ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В БИОТЕХНОЛОГИИ Биотехнология — совокупность промышленных методов, использующих живые организмы и биологические процессы в контролируемых условиях для производства ценных для человека продуктов — белков, гормонов, аминокислот, лекарственных препаратов и т. д. Микробиологическое производство является важнейшей составной частью биотехнологии. Это связано с тем, что микроорганизмы способны продуцировать многие полезные для человека вещества. Они быстро растут и накапливают массу, легко адаптируются к условиям среды. Сравнительная простота организации наследственного аппарата прокариот позволяет с помощью методов генной инженерии придать микроорганизмам заранее заданные свойства, в том числе ввести гены, ответственные за синтез необходимых человеку белков. Возможность использовать недорогие среды для выращивания микроорганизмов обеспечивает высокую рентабельность микробиологического производства. В настоящее время производятся три основные группы биопрепаратов. В биопрепаратах первой группы используют живые клетки микроорганизмов. К ним относятся закваски для молочнокислых продуктов, производства силоса, биологические средства повышения плодородия почвы и защиты растений. Биопрепараты второй группы состоят из инактивированной микробной биомассы, например кормовых дрожжей. К третьей группе относят биопрепараты, созданные на основе очищенных продуктов, продуцируемых микроорганизмами. К ним относятся витамины, аминокислоты, ферменты, гормоны, антибиотики. Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько сотен видов. Их относят к четырем группам: бактерии, актиномицеты, дрожжи и плесени. Для промышленного производства отбирают штаммы микроорганизмов, которые характеризуются высокой скоростью размножения, интенсивным биосинтезом необходимых веществ, минимальным образованием побочных продуктов, безвредные для человека и окружающей среды, использующие дешевое сырье. В качестве сырья выгодно использовать отходы производства. Например, сыворотку — отходы сыроделия и производства масла, мелассу — побочный продукт сахарной промышленности, гидролизаты соломы и древесины, отходы целлюлозно-бумажной промышленности, продукты переработки нефти, природного газа. Источником азота обычно служат соли аммония, мочевина, соевая мука. Отдельные компоненты вносят в виде солей и гидролизатов дрожжей. Производство бактериальных удобрений. Использование бактериальных удобрений в отличие от химических полностью отвечает требованиям экологизации сельского хозяйства. Это объясняется тем, что микроорганизмы являются продуктом природы, а поэтому в соответствии с законом экологической буферности не могут накапливаться в ней в избытке и нарушать экологическое равновесие. Отличительной чертой бактериальных удобрений является комплексность действия. Эти препараты улучшают азотное и фосфорное питание растений, защищают растения от болезней путем конкуренции с фитопатогенной микрофлорой, стимулируют рост растений за счет выработки гормонов, увеличивают усвоение питательных веществ из почвы. Применение бактериальных удобрений не только повышает продуктивность растений, но и улучшает их качество за счет повышения содержания белка, крахмала, витаминов, позволяет получать более раннюю продукцию, улучшает ее сохранность. Наиболее эффективны бактериальные удобрения на основе препаратов азотфиксирующих бактерий. В России их производство, главным образом для бобовых культур, началось в 20—30-х годах XX в. В настоящее время в мире производится 60—70 млн/га порций биопрепаратов азотфиксирующих микроорганизмов. Биологическая азотфиксация значительно снижает затраты на производство минеральных удобрений, предотвращает загрязнение среды. В настоящее время рекомендованы для применения в сельском хозяйстве следующие биопрепараты на основе ризосферных, в том числе азотфиксирующих, микроорганизмов. Ризоторфин представляет собой смесь клубеньковых бактерий со стерильным торфом. Культуру клубеньковых бактерий, предназначенную для определенного вида бобовых растений, вначале выращивают на агаризированной среде и затем смешивают с торфом. Препарат разработан практически для всех бобовых, возделываемых в настоящее время. Особенно он эффективен при введении в культуру новых видов бобовых. Некоторые из них, например козлятник, вообще не могут возделываться без наличия в почве соответствующих микроорганизмов. Обработку семян бобовых культур препаратом называют инокуляцией, или нитрогенизацией. Для повышения урожая и качества зерна пшеницы, ржи, риса рекомендуются препараты на основе ассоциативных азотфиксаторов: ризо- энтерин, ризоагрин, биоплант-К. Для овощных и кормовых культур разработаны бактериальные удобрения агрофил и флавобактерин. В настоящее время большое внимание уделяется биопрепаратам комплексного действия. В США бактеризацию сои проводят симбиотическим ризобиумом совместно с микоризными грибами. Большое значение имеет микоризация, т. е. заражение микоризными грибами при рекультивации (восстановление земель после выработки полезных ископаемых) для обогащения микрофлоры поверхностного слоя почвы. Кроме биологических удобрений в настоящее время в сельском хозяйстве применяется целый ряд биопрепаратов, активизирующих почвенномикробиологические процессы. Бактогумин предназначен для изготовления биологически активных грунтов, используемых для выращивания овощных и цветочных культур в теплицах. Биологически активные грунты способствуют ускоренному разложению пестицидов, снижению их токсичности и оздоровлению грунтов за счет антагонизма микроорганизмов биопрепарата и фитопатогенов. Эффективен для овощных культур защищенного грунта также бамил, основным исходным компонентом которого является высушенная микробная биомасса, полученная при переработке животноводческих отходов. Бамил содержит значительное количество органического азота, фосфора, широкий набор микроэлементов. Для выращивания овощных и плодовых культур за рубежом выпускают препараты биотрон, Е-2001. Биопестициды. Это микробные биопрепараты для защиты растений, в первую очередь от насекомых-вредителей. Пестициды, получаемые путем химического синтеза, обладают малой избирательностью, сильной токсичностью для человека, стойкостью в природных условиях и загрязняют среду. Микробные биопрепараты свободны от перечисленных недостатков. В настоящее время серьезные успехи достигнуты в создании микробных биоинсектицидов. Известны бактериальные, грибные, вирусные и протозойные болезни насекомых, способные резко снижать их численность. На базе возбудителей этих болезней создано много биопрепаратов против важнейших вредителей сельского хозяйства. Ведущее место среди них занимают бактериальные препараты, созданные на основе Bacillus thuringiensis (ВТ). Инсектицидными компонентами зрелых клеток ВТ являются споры и кристаллы белкового эндотоксина, а также термостабильный экзотоксин, выделяемый в ферментационную среду. Готовые биопрепараты могут представлять смесь этих компонентов либо один экзотоксин. Энтобактерин состоит из бактериальных спор и кристаллов эндотоксина. Выпускается в виде порошка против листогрызущих и чешуекрылых на овощных и плодовых культурах. Битоксибацил- лин и бацикол используют для контроля численности колорадского жука, совок, белянок, шелкопрядов, крестоцветных блошек. В настоящее время на основе ВТ в мире выпускается более 30 препаратов. Для борьбы с паутинным клещом в защищенном грунте рекомендуется актиномицетный препарат актинин. Против колорадского жука создан на основе энтомопатогенного гриба препарат боверин. Однако препараты на основе грибов используются не так широко, как бактериальные. Основные их недостатки — нестабильность, а также потребность во влаге для прорастания спор. Перспективным является использование вирусных биопрепаратов. Их широкое применение сдерживается технологией производства. Будучи облигатными патогенами, вирусы размножаются только в живом организме, в насекомых-вредителях. В нашей стране создано несколько вирусных препаратов под названием вирин для применения против совок, шелкопряда, пилильщика, яблоневой плодожорки. Синтез антибиотиков. Антибиотики — специфические соединения, способные в незначительных количествах избирательно задерживать рост микроорганизмов или убивать их. Антибиотики образуются актиномицетами, плесневыми грибами, бациллами, бактериями, а также растениями и животными. Они могут выделяться в окружающую среду или накапливаться внутри клеток и освобождаться при их разрушении. Антибиотики используют в медицине как лекарственные препараты, в качестве добавок к кормам в животноводстве, для защиты растений. Получение микробного белка. В производстве белка и аминокислот важная роль принадлежит микроорганизмам. Для своего питания они могут использовать отходы сельскохозяйственного производства (солому, кукурузные початки), а также целлюлозо-бумажной и лесной промышленности. По скорости производства белка микроорганизмы не имеют равных себе в мире. На заводах производят кормовые дрожжи, питательной средой для которых служат очищенные парафины нефти, продукты гидролиза древесины и другое непищевое сырье. Такой белкововитаминный концентрат (БВК) используется в животноводстве для обогащения растительных кормов белками и витаминами. Весьма перспективным является получение бактериального белка с использованием водородных бактерий, в биомассе которых содержится до 75 % белка со всеми незаменимыми для животного организма аминокислотами и водорастворимыми витаминами. Для получения белка широко используют водоросли. Хлорелла содержит до 45—50 % белка, спирулина — 60—65 %, а некоторые штаммы — до 72 %. С 1 га за год получают 40—45 т абсолютно сухого вещества спирулины. Биомассу спирулины используют в пищу. Микробиологические ферменты. В биотехнологических процессах используют преимущественно иммобилизованные экзоферменты или сами микроорганизмы. При иммобилизации фермент либо адсорбируется, либо химически присоединяется к нерастворимому носителю (керамике, смоле, активированному углю, гидроксидам металлов и т. д.). Наибольшее значение имеют гидролитические ферменты микробного происхождения. Амилазу, расщепляющую крахмал, активно синтезируют бактерии рода клостридиум, сенная палочка. Применение амилаз в хлебопечении улучшает пористость и вкус хлеба. Целлюлозоразрушающие ферменты клостридий используют для силосования соломы. Протеазы гриба рода аспергиллус применяют в кожевенной промышленности. Широко применяют иммобилизованные ферменты микробиологического происхождения при производстве полусинтетических антибиотиков широкого спектра действия (ампициллин, ампиокс и др.). Компостирование органических отходов. Процесс компостирования представляет собой сложное взаимодействие между органическими отходами, микроорганизмами, влагой и кислородом. В отходах обычно существует своя эндогенная смешанная микрофлора. В процессе компостирования могут принимать участие более 2000 видов бактерий и не менее 50 видов грибов. Хотя количество бактерий в компосте очень велико (10 8— 109 клеток на 1 г влажного компоста), из-за малых размеров они составляют меньше половины общей микробной биомассы. Актино- мицеты растут гораздо медленнее, чем бактерии и грибы, их обычно становится много на поздних стадиях компостирования. Во время компостирования происходят изменение температуры, pH и смена ведущих процесс микроорганизмов. В начале процесса отходы находятся при температуре окружающей среды, pH в них слабокислый. В начале мезофильной стадии микробы, присутствующие в отходах, начинают быстро размножаться, температура поднимается до 40 °С и среда подкисляется за счет образования органических кислот. При увеличении температуры выше 40 °С начинают гибнуть исходные мезофилы и преобладать термофилы. Это поднимает температуру до 60 °С, при которой грибы становятся неактивными. При температуре более 60 °С процесс продолжается с помощью спорообразующих бактерий и актиномицетов, pH среды становится щелочным за счет выделения NH3 при распаде белков. В течение термофильной фазы наиболее легко разлагаемые субстраты, такие, как сахара, крахмал, жиры, белки, быстро потребляются и скорость реакции начинает падать после того, как в нее вовлекаются более устойчивые субстраты. При этом скорость тепловыделения становится равной скорости теплопотери, что соответствует достижению температурного максимума. Температура 60 °С полезна для борьбы с термочувствительными патогенными микробами, семенами сорняков. Но более высокой температуры при компостировании допускать нельзя из-за ингибирования роста полезных микроорганизмов. В течение стадии остывания pH медленно падает, но остается щелочным. Термофильные грибы из более холодных зон вновь захватывают весь объем и вместе с актиномицетами потребляют полисахариды, гемицеллюлозу и целлюлозу, разрушая их до моносахаридов, которые потом могут быть использованы широким кругом микроорганизмов. Первые три стадии компостирования — мезофильная, термофильная, остывание — протекают очень быстро (за дни или недели) в зависимости от типа используемой системы компостирования. Заключительная стадия — созревание — длится несколько месяцев. В этой стадии происходят сложные реакции между остатками лигнина из отходов и белками погибших микробов, приводящие к образованию гуминовых кислот. Внесение компоста улучшает структуру почвы, повышает ее водоудерживающую способность, удовлетворяет потребность растений в питательных веществах (N, Р, К, микроэлементы), при совместном внесении с минеральными удобрениями усиливает действие последних. Питательные вещества выделяются из компоста медленнее, чем из легкорастворимых минеральных удобрений. Действие компоста может длиться в течение нескольких лет. Таким образом, в настоящее время биотехнология уже вносит немалый вклад в решение проблемы использования потенциала живых организмов для производства продовольствия, кормов, лекарственных препаратов, улучшения состояния окружающей среды. Можно ожидать, что в ближайшем будущем генная инженерия откроет еще более широкие возможности использования микроорганизмов для производства продуктов питания, фармацевтической промышленности (производство вакцин, биосинтез антибиотиков, гормонов, интерферонов), уменьшения загрязнения окружающей среды (очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности).