Методи біотехнології

Реферат

На тему: «Методи біотехнології»

Зміст

1. Короткий історичний екскурс та етапи становлення біотехнології як науки

2. Біологічні об'єкти і методи біотехнології

3. Біотехнологічні прийоми в подоланні продовольчих проблем людства

4. Біотехнологічні прийоми в подоланні сировинних та енергетичних проблем людства

5. Біотехнологічні прийоми в подоланні екологічних та економічних проблем людства

Біотехнологія - це наука про використання хіміко-біологічних процесів і біологічних об'єктів (мікроорганізмів, культур клітин і тканин рослинного і тваринного походження, ферментних препаратів та інших біологічно активних речовин) у промисловому виробництві. Назва її походить від грецьких слів bios - життя, teken - мистецтво, logos - наука.

Відповідно до визначення Європейської федерації біотехнологів (ЄФБ, 1984) біотехнологія базується на інтегральному використанні біохімії, мікробіології, молекулярної біології, клітинної та генетичної інженерії з метою промислової реалізації властивостей мікроорганізмів, культур клітин і тканин. Уже у самому визначенні предмета відображено його місцерозташування як прикордонного, завдяки чому результати фундаментальних досліджень у сфері біологічних, хімічних і технічних дисциплін набувають прикладного значення.

Біотехнологія - одна з найдавніших і водночас одна з наймолодших наук і галузей промисловості.

Людство здавна опанувало на практиці різні процеси біотехнології. Ще з біблейських часів було відоме виноробство, випікання хліба, а дещо пізніше - одержання кисломолочних продуктів, квашеної капусти, медових алкогольних напоїв, силосування кормів тощо. Стародавні народи інтуїтивно використовували прийоми і способи виготовлення продуктів, які сьогодні ми відносимо до біотехнологічних.

Значний поштовх у розвитку біотехнології пов'язаний з видатними дослідженнями великого французького вченого Луї Пастера (1822-1895) - основоположника наукової мікробіології. Він розкрив мікробну природу бродіння, довів можливість життя у безкисневих умовах, експериментально спростував уявлення про самовільне зародження живих істот, створив наукові основи вакцинопрофілактики і вакцинотерапії, запропонував метод стерилізації, названий його ім'ям, - пастеризацією тощо. Починаючи з другої третини XX століття розпочалось впровадження крупномасштабного герметизованого обладнання, яке забезпечує проведення процесів у стерильних умовах. Особливо потужний поштовх у розвитку промислового біотехнологічного обладнання був відмічений у період становлення і розвитку виробництва антибіотиків (період Другої світової війни 1939-1945 pp., коли виникла гостра необхідність у протимікробних препаратах для лікування хворих з інфікованими ранами). У цей час були вирішені основні завдання з конструювання, створення і впровадження у практику біореакторів, які використовуються й нині.

Однак термін «біотехнологія» прижився лише з середини 70-х років XX ст., коли біотехнологія пережила своє друге народження у зв'язку з появою генетичної інженерії. Власне становлення біотехнології як самостійної науки розпочалося з 1972 p., коли П. Берг зі співробітниками у США створили першу рекомбінантну молекулу ДНК.

Звичайно, без фундаментальної роботи Ф. Кріка і Дж. Уотсона (1953) щодо встановлення структури ДНК було б неможливо досягнути сучасних результатів у сфері біотехнології. З'ясування механізмів функціонування і регуляції ДНК, виділення і вивчення специфічних ферментів привело до формування чіткого наукового підходу, до розробки біотехнологічних процесів на основі генно-інженерних робіт.

Уже в 1982 р. надійшов у продаж людський інсулін, синтезований кишковими паличками, які містили штучно вмонтовану інформацію про цей гормон. Згодом з'явились інші генно-інженерні препарати: інтерферони, соматотропний гормон людини, інтерлейкін-2 та ін.

У цей період були одержані суперпродуценти антибіотиків, ферментів, амінокислот, вітамінів; розроблені та впроваджені екологічно чисті безвідходні технології; розроблена і впроваджена у практику спеціальна апаратура; здійснена автоматизація і комп'ютеризація біотехнологічних процесів тощо.

Протягом останніх 10-15 років минулого століття проходив бурхливий розвиток біотехнології, визначались сфери пріоритетного впровадження конкретних результатів технологічних розробок.

2. Біологічні об'єкти і методи біотехнології

До хіміко-біологічних процесів належать ті з них, в яких використовують біологічні об'єкти різної природи (мікробної, рослинної або тваринної), наприклад, при виробництві продукції різноманітного призначення - антибіотиків, вакцин, ферментів, кормового і харчового білка, гормонів, амінокислот, біогазу, органічних добрив тощо.

Об'єкти біотехнології дуже різноманітні й діапазон їх розповсюджується від організованих частин (вірусів) до людини.

Біооб'єкти характеризуються такими показниками, як рівень структурної організації, здатність до розмноження (або репродукції), наявність або відсутність власного метаболізму при культивуванні у належних умовах. Що стосується характеру біооб'єктів, то під цим слід розуміти їх структурну організацію. В такому випадку біооб'єкти можуть бути молекулами (ферменти, імуномодулятори, нуклеозиди, оліго- і поліпептиди тощо), організованими частинами (віруси, фаги), одноклітинним; (бактерії, дріжджі) і багатоклітинними особинами (нитчасті вищі гриби, рослинні тіканини, одношарові культури клітин ссавців), цілими організмами рослин і тварин. Але навіть при використанні біомолекули як об'єкта біотехнології її початковий біосинтез здійснюється у більшості випадків відповідними клітинами. Отже, можна стверджувати, що об'єкти біотехнології належать або до мікробів, або до рослинних і тваринних організмів.

Таким чином, незалежно від систематичного положення біооб'єкта на практиці використовують або природні організовані частинки (фаги, віруси) і клітини з природною генетичною інформацією, або клітини з штучно заданою генетичною інформацією, тобто у будь-якому випадку використовують клітини - чи то мікроорганізм, рослина, тварина або людина.

Нині більшість об'єктів біотехнології становлять мікроби, світ яких дуже великий і різноманітний. До них належать усі прокаріоти - бактерії, актиноміцети, рикетсії, синьо-зелені водорості й частина еукаріот - дріжджі, нитчасті гриби, простіші й водорості. Мікробами серед рослин є мікроскопічні водорості, а серед тварин - мікроскопічні найпростіші.

Основою сучасного біотехінологычного виробництва є мікробіологічний синтез, тобто синтез різноманітних речовин за допомогою мікроорганізмів. Об'єкти рослинного і тваринного походження ще не знайшли широкого розповсюдження через їх високу вимогливість до умов культивування, що значно здорожчує виробництво.

Для реалізації біотехнологічних процесів важливими параметрами біооб'єктів є: чистота, швидкість розмноження клітин і репродукції вірусних частий, активність і стабільність біомолекул або біосистем.

При використанні ферментів (в ізольованому або іммобілізованому стані) як біокаталізаторів нині ікає необхідність охорони їх від деструкції банальною сапрофітною мікрофлорою, яка може проникати у сферу біотехнологічного процесу ззовні внаслідок нестерильності системи, наприклад, через негерметичність обладнання.

Швидкість розмноження клітин і репродукція вірусних частин прямо пропорційно відбиваються на збільшенні біомаси і утворенні метаболітів.

Активність і стабільність перебування біооб'єктів в активному стані - найважливіші показники їх придатності для тривалого використання в біотехнології.

Головною ланкою біотехнологічного процесу, який визначає його сутність, є клітина. Саме в ній синтезується цільовий продукт. За влучним висловом Овчіннікова Ю.А. , клітина - це мініатюрний хімічний завод, який працює з колосальною продуктивністю, з граничною узгодженістю і за заданою програмою. В ній щохвилинно синтезуються сотні найскладніших сполук, включаючи гігантські біополімери, у першу чергу білки.

Методи біотехнології. Біотехнології притаманні свої специфічні методи. Це крупномасштабне глибинне культивування біооб'єктів у періодичному, напівбсзперервному або безперервному режимі та вирощування клітин рослинних і тваринних тканин в особливих умовах. Біотехнологічні методи культивування біооб'єктів виконуються у спеціальному обладнанні, наприклад, у ферментерах вирощують бактерії і гриби при одержанні антибіотиків, ферментів, органічних кислот, деяких вітамінів тощо.

У подібних ферментерах вирощують деякі клітини людини (бласти) для одержання білка-інтерферону, а також деякі види рослинних клітин. Однак останні частіше вирощують у стаціонарних умовах на середовищі з ущільненою (наприклад, агаризованою) підкладкою у скляних або поліетиленових ємностях.

Інші методи, які використовують у біотехнології, є спільними, наприклад з методами в мікробіології, біохімії, органічній хімії й інших науках. Особливо потрібно виділити методи клітинної і генетичної інженерії, які покладено в основу сучасної біотехнології.

Відмінністю методів, які використовуються у біотехнології, є те, що вони повинні виконуватись, як правило, в асептичних умовах (від грецького а - ні, septicos - гнилісний), тобто з уникнення можливості потрапляння у середовище, де культивується біооб'єкт, патогенних і сапрофітних мікроорганізмів.

Патогенні види становлять безпосередню небезпеку для задіяних у виробництві людей і для споживачів кінцевих продуктів; сапрофітні види можуть виступати конкурентами за поживні субстрати, антагоністами, продуцентами токсичних речовин, включаючи пірогени.

3. Біотехнологічні прийоми в подоланні продовольчих проблем людства

Однією із першочергових є проблема білка, яка потребує якнайшвидшого вирішення. Вона актуальна як для людей, так і для тварин: якщо рослини мають здатність до синтезу амінокислот із неорганічних азотомістких речовин, то людина і тварина мають одержувати білки у готовому вигляді разом з харчовими продуктами та кормом.

Якщо нестачу харчової енергії в раціоні людини і тварини можна певною мірою компенсувати зниженням рухливості, то ні в людини, ні у тварини немає біологічних механізмів зменшення потреби в білку. За нестачі білка знижується працездатність і резистентність людини, а дефіцит білка в раціоні тварини не дає змогу реалізувати генетичний потенціал продуктивності і забезпечити на належному рівні стан здоров'я та їх відтворювальну здатність. Проблема поглиблюється тим, що потреба тварин у білку збільшується при підвищенні рівня продуктивності і при багатьох захворюваннях, а також у стресових ситуаціях.

Всередині XX століття стало очевидним, що задовольнити зростаючу потребу людей і свійських тварин у білках традиційними шляхами нереально. Наприклад, у 1982 р. потреби тваринництва в білку задовольнялись лише на 70-75 %. Дефіцит кормового білка призводить до зниження продуктивності тварин на 30-35 %, підвищення собівартості тваринницької продукції і витрати кормів приблизно у півтора рази.

Однак проблема не зводиться тільки до одержання з раціоном певної кількості білка. Необхідно, щоб у ньому була достатня кількість незамінних амінокислот у певному співвідношенні.

Традиційно основним джерелом білка у раціоні тварин є зерна злакових культур, але в них мало білка і він є неповноцінним через недостатній вміст незамінних амінокислот. Джерелом повноцінного білка є корми тваринного походження - антиіди м'ясна, м'ясо-кісткова, рибна, молоко і відходи його переробки. Але ці корми дефіцитні і мають високу вартість.

Найбільш розповсюдженим у світі способом балансування раціонів за білком є добавка до них соєвої муки, білок якої за своєю біологічною повноцінністю наближається до кормів тваринного походження. Але ця культура трудомістка, врожаї ще досить низькі, а звідси висока її вартість. Головним постачальником сої на світовий ринок є США, на долю яких припадає 2/3 світового її виробництва. Переважно на американській соєвій муці базується інтенсивне тваринництво Америки, Західної Європи і Японії.

Альтернативним соєвому є білок, одержаний мікробіологічним шляхом за допомогою мікроорганізмів.

Вперше вислів «білки одноклітинних організмів» (БОО) використали в 60-ті роки XX ст. стосовно мікробних білків, які продукуються масовими культурами дріжджів або бактерій, що використовуються у харчуванні людей або годівлі тварин. Перевагою біотехнологічного виробництва білка є те, що воно не залежить від погодних і кліматичних умов, не потребує посівних площ, є високоінтенсивним і піддається автоматизації.

Мікроорганізми - продуценти білків відзначаються дуже високою інтенсивністю накопичення біомаси, яка в 500-5000 разів вище, ніж у рослин або тварин. Мікробні клітини здатні накопичувати дуже великі кількості білка (дріжджі - до 60 %, бактерії - до 75 % за масою). Коливання вмісту білка у сухій речовині біомаси мікроорганізмів може складати від 19 до 90 % У мікробіологічному виробництві за рахунок високої специфічності мікроорганізмів відсутня багатостадійність, а сам процес біосинтезу відбувається у м'яких умовах при температурі 30-45 °С, рН 3-6 і тиску ~ 0,1 МПа, він менш трудомісткий порівняно з одержанням сільськогосподарської продукції і органічним синтезом білків.

Мікроорганізми як продуценти білка мають перевагу і в тому, що можуть використовувати як субстрат різноманітні речовини, які в основному є відходами інших виробництв. Джерелом сировини для них є рідкі парафіни нафти, метан природного газу і біогазу, метиловий і етиловий спирти, рослинна сировина, відходи і побічні продукти сільського господарства і промисловості (солома, корзинки соняшника після видалення насіння, костриця льону, коноплі, гичка, дерев'яна тирса, стружка, целюлоза, меляса, молочна сироватка, гнойова біомаса тощо).

Із мікроорганізмів для одержання білка найчастіше використовують як продуценти дріжджі, бактерії, мікроскопічні гриби, одноклітинні водорості. Різноманітність типів живлення мікроорганізмів і їх видового складу дозволяє вибирати сировину, яка найбільше підходить для біосинтезу, і кращі штами - продуценти білка.

Одноклітинні організми характеризуються високим вмістом білка - від 40 до 80 % і більше. Білок одноклітинних містить усі (10) незамінні амінокислоти, багатий на лізин, який визначає його біологічну повноцінність. Добавка біомаси одноклітинних до дефіцитних за лізином рослинних кормів дає можливість наблизити їх амінокислотний склад до оптимального. Недоліком біомаси одноклітинних є дефіцит сірковмісних амінокислот, в першу чергу метіоніну. В одноклітинних його приблизно удвічі рази менше, ніж у рибній муці. Однак цей недолік має і білок сої.

Багата білками біомаса одноклітинних з високою ефективністю засвоюється сільськогосподарськими тваринами. Так 1 тона кормових дріжджів дає можливість одержати 0,4-0,6 т свинини, до 1,5 т м'яса птиці, 25-30 тис. яєць і заощадити 5-7 т зерна. Це має велике народногосподарське значення, оскільки майже 80 % площ сільськогосподарських угідь у світі відведено для виробництва кормів.

Шляхом селекції можна відібрати найбільш продуктивні штами мікроорганізмів-продуцентів, які здатні ефективно використовувати нові джерела сировини. Широкі можливості дають біотехнології рекомбінантних ДНК, завдяки яким можливо удосконалювати або одержувати нові продуценти.

Усі ці переваги і визначили швидкий розвиток технології одержання мікробного білка, яка є найбільш крупнотоннажною галуззю біотехнології. Уже в 1980 р. провідним у світі виробником білків одноклітинних організмів став Радянський Союз. Виробництво білків у країні тоді досягло 1,1 млн т на рік.

4. Біотехнологічні прийоми в подоланні сировинних та енергетичних проблем людства

Утилізація (від латинського utilis - корисний) - застосування з користю, наприклад відходів.

Біоконверсія - це трансформація речовин з однієї форми в іншу біологічними агентами (живими організмами або ферментами). За допомогою біоконверсії з відходів різного походження (рослинництва, тваринництва, побутових і промислових) можна одержати різноманітну продукцію - альтернативні носії енергії, високоякісне органічне добриво, білкові та вітамінні кормові добавки.

При експлуатації тваринницьких ферм і комплексів виникає багато проблем - санітарно-гігієнічних, екологічних, економічних, соціальних тощо.

Це зумовлено передусім значною концентрацією тварин па обмеженому просторі та порушенням рівноваги між поголів'ям і площею земельних угідь, що супроводжується накопиченням великої кількості гною, стічних вод та інших органомістких відходів у розрахунку на одиницю земельної площі. Гній містить значну кількість патогенних мікроорганізмів, яєць і личинок гельмінтів, насіння бур'янів, солей важких металів та інших ксенобіотиків. Потрапляючи у ґрунт і водоймища, гнойова рідина спричинює забруднення ґрунтових вод, біологічне заражений ґрунту патогенними мікроорганізмами та викликає масові отруєння водних організмів. У воді різко збільшується вміст аміаку і зменшується кількість кисню.

Такі компоненти відходів, як метан, діоксид вуглецю, аміак і сірководень, забруднюють повітря. Метан, потрапляючи в атмосферу, зумовлює парниковий ефект, який у 22-30 разів перевершує вплив діоксиду вуглецю і призводить до глобальних змін клімату. За Міжнародною Конвенцією, яку підписала Україна, кожній країні виділена певна квота метану, який може потрапити у навколишнє середовище. Понаднормові його викиди призводять до штрафних санкцій, а у разі зменшення викидів метану в атмосферу надає право країні реалізувати певну частку своєї квоти на світовому ринку.

Проблеми поглиблюються тим, що сільськогосподарські угіддя як біологічні системи утилізації можуть сприймати підвищені дози органічних добрив у вигляді гною в обмеженій кількості. Критерієм є вміст азоту, максимально допустима концентрація якого складає 250-300 кг/га.

Таким чином, гнойова біомаса є забрудником навколишнього середовища як органічними, так і біогенними елементами. На її частку припадає 43-66 % загального біологічного навантаження на природні системи.

Для усунення цих негативних явищ необхідна спеціальна технологічна обробка гною, що дало б можливість підвищити концентрацію поживних речовин в одиниці об'єму гною і одночасно усунути запахи, загальмувати або знищити патогенні мікроорганізми, знизити вміст токсичних речовин та викиди шкідливих газів у атмосферу.

Усі існуючі методи утилізації відходів тваринництва умовно можна поділити на дві групи: традиційні і нетрадиційні.

При традиційних методах для утилізації використовують такі природні біологічні системи, як ґрунт і водоймища. Утилізація здійснюється біологічними агентами (об'єктами) - мікроорганізмами, дощовими черв'яками, членистоногими тощо. Вибір біологічної системи суттєво залежить від консистенції гнойової біомаси, яка, залежно від технології утримання і гноєвидалеиня, може бути: твердою (вологість до 80 %), напіврідкою (вологість 81-90 %) і рідкою (вологість більше 91 %).

До нетрадиційних методів належить утилізація гною шляхом метанового зброджування та вермікультивування з використанням біологічних агентів - анаеробних метаноутворюючих мікроорганізмів і дощових черв'яків.

5. Біотехнологічні прийоми в подоланні екологічних та економічних проблем людства

Ефективним і екологічно безпечним методом утилізації різних відходів (тваринництва, рослинництва, побутових і промислових) є метод вермікультивування, тобто використання дощових черв'яків.

Метод вермікультивування дає можливість трансформувати різні відходи, які до цього були основними забруднювачами навколишнього середовища, з одного боку, в повноцінний білок тваринного походження, придатний для використання у годівлі тварин та харчуванні людей (черв'ячна біомаса), а з іншого боку - у зернисте гумусне добриво (біогумус). На компост за допомогою дощових черв'яків переробляють навіть відходи, які важко піддаються утилізації - відходи целюлозно-паперової промисловості.

Ідея використання дощових черв'яків для переробки гною й інших органічних відходів з мстою одержання цінного органічного добрива і білкового корму не була новою. Ще в 1798 р. Готхард опублікував книгу «О разведении червей». Він рекомендував згодовувати дощових черв'яків курям, від чого «...вони ставали плідними і міцними».

Першими повідомленнями про корисність дощових черв'яків слід вважати вислови Арістотеля, що черв'як є «світовим шлунком», а великий натураліст Ч. Дарвін, виступаючи понад 150 років тому в Лондонському геологічному товаристві з доповіддю, стверджував, що дощові черв'яки - це умілі хлібороби і в природних умовах відіграють роль «архітектора» родючого шару ґрунту. Однак перші спроби використання дощових черв'яків відносяться до часів Стародавнього Єгипту. Перероблений дощовими черв'яками намул річки Ніл використовувався для вирощування сільськогосподарських культур. Єгиптяни обожнювали дощового черв'яка, вважали його священною твариною і забороняли вивозити iз країни.

У 30-ті роки XX століття американським фермером і ветеринарним лікарем Барретом в Каліфорнії були розпочаті спроби вирощування черв'яків промисловим способом у дерев'яних ящиках та траншеях, а наприкінці 1940 р. були створені перші господарства зі штучного розведення черв'яків, які використовувались як наживка для лову риби. А в 1959 р. був виведений за допомогою методів селекції на основі гнойового і дощового черв'яка культурний гібрид дощового черв'яка, який відрізнявся від природних форм у 10 разів більшою плодючістю і вчетверо більшою тривалістю життя. Гібрид більш технологічний, його можна вирощувати у відкритих культиваторах типу городніх грядок. Він має комерційну назву червоний каліфорнійський гібрид.

У 1980 р. у США уже діяло понад 1500 великих спеціалізованих господарств з переробки різних відходів методом вермікультивування і на їх базі було організовано фірми, які продають біогумус, черв'яків, консультують фермерів з питань організації вермікомпостування відходів. Нині метод вермікультивування набув широкого розповсюдження у багатьох країнах світу - Китаї, Японії, Філіпінах, Австралії, на Кубі, у Франції, Італії, Німеччині, Швейцарії та ін. Вермікомпостуванню піддаються різні відходи - рослинництва, тваринництва, побутові та промислові, осади стічних вод; продукція життєдіяльності дощових черв'яків (черв'ячна біомаса і біогумус) для окремих країн стала предметом комерції не тільки на внутрішньому ринку, але й для експорту.

Із країн Східної Європи першою почала займатись вермікультивуваниям у 1985 р. Угорщина, а в Україні - Івано-Франківська область, у якій при облсільгоспхімії був організований кооператив «Плодородие», який займався вдосконаленням та розповсюдженням біотехнології. Кооператив мав 8 філій у різних областях України.

У 1989 р. на базі кооперативу створено асоціацію «Біоконверсія», до якої зараз входять більше 250 різних організацій - навчальні та науково-дослідні заклади, сільськогосподарські організації, фермерські та індивідуальні господарства, зарубіжні фірми.

У Німеччині створено Об'єднання сприяння розвитку вермікультури, яке працює в тісному контакті з Міністерством охорони навколишнього середовища. Воно надає допомогу в проведенні наукових досліджень з вермікультури, у вивченні придатності різних відходів для розведення черв'яків, сприяє розширенню сфери використання вермікомпосту. Вермікультивуванням у Німеччині займаються близько 70 господарств.

Дощові черв'яки належать до класу малощетинкових Оlіgocheta (Олігохета) типу кільчастих (Аннсліда) черв'яків. Більшість видів, розповсюджених на території колишнього Радянського Союзу, є представниками родини Люмбрицид (Lumbricidae), яка включає близько 180 видів черв'яків, але найбільш розповсюджені 15-16 видів.

Серед усіх видів дощових черв'яків лише деякі можна розводити в штучних умовах. До них належать червоні черв'яки, зокрема червоний каліфорнійський гібрид, який у процесі селекції набув унікальну властивість - він не залишає своє місце перебування навіть за несприятливих умов. Цс дає можливість розводити його в грядах просто неба, не побоюючись втрати популяції.

Червоний черв'як темно-червоного кольору живе на територіях з помірним кліматом. Доросла особина досягає у довжину 8-10 см, у діаметрі 3-5 мм, масою 0,8 - 1 г. Температура тіла - 19-20 °С. За день споживає кількість корму, що приблизно дорівнює його масі (близько 1 г), після перетравлення якого виділяється 0,8-0,9 г копролітів. Найкрупніші частинки, які може проковтнути черв'як, мають розміри до 1 мм.

Тривалість життя - майже 16 років (дикі форми - 4 роки). Дуже плодючий. Статева зрілість настає у тримісячному віці і за оптимальних умов одна особина може принести приплід в середньому 1500 особин за рік.

Цей черв'як гермафродит. Кожна особина має чоловічі й жіночі статеві органи, але не може самозапліднюватись. Статевозрілі особини обопільно запліднюють одне одного. Запліднені яйцеклітини відділяються від тіла черв'яків і вкладаються у білкове кільце, або капсулу (кокон), який має спочатку жовтий, а потім коричневий колір