Введение в экологическую биотехнологию

1. Введение в экологическую биотехнологию

1

2.

Европейская биотехнологическая федерация
определяет биотехнологию как совместное
использование биохимии, микробиологии и
химической технологии для технологического
применения полезных качеств микроорганизмов
и культур тканей. Экологическая
биотехнология – это специфическое
применение биотехнологии для решения
проблем окружающей среды, включая такие как
переработка отходов, борьба с загрязнениями и
соединение биотехнологических методов с
небиологическими технологиями.
2

3.

Целью изучения дисциплины «Экологическая
биотехнология» является формирование представления
об основных перспективах развития и достижений
современной биотехнологии, направленных на решение
экологических проблем, используемых для этого
биологических объектов и процессов.
Основная задача курса – получение теоретических
знаний и практических навыков использования
биотехнологических процессов, систем для охраны
окружающей среды и рационального
природопользования.
3

4.

Предысторию формирования биотехнологии можно
разделить на ряд этапов:
1) появление эмпирической технологии в 6-м тыс. до н. э.;
2) зарождение фундаментальных биологических наук в XV –
XVII веках и формирование микробиологических производств;
3) начало взаимодействия науки и микробиологических
производств в конце XIX – 10-х годах XX века, вызвавшее
революционное преобразование микробиологических
производств;
4) создание научно-технических предпосылок для
возникновения современной биотехнологии (10-е - конец 40-х
годов XX века).
4

5.

На 3-м съезде Европейской ассоциации биотехнологов (Мюнхен,
1984) голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю
биотехнологии на 5 периодов или эр.
• Допастеровская эра (1865 г.). Использование спиртового и
молочнокислого брожения при получении пива, вина,
хлебопекарных и пивных дрожжей, сыра. Получение
ферментированных (квашеных) продуктов и уксуса.
• Послепастеровская эра (1856-1940 гг.). Производство этанола,
бутанола, ацетона, глицерола, органических кислот и вакцин.
Аэробная очистка сточных вод. Производство кормовых
дрожжей на углеводах.
• Эра антибиотиков (1941-1960 гг.). Производство пенициллина
и других антибиотиков путем глубинной ферментации.
Культивирование растительных клеток и получение вирусных
вакцин. Микробиологическая трансформация стероидов.
5

6.

• Эра управляемого биосинтеза (1961-1975 гг.). Производство
аминокислот с помощью микробных мутантов. Получение
чистых ферментов. Промышленное использование
иммобилизованных ферментов. Анаэробная очистка сточных
вод и получение биогаза. Производство бактериальных
полисахаридов.
• Эра новой биотехнологии (после 1975 г.). Использование
генной и клеточной инженерии в целях получения агентов
биосинтеза. Получение гибридов, моноклональных антител,
гибридов из протопластов и меристемных культур,
микроорганизмов с катаболическими плазмидами.
6

7.

Новая биотехнология началась после открытия
Дж.Уотсоном и Ф.Криком строения генетического материала
ДНК. Главным объектом исследований до сих пор остается
живая клетка, но центральное место в биотехнологических
экспериментах занимают, главным образом, манипуляции с
ДНК. Пользуясь методами генной инженерии, создают
искусственные, заранее запрограммированные генетические
структуры в виде рекомбинантных ДНК, осуществляют
трансплантацию генов между разными видами
микроорганизмов, а также между клетками одноклеточных и
многоклеточных организмов. Пристальное внимание
исследователей привлекают катаболические плазмиды
микроорганизмов. Создана теория хемоосмотической
циркуляции протонов в биомембранах.
7

8.

Многообразны биотехнологические манипуляции с
клеточными структурами и протопластами. Например, в
результате искусственного слияния лимфоцитов и меланомных
клеток (разновидность опухоли) получены гибридомы, которые
синтезируют моноклональные антитела, имеющие важное
значение в иммунологических реакциях. Учение о
моноклональных антителах - важный раздел современной
экобиотехнологии.
Эра новейших биотехнологических процессов, начавшаяся
в течение последних 25-30 лет, связана с использованием
иммобилизованных ферментов и клеточных органелл, а также
основана на методах рекомбинантных ДНК. Бурно
развивающиеся в настоящее время генетическая и клеточная
инженерия способствуют тому, что биотехнологии постепенно
завоевывают все новые и новые области производства и
решительно внедряются во многие сферы деятельности человека.8

9.

В 50-е годы после успешного использования для получения
вакцины вируса полиомиелита, выращиваемого в культуре
клеток млекопитающих, линии культур клеток человека
стали незаменимыми для выделения и культивирования ряда
других вирусов, производства антител, интерферона,
противоопухолевых химиопрепаратов. В конце 60-х годов
иммобилизованные ферменты и клетки стали успешно
применяться не только для производства полусинтетических
препаратов, но и для проведения несложных биохимических
анализов.
Возникновение генетической инженерии условно относят к
1972 году, когда в США Бергом была создана первая
рекомбинантная молекула ДНК. С середины 70-х годов
данной проблемой интенсивно занимаются тысячи научных
коллективов и промышленных компаний во всех странах
9
мира.

10.

Сочетание слов «генетика» и «инженерия» свидетельствует о
том, что наступило время, когда стало возможным
конструирование рекомбинантных ДНК и целенаправленное
создание искусственных генетических программ. Это дало
возможность организовать получение многих важных
препаратов, а также начать работу по получению новых
суперштаммов - деградаторов промышленных токсикантов.
Внедрение новейших методов в настоящее время производит
переворот в различных областях биотехнологии, включая
эколого-биотехнологические процессы. Эти методы позволяют
интенсифицировать экологически чистые биотехнологии
воспроизводства пищи и кормовых препаратов, решать
нетрадиционными методами задачи обеспечения человечества
материальными и энергетическими ресурсами и
природоохранные проблемы.
Таким образом, корни биотехнологических процессов уходят в10
далекое прошлое, а их будущее необычайно перспективно.

11.

К числу достижений биотехнологии можно отнести
разработанные А.С. Спириным основы бесклеточного
синтеза белка в протоке, создание новых генноинженерных сортов растений и животных, клонировании
животных.
В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный
интерес вызывают методы иммобилизации как
ферментов, так и целых клеток микроорганизмов,
растений и животных.
В ветеринарии широко используются такие
биотехнологические методы, как культура клеток и
зародышей, овогенез in vitro, искусственное
оплодотворение.
11

12. Экологическая ситуация в Беларуси

Интенсификация сельского хозяйства, технический
прогресс в промышленности, на транспорте привели
к образованию диспропорций в окружающей среде, к
деформации установившихся равновесий экосистем,
к ухудшению экологической ситуации во всех сферах
деятельности человека. Промышленные предприятия
загрязняют атмосферу газообразными и твердыми
выбросами, водоемы - стоками, которые содержат
большое количество вредных, а иногда и сильно
ядовитых веществ, от которых страдают фауна и
флора.
12

13.

Эти вещества аккумулируются в растениях и
животных, затем поступают в пищу человека.
Химизация сельскохозяйственного производства
также приводит к загрязнению почвы, водоемов,
воздуха, пищевых продуктов.
13

14. Факторы, влияющие на ОС в РБ

- производство минеральных удобрений
связано с большим потреблением энергии.
Наблюдается снижение эффективности
минеральных удобрений. Одновременно
применение минеральных удобрений на фоне
низкого содержания в почве органических
веществ вызывает большой унос
минеральных веществ с водой, что ухудшает
экологическую ситуацию в регионе.
14

15.

- создание животноводческих комплексов также
привело к загрязнению атмосферы веществами с
неприятным запахом и патогенными
микроорганизмами, почвы - сорняками, водоемов патогенными микроорганизмами и гельминтами. В
настоящее время допускается увеличение
содержания нитратов в овощах до 900 мг/кг при
норме 300 мг/кг, а во фруктах, до 1000 мг/кг и выше.
Сами по себе нитраты малотоксичны, но в организме
они преобразуются в нитриты, которые могут
участвовать в образовании ядовитых веществ нитрозаминов.
15

16.

- присутствие в среде нитритов сильно замедляет
рост хлебопекарных дрожжей. При больших
нагрузках минерального азота в процессах
денитрификации возможно образование не только
азота, но и его оксида, который подобно фреону
может отрицательно влиять на озоновый слой,
окружающий планету. Таким образом, чрезмерное
использование минеральных удобрений в
земледелии может вызвать глобальные
отрицательные последствия.
16

17.

- индустриализация хозяйства связана с увеличением
потребления энергии, превращением
сельскохозяйственных угодий в дороги, строительные
площадки, созданием крупных заводов, выбрасывающих в
атмосферу и водоемы вредные вещества. Уменьшение
лесных массивов отрицательно влияет на водный режим,
приводит к изменению ландшафта, уничтожению многих
видов фауны и флоры, ухудшает газообмен в атмосфере и
очистку воздуха.
17

18.

- строительство гидроэлектростанций связано с
затоплением сельскохозяйственных угодий, ухудшением
самоочищения воды и рядом других последствий.
- твердые и жидкие отходы. Ежедневно каждый городской
житель в среднем выбрасывает 2-3 кг различных отходов,
половина которых - бумага и упаковочные материалы.
- жидкие стоки. Если в начале столетия каждый горожанин
для индивидуальных нужд потреблял в сутки 15-20 л
воды, то сегодня эта цифра возросла до 350-400 л. В
последнее время в связи с химизацией сельского
хозяйства в водоемы и реки попадают в больших
количествах пестициды, гербициды, дефолианты,
антибиотики, дезинфицирующие средства, азотистые и
фосфорные соединения.
18

19.

- промышленные сточные воды сильно различаются и зависит от
характера производства. Например, при первичной обработке на
молочных заводах из 1 т молока образуется около 40 кг стоков.
Содержание сухого вещества в этих стоках обычно не
превышает 1 %. При дальнейшей переработке молока из 1 кг
молока образуется от 0,1 до 6 кг сточных вод в зависимости от
вида получаемого продукта.
19

20. Роль биотехнологии в защите ОС

Важнейшая роль в вопросах защиты и охраны окружающей среды
принадлежит биологии. Сама экология в традиционном
понимании является биологической дисциплиной и изучает
взаимоотношения организмов, включая человека, между собой и с
окружающей средой. Дальнейшее развитие биологии и внедрение
её достижений в практику - один из главных путей выхода из
надвигающегося экологического кризиса. Большую роль играет
при этом биотехнология.
Биотехнология позволяет решать ряд экологических проблем,
включая защиту окружающей среды от промышленных,
сельскохозяйственных и бытовых отходов, деградацию
токсикантов, попавших в среду, а также сама создаёт
малоотходные промышленные процессы получения пищевых и
лекарственных веществ, кормов, минерального сырья, энергии.
20

21. Перспективы экологической биотехнологии для сельского хозяйства

21

22.

Экобиотехнология должна помочь сельскому хозяйству
получить продукты питания с минимальным применением
средств химизации. На основе генетической и клеточной
инженерии необходимо создать высокоурожайные,
болезнестойкие сорта культурных растений, что позволит
исключить ядохимикаты. Важное место здесь отводится
клеточной инженерии и меристемной технологии. На основе
достижений современной генетики и биотехнологии
представляется возможным изменить потребительские
свойства сельскохозяйственных продуктов с тем, чтобы
отпала необходимость применять для корма животных и
птицы различные добавки химического или микробного
синтеза (кормовые дрожжи, лизин, витамины и др.),
производство которых связано с определенной
экологической опасностью.
22

23.

Следует расширить производство бактериальных
удобрений (особенно нитрагина), биологических средств
борьбы с болезнями растений и их вредителями,
биологических консервантов кормов. Для повышения
плодородия почвы необходимо применять органические
удобрения, компосты и обезвреженные путем метанового
брожения жидкие отходы животноводческих ферм.
Экобиотехнология должна создать рациональные и
безвредные для человека и среды процессы конверсии
продуктов сельского хозяйства в более ценные товарные
формы. То же касается химического сырья, которое
можно превращать в биологически безвредные формы.
23

24. Перспективы ЭБТ для обезвреживания ЗВ

Экологическая биотехнология бурно развивается,
появляются системы для утилизации органических и
неорганических веществ, загрязняющих среду и
попадающих в нее с жидкими и газовыми выбросами. В
аэробных и анаэробных условиях обычно с помощью
иммобилизованных культур микроорганизмов в жидких
стоках разрушают большое количество органических
соединений. Примером может быть окисление
сульфидов до сульфатов в жидких стоках аутотрофными
бактериями Thiobacillus denitrificans,
иммобилизованными в геле альгината.
24

25.

Процесс происходит в анаэробном биофильтре. В
гель включают также СаСО3 для поддержания
буферности и ионы Са2+ в качестве
структурирующего фактора в гранулах альгината.
Такая система обеспечивает утилизацию сульфидов
из раствора в течение 12 сут. при их концентрации
26 ‰.
Учёными-биотехнологами разработана также
биотехнологическая система для окисления
металлов в грязеобразной среде с содержанием
сухого вещества 10-30 %. Так, бактерии рода
Leptespirillum окисляют ртуть, серебро, молибден,
селен и др.
25

26. Перспективы биологической очистки стоков

При рециркуляции воды или для временного
замедления биологических процессов сточные
воды иногда обрабатывают хлором или хлорной
известью. Химическая очистка сточных вод
осуществляется путем регуляции рН и осаждения
коллоидных веществ электролитами (чаще всего
солями железа или алюминия), поликатионитами,
флокулянтами. Эти методы обычно комбинируют
с биологическими методами очистки: обработкой
воды в аэробных условиях активным илом или
анаэробной ферментацией.

27. Биодеградация токсических веществ

Биодеградация (биологический распад,
биоразложение) - это разрушение сложных
веществ в результате деятельности живых
организмов.
Биодеградация может выражаться как в
необходимых процессах, например в
разложении умерших организмов, так и
приносить человеку существенный ущерб. В
таком случае говорят о биоповреждениях.
При биодеградации может меняться
структура и свойства материалов, что может
сделать непригодными для использования
различные объекты: от пищевых продуктов,
до строительных конструкций.

28. Компостирование

Компостирование - это экзотермический
процесс биологического окисления, в котором
органический субстрат подвергается аэробной
биодеградации смешанной популяцией
микроорганизмов в условиях повышенной
температуры и влажности. В процессе
биодеградации органический субстрат
претерпевает физические и химические
превращения с образованием стабильного
гумифицированного конечного продукта. Этот
продукт представляет ценность для сельского
хозяйства и как органическое удобрение, и как
средство, улучшающее структуру почвы.

29. Перспективы экобиотехнологии в медицине

Разработка медицинских биопрепаратов,
моноклональных антител, диагностикумов,
вакцин, развитие иммунобиотехнологии в
направлении повышения чувствительности и
специфичности иммуноанализа заболеваний
инфекционной и неинфекционной природы.
29

30. Перспективы экобиотехнологии в промышленности:

использование биосинтеза и биотрансформации новых
веществ на основе сконструированных методами генной
инженерии штаммов бактерий и дрожжей с заданными
свойствами на основе микробиологического синтеза.
Перспективы экобиотехнологии в энергетике:
применение новых источников биоэнергии,
полученных на основе микробиологического синтеза
и моделированных фотосинтетических процессов,
биоконверсии биомассы в биогаз.
30