Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Микробиология и основы биотехнологии

..pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
9.17 Mб
Скачать

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

Я. И. Вайсман, Т. А. Зайцева, Л. В. Рудакова

МИКРОБИОЛОГИЯ И ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

ÓÄÊ 504.06:628.4 Â14

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор Т. С. Уланова (Пермский клинический научно-исследовательский институт детской экопатологии);

доктор технических наук, профессор А. П. Красавин (Межотраслевой научно-исследовательский институт экологии топливно-энергетического комплекса)

Вайсман, Я. И.

В14 Микробиология и основы биотехнологии: учеб. пособие / Я. И. Вайсман, Т. А. Зайцева, Л. В. Рудакова.— Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008.— 203 с.

ISBN 978-5-398-00081-8

Приведены современные сведения о положении микроорганизмов в природе, морфологическом и химическом составе клеток, отличительных особенностях прокариотных и эукариотных клеток. Рассмотрены основные механизмы обмена веществ и получения энергии микроорганизмами. Даны основы инженерной биотехнологии, типовые схемы промышленных процессов получения важнейших продуктов биотехнологии, очистки сточных вод и пылегазовых выбросов, биоремедиации почв от загрязнения нефтепродуктами, основные понятия генетики.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Защита окружающей среды» и специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». Может быть полезно аспирантам и специалистам в области защиты окружающей среды.

ÓÄÊ 504.06:628.4

Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»

ISBN 978-5-398-00081-8 © ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет», 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................................................................

5

ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ

Модуль 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МИКРООРГАНИЗМАХ.

 

КЛЕТКА КАК ОСНОВНОЙ ОБЪЕКТ БИОТЕХНОЛОГИИ

 

Глава 1. Микробиология и микроорганизмы как предмет ее изучения ...........................

9

1.1. Предмет и задачи микробиологии, ее место в системе

 

биологических наук ......................................................................................

9

1.2. Исторические этапы развития современной микробиологии.....................

10

1.3. Место микроорганизмов в природе. Три царства живой природы

 

и их отличительные особенности .................................................................

13

1.4. Общие свойства микроорганизмов ..............................................................

14

1.5. Классификации микроорганизмов. Современные представления

 

о классификации............................................................................................

15

Вопросы для самоконтроля..................................................................................

35

Глава 2. Морфология и химический состав клетки — основного объекта

 

биотехнологии......................................................................................................

37

2.1. Размеры, форма, подвижность, размножение, спорообразование .............

37

2.2. Строение и функции ДНК и РНК..................................................................

41

2.3. Органеллы клетки..........................................................................................

43

2.4. Клеточная стенка (оболочка) ........................................................................

45

2.5. Химический состав микробных клеток........................................................

45

Вопросы для самоконтроля..................................................................................

47

Глава 3. Поступление питательных веществ в клетку.......................................................

49

3.1. Пассивный перенос веществ в клетку ..........................................................

49

3.2. Современное представление об активном переносе веществ в клетку.

 

Модель Шоу...................................................................................................

51

3.3. Типы питания микроорганизмов ..................................................................

52

Вопросы для самоконтроля..................................................................................

56

Модуль 2. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КЛЕТКЕ

 

Глава 4. Основные механизмы метаболизма. Обмен веществ и энергии ........................

59

4.1. Понятие об обмене веществ ..........................................................................

59

4.2. Ферментативный катализ и его значение в жизнедеятельности

 

микроорганизмов ..........................................................................................

60

4.3. Практическое использование ферментов ....................................................

67

Вопросы для самоконтроля..................................................................................

68

Глава 5. Энергетический обмен...........................................................................................

69

5.1. Механизмы извлечения энергии клеткой.....................................................

69

5.2. Переносчики энергии....................................................................................

70

5.3. Фотосинтез ....................................................................................................

71

5.4. Дыхательная цепь..........................................................................................

75

5.5. Брожение........................................................................................................

82

Вопросы для самоконтроля..................................................................................

84

3

ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Модуль 3. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

 

Глава 6. Общие представления о биотехнологических процессах ...................................

87

6.1. Предмет и задачи биотехнологии .................................................................

87

6.2. История развития биотехнологии [19] .........................................................

88

6.3. Аппаратурное оформление биотехнологических процессов .....................

90

Вопросы для самоконтроля..................................................................................

97

Глава 7. Технология микробиологического процесса .......................................................

99

7.1. Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств.......

99

7.2. Основные этапы и операции подготовительного аэробного

 

микробиологического процесса. Подбор состава среды.............................

99

7.3. Характеристика основных стадий биотехнологического производства....

107

7.4. Виды продуктов по их месту в типовой технологической схеме................

110

7.5. Основные понятия молекулярной генетики ................................................

112

7.6. Основные понятия генетической инженерии ..............................................

113

7.7. Иммобилизованные ферменты.....................................................................

118

7.8. Иммобилизация клеток .................................................................................

124

7.9. Применение иммобилизованных ферментов ..............................................

125

Вопросы для самоконтроля..................................................................................

127

Глава 8. Биохимические производства ...............................................................................

129

8.1. Производство пива ........................................................................................

129

8.2. Производство вина ........................................................................................

130

8.3. Производство пекарских дрожжей...............................................................

131

8.4. Производство биогаза ...................................................................................

133

8.5. Производство спирта в качестве топлива.....................................................

139

Вопросы для самоконтроля..................................................................................

144

Модуль 4. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

Глава 9. Биотехнологические методы борьбы с загрязнением окружающей среды.......

147

9.1. Биохимическая очистка сточных вод ...........................................................

147

9.2. Биохимические методы очистки ..................................................................

148

9.3. Сооружения, используемые для аэробной биохимической очистки..........

151

9.4. Экосистема активного ила ............................................................................

159

9.5. Факторы, влияющие на деструкцию органических веществ ......................

171

9.6. Механизм деструкции органических веществ и основные фазы

 

развития активного ила .................................................................................

175

9.7. Анаэробные процессы очистки сточных вод ...............................................

180

Вопросы для самоконтроля..................................................................................

183

Глава 10. Использование микроорганизмов в технологиях биоремедиации почв

 

и биохимической очистки пылегазовых выбросов ...........................................

185

10.1. Биоремедиация почв от загрязнения нефтью и нефтепродуктами ...........

185

10.2. Биологическая очистка пылегазовых выбросов ........................................

191

Вопросы для самоконтроля..................................................................................

197

Библиографический список .................................................................................................

198

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее пособие представляет собой вводный курс к основам микробиологии и биотехнологии и предназначено для студентов старших курсов технических вузов, обучающихся по направлению «Защита окружающей среды» и специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» и изучающих микробиологию с основами биотехнологии, промышленную экологию и воздействие на объекты окружающей среды. Пособие, включающее разделы по основным положениям микробиологии и биотехнологии, можно использовать при самостоятельном изучении материалов в строгой логи- ческой последовательности: биология клетки — основного объекта биотехнологии; поступление веществ в клетку и их метаболизм; ферментативный катализ; основные понятия генетики; инженерные основы биотехнологии; суть биотехнологических процессов.

Для успешного решения задач, связанных с практическим использованием биотехнологических процессов, способов их контроля и управления ими, студентам необходимы современные знания в области химии, биохимии, микробиологии, биотехнологии.

Микробиология и биотехнология теснейшим образом связаны с практической деятельностью человека. Они возникли в результате развития промышленности, медицины, сельского хозяйства и охраны окружающей среды от различных видов ксенобиотических веществ. Только комплексное применение фундаментальных принципов микробиологии и биотехнологии позволит использовать полученные знания в практической деятельности (при оценке и прогнозе состояния объектов биосферы, выборе оптимальных методов контроля работы промышленных очистных сооружений и установок биологической очистки) и получить навыки управления биотехнологическими процессами, связанными с утилизацией промышленных и бытовых отходов, а также оптимизации этих процессов.

При написании пособия использованы лекционные материалы, современные литературные данные и исследования кафедры охраны окружающей среды по изложенной в пособии тематике.

5

Изучение материала базируется на знаниях, полученных при изуче- нии дисциплин «Основы экологии», «Органическая химия и основы биохимии», «Коллоидная химия», «Физическая химия», «Химия окружающей среды».

Теоретические и практические знания, полученные студентами на занятиях по микробиологии и основам биотехнологии, необходимы для изучения дисциплин учебных планов подготовки инженеров и магистров: «Управление отходами»; «Биотехнологические методы переработки отходов производства и потребления»; «Современные проблемы науки в области защиты окружающей среды».

ОСНОВЫ

МИКРОБИОЛОГИИ

МОДУЛЬ I ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МИКРООРГАНИЗМАХ.

КЛЕТКА КАК ОСНОВНОЙ ОБЪЕКТ БИОТЕХНОЛОГИИ

Краткий исторический очерк развития микробиологии, предмет и задачи микробиологии и ее место в системе биологических наук.

Представлены общие сведения о микроорганизмах, их роли и положении в природе. Приведена современная классификация микроорганизмов. Даны морфология и химический состав клетки, механизмы поступления питательных веществ в клетку.

Глава 1 МИКРОБИОЛОГИЯ И МИКРООРГАНИЗМЫ

КАК ПРЕДМЕТ ЕЕ ИЗУЧЕНИЯ

1.1.Предмет и задачи микробиологии,

ååместо в системе биологических наук

Микробиология является отдельной отраслью биологической науки. Термин «микробиология» происходит от греч. mikros — малый, bios — жизнь, logos — учение. Она изучает строение, классификацию, жизнедеятельность, закономерности и условия развития организмов, видимых в оптический микроскоп.

Мир микробов богат и разнообразен, микроорганизмы широко распространены в природе. Все области биосферы (почва, вода, воздух, геологическая среда), поверхность тела, кишечник человека и животных, растения, пищевые продукты, одежда, помещения и т. д. населены микроорганизмами. Несмотря на малую величину, микробы играют огромную роль в природе и жизни человеческого общества. Они участвуют в круговороте веществ; вызывают биодеструкцию сложных органиче- ских веществ, процессы гниения и брожения; участвуют в синтезе витаминов, кислот, ферментов; используются в процессах пивоварения, виноделия, дрожжевом производстве; участвуют в образовании полезных ископаемых и формировании плодородия почв. Многие микроорганизмы являются возбудителями различных болезней, служат объектами для изучения наследственности и изменчивости в генной инженерии.

Задачи современной микробиологии разнообразны и специфичны. В развитии современной микробиологии выделяют следующие основные направления:

фундаментальные исследования (выявление путей метаболизма, выделение и очистка ферментов, регуляция обмена веществ и т. д.);

систематика микроорганизмов (построение филогенетического «древа»);

9

экологическая микробиология (определение роли микроорганизмов в природных экосистемах и пищевых цепях);

популяционная микробиология (выявление природы межклеточ- ных контактов и взаимосвязи клеток в популяции);

медицинская, сельскохозяйственная и ветеринарная микробиоло-

ãèÿ;

техническая (промышленная) микробиология, включающая все практические аспекты;

космическая микробиология, изучающая воздействие космиче- ской радиации на живые объекты, а также проблему жизни в космосе

èна других планетах.

Многие исследования проводятся на стыке молекулярной микробиологии и генной инженерии.

Достижения современной микробиологии базируются на развитии таких наук, как физика, химия, биология, биологическая химия, молекулярная биология, генетика.

Место микробиологии в системе биологических наук определяется спецификой объектов ее изучения: во-первых, микробиология — это наука об определенном классе объектов, она аналогична таким дисциплинам, как ботаника и зоология; во-вторых, микробиология изучает на своих объектах общие фундаментальные законы развития всего живого и, таким образом, относится к физиолого-биохимической ветви биологи- ческих дисциплин. Микробиология — это наука, исследующая объекты и явления на стыке одно- и многоклеточности [1].

1.2. Исторические этапы развития современной микробиологии

Как и любая наука, микробиология имеет свою историю развития. Задолго до открытия микроорганизмов, во времена глубокой древности, человек сталкивался с жизнедеятельностью микроорганизмов, не подозревая об их существовании (сбраживание виноградного сока, скисание молока, приготовление теста). В старинных летописях описаны эпидемии чумы, холеры, заболевание проказой.

История развития микробиологии начинается примерно с 1661 г., когда голландец Антонио Левенгук, изготовивший линзы с увеличением в 200–300 раз, впервые наблюдал микроорганизмы. В своей книге «Тайны природы» он не только описал, но и зарисовал микроорганизмы, об-

10