Учебнометодическое пособие по дисциплинам Основы биотехнологии, Введение в биотехнологию
 Скачать 0.73 Mb.
|
|
7.6.3 Органогенез Работы Ф. Скуга и С. Миллера по влиянию ауксинов и открытого ими кинетина на органогенез в каллусах растений показали прямую зависимость этого процесса от соотношения фитогормонов. Преобла- дание концентрации ауксина над цитоксином вызывает дифференци- ровку клеток, приводящую к образованию корневой системы. В этом 62 случае регенерация целого растения не происходит. При увеличении концентрации цитоксина и уменьшении ауксина начинается стеблевой органогенез и образование побега. Если его пересадить на свежую пи- тательную среду с преобладанием ауксина, то наблюдается образова- ние корней и регенерация целого растения. Морфогенез можно получить только при условии подбора опти- мальной питательной среды, определенных физических факторов, ба- лансе фитогормонов, присутствии сигнальных белков и белков- акцепторов в клетках. Установлено, что экспланты, выделенные из верхних междоуз- лий, могут образовывать каллус, способный к флоральному морфоге- незу. Каллусы, полученные на эксплантах из нижних междоузлий, да- вали начало только вегетативным органам. 7.6.4 Соматический эмбриогенез В этом процессе образуется зигота. Регенерант, образующийся из соматического зародыша, полностью сформирован, что устраняет лишние затраты по укоренению полученных при органогенезе побегов. Соматические зародыши представляют практический интерес, так как используются для получения искусственных семян. Соматический эмбриогенез важен для фундаментальных наук, так как позволяет изучать механизмы эмбриогенеза. Установлено, что слабый постоянный электрический ток (2 мкА) может быть индукто- ром эмбриогенеза. 7.7 Изолированные протопласты, их получение, культивирование, применение Протопласты можно выделить из клеток растительных тканей, культуры каллусов и суспензионной культуры. Оптимальные условия для изоляции протопластов из разных объектов подбираются индиви- дуально. Для получения жизнеспособных протопластов необходимо поместить их в осмотический раствор (с сахаром, раствором хлористо- го кальция, хлористого калия, однозамещенного ортофосфата натрия). В этом случае тормозятся метаболизм и регенерация клеточных стенок. Изолированные протопласты можно культивировать. На пита- тельной среде у протопласта образуется клеточная стенка, после чего он ведёт себя как изолированная клетка и способен делиться и форми- ровать клон клеток. Регенерация целых растений из изолированных протопластов сложна. 63 Помимо фундаментальных исследований метод культуры изоли- рованных тканей широко используется в сельском хозяйстве и про- мышленном производстве. Примером может служить массовое кло- нарное микроразмножение плодоовощных и декоративных растений, а также их оздоровление от вирусных и других инфекций. С помощью культуры изолированных клеток in virto можно расширить возможно- сти селекционной работы: получать клоны клеток, а затем и растения с запрограммированными свойствами. Благодаря способности клеток синтезировать в культуре вторичные метаболиты, возникла отрасль промышленности, осуществляющая биосинтез веществ, необходимых человеку. В настоящее время известно примерно 2•10 4 синтезируемых растениями веществ, которые используются человеком, и их количест- во постоянно растёт. 7.8 Клональное микроразмножение и оздоровление растений Клональным микроразмножением называют неполовое размно- жение растений с помощью метода культуры тканей, позволяющее получать растения идентичные исходному. В основе метода лежит свойство тотипотентности. В настоящее время технология использует- ся коммерчески. В России работы по клональному микроразмножению были про- ведены в 60-х годах ХХ века под руководством Р.Г. Бутенко. Преимуществами метода перед традиционными считаются сле- дующие: – высокий коэффициент размножения. Например, одно расте- ние герберы за год при микроклональном размножении даёт 1•10 6 но- вых растений, а при обычных условиях – от 50 до 100; – получение генетически однородного посадочного материала; – возможность оздоровления растений, освобождение их от вирусов благодаря клонированию меристематических тканей; – возможность размножения растений, которые в естествен- ных условиях репродуцируются с большим трудом; – воспроизведение посадочного материала круглый год; – сокращение продолжительности селекционной работы. Обязательное условие клонального микроразмножения – исполь- зование объектов, сохраняющих генетическую стабильность на всех этапах процесса – от экспланта до растений в поле. Такому требованию соответствуют апексы и пазушные почки органов стеблевого происхо- ждения, т.е. меристематические ткани (апекс – корень нарастания – 64 верхушка побега и корня, обеспечивающая при росте формирование всех частей и первичных тканей). Процесс клонального микроразмножения включает три этапа: а) получение хорошо растущей стерильной культуры; б) собственно размножение; в) подготовку к высадке в поле (закаливание, повышение ус- тойчивости к различным факторам среды и патогенным микроорга- низмам). 65 8 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ Экобиотехнология решает проблемы по охране окружающей среды, такие как переработка отходов, очистка воды, устранение за- грязнений. В процессе круговорота загрязняющих веществ в экосистемах огромную роль играют микроорганизмы. Однако, многие из созданных человеком низкомолекулярных соединений (ядохимикаты, детергенты) и высокомолекулярных полимеров оказались устойчивыми и не разла- гаются микроорганизмами, кроме того, они проявляют мутагенное, канцерогенное, тератогенное влияние, поэтому для их утилизации тре- буется разработка более совершенных технологий очистки. Обычно для утилизации отходов применяют комплексы микро- организмов и специальные приборные устройства. Чужеродные вещества (ксенобиотики), попадая в организм чело- века и животных, претерпевают различную биотрансформацию: окис- ление, восстановление, гидролиз и другие превращения с участием ферментных систем. В воде и почве биотрансформация ксенобиотиков протекает под воздействием ферментов и микроорганизмов. Изучение реакций в поч- вах затруднено гетерогенностью среды и адсорбцией ксенобиотиков, микроорганизмов и ферментов на частицах и коллоидах почв. Многие ксенобиотики в биосфере достаточно устойчивы, например, ДДТ не исчезает из почвы 30 лет, альдрин и хлордан – 15 лет, диэльдрин – 25 лет, гептахлор – 14 лет. Некоторые вещества при распаде образуют еще более устойчивые и токсичные соединения. Одним из направлений экобиотехнологии является получение экологически чистой энергии. Экологически чистой считается энергия, получаемая путем преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных коллекторов, а также энергия биогаза и мик- робного этанола. 8.1 Получение биогаза Биогаз – это смесь, состоящая из 65 % метана, 30 % углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительных примесей азота, кислорода, водорода и угарного газа. Энергия, заключенная в 1 м 3 биогаза, эквива- лентна энергии 0,6 м 3 природного газа или 0,74 л нефти, или 0,66 л ди- зельного топлива. В основе получения биогаза лежит процесс метано- вого брожения, или биометаногенез – процесс превращения биомассы в энергию. 66 Биометаногенез – сложный микробиологический процесс, в ко- тором органическое вещество разлагается в анаэробных условиях до метана и диоксида углерода. Микробиологическому разложению под- даются практически все соединения природного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы. Для получения биогаза можно использовать отходы животновод- ства, отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крах- малоперерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заво- дов, бытовые отходы, сточные воды городов. Процесс ведут при температуре от 30 до 60 ºС и значении рН от 6 до 8. Получение биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. Чаще всего используют вторичные отходы (то есть отходы животно- водства и сточные воды городов). Рисунок 7 – Схема устройства реактора для обработки сельскохозяйственных отходов Подача навоза, остатков растениеводства (субстрата) и отбор от- работанных (стоков) осуществляют в нижней части реактора. Режим его работы может быть как периодический, так и полунепрерывный. Реактор обычно имеет две (или более) секции для разделения стадий процесса. Биогаз сгорает с образованием углекислого газа и воды, а в реакторе остаётся естественное удобрение – сапропель. Он содержит азот, фосфор, соли калия, необходимые для роста растений. Использо- вание сапропеля более целесообразно, чем использование навоза, по- скольку навоз перегружает почву. В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последо- вательных стадии, в которых участвуют свыше 190 различных микро- организмов. На первой стадии ферментативному гидролизу подверга- ются сложные многоуглеродные соединения: белки, липиды, полиса- хариды. На второй стадии идет образование ацетата, которое может протекать двумя путями: 67 а) ацетогенные микроорганизмы усваивают водород, углекис- лый газ и некоторые одноуглеродные соединения с образованием аце- тата; в) гомоацетатные микроорганизмы усваивают водород, угле- кислый газ и некоторые одноуглеродные соединения с образованием ацетата. На третьей стадии образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления углекислого газа с молекулярным водо- родом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии в качестве субстрата используют формиат, углекислый газ, метанол, метиламин и ароматические соединения. CO 2 + + 4H 2 CH 4 2H 2 O 3H 2 + + CO CH 4 H 2 O 2H 2 O + CO CH 4 + CO 2 4HCOOH CH 4 + 3CO 2 H 2 O 3CH 4 + 4CH 3 OH CO 2 + CH 4 CH 3 COOH + CO 2 В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо- и термофильные. Оптимальная темпера- тура для мезофильных бактерий – от 30 до 40 ºС, для термофильных – от 50 до 60 ºС. В целом термофильный процесс метаногенеза идет ин- тенсивнее мезофильного, причем субстрат обеззараживается от пато- генной микрофлоры и гельминтов. Микрофлора для метаногенеза формируется в основном микро- флорой желудочно-кишечного тракта животных: Lactobacillus acidophilus, Eubacterium aerofaciens, Methanobacterium mobile, Methanosarcina sp., Methanobrevibacterium ruminantium. Метанобразующие бактерии от 90 до 95 % используемого угле- рода превращают в метан и лишь от 5 до 10 % углерода – в биомассу. Анаэробная биоконверсия органических отходов в метан – наи- более конкурентоспособная область биоэнергетики. Она позволяет получать из местного сырья биогаз как локальный источник энергии. 68 Экологически чистые источники энергии не влияют отрицательно на окружающую среду. Современные источники энергии – ГЭС, ТЭС, АЭС – вызывают серьёзные нарушения во внешней среде. ГЭС служат причиной затопления территорий, изменения ландшафта, гибели био- ценозов. ТЭС загрязняют атмосферу, вызывают отчуждение земель. АЭС создают угрозу радиационного загрязнения. Сжигание нефти и газа вызывает повышение концентрации углекислого газа, образование смога, и, кроме того, уменьшение ресурсов нефти и газа. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. В природе в результате деятель- ности бактерий образуется ежегодно около 800 млн. тонн метана, при- мерно столько же добывается людьми. 8.2 Производство биоэтанола С 1575 г. производство пищевого этилового спирта остаётся по- стоянным, а производство топливного этанола увеличилось в 10 раз. Этанол может применяться как топливо самостоятельно или в смеси с бензином в количестве от 10 до 26 %, такую смесь в США на- зывают газохол; или в смеси с дизельным топливом в количестве 3 %. Эти смеси могут быть использованы без изменений в конструкции дви- гателей внутреннего сгорания. В качестве источника энергии спирт используется в Бразилии, США, странах ЕС, то есть в энергодефицитных зонах. Кроме того, спирт широко применяется в химической промышленности в качестве растворителя, экстрагента, антифриза. Этанол преимущественно получают биотехнологическим путём сбраживания сахаров, содержащихся в растениях. В мировом производстве первое место занимает производство спирта из сахарного тростника (Бразилия, США). При переработке са- харного тростника его тщательно давят, сок концентрируют и подвер- гают брожению. На втором месте находится маниок (кассава) – крах- малистое растение, способное расти на скудных почвах. Считают, что бразильский вариант биотехнологического реше- ния топливной проблемы – наилучший, однако получилось, что луч- шие пахотные земли засевались сахарным тростником, при этом для одного автомобиля требуется примерно 13000 м 2 , в то время, как для одного человека 800 м 2 в год. То есть один автомобиль отбирает пищу у 18 жителей. В то же время в Бразилии миллионы людей страдают от недоедания. Кроме того, стоки со спиртовых заводов загрязняют водо- ёмы и нарушают экологическое равновесие. 69 Кроме сахарного тростника и маниока для производства спирта используют злаки, особенно кукурузу, топинамбур, ананас, сахарную свёклу, сорго. При переработке крахмалосодержащего сырья необходимо его предварительное разваривание и обработка ферментами для превраще- ния крахмала и других полисахаридов в усваиваемые микроорганиз- мами сахара. Для производства спирта можно также использовать мелассу – остаток производства сахара из сахарной свёклы и сыворотку, остаю- щуюся после производства сыров. Производство спирта из сахарного тростника экономически не- оправданно (Бразилия), из кукурузы (США) – субсидируется государ- ством, чтобы цена на этанол была ниже, чем на нефтепродукты. В дру- гих регионах себестоимость биоэтанола еще выше, поскольку выше себестоимость сырья. Снижение себестоимости этанола может быть достигнуто заменой сырья или кардинальным изменением технологии ферментации. Замена сырья заключается в том, что вместо зерна злаков для превращения в этанол используется биомасса целых растений, как тра- вянистых, так и деревьев, а также твёрдые коммунальные отходы, то есть мусор. Лигноцеллюлоза (древесина) состоит из трёх полимеров: целлю- лозы, гемицеллюлозы и лигнина. Путём химического или фермента- тивного гидролиза эти полимеры расщепляются до мономеров с после- дующей ферментацией сахаров до этанола. Несмотря на неполный гидролиз (из-за сложности химического строения молекул полимеров) процесс экономически выгоден. Кроме того, найдены виды дрожжей, способные сбраживать в спирт не только гексозу (глюкозу), но и ксилозу; использование таких дрожжей приводит к более полному использованию сахаров, а, следо- вательно, повышается выход спирта, и снижается его себестоимость. Из гидролизатов древесины и сульфитных щелоков (отход в цел- люлозно-бумажном производстве) в России получают технические спирты. 8.3 Очистка сточных вод Важнейшая проблема экологической биотехнологии – очистка сточных вод. Потребность в воде в связи с ростом городов, бурным развитием промышленности, интенсификацией сельского хозяйства огромна. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам во- 70 доснабжения составляет от 3300 до 3500 км 3 , при этом в сельском хо- зяйстве – 70 % всего водопотребления. Для производств химической, целлюлозно-бумажной, энергетической промышленности, черной и цветной металлургии и бытовых нужд населения требуется также значительное количество воды. Большая часть этой воды после ее использования возвращается в реки и озера в виде сточных вод. На современном этапе выделяются следующие направления рационального расхода водных ресурсов: более полное использование и расширение воспроизводства ресурсов пресных вод; разработка новых биотехнологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды. Загрязнение поверхностных и подземных вод можно подраз- делить на несколько типов: механическое, сопровождающееся по- вышением содержания механических примесей и относящееся, в основном, к поверхностным видам загрязнений; химическое, обу- словленное присутствием в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия; биологическое, связанное с наличием в воде разнообразных патогенных микроорга- низмов, грибов и мелких водорослей; радиоактивное; тепловое. Ос- новные источники загрязнения и засорения водоемов – недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных пред- приятий, крупных животноводческих комплексов, отходы произ- водства при разработке рудных ископаемых (воды шахт, рудников); сбросы водного и железнодорожного транспорта; пестициды и т.д. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, качест- венно изменяют их состав. Сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд, со- держащие кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов, меняют фи- зические свойства воды (появление неприятных запахов, привку- сов и т.д.). Сточные воды нефтеперерабатывающих, нефтехимиче- ских заводов, предприятий органического синтеза содержат раз- личные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вследствие окислительных процессов уменьшается содержание в воде кислорода, ухудшаются ее органи- ческие показатели. Нефть и нефтепродукты – основные загрязнители внутренних водоемов, вод и морей Мирового океана – создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, осевшие на дно водоемов тяжелые фракции. Вода приобретает токсические 71 свойства и представляет собой угрозу для всего живого: 12 г нефти делают непригодной для употребления одну тонну воды. Вредным загрязнителем промышленных вод является фенол, содержащийся в сточных водах многих нефтехимических предприятий. На жизнь насе- ления водоемов пагубно влияют сточные воды целлюлозно- бумажной промышленности. Окисление древесной массы сопро- вождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность (100 кюри на 1 л и более), подлежат захоронению в подземные бессточные бассейны и специ- альные резервуары. В значительной степени загрязняют водоемы моющие синте- тические средства, широко используемые в быту, промышленно- сти и сельском хозяйстве и парализующие жизнедеятельность бак- терий. Пестициды, попадая в водоемы, накапливаются в планкто- не, бентосе, рыбе и по цепочке питания попадают в организм че- ловека, действуя отрицательно, как на отдельные органы, так и на организм в целом. Сточные воды, содержащие отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивова- ренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кон- дитерской промышленности, служат причиной органических за- грязнений водоемов. Нагретые сточные воды тепловых электростан- ций вызывают тепловое загрязнение, которое резко изменяет тер- мический режим, отрицательно влияет на флору и фауну водо- емов. Возникают благоприятные условия для массового развития в водохранилищах сине-зеленых водорослей (так называемое «цве- тение воды»). |