КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине «Промышленная микробиология»
Специальность- 020209.65 Микробиология
г. Владивосток
2012
Лекция 1 Промышленная микробиология, предмет, задачи и перспективы
Промышленная микробиология – это наука о важнейших микробиологических процессах и их практическим применении для получения промышленным (индустриальным) способом ценных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, их биомассы как важнейшего белкового продукта, о получении отдельных полезных веществ (препаратов), используемых в различных областях сельского хозяйства и медицине.
ПМ – это один из основных разделов современной микробиологии, который рассматривает теоретически и решает практически многие вопросы (проблемы) связанные с производством большого числа продуктов, образующихся в результате микробиологического синтеза. Микроорганизмы, обладая широким набором разнообразных ферментных систем, способны образовывать в процессе жизнедеятельности различные продукты обмена, весьма ценные для практической деятельности человека. Микробы также способны модифицировать природные или химически синтезированные соединения в вещества, нужные для практики.
К числу процессов, осуществляемых микроорганизмами и относящихся к промышленной микробиологии, принадлежит ряд производств. Прежде всего, это такие древние производства, как хлебопечение, виноделие, пивоварение, получение уксуса, кисломолочных продуктов (простокваши, кефира, кумыса и т.д.). Многие из этих производств существовали в относительно широких масштабах до того, как были получены первые сведения о микроорганизмах – возбудителях этих (указанных) процессов. В качестве заквасок для этих производств использовались микроорганизмы, случайно попавшие и развившиеся в самом сырье. Однако после того как удалось выделить микроорганизмы, осуществляющие спиртовое, молочнокислое и пропионовокислое брожения, глубоко и подробно изучить их физиологические и биохимические особенности, эти (названные) процессы были взяты под строгий научный контроль специалистов-микробиологов.
Промышленная микробиология обеспечивает соответствующие отрасли производства молочной, масляной и лимонной кислотами, этиловым и бутиловым спиртами, ацетоном и другими продуктами брожения. Начало бурного развития микробиологической промышленности связано с разработкой в 40-х годах ХХ века промышленного получения пенициллина. Индустриальное производство этого очень ценного антибиотика и его широкое применение в медицинской практике послужили мощным стимулом поиска новых антибиотических веществ и разработки более совершенных методов их промышленного получения. В наше время сотни антибиотиков, предназначенных для медицины, сельского хозяйства, пищевой промышленности, освоены микробиологической промышленностью и выпускаются в огромных количествах.
В след за развитием антибиотической промышленности на основе ее опыта быстрое развитие получили такие отрасли промышленной микробиологии, как производство аминокислот, ферментов, витаминов, гормонов и других биологически активных соединений, синтезируемых микроорганизмами. Промышленное производство этих ценнейших продуктов жизнедеятельности микробов дало возможность здравоохранению, сельскому хозяйству, пищевой промышленности использовать эти вещества в практической деятельности.
В 80-е годы прошлого столетия особенно большой размах приняло производство микробного белка – крайне необходимого продукта широки используемого в сельском хозяйстве. Этот ценнейший продукт получают в результате использования микроорганизмами непищевых веществ (парафинов, отходов молочной и мясной промышленности, метана, метанола, этанола).
Еще одним разделом ПМ является процесс трансформации различных природных и химически синтезированных соединений и помощью микроорганизмов для получения более ценных препаратов, используемых, прежде всего в медицине, а так же для очистки сбросов ряда производств от токсичных соединений. В качестве примера можно привести биологическую трансформацию стероидов, антибиотиков, соединений пиридинового ряда.
Таким образом, современная ПМ основана на биотехнологических процессах, и в тоже время, является двигателем (основой) биотехнологии. ПМ решает многие вопросы, связанные с биосинтезом, трансформацией и другими направлениями индустриальной деятельности, где главными «технологами» служат клетки микроорганизмов или их ферментные системы, иммобилизированные на определенном нейтральном носителе.
Биотехнология – это организованная человеком деятельность микроорганизмов, направленная на получение определенного продукта.
Задачи ПМ
В связи с широким использованием микроорганизмов – продуцентов разнообразных продуктов их жизнедеятельности – первоочередной задачей ПМ является получение высокоактивных штаммов этих микроорганизмов, обладающих ценными биосинтетическими свойствами.
К проблемам ПМ относятся вопросы защиты высокоактивных продуцентов различных ценных продуктов метаболизма микроорганизмов от фаговых атак, от фагового загрязнения культур микроорганизмов, используемых в промышленности. Противофаговая защита промышленных штаммов микроорганизмов представляет серьезную экономическую и научную проблему.
И еще одна задача современной ПМ – разработка и совершенствование методов сохранения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, используемых на практике.
Таким образом, ПМ объединяет большой перечень проблем, решение которых требует современных методов исследования и участия в этом не только микробиологов, но и специалистов других областей биологии, а также инженеров и технологов.
Человек с древних времен начал использовать деятельность микроорганизмов, не подозревая об их существовании, и совершенствовал технологию применения этих организмов во многих отраслях хозяйства. Трудно точно установить, где и в каких отраслях хозяйства впервые начали использовать жизнедеятельность микроорганизмов. По-видимому, это определялось многими факторами и шло иногда параллельными путями у разных народов.
Еще в древние времена процессы брожения использовались при приготовлении теста. В пирамидах Египта, построенных около 6 тыс. лет назад, находили караваи хлеба. Египтяне для приготовления хлеба использовали осадки бродящего пивного сусла. С незапамятных времен хлебные лепешки готовили и в Средней Азии и других регионах.
В пирамидах Египта сохранились рисунки, изображающие технологию приготовления вина. Около 2 тыс. лет назад начало развиваться виноделие во Франции, а затем и в других странах. С первых шагов развития виноделия человек сталкивается с процессом скисания вина – с образованием уксуса.
Хлебные напитки, напоминающие современное пиво, также имеют многовековую историю. Считают, что пиво изготавливали за 7 тыс. лет до н.э. Технология его приготовления была высоко развита в Вавилоне, откуда распространилась в Египет, Грецию и др. страны.
С началом развития животноводства возникают и технологии приготовления кисломолочных продуктов. До сих пор сохранилось много способов приготовления различных национальных продуктов, получаемых на основе молочнокислого и спиртового брожения: простокваша, кефир, кумыс, айран и др.
В основе мочки льна, конопли и других прядильных растений, при котором происходит разрушение пектиновых веществ с выделением из них пектиновых волокон, лежит пектиновое брожение. Оно известно человечеству уже 3-4 тысячелетия.
Значительно позже научились получать этиловый спирт. Спирт вначале применяли только в медицине под названием «Aquata vitae» - вода жизни. Водка вошла в быт позже. В Европе заводы, производящие винный спирт, появились в середине 7 века.
Уже на заре своего развития человечество столкнулось не только с полезной деятельностью микроорганизмов, но и с результатами их негативного воздействия на продукты питания, здоровье домашних животных и человека и искало способы борьбы с этими явлениями.
С развитием скотоводства и земледелия и появлением в результате этого некоторых излишков пищи, которые надо было хранить, возникла необходимость разработки методов предотвращения порчи продуктов. Использовали сушку, замораживание, соление, квашение, а также исключали доступ воздуха для остановки аэробных процессов разложения (например, мясо заливали жиром).
Во второй половине 15 века наметилось зарождение современного естествознания. В это время вышли труды группы алхимиков, подписанные «Василий Валентин», в которых отмечалась связь брожения с химическими преобразованиями. Многие крупные исследователи того времени интересовались проблемой брожения. Среди них английский физик и химик Р. Бойль, немецкий врач и химик Г.Э. Шталь, французский химик А.Л. Лавуазье.
Огромны заслуги Пастера и в познании причин болезней вин, инфекционных заболеваний домашних животных и человека, а так же в разработке способов борьбы с ними. Крупной вехой в развитии микробиологии и в разработке технологии микробиологических производств было получение чистых культур микроорганизмов. Значительный вклад в решение этой проблемы внес известный немецкий ученый Р. Кох.
Работа с чистыми культурами не могла быть осуществлена без аппаратуры для стерилизации посуды и сред, и определения технологии этого процесса. В разработку таких методов большой вклад внесли Л. Пасиер, Р. Кох, Д. Тиндаль и др.
В познании химизма процессов брожения большое значение имело изучение ферментов, осуществляющих этот процесс. В конце 19 века было установлено, что причиной брожения могут быть как сами живые клетки, так и ферменты, образуемые клеткой.
В конце 19 века также были раскрыты процессы анаэробного разложения целлюлозы и образования метана микроорганизмами.
В начале 20 века в России, Англии США и Германии начались исследования промежуточных этапов процесса спиртового брожения. Это создало научные предпосылки для значительного расширения микробиологических производств.
Новый этап в развитии микробиологической промышленности связан с началом производства антибиотиков. Опыт производства антибиотиков оказал принципиальное влияние на развитие других отраслей микробиологической промышленности. Микроорганизмы начали использовать в качестве продуцентов ряда веществ, для получения которых ранее использовали растения и животных. Стали получать и принципиально новые продукты.
Расширение сфер использования микроорганизмов в практических целях основывается на достижениях в изучении их физиологических и биохимических особенностей, а также познании механизмов регуляции процессов метаболизма.
Важным достижением промышленной микробиологии была разработка теории и широкое практическое внедрение непрерывного культивирования микроорганизмов.
Большое значение имело обнаружение способности некоторых микроорганизмов к сверхсинтезу аминокислот (С. Киносита и др., 1955). В результате было налажено промышленное производство микробиологическим способом глютаминовой кислоты, а впоследствии лизина и ряда других аминокислот.
Неуклонно возрастает количество видов сырья, используемого для микробиологического синтеза. Большое внимание уделяется применению различных отходов промышленности, сельского и лесного хозяйства.
В последнее время значительно расширились области применения продукции, полученной микробиологическим синтезом. Микроорганизмы все шире используются для трансформации. Например, при трансформации стероидного сырья получают кортизон, годрокортизон, преднизолон и другие фармацевтические препараты.
С возникновением генной инженерии появилась возможность направленно создавать для промышленности микроорганизмы с заданными свойствами. Это значительно расширяет области практического использования микроорганизмов.
В заключение необходимо подчеркнуть, что одной из характерных черт научно-технического прогресса нашего времени является интеграция наук, которые не так давно были дифференцированы. Это вызвано необходимостью быстрейшего решения как фундаментальных, так и практических вопросов. Именно это обусловило расцвет промышленной микробиологии. Только обогатившись методами смежных наук – химии, физики, математики, биохимии, молекулярной биологии и генетики, промышленная микробиология сможет поставить и решить ряд актуальных проблем. В свою очередь достижения промышленной микробиологии оказывают глубокое влияние на развитие смежных наук.
Лекция 2 Общие закономерности жизнедеятельности микроорганизмов
Микроорганизмам принадлежит важная роль в природных процессах, а также в практической деятельности человека. Объясняется это рядом причин.
Благодаря небольшим размерам микроорганизмы легко перемещаются с токами воздуха, по воде и другими способами. Поэтому они быстро распространяются и встречаются в самых разных местах, включая и те, где другие формы жизни иногда отсутствуют.
Важным свойством микроорганизмов является их способность к быстрому размножению. Возможности микроорганизмов к быстрому размножению намного превосходят и растения и животных.
Третье, что характеризует микроорганизмы, - это разнообразие их физиологических и биохимических свойств. Особенно разнообразны по свойствам бактерии.
Трудно переоценить значение микроорганизмов в круговороте веществ, который осуществляется в природе. Без многих процессов, которые осуществляют микроорганизмы в природе, жизнь на Земле давно бы прекратилась или приняла бы другие формы. Наглядным примером значения микроорганизмов в природе является их участие в разложении азотсодержащих органических веществ в почве, ведущем к образованию аммония и нитратов, а также фиксация молекулярного азота, от чего зависит рост растений.
Не меньшее значение имеет разложение микроорганизмами и безазотистых полимерных соединений, прежде всего целлюлозы, которая в огромных количествах образуется ежегодно растениями.
Однако не все микроорганизмы и не всегда полезны. Некоторые из них, как известно, являются возбудителями разных заболеваний человека, животных и растений. В результате роста микроорганизмов нередко происходит порча сельскохозяйственной продукции, промышленных изделий и сооружений, в частности подземных трубопроводов и металлического оборудования в шахтах. Поэтому необходима работа по предупреждению таких явлений, наносящих существенный ущерб народному хозяйству.
С другой стороны, микроорганизмы давно используются человеком для получения некоторых продуктов питания и для других целей. Особенно интенсивно микробиологическая промышленность развивается в последние годы. Основой для этого служит изучение свойств разных микроорганизмов, прежде всего их физиологии, биохимии и генетики. В результате этого установлено, что с помощью микроорганизмов можно получать самые разные вещества, в том числе те, которые химическим путем синтезировать еще не удается или такой путь более сложный и дорогой.
Из разных микроорганизмов наиболее широкое применение имеют дрожжи, относящиеся к одноклеточным грибам. Отдельные производства основаны на использовании мицелиальных грибов. Ряд промышленных процессов связан с применением бактерий, принадлежащим к разным систематическим группам. Среди них есть и аэробы и анаэробы. В меньшей степени используются пока водоросли и еще реже простейшие. Можно полагать, что в ближайшее время будут найдены новые микроорганизмы, представляющие практический интерес.
Важное значение для микробиологической промышленности имеет получение мутантов, способных к образованию требуемых продуктов в большем количестве, чем исходные штаммы. Некоторые из таких мутантов, например, синтезирующих пенициллин, с успехом используют в заводских условиях.
В последнее время для получения штаммов микроорганизмов с полезными свойствами стали применять генную инженерию. Большим успехом является клонирование в клетках микроорганизмов генов, определяющих способность к синтезу проинсулина, интерферона и гормона роста человека. В результате появилась возможность с помощью соответствующих штаммов микроорганизмов получать эти ценные для медицины соединения.
Очень важным для использования микроорганизмов в промышленности является подбор сред и условий культивирования на основе глубокого знания процессов метаболизма, что позволяет регулировать их биохимическую активность.
Многие микробиологические производства основаны на использовании растущих культур соответствующих видов. Для получения некоторых продуктов используют суспензии клеток, а также клетки микроорганизмов в иммобилизированном состоянии, связанные с тем или иным носителем. В таком виде они могут длительное время сохранять свою ферментативную активность и многократно применяться для синтеза ряда веществ, в частности некоторых аминокислот.
В свете всего вышесказанного в ПМ используются следующие принципы и процессы:
|
