Министерство культуры Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет

кино и телевидения»

КАФЕДРА ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ

ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011

ББК 38.761.2 я 7

М 632

УДК 628.3(075)

Основы биотехнологии: Учебное пособие/ Большаков  Н.Ю.; ФГОУ ВПО СПбГУКиТ  СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011.  77 с.

Рецензент: к.т.н., доцент кафедры водоснабжения Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета Соловьева Е.А.

В учебном пособии рассмотрены вопросы морфологии и физиологии клеток, закономерности их роста и способы культивирования, инженерные основы биотехнологии и область ее применения, включая защиту окружающей среды.

Рекомендовано к изданию в качестве учебного пособия для студентов 4 курса специальности 280201 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" (протокол заседания кафедры ХТиЭ СПбГУКиТ № 4 от 10 ноября 2011 г.)

©	СПбГУКиТ, 2011

ВВЕДЕНИЕ

Микробиология – наука о микроорганизмах, к которым относят все организмы микроскопических размеров. Микроорганизмы играют большую роль в природных процессах и в течение многих лет являются «полигоном» для исследования фундаментальных свойств живой материи. Практическое использование микроорганизмов имеет многовековую историю и особенно бурно развивается в последние десятилетия.

Термин «биотехнология» возник в середине 70-х годов XX века, заменив ранее употребляемые слова «промышленная микробиология», «техническая микробиология», «техническая биохимия» и др. Появление нового термина не является случайным. За последние четыре десятилетия науки, лежащие в основе практического использования биологических процессов и систем, сделали большой скачок вперед. Новые открытия объединили разрозненные прикладные направления, подвели под них единую фундаментальную основу. Кроме микроорганизмов в биологической промышленности стали использоваться растительные и животные клетки. В результате биотехнология стала наукой о практическом использовании биологии в целом, а не отдельных ее ветвей, как это было прежде. Однако микроорганизмы нисколько не утратили своего значения и сейчас, оставаясь главными «машинами» биологического производства.

Определить, что такое биотехнология, нелегко, так как эта область широко интегрируется с другими разделами науки и техники, такими как молекулярная биология, генетика и генная инженерия, биохимия и микробиология, физическая химия и электрохимия, химическая технология и т.д. Можно сказать, что биотехнология изучает методы получения полезных для человека веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клеток биологические структуры, в частности, ферменты. Европейская биотехнологическая федерация определяет биотехнологию как совместное использование биохимии, микробиологии и химической технологии для технологического (промышленного) применения полезных качеств микроорганизмов и культур тканей.

Биотехнология все шире применяется в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине, а также в охране окружающей среды. В 80-х годах XX века последнее направление получило название «экологическая биотехнология». Экологическая биотехнология – это специфическое применение биотехнологии для решения проблем окружающей среды, включая переработку отходов, борьбу с загрязнениями и соединение биологических методов с небиологическими технологиями.

1. Строение и химический состав клеток

1.1. Систематика организмов. Прокариоты и эукариоты

Живую природу делят на несколько царств. Наиболее распространены два подхода: деление на царства прокариот и эукариот, а также на царства протистов, растений и животных. Особое царство Vira составляют вирусы и фаги. Это бесклеточные формы, занимающие промежуточное положение между живой и неживой материей. Любые организмы размером не более 100-500 мкм называют микроорганизмами. Их положение в системах деления живого мира показано на рис. 1.1.

По строению клеток выделяют две группы организмов: прокариоты и эукариоты.

Прокариоты не имеют окруженного мембраной ядра. ДНК в виде замкнутой в кольцо молекулы свободно располагается в цитоплазме, отсутствуют цитоплазматические органеллы, окруженные элементарной мембраной, рибосомы меньше, чем у эукариот.

Эукариоты имеют истинное ядро, в котором содержится основная часть генома (набора хромосом). Небольшая часть клеточного генома содержится в других органеллах (митохондриях, хлоропластах) в виде кольцевых молекул ДНК. Рибосомы крупнее, чем у прокариот.

Царство животных объединяет многоклеточные эукариотные организмы, которые питаются готовыми органическими веществами (гетеротрофно). Животные осуществляют голозойное питание, заключающееся в захватывании и переваривании твердой пищи. В микромир из царства животных попадают коловратки и черви.

Царство растений включает многоклеточные эукариотные организмы, питающиеся неорганическими веществами (автотрофно), из которых синтезируют органические вещества биомассы, используя энергию солнечного света (фотосинтез).

Царство протистов (самых простых) – все организмы, у которых отсутствует дифференцировка на органы и ткани. Большинство протистов являются одноклеточными организмами. Протисты делятся на две группы: высшие протисты и низшие протисты.

Высшие протисты имеют эукариотные клетки. К ним относятся простейшие, водоросли и низшие грибы.

Простейшие – одноклеточные животные, размножаются простым делением клетки, для окисления потребляемых органических веществ используют молекулярный кислород. Простейшие делятся на 3 класса: саркодовые, жгутиковые, инфузории. По своему размеру (10-200 мкм) все простейшие относят к микроорганизмам.

Рис.1.1. Положение микроорганизмов в схеме живого мира

Водоросли – микроскопические фотосинтезирующие организмы (в основном одноклеточные), которые в отличие от растений не имеют ни корней, ни стеблей, ни листьев. Окраска водорослей зависит от количественного соотношения различных пигментов: зеленого – хлорофилла, синего – фикоциана, бурого – фукоксантина, красного – фикоэритрина, оранжевых – каротина и ксантофилла.

Грибы – одноклеточные и мицелиальные органотрофные организмы, питающиеся растворенными органическими веществами (осмотрофный тип питания). К микроорганизмам относятся низшие грибы (фикомицеты) и дрожжи (почкующиеся грибы).

Низшие протисты – это одноклеточные микроорганизмы, имеющие прокариотный тип клетки. По современной классификации все прокариоты отнесены к бактериям. Следовательно, термины «низшие протисты», «прокариоты», «бактерии» являются тождественными. Большинство бактериальных клеток имеют форму сферы, цилиндра или спирали. Они бывают одиночными или образуют нити и колонии. Бактерии сферической формы называют кокками. Если такие клетки после деления не расходятся, то образуются пары кокков (диплококки), цепочки (стрептококки), пакеты правильной формы (сарцины) или колонии сферической формы (рис. 1.2). Клетки, имеющие форму цилиндра, называются палочковидными. Спиралевидные клетки классифицируются в зависимости от числа витков: у спирилл – от одного до нескольких витков, спирохеты имеют множество витков (свыше трех), вибрионы выглядят как изогнутые палочки (неполный виток спирали). Встречаются бактерии и самой разнообразной формы (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Формы бактериальных клеток

1 – кокки; 2 – диплококки; 3 – сарцины; 4 – стрептококки; 5 – колония сферической формы: 6 – палочковидные бактерии (одиночная клетка и цепочка клеток); 7 – спириллы; 8 – вибрион; 9 – бактерии, имеющие форму замкнутого или незамкнутого кольца; 10 – бактерии, образующие выросты (простеки); 11 – бактерия червеобразной формы; 12 – бактериальная клетка в форме шестиугольной звезды; 13 – представитель актиномицетов; 14 – плодовое тело миксобактерии; 15 – нитчатая бактерия рода Caryophanon с латерально расположенными жгутиками: 16 – нитчатая цианобактерия. образующая споры (акинеты) и гетероцисты; 8, 15, 17, 18 – бактерии с разными типами жгутикования; 19 – бактерии, образующая капсулу; 20 – нитчатые бактерии группы Sphaeroillus, заключенные в чехол, инкрустированный гидратом окиси железа; 21 – бактерия, образующая шипы; 22 – Galionella

Для названия микроорганизмов принята бинарная номенклатура: первое слово обозначает род и пишется с прописной буквы, второе пишется со строчной буквы и определяет вид. Название дается на латинском языке, например, Escherichia coli или сокращенно E. coli (кишечная палочка).

Основной единицей в систематике микроорганизмов является вид. Вид – это совокупность особей одного генотипа, обладающих ярко выраженным фенотипическим (внешним) сходством. В генетике микроорганизмов существует также понятие «штамм» и «клон». Штамм – это генетически однородная культура, поддерживаемая с помощью отбора наследственно однородных клеток. Клон – это генетически однородное потомство одной клетки, имеющей одно ядро (для эукариот) или один нуклеоид (для прокариот).

При классификации микроорганизмов основные единицы распределяют по группам более высокого порядка: виды объединяют в роды, роды – в семейства, семейства – в порядки, порядки – в классы, классы – в отделы.