Н О Бублієнко - Екологічна біотехнологія конспект лекцій з дисципліни для студентів - страница 1

Страницы:
1  2  3  4  5 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ЕКОЛОГІЧНА БІОТЕХНОЛОГІЯ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

з дисципліни для студентів спеціальності 6.070800 „Екологія та охорона навколишнього середовища" напряму 0708 "Екологія" денної форми навчання

СХВАЛЕНО

на засіданні кафедри

біохімії та екології

харчових виробництв

Протокол № 7

від 03.02.05 р.

Київ НУХТ 2005

Екологічна біотехнологія: Конспект лекцій з дисципліни для студ. спец. 6.070800 "Екологія та охорона навколишнього середовища" напряму 0708 „Екологія" ден. форми навч. / Уклад. Н.О.Бублієнко. - К.: НУХТ, 2005. - ... с.

Укладач Н.О.Бублієнко, канд. техн. наук

Відповідальний за випуск Л.В. Левандовський, д-р техн. наук, проф.

1. ЕКОЛОГІЧНА СИТУАЦІЯ ТА РОЛЬ БІОТЕХНОЛОГІЇ В ЇЇ ПОКРАЩАННІ Біотехнологія - це сукупність технологій,  що передбачають використання живих організмів та біологічних процесів у промисловому виробництві.

Об'єктами біотехнології є переважно бактерії, дріжджі, гриби, віруси, клітини рослин і тварин, біологічно активні речовини спеціального призначення тощо.

Методами біотехнології є поверхневе, глибинне культивування в періодичному та безперервному режимах; вирощування рослинних і тваринних клітин в особливих умовах. Здебільшого біотехнологічні процеси проходять в асептичних умовах.

Екологічна біотехнологія - це специфічне використання біотехнології для вирішення проблем охорони навколишнього природного середовища.

На Третьому з'їзді Європейської асоціації біотехнологів у 1984 р. історію біотехнології було поділено на п'ять періодів - ер:

допастерівська (до 1865 р.);

післяпастерівська (1866 - 1940 рр.);

антибіотиків (1941 - 1960 рр.);

керованого біосинтезу (1961 - 1975 рр.);

нової біотехнології (після 1975 р.). Інтенсифікація сільського господарства, бурхливий розвиток промисловості, транспорту призвели до диспропорцій у навколишньому середовищі, деформації встановленої рівноваги екосистем, погіршення екологічної ситуації в усіх сферах діяльності людини. Екологічна біотехнологія може допомогти у вирішенні багатьох екологічних проблем (див. таблицю).

Біотехнологічні методи захисту довкілля

 

Сфера

 

Метод

застосування

Суть методу

 

або субстрат

 

1

2

3

Створення безвід-

Народне

Отримання з відходів корисних

ходних техноло-

господарство

продуктів або знешкодження їх

гічних процесів

 

 

Створення препа-

Охорона здо-

Створення        засобів для

ратів для боротьби

ров'я    і вете-

діагностики, імуностимулятори,

зі збудниками хво-

ринарія

вакцини, антибіотики тощо

роб    людини та

 

 

тварин

 

 

Створення рос-

Сільське гос-

Отримання        рослин, при

лин,    стійких до

подарство

вирощуванні      яких відпадає

хвороб та шкідників

 

необхідність використання

 

 

отрутохімікатів

Біологічні методи

Сільське і

Селективне знищення

боротьби з хворо-

лісове

спеціальними біологічними

бами і шкідниками

господарство

препаратами    шкідливих комах,

рослин

 

гризунів чи збудників хвороб

Бактеріальні доб-

Сільське

Посилення   біологічної фіксації

рива, стимулятори

господарство

атмосферного   азоту, мобілізації

росту рослин

 

фосфору;     прискорення росту

 

 

органів рослин; зниження потреб у

 

 

мінеральних добривах

Створення рос-

Те саме

Перенесення у геном рослин генів

лин, здатних фіксу-

 

від мікроорганізмів, що визначають

вати атмосферний

 

фіксацію

Закінчення табл.


1

2

3

азот   без участі

 

 

мікроорганізмів

 

 

Аеробне біоочи-

Комунальні та

Утилізація  органічних речовин

щення стоків

виробничі стоки

стоків     активним     мулом у

 

 

присутності кисню

Анаеробне біоочи-

Те саме

Утилізація    органічних речовин

щення стоків

 

анаеробним мулом з утворенням

 

 

біогазу

Селективна утилі-

Промислові

Утилізація токсичних речовин

зація хімічних спо-

стоки

спеціально адаптованими

лук стоків

 

культурами мікроорганізмів

Кероване компо-

Сільське гос-

Біологічна  деструкція частини

стування твердих

подарство, місь-

компонентів відходів з утворенням

відходів

кі звалища

компосту

Детоксикація

Ґрунт

Утилізація     шкідливих сполук

хімічних забруд-

 

мікробіологічною обробкою ґрунтів

нень грунтів

 

 

Біосорбція

Стоки

Селективна сорбція у спеціальних

металів

 

біофільтрах    металів    зі стоків

 

 

мікроорганізмами

Біологічне очище-

Газоподібні

Використання мікроорганізмів для

ння викидів

викиди

деструкції забруднень викидів

Діагностика ступе-

Стоки, ґрунт,

Контроль    присутності певних

ня забруднення се-

повітря

речовин     у     середовищі за

редовища

 

допомогою ферментів

Виробницто

Народне

Виробництво біогазу за допомогою

енергії з біомаси

господарство

метанового бродіння

Клонування

Живі організми

Відновлення чисельності популяції

Питання до самоперевірки

1. Об'єкти, основні методи біотехнології.

2. Історія розвитку біотехнології.

3. Екологічна  біотехнологія.   Роль  біотехнології  у  захисті та оздоровленні довкілля.

2. Біохімічні основи екологічної біотехнології. Анаболізм та катаболізм - основні процеси метаболізму

Усі реакції, що проходять у клітині, поділяють на анаболічні -асиміляція (синтез складних молекул з більш простих) та катаболічні -дисиміляція (розщеплення складних молекул до простих компонентів). Перші супроводжуються витратами, другі - виділенням енергії. Сукупність катаболічних та анаболічних реакцій, що проходять у клітині в будь-який даний момент, становить її метаболізм:

Взаємозв'язок між катаболічними та анаболічними шляхами зображено на схемі 1.

Сонячна енергія -►   Автотрофне живлення А— Неорганічні речовини

Кисень     Органічні речовини

і

Переварювання та поглинання

Клітина

Схема 1

У живих організмах розщеплення речовин відбувається у присутності кисню (аеробний обмін) та за відсутності кисню (анаеробний обмін).

Питання до самоперевірки

1. Асиміляція. Дисиміляція. Метаболізм.

2. Взаємозв'язок процесів асиміляції та дисиміляції в живій клітині.

3. Розклад речовин в аеробних умовах

В аеробному катаболізмі розрізняють три головні стадії (схема 2). На стадії І макромолекули клітини розпадаються на основні будівельні блоки.

Ста­дія І

Ста­дія ІІ

Ста­дія ІІІ

Білки

Аміно­кислоти

NH

Полісахариди Ліпіди

Великі молекули

Гліцерол, Глюкоза     жирні кислоти

Піруват

1

Ацетил-КоА

Молекули, що відіграють роль будівельних блоків

Спільний продукт розкладу

Н

СО

Прості малі молекули кінцеві продукти катаболізму

Схема 2

Останні на стадії ІІ перетворюються на ще простіші сполуки (піруват, ацетилкофермент А). На стадії ІІІ ацетил-КоА вступає в цикл трикарбонових кислот - спільний кінцевий шлях, на якому майже всі види

літинного палива окиснюються до двоокису вуглецю. Кінцевими продуктами є також вода та аміак.

При аеробному диханні відбувається відновлення коферментів окисно-відновних ферментів (НАД, ФАД), які надходять у дихальний ланцюг. Перехід водню по дихальному ланцюгу супроводжується виділенням енергії, що акумулюється в АТФ.

В екологічній біотехнології процеси аеробного розкладу лежать в основі компостування відходів, очищення стоків тощо. Завершальна стадія аеробного окиснення стоків полягає у нітрифікації амонійних сполук під впливом нітрифікуючих бактерій. Цей процес поділяється на дві фази. У першій фазі, яку здійснюють бактерії роду Nitrosomonas, аміак окиснюється до нітритів:

2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O; у другій, яку здійснюють бактерії роду Nitrobacter, нітрити окиснюються в нітрати:

2HNO2 + O2 = 2HNO3. Питання до самоперевірки

1. Схема та характеристика основних стадій аеробного катаболізму.

2. Значення процесів аеробного розкладу в екологічній біотехнології.

3. Біохімізм та мікробіологія процесів нітрифікації.

4. Розклад речовин в анаеробних умовах

Порівняно з аеробним окисненням, бродіння є еволюційно давнішим і енергетично менш вигідним, хоча для деяких видів організмів бродіння є єдиним джерелом енергозабезпечення.

При молочнокислому бродінні утворюються молочна кислота (гомоферментативний процес), оцтова кислота, спирти, СО2 (гетероферментативний). Гомоферментативне молочнокисле бродіння здійснюють молочнокислі стрептококки та палички; гетероферментативне -  бактерії   Leuconostoc.   Молочнокисле  бродіння     застосовують увиробництві молочнокислих продуктів; молочної кислоти з побічного продукту цукрової промисловості (меляси), гідролізатах відходів сільського господарства; у консервуванні харчових та кормових продуктів (силосування жому, відходів плодоовочевої промисловості).

Процес спиртового бродіння відбувається під впливом дріжджів роду Saccharomyces і лежить в основі біотехнологічного виробництва пива, вина; спирту із зерна; картоплі або з побічного продукту цукрового виробництва - меляси.

Метанове бродіння застосовують для очищення стічних вод, утилізації відходів, отримання біогазу, добрив з вмістом вітаміну В12.

Метанове бродіння відбувається при різних температурах. Виділяють психрофільне (< 20 оС), мезофільне (20 - 40 оС) та термофільне (45 - 65 оС) бродіння.

До     метаногенних    бактерій     належать Methanobacterium, Methanospirillum, Methanococcus, Methanosarcina, Methanothrix, Clostridium. Процес метаногенезу зображена на схемі 3:

3 НО

СН£хема 3

Професор Г.О. Нікітін довів [6], що проміжним продуктом у процесі метанового бродіння є ацетил-КоА. Це пояснює, чому у процесі бродіння накопичується оцтова кислота: з огляду на фізико-хімічні умови, нестачу водню тощо ацетил-КоА не повністю трансформується в метан та СО2, а частково перетворюється на оцтову кислоту.

Кількість та якісний склад біогазу залежить від виду субстрату, ступеня його забруднення, умов перебігу процесу тощо. Енергетична цінність 1 м3 біогазу, що містить 60 % метану, дорівнює 22 - 24 МДж і еквівалентна 0,65 - 0,7 л умовного палива.

Активний мул, що накопичується в метантенках, збагачений вітамінами кобаламінової групи. Так, концентрація вітаміну В12 в ньому становить 45 - 50 мкг/г сухих речовин залежно від умов проведення процесу.

Питання до самоперевірки

1. Види молочнокислого бродіння; мікроорганізми, що його викликають; значення в біотехнології.

2. Біохімізм, мікробіологія та значення спиртового бродіння.

3. Температурні режими метанового бродіння.

4. Основні метаногенні бактерії.

5. Біохімізм та значення метанового бродіння в екологічній біотехнології.

5. Проблема розкладу складних субстратів у екологічній біотехнології

Існує проблема розкладу утворюваних у технологічних процесах складних речовин, які будучи основною масою відходів, створюють загрозу навколишньому середовищу. Завданням екологічної біотехнології є їх руйнування та перетворення на нешкідливі для довкілля або використання як вторинну матеріальну сировину для виробництва кормових і харчових продуктів.

Целюлоза (клітковина) - це полісахарид, що утворює головну масу клітинних стінок рослин. Нерозчинний у воді, лише набухає в ній.

Фермент целюлоза гідролітично розщеплює клітковину з утворенням целобіози. Целюлаза міститься у пророслому зерні, деяких бактеріях та пліснявих грибах.

Страницы:
1  2  3  4  5 


Похожие статьи

Н О Бублієнко - Екологічна біотехнологія конспект лекцій з дисципліни для студентів