Микроорганизмы в биотехнологии. Основные группы микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности Получение кисломолочных продуктов

Благодаря большому разнообразию синтезируемых ферментов микроорганизмы могут выполнять многие химические процессы более эффективно и экономично, чем если бы эти процессы проводились химическими методами. Изучение биохимической деятельности микроорганизмов позволило подобрать условия для максимальной активности их как продуцентов различных полезных ферментов - возбудителей нужных химических реакций и процессов. Микроорганизмы все шире применяются в различных отраслях химической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине.

В нашей стране создана и успешно развивается новая отрасль промышленности - микробиологическая, все производства которой базируются на деятельности микроорганизмов.

Микроорганизмы, с помощью которых производят пищевые продукты, называют культурными. Их получают из чистых культур, которые выделяют из отдельных клеток. Последние хранят в музейных коллекциях и снабжают ими различные производства.

В результате осуществляемых культурными микроорганизмами химических реакций растительное или животное сырье превращается в пищевые продукты. С помощью микроорганизмов получают многие жизненно важные продукты питания, и хотя изготовление их знакомо человеку с древних времен, роль в нем микроорганизмов открыта сравнительно недавно.

Хлебопекарное производство.

Хлебопечение основано на деятельности дрожжей и молочнокислых бактерий, развивающихся в тесте. Совместное действие этих микроорганизмов приводит к сбраживанию сахаров муки. Дрожжи вызывают спиртовое брожение, молочнокислые бактерии - молочнокислое. Образующиеся при этом молочная и другие кислоты подкисляют тесто, поддерживая оптимальный для жизнедеятельности дрожжей уровень рН. Углекислый газ разрыхляет тесто и ускоряет его созревание.

Применение культурных микроорганизмов в виде прессованных хлебопекарных дрожжей, сушеных или жидких заквасок улучшает вкус и аромат хлеба.

Производство сыра.

Сыроделие основано на деятельности многих видов микроорганизмов: молочнокислые (термофильный стрептококк), пропионовокислые бактерии и др. Под действием молочнокислых бактерий происходит накопление молочной кислоты и сквашивание молока, под действием других полезных микроорганизмов созревает сыр. Участвуют в этом процессе также некоторые плесневые грибы. Сычужный фермент и молочнокислые бактерии производят глубокое расщепление белков, сахара и жира. Различные бактерии вызывают накопление в острых сырах летучих кислот, придающих им специфический аромат.

Получение кисломолочных продуктов.

Творог, сметану, масло, ацидофилин, простоквашу приготовляют на чистых Культурах с применением различных заквасок. Молоко предварительно пастеризуют. Для производства творога и сметаны применяют мезофильные молочнокислые бактерии; ряженки, варенца и подобных продуктов - термофильные стрептококки и болгарскую палочку; ацидофилина - кислотовыносливые молочнокислые бактерии; кефира - многокомпонентные закваски, состоящие из дрожжей, молочнокислых и часто уксуснокислых бактерий. Для изготовления кислосливочного масла в пастеризованные сливки вносят закваску молочнокислых бактерий и выдерживают до требуемой кислотности.

Пивоваренное, спиртовое, ликеро-водочное и винодельческое производства.

Вино, пиво, квас, водку и другие напитки приготовляют с применением дрожжей, вызывающих спиртовое брожение сахарсодержащих жидкостей. В результате брожения жидкости (сусла, бражки, сока и т. п.) образуется алкоголь, СО 2 и незначительные количества побочных продуктов. Подсобную роль выполняют молочнокислые бактерии: они подкисляют среду и облегчают деятельность дрожжей (например, при производстве кваса). В производстве спирта и пива для осахаривания заторов применяют также ферментные препараты грибного и бактериального происхождения.

Квашение и соление.

Сущность этого способа консервирования состоит в создании условий для преимущественного развития одних микроорганизмов - молочнокислых бактерий и подавления развития других - гнилостных бактерий. Заквашивают капусту, огурцы, помидоры, яблоки, арбузы. Применяют этот способ также при закладывании на длительное хранение корма для скота - заквашивается зеленая масса из трав, растительных остатков и др. Этот процесс носит название силосования кормов.

Получение органических кислот.

Уксусную, молочную и лимонную кислоты производят также с помощью микроорганизмов. Молочную кислоту получают способом брожения из сахарсодержащего сырья - патоки, крахмала, молочной сыворотки и др.

Молочнокислые бактерии выращивают на средах, содержащих до 15 % сахара. Выход молочной кислоты достигает 60-70 % массы содержащегося в заторе сахара.

Промышленное получение уксуса для пищевых целей основано на уксуснокислом брожении. Уксуснокислые бактерии в специальных чанах на буковых стружках окисляют поступающую питательную среду - уксусно-спиртовой раствор - до уксусной кислоты.

Лимонную кислоту раньше получали из плодов цитрусовых. В настоящее время ее также получают путем брожения. Возбудителем брожения является гриб Аспергиллус нигер, основное сырье - черная патока. Брожение происходит в растворе с содержанием 15 % сахара в аэробных условиях при температуре около 30 °С. Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков, сиропов, кулинарии и медицине.

Главным звеном биотехнологического процесса, определяющим всю его сущность, является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии могут выступать клетки микроорганизмов, животных и растений, трансгенные животные и растения, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и отдельные ферменты.

Основой большинства современных биотехнологических производств до сих пор все еще является микробный синтез, т. е. синтез разнообразных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. К сожалению, объекты растительного и животного происхождения в силу ряда причин еще не нашли столь широкого применения.

Независимо от природы объекта, первичным этапом разработки любого биотехнологического процесса является получение чистых культур организмов (если это микробы), клеток или тканей (если это более сложные организмы – растения или животные). Многие этапы дальнейших манипуляций с последними (т.е. с клетками растений или животных), по сути дела, являются принципами и методами, используемыми в микробиологических производствах. И культуры микробных клеток, и культуры тканей растений и животных с методической точки зрения практически не отличаются от культур микроорганизмов.

Мир микроорганизмов крайне разнообразен. В настоящее время

относительно хорошо охарактеризовано (или известно) более 100 тысяч различных их видов. Это в первую очередь прокариоты (бактерии, актиномицеты, риккетсии, цианобактерии) и часть эукариот (дрожжи, нитчатые грибы, некоторые простейшие и водоросли). При столь большом разнообразии микроорганизмов весьма важной, а зачастую и сложной, проблемой является правильный выбор именно того организма, который способен обеспечить получение требуемого продукта, т. е. служить промышленным целям. Микроорганизмы делятся на промышленные и непромышленные, это те микроорганизмы, которые используются в промышленном производстве – промышленные, а те, которые не используются, – непромышленные.

Основой промышленного производства являются немногочисленные, но глубоко изученные группы микроорганизмов, служащих модельными объектами при исследованиях фундаментальных жизненных процессов. Все остальные микроорганизмы генетиками, молекулярными биологами и генными инженерами не изучались совсем или изучались в очень ограниченной степени. К числу первых относятся кишечная палочка (E. coli), сенная палочка (Bac. subtilis) и пекарские дрожжи (S. cerevisiae).

Во многих биотехнологических процессах используется ограниченное число микроорганизмов, которые классифицируются как GRAS («generally recognized as safe» обычно считаются безопасными). К таким микроорганизмам относят бактерии Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, другие виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces. Сюда также относят виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus и дрожжей Saccharomyces и др. GRAS-микроорганизмы непатогенные, нетоксичные и в основном не образуют антибиотики, поэтому при разработке нового биотехнологического процесса следует ориентироваться на данные микроорганизмы, как базовые объекты биотехнологии.

Микробиологическая промышленность сегодня использует тысячи штаммов из сотен видов микроорганизмов, которые первично были выделены из природных источников на основании их полезных свойств, а затем (в большинстве своем) улучшены с помощью различных методов. В связи с расширением производства и ассортимента выпускаемой продукции в микробиологическую промышленность вовлекаются все новые и новые представители мира микробов. Следует отдавать себе отчет, что в обозримом будущем ни один из них не будет изучен в той же степени, как E.coli и Bac.subtilis. И причина этого очень простая – колоссальная трудоемкость и высокая стоимость подобного рода исследований.

Наиболее часто биотехнологическими объектами являются:

Бактерии и цианобактерии;

Водоросли;

Простейшие;

Культуры клеток растений и животных;

Растения – низшие (анабена-азолла) и высшие – рясковые.

Субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК).

Бактерии и цианобактерии

Биотехнологические функции бактерий разнообразны.

Уксуснокислые бактерии, роды Gluconobacter и Acetobacter.

Грамотрицательные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту в углекислый газ и воду.

Представители рода Bacillus - B.subtilis B.thuringiensis используются для получения пробиотиков, веществ, оказывающих антибиотическое действие на другие микроорганизмы, а также на насекомых (B.thuringiensis). Относятся к грамположительным бактериям, образующим эндоспоры.

B.subtilis - строгий аэроб, а B.thuringiensis может жить и в анаэробных условиях.

Анаэробные, образующие споры бактерии представлены родом Clostridium. C.acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n-бутанол (ацетобутаноловое брожение), другие виды могут также сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения.

К молочнокислым бактериям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и нечувствительны к кислороду.

Гетероферментативные бактерии рода Leuconostoc превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ.

Гомоферментативные бактерии рода Streptococcus продуцируют только молочную кислоту.

Представители рода Lactobacillus дают наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов.

Представитель рода Corynebacterium, неподвижные грамположительные клетки С.glutamicum служит источником лизина и глютамата натрия.

Другие виды коринебактерий используются для микробного выщелачивания руд и утилизации горнорудных отходов.

Широко используется такое свойство некоторых бактерий, как диазотрофность , то есть способность к фиксации атмосферного азота.

Выделяют 2 группы диазотрофов:

Симбионты: без корневых клубеньков (в основном лишайники), с корневым клубеньками (бобовые);

Свободноживущие: гетеротрофы (азотобактер, клостридиум, метилобактер), автотрофы (хлоробиум, родоспириллум и амебобактер).

Бактерии также используются в генноинженерных целях.

Цианобактерии обладают способностью к азотфиксации, что делает их весьма перспективными продуцентами белка. В цитоплазме клеток откладывается продукт, близкий к гликогену.

Такие представители цианобактерий, как носток, спирулина, триходесмиум съедобны и непосредственно употребляются в пищу. Носток образует на бесплодных землях корочки, которые разбухают при увлажнении. В Японии местное население использует в пищу пласты ностока, образующиеся на склонах вулкана и называет их ячменным хлебом Тенгу (Тенгу - добрый горный дух).

Спирулина (Spirulina platensis) происходит из Африки - района озера Чад.

Spirulina maxima растет в водах озера Тескоко в Мексике. Еще ацтеки собирали ее с поверхности озер и употребляли в пищу.

Из спирулины делали галеты представлявшие собой высушенную массу спирулины.

Анализ показал, что в спирулине содержится 65% белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков характерно сбалансированное содержание аминокислот. Клеточная стенка этой водоросли хорошо переваривается.

Спирулину можно культивировать в открытых прудах или в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20 г сухой массы водоросли с 1 м 2 в день, это выше, чем выход пшеницы, примерно в 10 раз.

Отечественная фармацевтическая промышленность выпускает препарат «Сплат» на основе цианобактерии Spirulina platensis. Он содержит комплекс витаминов и микроэлементов и применяется как общеукрепляющее и иммуностимулирующе средство

Escherichia coli

Escherichia coli – один из наиболее изученных организмов. За последние пятьдесят лет удалось получить исчерпывающую информацию о генетике, молекулярной биологии, биохимии, физиологии и общей биологии Escherichia coli . Это грамотрицательная, подвижная полочка длиной менее 10 мкм. Средой ее обитания является кишечник человека и животных, но она также может обитать в почве и в воде. Обычно, кишечная палочка не патогенна, но при определенных условиях может вызывать заболевание человека и животных.

Благодаря способности размножаться простым делением на средах, содержащих только ионы Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ ,NH 4 + , Cl - , HPO 4 2- и SO 4 2- , микроэлементы и источник углерода (например, глюкозу), E . coli стала излюбленным объектом научных исследований.

При культивировании E . coli на обогащенных жидких питательных средах, содержащих аминокислоты, витамины, соли, микроэлементы и источник углерода, время генерации (т.е. время между формированием бактерии и ее следующим делении) в логарифмической фазе роста при температуре 37°С составляет примерно 22 мин.

E . coli можно культивировать как в аэробных (в присутствии кислорода), так и в анаэробных (без кислорода) условиях. Однако для оптимальной продукции рекомбинантных белков E . coli обычно выращивают в аэробных условиях.

Если целью культивирования бактерий в лаборатории является синтез и выделение определенного белка, то культуры выращивают на сложных жидких питательных средах в колбах. Для поддержания нужной температуры и обеспечения достаточной аэрации культуральной среды колбы помещают в водяную баню или термостатируемую комнату и непрерывно встряхивают. Такой аэрации достаточно для размножения клеток, но не всегда – для синтеза определенного белка.

Рост клеточной массы и продукция белка лимитируются не содержанием в питательной среде источников углерода или азота, а содержанием растворенного кислорода: при 20°С оно равно примерно девяти миллионным долям. Это становится особенно важно при промышленном получении рекомбинантных белков. Для обеспечения условий, оптимальных для максимальной продукции белков, конструируют специальные ферментеры и создают системы аэрации.

Для каждого живого организма существует определенный температурный интервал, оптимальный для его роста и размножения. При слишком высоких температурах происходит денатурация белков и разрушение других важных клеточных компонентов, что ведет к гибели клетки. При низких температурах биологические процессы существенно замедляются или останавливаются совсем вследствие структурных изменений, которые претерпевают белковые молекулы.

Исходя из температурного режима, который предпочитают те или иные микроорганизмы, их можно подразделить на термофилы (от 45 до 90°С и выше), мезофиллы (от 10 до 47 °С) и психрофилы (от -5 до 35 °С). микроорганизмы, активно размножающиеся лишь в определенном диапазоне температур, могут быть полезным инструментом для решения различных биотехнологических задач. Например, термофилы часто служат источником генов, кодирующих термостабильные ферменты, которые применяются в промышленных или в лабораторных процессах, а генетически видоизмененные психротрофы используют для биодеградации токсичных отходов, содержащихся в почве и воде, при пониженных температурах.

Помимо E . coli , в молекулярной биотехнологии используют множество других микроорганизмов (табл. 1). Их можно разделить на две группы: микроорганизмы как источники специфических генов и микроорганизмы, созданные генноинженерными методами для решения определенных задач. К специфическим генам относится, например, ген, кодирующий термостабильную ДНК-полимеразу, которая используется в широко применяемой полимеразной цепной реакции (ПЦР). Этот ген был выделен из термофильных бактерий и клонирован в E . coli . ко второй группе микроорганизмов относятся, например, различные штаммы Corynebacterium glutamicum , которые были генетически модифицированы с целью повышения продукции промышленно важных аминокислот.

Таблица 1. Некоторые генетически модифицированные микроорганизмы, использующиеся в биотехнологии.

На современном этапе возникает проблема разработки стратегии и тактики исследований, которые обусловили бы с разумной затратой труда извлечь из потенциала новых микроорганизмов все наиболее ценное при создании промышленно важных штаммов-продуцентов, пригодных к использованию в биотехнологических процессах. Классический подход заключается в выделении нужного микроорганизма из природных условий.

1. Из естественных мест обитания предполагаемого продуцента отбирают образцы материала (берут пробы материала) и производят посев в элективную среду, обеспечивающую преимущественное развитие интересующего микроорганизма, т. е. получают так называемые накопительные культуры.

2. Следующим этапом является выделение чистой культуры с дальнейшим дифференциально-диагностическим изучением изолированного микроорганизма и, в случае необходимости, ориентировочным определением его продукционной способности.

Существует и другой путь подбора микроорганизмов-продуцентов – это выбор нужного вида из имеющихся коллекций хорошо изученных и досконально охарактеризованных микроорганизмов. При этом, естественно, устраняется необходимость выполнения ряда трудоемких операций.

Главным критерием при выборе биотехнологического объекта (в нашем случае микроорганизма-продуцента) является способность синтезировать целевой продукт. Однако помимо этого, в технологии самого процесса могут закладываться дополнительные требования, которые порой бывают очень и очень важными, чтобы не сказать решающими. В общих словах микроорганизмы должны:

Обладать высокой скоростью роста;

1.Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями роста и синтетических процессов, чем высшие организмы. Тем не менее это присуще не всем микроорганизмам. Существуют такие из них (например, олиготрофные), которые растут крайне медленно, однако они представляют известный интерес, поскольку способны продуцировать различные очень ценные вещества.

Утилизировать необходимые для их жизнедеятельности дешевые субстраты;

2. Особое внимание как объекты биотехнологических разработок представляют фотосинтезирующие микроорганизмы, использующие в своей жизнедеятельности энергию солнечного света. Часть из них (цианобактерии и фотосинтезирующие эукариоты) в качестве источника углерода утилизируют СО2, а некоторые представители цианобактерий, ко всему сказанному, обладают способностью усваивать атмосферный азот (т. е. являются крайне неприхотливыми к питательным веществам).

Фотосинтезирующие микроорганизмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и ряда органических соединений. Однако пpoгpecca в их использовании вследствие ограниченности фундаментальных знаний об их генетической организации и молекулярно-биологических механизмах жизнедеятельности, по всей видимости, следует ожидать не в скором будущем.

Быть резистентными к посторонней микрофлоре, т. е. обладать высокой конкурентоспособностью.

3. Определенное внимание уделяется таким объектам биотехнологии, как термофильные микроорганизмы, растущие при 60–80° С. Это их свойство является практически непреодолимым препятствием для развития посторонней микрофлоры при относительно не стерильном культивировании, т. е. является надежной защитой от загрязнений. Среди термофилов обнаружены продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода. Кроме того, скорость их роста и метаболическая активность в 1,5–2 раза выше, чем у мезофилов. Ферменты, синтезируемые термофилами, характеризуются повышенной устойчивостью к нагреванию, некоторым окислителям, детергентам, органическим растворителям и другим неблагоприятным факторам. В то же время они мало активны при обычных температурах. Так, протеазы одного из представителей термофильных микроорганизмов при 200 С в 100 раз менее активны, чем при 750 С. Последнее является очень важным свойством для некоторых промышленных производств.

Все вышеперечисленное обеспечивает значительное снижение затрат на производство целевого продукта.

Селекция

Неотъемлемым компонентом в процессе создания наиболее ценных и активных продуцентов, т. е, при подборе объектов в биотехнологии, является их селекция. А генеральным путем селекции является сознательное конструирование геномов на каждом этапе отбора нужного продуцента. В развитии микробных технологий в свое время сыграли (да и сейчас еще продолжают играть) очень важную роль методы, базирующиеся на селекции спонтанно возникающих измененных вариантов, характеризующихся нужными полезными признаками. При таких методах обычно используется ступенчатая селекция: на каждом этапе отбора из популяции микроорганизмов отбираются наиболее активные варианты (спонтанные мутанты), из которых на следующем этапе отбирают новые, более эффективные штаммы.

Процесс селекции наиболее эффективных продуцентов значительно ускоряется при использовании метода индуцированного мутагенеза.

В качестве мутагенных воздействий применяются УФ, рентгеновское и гамма-излучения, определенные химические вещества и др. Однако и этот прием также не лишен недостатков, главным из которых является его трудоемкость и отсутствие сведений о характере изменений, поскольку экспериментатор ведет отбор по конечному результату.

Таким образом, тенденцией сегодняшнего дня является сознательное конструирование штаммов микроорганизмов с заданными свойствами на основе фундаментальных знаний о генетической организации и молекулярно-биологических механизмах осуществления основных функций организма.

Селекция микроорганизмов для микробиологической промышленности и создание новых штаммов часто направлены на усиление их продукционной способности, т.е. образование того или иного продукта. Решение этих задач в той или иной степени связано с изменением регуляторных процессов в клетке.

Изменения скорости биохимических реакций у бактерий может осуществляться по крайней мере двумя путями. Один из них очень быстрый (реализующийся в течение секунд или минут) заключается в изменении каталитической активности индивидуальных молекул фермента. Второй, более медленный (реализуется в течение многих минут), состоит в изменении скоростей синтеза ферментов. В обоих механизмах используется единый принцип управления системами – принцип обратной связи, хотя существуют и более простые механизмы регуляции активности метаболизма клетки. Самый простой способ регуляции любого метаболического пути основывается на доступности субстрата или наличии фермента. Снижение количества субстрата (его концентрации в среде) приводит к снижению скорости потока конкретного вещества через данный метаболический путь. С другой стороны, повышение концентрации субстрата приводит к стимулированию метаболического пути. Поэтому, независимо от каких-то иных факторов, наличие (доступность) субстрата следует рассматривать как потенциальный механизм любого метаболического пути. Иногда эффективным средством повышения выхода целевого продукта является увеличение концентрации в клетке какого-либо определенного предшественника.

Наиболее распространенным способом регуляции активности метаболических реакций в клетке является регуляция по типу ретроингибирования.

Биосинтез многих первичных метаболитов характеризуется тем, что при повышении концентрации конечного продукта данного биосинтетического пути угнетается активность одного из первых ферментов этого пути. Впервые о наличии такого регуляторного механизма было сообщено в 1953 г. A. Novik и L. Szillard, исследовавшими биосинтез триптофана клетками E. coli. Заключительный этап биосинтеза данной ароматической аминокислоты состоит из нескольких, катализируемых индивидуальными ферментами стадий.

Указанными авторами было обнаружено, что у одного из мутантов E. coli с нарушенным биосинтезом триптофана добавление данной аминокислоты (являющейся конечным продуктом этого биосинтетического пути) резко тормозит накопление одного из предшественников – индол глицерофосфата в клетках. Уже тогда было высказано предположение, что триптофан ингибирует активность какого-то фермента, катализирующего образование индол глицерофосфата. Это было подтверждено.

Человечество для своих нужд с давних пор широко использовало многие процессы, не догадываясь об их микробиологической природе. К такой «полезной» деятельности микроорганизмов можно отнести:

1. производство продуктов питания (кваса, пива, вина, спирта, уксуса, хлеба, молочнокислых, квашеных и соленых продуктов, рыбных и мясных продуктов ферментации);
2. производство пищевого и кормового микробного белка, пищевых добавок и кормов для животных;
3. получение индивидуальных химических веществ (растворителей, газов, ферментов, витаминов, органических и аминокислот, нуклеотидов, биополимеров, токсинов и т.д.), причем некоторые продукты вообще не могут быть получены химическим путем или их образование чрезвычайно дорого;
4. получение препаратов для медицины, ветеринарии и сельского хозяйства (вакцин , сывороток, антибиотиков, алкалоидов, стероидов, гормонов, стимуляторов роста растений, микробных удобрений и т.д.);
5. участие микроорганизмов в ряде непищевых производств (биогидрометаллургии, изготовлении льняных волокон и табачных изделий);
6. переработка промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов и очистка окружающей среды от загрязнений;
7. применение различных физиологических групп микроорганизмов (фототрофов, гидролитиков, бродильщиков, метилотрофов, метаногенов и т.д.) для создания замкнутых систем жизнеобеспечения на космических станциях и подводных лодках, находящихся в автономном плавании. В таких системах продукты жизнедеятельности человека служат питательным субстратом для микроорганизмов, производящих пищевой белок и кислород для дыхания;
8. использование микроорганизмов в качестве тест-систем, биосенсоров, моделей и инструментов научных исследований.

«Вредными» микробными процессами являются:

• порча пищевых продуктов;
• микробная коррозия промышленных и бытовых объектов и материалов;
• болезнетворность микроорганизмов для человека, животных и растений.

Следует иметь в виду, что «полезность» и «вредность» здесь рассматриваются именно по отношению к интересам человека, которые часто противоречат «интересам» природы в целом. Например, негативный для человека процесс порчи пищевых продуктов является лишь одной из сторон необходимого природного процесса деструкции органических веществ.

Создание любого микробиологического производства требует проведения предварительных лабораторных исследований. Они заключаются в поиске продуцентов, всестороннем изучении их свойств и оптимизации способов культивирования. Следующим этапом является масштабирование процесса и испытание его в промышленных условиях. При этом происходит постепенный переход от в колбах к выращиванию в лабораторных ферментерах и затем - в промышленных установках большого объема. На таком заводе всегда функционирует микробиологическая лаборатория, сотрудники которой постоянно следят за состоянием микроорганизма-продуцента, способного видоизменяться в процессе производства и хранения. Они контролируют отсутствие посторонних микроорганизмов и бактериофагов , создают условия для поддержания высокой активности продуцента, следят за расщеплением продуцента на диссоциативные варианты, проводят периодические рассевы, отбирая высокопродуктивные колонии микроорганизма.

Микробиологические производства постоянно совершенствуются. Одним из путей является применение мутантных и генно-инженерных продуцентов. Например, для получения промежуточных соединений различных циклов (ЦТК) используют регуляторные мутанты, что позволяет накапливать органические и аминокислоты. Путем введения определенных генов в микробную клетку микроорганизмы могут быть превращены в продуцентов, производящих в сверхколичествах уникальные вещества с заданными свойствами (высокотермостабильные ферменты, искусственно сконструированные пептиды и белки, человеческие терапевтические агенты - инсулин, интерферон, эпидермальный фактор роста, поверхностный антиген вируса гепатита В и т.д.).

Для получения новых свойств у ряда продуцентов (дрожжей, плесневых грибов, стрептомицетов, лактококков) применяют метод «слияния протопластов». Для этого ферментативно удаляют клеточную стенку и частично растворяют ЦПМ под действием полиэтиленгликоля, что позволяет протопластам двух штаммов соединиться. В этих условиях их генетический материал подвергается рекомбинации, в результате полученный продуцент после регенерации клеточной стенки будет обладать новыми свойствами. Такие микроорганизмы менее стабильны, чем « дикие», поэтому необходимо применять соответствующие методы сохранения их активности. Из относительно новых способов хранения можно назвать лиофилизацию и хранение под жидким азотом.

Еще один технологический прием - это иммобилизация(закрепление)клеток и/или ферментов на (в) твердом носителе. В зависимости от природы носителя и механизма прикрепления иммобилизация бывает нескольких видов. При иммобилизации не только изменяется пространственное положение продуцента для удобства работы с ним, но и происходят значительные преобразования его жизнедеятельности за счет изменения свойств поверхностных структур клетки (в частности, ЦПМ) и образования новой поверхности раздела фаз. Примеры некоторых производственных процессов, основанных на использовании закрепленных клеток, приведены в таблице.

Таблица.

Производственные процессы, основанные на использовании иммобилизованных клеток.

Для повышения эффективности промышленных микробиологических процессов постоянно ведется работа по совершенствованию аппаратов для культивирования и полной автоматизации и компьютеризации процесса.

Приготовление пищевых продуктов с помощью микроорганизмов

Задолго до того, как были раскрыты микробиологические механизмы приготовления ряда продуктов, человек интуитивно научился использовать их в своей жизни. Издавна известны способы выпечки хлеба, приготовления кваса, вина, кисломолочных продуктов, квашеных овощей, некоторых мясных изделий и различных национальных кушаний. Например, у народов Севера с древних времен и до наших дней сохранился способ приготовления китового мяса, позволяющий им восполнять недостаток витаминов и аминокислот: сырое мясо заворачивают в шкуру и кладут под снег для «вызревания», происходит развитие микроорганизмов, образующих витамины, а также частичный гидролиз белка, дающий пептиды и аминокислоты. Некоторые продукты, в приготовлении которых задействован микробный метаболизм, представлены в таблице.

Таблица.

Пищевые продукты, при изготовлении которых используются микроорганизмы.

Приготовление кормов для сельскохозяйственных животных

Растительный материал для скармливания скоту (трава, сочные корма, а также капуста, огурцы и помидоры) можно сохранить в виде силоса с помощью молочнокислого брожения под действием природных популяций микроорганизмов, ассоциированных с наземными частями растений. Образующаяся при силосовании молочная кислота снижает рН корма и тем самым консервирует его. После силосования корма могут храниться довольно долго, но, как правило, их хранят до следующего урожая.

Материалы для хорошего силоса богаты углеводами и содержат относительно немного белка и воды. Это зеленая масса кукурузы, большинства зерновых, подсолнечника и турнепса. Медоносные травы, клевер, сено обычно силосовать труднее, а вика и горох не подвергаются силосованию.

Скошенную траву или сочные корма, приготовленные для силосования, режут, подсушивают, прессуют и закладывают в силосные башни, наземные хранилища или в силосные ямы для создания анаэробных условий. На начальном этапе силосования аэробные микроорганизмы и факультативно анаэробные энтеробактерии потребляют весь кислород в растительной массе. Это способствует преимущественному развитию и доминированию гомоферментативных лактобацилл, стрептококков, лактококков и лейконостока, которые образуют молочную кислоту и постепенно снижают рН до 4,0. При недостаточно быстром закислении может начаться рост Clostridium butyricum , который превращает лактат в масляную кислоту, придающую корму неприятный вкус и запах. Силос становится несъедобным для животных. Росту этого микроорганизма препятствует достижение значения рН ниже 4,5. На более поздних стадиях силосования преобладают кислотоустойчивые Lactobacillus plantarum, L. fermentum и L. brevis.

При производстве другого вида корма - сенажа, брожению подвергается подсушенная растительная масса с влажностью 50-65%. Несмотря на довольно высокое значение рН (около 5) гнилостные процессы происходят очень медленно, а процесс молочнокислого брожения активизируется за счет развития устойчивых к понижению активности воды представителей рода Lactobacillus . В сенаже содержатся умеренные количества лактата и ацетата.

В качестве дополнительного корма для животных могут быть использованы белково-витаминные концентраты (БВК) из биомассы различных микроорганизмов, выращенных на отходах пищевой промышленности. Некоторые индивидуальные вещества микробного происхождения (ферменты, аминокислоты, органические кислоты, витамины) также могут применяться как кормовые добавки, улучшающих структуру и усвоение кормов.

Микроорганизмы - продуценты индивидуальных веществ

Значительное количество индивидуальных веществ разного назначения (табл.) в настоящее время получают с помощью микроорганизмов. В их числе как простые органические и неорганические вещества, так и сложные соединения, химический синтез которых невозможен или крайне дорог.

Таблица.

Некоторые индивидуальные соединения, получаемые с помощью микроорганизмов.

Убеждение в конечности запасов полезных ископаемых и необходимости перехода на возобновляемые источники энергии диктует необходимость разработки производственных биотехнологических процессов получения спиртов и органических кислот наряду с уже имеющимся их химическим синтезом из нефти. Спирты (в частности, этанол) легко могут быть получены с помощью микроорганизмов, растущих как на пищевых субстратах и отходах пищевых производств, так и на техническом сырье. Давно известны процессы получения спирта путем спиртового брожения дрожжей на сахаристых субстратах и на древесных опилках, подвергнутых щелочному гидролизу. Применение в качестве продуцентов термофильных анаэробных бактерий, обладающих собственными мощными гидролазами, значительно ускоряет процесс, так как исключается стадия предварительного гидролиза сырья, а повышенная температура культивирования увеличивает скорость реакций. Использование устойчивых микробных ассоциаций способствует повышению активности и стабильности процесса получения спирта из растительной массы. Высокий выход конечного продукта может быть достигнут при непрерывном режиме культивирования с использованием иммобилизованных клеток микроорганизмов.

Ряд органических кислот и аминокислот получают с использованием плесневых грибов и коринебактерий, осуществляющих неполные окисления, причем L -формы аминокислот могут быть синтезированы исключительно микробиологическим путем.

Молекулярный водород в настоящее время рассматривают как перспективное возобновляемое биотопливо. Этот газ выделяется при некоторых видах брожения и при азотфиксации. В качестве продуцентов водорода изучают фототрофные микроорганизмы, обладающие нитрогеназным комплексом (например, пурпурные бактерии и цианобактерии). Они способны расти при освещении на очень простых средах. При иммобилизации клеток на пористом стекле или внутри гранул различных гелей может быть достигнуто значительное повышение выхода газообразного водорода.

Метан в смеси с углекислым газом (биогаз) может быть получен при микробиологической переработке растительного и животного сырья в сельском хозяйстве или при уничтожении промышленных и бытовых отходов. Такая конверсия является наиболее эффективным способом преобразования отходов, сопровождающаяся получением полезных продуктов. Она осуществляется с помощью естественно сложившихся метаногенных микробных сообществ в анаэробных условиях и основана на тесных взаимодействиях микроорганизмов разных систематических и физиологических групп. Процесс начинается с гидролиза биополимеров растительного и животного сырья и отходов внеклеточными ферментами бактерий рода Clostridium . Продукты гидролиза подвергаются брожениям разных типов под действием энтеробактерий, клостридий, молочнокислых бактерий с образованием смеси летучих жирных кислот, спиртов и газов. Эти вещества используются бактериями-синтрофами, продуцирующими субстраты метаногенеза (Н 2 , СО 2 и ацетат). Завершающую стадию осуществляют водородотрофные и ацетокластические метаногенные археи, выделяя биогаз. Отходы сельского хозяйства перерабатываются в биогаз в специальных резервуарах (метантенках) при 54-56 о С. Некоторое количество кислорода, содержащееся в загружаемом сырье, быстро потребляется естественной аэробной и факультативно анаэробной микробиотой сельскохозяйственных отходов. Повышенная температура в метантенке позволяет увеличить скорость переработки и способствует обеззараживанию перерабатываемых отходов. Конверсию жидких отходов, в том числе бытовых и промышленных стоков, проводят в специальных анаэробных реакторах с высокой концентрацией агрегированной биомассы и с восходящим током жидкости. Использование микроорганизмов для получения биогаза позволяет комплексно решать проблемы малой энергетики, получения новых возобновляемых энергоресурсов и перехода к безотходным технологиям.

Микробиологические процессы играют существенную роль в фармацевтической промышленности при производстве витаминов, ферментов и стероидных гормонов. Так, для получения витамина В 2 (рибофлавина) используют фитопатогенные грибы, образующие его в больших количествах и выделяющие избыток в среду. Бактерии родов Pseudomonas и Propionibacterium синтезируют сложный по химической структуре витамин В 12 , применяемый в медицине. При экстракции осадков метантенков получают кормовой препарат витамина В 12 .

Микробные ферменты применяют в различных отраслях человеческой деятельности. Например, амилазы, протеазы, липазы и целлюлазы, образуемые плесневыми грибами, пектиназы бактерий рода Erwinia и инвертазу пекарских дрожжей используют в пищевой промышленности. Протеазы грибов, стрептомицетов и бацилл добавляют к стиральным порошкам для удаления белковых загрязнений. В медицине нашли применение лекарственные формы стрептокиназы бактерий рода Streptococcus и коллагеназы представителей рода Clostridium , используемые для заживления ран, а также грибные амилазы, протеазы и липазы, способствующие нормализации пищеварения. Микробные ферменты применяют при лабораторной диагностике в медицине и в научных исследованиях в качестве высокоспецифичных реагентов.

В промышленности, медицине и научных исследованиях в качестве загустителей, смазочных материалов, гелей для иммобилизации, молекулярных сит и сорбентов используются разнообразные микробные полисахариды. Поли-β-алканоаты (природные термопластики) добавляют при изготовлении в полимерные упаковочные материалы, что способствует их более быстрой микробной деструкции в окружающей среде.

Основными продуцентами при производстве антибиотиков служат плесневые грибы рода Penicillium и бактерии родов Streptomyces и Bacillus . В связи с возникновением множественной лекарственной устойчивости среди патогенных микроорганизмов микробиологическая стадия получения антибиотиков часто продолжается стадией их химической модификации. Исследователи постоянно ведут поиск новых антибиотических веществ и их продуцентов.

Стероидные гормоны широко используются в медицине как регуляторы метаболизма животных и человека. Потребности в этих препаратах не покрываются выделением их из животного сырья, так как в животном организме стероидов синтезируется крайне мало. Использование дешевого растительного сырья с последующей химической модификацией растительных стеринов требует проведения тонкой трансформации, затрагивающей только один-два определенных атома стероидного ядра, что крайне дорого и неэффективно. Однако такие реакции способны проводить некоторые микроорганизмы, специфически отщепляя или присоединяя атомы и группы в нужном положении и тем самым превращая низкоактивные стероиды растительного происхождения в гормональные препараты. В настоящее время ряд штаммов артробактеров, микобактерий, коринебактерий и плесневых грибов применяют для получения преднизолона, кортизона и гидрокортизона. При производстве стероидных гормонов микробиологический процесс используют как одну из стадий синтеза препарата. Растительные стероиды, нерастворимые в воде, добавляют в культуру в виде тонкодисперсной суспензии в фазе замедления роста микроорганизма. Микробные клетки прикрепляются к частицам фитостеринов, а трансформированные продукты выделяются в среду. Для получения некоторых человеческих гормонов и факторов применяют генно-инженерные технологии, когда нужные гены вводят в геном микроорганизма-продуцента.

Гиббереллины, полученные микробиологическим путем, успешно применяют в сельском хозяйстве для стимуляции роста растений. Исследования последнего времени показывают, что многие ризосферные микроорганизмы могут быть источником ряда фитогормонов.

Микробиологические процессы получения биопрепаратов для сельского хозяйства

Биопрепараты комплексного действия на основе микроорганизмов рассматриваются как альтернатива различным химическим препаратам (минеральным удобрениям, пестицидам и т.д.), применяемым в земледелии.

Для предпосевной обработки семян бобовых растений во многих странах используют препараты клубеньковых бактерий. Наиболее эффективен этот прием в случае внедрения новых культур бобовых на вновь осваиваемых посевных площадях, так как позволяет обеспечить тесный контакт потенциальных симбионтов, обеспечивает быстрое образование клубеньков и эффективную симбиотическую азотфиксацию. Обработка семян препаратами при посеве давно возделываемых бобовых культур на прежних посевных площадях также дает прибавку к урожаю за счет обеспечения контакта растения с высокоактивными видоспецифичными штаммами клубеньковых бактерий. Применение таких биопрепаратов позволяет не только снизить дозы минеральных азотных удобрений, но и положительно влияет на качество урожая бобовых, повышая содержание белка и витаминов в зерне. Препараты на основе клубеньковых бактерий имеют разные названия (нитрагин, нитразон, ризоторфин и др.). При их приготовлении используют стерильные или нестерильные носители (почва, торф), содержащие необходимые питательные вещества, в которые вносят суспензию клубеньковых бактерий, иногда выдерживают препарат в термостате для подращивания культуры, а затем фасуют в тару различного объема. Перед посевом препарат разводят водой и обрабатывают им семена.

Использование в качестве биопрепаратов культур микроорганизмов ризоферы и ризопланы обусловлено не только их способностью к ассоциативной азотфиксации, но и выработкой биологически активных по отношению к растениям веществ (стимуляторов роста, витаминов, антибиотических соединений, активных против фитопатогенных микроорганизмов). Для приготовления препаратов используют чистые или смешанные культуры представителей родов Azotobacter , Azospirillum , Agrobacterium , Arthrobacter , Enterobacter , Bacillus , Pseudomonas и др. Водной суспензией препарата обрабатывают поверхность семян или корневую систему растений. Как правило, положительные стабильные результаты применение препаратов дает на хорошо окультуренных, богатых органикой почвах (в теплицах, оранжереях). В настоящее время предлагается широкий спектр препаратов под разными названиями и на основе разных микроорганизмов (азотобактерин, азоризин, агрофил, мизорин, ризоагрин, псевдобактерин и т.д.).

Цианобактериальные препараты применяют в ряде стран на обводненных и затопляемых почвах, например, при выращивании риса. Массу цианобактерий получают в специальных бассейнах, внося туда маточную культуру (обычно это представители родов Anabaena и Nostoc ). В некоторых странах Азии в качестве «зеленого удобрения» используют водный папоротник азолла, несущий на листьях симбиотического диазотрофа Anabaena azollae . Размножают растение в небольших водоемах, а потом запахивают в почву рисовников, либо переносят на поверхность воды рисовых полей. Отмирающая масса папоротника минерализуется, и соединения азота становятся доступными растениям риса.

Ряд биопрепаратов применяют для активизации микробиологических процессов в почвах. Это, например, фосфоробактерин на основе спор Bacillus megaterium для повышения доступности фосфора для растений; бактогумин, содержащий смешанную культуру микроорганизмов разных физиологических групп, для изготовления биологически активных грунтов; комплексные биопрепараты почвенных бактерий для применения под овощные и плодовые культуры, в основном, в защищенном грунте и т.д.

Для защиты сельскохозяйственных растений от поражения фитопатогенными грибами препараты на основе микроорганизмов-антагонистов (обычно бактерий родов Pseudomonas и Azotobacter и грибов рода Trichoderma ) вносят в почву или обрабатывают ими семена и корни высаживаемых растений. К сожалению, в природной обстановке активность таких препаратов существенно снижается, так как вносимые микроорганизмы не всегда способны выдержать конкуренцию с естественной микробиотой почвы.

Для борьбы с вредителями сельского хозяйства широко применяют микробиологические методы. С помощью бактерий и грибов получают энтомопатогенные препараты, обладающие избирательной токсичностью для личинок и взрослых особей многих насекомых, но не опасные для других членов экосистемы и человека. Например, белковые кристаллы Bacillus thuringiensis вызывают паралич у личинок перепончатокрылых при попадании в их кишечник. Энтомопатогенный препарат представляет собой высушенные клетки бацилл в фазе начала споруляции, когда образуются белковые кристаллы токсина. Перед применением порошок разводят в воде и распыляют на листья растений. Для защиты растений также используют культуры возбудителей инфекционных болезней насекомых и грызунов, вызывающих эпизоотии среди этих вредителей, но не патогенных для других животных.

В традиционном земледелии большинство органических остатков превращается в органические удобрения в результате компостирования. Компостирование - это увеличение скорости природной минерализации отмершего органического вещества. В настоящее время компостирование завоевывает все большую популярность в развитых странах как альтернатива промышленным и бытовым свалкам больших городов. Компостирование приводит к:

1. уменьшению объема отходов;
2. снижению содержания органического вещества в отходах;
3. улучшению их физических характеристик, что позволяет складировать отходы более компактно;
4. уменьшению количества микроорганизмов, патогенных для растений, животных и человека, а также семян сорняков;
5. сокращению площадей, отчуждаемых под полигоны для свалок.

При компостировании сначала отделяют биодеградабельную часть отходов от не перерабатываемой микроорганизмами (пластика, металлов, стекла). Оставшаяся часть органических отходов смешивается с порцией старого компоста («посевной материал») и с органическими веществами, которые перерабатываются медленно (щепа, нарезанная бумага, подсолнечная шелуха), для создания рыхлой структуры и лучшей вентиляции компоста. Компостирование осуществляют в длинных, но не очень высоких (до 2 м) грядах, которые время от времени перемешивают для более равномерного прохождения процесса. Появления неприятного запаха (сероводорода, меркаптанов) избегают, накрывая компостные кучи слоем почвы.

Микробное выщелачивание металлов

Способность некоторых микроорганизмов окислять восстановленные соединения серы и металлов применяют в биогидрометаллургии бедных руд. Суспензия таких микробов, обогащенная кислородом, осуществляет реакции, переводящие металл (Ме) в растворенное состояние:

FeS 2 + 3½O 2 + H 2 O → FeSO 4 + H 2 SO 4

S 0 + 1½O 2 + H 2 O → H 2 SO 4

2FeSO 4 + ½O 2 + H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + H 2 O

MeS + 2Fe 3+ → Me 2+ + 2Fe 2+ + S 0

Полученный раствор концентрируют и осаждают из него металл. В технологических условиях процесс проходит под действием микробного сообщества, включающего грамотрицательные ацидитиобациллы и лептоспириллы , грамположительные сульфобациллы и археи ацидианусы , металлосферы , сульфолобусы и ферроплазмы . В зависимости от условий один или несколько штаммов в сообществе численно преобладают. Все участвующие в процессе микроорганизмы обладают устойчивостью к высоким концентрациям металлов.

Извлечение (выщелачивание) металлов с помощью микроорганизмов осуществляют тремя основными способами. При кучном выщелачивании отвал бедной руды орошают аэрируемой суспензией микроорганизмов. Из стекающего с кучи раствора осаждением или электролизом извлекают металл, а раствор вновь направляют на орошение руды. При подземном выщелачивании обогащенную кислородом суспензию микроорганизмов закачивают в скважину. При чановом выщелачивании сложные руды и концентраты перерабатывают в специальных установках, обеспечивающих непрерывный проточный режим. Микробиологические процессы используют при получении меди, урана, марганца, а также для освобождения олова, серебра и золота из кристаллов сульфидных минералов, содержащих мышьяк.

Биологическая обработка органических отходов

Жидкие органические отходы - это сточные воды бытовых, сельскохозяйственных и промышленных предприятий, к полужидким относятся полужидкий навоз и осадки сточных вод, а твердые формируются из бытового мусора и подстилочного навоза. В зависимости от характера производства состав загрязнений в промышленных стоках может сильно различаться. Обработка сточных вод заключается в практически полном удалении из них органического вещества. В полужидких и твердых отходах удаляется прежде всего быстро разлагаемая часть органических соединений, а оставшаяся часть стабилизируется. При аэробном разложении органических отходов примерно половина углерода и энергии расходуется на прирост биомассы микроорганизмов-деструкторов, а другая половина рассеивается в виде тепла. Анаэробное разложение с образованием метана приводит к переводу почти 90% углерода и энергии органических веществ в биогаз и только 5-8% расходуется на построение микробных клеток.

В настоящее время активно разрабатываются и используются аэробные процессы, позволяющие с высокой скоростью удалять даже низкие концентрации органических веществ. Существенным недостатком аэробных технологий, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию. Проблемы связаны также с образованием большого количества микробной биомассы, имеющей очень низкую водоотдающую способность. Чтобы использовать эту биомассу в качестве удобрения, необходимо снизить в ней содержание воды. Для этого используют длительную естественную сушку на значительных по территории иловых площадках, что приводит к ухудшению экологической обстановки. Некоторые сложные ксенобиотики на воздухе полимеризуются в трудноразлагаемые вещества, а продукты их аэробного разложения часто более токсичны, чем исходные загрязнители. Ароматические соединения понижают поверхностное натяжение водных растворов и могут являться причиной неконтролируемого пенообразования в аэрируемых водоёмах. Некоторые из них летучи и токсичны и при аэробном методе очистки способны загрязнять воздух.

При анаэробной обработке преимуществами являются незначительное образование биомассы, возможность удалять высококонцентрированные вещества и попутное образование возобновляемого источника энергии (метана). Оказалось, что в анаэробных условиях микроорганизмы способны разрушать органические соединения, содержащие ароматические и конденсированные циклические структуры. Полного разложения ксенобиотиков удается добиться при использовании структурированных микробных сообществ, содержащих микроорганизмы различных физиологических групп. Поскольку при низких концентрациях органического загрязнителя анаэробный процесс не всегда эффективен, для глубокой очистки применяют комбинацию бескислородной и аэробной обработки.

В современных процессах очистки, в основном, применяют естественно складывающиеся микробные сообщества. Видовой состав таких сообществ и взаимодействие микроорганизмов в них изучены недостаточно, что тормозит массовое применение биоремедиации. Изучение метаболических путей в микробных сообществах в перспективе позволит создать ассоциации микроорганизмов, способные разрушать весь набор загрязнителей.

Микробиологическая очистка сточных вод

Самыми простыми способами очистки сточных вод является их отстаивание и фильтрация . Эти процессы происходят в системе неглубоких водоемов (прудов и каналов), где микроорганизмы находятся в осадке и во взвешенном состоянии. Естественная фильтрация происходит через песок и глину. Иногда используют природные низины, затопляемые сточными водами (поля орошения и искусственные болота). В очистных водоемах часто выращивают водные растения, в ризосфере которых формируется микробное сообщество, участвующее в биоремедиации. К простым очистным сооружениям относятся струйные и дисковые биофильтры . Струйные биофильтры - это емкости или наклонные каналы, заполненные пористым материалом. На таком наполнителе формируется микробная биопленка. Ее основу составляют выделяющие слизь зооглеи . Микробное сообщество, погруженное в слизистый матрикс, состоит из бактерий, грибов, простейших. Сточные воды медленно просачиваются через наполнитель (керамзит, щебень) и собираются внизу. Дисковые биофильтры представляют собой медленно вращающиеся диски, наполовину погруженные в протекающую воду. Поверхность диска покрыта биопленкой, в верхнем слое которой обитают аэробные и факультативно анаэробные, а в нижнем - анаэробные микроорганизмы. При медленном вращении части диска последовательно соприкасаются с кислородом воздуха и погружаются в сточную воду, что приводит к чередованию аэробных и анаэробных процессов.

При централизованной очистке сточных вод применяют принудительную аэрацию и поддерживают высокую плотность микробной популяции. Городские очистные сооружения представляют собой крупные промышленные предприятия, перерабатывающие туалетные, кухонные, ливневые воды и нетоксичные стоки промышленных предприятий. Процесс аэробной очистки сточных вод на основе активированного ила состоит из 3-4 стадий. На первой стадии при проходе воды через решетку, песколовку и отстойник удаляются твердые включения. Вторая стадия заключается в биологической очистке воды с помощью активированного ила. Растворенные и суспендированные загрязнения окисляются сложным микробным сообществом в открытом бассейне (аэротенке) с принудительной подачей воздуха и интенсивным перемешиванием. Микроорганизмы активно растут и используют до 99% загрязнений. Обработанная вода и микробная биомасса разделяются во вторичном отстойнике. Из него микробный ил возвращается обратно в аэротенк, а вода направляется на третью стадию химической и биологической доочистки от азота и фосфора. Азот присутствует в виде аммония, нитрата и нитрита. При интенсивной аэрации и низкой концентрации органических веществ нитрифицирующие бактерии превращают аммоний в нитрат. В условиях периодического ограничения доступа кислорода денитрификаторы проводят восстановление нитрата в молекулярный азот. Фосфаты накапливаются некоторыми грамположительными бактериями и акинетобактерами и могут быть удалены с осадком ила. Другим широко распространенным методом удаления фосфора является его химическое осаждение в виде фосфатов железа и алюминия. Четвертой стадией очистки может быть дезинфекция соединениями хлора или озоном. Концентрированные осадки сточных вод из всех отстойников подвергаются анаэробной переработке в метантенке. Уплотненный осадок метантенка и твердые включения направляются на полигоны захоронения твердых бытовых отходов или используется в качестве удобрения.

В микробное сообщество активированного ила входят разнообразные микроорганизмы, многие из которых имеют слизистые капсулы (зооглеи , лейкотрикс , тиотрикс и др.). Ил содержит много микроорганизмов, не поддающихся лабораторному культивированию и определенных с помощью молекулярно-биологических методов. В сообщество ила входят паракокки, каулобактеры, гифомикробии, псевдомонады, цитофаги, флавобактерии, флексибактеры, коринебактерии, артробактеры, нокардии, родококки, бациллы, клостридии, стафилококки, лактобациллы и др. Численность патогенных бактерий обычно мала. Простейшие представлены инфузориями и амебами . Микроорганизмы активированного ила образуют хлопьевидные агрегаты, способные к осаждению. При наличии избытка нитчатых форм может происходить вспухание ила, когда образуются гигантские пенообразные хлопья, выносимые с очищенной водой. Такой ил содержит большое количество нитчатых бактерий (сферотилус , беггиатоа , тиотрикс ) и бацилл , а также мицелий актиномицетов и плесневых грибов .

Анаэробная обработка применяется в случае концентрированных сточных вод. Поскольку рост микробного сообщества в анаэробных условиях замедлен, то в реакторе необходимо удерживать максимальное количество биомассы. Для этого используют реакторы с фиксированной загрузкой, представляющий собой анаэробный биофильтр с верхней или нижней подачей воды. Наиболее эффективен реактор с восходящим потоком воды через взвешенный слой ила . Анаэробное микробное сообщество в этом случае представлено плотными гранулами, основой которых являются клетки метаногенов. В сильно концентрированных стоках формируются мелкие рыхлые агрегаты, в которых клетки бактерий погружены в межклеточное вещество псевдоткани метаносарцины . Плотные гранулы образуются на основе нитей метаносаеты , между которыми расположены клетки других членов сообщества. Таким образом, образование метаногенных гранул - это пример самоиммобилизации микроорганизмов, для которых тесное соседство необходимо для межвидового переноса промежуточных веществ.

Полужидкие отходы, а также растительные и пищевые остатки перерабатываются обычно в метантенках - закрытых резервуарах разного объема. Длительность процесса составляет от 2 до 5 недель при температуре 30-35 или 50-55 о С. В больших метантенках содержимое перемешивают с помощью мешалок или путем продувки нагретого пара. В результате получается хорошее обеззараженное удобрение.

Биоконверсия растительного сырья и отходов сельского хозяйства в биогаз и растворители.

Микробиологическая конверсия растительного сырья - наиболее эффективный способ осуществить управляемую переработку целлюлозо- и крахмалсодержащих сельскохозяйственных продуктов и отходов в полезные субстанции. При этом решается ряд задач по переходу к безотходным технологиям и, в частности, проблемы малой энергетики и использования новых возобновляемых энергоресурсов, а также защиты окружающей среды.

Спирты (в основном, этанол) относятся к традиционным энергосоединениям, для получения которых используются микроорганизмы (табл. 26).

Таблица 26.

Производство спирта может быть основано не только на использовании пищевых субстратов и отходов пищевых производств, но и на техническом сырье, способном подвергаться гидролизу, в том числе неферментативному, с образованием сахаров (например, на древесных опилках). Использование термофильных анаэробных бактерий позволяет не только ускорить проведение процесса биоконверсии, но и исключить стадию предварительного гидролиза сырья, так как эти микроорганизмы способны сами продуцировать мощные гидролазы. Таким образом, становится возможным проведение непосредственной переработки растительного сырья сразу в этанол. Повышение активности и стабильности процесса получения спирта из растительной массы может быть достигнуто путем применения устойчивых микробных ассоциаций.

Конверсия сельскохозяйственных отходов в биогаз осуществляется под действием естественно сложившихся метаногенных микробных сообществ в анаэробных условиях. Такие микробные сообщества основаны на синтрофных взаимодействиях микроорганизмов разных систематических и физиологических групп, осуществляющих межвидовой перенос интермедиатов (водорода, ацетата, формиата). Процесс начинается с гидролиза биополимеров растительного сырья и отходов внеклеточными ферментами бактерий рода Clostridium. Далее продукты гидролиза подвергаются брожениям разных типов под действием микроорганизмов сем. Clostridiaceae , Enterobacteriaceae , Lactobacillaceae , Streptococcaceae , и образуется смесь летучих жирных кислот, спиртов и газов. Далее следует синтрофная стадия, на которой продукты брожения используются бактериями родов Synthrophomonas и Synthrophobacter с образованием субстратов метаногенеза (Н 2 , СО 2 и ацетата). Завершающая стадия процесса приводит к образованию метаногенными археями биогаза .

Переработка твердых отходов

К твердым загрязнителям относятся бытовые отходы, твердые включения сточных вод и сельскохозяйственные остатки. Твердые бытовые отходы (ТБО) представлены пищевыми и туалетными остатками, бумагой и инертными материалами (стеклом, металлом, пластиком и т.д.). Рациональному использованию ТБО способствует их раздельный сбор.

Самым простым методом утилизации твердых бытовых и промышленных отходов является их захоронение в естественных понижениях рельефа местности (оврагах, карьерах) и сваливание с последующей засыпкой слоем грунта. Захоронение может быть произведено на специальных полигонах ТБО с уплотненным глинистым дном. Слои мусора на полигонах периодически уплотняют и пересыпают слоем грунта. Высота мусорных куч может достигать 20-40 м. Микроорганизмы попадают в кучу вместе с отходами и из почвы и грунта. Разложение отходов происходит медленно (30-50 лет), при этом разрушается только 30% захороненной органики. В погребенных отходах анаэробное разложение сдерживается низкой влажностью и небольшой плотностью популяции микроорганизмов-деструкторов. В микробном сообществе свалки присутствуют группы микроорганизмов, осуществляющих разные стадии превращения сложных полимерных соединений в биогаз. В период активного метаногенеза происходит разогрев массы до 30-55 о С. В верхней части кучи развиваются аэробные микробы, среди которых особое значение имеют метанотрофные бактерии. Благодаря их активности значительная часть образуемого в анаэробной зоне свалки метана не попадает в атмосферу. Тем не менее, свалки и полигоны ТБО вносят существенный вклад в парниковый эффект. На современных полигонах ТБО отходы герметически отделены от окружающей среды, а биогаз собирается и используется как топливо.

В сельской местности органические отходы традиционно компостируются для получения удобрений. Компостирование является аэробным микробным процессом переработки органических веществ с выделением тепла. В настоящее время в развитых странах все большую популярность приобретает компостирование ТБО как альтернатива промышленным и бытовым свалкам больших городов. Перед закладкой разлагаемую часть отходов отделяют от инертных материалов и смешивают с целлюлозосодержащими трудноразлагаемыми остатками (щепой, шелухой, опилками).

В ряде стран практикуют твердофазную анаэробную переработку , когда ТБО загружают в специальные реакторы для получения метана. Процесс может быть периодическим или непрерывным. При непрерывной обработке ТБО отходы предварительно измельчаются и подогреваются паром до 50 о С. Загрузка отходов происходит сверху, а выгрузка переработанной смеси - из нижней части цилиндрического реактора. Процесс обработки длится три недели при 55 о С. После отжима воды продукт подвергается 10-тидневному аэробному компостированию для получения удобрения.

Биоремедиация загрязненных объектов природной среды

Доступность вещества-загрязнителя в различных природных местообитаниях для способных разрушить его микроорганизмов во многом будет зависеть от физико-химических свойств данного местообитания. Свойства водной экосистемы довольно легко поддаются лабораторному моделированию, в то время как почва может значительно изменять характеристики процессов, разработанных в лаборатории. Почву и подстилающие ее грунты следует рассматривать как сочетания локальных областей с разными наборами физико-химических свойств. Поэтому при пространственной миграции загрязняющего вещества существенно меняются факторы, влияющие на процесс его биоразрушения. Загрязнитель может связываться с веществами гумуса и минеральных частиц за счет сорбции или химических реакций, тем самым становясь малодоступным для микроорганизмов и накапливаясь в различных участках. Почвенные частицы могут создавать физический барьер между клетками и чужеродными веществами путем избирательной фильтрации через микропоры. Одним из широко распространенных и опасных загрязнителей природных экосистем является нефть, которая добывается в больших количествах и транспортируется на значительные расстояния. В состав нефти и нефтепродуктов входят линейные и разветвленные углеводороды с разным числом атомов углерода, соединения с бензольными кольцами и различными заместителями, полициклические ароматические углеводороды. Микроорганизмы, способные использовать разные фракции нефти присутствуют в любом типе почвы. Это представители акинетобактеров, бацилл, артробактеров, цитофаг, клостридий, коринебактерий, флавобактерий, микрококков, микобактерий, нокардий, родококков, псевдомонад, мицелиальных грибов аспергиллов, пенициллов, мукоров, фузариумов, триходерм и дрожжей кандида, эндомицетов, родоторул, торулопсисов и сахаромицетов.

В настоящее время загрязненные почвы и грунты либо обрабатывают на месте, либо вывозят и подвергают обработке на специальных предприятиях. В первом случае наряду с физическим устранением загрязнения (промыванием, счищанием) применяют и биоразрушающую способность микроорганизмов. Один из методов - стимулировать развитие представителей естественной микробиоты данной почвы, способных разлагать загрязнитель. Для активизации этих микроорганизмов в почву вносят доступные источники углерода и энергии (например, этанол), окислители (кислород, нитраты), источники азота и фосфора и вспомогательные вещества (например, эмульгаторы для гидрофобных соединений). Аэрация почвы достигается вспашкой и подачей воздуха под давлением через перфорированные трубы. Уничтожение загрязнителя требует достаточно длительного времени, однако без таких добавок процесс очищения может проходить десятилетиями. Так, при разливе нефти на Аляске добавление азота и фосфора сократило процесс разложения углеводородов до 1,5 лет. Вторым приемом очистки является внесение микроорганизмов с уже известной биоразрушающей активностью к веществам-загрязнителям. Эффективность их воздействия во многом зависит от возможности создания условий, оптимальных для проявления активности. В природных экосистемах это не всегда достижимо, так как для них характерны существенные колебания физико-химических факторов. Тем не менее, разработан целый ряд микробных препаратов на основе чистых и смешанных культур углеводородокисляющих микроорганизмов. Поскольку нет микроорганизма, способного разрушать абсолютно все химические компоненты нефти, то такие препараты, как правило, содержат виды, имеющие взаимодополняющие активности. Наряду с микробными клетками в препарат включают соединения, поддерживающие жизнедеятельность микроорганизмов в месте загрязнения. Применение таких препаратов целесообразно в свежих загрязнениях, пока естественная углеводородокисляющая микробиота не достигла значительной плотности.

Очистку с вывозом загрязненного грунта применяют в опасных случаях, чтобы не допустить проникновения загрязнителя в поверхностные и грунтовые воды. При этом удаляют почвенный слой и производят выемку грунта. Снятую почву укладывают в виде штабеля и аэрируют с помощью перфорированных труб для окисления кислородом воздуха. Растворимые загрязнения удаляются промывкой водой. При сжигании почва превращается в минерализованный продукт. Полную выемку грунта производят на территориях, занятых свалками и полигонами ТБО, при намерении использовать их под строительство или для хозяйственных нужд. Грунт просеивают для отделения неразложившихся частиц, которые сжигаются или перезахораниваются. Нетоксичный просеянный грунт можно применять для озеленения.

Нефть и нефтепродукты попадают в водоемы при авариях на нефтяных скважинах, разливах во время перевозок, с судов и из нефтехранилищ. Опасность разлива нефти в этих случаях определяется быстротой ее распространения по большой площади и образованием поверхностной пленки. Пленка нарушает газообмен воды и атмосферы, что приводит к гибели фитопланктона, осуществляющего первичную продукцию органического вещества и кислорода в водоемах. Компоненты нефти оказывают токсическое действие на живые организмы. Тяжелые фракции могут откладываться в прибрежной зоне и в донных осадках. В воде морей и пресных водоемов присутствуют микробы-деструкторы нефти в концентрациях 10 6 -10 7 клеток на 1 л. Это неспоровые бактерии , актинобактерии , мицелиальные грибы и дрожжи . Очистные мероприятия заключаются прежде всего в ограничении распространения нефтяного пятна и механическом сборе нефтяной пленки с поверхности воды. Микробиологическая биоремедиация осуществляется на месте загрязнения путем стимуляции естественной углеводородокисляющей микробиоты или с помощью вносимых микробных препаратов.

Особенностью процессов биоремедиации природных местообитаний при загрязнении ксенобиотиками является незначительная способность естественной микробиоты к их использованию при первом контакте. Однако многими исследователями отмечено явление адаптации микроорганизмов в природных и искусственных экосистемах, когда при повторном попадании данного соединения микробное сообщество осуществляет его переработку с большей скоростью и при более высоких концентрациях.

Современная биотехнология опирается на достижения естествознания, техники, технологии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики. Биологические методы используются в борьбе с загрязнением окружающей среды и вредителями растительных и животных организмов. К достижениям биотехнологии можно также отнести применение иммобилизованных ферментов, получение синтетических вакцин, использование клеточной технологии в племенном деле.

Широкое распространение получили гибридомы и продуцируемые ими моноклональные антитела, используемые в качестве диагностических и лечебных препаратов.

Бактерии, грибы, водоросли, лишайники, вирусы, простейшие в жизни людей играют значительную роль. С давних времен люди использовали их в процессах хлебопечения, приготовления вина и пива, в различных производствах. В настоящее время в связи с проблемами получения ценных белковых веществ, увеличения плодородия почв, очищения окружающей среды от загрязнителей, получения биопрепаратов и другими целями и задачами диапазон изучения и использования микроорганизмов значительно расширился. Микроорганизмы помогают людям в производстве эффективных питательных белковых веществ и биологического газа. Их используют при применении биотехнических методов очистки воздуха и сточных вод, при использовании биологических методов уничтожения сельскохозяйственных вредителей, при получении лечебных препаратов, при уничтожении утильсырья.

Некоторые виды бактерий используются для регенерации ценных метаболитов и лекарств, их используют с целью решения проблем биологического саморегулирования и биосинтеза, очищения водоемов.

Микроорганизмы, и прежде всего бактерии, - классический объект для решения общих вопросов генетики, биохимии, биофизики, космической биологии. Бактерии широко используются при решении многих проблем биотехнологии.

Микробиологические реакции благодаря своей высокой специфичности широко используются в процессах химических превращений соединений биологически активных природных соединений. Известно около 20 типов химических реакций, которые осуществляются микроорганизмами. Многие из них (гидролиз, восстановление, окисление, синтез и пр.) с успехом используются в фармацевтической химии. При произведении этих реакций применяются разные виды бактерий, актиномицетов, дрожжеподобных грибов и других микроорганизмов.

Создана биотехнологическая промышленность для получения антибиотиков, ферментов, интерферона, органических кислот и других метаболитов, продуцентами которых являются многие микроорганизмы.

Некоторые грибы родов Aspergillus и Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) способны гидролизовать сердечные глюкозиды, ксилозиды и рамнозиды, а также гликозиды, содержащие в качестве конечного сахара глюкозу, галактозу или арабинозу. С помощью A.terreus получают никотиновую кислоту.

В фармации микробиологические трансформации применяются с целью получения физиологически более активных веществ или полуфабрикатов, синтез которых чисто химическим путем достигается с большими трудностями или вообще невозможен.

Микробиологические реакции используются при изучении метаболизма лекарственных веществ, механизма их действия, а также для выяснения природы и действия ферментов.

Продуцентами биологически активных веществ являются многие простейшие. В частности, простейшие обитающие в рубце жвачных животных, вырабатывают фермент целлюлазу, способствующий разложению клетчатки (целлюлозы).

Простейшие являются продуцентами не только ферментов, но и гистонов, серотонина, липополисахаридов, липополипептидоглюканов, аминокислот, метаболитов, применяемых в медицине и ветеринарии, пищевой и текстильной промышленностях. Они являются одним из объектов, применяемых в биотехнологии.

Возбудитель южноамериканского трипаносомоза Trypanosoma cruzi является продуцентом противоопухолевого препарата круцина и его аналога – трипанозы. Эти препараты оказывают цитотоксическое действие на клетки злокачественных образований.

Продуцентами антибластомных ингибиторов являются также Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti и Astasia longa.

Препарат астализид, продуцируемый Astasia longa, обладает не только антибластомным действием, но и антибактериальным (в отношении E.coli и Pseudomonas aeruginosa), а также и антипротозойным (против Leischmania).

Простейшие используются для получения полиненасыщенных жирных кислот, полисахаридов, гистонов, серотонина, ферментов, глюканов для применения в медицине, а также в пищевой и текстильной промышленности.

Herpetomonas sp. И Crithidia fasciculate продуцируют полисахариды, защищающие животных от Trpanosoma cruzi.

Поскольку биомасса простейших содержит до 50% белка, свободноживущие простейшие используются в качестве источника кормового белка для животных.

Ферментные препараты Aspergillus oryzae используются в пивоваренной промышленности, а ферменты A.niger используются при производстве и осветлении плодовоягодных соков и лимонной кислоты. Выпечка хлебобулочных изделий улучшается при использовании ферментов A.oryzae и A.awamori. При производстве лимонной кислоты, уксуса, кормовых и хлебопекарных изделий производственные показатели улучшаются при применении в технологическом процессе Aspergillus niger и актиномицетов. Применение очищенных препаратов пектиназы из мицелия A.niger при получении соков способствует увеличению их выхода, снижению вязкости и увеличению осветления.

Бактериальные ферменты (Bac.subtilis) используются для сохранения свежести кондитерских изделий и там, где нежелателен глубокий распад белковых веществ. Использование ферментных препаратов из Bac.subtilis в кондитерском и хлебобулочном производстве способствует улучшению качества и замедлению процесса червстления изделий. Ферменты

Bac.mesentericus активизируют депелирование кожевенного сырья.

Микроорганизмы широко используются в пищевой и бродильной промышленности.

В молочной промышленности очень широко используются молочные дрожжи. С их помощью приготавливают кумыс, кефир. Ферментами этих микроорганизмов молочный сахар разлагается до спирта и углекислоты, в результате этого улучшается вкус продукта и повышается его усвояемость организмом. При получении молочнокислых продуктов в молочной промышленности широко используются дрожжи, не сбраживающие молочный сахар и не разлагающие белки и жир. Они способствуют сохранению масла и увеличению жизнеспособности молочнокислых бактерий. Пленчатые дрожжи (микодерма) способствуют созреванию молочнокислых сыров.

Грибы Penicillum roqueforti используют при производстве сыра рокфор, а грибы Penicillum camemberi – в процессе созревания закусочного сыра.

В текстильной промышленности широко используется пектиновое брожение, обеспечиваемое ферментной активностью Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. Пектиновое брожение лежит в основе начальной обработки волокнистых растений льна, конопли и других растений, используемых для изготовления пряжи и тканей.

Практически все природные соединения разлагаются бактериями, благодаря их биохимической активности, е только в окислительных реакциях с участием кислорода, но и анаэробно с такими акцептора электрона, как нитрат, сульфат, сера, углекислый газ. Бактерии участвуют в циклах всех биологически важных элементов и обеспечивают круговорот веществ в биосфере. Многие ключевые реакции круговорота веществ (например, нитрификация, денитрификация, азотфиксация, окисление и восстановление серы) осуществляются бактериями. Роль бактерий в процессах деструкции является определяющей.

Многие виды и разновидности дрожжей обладают способностью сбраживать различные углеводы с образованием спирта и других продуктов. Они широко используются в пивоваренной, винодельческой промышленности и хлебопечении. Типовыми представителями таких дрожжей являются Saccharomyces cerevisial, S.ellipsoides.

Многие микроорганизмы, в том числе дрожжеподобные и некоторые виды микроскопических грибов, издавна использовались при превращении различных субстратов для получения различных видов пищевых продуктов. Например, использование дрожжей для получения из муки пористого хлеба, использование грибов родов Rhisopus, Aspergillus для ферментации риса и сои, получение молочно – кислых продуктов с помощью молочно – кислых бактерий, дрожжей и др.

Ауксотрофные мутанты Candida guillermondii используются для изучения флавиногенеза. Гифальные грибы хорошо усваивают углероды нефти, парафина, n- гекасдекана, дизельного топлива.

Для разной степени очистки этих веществ используются виды родов Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma.

Для утилизации жирных кислот используются штаммы Penicillium, а жирные вторичные спирты лучше перерабатываются в присутствии штаммов Penicillium и Trichoderma.

Виды грибов Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria используются при утилизации парафинов, парафинового масла, дизельного топлива, ароматических углеводородов, многоатомных спиртов, жирных кислот.

Penicillium vitale используется для получения очищенного препарата глюкозооксидазы, ингибирующего развитие патогенных дерматомицетов Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

Промышленное использование микроорганизмов для получения новых пищевых продуктов способствовало созданию таких видов промышленности как хлебопекарская и молочная, производство антибиотиков, витаминов, аминокислот, спиртов, органических кислот и пр.

Использование в пищевой промышленности истинных молочнокислых бактерий (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis и др.) или их комбинаций с дрожжами позволяет получать не только молочнокислые, но и спипртомолочнокислые и кислоовощные продукты. К ним относятся простокваша, мацони, ряженка, сметана, творог, квашенная капуста, квашенные огурцы и помидоры, сыры, кефир, кислое хлебное тесто, хлебный квас, кумыс и другие продукты. Для приготовления простокваши и творога применяют Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum.

При приготовлении масла используют ароматизирующие бактерии и молочнокислые стрептококки Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

Ложные молочнокислые бактерии (E.coli commune, Bact. Lactis aerogenes и др.) участвуют в процессах силосования зеленых кормов.

Среди метаболитов микробной клетки особое место занимают вещества нуклеотидной природы, которые являются промежуточными продуктами в процессе биологического окисления. Эти вещества являются очень важным сырьем для синтеза производных нуклеиновых кислот, ценных лекарственных препаратов антимикробного и антибластомного действия и других биологически активных веществ для микробиологической промышленности и сельского хозяйства.

Микробиологический синтез в основе своей представляет реакции, протекающие в живых клетках. Для осуществления такого синтеза используются бактерии способные осуществлять фосфорилирование пуриновых и пиримидиновых оснований, их нуклеозидов или синтетических аналогов низкомолекулярных компонентов нуклеиновых кислот.

Такими способностями обладают E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, B.ammonia genes, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp.

Микроорганизмы могут быть использованы и при добыче угля из руд. Литотрофные бактерии (Thiobacillus ferrooxidous) окисляют сернокислое закисное железо до сернокислого окисного железа. Сернокислое окисное железо в свою очередь окисляет четырехвалентный уран, в результате чего уран в виде сульфатных комплексов выпадает в раствор. Из раствора уран извлекается методами гидрометаллургии.

Кроме урана из растворов могут выщелачиваться и другие металлы, в том числе и золото. Бактериальное выщелачивание металлов за счет окисления содержащихся в руде сульфидов позволяет вести добычу металлов из бедных забалансованных руд.

Очень выгодным и энергетически экономичным путем превращения органического вещества в топливо является метаногенез с участием многокомпонентной микробной системой. Метанобразующие бактерии совместно с ацетоногенной микрофлорой осуществляют превращение органических веществ в смесь мета и углекислоты.

Микроорганизмы можно использовать не только для получения газообразного топлива, но и для повышения добычи нефти.

Микроорганизмы могут образовывать поверхностно – активны вещества, снижающие поверхностно натяжение на границе между нефтью и вытесняющей ее водой. Вытесняющие свойства воды усиливаются с увеличением вязкости, что достигается применением бактериальной слизи, состоящей из полисахаридов.

При существующих методах разработки нефтяных месторождений извлекается не более половины геологических запасов нефти. С помощью микроорганизмов можно обеспечить вымывание нефти из пластов и освобождение ее из битуминозных сланцев.

Окисляющие метан бактерии, помещенные в нефтяной слой, разлагают нефть и способствуют образованию газов (метана, водорода, азота) и углекислоты. По мере накопления газов увеличивается их давление на нефть и, кроме того, нефть становится менее вязкой. В результате нефть из скважины начинает бить фонтаном.

Необходимо помнить о том, что применение микроорганизмов в каких бы то ни было условиях, в том числе и в геологических, требует создания благоприятных условий для сложной микробной системы.

Применение микробиологического метода с целью повышения добычи нефти, во многом зависит от геологической обстановки. Развитие восстанавливающих сульфаты бактерий в пласте может привести к избыточному образованию сероводорода и коррозии оборудования, а вместо увеличения пористости возможно заклеивание пор бактериями и их слизью.

Бактерии способствуют выщелачиванию металлов из старых шахт, из которых выбрана руда, и из отвалов. В промышленности используют процессы микробиологического выщелачивания при получении меди, цинка, никеля, кобальта.

В зоне горных выработок за счет окисления микроорганизмами соединений серы в шахтах образуются и накапливаются кислые шахтные воды. Серная кислота оказывает разрушительное действие на материалы, сооружения, окружающую среду, несет с собой металлы. Очистить воду, удалить сульфаты и металлы, сделать реакцию щелочной можно при помощи восстанавливающих сульфаты бактерий.

Для очистки вод металлургических производств может быть использовано Биогенное образование сероводорода. Анаэробные фотосинтезирующие бактерии обуславливают глубокое разложение органических веществ.

Найдены штаммы бактерий, способные перерабатывать пластмассовые изделия.

Внесение избыточных антропогенных веществ ведет к нарушению установившегося естественного равновесия.

На начальных этапах развития индустрии было достаточно рассеять загрязняющие вещества в водотоках, из которых они удалялись путем естественного самоочищения. Газообразные вещества рассеивали в воздухе через высокие трубы.

В настоящее время уничтожение отходов выросло в очень серьезную проблему.

В очистительных системах при очистке вод от органических веществ используется биологический метод с применением системы смешанной микрофлоры (аэробные бактерии, водоросли, простейшие, бактериофаги, грибы), активного ила, биопленки, окисляющих поступающих веществ.

Представители микробной смеси способствуют интенсификации естественных процессов очистки воды. Но при этом следует помнить, что условием устойчивой работы микробного сообщества служит постоянство состава окружающей среды

Бактерии, представители фито- и зоопланктона используются для обработки сточных вод с целью поддержания качества поверхностных и грунтовых вод. Биологическая очистка сточных вод может поводиться на разных уровнях – перед спуском их в водоем, в самих поверхностных водах, в грунтовых водах при процессах самоочищения.

Микроорганизмы широко используются при очистке биологическим методом вод морей от нефтепродуктов.

Процесс должен обеспечиваться поступлением кислорода в достаточном количестве при постоянной температуре.

Одной из задач биотехнологии является разработка технологии получения с помощью микроорганизмов белка из различных видов растительных субстратов, из метана и очищенного водорода, из смеси водорода и окиси углерода, из тяжелых углеводородов нефти с помощью метилотрофных дрожжей или бактерий, Candida tropicalis, метаноокисляющих и целлюлозоразрушающих бактерий и других микробов.

Использование активных штаммов видов микроскопических грибов способствует обогащению белками и аминокислотами таких кормов как комбикорм, жом, отруби. Для этой цели используют селекционированные нетоксичные быстро растущие виды термо- и мезофильных микромицетов Fusarium sp., Thirlavia sp., а также некоторые виды высших грибов.

Еще одним примером промышленного использования грибов в биотехнологии можно назвать культивирование энтомопатогенных видов грибов, в частности Beanvtria bassiana и Entomophthora thaxteriana для приготовления препаратов «боверина» и «афедина», применяемых для борьбы с фитопатогенными тлями.

Селекционированные штаммы природного гиперсинтетика каротина гриба Blakeslee trispora используют при промышленном получении каротина, имеющего важное значение в процессах роста и развития животных, повышения их устойчивости к заболеваниям.

Селекционированные штаммы Trichoderma viride используют при промышленном получении га их основе препарата триходермина для борьбы с фитопатогенными грибами, особенно при выращивании растений в условиях закрытого грунта (фузариоза огурцов, болезней цветочных растений).

Фосфобактерин, полученный из Baccilus megathrtium, является эффективным средством повышения урожайности кормовой свеклы, капусты, картофеля, кукурузы. Под влиянием этого препарата повышается содержание растворимого фосфора в ризосферной почве, а также фосфора и азота в зеленой массе.

Важнейшим условием высокой продуктивности бобовых растений является улучшение синтеза азотных веществ бобовыми растениями за счет азота воздуха. Большую роль в усвоении атмосферного азота растениями играют клубеньковые микробы из родов Rhizobium, Eubacteriales, Actinomycetales, Mycobacteriales, виды Azotobacter chroococcum, Clostridium pasterianum.

Из клеток Clostridium pasterianum, Rhodospirillum rubrum, Bac.polymixa, бактерий родов Chromatium и Klebsiella получены азотфиксирующие препараты, способствующие усвоению азота воздуха растениями.

В сельском хозяйстве с целью повышения урожайности используются бактериальные удобрения такие как азотобактерин (готовится из азотобактера), нитрагин (из клубеньковых бактерий), фосфобактерин (из Bac. Megatherium).

В сельском хозяйстве используются удобрения и пестициды. Попадая в естественные природные условия, эти веществ оказывают негативное влияние на естественные взаимоотношения в биоценозах, а в конечном итоге по кормовой цепочке эти вещества оказывают негативное влияние на здоровье людей. Положительную роль в разрушении этих веществ в воде играют аэробные и анаэробные микроорганизмы.

В сельском хозяйстве применяется биологическая защита растений от вредителей. С этой целью используются различные организмы – бактерии, грибы, вирусы, простейшие, птицы, млекопитающие и другие организмы.

Идея микробиологического метода борьбы с вредными насекомыми впервые была выдвинута Мечниковым в 1879 году.

В наши дни изготавливают микробиологические препараты, уничтожающие многих вредных насекомых.

С помощью энтеробактерина можно бороться почти со всеми гусеницами бабочек. Среди вредителей плодово – ягодных растений – яблоневая моль, боярышница, златоглазка, кольчатый шелкопряд, листовертки и др.

Вирусный препарат вирин очень эффективен против гусениц, повреждающих лесные древесные породы.

Почвенные микроорганизмы являются одной из наиболее крупных экологических групп. Они играют важную роль в минерализации органических веществ и образовании гумуса. В сельском хозяйстве почвенные микроорганизмы используются для производства удобрений.

Некоторые виды почвенных микроорганизмов - бактерии, грибы (в основном аскомицеты), простейшие вступают в сложные объединения (ассоциации) с водорослями, являющимися компонентами биоценозов как воды, так и почвы.

Водоросли, как активные компоненты почвенной микрофлоры играют важную роль в биологическом круговороте зольных элементов.

Водоросли наряду с другими микроорганизмами используются в биотехнологии.