridobivanju antibiotikov (penicilin in cefalosporin);

– pri proizvodnji posebnih vrst sirov: Camembert (Penicillium camamberti), Roquefort (Penicillium roqueforti);

- povzročajo hidrolizo v trdnih medijih: v riževem škrobu pri pridobivanju sakeja, v sojinih zrnih pri pridobivanju tempeha, misa.

Koristne bakterije se imenujejo evbakterije.

Mlečnokislinske bakterije iz rodov Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus se že dolgo uporabljajo v industriji.

Ocetnokislinske bakterije iz rodov Acetobater, Gluconobacter pretvarjajo etanol v ocetno kislino.

Bakterije iz rodu Bacillus se uporabljajo za proizvodnjo toksinov, ki so škodljivi za žuželke, pa tudi za sintezo antibiotikov in aminokislin.

Bakterije iz rodu Corynebacterium se uporabljajo za proizvodnjo aminokislin.

Od aktinomicet sta najbolj reprezentativna rodova Streptomyces in Micromonospora, ki se uporabljata kot producenta antibiotikov. Pri rasti na trdnih gojiščih aktinomicete tvorijo tanek micelij z zračnimi hifami, ki se diferencirajo v verige konidiospor.

Trenutno se s pomočjo mikroorganizmov sintetizirajo naslednje spojine:

- alkaloidi,

- amino kisline,

- antibiotiki,

- antimetaboliti,

– antioksidanti,

- beljakovine,

- vitamini,

- herbicidi,

– zaviralci encimov,

- insekticidi,

- ionoforji,

- koencimi

- lipidi,

- nukleinska kislina,

- nukleotidi in nukleozidi

- oksidanti,

- organske kisline

- pigmenti,

- površinsko aktivne snovi,

- polisaharidi,

- antihelmintiki,

– zdravila proti raku,

- topila,

- rastlinski rastni hormoni

- sladkor,

- steroli in pretvorjene snovi,

– transportni dejavniki železa,

- farmacevtske snovi

- encimi

- emulgatorji.

2 PROIZVODNJA ENOCELIČNIH BELJAKOVIN

ORGANIZMI

^

2.1 Izvedljivost uporabe mikroorganizmov za

proizvodnja beljakovin

V skladu s prehranskimi normami naj bi človek dnevno s hrano prejel od 60 do 120 g popolnih beljakovin.

Za vzdrževanje vitalnih funkcij telesa, gradnjo celic in tkiv je potrebna stalna sinteza različnih beljakovinskih spojin. Če so rastline in večina mikroorganizmov sposobne sintetizirati vse aminokisline iz ogljikovega dioksida, vode, amoniaka in mineralnih soli, potem ljudje in živali ne morejo sintetizirati nekaterih aminokislin (valin, levcin, izolevcin, lizin, metionin, treonin, triptofan in fenilalanin). Te aminokisline imenujemo esencialne. Izhajati morajo iz hrane. Njihovo pomanjkanje povzroča hude bolezni ljudi in zmanjšuje produktivnost domačih živali.

Trenutno je svetovni primanjkljaj beljakovin približno 15 milijonov ton. Najbolj obetavna mikrobiološka sinteza. Če za govedo potrebujete 2 meseca, da podvojite maso beljakovin, za prašiče - 1,5 meseca, za piščance - 1 mesec, nato za bakterije in kvasovke - od 1 do 6 ur. Svetovna proizvodnja živilskih beljakovinskih izdelkov zaradi mikrobne sinteze znaša več kot 15 tisoč ton na leto.

Razmislite o primeru: čas podvojitve Escherichia coli je 20 minut, nato po 20 minutah iz ene celice nastaneta dve hčerinski celici, po 40 minutah - štiri "vnukinje", po 60 minutah - osem "pravnukinj", po 80 minutah - 16 "pra-pravnukinj". Po 10 urah in 40 minutah bo iz ene bakterije nastalo več kot 6 milijard bakterij, kar ustreza številu prebivalcev Zemlje, po 44 urah pa bo iz ene bakterije, ki tehta 1 10 -12 g, nastala biomasa v količini 6 10 24 g, kar ustreza masi Zemlje.

Uporaba različnih mikroorganizmov kot virov beljakovin in vitaminov je posledica naslednjih dejavnikov:

A) možnost uporabe različnih kemičnih spojin za gojenje mikroorganizmov, vključno s proizvodnimi odpadki;

B) razmeroma enostavna tehnologija za proizvodnjo mikroorganizmov, ki se lahko izvaja vse leto; možnost njegove avtomatizacije;

C) visoka vsebnost beljakovin (do 60 ... 70%) in vitaminov, pa tudi ogljikovih hidratov, lipidov v mikrobnih pripravkih;

D) visoka vsebnost esencialnih aminokislin v primerjavi z rastlinskimi beljakovinami;

E) možnost usmerjenega genetskega vpliva na kemično sestavo mikroorganizmov z namenom izboljšanja beljakovinske in vitaminske vrednosti proizvoda.

Za industrijsko proizvodnjo živil na osnovi mikroorganizmov so potrebne natančne biomedicinske raziskave. Takšni izdelki morajo opraviti obsežno testiranje, da se ugotovijo rakotvorni, mutageni in embriotropni učinki na ljudi in živali. Toksikološke študije, prebavljivost produktov mikrobne sinteze so glavna merila za primernost njihove proizvodne tehnologije.

Za proizvodnjo beljakovin se uporabljajo kvasovke, bakterije, alge in nitaste glive.

Prednost kvasovk pred drugimi mikroorganizmi je njihova proizvodna sposobnost: odpornost na okužbe, enostavnost ločevanja od medija zaradi velike velikosti celic. Sposobni so kopičiti do 60% beljakovin, bogatih z lizinom, treoninom, valinom in levcinom (teh aminokislin je v rastlinski hrani malo). Masni delež nukleinskih kislin je do 10%, kar škodljivo vpliva na telo. Zaradi njihove hidrolize nastanejo številne purinske baze, ki se nato spremenijo v sečno kislino in njene soli, ki so vzrok za urolitiazo, osteohondrozo in druge bolezni. Optimalna količina dodatkov mase kvasovk v krmo domačih živali je od 5 do 10% suhe snovi. Kvas se uporablja za prehrano in krmo.

Prednosti bakterij so visoka stopnja rasti in sposobnost sintetiziranja do 80% beljakovin. Nastali protein vsebuje veliko pomanjkljivih aminokislin: metionin in cistein. Pomanjkljivosti so majhnost celic in njihova nizka koncentracija v gojišču, kar oteži postopek izolacije. Nekateri bakterijski lipidi lahko vsebujejo toksine. Masni delež nukleinskih kislin do 16%. Uporablja se samo za krmo.

Prednosti alg so visoka vsebnost popolne aminokislinske sestave beljakovin, ki se kopičijo v količini 65%, enostavna izolacija alg iz gojišča, nizka vsebnost nukleinskih kislin - 4% (za primerjavo - v višjih rastlinah 1 ... 2%). Alge se uporabljajo za prehrano in krmo.

Mišične gobe se tradicionalno uporabljajo kot prehrambeni proizvod v afriških državah, v Indiji, Indoneziji, na Kitajskem itd. Akumulirajo do 50% beljakovin, ki se po aminokislinski sestavi približajo beljakovinam živalskega izvora, so bogate z Vitamini skupine B. Celične stene so tanke in se v prebavilih zlahka prebavijo črevesni trakt živali. Masni delež nukleinskih kislin je 2,5 %.

Od leta 1985 se mikrobne beljakovine uporabljajo v prehrambeni industriji za izdelavo različnih izdelkov in polizdelkov.

V proizvodnji hrane se upoštevajo tri glavne uporabe mikrobnih beljakovin:

1) celotna masa (brez uničenja celičnih sten);

2) delno prečiščena biomasa (predvideno je uničenje celičnih sten in odstranitev nezaželenih sestavin);

3) beljakovine, izolirane iz biomase (izolati).

WHO (Svetovna zdravstvena organizacija) je ugotovila, da se beljakovine mikroorganizmov lahko uporabljajo v hrani, vendar dovoljena količina nukleinskih kislin, vnesenih z beljakovinami v prehrano odrasle osebe, ne sme presegati 2 g na dan. Uvedba mikrobnega proteina ne povzroča negativnih posledic, vendar se pojavijo alergijske reakcije, želodčne bolezni itd.