Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы промышленной биотехнологии. Учебное пособие
.pdf
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Бияшев К.Б., Бияшев Б.К.,
Киркимбаева Ж.С.,Макбуз А.Ж
ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ
БИОТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Алматы
2015
УДК 663.18
ББК 30.16 я 7
Б 59
Рецензенты:
Абуталип А. – доктор ветеринарных наук, профессор
Утянов А.М. - доктор ветеринарных наук, профессор
Бияшев К.Б. и др.
Б59 Основы промышленной биотехнологии. Учебное пособие
/Бияшев К.Б., Бияшев Б.К.,Киркимбаева Ж.С.,Макбуз А.Ж.- Алматы,
Нур-Принт., 2015г. – 160с.
ISBN 978-601-241-184-4
Промышленная микробиология со
часть биотехнологии и приобретает все большее значение в народном
хозяйстве. В учебном пособии приведены характеристики микроорганизмов,
методы их культивирования, селекции, и хранения, перспективы развития
производств, основанных на применении микроорганизмов в
биотехнологических процессах (получение белка, витаминов, ферментов,
продуктов метаболита, антибиотиков, вакцин, сывороток, биоэнергетике,
биоконверсии органических отходов и др.). Предназначено в качествае
учебного пособия для бакалавриатов, магистрантов и Ph-докторантов
биологической и ветеринарной специальности и практических работников.
Учебное пособие рассмотрено на УМО Казахского национального
аграрного университета (протокол № 12 от 21.09.2013 г.) и рекомендовано к
изданию.
ставляет в настоящее время основную
УДК 663.18
ББК 30.16 я 7
ISBN978-601-241-184-4 © Нур-Принт, 2015
ВВЕДЕНИЕ
Последние два десятилетия характеризуются выдающимися достиже-
ниями биотехнологии, являющейся междисциплинарной областью знаний,
базирующейся на микробиологии, биохимии, молекулярной биологии,
биоорганической химии, биофизике, вирусологии, иммунологии, генетике,
инженерных науках и электронике.
Современная техническая микробиология — основа биотехнологии —
решает многие вопросы, связанные с биосинтезом, трансформацией и другими направлениями индустриальной деятельности, где главными «технологами» служат клетки микроорганизмов или их ферментные системы, иммобилизованные на определенном нейтральном носителе.
В связи с широким использованием микроорганизмов — продуцентов
разнообразных продуктов их жизнедеятельности — первоочередными следует назвать задачи получения их высокопродуктивных штаммов, обладающих ценными биосинтетическими свойствами. Эти задачи в тесном контакте с микробиологами решают генетики, а также специалисты, владеющие
методами генетической инженерии.
Развитие микробиологической биотехнологии позволяет существенно
интенсифицировать производство, повышать эффективность использования
природных ресурсов, решать экологические проблемы, создавать новые
источники энергии. Возможности биотехнологии при международном сотрудничестве специалистов могут быть направлены на решение мировых
кризисных проблем, связанных с восполнением дефицита белка и энергии,
предотвращением опасных заболеваний, охраной окружающей среды.
Одна из особенностей микробиологической биотехнологии состоит в
том, что она использует технологии производства продуктов на ранних
этапах развития микробиологического синтеза. Выявлены существенные
потенциальные возможности для усовершенствования традиционных технологий и расширения сфер приложения получаемых продуктов.
В настоящее время достижения микробиологической биотехнологии
перспективны в следующих отраслях:
- в промышленности (пищевая, фармацевтическая, химическая, нефте-
газовая) - использование биосинтеза и биотрансформации новых веществ на
основе сконструированных методами генной инженерии штаммов бактерий и
дрожжей с заданными свойствами на основе микробиологического синтеза;
- в экологии - повышение эффективности экологизированной защиты ра-
стений, разработка экологически безопасных технологий очистки сточных
вод, утилизация отходов агропромышленного комплекса, конструирование
экосистем;
- в энергетике - применение новых источников биоэнергии, полученных
на основе микробиологического синтеза и моделированных фотосинтетических процессов, биоконверсии биомассы в биогаз;
3
- в сельском хозяйстве - разработка в области растениеводства трансге-
нных агрокультур, биологических средств защиты растений, бактериальных
удобрений, микробиологических методов рекультивации почв; в области
животноводства - создание эффективных кормовых препаратов из растительной, микробной биомассы и отходов сельского хозяйства, репродукция
животных на основе эмбриогенетических методов;
-в медицине и ветеринарии - разработка медицинских иветеринарных
биопрепаратов, моноклональных антител, диагностикумов, вакцин, развитие
иммунобиотехнологии в направлении повышения чувствительности и специфичности иммуноанализа заболеваний инфекционной и неинфекционной
природы.
Разработка и совершенствование методов сохранения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, используемых на практике, представляет одну из задач современной технической микробиологии.
Все вышесказанное — свидетельство того, что техническая микробиология объединяет большой перечень проблем, решение которых требует
широкого использования современных методов исследования и участия в
этом не только микробиологов, но и специалистов других областей биологии,
а также инженеров и технологов.
4
ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
МИКРООРГАНИЗМОВ
Живой покров нашей планеты составляют растения, животные и
микроорганизмы. Хотя микроорганизмы являются самыми древними
существами в эволюции органического мира, человечество узнало о них
только в конце XVII в. Микроорганизмы не составляют однородной в
систематическом отношении группы. Название это имеет собирательное
значение, оно объединяет все живыесущества, имеющие микроскопические размеры и слабую морфологическую дифференцировку. Термин
«микробиология» происходит от греческих слов: Micros — малый, bios —
жизнь,1оgos-наука, т. е. наука о жизни малых.
Биологической единицей всего живого является клетка. Они построены
по единому принципу. Важнейшими компонентами являются три типа
макромолекул: ДНК, РНК и белок. Биосинтез органических веществ осуществляется сходным образом на любых ступенях организации. Все эти
свойства объединяют разные организмы в единый мир живых существ.
Однако наряду с чертами сходства существуют и черты различий, позволяющие дифференцировать организмы на отдельные систематические
группы. Изучение тонкого строения клеток с помощью электронного микроскопа выявило существенные различия в структуре клеток разных организмов.
Особенно большие различия установлены между бактериями и си-не-
зелеными водорослями, с одной стороны, и всеми остальными организмами
(низшими и высшими) с другой. Это дало основание разделить живые
существа на две противоположные группы: прокариоты (доядерные) и
эукариоты (истинно ядерные).
К эукариотам отнесены высшие растения, животные и протисты
(простейшие, водоросли и грибы), к прокариотам - бактерии и синезеле-ные
водоросли.
Клетка эукариотов характеризуется сложным строением. Она имеет
настоящее ядро с ядрышком, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. В ядре содержится набор хромосом постоянный для каждого вида организмов. В цитоплазме клетки расположены вде важнейшие органеллы –
митохондрии и хлоропласты, которые отделены от цитоплазмы мембраной (двойные). В митохондрии содержатся десятки ферментов, осуществляющих окислительно-восстановительные процессы. Хлоропласты
содержат хлорофилл, участвующий в процессе фотосинтеза.
В клетках прокариотов отсутствует истинное ядро и ядерная мембрана, нет ядрышка. Ядерный аппарат представлен одной хромосомой,
расположенной непосредственно в цитоплазме. Прокариоты лишены также
митохондрий, хлоропластов и других-органоидов, характерных для эукариотов.
5
Они содержат функциональные аналоги этих органоидов, которые не
всегда морфологически четко дифференцированы. Так, фотосинтетический
аппарат сине-зеленых водорослей и фотосинтезирующих бактерий
обнаруживается в форме относительно простых пластинчатых образований (хроматофор или тилакоидов).
Имеется существенная разница между этими двумя группами и в
химическом составе клеточных стенок. Основным веществом клеточных
стенок прокариотов является гликопептид или пептидогликан, не встречающийся в клетках эукариотов.
Несмотря на простоту организации клетки, прокариоты в процессе
развития приобрели разносторонние физиолого-биохимические функции,
которые обеспечивают многообразие метаболических путей и, как следствие, широкое распространение в природе.
Развитие эукариотов (из прокариотов) произошло значительно поз-
же с появлением кислорода в атмосфере и рассматривается как гигантский
скачок в эволюции организмов, проявившийся в усложнении структурной
организации и морфологической дифференцировке.
1.1 Систематика как наука занимается проблемами классификации,
номенклатуры и идентификации организмов. Задачей классификации
является объединение микроорганизмов с общими свойствами в определенные группы. Номенклатура дает названия отдельным группам и
микроорганизмам, принадлежащим к ним. Идентификация устанав-
ливает принадлежность микроорганизмов к определенному таксону на основании конкретных признаков.
В настоящее время в микробиологии существуют два различных под-
хода к систематике, обусловливающие два вида классификации. Одни
исследователи считают, что классификация должна отражать историю
развития организмов и строиться на филогенетической основе. Это ес-
тественная классификация. В 1936—1950 гг. исследователи голландской
школы Клюйвер, ван Ниль и Стениер разрабатывали филогенетические
подходы к систематике бактерий. В России сторонником этого направления
был Н. А. Красильников.
Второй подход к систематике основан на учете признаков, удоб-
ных с точки зрения практики. Это искусственная, или традиционная,
классификация. Она чаще всего заранее подчинена конкретным задачам.
При такой классификации признаки, определяющие принадлежность
организма к той или иной таксономической единице, часто выбираются
произвольно. Иногда .микроорганизмы объединяются в группы на основании одного ведущего признака. Поэтому группы микроорганизмов,
классифицированные по данной систематике, могут иметь большое
практическое значение, но не соответствуют естественной классификации.
Искусственная классификация предназначена для определения той группы
организмов, которая интересует исследователя. Искусственная
6
классификация положена в основу Определителя Берджи (1974, 1984,
1992).
Одной из причин, затрудняющей классификацию микроорганизмов,
является отсутствие точно установленных критериев, служащих для
определения вида. По аналогии с систематикой высших организмов в
микробиологии принято считать основной систематической единицей вид
исходя из того, что под этим названием объединяется группа микроорганизмов, наделенная общими признаками и происходящая oт общего
предка.
Вид является самой мелкой систематической единицей. Близкородственные виды (species) объединяются в роды (genus), роды — в семейства (familia), семейства — в порядки (ordo), порядки — в классы (classis), классы – в отдел (divisio), отделы – в царство (regnum). Высшей систематической единицей является царство. Бактерии относятся к царству
Procaryotae.
В микробиологии, также как и в ботанике и зоологии, принята бинарная
номенклатура (К. Линней). Первое слово – название рода. Оно пишется с
прописной буквы и характеризует какой-либо морфологический или физиологический признак микроорганизма, либо фамилию ученого, открывшего
этот микроорганизм, либо особый отличительный признак, например месстообитание. Второе слово пишется со строчной буквы. Оно обозначает ви-довое
название микроорганизма, характеризующее некоторые отличительные
признаки. Например, Bacillusanthracis, родовое название - Bacillus, видовое -
anthracis.
Название микроорганизмам присваиваются в соответствии с правилами
Международного кодекса номенклатуры бактерий, введенного с 1 января 1980
года, они едины во всех странах мира.
В микробиологии часто пользуются термином «штамм» и «клон».
Штамм – это более узкое понятие, чем вид. Обычно штаммами называют
различные культуры микроорганизмов одного и того же вида. Штаммы одного
вида могут быть достаточно близкими по своим свойствам или различаются по
отдельным признакам. В то же время свойства разных штаммов не выходят за
пределы вида.
Клон – это культура, полученная из одной клетки. Совокупность (популяция) микроорганизмов, состоящая из особей одного вида, называется чистой
культурой.
Группа прокариотов, клетки которых обладают ригидной клеточной
стенкой, имеющих форму прямой или изогнутой палочки, а также форму
шара, делящихся бинарным путем, выделена как собственно группа бактерий. Многие их них имеют жгутики и способны образовывать споры,
причем эта способность не является формой размножения клеток.
Термин «бактерии» происходит от слова bacterion - палочка. Размеры
бактерий выражаются в микрометрах (1 мкм – 10-6м).
7
По форме бактерии разделяются на три основные группы: шаро-
видные, или кокковые, палочковидные и извитые.
Бактериальная клетка, несмотря на внешнюю простоту, представляет
собой весьма сложный организм, для которого характерны процессы,
свойственные всем живым существам.
Разные методы исследования позволили выявить различные поверхностные и внутренние структуры у бактерий. К поверхностным структурам относят капсулы, жгутики, фимбрии и пили, а также клеточная стенка, под которой расположена цитоплазматическая мембрана. К внутренним
структурам относят цитоплазму, в которой находятся нуклеоид, рибосомы и
мембранные образования, а также разнообразные включения. Бациллы и
некоторые бактерии образуют споры.
Бактериальная клетка по своему химическому составу в общих чертах
сходна с клетками всех живых организмов. Она содержит одинаковые с ними
минеральные и органические вещества.
В бактериальной клетке содержатся такие же биокомпоненты, как и у
всех живых клеток. Это вода, минеральные вещества, органические вещества - белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы.
1.2 Питание микроорганизмов.Питаниеявляется неотъемлемой
функцией каждого живого организма. В процессе питания организм получает вещества, идущие на синтез клеточных структур, а также служащие
источником энергии для всех процессов жизнедеятельности. Для питания
микроорганизмов необходимы те же элементы, что для растений и животных. В первую очередь это углерод, азот, кислород и водород. Они являяются основой всех органических веществ, которые входят в состав живой
клетки.
Для характеристики типов питания растений и животных введены
термины «аутотрофный» и «гетеротрофный». Аутотрофный (от гре-ческого
auto – сам, trophic – питающийся) тип питания который присущ растениям;
гетеротрофный (от греческого hetero – другой) тип присущ животным.
Микроорганизмы в отличие от растений и животных характеризуются
многообразием типов питания. Для них предложена новая классификация и
новые термины для обозначения типов питания. В основу этой классификации положены источник углерода, источник энергии и донор электронов
(восстановитель). Источником углерода для одних микроорганизмов могут
служить неорганические соединения, в частности углекислота, для других
органические вещества. Те микроорганизмы, которые получают углерод
только из углекислоты и синтезируют из него орга-ническое вещество,
называются автотрофами- «самостоятельно питающимися». Они
характеризуются наибольшей автономностью и независимостью своего
питания от жизнедеятельности других организмов, могут развиваться в чисто
минеральных средах. Другие микроорганизмы могут использовать углерод из
готовых органических соединений, они на-зываются гетеротрофамии
paзвиваются на органических средах.
8
Восстановление углерода до органических соединений требует затрат
энергии. Источником энергии может быть солнечный свет и химические
связи органических и минеральных веществ. Организмы, которые используют световую энергию, называются фототрофами или фотосинтезирующими, а те, которые используют энергию химических реакций (химическую энергию), называются хемотрофами или хемосинтезирующими.
В качестве доноров водорода (электронов) для восстановления углерода
могут служить органические и минеральные вещества. По отношению к ним
микроорганизмы разделяются на органотрофы - используют органические
вещества и литотрофы - используют минеральные ве-щества (от греч. litos
— минерал, камень).
Различают четыре типа питания: фотолитотрофия, фотооргано-
трофия, хемолитотрофия и хемоорганотрофия. Соответствующие названия имеют и микроорганизмы, обладающие этими типами питания.
Изучение химического состава бактериальной клетки показали, что
основные органические соединения (белки, липиды, углеводы, нуклеиновые
кислоты и др.) характерны для микроорганизмов всех типов. Они синтезируются клетками из веществ той среды, где развивается микро-организм.
Такие вещества, в которых нуждается микроорганизм и которые он потребляет из окружающей среды для удовлетворения своих пищевых потребностей, получили название питательных, а среды, содержащие их – пита-
тельных сред. Состав питательных сред определяется пищевыми потребностями микроорганизмов. Последние весьма разнообразны, поэтому и разнообразен набор питательных сред, применяемых для культивирования
микроорганизмов. Универсальных сред нет. Для каждого вида или группы
близких видов необходима своя среда. Среды, предназначенные для развития
отдельных видов микроорганизмов, называются элективными, или изби-
рательными. По происхождению среды бывают естественными, или натуральными, и синтетическими (лабораторными). Естественные среды состоят
из веществ растительного и животного происхождения. Это могут быть
клетки и ткани (культура тканей) или экстракты из них. На таких средах
хорошо развиваются многие микроорганизмы, так как в них содержатся в
основном все необходимые компоненты. Синтетические среды готовятся из
химически чистых элементов, которые берутся в строго определенных концентрациях. Состав этих сред в отличие от естественных всегда известен.
Микроорганизмы отличаются от всех других организмов огромной
скоростью потребления питательных веществ. Экспериментальным путем
установлено, что бактериальная клетка за сутки потребляет «пищи» в 20 раз
больше веса своего тела. Это свидетельствует о повышенном обмене веществ
у микроорганизмов. Специальных органов питания микроорганизмы не
имеют. Питательные вещества поступают в клетку через всю ее
поверхность. Это способствует быстрому обмену веществ между клеткой и
9
средой. Известны два способа питания живых существ - голозойный и
голофитный.
При голозойном способе питания плотные частицы пищи захватывает
или заглатывает живой организм, в пищеварительном тракте которого пища
подвергается перевариванию. Этот способ питания характерен для животных
(от высших до простейших).
При голофитном способе питания живые существа, не имеющие
специальных органов для заглатывания и пищеварения, используют питательные вещества путем их всасывания в виде относительно небольших молекул из водного раствора.
Как известно, большинство органических соединений представляют
собой полимеры (например, полисахариды и белки) и не могут быть поглощены и использованы непосредственно в обмене веществ клетки. Такие
вещества вначале должны быть расщеплены на простые соединения, для
которых клеточная мембрана проницаема. Крупные молекулы расщепляются
экзоферментами, которые экскретируются клетками микроорганизмов в
среду. Это так называемое внешнее, или внеклеточное переваривание,
свойственное только микроорганизмам.
Поступление питательных веществ в клетку микроорганизма. Поступление воды и растворенных в ней питательных веществ из окружающей
среды внутрь микробной клетки, а также выход продуктов обмена из клетки
происходит через клеточную стенку, капсулу и слизистые слои. Капсула и
слизистые слои представляют собой достаточно рыхлые образования, и они,
возможно, не оказывают значительного влияния на транспорт веществ, тогда
как клеточная стенка может служить существенным барьером для поступления питательных соединений в клетку.
Активная роль в процессе поступления в клетку питательных веществ
принадлежит также цитоплазматической мембране.
Считают, что растворенное вещество может пройти через цитоплазматическую мембрану лишь тогда, когда на нее действует какая-либо
сила или же с помощью механизмов, которые обусловливают перенос этого
вещества через мембрану. В первом случае мы имеем дело с пассивной
диффузией, когда транспорт вещества осуществляется через мембрану под
действием разности концентраций (в случае неэлектролитов) или электрических потенциалов (в случае ионов) по обе стороны цитоплазматической мембраны. Экспериментами показано, что за исклюю-чением
воды, только некоторые вещества проходят через цитоплазматическую мембрану путем пассивной диффузии. Скорость такого переноса веществ весьма
незначительна.
Транспорт большинства растворенных веществ осуществляется через
мембрану с помощью специальных механизмов переноса. Это молекулыпереносчики, циркулирующие между внешним и внутренним пограничными
слоями цитоплазматической мембраны. Считают, что эти расположенные в
мембране переносчики связывают молекулы растворенных веществ на ее
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]