Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
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.
Дата публикования: 2015-11-01; Прочитано: 3813 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!