Использование микроорганизмов в промышленности. Микроорганизмы в биотехнологическом производстве
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.
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.
|
Acremonium
chrysogenum
Bacillus brevis Bacillus subtilis Bacillus thuringiensts Corynebacterium glutamicum Erwinia herbicola Escherichia coli Pseudomonas spp. Rhizoderma spp. Trichoderma reesei Xanthomonas campestris Zymomonas mobilis |
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.
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.
Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельность в настоящее время широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, медицине.
История применения микроорганизмов
Еще за 1000 лет до нашей эры римляне, финикийцы и люди других ранних цивилизаций извлекали медь из рудничных вод или вод, просочившихся сквозь рудные тела. В XVII в. валлийцы в Англии (графство Уэльс) и в XVIII в. испанцы на месторождении Рио-Тинто применяли такой процесс «выщелачивания» для получения меди из содержащих ее минералов. Эти.древние горняки и не подозревали, что в подобных процессах экстракции металлов активную роль играли бактерии. В настоящее время этот процесс, известный как бактериальное выщелачивание, применяется в широких масштабах во всем мире для извлечения меди из бедных руд, содержащих этот и другие ценные металлы в незначительных количествах. Биологическое выщелачивание применяется также (правда, менее широко) для высвобождения урана. Проведены многочисленные исследования природы организмов, участвующих в процессах выщелачивания металлов, их биохимических свойств и возможностей применения в данной области. Результаты этих исследований показывают, в частности, что бактериальное выщелачивание может широко использоваться в горнодобывающей промышленности и, по всей видимости, сможет полностью удовлетворить потребности в энергосберегающих, не оказывающих вредного влияния на окружающую среду технологиях.
Несколько менее известно, но столь же важно использование микроорганизмов в горнодобывающей промышленности для извлечения металлов из растворов. Некоторые прогрессивные технологии уже включают биологические процессы для получения металлов в растворенном состоянии или в виде твердых частиц «из моечных вод, остающихся от переработки руд. О способности микроорганизмов накапливать металлы известно уже давно, и энтузиасты издавна мечтали об использовании микробов для получения ценных металлов из морской воды. Проведенные исследования рассеяли некоторые надежды и в значительной степени определили области применения микроорганизмов. Извлечение металлов при их участии остается многообещающим способом дешевой обработки загрязненных металлами промышленных стоков, а также экономичного получения ценных металлов.
Давно известно и о способности микроорганизмов синтезировать полимерные соединения; в самом деле, большинство компонентов клетки - это полимеры. Однако на сегодняшний день менее 1% всего количества полимерных материалов производит микробиологическая промышленность; остальные 99% получают из нефти. Пока биотехнология не оказала решающего влияния на технологию полимеров. Возможно, в будущем с помощью микроорганизмов удастся создавать новые материалы специального назначения.
Следует отметить еще один важный аспект применения микроорганизмов в химическом анализе - концентрирование и выделение микроэлементов из разбавленных растворов. Потребляя и усваивая микроэлементы в процессе жизнедеятельности, микроорганизмы могут селективно накапливать некоторые из них в своих клетках, очищая при этом питательные растворы от примесей. Например, плесневые грибы применяют для избирательного осаждения золота из хлоридных растворов.
Современные сферы применения
Микробная биомасса используется как корм скоту. Микробная биомасса некоторых культур используется в виде разнообразных заквасок, которые применяются в пищевой промышленности. Так приготовлении хлеба, пива, вин, спирта, уксуса, кисломолочных продуктов сыров и многих продуктов. Другое важное направление-это использование продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Продукты жизнедеятельности по природе этих веществ и по значимости для продуцента можно разделить на три группы.
1 группа - это крупные молекулы с молекулярной массой. Сюда относятся разнообразные ферменты (липазы и т.д.) и полисахариды. Использование их чрезвычайно широка - от пищевой и текстильной промышленности до нефтедобывающей.
2 группа - это первичные метаноболиты, к которым относится вещества, необходимые для роста и развития самой клетки: аминокислоты, органические кислоты, витамины и другие.
3 группа - вторичные метаноболиты. К ним относится: антибиотики, токсины, алкалоиды, факторы роста и др. Важное направление биотехнологии - использовании микроорганизмов как биотехнических агентов для превращения или трансформации некоторых веществ, очистки вод, почв или воздуха от загрязнителей. Также в добыче нефти микроорганизмы играют важную роль. Традиционным способом из нефтяного пласта извлекается не более 50% нефти. Продукты жизнедеятельности бактерий, накапливая в пласте, способствуют вытеснения нефти и более полному выходу её на поверхность.
Огромная роль микроорганизмов в создании поддержании и сохранении почвенного плодородия. Они принимают в участии в образовании почвенного перегноя - гумуса. Применяются в повышении урожайности сельскохозяйственных культур.
В последние годы началось развиваться ещё одно принципиально новое направление биотехнологии - бесклеточная биотехнология.
Селекция микроорганизмов основана на том, что микроорганизмы приносят огромную пользу в промышленности, в сельском хозяйстве, в животном и растительном мире.
Другие сферы применения
В медицине
Традиционные методы производства вакцин основаны на применении ослабленных или убитых возбудителей. В настоящее время многие новые вакцины (например, для профилактики гриппа, гепатита В) получают методами генной инженерии. Противовирусные вакцины получают, внося в микробную клетку гены вирусных белков, проявляющих наибольшую иммуногенность. При культивировании такие клетки синтезируют большое количество вирусных белков, включаемых впоследствии в состав вакцинных препаратов. Более эффективно производство вирусных белков в культурах клеток животных на основе технологии рекомбинантных ДНК.
В нефтедобыче:
В последние годы получают развитие методы увеличения нефтеотдачи с применением микроорганизмов. Их перспектива связана, в первую очередь, с простотой реализации, минимальной капиталоемкостью и экологической безопасностью. В 1940 - х годах во многих нефтедобывающих странах были начаты исследования по применению микроорганизмов для интенсификации притока в добывающих скважинах и восстановления приемистости нагнетательных скважин.
В пищевой и хим. промышленности:
К наиболее известным промышленным продуктам микробного синтеза относятся: ацетон, спирты (этанол, бутанол, изопропанол, глицерин), органические кислоты (лимонная, уксусная, молочная, глюконовая, итаконовая, пропионовая), ароматизаторы и вещества, усиливающие запахи (глутамат натрия). Спрос на последние постоянно увеличивается из-за тенденции к употреблению малокалорийной и растительной пищи, для придания вкусу и запаху пищи разнообразия. Ароматические вещества растительного происхождения можно производить путём экспрессии генов растений в клетках микроорганизмов.
Из более чем 100 тыс. известных микроорганизмов в промышленности применяются всего несколько сотен видов, так как промышленный штамм должен отвечать ряду строгих требований:
1) расти на дешевых субстратах;
2) обладать высокой скоростью роста или давать высокий выход продукта за короткое время;
3) проявлять синтетическую активность в сторону желаемого про-дукта; образование побочных продуктов должно быть низким;
4) быть стабильным в отношении продуктивности и к требованиям условий культивирования;
5) быть устойчивым к фаговым и другим типам инфекций;
6) быть безвредным для людей и окружающей среды;
7) желательны термофильные, ацидофильные (или алкофильные) штаммы, поскольку с ними легче поддерживать стерильность в производстве;
8) интерес представляют анаэробные штаммы, так как аэробные создают трудности при культивировании – требуют аэрирования;
9) образуемый продукт должен иметь экономическую ценность и легко выделяться.
На практике применяются штаммы четырех групп микроорганизмов:
– дрожжи;
– мицелиальные грибы (плесени);
– бактерии;
– аскомицеты.
Термин «дрожжи» в строгом смысле не имеет таксономического значения. Это одноклеточные эукариоты, относящиеся к трем классам: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.
К аскомицетам относят, прежде всего, Saccharomyces cerevisiae, определенные штаммы которого используются в пивоварении, виноделии, производстве хлеба, этилового спирта.
Аскомицеты Saccharomyces lipolytica деградируют углеводороды нефти и употребляются для получения белковой массы.
Дейтеромицет Candida utilis используют как источник белка и витаминов и выращивают на непищевом сырье: сульфитных щелоках, гидролизатах древесины и жидких углеводородах.
Дейтеромицет Trichosporon cutaneum окисляет многие органические соединения, в том числе токсичные (например, фенол), и используется при переработке стоков.
Мицелиальные грибыиспользуют:
– в получении органических кислот: лимонной (Aspergillus niger), глюконовой (Aspergillus niger), итаконовой (Aspergillus terreus), фурмаровой (Rhizopus chrysogenum);
– в получении антибиотиков (пенициллина и цефаллоспорина);
– в производстве специальных видов сыров: камамбера (Penicillium camamberti), рокфора (Penicillium roqueforti);
– вызывают гидролиз в твёрдых средах: в рисовом крахмале при получении сакэ, в соевых бобах при получении темпеха, мисо.
Полезные бактерии относятся к эубактериям.
Промышленное применение с давних времен имеют молочнокислые бактерии родов Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus.
Уксуснокисные бактерии родов Acetobater, Gluconobacter превращают этанол в уксусную кислоту.
Бактерии рода Bacillus используются для производства вредных для насекомых токсинов, а также для синтеза антибиотиков и аминокислот.
Бактерии рода Corynebacterium используются для производства аминокислот.
Из актиномицетов наиболее представительными являются рода Streptomyces и Micromonospora, используемые в качестве продуцентов антибиотиков. При росте на твердых средах актиномицеты образуют тонкий мицелий с воздушными гифами, которые дифференцируются в цепочки конидиоспор.
В настоящее время с помощью микроорганизмов синтезируют следующие соединения:
– алкалоиды,
– аминокислоты,
– антибиотики,
– антиметаболиты,
– антиоксиданты,
– белки,
– витамины,
– гербициды,
– ингибиторы ферментов,
– инсектициды,
– ионофоры,
– коферменты,
– липиды,
– нуклеиновые кислоты,
– нуклеотиды и нуклеозиды,
– окислители,
– органические кислоты,
– пигменты,
– поверхностно-активные вещества,
– полисахариды,
– противоглистные агенты,
– противоопухолевые агенты,
– растворители,
– ростовые гормоны растений,
– сахара,
– стерины и превращенные вещества,
– факторы транспорта железа,
– фармакологические вещества,
– ферменты,
– эмульгаторы.
2 ПРОИЗВОДСТВО БЕЛКОВ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ
ОРГАНИЗМОВ
^
2.1 Целесообразность использования микроорганизмов для
производства белка
В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей от 60 до 120 г полноценного белка.
Для поддержания жизненных функций организма, построения клеток и тканей необходим постоянный синтез различных белковых соединений. Если растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все аминокислоты из углекислого газа, воды, аммиака и минеральных солей, то человек и животные не могут синтезировать некоторые аминокислоты (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин). Эти аминокислоты называются незаменимыми. Они должны поступать с пищей. Их недостаток вызывает тяжелые заболевания человека и понижает продуктивность сельскохозяйственных животных.
В настоящее время мировой дефицит белка составляет около 15 млн.т. Наиболее перспективен микробиологический синтез. Если для крупного рогатого скота требуется 2 месяца для удвоения белковой массы, для свиней – 1,5 месяца, для цыплят – 1 месяц, то для бактерий и дрожжей – от 1 до 6 часов. Мировое производство пищевых белковых продуктов за счет микробного синтеза составляет более 15 тыс. т в год.
Рассмотрим пример: время удвоения кишечной палочки составляет 20 мин, тогда через 20 мин из одной клетки образуется две дочерних, через 40 мин – четыре «внучки», через 60 мин – восемь «правнучек», через 80 мин – 16 «праправнучек». Через 10 ч 40 мин из одной бактерии будет образовано свыше 6 млрд. бактерий, что соответствует населению Земли, а через 44 ч из одной бактерии массой 1 10 -12 г образуется биомасса в количестве 6 10 24 г, что соответствует массе Земли.
Использование различных микроорганизмов в качестве источников белка и витаминов обусловлено следующими факторами:
А) возможностью использования для культивирования микроорганизмов разнообразных химических соединений, в том числе отходов производств;
Б) относительно несложной технологией производства микроорганизмов, которое может осуществляться круглогодично; возможностью его автоматизации;
В) высоким содержанием белка (до 60…70 %) и витаминов, а также углеводов, липидов в микробиальных препаратах;
Г) повышенным содержанием незаменимых аминокислот по сравнению с растительными белками;
Д) возможностью направленного генетического влияния на химический состав микроорганизмов в целях совершенствования белковой и витаминной ценности продукта.
Для промышленного производства пищевых продуктов на основе микроорганизмов необходимы тщательные медико-биологические исследования. Такие продукты должны пройти всестороннюю проверку для выявления канцерогенного, мутагенного, эмбриотропного действия на организм человека и животных. Токсикологические исследования, усвояемость продуктов микробного синтеза – основные критерии целесообразности технологии их производства.
Для получения белков используются дрожжи, бактерии, водоросли и мицелиальные грибы.
Преимуществом дрожжей перед другими микроорганизмами является их технологичность: устойчивость к инфекциям, легкость отделения от среды благодаря крупным размерам клеток. Они способны накапливать до60 % белка, богатого лизином, треонином, валином и лейцином (этих аминокислот мало в растительных кормах). Массовая доля нуклеиновых кислот составляет до 10 %, что вредно действует на организм. В результате их гидролиза образуется много пуриновых оснований, превращающихся затем в мочевую кислоту и ее соли, которые являются причиной мочекаменной болезни, остеохондроза и других заболеваний. Оптимальная норма добавок дрожжевой массы в корм сельскохозяйственных животных составляет от 5 до 10 % от сухих веществ. Дрожжи применяются для пищевых и кормовых целей.
Преимуществами бактерий является высокая скорость роста и способность синтезировать до 80 % белка. Полученный белок содержит много дефицитных аминокислот: метионина и цистеина. Недостатками являются маленькие размеры клеток и низкая их концентрация в культуральной среде, что затрудняет процесс выделения. В некоторых бактериальных липидах могут содержаться токсины. Массовая доля нуклеиновых кислот до 16 %. Используются только для кормовых целей.
Преимуществами водорослей являются высокое содержание полноценного по аминокислотному составу белка, накапливающегося в количестве 65 %, легкое выделение водорослей из культуральной среды, низкое содержание нуклеиновых кислот – 4 % (для сравнения – у высших растений 1…2 %). Водоросли используются для пищевых и кормовых целей.
Мицелиальные грибы традиционно используются в качестве пищевого продукта в странах Африки, в Индии, Индонезии, Китае и др. Накапливают до 50 % белка, по аминокислотному составу приближающегося к белку животного происхождения, богаты витаминами группы В. Клеточные стенки тонкие и легко перевариваются в желудочно-кишечном тракте животных. Массовая доля нуклеиновых кислот составляет 2,5 %.
С 1985 г микробиальный белок используется в пищевой промышленности для изготовления различных продуктов и полуфабрикатов.
В производстве пищевых продуктов рассматриваются три основные формы использования микробного белка:
1) цельная масса (без разрушения клеточных стенок);
2) частично очищенная биомасса (предусматривается разрушение клеточных стенок и удаление нежелательных компонентов);
3) выделенные из биомассы белки (изоляты).
ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения) сделала заключение, что белок микроорганизмов можно использовать в продуктах питания, но допустимое количество нуклеиновых кислот, вводимых вместе с белком в диету взрослого человека не должно превышать 2 г в сутки. Введение микробиального белка не вызывает отрицательных последствий, но встречается проявление аллергических реакций, желудочные заболевания и т.д.
