Изучение вопросов биотехнологии в курсе химии средней школы

Получение антибиотиков

Организация крупномасштабного производства антибиотиков сыграла решающую роль в становлении промышленной биотехнологии. К антибиотикам относятся низкомолекулярные эффекторы изначально природного происхождения, способные подавлять рост живых клеток. Способность нитчатого гриба зеленой плесени Penicillium notatum вызывать гибель микроорганизмов впервые была установлена в 1928 г. английским микробиологом А. Флеммингом. Однако лечебные свойства этой плесени были описаны ещё в 1871 г. русским дерматологом А.Г. Полотебновым. Количество открываемых антибиотиков постоянно растет. В 1940 г. было известно всего 6 антибиотиков, а в настоящее время описано более 12 000 аналогичных соединений, из которых в клинике применяют около 200 препаратов. 97% известных антибиотиков токсичны, поэтому в практике не используются. Изыскание новых антибиотиков обусловлено как потребностями практики, так и накоплением резистентных форм микроорганизмов по отношению ко многим антибиотикам.

Главное направление получения новых антибиотиков состоит в химической трансформации природных молекул для создания полусинтетических антибиотиков. Методы получения антибиотиков путем химического синтеза чрезвычайно сложны и не могут конкурировать с их биосинтезом методами биотехнологии. Направленный биосинтез антибиотиков осуществляется путем прямой ферментации микроорганизма - продуцента с подходящим предшественником, что индуцирует синтез ферментов вторичного метаболизма в идиофазе. Вводимый предшественник должен лимитировать скорость биосинтеза антибиотика. Например, производство бензилпенициллина в значительной степени стимулируется добавками его метаболического предшественника - фенилуксусной кислоты; пропионовая кислота и пропиловый спирт инициируют биосинтез макролидов через метилмалонилКоА; L-фенилаланин - предшественник фенилаланина - ускоряет образование грамицидина S. Аналогичный эффект вызывает использование ингибиторов метаболизма. Так, при подавлении процесса введения хлора микроорганизм S. aureofaciens образует тетрациклин, а не хлортетрациклин.

Другой способ получения антибиотиков состоит в использовании для их биосинтеза блокированных мутантов, у которых отсутствует (блокировано) определенное звено в цепи реакций, ведущих к синтезу антибиотика. Блокированные мутанты не способны образовывать нужный антибиотик. Используя низкую субстратную специфичность ферментов вторичного метаболизма и вводя аналоги предшественников антибиотика, последние переводят в аналоги самого антибиотика в ходе процесса, известного как мутационный биосинтез или мутасинтез. Так, мутанты Nocardia mtditerranei, у которых нарушена способность к ацилированию, образуют аналог предшественника рифамицина В-рифамицин SV.

Особенно успешны разработки в области биосинтеза полусинтетических пенициллинов и цефалоспоринов. Получение новых более эффективных аналогов пенициллина основано на изменении природы его ацильной группировки при сохранении в неизменном виде ядра пенициллина - 6-аминопенициллановой кислоты (6-АПК). В промышленности 6-АПК получают путем гидролиза природных пенициллинов с помощью специфического фермента - пенициллинацилазы. Некоторые из ацилаз способны катализировать и обратные реакции - процессы ацилирования аминогруппы 6-АПК с образованием модифицированного пенициллина. Таким путем было получено более 4000 полусинтетических пенициллинов.

Получение промышленно важных стероидов

Способность клеток микроорганизмов к сложнейшим процессам биотрансформации наиболее полно реализовалась при получении промышленно важных стероидов. Биотрансформация стероидов обычно заключается в селективном воздействии на одно из положений стероидного скелета. Первый промышленный процесс (1937 г.) микробной биотрансформации стероидов основывался на технологии направленного гидроксилирования (11-?-гидроксилирование) прогестерона.

Важнейший источник стероидных гормонов (эндостраны и эстраны) - культура клеток растений. Так, культура клеток диоскореи дельтовидной (Dioscorea deltoidea) корневого происхождения продуцирует фитостерин диосгенин и его гликозидные производные (сапонины). Дальнейшие успехи в производстве стероидных препаратов связывают с применением иммобилизованных клеток.

1.6 Основы биологической переработки отходов

Специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких, как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии.

Получение биогаза

Биогаз - это смесь из 65% метана, 30% СО₂, 1% сероводорода. Энергия, заключенная в 28м³ биогаза, эквивалентна энергии: 16,8м³ природного газа; 20,8 л нефти. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения или биометаногенез.

Биометаногенез - сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в анаэробных условиях[7]. Микробиологическому анаэробному разложению поддаются практически все соединения природного происхождения. В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательные стадии, в которых участвуют свыше 190 различных микроорганизмов. На первой стадии под влиянием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения - белки, липиды и полисахариды. На второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации участвуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные. Ацетогенные Н₂-продуцирующие микроорганизмы ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием Н₂, СО₂, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н₂ и СО₂, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превращают его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат. На заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления СО₂ молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата.

4Н₂ + СО₂ = СН₄ + 2Н₂О

3Н₂ + СО = СН₄ + Н₂О

2Н₂О + 4СО = СН₄ + 3СО₂

4НСООН = СН₄ + 3СО₂+ 2Н₂О

4 СН₃ОН = 3СН₄ + СО₂+ 2Н₂О

СН₃СООН = СН₄ + СО₂

90-95% используемого углерода метанобразующие бактерии превращают в метан и лишь 5-10% углерода превращаются в биомассу. Процесс ведется при температуре 30-60?С и рН 6-8. Этот способ получения биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. В настоящее время для производства биогаза чаще используют вторичные отходы (отходы животноводства и сточные воды городов), чем первичные (отходы зерноводства, полеводства), обладающие сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предварительной обработке. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым и экологически чистым источником энергии.

Очистка сточных вод

Методы очистки сточных вод [4]:

1. Механические методы. Сущность этих методов состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляют механические примеси. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных - до 95%.

2. Химический метод. В сточные воды добавляют различные реагенты (AL₂(SO₄)₃), которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химическая очистка уменьшает количество нерастворимых примесей до 95%, а растворимых - до 25%.

3. Физико-химические методы используют для удаления тонкодисперсных и растворенных неорганических примесей, а также разрушения органических и плохо окисляемых веществ. В арсенал этих методов входят электролиз, окисление, сорбция, экстракция, ионообменная хроматография, ультразвук, высокое давление и др.

4. Биологический метод основан на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Для очистки сточных вод используют биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах (перколяционные фильтры известны с1890г.) сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. С 1970 г. на смену клинкеру и гравию, в качестве пористого материала, пришли пластмассы.

Аэротенки - огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила (известен с 1914 г.) из бактерий и микроскопических животных, которые бурно развиваются в этих сооружениях, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего с потоком подаваемого воздуха. Процесс более эффективен, чем фильтрация, но характеризуется высокими эксплуатационными расходами (аэрация).

С 1980 г. и по сей день в технологии очистки сточных вод применяется принцип «псевдоожиженного слоя» - сочетание первых двух систем. Реализуется этот принцип в уловителе Саймона-Хартли (периодическое наращивание биомассы проводят в пустотах пористого полиэфира) и оксигенаторе Дорра - Оливера (подложкой служит песок).

После биоочистки проводят хлорирование жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также ультразвук, озонирование, электролиз.

Микробное выщелачивание

Методы извлечения меди из пород, содержащих минералы, путем обработки их кислыми растворами используются уже много веков. Однако лишь в 50-е и 60-е годы ХХ века выяснилось, что в получении металлов из минералов решающую роль играют бактерии[4]. В 1947 г. Колмер и Хинкл выделили из шахтных дренажных вод бактерию Tiobacillus ferrooxydans. Этот организм окислял двухвалентное железо и восстанавливал серосодержащие соединения, а также, возможно, и некоторые металлы. Вскоре оказалось, что он участвует в переводе меди из рудных минералов в раствор.

Окислительным процессом, катализируемым бактериями, является окисление железа,

4FeSO₂ + O₂ + 2H₂SO₄ = 2Fe₂ (SO₄)₃ + 2H₂O, (1)

и окисление серы,

S₈ + 12O₂ + 8H₂O = 8H₂SO₄. (2)

Ряд минералов непосредственно окисляется некоторыми выщелачивающими организмами. Примерами такого рода могут быть окисление пирита,

2FeS₂ + 15O₂ + 2H₂O = 2Fe₂ (SO₄)₃ + 2H₂SO₄, (3)

и сфалерита,

ZnS + 2O₂ = ZnSO₄. (4)

Ион трехвалентного железа служит сильным окисляющим агентом, переводящим в раствор многие минералы, например халькоцит,

Cu₂S + 2Fe₂ (SO₄)₃ = 2CuSO₄ + 2Fe₂SO₄ +S?, (5)

и уранинит,

UO₂ + Fe₂ (SO₄)₃ = UO₂SO₄ + 2FeSO₄. (6)

Выщелачивание, происходящее при участии иона трехвалентного железа, который образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называют «непрямой» экстракцией. В настоящее время бактериальное выщелачивание, известное также как биогидрометаллургия или биоэкстрактивная металлургия, применяется в промышленных масштабах для перевода в растворимую форму меди и урана.

Выщелачивание медных отвалов. Для начала процесса выщелачивания отвал смачивают водой, подкисленной серной кислотой до рН 1,5-3,0. Этот кислый раствор, или «выщелачиватель», просачивается сквозь бедную руду или отвальные материалы. Он содержит кислород и углекислый газ и создает благоприятную среду для размножения ацидофильных гиобацилл, широко распространенных в сульфидных рудах. В некоторых случаях содержание Tiobacillus ferrooxydans превышает 10⁶ клеток на 1 кг породы и на 1 мл выщелачивающего раствора. Этот организм активно окисляет растворимые ионы двухвалентного железа (1) и воздействует на серу - и железосодержащие минералы (2) (3). При окислении медно-сульфидных минералов нередко образуется элементарная сера (5). Эта сера маскирует частицы минералов, ограничивая воздействие на них со стороны трехвалентного железа. T. Ferrooxydans, присутствующая в количестве 10³-10⁵ клеток на 1 г породы и на 1 мл выщелачивающего раствора, окисляет некоторые растворимые соединения серы и элементарную серу (2). Разрушение серы этим организмом приводит к удалению маскирующего слоя серы, окружающего некоторые частицы минералов, и усиливает процесс выщелачивания. Из выщелачиваемых отвалов вытекают растворы, содержащие 0,75-2,2 г меди в 1 л. Эти растворы направляют в отстойники; медь из них получают путем осаждения с использованием железа или экстракцией растворителями. «Отработанные» выщелачивающие растворы вновь поступают в отвал.

Выщелачивание урана. Бактериальное выщелачивание урана применяли в восточных районах Канады для извлечения остаточного урана на уже выработанных площадях, а также из отвалов. Для роста бактерий достаточно 3-4 месяцев, за это время T. ferrooxydans окисляет железо до трехвалентного состояния. Затем трехвалентное железо окисляет восстановленный уран до растворимого окисленного состояния в соответствии с реакцией (6). Промывные воды, содержащие уран, собирают и извлекают из них уран с помощью ионного обмена либо экстрагируют растворителями. Бактериальное выщелачивание применялось в Канаде и в качестве первичного средства для получения урана. Рудное тело разрушали взрывом и осуществляли выщелачивание in situ.

Практическое применение бактериального выщелачивания сдерживается по ряду причин. Главное препятствие заключается в том, что процесс еще плохо исследован как на опытных установках, так и в полевых условиях. Процессы бактериального выщелачивания нередко протекают медленнее, чем химические процессы. Для бактерий, окисляющих железо и серу, требуется кислая среда. Поэтому для переработки непригодны руды и отходы, поглощающие кислоты в большом количестве. При подземном выщелачивании с помощью растворов следует принимать во внимание такие факторы, как влияние на активность бактерий повышенного гидростатического давления и гипербарической оксигенации.

Биотехнология многолика и по своим историческим корням, и по своей современной структуре, объединяющей элементы фундаментальных наук и прикладных исследований. Её развитие позволяет существенно повышать эффективность использования природных ресурсов, решать экологические проблемы, создавать новые источники энергии. Очевидно, что новые «скачки» биотехнологии глубоко скажутся на судьбе человечества.

Именно поэтому мы считаем необходимым более подробное изучение данного раздела в школьном курсе химии и предлагаем разработку методических рекомендаций, позволяющих сделать данное изучение наиболее эффективным.

2. Содержание вопросов биотехнологии в школьном курсе химии

2.1 Анализ школьных программ и учебников[15]

Основными идеями современной концепции школьного химического образования являются идеи гуманизации и демократизации образования, согласно которым «следует преодолеть отчуждение науки и производства от человека. В процессе обучения химии необходимо раскрывать связь между химическими знаниями и повседневной жизнью человека… [10]»

Программа В.В. Пасечника для 11 класса в курсе общей биологии содержит тему «основы селекции и биотехнологии». Затрагиваются следующие вопросы: микробиологическое производство пищевых продуктов, витаминов, ферментов и лекарств, проблемы и перспективы биотехнологии, генная инженерия её достижения и перспективы.

В.Б. Захаров в программе, рекомендованной для 10-11 классов с углубленным изучением биологических дисциплин в курсе общей биологии в теме «основы генетики и селекции» также затрагивает биотехнологию и генетическую инженерию.

Необходимо отметить, что если базовый стандарт по химии не предусматривает изучение вопросов биотехнологии, то таковой по биологии содержит наиболее общие её аспекты: достижения генной инженерии и перспективы биотехнологии.

2.2 Межпредметные связи по изучению аспектов биотехнологии в средней школе

По программе Р.Г. Ивановой и Л.А. Цветкова в 10 классе предусмотрено изучение темы «промышленное получение важнейших неорганических веществ» (15 часов), при этом затрагивается вопрос охраны окружающей среды от загрязнения. Считаю уместным затрагивание темы переработки отвалов металлургических предприятий биологическими методами (микробное выщелачивание).

О.С. Габриелян предлагает в 9 классе тему-модуль «химические вещества в сельском хозяйстве» (5 ч.). При рассмотрении проблемы защиты окружающей среды от пестицидов возможно акцентирование внимания учащихся на современных разработках в этой области (ГМ растения, резистентные к пестицидам и вредителям). В модуле «химия и экология» (9 кл. 5 ч.) рассматриваются основные источники загрязнений гидросферы и современные способы очистки сточных вод.

В учебнике О.С. Габриеляна, Ф.Н. Маскаева, С.Ю. Пономарёва, В.Н. Терёнина для 10 класса рассматривается тема «биологическиактивные соединения» затрагивающая применение ферментов в промышленности, а также гормональные препараты, витамины и антибиотики. Т.о. здесь уместно рассмотрение основных биотехнологических приёмов получения данных БАВ.

В 11 классе программой предусматривается рассмотрение темы «химия и общество» (8 ч.). Необходимо отметить наличие в ней следующих вопросов: биотехнология и генная инженерия, а также химия и пища. В учебнике О.С. Габриеляна Г.Г. Лысовой, реализующих данную программу, тема содержит объёмный материал, но методам очистки сточных вод и биохимическим основам пищевой промышленности практически ничего не отводится.

Н.С. Ахметов в 9 классе при изучении «металлургии» затрагивает проблемы безотходного производства и охраны окружающей среды. При этом возможно включение основ биометаллургии. Также автор предлагает рассмотрение темы «химия и охрана окружающей среды», в частности вопросов охраны гидросферы.

В учебнике 10-11 классов в разделе «химия и химическая технология» рассматривается производство этанола из древесины, а также «охрана гидросферы» и «биогеохимические процессы».

Г.И. Шелинский предусматривает тему «роль химии в прогрессивном развитии человеческого общества» в 11 классе.

Программа Н.Е. Кузнецовой, И.П. Титовой, А.Ю. Жегина, Н.Н. Гара предназначена для общеобразовательных учреждений естественнонаучного профиля, поэтому в ней прослеживается экологизация курса химии. Авторы раскрывают роль химии в обеспечении жизни и прогрессивном развитии общества. И в 10 классе предлагаются темы: «вещества живых клеток» - полипептиды в природе (гормоны, антибиотики), а также «особенности процессов биотехнологии» - микробиологический синтез, применение генной инженерии и белковой инженерии, бактериальное выщелачивание, проблемы экологического и гуманитарного характера.

В 11 классе авторы рекомендуют темы «гидросфера», где рассматриваются биологические методы очистки воды и «биосфера», где затрагивается проблема микробиологического белка.

Л.С. Гузей, Р.П. Суровцева и Л.М. Кузнецова в своих программах не затрагивают, в явной форме, вопросы биотехнологии.

2.3 Вывод (оптимизация изучения основных направлений биотехнологии в средней школе)

Проанализировав школьные учебники и программы относительно содержания в них материала по вопросам биотехнологии, можно сделать вывод о том, что далеко не все программы предусматривают рассмотрение последних, а если и рассматривают, то в неполном объёме. Таким образом, помимо разработки единого комплекса уроков (элективного курса) по теме «особенности процессов биотехнологии» мы предлагаем примерный план включения материала с биотехнологическим уклоном в «стандартные» темы школьного курса химии.

Функция включения материала, в форме элективного курса - внутрипрофильная специализация обучения, в форме комплекса фрагментов - расширение знаний учащихся, преодоление оторванности учебного материала от жизни[1].

3. Разработка элективного курса и педагогический эксперимент

3.1 Тематическое планирование элективного курса «Основы биотехнологии»

1. Биотехнология. Биотехнологические процессы в пищевой промышленности.

2. Биотехнологическая переработка отходов.

3. Бактериальное выщелачивание.

4. Основы получения БАВ. Производство кормового белка.

5. Производство аминокислот, витаминов и антибиотиков.

6. Применение ферментов.

7. Практическая работа «Приготовление иммобилизованных ферментных препаратов.

8. Основы генной инженерии.

9. Применение генной инженерии.

10. Итоговая проверочная работа.

3.2 Поурочное планирование элективного курса

УРОК №1 по теме «Биотехнология. Биотехнологические процессы в пищевой промышленности»

Задачи:

1. Образовательная: знакомство с биотехнологией как ярким примером интеграционных взаимодействий научных дисциплин. Хронология развития биотехнологии. Основные биотехнологические процессы в пищевой промышленности допастеровской эры.

2. Развивающая а) развитие познавательного интереса учащихся при знакомстве с данным направлением человеческой деятельности;

б) формирование логического мышления в ходе изучения нового материала;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать познаваемость природы, на примере влияния человека на биотехнологические процессы пищевой промышленности;

б) воспитание такта и дисциплины на занятиях в общеобразовательном учреждении.

Ход урока:

1. Организация класса

2. Актуализация знаний

Биотехнология - что это такое? (мнения учащихся)

Биотехнология - использование в промышленности биологических систем или процессов (под запись).

Важно то, что человек смог создать самолет по принципу птицы, многоотсечные подводные лодки по принципу кольчатых червей (бионика - подражание природе), но даже не смог приблизиться к уникальности биологических систем в отношении узнавания и катализа (вспомните специфичность и активность ферментов).

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб. Они придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (сыр, уксус), изготавливали простейшие лекарства и т.д. Однако только разработка методов генетической инженерии привела к «биотехнологическому буму», свидетелями которого мы являемся.

3. Изучение нового материала

Но пойдем по порядку.

В своем современном варианте биотехнология, пожалуй, наука синтетическая:



Но у вас не должно быть мнение о ней как о прикладной дисциплине: «Нет и еще тысячу раз нет: я не знаю такой науки, которую можно было бы назвать прикладной. Есть наука и есть области её применения, и они связаны друг с другом, как плод с взрастившим его деревом» (Луи Пастер, 1871 г.)

Съезд европейской ассоциации биотехнологов разделил развитие биотехнологии на пять этапов: (под запись) [16]

1) допастеровская эра (до 1865 года) - самобытные производства пива, вина, хлеба, сыра;

2) послепастеровская (1866-1940) - производство органических кислот, растворителей, кормовых дрожжей, вакцин, очистка сточных вод.

В конце 19 века Луи Пастер установил, что микробы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные их виды;

3) эра антибиотиков (1941-1960) - началом которой послужило открытие Александром Флемингом способности Penicillium вызывать гибель микроорганизмов;

4) эра управляемого биосинтеза (1961-1975) - производство аминокислот, витаминов, ферментов. Достижения, главным образом, селекции и биохимии микроорганизмов;

5) эра генетической инженерии (70-е годы) - технология гибридных ДНК.

Сегодня мы разберем основные процессы допастеровской эры - производство некоторых продуктов питания (таблица выполняется на доске).

Пищевой продукт	Сбраживающие организмы	Основной процесс
Молочнокислые продукты	Стрептококки, молочнокислые бактерии	Молочнокислое брожение: C6H12O6 2CH3CH(OH) COOH глюкоза молочная кислота
Сыр	Молочнокислые бактерии, Ренин из сычуга	Маслянокислое брожение: C6H12O6 CH3CH2CH2COOH + глюкоза масляная кислота + 2CO2 + 2H2 + образование сгустка казеина
Сметана, сливочное масло	Особые молочнокислые бактерии	Лимоннокислое брожение: C6H12O6 + H2O = C6H8O7 + 3Н2 лимонная кислота
Хлебопродукты	Дрожжи Saccharomyces	Анаэробное сбраживание глюкозы: C6H12O6 = 2C2H5OН + 2СО2
Изоглюкоза («кукурузный сироп»)	Гидролазы и изомеразы различных микроорганизмов	Гидролиз крахмала: (C6H10O5)n + n H2O = n C6H12O6 глюкоза Изомеризация глюкозы: 2n C6H12O6 = n C6H12O6 + n C6H12O6 глюкоза глюкоза фруктоза
Пиво, вино	Дрожжи Saccharomyces	Анаэробное сбраживание глюкозы: C6H12O6 = 2C2H5OН + 2СО2
Уксус (? 4?)	Acetobacter	Аэробное окисление спирта: (1) C2H5OН + 1/2О2 = [CH3C(O) H] + Н2О ацетальдегид (2) CH3C(O) H + 1/2О2 = CH3CОOH уксусная кислота

4. Вывод

Итак, изменилось ли ваше представление о биотехнологии, производстве продуктов питания?

УРОК №2 по теме «Биологическая переработка отходов»

Задачи:

1. Образовательная: изучение основ получения биогаза и очистки сточных вод. Знакомство с экологической биотехнологией.

2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса при знакомстве с новым направлением биотехнологии;

б) формирование логического мышления в ходе систематизации материала;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать использование человеком процессов и объектов живой природы для нужд общества;

б) воспитание мотивации к обучению в связи актуальности экологических проблем в современном мире.

Ход урока:

1. Организация класса

Вспомните, какой этап развития биотехнологии мы разобрали на предыдущем уроке?

Какой химический процесс лежит в основе всех бродильных(спиртовых) производств?

2. Актуализация знаний

Ни для кого из вас не секрет, что человек в ходе своей деятельности создает большую экологическую нагрузку окружающей среде (примеры учащихся). И здесь биотехнология внесла и вносит свой вклад. Под запись: специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии.

3. Изучение нового материала

(Основная часть урока проходит в форме лекции, позволяющей компактно передать учащимся укрупненную дидактическую единицу)

отходы
бытовые (сточные воды городов, с/х отходы мелких хозяйств и т.д.)	промышленные (отвалы металлургических предприятий, стоки химических комбинатов и т.д.)

На сегодняшнем уроке мы «займемся» бытовыми отходами.

Необходимо отметить, что проблемой очистки сточных вод занялись только в 1890 году, когда был предложен первый биофильтр. Вообще, все биологические методы очистки сточных вод основаны на использовании закономерностей самоочищения водоемов.

Для очистки используют:

а) биофильтры - сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. С 1970 года на смену клинкеру и гравию в качестве пористого материала пришли пластмассы. Таким образом, видим сочетание механической (пористый носитель) и биологической (биодеградация органических остатков) очистки сточных вод. Недостаток - избыточный рост микроорганизмов и, как следствие, засорение фильтра.

б) биологические пруды - отстойные цветущие водоемы. Характеризуются малой эффективностью и большим временем самоочистки.

в) аэротенки - известны с 1914 года. Именно 1914 год считается годом рождения биоочистки сточных вод. Аэротенки - это огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила из бактерий (Zoogloea) и микроскопических животных. Процесс очистки непрерывный, аэробный, т.е. нуждается в активной аэрации воздухом (отсюда высокие эксплуатационные расходы) и высоко эффективный.

г) «псевдоожиженный слой» - применяется с 1980 года по сей день. «Псевдоожиженный слой» - это сочетание биофильтра и активного ила. Подложка - полимерный носитель или песок. Процесс периодический и не требует аэрации. После биоочистки проводят дезинфекцию жидким хлором, хлорной известью, УЗ, озоном или электролизом.

Каким бы способом не проводилась биоочистка сточных вод, в конце имеем избыточную биомассу. Наиболее эффективный способ утилизации - анаэробное брожение с получением биогаза.

Биогаз - смесь 65% СН₄; 30% СО₂; 1% Н₂S … NH₃ …

Энергия 1,7м³ биогаза эквивалентна энергии 1м³ природного газа. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения или биометаногенез. Биометаногенез - сложный микробиологический процесс разложения органического вещества до СО₂ и СН₄ в анаэробных условиях (под запись).

Участвуют свыше 190 микроорганизмов.

Стадии:

I. Белки аминокислоты Липиды ВЖК и глицерин Полисахариды моносахара	II. H2 + СО2 + НЖК(СН3СООН) + низшие спирты (в основном)
III. Образование метана: (1) 4H2 + СО2 = СН4 + 2Н2О… (2) 4СН3ОН = 3СН4 + СО2 + 2Н2О (3) СН3СООН = СН4 + СО2

90-95% используемого углерода превращается в метан, остальное в биомассу. Температура процесса 30-60?С; рН ~ 7. Основное преимущество биогаза - возобновляемый и экологически чистый источник энергии.

4. Вывод

Итак, что же мы сегодня изучили? Какую роль, по вашему мнению, может сыграть технология биометаногенеза в ближайшем будущем в свете дефицита энергоносителей?

УРОК №3 по теме «Бактериальное выщелачивание»

Задачи:

1. Образовательная: расширить сведения учащихся о переработке отходов на примере использования промышленных отвалов. Рассмотрение основных процессов микробного выщелачивания. Промышленное использование на примере переработки медных отвалов.

2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса в процессе знакомства с материалом;

б) формирование логического мышления в ходе дедуктивного изложения материала;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать, что, при всей необычности процессов микробного выщелачивания, они закономерно вписываются во всеобщую биотрансформацию неорганических веществ;

б) «прививание» экологического мировоззрения.

Ход урока:

1. Организация класса

Какие виды очистки сточных вод вы можете назвать? Как вы понимаете понятие биометаногенез?

2. Актуализация знаний

Еще за 1000 лет до н.э. финикийцы извлекали медь из рудничных вод. Валлийцы (Британские острова) в 17 веке описали аналогичный процесс. Сегодня мы попытаемся разобраться в секрете древних металлургов. Тема урока: «Бактериальное выщелачивание».

3. Изучение нового материала

1947 г. - Колмер и Хинкл выделили из шахтных вод бактерию Thiobacillus ferrooxydans. Попытайтесь перевести название на русский язык («Серобацилла железоокислительная»).

И действительно этот вид осуществляет процесс:

Fe²⁺ Fe³⁺, что соответствует окислению железа.

Данный вид бактерий относиться к группе хемосинтезирующих автотрофов (вспомните, что это такое), открытых Виноградским в 1920-е годы. Позже были обнаружены Thiobacillus thiooxydans - организмы, живущие в среде при рН = 0,65, и Sulfolobus, «терпящие» до 85?С. Эти бактерии существуют за счет окисления серы.

T.ferrooxydans

4Fe²⁺ + O₂ + 4H⁺ 4Fe³⁺ + 2H₂O

Sulfolobus

S₈ + 12O₂ = 8 H₂O 8H₂SO₄

T.thiooxydans

ZuS + 2O₂ ZuSO₄

T. ferro-/thiooxydans

4FeS₂ + 15O₂ + 2H₂O 2Fe₂ (SO₄)₃ + 2H₂SO₄

Обратите на последние два процесса особое внимание, так как данные процессы «растворения» минералов сфалерита (ZuS) и пирита (FeS₂) идут в земной коре и могут быть использованы человеком как альтернатива

t

2ZuS + 3O₂ = 2ZuO +2SO₄, дающего много загрязнителей атмосферы.

Особый интерес для промышленности представляет перевод в раствор полудрагоценной меди:

Cu₂S + 4Fe³⁺ = 2Cu²⁺ + 4Fe²⁺ + S

T.ferrooxydans Sulfolobus H₂SO₄

Данный процесс позволяет перерабатывать бедные руды и отвалы с содержанием меди 0,4% (w).

Возможные схемы проведения

I. р-р H2SO4 (рН=2) сбор продукта	II. р-р H2SO4 откачка О2 продукта	III. Чановое выщелачивание (меньше потерь)

Продукт: р-р, содержащий 0,75 - 2,2 г/л меди:

Cu²⁺ + Fe = Cu + Fe²⁺ (можно показать меднение гвоздя в растворе медного купороса)

Образующийся раствор Fe²⁺ снова направляют в отвал.

· Проблемы:

1) Бактерии живут только в кислой среде. Что будет происходить при контакте выщелачивающего раствора с известковыми породами?

2) Потери раствора и возможное смешивание с грунтовыми водами.

3) Разогревание породы при «работе» бактерий (зафиксировано до 80?С) и как следствие стерилизация.

4) Инженерные проблемы введения кислоты и воздуха в породу.

· Перспективы:

1) Удаление серы из каменного угля. Подумайте, как это можно сделать.

2) Извлечение металлов из морской воды (Au) - привлечение ГМО.

4. Вывод

Итак, при желании человек может применять природосберегающие технологии даже при разработке медных, и не только, руд.

УРОК №4 по теме «Основы получения БАВ. Производство кормового белка»

Задачи:

1. Образовательная: изучение основных механизмов интенсификации процессов получения продуктов клеточного метаболизма. Производство кормового белка как предшественник управляемого биосинтеза БАВ.

2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса учащихся;

б) формирование логического мышления в ходе изучения механизмов интенсификации процессов получения продуктов клеточного метаболизма;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать возможность воздействия человека на процессы клеточного метаболизма;

б) воспитание мотивации к обучению.

Ход урока:

1. Организация класса

Напишите уравнения химических процессов лежащих в основе микробиологического выщелачивания медных отвалов, руд, содержащих пирит.

2. Актуализация знаний

Всем вам хорошо известны витаминные препараты, продающиеся повсеместно в аптеках. Антибиотики как средство от многих возбудителей заболеваний прочно вошли в нашу жизнь. Встает вопрос, какими методами получают в промышленности все эти соединения. Прежде, чем говорить о получении, вспомним, что из себя представляет предмет нашего разговора.

3. Изучение нового материала

Витамины - группа низкомолекулярных природных органических соединений, абсолютно необходимых для гетеротрофных организмов (что это за организмы?). Автотрофные организмы обладают способностью к синтезу витаминов. (под запись)

Антибиотики - низкомолекулярные регуляторы обычно природного происхождения, способные подавлять рост живых клеток.

Итак, в процессе роста организмы вырабатывают различные низкомолекулярные (какие ещё вы знаете?) продукты (метаболиты). Они подразделяются на первичные (абсолютно необходимы) и вторичные (не требующиеся для выживания).

низкомолекулярные метаболиты
первичные (структурные единицы биополимеров, витамины, органические кислоты)	вторичные (антибиотики, пигменты, токсины)

Таким образом, вторичные метаболиты повышают адаптационные возможности организмов.

масса организма I - первичные метаболиты

II - вторичные (синтезируются

на завершающей стадии роста)

время роста

К каким метаболитам вы отнесете аминокислоты, углеводы? Почему?

В норме обмен веществ в клетке осуществляется по принципу строжайшей экономии. Задача биотехнолога состоит в обеспечении сверхсинтеза одного из продуктов метаболизма, что обеспечивается следующими методами:

1) Изменение генетической программы организма:

а) селекция - направленный отбор организмов со скачкообразным изменением генома. Но для возникновения мутации интересующий нас ген должен удвоиться ~10⁷ раз.

б) искусственный мутагенез - химический, УФ, радиационный.

2) Нарушение регуляторных систем организма: (на доске)



Ф Ф' А Б С блокировка фермента конечным метаболитом	Если Д (тоже блокирует Ф) - антиметаболит С, т.е. Д не включается в обмен, то на среде с Д выживают организмы с дефектами регуляции.

Сегодня мы рассмотрим также производство кормового белка как прообраз современного управляемого биосинтеза аминокислот, витаминов и антибиотиков.

В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей 60-120 г. полноценного белка (содержащего все незаменимые аминокислоты). Незаменимые аминокислоты наиболее сбалансированы в белках семян сои, также риса и гороха. В белках зерна пшеницы мало лизина, метионина и изолейцина.

Особый интерес представляет использование микроорганизмов в качестве источника белка и витаминов:

1) использование разнообразных сред для культивации (вплоть до отходов производства);

2) высокая интенсивность роста

удвоение белковой массы: крупный рогатый скот - 5 лет,

свиньи - 4 месяца,

дрожжи - 1-6 часов;

3) повышенное содержание незаменимых аминокислот;

4) относительная простота влияния на процессы синтеза.

Дрожжевые клетки способны использовать жидкие фракции углеводородов нефти (10-30?С). В России первый завод по производству кормовых дрожжей из жидких парафинов нефти вступил в действие в 1971 году. При выращивании в среду добавляют также минеральные соли, витамины и воду. Полученная высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК), содержащий до 60% белковых веществ.

Хорошим субстратом для выращивания кормовых дрожжей является молочная сыворотка - отход при переработке молока, а также низшие спирты. Хороший резерв пищевого белка и витаминов - остаточные пивные дрожжи. Организм человека усваивает свыше 90% питательных веществ, содержащихся в них.

Известно также более 30 видов бактерий, которые могут быть применены в качестве источника полноценного белка. Например, водородоокисляющие бактерии способны накапливать в клетках до 80% сырого протеина (среда 75% Н₂, 20% О₂, 5% СО₂).

Используются также одноклеточные водоросли (Chlorella, Seenedesmus). Обычно их выращивают в естественных условиях южных регионов в бассейнах открытого типа (70 т/га в год).

Микопротеин - белок грибного происхождения. Среда культивации - глюкозный сироп (гидролизат кукурузного крахмала).

4. Заключение

Итак, острота проблемы глобального перенаселения, сокращение с/х площадей в результате роста городов и деградации земель выводит нас на новый виток развития биотехнологии, а именно, крупномасштабное использование микроорганизмов для наработки белково-витаминной продукции.

УРОК №5 по теме «Производство аминокислот, витаминов и антибиотиков»

Задачи:

1. Образовательная: изучить примеры некоторых производств аминокислот, витаминов и антибиотиков. Другие промышленно важные процессы эры управляемого биосинтеза: производство лимонной и молочной кислот.

2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса учащихся в процессе ознакомления с материалом;

б) формирование логического мышления;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать использование человеком природных систем для получения некоторых БАВ;

б) воспитание мотивации к обучению в связи с важностью биотехнологических методов в современной химической промышленности.

Ход урока:

1. Организация класса

Какие компоненты используются при получении БВК?

2. Актуализация знаний

На предыдущем уроке мы познакомились с возможными путями обеспечения сверхсинтеза одного их продуктов метаболизма (какими?), а сегодня попытаемся рассмотреть конкретные производства.

3. Изучение нового материала

I. Производство аминокислот

Среди соединений, полученных биотехнологическими методами, аминокислоты занимают первое место по объему производства (500 тыс. т/год).

Белковые аминокислоты можно получить:

1) гидролизом природного белоксодержащего сырья, но кислотное воздействие разрушает некоторые аминокислоты;

2) химическим синтезом, в ходе которого получается трудноразделимая смесь целевого продукта и его аналогов;

3) микробиологическим синтезом, который обеспечивается возобновляемым сырьем и характеризуется строгостью чистоты получаемого продукта. Более 60% производимых аминокислот получают именно этим методом.

Промышленное производство аминокислот стало возможным после открытия способности некоторых микроорганизмов выделять в культурную среду значительные количества какой-либо аминокислоты (1955). Corynebacterium glutamicum был способен, кроме того, к сверхсинтезу глутамина, и в 1956 году этот микроорганизм был использован при организации первого в мире производства глутаминовой кислоты (НООС-СН₂-СН₂-СН(NH₂) COOH). Сейчас на глутамат натрия приходится 300 тыс. т/год, т.е. 60% производства аминокислот. Японцы называют глутамат натрия «солью вкуса», т.е. он значительно продлевает вкусовые ощущения.

Лизина производится 100 тыс. т/год. Данная аминокислота H₂N(CH₂)₄CH(NH₂) COOH - незаменимый компонент питания с/х животных. В клетках микроорганизмов лизин служит конечным продуктом разветвлённого метаболического пути, и эффекта накопления в среде целевой аминокислоты добиваются путем блокирования процессов, ведущих к синтезу побочных продуктов. Получаемые мутанты дефектны по ферменту разветвления метаболического пути, в результате чего накапливается только лизин. В качестве питательной среды используют молочную сыворотку или гидролизаты крахмала.

Некоторые аминокислоты синтезируют из предшественников, полученных химически и модифицированных ферментной системой организма (триптофан получают из антраниловой кислоты).

II. Производство витаминов

В настоящее время микробиологически синтезируют лишь особо сложные по строению витамины (В₂, В₁₂, ?-каротин, D). Остальные либо синтезируют химическим путем, либо выделяют из природных источников.

Витамин В₂ (рибофлавин) вплоть до 30-х годов 20 века выделяли из природного сырья (1г из 1т моркови и 6г из 1т печени трески). В 1935 году был обнаружен активный продуцент рибофлавина - гриб Eremothecium, способный давать с 1т питательной среды 25 кг витамина. Отбор мутантов ведут по устойчивости к аналогу витамина В₂.

Витамина В₁₂ из 1т печени трески можно было выделить лишь 15 мг. В настоящее время витамин В₁₂ синтезируется только микробиологическим путем с использованием актиномицетов и одноклеточных водорослей.

?-каротин можно выделить из ряда растительных объектов: 1т моркови содержит 0,06 мг витамина, в то время как биомасса гриба Blaneslea накапливает ?-каротин в количестве 8 мг/г.

III. Получение органических кислот

Объем мирового производства лимонной кислоты НООССН₂С(ОН) (СООН) СН₂СООН - 400 тыс. т/год. Данное производство относится к старейшим микробиологическим процессам: 1893 г. - год основания. Используют культуру гриба Aspergillus niger. Условиями высокого выхода лимонной кислоты является хорошая аэрация и дефицит фосфата в среде.

Одновременно с лимонной было налажено аналогичное производство молочной кислоты при участии молочнокислых бактерий Lactobacillus.

IV. Получение антибиотиков

Вспомните, что такое антибиотики? Думаю, важность получения соединений данной группы нет необходимости доказывать.

В 1940 году было известно всего 6 антибиотиков, а в настоящее время описано свыше 12 000 соединений, из которых в клинике используется около 200 (остальные токсичны).

Биосинтез антибиотиков осуществляется:

1) добавлением в питательную среду подходящего предшественника (фенилуксусная кислота стимулирует биосинтез бензилпенициллина);

2) использованием блокированных мутантов, у которых отсутствует определенное звено в цепи реакций, ведущих к синтезу антибиотика. Следовательно, можно получить аналоги антибиотиков и модифицировать их химически (бензилпенициллин, ампицилин).

4. Вывод

Пока человек лишь приближается к моделированию природных биохимических процессов, а пока изыскивает новые пути использования существующих.

УРОК №6 по теме «Применение ферментов»

Задачи:

1. Образовательная: знакомство с иммобилизованными ферментами. Промышленное применение иммобилизованных ферментов.

2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса;

б) формирование логического мышления в ходе знакомства с методами иммобилизации ферментов;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать использование катализаторов белковой природы;

б) воспитание мотивации к обучению при акцентировании на современности и важности данной методики работы с ферментными препаратами.

Ход урока:

1. Организация класса

Какими способами можно получить белковые аминокислоты? Попытайтесь написать реакцию гидролиза белка в общем виде.

2. Актуализация знаний

Всем хорошо известно, что в морской воде много растворенного кислорода, но, тем не менее, его использование затруднено, и при погружении приходится использовать дополнительные источники кислорода. А что, если гемоглобин, выделенный из крови, использовать в качестве посредника между морской водой и газовой средой дыхательного аппарата?! Более того, модель «гемогубки» уже предложена и, возможно, в ближайшем будущем будут сконструированы эффективные искусственные жабры. Сегодня на уроке мы попытаемся разобраться, каким образом можно «направить в нужное русло» тот или иной фермент.

3. Изучение нового материала

Ферменты сохраняют свои уникальные свойства (какие?) и вне клеток, поэтому их традиционно широко применяют в практике.

Применение ферментов

Фермент	Химико-биологический процесс	Область применения
Амилазы	Гидролиз крахмала до мальтозы и глюкозы	Спиртовая промышленность, хлебопечение, получение глюкозы
Глюкоизомераза	Глюкоза фруктоза	Кондитерская промышленность
Липазы	Гидролиз жиров и масел	Пищевая и медицинская промышленность
Пептидогидролазы	Гидролиз белка	Получение аминокислот, производство сыра, выделка кожи, медицина
Целлюлазы	Гидролиз целлюлозы до глюкозы	Производство этанола, глюкозо-фруктозных сиропов
Сахараза	Гидролиз сахарозы	Сиропопроизводство

Но если смешать фермент с реагентами, то после окончания реакции его будет очень трудно отделить от продуктов. Еще в 1916 году Дж. Нельсон и Е. Гриффин показали, что сахараза, сорбированная на угле, сохраняла свою каталитическую активность, а уголь можно отделить от раствора продуктов без особых затруднений, и, следовательно, фермент можно применять многократно.

В настоящее время (с 1971 года) применяется термин «иммобилизация» - полное или частичное ограничение движения белковых молекул. Иммобилизованными ферментами называют ферменты, искусственно связанные с нерастворимым носителем, но сохраняющие свои каталитические свойства (под запись). Иммобилизованный ферментный препарат включает в себя непосредственно фермент и носитель (природные полимеры - целлюлоза, хитин, желатин; синтетические - полистирол, поливиниловый спирт; неорганические - керамика, силикагель, графит).

Примеры химической иммобилизации:

1) образование амидной связи:

H - C(O) Cl + H₂N - Ф = H - C(O) NHФ + HCl

2) образование дисульфидного мостика:

H - SH + 0,5O₂ +HS - Ф = H - S - S - Ф +Н₂О

3) образование оснований Шиффа:

H - C(O) H + H₂N - Ф = H - CH = N - Ф + Н₂О

Промышленное применение иммобилизованных ферментов:

1. Иммобилизованная сахараза работает до 10 лет, при этом активность фермента теряется незначительно:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

глюкоза фруктоза

инвертный сахар

2. Глюкоизомераза превращает глюкозу во фруктозу и таким образом получают глюкозо-фруктозный сироп (50 х 50).

3. Осуществлен промышленный синтез аминокислот из их аналогов на иммобилизованных ферментах: