Введение

Экологическая биотехнология занимает особое место в комплексе наук биотехнологического профиля и биотехнологических процессов. Это связано не только с обострением проблем охраны окружающей среды и потребностью рационально использовать природные ресурсы, но и с проблемами недостатка в Мире продуктов питания для человека, кормов для животных, качественных медицинских препаратов.

Направления развития экологической биотехнологии включают:

- утилизацию сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов;

- очистку стоков и газо-воздушных выбросов;

- деградацию ксенобиотиков;

- ремедиацию (восстановление) почв;

- получение эффективных и нетоксичных препаратов для борьбы с болезнями и вредителями культурных растений и домашних животных;

- создание альтернативных и безвредных для окружающей среды способов воспроизводства пищи;

- оздание лекарственных препаратов;

- альтернативные методы получения различных видов топлива;

- добычи полезных ископаемых из малоперспективных или выработанных месторождений.

В настоящее время процесс подготовки специалистов для сельского хозяйства должен включать теоретические и практические знания в области экологических биотехнологий.

Данные методические материалы предназначены для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе № 1 в рамках смыслового модуля «Биотехнология и ее использование в решении экологических проблем. Биодеградация (биодеструкция) ксенобиотиков.» и зачетной работе по дисциплине «Экобиотехнология» для студентов заочной фомы обучения направлений 6.030504 «Экономика предприятий», 6.030601 «Менеджмент организаций», 6.030508 «Финансы и кредит», 6.030509 «Учет и аудит».

Тема № 1 Введение. Биотрансформация (биоконверсия), биодеструкция (биодеградация) и биодоступность органических ксенобиотиков План:

1. Задачи и содержание курса. Связь со специальными и общетехническими дисциплинами. История вопроса.

2. Современное экологическое состояние земельных ресурсов, необходимость альтернативного биологического земледелия. Сельскохозяйственные системы безотходного экологически чистого производства.

3. Биотрансформация (биоконверсия), биодеструкция (биодеградация) и биодоступность органических ксенобиотиков. Понятие биотрансформации, биодеструкции и биодоступности.

4. Микроорганизмы – деструкторы. Генетические основы создания рекомбинантных микроорганизмов – деструкторов органических ксенобиотиков.

5. Факторы окружающей среды и биодоступность ксенобиотиков. Особенности микробиологической трансформации отдельных классов органических ксенобиотиков. Биотрансформация ксенобиотиков водорослями и растениями.

1. Задачи и содержание курса. Связь со специальными и общетехническими дисциплинами. История вопроса

Биотехнологии, связанные с охраной окружающей среды, биодеструкцией и утилизацией отходов, а также получением биотоплива, именно экобиотехнология – это самое перспективное направление современной высокой технологии.

Задачи дисциплины «Экобиотехнология»:

- изучить понятия и термины, используемые во всех направлениях экологической биотехнологии;

- ознакомиться с видами продуктов и препаратов экобиотехнологических производств;

- получить практические навыки использования экобиотехнологических процессов в разных отраслях сельскохозяйственного производства;

- научиться планировать, рассчитывать и организовывать экобиотехнологическое производство.

Связь со специальными и общетехническими дисциплинами.

Изучению дисциплины «Экобиотехнология» предшествует комплекс наук (высшая математика, химия (органическая, неорганическая, биологическая), почвоведение, физиология растений, микробиология, растениеводство, общая биология, генетика, экология и др.). Экобиотехнология прикладная наука, использующая научные знания, полученные в разных областях.

История развития биотехнологии.

Нельзя отделить развитие экобиотехнологии как науки от развития биотехнологии в целом. Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества, развитие ее, условно, можно разделить на 4 периода:

1. Эмпирический период или доисторический – самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива, сыра и кисломолочных продуктов, вина, шампанского, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силоса которые теперь мы относим к разряду биотехнологических.

Таким образом, народы исстари пользовались на практике биотехнологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах.

2. Этиологический период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856-1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822-95) – основоположника научной микробиологии.

Пастер установил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.

В 1859 г. Л. Пастер впервые приготовил жидкую питательную среду.

В 1881 г. Р. Кох предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.).

Среди достижений 2-го периода особо стоит отметить следующие:

- 1856 – чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирования признаков и ввел понятие единицы наследственности;

- 1869 – Ф. Милер выделил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов;

- 1883 – И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета;

- 1892 – Д. Ивановский открыл вирусы;

- 1893 – В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов;

- 1902 – Г. Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах;

- 1912 – Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения;

-1913 – Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику ферментативных реакций;

- 1926 – X. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности;

- 1928 – Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бактерий;

- 1932 – М. Кнолль и Э. Руска изобрели электронный микроскоп.

В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также продуктов их метаболизма – ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.

3. Биотехнический период – с 1933 г. по 1972 г.

В 1933 г. А. Клюйвер и А.Х. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях.

Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939-1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами).

Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии:

- 1936 – были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них – биореактора (ферментера);

- 1942 – М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели вирусы с помощью электронного микроскопа;

- 1943 – пенициллин произведен в промышленных масштабах;

- 1949 – Дж. Ледерберг открыл процесс конъюгации у Е. coli;

- 1950 – Ж. Моно разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов;

- 1952 – У. Хейс описал плазмиду как внехромосомный фактор наследственности;

-1953 – Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровали структуру ДНК.

- 1960 – С. Очоа и А. Корнберг выделили белки, которые могут «сшивать» или «склеивать» нуклеотиды в полимерные цепочки, синтезируя тем самым макромолекулы ДНК. Один из таких ферментов был выделен из кишечной палочки и назван ДНК-полимераза;

- 1961 – М. Ниренберг прочитал первые три буквы генетического кода для аминокислоты фенилаланина;

- 1962 – X. Корана синтезировал химическим способом функциональный ген;

-1969 – М. Беквит и С. Шапиро выделили ген lac-оперона (лактозного оперона) у Е. coli;

- 1970 – выделен фермент рестриктаза (рестриктирующая (разрезающая) эндонуклеаза).

4. Геннотехнический период начался с 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым, показав возможность направленных манипуляций с генетическим материалом бактерий.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК было бы невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии.

Создание новых методов исследований явилось необходимой предпосылкой развития биотехнологии в 4-ом периоде:

- 1975 – Г. Келлер и Ц. Мильштейн описали метод получения моноклональных антител;

- 1977 – М. Максам и У. Гилберт разработали метод анализа первичной структуры ДНК путем химической деградации, а Дж. Сэнгер – путем полимеразного копирования с использованием терминирующих аналогов нуклеотидов;

- 1981 – разрешен к применению в США первый диагностический набор моноклональных антител;

- 1982 – поступил в продажу человеческий инсулин, продуцируемый клетками кишечной палочки; разрешена к применению в Европейских странах вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК; разработаны генно-инженерные интерфероны, фактор некротизации опухоли, интер-лейкин-2, соматотропный гормон человека и др;

- 1986 – К. Мюллис разработал метод полимеразной цепной реакции (ПЦР);

- 1988 – началось широкомасштабное производство оборудования и диагностических наборов для ПЦР;

- 1997 – клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированной соматической клетки.

Наиболее важные достижения биотехнологии в 4-ом периоде:

1. Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов).

2. Получение суперпродуцентов.

3. Создание различных продуктов, необходимых человеку, на основе генноинженерных технологий.

4. Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе.

5. Разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры биотехнологических систем.

6. Автоматизация и компьютеризация биотехнологических производственных процессов.