Учебно-методический комплекс дисциплины «Промышленная микробиология»
|
Скачать 2.32 Mb.
|
| виринов) служат, как правило, бакуловирусы (сем. Baculoviride). По морфологии включений бакуловирусы делят на две подгруппы: А и В. Подгруппа А – возбудители ядерных полиэдрозов. Представляют собой полиэдры (многогранники), внутри которых расположены вирионы. Подгруппа В – возбудители гранулезов. Каждый вирион заключен в белковый матрикс, овальной формы который называется гранулой. Вирусные энтомопатогенные препараты пока производятся в малых количествах. Это связано с тем, что вирусы способны размножаться только на живых насекомых (сырьевые культуры) или в культуре клеток, а этот процесс очень трудоемок. Высокая специфичность вирусов обуславливает их действие только на одного вредителя, что отражается в названии вирусных препаратов. Вирусные препараты для защиты от болезней растений включают Пентафаг на основе бактериофагов и вирусные вакцины. Основой бактериальных энтомопатогенных препаратов является бактерия Bacillus thuringiensis, B. popillae, а препаратов для подавлении болезней растений – бактерии pода Pseudomonas и Bacillus subtilis,. Для получения бактериальных препаратов микроорганизмы культивируют на питательных средах (ПС) глубинным способом. Грибные энтомопатогенные препараты производиться на основе представителей отделов Zygomycota и Deuteromycota, а препараты для подавления болезней растений – на основе микроорганизмов – антагонистов возбудителей болезней растений (например, грибы рода Trichoderma) и микроорганизмов – гиперпаразитов фитопатогенов (например, грибы рода Ampelomyces). Препараты на основе грибов, применяемые для снижения численности сорняков называют микогербицидами. Так, для получения грибных препаратов микроорганизмы культивируют на питательных средах (ПС) поверхностным, глубинным и глубинно – поверхностным способом. Грибные препараты, должны отвечать определенным требованиям, т. е. быть стандартизованы. Стандартизацию и оценку качества биопрепаратов проводят по количеству действующего начала (споры, включения, клетки, метаболиты) в единице массы или объема и по биологической активности. Препараты на основе микроспоридий и энтомопатогенные нематод по особееностям получения близки к производству вирусных препаратов. Производяться на основе представителей нематод из семейства Steinermatidae, а препараты на основе микроспоридий – родов Variomorpha, Nosema и других. Так, для получения препаратов на основе микроспоридий их культивируют только на живых насекомых). Массовое производство препаратов на основе энтомопатогенных нематод в комплексе с патогенными бактериями осуществляется в настоящее время на личинках насекомых и питательных средах (ПС). Наиболее часто хозяином для производства нематод являются гусеницы пчелиной огневки. Препаративная форма, например пропитанная суспензией нематод поролоновая губка. Возможно, культивирование энтомопатогенных нематод совместно с их бактериальных симбионтом на жидких ПС, а также с использованием инертных носителей. Известно, что микроспоридии поражают более 200 видов насекомых и являются внутриклеточными облигатными паразитами. Вызывают длительные хронические заболевания, с частыми эпизооотиями, как мправило оканчивающимися гибелью насекомых. Однако, производство биопрепаратов на их основе практически не развито, так как микроспоридии могут развиваться только в живых организмах. Таким образом, из-за ряда ограничений связанных с биологией микроспоридий производство биопрепаратов на их основе достаточно трудоемко и дорого. В защите растений от возбудителей болезней растений и вызываемых ими заболеваний также применяют препараты на основе антибиотиков. Их воздействие связано с подавлением как развития возбудителей болезней растений, а также способностью к нейтрализации токсинов и ферментов, выделяемых ими. Антибиотики по своей природе являются биологически активными веществами и оказывают более сильное влияние, на растения повышая устойчивость к заболеваниям, стимулируя рост растений и способствуя повышению урожая. Антибиотики обладают высокой активностью по отношению к ним чувствительным организмам и выраженной избирательностью действия. Кроме того, антибиотики должны обладать способностью проникать в ткани растения и перемещаться по нему. К биологически активным веществам (БАВ) относят также БАВ насекомых, которые влияют на гормональную активность насекомых. Регуляторы роста и развития насекомых (РРР) делятся на три группы: аналоги ювенильных гормонов (ювеноиды), ингибиторы синтеза хитина, а также феромоны насекомых. Они способны вызывать у особей своего вида изменения в развитии и поведении. Их назначение для защиты растений разнообразно, например для обнаружения вредных видов, для надзора за вредителями, для сигнализации сроков проведения защитных мероприятий, для непосредственного и снижения численности фитофагов. В защите растений от вредителей, возбудителей болезней растений и вызываемых ими заболеваний возможно применение препараты на основе природных микробных метаболитов. В основном, препараты на основе таких метаболитов получены при культивировании энтомопатогенных грибов, например рода Lecanicillium. При культивировании энтомопатогенных грибов токсины накапливаются в основном в мицелии гриба. Кроме того, для защиты растений представляют интерес метаболиты, продуцируемые актиномицетами, например Streptomyces. Достоинства использования препаратов на их основе состоит в высокой активности, быстродействии малой вероятности возникновения устойчивости у целевых объектов. Срок хранения данных биопрепаратов выше, чем препаратов на основе пропагул. Однако, помимо получения биопрепаратов для подавления вредителей и болезней в защите растений важно производство энтомофагов и акарифагов для контроля численности вредителей. Насекомых часто используют как субстрат для наработки вирусов и микроспоридий, а также как тест – объекты для оценки качества полученных партий биопрепаратов. Техническая энтомология решает ряд наиболее важных задач, связанных с воспроизводствами культур насекомых с определенными человеком требованиями. Использование микроорганизмов при получении топлив. Необходимость разработки новых и эффективных способов производства энергетических носителей и восполнения сырьевых ресурсов стала особенно актуальной в последние два десятилетия из-за острого дефицита сырья и энергии в глобальном масштабе и повышения требований к экологической безопасности технологий. Растительный покров Земли составляет свыше 1800 млрд. т сухого вещества, образованного в процессах фотосинтеза лесными, травяными и сельскохозяйственными экосистемами. Существенная часть энергетического потенциала биомассы потребляется человеком. Для сухого вещества простейшим способом превращения биомассы в энергию является сгорание, в процессе которого выделяется тепло, преобразуемое далее в механическую или электрическую энергию. Сырая биомасса также может быть преобразована в энергию в процессах биометаногенеза и получения спирта. Получение топлива по схеме «биомасса – биотехнология» основывается на сочетании фотосинтеза, животноводства, кормопроизводства и ферментации с использованием тех или иных биологических агентов. Биометаногенез или метановое «брожение» – давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Открыт данный процесс в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, получаемый из органического сырья в ходе биометаногенеза в результате разложения сложных органических субстратов различной природы при участии смешанной из разных видов микробной ассоциации, представляет собой смесь из 65–75 % метана и 20–35 % углекислоты, а также незначительных количеств сероводорода, азота, водорода. Очищенный биогаз аналогичен природному газу. В процессах биометаногенеза решается не только проблема воспроизводства энергии, – эти процессы чрезвычайно важны в экологическим плане, так как позволяют решать проблему утилизации и переработки отходов различных производств и технологий, сельскохозяйственных и промышленных, а также бытовых, включая сточные воды и твердый мусор городских свалок. В сложных процессах деструкции органических субстратов и образования метана участвует микробная ассоциация различных микроорганизмов. В ассоциации присутствуют микроорганизмы-деструкторы, вызывающие гидролиз сложной органической массы с образованием органических кислот (масляной, пропионовой, молочной), а также низших спиртов, аммиака, водорода; ацетогены, превращающие эти кислоты в уксусную кислоту, водород и окислы углерода и, наконец, собственно – метаногены– микроорганизмы, восстанавливающие водородом кислоты, спирты иокислы углерода в метан. С биохимической точки зрения метановое «брожение» – это процесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического вещества переносятся на углекислоту; последняя затем восстанавливается до метана (при истинном брожении конечным акцептором электронов служит молекула органического вещества, являющегося конечным продуктом брожения). Донором электронов для метаногенов является водород, а также уксусная кислота. Деструкцию органической массы и образование кислот вызывает ассоциация облигатных и факультативных анаэробных организмов, среди которых гидролитики, кислотогены, ацетогены и др.; это представители родов: Enterobacteriaceae, Lactobacilaceae, Sterptococcaceae, Clostridium, Butyrivibrio. Активную роль в деструкции органической массы играют целлюлозоразрушающие микроорганизмы, так как растительные биомассы, вовлекаемые в процессы биометаногенеза, характеризуются высоким содержанием целлюлозы (лигнинцеллюлозы). В превращении органических кислот в уксусную существенную роль играют ацетогены – специализированная группа анаэробных бактерий. «Венцом» метанового сообщества являются собственно метаногенные или метанообразующие бактерии (архебактерии), катализирующие восстановительные реакции, приводящие к синтезу метана. Субстратами для реализации этих реакций являются водород и углекислота, а также окись углерода и вода, муравьиная кислота, метанол и др. К настоящему времени выделены в чистой культуре и описаны около 30 мета нообразующих бактерий; список этот непрерывно пополняется. Наиболее изученными являются следующие: Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter ruminantium. Все метаногены – строгие анаэробы; среди них встречаются как мезофильные, так и термофильные формы; гетеротрофы и автотрофы. Особенностью метанообразующих бактерий является также способность активно развиваться в тесном симбиозе с другими группами микроорганизмов, обеспечивающими метаногенов условиями и субстратами для образования метана. В процессах метаногенеза можно переработать самое разнообразное сырье – различную растительную биомассу, включая отходы древесины, несъедобные части сельскохозяйственных растений, отходы перерабатывающей промышленности, специально выращенные культуры (водяной гиацинт, гигантские бурые водоросли), жидкие отходы сельскохозяйственных ферм, промышленные и бытовые стоки, ил очистных сооружений, а также мусор городских свалок. Важно, что сырье с высоким содержанием целлюлозы, трудно поддающееся методам переработки, также эффективно сбраживается и трансформируется в биогаз. Существует огромное разнообразие установок для реализации процесса метаногенеза, конструкционные детали и компоновка которых определяется приоритетностью задачи, решаемой в конкретном процессе: либо это утилизация отходов и очистка стоков, либо получение биогаза требуемого качества. Метанотенки могут работать в режиме полного перемешивания, полного вытеснения, как анаэробные биофильтры или реакторы с псевдоожиженным слоем, а также в режиме контактных процессов. Простейшей конструкцией метанотенка является обычная бродильная яма в грунте с фиксированным объемом газа. Процессы, протекающие при метановом брожении, эндотермичны и требуют подвода энергии в виде тепла извне. Для подогрева загружаемого сырья и стабилизации температуры процесса на требуемом уровне обычно сжигают часть образуемого биогаза. В зависимости от температуры процесса количество биогаза, идущего на обогрев процесса, может достигать 30 % от объема получаемого. Скорость поступления сырья на переработку или время удержания сырья в аппарате являются важными и контролируемыми параметрами. Чем интенсивнее процесс брожения, тем выше скорость загрузки и меньше время удержания. Однако важным условием стабильности процесса биометаногенеза, как и любой проточной культивационной системы, является сбалансированность потоков субстрата со скоростью размножения продуцента. Теоретически метанообразующие бактерии в процессах синтеза метана до 90–95 % используемого углерода превращают в метан и только около 5–10 % – включают в образование биомассы. Благодаря такой высокой степени конверсии углерода в метан у метаногенов, до 80–90 % исходной органической массы, перерабатываемой в процессах сбраживания и метаногенеза, превращается в биогаз. Получение спирта Получение этилового спирта на основе дрожжей известно с древних времен. Сырьем для процессов спиртового брожения могут быть разнообразные биомассы, включая крахмалсодержащие (зерно, картофель), сахаросодержащие материалы (меласса, отходы деревоперерабатывающей промышленности), а также биомасса специально выращенных пресноводных и морских растений и водорослей. Процесс складывается из нескольких стадий, включающих подготовку сырья, процесс брожения, отгонку и очи- стку спирта, денатурацию, переработку кубовых остатков. Этиловый спирт обычно получают из гексоз в процессах брожения, вы- зываемых бактериями (Zymomonas mobilis, Z. anaerobica, Sarcina ventriculi), клостридиями (Clostridium thermocellum) и дрожжами (Saccharomyces cerevisiae): С6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2. Промышленный процесс брожения может осуществляться по разным схемам: непрерывно, периодически и периодически с возвратом биомассы. При периодическом процессе субстрат сбраживается после внесения свежевыращенного инокулята, который обычно получают в аэробных условиях. После завершения сбраживания субстрата клетки продуцента отделяют, и для нового цикла получают свежую порцию посевного материала. Недостатки процесса (главным образом, длительность и неполное использование субстрата) можно частично устранить, применяя процесс с повторным использованием биомассы. По этой схеме выход спирта можно повысить до 10 г/л ч. При реализации непрерывного процесса полнота использования субстрата в основном зависит от интенсивности процесса, то есть скорости протока. Однако при этом возникают противоречия между двумя пара- метрами, по которым обычно оптимизируют брожение: конечный выход спирта и полнота использования сахаров. Побочными продуктами спиртового брожения являются углекислота, сивушные масла, кубовые остатки, дрожжи. Каждый из этих продуктов имеет определенную стоимость и самостоятельную сферу применения. Биологическое получение водорода Проблема получения водорода является одной из основных проблем технического прогресса ряда важнейших промышленных отраслей, в том числе энергетики. Водород рассматривается в качестве главного энергоносителя будущего, отчасти превосходящего основные современные энергоносители – нефть и природный газ. Теплотворная способность водорода достаточно высока (28.53 ккал/кг), что в 2.8 раза выше бензина. Водород легко транспортируется и аккумулируется в различных фазовых состояниях; в газообразном состоянии не токсичен, имеет высокую теплопроводность и малую вязкость в различных фазовых состояниях. Но главное его достоинство – экологическая чистота, единственным побочным продуктом его сгорания является вода. Особо перспективным представляется получение водорода с использованием солнечной энергии, в том числе из воды, которая является наиболее дешевым и доступным субстратом. Запасы воды в мировом океане составляют 1.3.1018 т, то есть весьма значительные. Получение водорода возможно в результате электролиза воды, а также термохимического разложения воды с использованием отходящего тепла атомных станций. Вода может подвергаться прямому фоторазложению под воздействи- ем солнечных лучей: Н2О + hν → Н2+ 0.5 О2. Разрабатываются также способы получения водорода в результате фотохимического разложения воды. В основе способа лежат реакции, в которых участвует фотосенсибилизатор (А) и нечувствительное к свету соединение (В); процесс протекает в водной среде: Н2О + А + В + hν → АН2 + ВО. Работы по созданию систем биофотолиза воды проводятся достаточно активно во многих странах. Это привело к созданию различных типов систем. Эти системы, независимо от природы составляющих ее компонентов, должна иметь два элемента: 1) электрон-транспортную систему фотосинтеза, включающую систему разложения воды; 2) катализаторы образования водорода. В качестве катализаторов образования водорода можно использовать как неорганические катализаторы (металлическая платина), так и ферментативные (гидрогеназы). Последние могут функционировать как в растворимом, так в иммобилизованном состоянии. Разработки последних лет представлены различными системами: 1) включающие хлоропласты растений, ферредоксин и бактериальные гидрогеназы (рис. 5.2, А); 2) содержащие хлоропласты, медиатор (низкомолекулярный переносчик электронов) и бактериальные гидрогеназы; 3) с использованием фотосинтетических водорослей. Перспективные и разрабатываемые направления – это получение водорода на основе растущих микробных популяций хемосинтезирующих и фотосинтезирующих организмов. Среди хемотрофных микроорганизмов в качестве продуцентов водорода привлекают внимание виды, способные расти на достаточно доступных и дешевых субстратах. Например, культура клостридий C. perfringens,сбраживая различную органику, способна продуцировать в 10-литровом аппарате до 23 л Н2/ч. Более перспективными продуцентами являются фототрофные микроорганизмы, так как образование ими водорода связано с процессами поглощения энергии света и, следовательно, может повысить эффективность использования солнечной радиации. С наибольшей скоростью водород выделяют некоторые пурпурные бактерии, например некоторые штаммы Rh. capsulata, до 150–400 мл Н2/ч г сухого вещества. В качестве субстратов пурпурные бактерии используют различные органические соединения, которые они разлагают с образованием углекислоты и водорода. Наиболее выгодным для микробиологического получения водорода является использование фототрофных организмов, способных к биофотолизу воды, то есть использующих при фотосинтезе в качестве доноров электронов воду. Интересны в этом плане азотфиксирующие цианобактерии, способные выделять водород на свету в аэробных условиях с одновременным образованием кислорода. Для получения фотоводорода разрабатываются различные, в том числе многокомпонентные биосистемы, содержащие, в том числе, лиофилизированные клетки цианобактерий и пурпурных бактерий; цианобактерии и водоросли и т.д. Как двухкомпонентную водородобразующую систему можно рассматривать систему бобовых растений, имеющих клубеньки с азофиксирующими бактериями Rhizobium. К аналогичному симбиотическому сообществу можно отнести комплекс из водного папоротника Azolla и цианобактерий. |
Похожие:
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Микробиология» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Морская микробиология» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины «организационное поведение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Торговое оборудование» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Русский язык и культура речи» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Системное программное обеспечение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины архитектура ЭВМ 090104. 65... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «коммерческое право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Таможенное право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «римское право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «иностранный язык по специальности» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Технология формирования имиджа» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «защита прав потребителей» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |