Примеры заданий по биотехнологии. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 131 01 0102 Биология (научнопедагогическая деятельность)
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
4FeSO 4 +O 2 +2H 2 SO 4 →2Fe 2 (SO 4 ) 3 +2H 2 O и окисление серы: S 8 +12O 2 +8H 2 O→8 H 2 SO 4 Ряд минералов непосредственно окисляется некоторыми выщелачивающими организмами. Примером может быть окисление пирита: 4FeS 2 +15O 2 +2H 2 O→2Fe 2 (SO 4 ) 3 +2H 2 SO 4 Проведены многочисленные исследования природы организмов, участвующих в процессах выщелачивания металлов. Результаты этих исследований показывают, в частности, что бактериальное выщелачивание может широко использоваться в горнодобывающей промышленности. В настоящее время бактериальное выщелачивание, известное также как биогидрометаллургия, или биоэкстрактивная металлургия, 260 применяются в промышленных масштабах для перевода в растворимую форму меди и урана. Методы, использовавшиеся в XYIII в. для извлечения меди из руд выветрившейся породы, в основном сохранились до наших дней. Выщелачивание отвалов развивается в США; оно используется для получения меди из бедных руд (содержание <0,4% меди по весу), а также из отвальных материалов с очень низким содержанием меди. Такие отвальные материалы накапливаются при крупномасштабной открытой разработке руды. Отвалы, образующиеся в результате работы землеройной техники, имеют огромные размеры, достигая в высоту 300 и более метров. Для начала процесса выщелачивания отвал смачивают водой, подкисленной серной кислотой до рН 1,5-3,0, путем ее распыления, полива или иньекции через трубы, помещенные вертикально внутри породы. Этот кислый раствор, или «выщелачиватель» просачивается сквозь бедную руду или отвальные материалы. Он содержит кислород и углекислый газ и создает благоприятную среду для размножения ацидофильных гиобацилл, широко распространенных в сульфидных рудах. В некоторых случаях содержание Thiobacillus ferrooxidans превышает 10 6 клеток на 1 кг породы и на 1 мл выщелачивающегося раствора. Поскольку при выщелачивании отвалов в среде развиваются природные тиобациллы, никакого засева не проводят. Проявлению необходимой активности микроорганизмов способствуют обеспечение кислотности отвала и обилие кислорода. Из выщелачиваемых отвалов вытекают растворы, содержащие 0,75-2,2 г меди в 1 л. Эти растворы направляют в отстойники; медь из них получают путем осаждения с использованием железа или экстракцией растворителями. В первом случае создают условия, при которых растворы контактируют с железом и протекает следующая реакция: CuSO 4 +Fe 0 ↔Cu 0 +FeSO 4 «Отработанные» выщелачивающие растворы вновь поступают в отвал. В последние годы для получения меди из раствора начали применять экстракцию растворителями. Ионы меди из водной фазы экстрагируют органическими жидкостями, только частично растворимыми в воде. Затем медь извлекают из органического растворителя. 2 Биополимеры. Термин «биополимеры» относится ко многим высокомолекулярным соединениям (например, к нуклеиновым 261 кислотам, полисахаридам и липидам), синтезируемым самыми разными организмами. Более подробно рассмотрим образование полисахаридов. Полисахариды служат источником энергии и структурными компонентами клеточных стенок и внеклеточных капсул. Многие из этих полимеров, имеющих коммерческую ценность как промышленные клеи, были получены из растительных тканей (экстракты семян и морских водорослей). Способность таких полисахаридов изменять свойства воды (вызывая образование геля и влияя на свойства водных растворов) привели к их широкому промышленному использованию в самых различных ситуациях. Полисахаридные гидроколлоиды часто применяются в пищевой, фармацевтической, парфюмерной, нефтяной, бумажной и текстильной промышленности. Например, из красных водорослей производят в промышленных масштабах каррагенан и агар, а из бурых – альгинаты. Однако получение полисахаридов из растений и водорослей обладает своими недостатками: 1. Химический состав полисахаридов зависит от метаболических потребностей синтезирующих их организмов, связанных в свою очередь с изменениями внешних условий (например, сезонные изменения, разные циклы развития растений, время их сбора и т.д.). Поэтому при производстве сырья невозможно обеспечить контроль за его качеством. 2. При переработке происходят изменение и разрушение продукта, поскольку такая переработка нередко включает грубые воздействия (щелочная экстракция, выщелачивание горячей водой, отбеливание). При этом конечный продукт может приобрести нежелательный запах и цвет. 3. Количество получаемого растительного продукта зависит от урожайности, погодных условий, заболеваний растений или загрязнения окружающей среды. При получении полисахаридов из микроорганизмов обеспечивается контролируемый синтез полимеров и постоянство продукции. Кроме того, микробные полисахариды часто обладают уникальными физическими и химическими свойствами, улучшенными функциональными характеристиками. Микроорганизмы синтезируют множество полисахаридов в форме внеклеточных капсул или слизей, не связанных с клеточной стенкой. Как правило, в их состав входит небольшой набор моносахаридов (нейтральные гексозы, метилпентозы, кетосахара, аминосахара, 262 уроновые кислоты), однако разное их сочетание дает полимеры с разнообразными физическими свойствами. Необходимо отметить, что получение микробных полисахаридов – относительно дорогой процесс: для его осуществления требуются большие капиталовложения и энергетические затраты. Видимо, микробные полимеры не вытеснят окончательно крахмал и его производные из всех сфер их использования. Оценивая целесообразность промышленного производства того или иного полисахарида, следует учитывать следующие факторы: 1. Потенциальный объем годового производства продукта и спрос на него как в настоящее время, так и в будущем; 2. Уникальность свойств данного продукта по сравнению с другими микробными и растительными полисахаридами; 3. Экономичность производства и предполагаемую длительность применения продукта. Для образования большого количества полимера требуется легкодоступный и дешевый источник углерода. Ферментация позволяет культивировать организм-продуцент в строго определенных условиях среды, контролируя, таким образом, процесс биосинтеза и влияя на тип продукта и его свойства. Специфически изменяя условия роста, можно менять молекулярную массу и структуру образующегося полимера. Обычно углеводными субстратами служат глюкоза и сахароза, хотя полисахариды могут образовываться и при росте микроорганизмов на керосине, метаноле, метане, этаноле. Недостатком проведения процесса в фермертерах является то, что среда часто становится очень вязкой, поэтому культура быстро начинает испытывать недостаток кислорода. Необходимо также контролировать быстрые изменения рН среды. Проблемы последующей обработки конечного продукта при синтезе полисахаридов связаны прежде всего с удалением микроорганизмов, что крайне важно, если этот продукт применяется в пищевой промышленности. Для разрушения бактерий используют литические и протеолитические ферменты, что в свою очередь приводит к дальнейшему загрязнению среды. В настоящее время осуществляется промышленное производство ряда микробных полисахаридов (декстран, ксантан, геллановая смола, политран). Получение многих других находится на стадии разработки. Ксантан синтезируется Xanthomonas campestris при росте на глюкозе, сахарозе, крахмале, кукурузной декстрозе. В качестве источников углерода могут использоваться промышленные отходы, 263 например, сыворотка, образующаяся при выработке творога. Этот полимер построен из повторяющихся пятичленных блоков, содержащих Д-глюкозу, Д-маннозу, Д-глюкуроновую кислоту; к некоторым из них присоединены остатки уксусной и пировиноградной кислот. Молекулярная масса варьирует от 2•10 6 до 15•10 6 . Ксантан был первым микробным полисахаридом, который начали производить в промышленном масштабе (1967г.). Уникальные свойства ксантана предопределили его широкое применение в самых разных отраслях промышленности в качестве стабилизатора и средства для контроля за состоянием суспензий, гелеобразованием и вязкостью. Свойства этого полимера в сочетании с устойчивостью к нагреванию, кислотам, щелочам и присутствию катионов обеспечивают ему преимущества над другими смазками, и ксантан широко используется при добыче нефти. Он применяется для повышения выхода нефти, где в сочетании с поверхностно- активными веществами и углеводородами служит в качестве агента, контролирующего вязкость жидкости, закачиваемой в нефтяные пласты. В 1969 г. было разрешено использовать ксантан в пищевой промышленности для улучшения вкусовых свойств консервированных и замороженных продуктов, приправ, соусов, быстро приготовляемых продуктов, заправок, кремов и фруктовых напитков. Ксантан нашел применение в производстве кормов, например консервированного корма для домашних животных, где он конкурирует с агаром. Простые и сложные эфиры ксантана применяют в косметике и в текстильной промышленности. Альгинат. Источником альгинатов издавна служили морские водоросли (например Laminaria), однако по природе своей этот источник непостоянен. Среди бактерий близкие к альгинату гетерополисахариды образуют микроорганизмы рода Pseudomonas и Azotobacter. Этот процесс осуществляют в промышленном масштабе, выращивая Azotobacter в условиях избытка кислорода. В настоящее время альгинаты из растительных источников используются в основном в пищевой промышленности в качестве загустителей или гелеобразующих агентов. Их применяют для стабилизации йогурта, для предотвращения образования кристаллов льда при получении мороженого, их добавляют в приправы для салатов, поскольку эти соединения образуют гели только при рН ниже 3. 264 Политран. Политран представляет собой линейный β-1-3- глюкан, выделяемый грибом Sclerotium glucanikum и близкими к нему видами. Политран обладает псевдопластическими свойствами в широком диапазоне рН и температуры и нечувствителен к различным солям. Его применяют для повышения нефтедобычи, в керамических глазурях, латексных и типографских красках. В настоящее время намечается возможность промышленного получения и многих других полисахаридов. За последние несколько лет в выделении и производстве различных полимеров наблюдается быстрый прогресс. 3 Биоповреждение материалов. Под биоповреждением понимают «любое нежелательное изменение свойств какого-либо материала, вызванное жизнедеятельностью различных организмов». В широком смысле слова это поцесс, приводящий к уменьшению ценности материала. При этом имеются в виду те свойства данного материала, которые обуславливают его использование в определенных целях. По своей природе эти изменения могут быть механическими, физическими или касаться эстетических свойств материала и не обязательног приводят к его химическому разрушению. Последний момент важен для определения различий между биоповреждением и биоразложением. «Биоповреждение» - термин более широкий, «биоразложение» – относится только к разрушению какого-либо продукта (часто сырья). Употребление слова «организм» предусматривает участие в этом процессе представителей животного и растительного мира. Микроорганизмы как факторы биоповреждения широко изучались и широко представлены в литературе. Однако нельзя недооценивать роль насекомых, грызунов, зеленых растений (в том числе водорослей) и даже птиц. Классификация биоповреждений: Условно можно выделить три типа биоповреждений: 1. Механические: повреждение «несъедобных материалов (например, свинцовых труб, пластмассовых покрытий) грызунами, насекомыми. Повреждения дорожных покрытий и стен, вызванные растениями. 2. Химические: Ассимиляционные: использование в качестве источников питательных веществ субстратов, содержащихся в тех или иных материалах (например, целлюлозы древесины или кератина шерсти). 3. Диссимиляционные: продуцирование организмами каких- 265 либо продуктов (например, кислоты или токсичного вещества), вызывающих коррозию материалов или другие повреждения, в результате которых материал становится непригодным для использования. 4. Засорение и загрязнение: засорение трубопроводов, обрастание ракушками и водорослями корпуса судов, коррозия и потускнение декоративных покрытий и пластиковых занавесей в результате роста грибов не на самом материале, а на поверхностных загрязнениях. Биоповреждение пищевых продуктов В тех странах, где наиболее остро стоит продовольственная проблема, особенно велики и потери сырья после уборки урожая. В развитых странах продукты различными способами защищают от грибов, насекомых и грызунов, так что потери сводятся к минимуму. При хранении зерна необходимо использовать различные способы защиты, например инсектициды и высушивание. Много неприятностей причиняет присутствие токсинов в продуктах, которые были заражены грибами, часто на ранних стадиях хранения. Это может приводить к браковке крупных партий зерна, тем более если оно используется в качестве корма. Особенно тщательной должна быть защита от заражения готовых продуктов. Упаковка может приводить как к подавлению роста микроорганизмов, так и к его стимулированию. Использование немногочисленных химических консервантов регулируется в соответствии с их химической природой законодательным путем. Ключевые слова и понятия автотрофы биогидрометаллургия биоповреждения биополимеры выщелачивание гетеротрофы полисахариды экстракция 266 ЛЕКЦИЯ 13. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ИНЖЕНЕРИИ РАСТЕНИЙ 1 Краткая история изучения культуры клеток и тканей. 2 Методы и условия культивирования изолированных тканей и клеток организмов. 3 Дифференцировка каллусных тканей. 1 Краткая история изучения культуры клеток и тканей. Клеточная инженерия — одно из наиболее важных направлений в биотехнологии. Она основана на использовании принципиально нового объекта — изолированной культуры клеток или тканей эукариотических организмов, а также на тотипотентности — уникальном свойстве растительных клеток воспроизводить целый организм. Применение этого объекта раскрыло большие возможности в решении глобальных теоретических и практических задач. В области фундаментальных наук стало осуществимым исследование таких сложных проблем, как взаимодействие клеток в тканях, клеточная дифференцировка, морфогенез, реализация тотипотентности клеток, механизмы появления раковых клеток и др. При решении практических задач основное внимание уделяется вопросам селекции, получения значительных количеств биологически ценных метаболитов растительного происхождения, в частности более дешевых лекарств, а также выращивания оздоровленных безвирусных растений, их клонального размножения. Бурное развитие клеточной инженерии приходится на 50-е годы прошлого века, хотя первые попытки выращивания изолированных кусочков ткани были сделаны гораздо раньше. В конце XIX — начале XX в. немецкие ученые X. Фехтинг (1892), С. Рехингер (1893), Дж. Хаберландт (1902) сделали первую неудачную попытку стимуляции роста растительных тканей и органов, помещенных на фильтро- вальную бумагу, пропитанную сахарозой. Несмотря на отсутствие положительного результата, их работы представляют большой инте- рес. В них были высказаны идеи, которые намного опередили раз- витие науки того времени и которые нашли свое подтверждение несколько десятилетий спустя. Так, Фехтинг предположил, что полярность присуща не только организму или органу растения, но и самой клетке. Рехингер определил минимальный размер сегмента, образующего каллус. Согласно его исследованиям, в кусочках ткани тоньше 1,5 — 2,0 мм клетки не делились. Хаберландт впервые четко сформулировал идеи о возможности культивирования in vitro изолированных клеток растений и о тотипотентности клеток, т. е. 267 способности каждой растительной клетки давать начало целому организму. Первые успехи были получены в 1922 г. американским ученым В.Роббинсом и немецким ученым В. Котте. Независимо друг от друга они показали возможность выращивания меристем кончиков корней томатов и кукурузы на синтетической питательной среде. Считается, что их работы легли в основу метода культуры изолированных корней растения. Настоящее развитие метода культуры тканей и клеток высших растений началось в 1932 г. с работ французского ученого Р. Готре и американского исследователя Ф.Уайта. Они показали, что при периодической пересадке на свежую питательную среду кончики корней могут расти неограниченно долго. Кроме того, ими были разработаны методы культивирования новых объектов: тканей древесных растений камбиального происхождения, каллусных тканей запасающей паренхимы (Р. Готре), а также тканей растительных опухолей (Ф.Уайт). С этого момента начинаются массовые исследования по разработке новых питательных сред, включающих даже такие неконтролируемые компоненты, как березовый сок или эндосперм кокоса, и по введению в культуру новых объектов. К 1959 г. насчитывалось уже 142 вида высших растений, выращиваемых в стерильной культуре. В 1955 г. после открытия Ф. Скугом и С. Миллером нового клас- са |