Их применение в народном хозяйстве

Промышленное использование достижений микробиологии носит название «биотехнология». Микробиологические процессы человечество использовало задолго до открытия самих микроор­ганизмов. Об этом свидетельствуют многочисленные археологи­ческие раскопки в различных регионах нашей планеты.

Человек с древних времен начал использовать полезные свой­ства микроорганизмов, не подозревая об их существовании. Более 7000 лет до н.э. племена шумеров, проживавших на территории между Тигром и Евфратом, использовали процессы брожения для пивоварения. В Вавилоне изготавливали уже более 20 сортов пива, и его производство находилось под защитой государства. Напри­мер, вавилонский правитель Хаммурапи издал указ о том, что пи­вовары, разбавляющие пиво водой, будут утоплены в собственном пиве либо должны выпить все свое некачественное пиво.

Из Вавилона искусство пивоварения; распространилось в Египте, Персии, Греции, Германии и в других европейских странах. На­чиная с IV века до н. э., пиво начали готовить в Армении, а с IX века пиво приобрело большую популярность в России. В XI - XII веках его уже готовили в Киевской и Новгородской Руси.

Без микроорганизмов невозможно приготовление хлеба. Люди научились выпекать хлеб еще около 6000 лет до нашей эры, ис­пользуя для его приготовления осадки бродящего пивного сусла. В наибольшей степени искусство хлебопечения было развито в Егип­те. Хлеб считался пищей богатых людей и его клали в гробницы фараонов. С древнейших времен хлебные лепешки выпекали во многих странах Средней Азии и в России.

Наиболее широко микроорганизмы используются в виноделии и спиртовом брожении. Историю развития виноделия сопровожда­ет множество поэтических легенд древней Греции, Рима, Персии, Египта, Китая. Рисунки, изображавшие технологию изготовления вина, сохранились в египетских пирамидах. Более двух тысяч лет назад вино умели делать в Грузии, Армении, в Балканских странах и во Франции. Причем вино изготавливали не только из винограда, но и из малины, сливы, ежевики, кизила.

Занимаясь приготовлением вина, виноделы неизбежно стал­кивались с процессом скисания вина, в результате чего образовы­вался уксус. Значительно позже они научились получать этиловый спирт при нагревании вина. Этот процесс получил название «вино­курение». Первые винокуренные заводы появились в Европе в се­редине VJJ века. Но крепкий этиловый спирт был приготовлен лишь в XII веке. Технология его получения описана в Вятской летописи XII века. Бурное развитие производства спирта, получившего на­звание «Aquata vitae» - вода жизни, началось в связи с эпидемиями чумы. Считалось, что тот, кто регулярно употребляет «жизненную воду», никогда не умрет.

Спиртовое брожение лежит в основе биотехнологии не только при производстве вина и пива, но и крахмала, глюкозы, углекисло­ты, лигнина, фурфурола, метанового спирта. При спиртовом броже­нии в различных производственных процессах наряду с другими отходами освобождается большое количество дрожжей, содержа­щих белки, углеводы, жиры, витамины, минеральные соли. Они используются в качестве корма для сельскохозяйственных животных.

Исследования Л. Пастера процессов брожения послужили ос­новой развития в конце XIX и начале XX веков бродильного произ­водства органических кислот и органических растворителей (аце­тона, этанола, бутанола, изопропанола) и других химических веществ, где использовались различные микроорганизмы.

В 1780 году шведский аптекарь Карл Вильгельм Шееле впер­вые установил, что в кислом молоке образуется молочная кисло­та. Спустя 97 лет Листер выделил из молока чистую культуру мо­лочнокислого стрептококка. В настоящее время молочнокислые бактерии хорошо изучены и широко используются в биотехнологии получения разнообразных кисломолочных продуктов.

Помимо молочнокислого брожения, учеными было открыто пропионовокислое брожение, при котором образуется не молочная, а пропионовая кислота. Этот процесс лежит в основе получения сыров. Процессы брожения с древнейших времен используются также при квашении и засолке различных продуктов, при силосова­нии.

Некоторые молочнокислые бактерии образуют ценные поли­сахариды, к числу которых относится декстран. Декстран нашел широкое применение в медицинской практике как заменитель кро­ви при лечении шоковых состояний, при больших кровопотерях. Он используется также как стабилизатор кондитерских изделий и мо­роженого.

В некоторых странах разрабатываются крупномасштабные биотехнологические программы использования микроорганизмов для повышения эффективности оттока нефти из пористых пород. Маслянокислые бактерии применяют в качестве разведчиков нефти. Если в почве есть нефть, то на питательных средах с по­чвенными вытяжками появляется рост маслянокислых бактерий.

В различных странах мира в угольных шахтах практикуется микробиологический метод очистки воздуха от метана. Потреб­ляя метан, микроорганизмы удаляют его из атмосферы и создают тем самым безопасные условия для работы шахтеров.

В 1890 году были опубликованы работы С.Н. Виноградского по изучению процессов нитрификации в почве. Им была выделена из почвы анаэробная бактерия маслянокислого брожения, способ­ная усваивать азот непосредственно из воздуха.

После выделения С.Н. Виноградским и Бейеринком чистой культуры клубеньковых бактерий родилась идея использовать их для улучшения образования клубеньков, усиления фиксации атмос­ферного азота, а следовательно, повышения урожайности. С этой целью в 1896 году в Германии получен препарат клубеньковых бак­терий под названием «нитрагин». В настоящее время получение препаратов клубеньковых бактерий поставлено на промышленную основу.

Углубленное исследование биосинтетической деятельности микроорганизмов, процессов их метаболизма позволило решить проблему промышленного биосинтеза таких ценнейших продуктов, как органические кислоты, аминокислоты, витамины, такие, как аскорбиновая кислота или витамин С. Недостаток витамина С в организме снижает его сопротивляемость к различным инфекцион­ным заболеваниям, ведет к нарушению обмена веществ, к тяжело­му заболеванию - цинге.

В 1935 году начато микробиологическое производство вита­мина В1 -рибофлавина, а в 1948 году было показано, что с помощью микроорганизмов можно получать цианкобаламин - витамин В12, который ни растения, ни животные не синтезируют.

В результате окисления глюкозы плесневыми грибами из ро­дов Пенициллиум и Аспергиллюс или уксуснокислыми бактериями образуется глнжоновая кислота, которая применяется для получе­ния глюконата кальция. Глюконат кальция является лучшим источ­ником кальция для развивающегося детского организма.

Потребность в глицерине и ацетоне для производства взрыв­чатых веществ способствовала организации их промышленного микробиологического производства из кукурузной муки в Англии и из Сахаров в Германии и США.

В 1929 году японским ученым Киношита выделена итаконо-вам кислота, образующаяся при росте плесневого гриба Асперги-люс итаконикус. Итаконовая кислота применяется при изготовле­нии пластмасс, небьющегося стекла, искусственных драгоценных камней, моющих средств и других синтетических препаратов.

Благодаря использованию микроорганизмов в биотехнологии, разработаны и внедрены ресурсосберегающие производства, а так­же экологически чистые способы получения энергии. Известно, что часть энергии Солнца, поступающей на нашу планету (около 2 %), аккумулируется в биомассе, представляющей собою постоянно возобновляемый источник химической энергии. Ее можно исполь­зовать в виде топлива для получения газообразных энергетических продуктов (метан, этиловый спирт, водород), в качестве ценных видов сырья в пищевой промышленности.

В 1914 году был разработан и реализован способ минерализа­ции органических отбросов, основанный на использовании микро­организмов активного ила. За прошедшие десятилетия он был зна­чительно модернизирован и получил широкое распространение во всем мире для переработки стоков. Использование специальных биореакторов позволяет получать из органических отходов биогаз, использующийся как источник энергии. Наибольшее распростра­нение этот способ получил в Китае, где построено более 18 млн. генераторов биогаза. Во многих странах эффективно используют­ся биореакторы, предназначенные для переработки отходов сельс­кого хозяйства.

Биомасса может использоваться для получения электроэнер­гии. Источником такой энергии являются биотопливные элементы, в которых при обычной температуре и с высокой эффективностью на электродах получается ток достаточной величины. Биотоплив­ные элементы могут использоваться для получения дешевой элек­троэнергии при переработке городских хозяйственно-бытовых сточ­ных вод, активного ила и других отходов.

Важным этапом в развитии биотехнологии была организация в 40-х годах XX столетия промышленного производства антибио­тиков. Это было осуществлено благодаря выдающемуся откры­тию английскими учеными А. Флемингом, Г. Флори и Э.Б. Чейном химиотерапевтической активности очищенного пенициллина. В на­стоящее время сотни антибиотиков, предназначенных для медици­ны, сельского хозяйства, пищевой промышленности, являются про­дуктом промышленной микробиологии.

За последние годы получили развитие новые направления микробиологической биотехнологии. Среди них следует отметить про­изводство аминокислот, белка, превращение стероидов.

Наиболее широкое распространение получило производство аминокислот и белка. С помощью микроорганизмов из раститель­ной биомассы, нефти, метана, крахмала получают продукты с вы­соким содержанием белка, которые используются как кормовые добавки.

Обширные исследования по селекции и генетике микроорга­низмов, использование физических и химических мутагенов позво­лило значительно увеличить продуктивность исходных штаммов, а следовательно, производительность микробиологических производств.

Специально разработанные штаммы микроорганизмов исполь­зуются в процессах биотрансформации сложных молекул стерои­дов при получении кортизона и стероидных гормонов, которые при­меняются при лечении артрита и в качестве противозачаточных средств. Гормоны роста и белково-витамииные концентраты ис­пользуются в животноводстве для увеличения выхода мяса.

Благодаря клонированию генов человека в микроорганизмах разработаны эффективные методы промышленного производства интерферона и инсулина, а также гены многих других белков чело­века, необходимых для диагностики и лечения.

В 1979 году в Национальном медицинском центре «Хоуп» в г. Дуарте (штат Калифорния) синтезирован ген инсулина человека. Эти гены были введены в клетки кишечной палочки с использова­нием методов генной инженерии.

В последнее десятилетие большое значение придается разра­ботке методов производства моноклональных антител, которые используются при диагностике беременности, некоторых форм рака молочной железы, при инактивации ядов, в процессах направленно­го переноса токсинов в раковые клетки и в других областях медици­ны.

В последние годы получила развитие экологическая биотех­нология, которая представляет собою специфическое применение биотехнологии для решения ряда экологических проблем. Это ка­сается, прежде всего, использования штаммов микроорганизмов для переработки пластмасс, биодеградации ароматических соединений и ксенобиотиков, создания биотехнологических методов очи­стки воды, разработки новых или совершенствования существую­щих способов переработки отходов, очистки сельскохозяйственных угодий от антропогенных и техногенных загрязнений.

На основе современных исследований в области химической инженерии, физиологии, биохимии и генетики создаются штаммы микроорганизмов, обладающих новыми, ранее неизвестными или искусственно созданными катаболическими способностями. Они предназначены для решения проблем переработки необычных от­ходов, для подавления вредителей сельскохозяйственных культур, что позволит вытеснить химические инсектициды.

Таким образом, мир микроорганизмов уже дал человечеству очень многое. Однако ученые считают, что нам известно всего лишь около 10% микроорганизмов, обитающих на Земле. Поэтому дальнейшее раз­витие микробиологии откроет новые возможности для использования ее достижений в различных областях народного хозяйства.