Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный аграрный университет»

Институт ветеринарной медицины

А.А. Белооков, О.В. Белоокова

 Современные методы биотехнологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции

Курс лекций

для обучающихся по направлению подготовки

 36.04.02 Зоотехния

Уровень высшего образования магистратура

Профиль подготовки «Технология производства продуктов животноводства (скотоводство)»

Магистерская программа «Управление качеством производства молока и говядины»

Троицк 2015

УДК  631. 147  (075)

ББК  65. 9 (2)

     Рекомендован к изданию Методической комиссии факультета биотехнологии протокол № 2  от 29.10.2015 г.

     Рекомендован к изданию Методическим советом Института ветеринарной медицины ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ (протокол № 2 от «18» ноября 2015 г.)     

   Рецензент: С.А. Гриценко, доктор биологических наук, профессор

      Белооков, А.А. Современные методы биотехнологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции: Курс лекций для обучающихся по направлению подготовки 36.04.02 Зоотехния (уровень высшего образования магистратура) профиль подготовки «Технология производства продуктов животноводства (скотоводство)» Магистерская программа «Управление качеством производства молока и говядины»  / А.А. Белооков, О.В. Белоокова. - Троицк: Южно-Уральский ГАУ, 2015. - 60 с.

     В данном курсе лекций раскрыты основные представления о биотехнологии, ее направлениях, этапах развития, методах и областях применения. Курс лекций будет полезен для специалистов животноводства, бакалавров, магистров, аспирантов и студентов аграрных вузов.  

                                                                                         УДК  631. 147  (075)

                                                                              ББК  65. 9 (2)

© ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ

Институт ветеринарной медицины

Содержание

Введение

Биотехнология как наука возникла в 1950-х гг. и в настоящее время является одним из приоритетных научных направлений. Именно с достижениями в области биотехнологии связывают не только повышение благосостояния человечества в будущем, но и увеличение продолжительности жизни людей.

Быстрое развитие биотехнологии обусловлено интенсивным развитием биологии, успехами в познании жизненных явлений, прежде всего в области микробиологии, энзимологии, молекулярной биологии и молекулярной генетики. Все это позволило объединить разрозненные прикладные направления в новую единую фундаментальную науку о практическом использовании биологии в целом (а не отдельных ее ветвей, как это было прежде) — биотехнологию.

Биотехнология — это и технологические процессы, осуществляемые с использованием различных биологических систем, включая как живые организмы (от микроорганизмов до клеток животных и растений), так и их компоненты (ферменты, витамины и т. д.).

Микроорганизмы стали основой для производства целого ряда полезных продуктов (органических кислот, этанола для технических целей, ферментов, витаминов, антибиотиков и т. п.). Культивируемые в условиях in vitro растительные и животные клетки нашли применение в сельском хозяйстве (растениеводстве, животноводстве), при получении физиологически активных веществ, фармацевтических препаратов, моноклональных антител и других продуктов.

 В биологической промышленности используются разнообразные биомолекулы, а также иммобилизованные ферменты, что позволило решить часть технологических проблем.

 Важное направление современной биотехнологии — генетическая инженерия. Она предоставила исследователям новую, исключительно ценную возможность изменения генетической программы бактериальных, растительных и животных клеток. И это направление исследований уже приносит большие научные и практические результаты.

Нет сомнений, что биотехнология является одним из важных направлений научно-технического прогресса. Она внесет (и уже внесла) большой вклад в обеспечение растущего населения Земли продовольствием, благодаря ее достижениям принципиально улучшится состояние медицины и ветеринарии, в постнефтяную и постгазовую эры будут созданы новые виды топлива, а также сырьевая база и технологии переработки возобновляемого сырья для химической индустрии. Несомненен значительный вклад биотехнологии в защиту окружающей среды.

Биотехнология — одна из перспективных и высокорентабельных отраслей производства. Например, в США насчитывается более 1500 биотехнологических компаний (во всем мире их свыше 3 тыс.), в числе которых крупнейшие химические и фармацевтические концерны Monsanto, Du Pont, American Cyanamid, Merck, Novartis и др. В других странах, где инвестиционный климат не столь благоприятен и бизнес менее активен, главную роль в создании биотехнологических предприятий играют крупные корпорации и государство. Быстро развивается и западноевропейская биотехнологическая индустрия, в которой занято свыше 600 биотехнологических компаний.

В России также уделяется значительное внимание развитию биотехнологии. Уже имеются биотехнологические разработки мирового уровня, внедрение которых приносит ощутимую пользу обществу. Так, уникальная микробиологическая технология регулирования микрофлоры пластов, разработанная в Институте микробиологии РАН, позволила компании «Татнефть» получить дополнительно около полумиллиона тонн «черного золота».

По новой технологии Института микробиологии РАН с 2001 г. в Красноярском крае на золотодобывающем комбинате работает восемь ферментеров. Создан новый способ снижения концентрации метана в шахтах с использованием метанотрофных бактерий. Разработаны и производятся флокулянты для фильтрации воды в очистных сооружениях, созданы оригинальные технологии производства ферментов для стиральных порошков (Гос. НИИ Генетика РАН).

Достижения биотехнологии приносят реальную пользу народному хозяйству и людям, когда на их основе открываются промышленные производства, создающие в значительных количествах практически ценные продукты, что и является основной задачей биотехнологов.

     Курс лекций будет полезен для специалистов животноводства, бакалавров, магистров, аспирантов и студентов аграрных вузов.  

Лекция 1. Понятие о биотехнологии, задачи биотехнологии

История возникновения и развития биотехнологии

1. Понятие о биотехнологии, задачи, принципы биотехнологии
2. История возникновения и развития биотехнологии

1. Понятие о биотехнологии, цели, задачи, принципы биотехнологии

Биотехнология - это новая, сравнительно недавно получившая широкое развития наука о практическом использование различных биологических объектов (генов, клеток, тканей, микроорганизмов, растений и животных) с целью получения антибиотиков, ферментов, кормовых белков, биоудобрений, безвирусных растений, новых сортов растений и животных, переработки сырья, промышленных и сельскохозяйственных отходов, очистки сточных вод и газовоздушных выбросов и так далее. Успехи, достигнутые в области биотехнологии, стали возможными благодаря бурному развитию таких наук, как биохимия, генетика, цитология, микробиология, молекулярная биология, клеточная и генетическая инженерии и другие.

Основная цель биотехнологии – промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами.

Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической.

1. Низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.
2. Биотехнологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипного оборудования. Однотипные ферментеры применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.
3. Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Микроорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью микроорганизмов в ходе другого производства.
4. Безотходность биотехнологических производств делает их экологически наиболее чистыми. Экологическая целесообразность биотехнологических производств определяется также возможностью ликвидации с их помощью биологических отходов - побочных продуктов пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском и городском хозяйствах.
5. Исследования в области биотехнологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.

К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся - создание и широкое освоение:

1. новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);
2. микробиологических средств защиты растений от болезней и вредите
   лей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений, новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;
3. ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для повышения продуктивности животноводства;
4. новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;
5. технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

      Принципы биотехнологии:

1. Принцип экономической обоснованности. Биотехнология внедряется только в те производственные процессы, которые нельзя эффективно и с теми же затратами реализовать средствами традиционной технологии. Аминокислоту лизин можно легко синтезировать химическим путем, но это весьма трудоёмкая процедура, поэтому лизин получают путем микробиологического синтеза.
2. Принцип   целесообразного  уровня   технологических   разработок. Масштаб производства продукта, степень его очистки, уровень автоматизации производства - все это должно прямо определяться соображениями экономической выгоды, сырьевыми и энергетическими ресурсами, уровнем спроса готового продукта. Для получения препаратов медицинского назначения, которые требуются в количестве нескольких сотен граммов в год, целесообразно использовать небольшие биореакторы, крупномасштабное производство здесь себя не оправдывает. В большинстве современных микробиологических производств стремятся к использованию чистых культур икроорганизмов и к полной стерильности оборудования, сред, воздуха, но в некоторых случаях, продукт, удовлетворяющий потребителя (например, биогаз), может быть получен и без чистых культур, растущих в условиях не стерильности.
3. Принцип научной обоснованности биотехнологического процесса. Научные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды, конструкции биореактора и режима его работ.
4. Принцип удешевления производства (максимальное снижение затрат). Как пример - использование в биотехнологических процессах энергии Солнца, естественных биореакторов - природных водоёмов - вместо рукотворных аппаратов, в частности, для получения биомассы одноклеточных водорослей.

К основным разделам современной биотехнологии относятся микробиологический синтез, клеточная инженерия, генетическая инженерия.

2. История возникновения и развития биотехнологии

       История возникновения и развития биотехнологии включает три этапа.

      1 этап - зарождение биотехнологии с древних времен до конца XVIII в. Археологические раскопки показывают, что ряд биотехнологических процессов зародились в древности. На территории древнейших очагов в Месопотамии, Египте сохранились остатки пекарен, пивоваренных заводов, сооруженных 4-6 тысячелетий назад. В 3 тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков сортов пива. В Древней Греции и Риме широкое распространение получили виноделие и изготовление сыра. В основе пивоварения и виноделия лежит деятельность дрожжевых грибков, сыроделия - молочнокислых бактерий, сычужного фермента Получение льняного волокна происходит с разрушением пектиновых веществ микроскопическими грибами и бактериями. Таким образом, наши предки в течение тысячелетий успешно использовали метод микробиологической ферментации для сохранения и улучшения вкуса пищи, производства спиртных напитков, изготовления одежды. Зарождение биотехнологии тесно связано с сельским хозяйством, переработкой растениеводческой и животноводческой продукции.

      2 этап (XIX - первая половина XX в.) - становление биотехнологии как науки. Благодаря трудам JI. Пастера в конце XIX в. были созданы условия для дальнейшего развития прикладной (технической) микробиологии, а также в значительной мере и биотехнологии. Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные их виды. Это послужило основой развития в конце XIX — начале XX в. бродильного производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола, изопропанола) и других химических веществ, где использовались разнообразные виды микроорганизмов.

      Этот этап связан с началом бурного развития биологических наук: генетики, микробиологии, вирусологии, цитологии, физиологии, эмбриологии. На рубеже XIX и XX вв. в ряде стран создаются первые биогазовые установки, в которых отходы животноводства и растениеводства под действием микроорганизмов превращались в биогаз (метан) и удобрение. В конце 40-х годов XX, века, с организацией  крупномасштабного  производства  антибиотиков  стала развиваться микробиологическая промышленность. Антибиотики нашли широкое применение не только в медицине, но и в сельском хозяйстве для лечения животных и растений, в качестве биодобавок в корма. Были созданы высокоэффективные формы микроорганизмов с помощью мутаций. Возникли предприятия, на которых с помощью микроорганизмов производились аминокислоты, витамины, органические кислоты, ферменты. В конце 60-х годов получила развитие технология иммобилизованных ферментов.

3 этап (с середины 70-х годов XX века) - ознаменовался развитием биотехнологии в различных направлениях с помощью методов генной и клеточной инженерии. Формальной датой рождения современной биотехнологии считается 1972г., когда была создана первая рекомбинативная  (гибридная) ДНК, путем встраивания в нее чужеродных генов. До этого момента использовались, главным образом, физические и химические мутагены с целью создания форм микроорганизмов, синтезирующих ценные для человека вещества в 5 - 10 раз интенсивнее, по сравнению с исходными штаммами.

      Новейшая сельскохозяйственная биотехнология и биоинженерия — это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях расширения их разнообразия, интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

В традиционном, классическом смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природных и селекционных) растений, животных и микроорганизмов, в естественных и искусственных условиях.

Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными прежними свойствами и признаками. По своим целям и возможностям это направление является стратегическим. Оно позволяет решать принципиально новые задачи по созданию растений, животных и микроорганизмов с повышенной устойчивостью к стрессовым факторам среды, высокой продуктивностью и качеством продукции, по оздоровлению экологической обстановки в природе и всех отраслях производства.

Мощный всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-е годы, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к эффективному их использованию в науке и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого большой экономический эффект. В нашей стране значительное расширение научно-исследовательских биотехнологических и биоинженерных работ и внедрение их результатов в производство также было достигнуто в 80-е годы. В этот период в стране была разработана и активно осуществлялась первая государственная программа по биотехнологии, создано 15 биотехнологических центров в АПК, подготовлены квалифицированные кадры специалистов-биотехнологов, организованы биотехнологические институты, лаборатории и кафедры в селекционных центрах, отраслевых и зональных научно-исследовательских учреждениях и вузах.

Наибольших результатов в области сельскохозяйственной биотехнологии в эти годы достигли научные учреждения и учебные заведения селекционного, ветеринарного и микробиологического профилей, разработавшие методы и технологии получения новых линий и форм растений, медицинских препаратов профилактического и терапевтического действия, а также штаммов микроорганизмов, вакцин и других лечебных препаратов на генно-инженерной основе. В эти же годы были организованы лаборатории по трансплантации оплодотворенных зигот и эмбрионов в животноводстве, созданию новых линий скота и птицы генно-инженерными методами.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какова основная цель биотехнологии?
2. С какими науками связана биотехнология?
3. Как происходило зарождение и становление биотехнологии?
4. Какие выделяют принципы биотехнологии?

Лекция 2. Генная инженерия бактерий, высших растений, животных                                              и области ее применения

1. Нуклеиновые кислоты и факторы наследственности у животных организмов
2. Генная инженерия бактерий
3. Генная инженерия растений
4. Генная инженерия животных

1. Нуклеиновые кислоты и факторы наследственности                                  у живых организмов

       Важнейшим компонентом всех живых организмов являются нуклеиновые кислоты: рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты (ДНК) могут быть одно- и двухцепочечные. ДНК, за редким исключением, двухцепочечные. РНК, за редким исключением, одноцецочечные.

Важнейшая функция РНК - участие в процессе синтеза белков в клетке, ДНК - определение специфичности и передача единиц наследственности.

Подавляющая часть ДНК сосредоточена в ядре, в цитоплазме эукариот содержится менее 1% всей ДНК клетки. ДНК эукариот почти вся находится в хромосомах ядер, лишь небольшое ее количество содержится в митохондриях, а у растений и в плазмидах. Суммарный материал хромосом - хроматин. Число хромосом колеблется от одной до 100, чаще 10-50. У эукариот хромосомы всегда парные, по две каждого сорта. Наследственными факторами или единицами наследственности у живых организмов являются гены, которые лежат в хромосомах в линейном порядке. Число генов в одной клетке человека находится в пределах между 5 и 125 тысячами. Бактерии содержат по одной хромосоме в форме замкнутой в виде кольца нити, состоящей из двухцепочной ДНК и не имеющей ядерной оболочки. В цитоплазме многих бактерий кроме хромосомной ДНК содержатся добавочные маленькие кольца ДНК, присутствие которых необязательно. Они получили название плазмид. Плазмиды несут информацию для 2-200 белков. Плазмидная ДНК составляет 1-15% от хромосомной ДНК бактерий. Плазмиды способны автономно размножаться и стабильно наследуются. Некоторые плазмиды способны включаться в хромосому бактерий. В одной клетке бактерий мелких плазмид - несколько десятков, крупных - одна или две.

2. Генная инженерия бактерий

Процесс создания трансгенного организма достаточно сложен и часто требует индивидуального подхода. Однако в любом случае его можно подразделить на несколько общих этапов:

Получение (выделение) нужного гена (трансгена), намеченного для переноса. Ген может быть выделен из естественных источников (из подходящего генома) или из геномной библиотеки; синтезирован искусственно - химическим (по имеющейся последовательности нуклеотидов) или ферментативным (с использованием механизма обратной транскриптазы) путем; получен с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР).

Создание специальных генетических конструкций — векторов (переносчиков), в составе которых содержатся гены (трансгены), которые будут внедряться в геном другого вида или экспрессироваться в клетках про- или эукариот. Для конструирования рекомбинантной ДНК (рекДНК) векторную ДНК (например, плазмиду) и чужеродную ДНК содержащую интересующий ген (трансген), разрезают одной и той же рестриктазой; в результате образуются одинаковые концы. К генам, синтезированным химическим путем или полученным по матрице их мРНК, такие концы можно «пришить» искусственно. Затем производят смешивание фрагментов ДНК (вектора и трансгена) и «сшивание» их ДНК-лигазой. Концы чужеродной ДНК и плазмиды взаимодействуют друг с другом, образуя комплементарные пары оснований. Происходит гибридизация векторной и чужеродной ДНК. Концы фрагментов замыкаются с помощью водородных связей и ковалентно «сшиваются» с помощью фермента ДНК-лигазы.

Генетическая трансформация, т.е. перенос и включение рекДНК, содержащей трансген, в клетки реципиента (например, Е. соli). Плазмида, встроенная в бактерию, ведет себя, как вектор (переносчик) нового гена, который реплицируется в каждом новом поколении.

Молекулярная селекция — отбор трансформантов, т.е. клонов, несущих рекДНК. В процессе генетической трансформации Е. соli могут образоваться три типа клеток: клетки, не содержащие пламиду, содержащие плазмиду без встройки (без рекДНК), содержащие плазмиду с рекДНК. Для отбора трансформантов среди нетрансформированных клеток используют различные маркерные гены, которые находятся в векторной молекуле наряду с трансгеном.

Выращивание измененных клеток в целые трансгенные организмы. Синтез определенного белка — продукта введенного гена.

Первый, второй и третий из перечисленных этапов представляют собой последовательное создание рекомбинантной ДНК, четвертый и пятый — трансгеноз и выявление трансгенного организма.

После введения в реципиентную клетку фрагмента чужеродной ДНК происходит ее клонирование с целью получения большого числа копий или начинается синтез продукта, закодированного во введенном гене. Чаще всего эти процессы осуществляются в бактериальных клетках.

Генетическая рекомбинация заключается в обмене генами между двумя хромосомами. Обмен генами и введение в клетку гена, принадлежащего другому виду, можно осуществить посредством генетической рекомбинации. Этот подход был разработан на бактериях, в частности на кишечной палочке, в клетки которой вводили гены животных, человека и добивались их репликации (размножения). Выделение фрагментов ДНК в хромосомах, несущих гены с необходимыми свойствами, производят с помощью вырабатываемых клетками бактерий ферментов рестрикции (рестриктаз). В клетках кишечной палочки и других бактерий были обнаружены ферменты, разрезающие на куски ДНК.

Рестриктазы распознают в ДНК специфичные для них участки длиной в 4-6 пар нуклеотидов и разрезают обе цепи ДНК посередине этих участков или с некоторым смещением. В первом случае образуются обрывки с ровными (тупыми) концами, во втором - стороны оборванных цепочек ДНК чуть-чуть заходят одна за другую. Такие концы называются липкими, они могут слипаться между собой в силу комплиментарности. 

Скрепить липкие концы помогает ДНК-лигаза, сшивающая фосфодиэфирные связи.

В настоящее время известно более 500 рестриктаз, способных рубить ДНК в 120 различных последовательностях. Это дало возможность получать фрагменты ДНК, содержащие желаемые гены. Участки ДНК, разрезаемые рестриктазами, несложно разделить с помощью электрофореза.

Скрепить сцепившиеся липкие концы фрагментов разных ДНК помогает фермент ДНК-лигаза. Она сшивает фрагменты с образованием полной структуры двойной спирали ДНК.

Следующей задачей было создание функционально активных, способных реплицироваться гибридных ДНК. С этой целью интересующий фрагмент ДНК включают в состав вектора, с помощью которого он может быть размножен. Вектор - это молекула ДНК, способная переносить в клетку чужеродную ДНК любого происхождения и обеспечивать там ее размножение. Клетки, в которые вектор переносит вшитый в него ген, получили название реципиентов.

В качестве векторов чаще всего используют плазмиды бактерий. Главное свойство плазмид состоит в их способности реплицироваться независимо от хромосомы. По размеру ДНК плазмиды в 100 раз меньше ДНК бактериальной хромосомы. В плазмиде таких размеров все же может разместиться до сотни генов.

Первая такая плазмида была открыта английским ученым Стэнли Коуэном в 1974 г., которую он назвал своим именем. Она самостоятельно размножается. Концы ее способны слипаться между собой или с любыми фрагментами другой ДНК, получаемыми под действием той же рестриктазы.

Следующая проблема - заставить клетку воспринять рекомбинантную ДНК. Объектом первых опытов по генной инженерии была избрана кишечная палочка Е.сoli. Клетки кишечной палочки выдерживают на холоде в растворе кальция, затем подвергают «тепловому шоку». После этого клеточная мембрана становится проницаемой для поступления извне молекул ДНК. В плазмиду была включена группа генов из хромосомы Е.сoli, ответственных за синтез аминокислоты триптофана. Когда в клетки Е.сoli ввели гибридную ДНК, они стали вырабатывать столько ферментов, участвующих в биосинтезе этой аминокислоты, что бактерии превратились в фабрику по производству триптофана.

Помимо плазмид, в качестве векторов стали использовать и ДНК вирусов, размножающихся в клетках бактерий. Клетка, получившая гибридную ДНК, размножившись, образует клон. Это открыло путь для производства различных белков, лекарственных препаратов, гормонов, путем искусственного синтеза их генов и вставки их в клетки с помощью плазмид. Важнейший из них - инсулин, получаемый из поджелудочной железы свиней.

3. Генная инженерия растений

Существует несколько достаточно  широко  распространенных  методов

внедрения чужеродной ДНК в геном растения.

  1.  С помощью бактерии Agrobacterium tumefaciens ( от лат.- полевая  бактерия, вызывающая опухоли),  которая обладает способностью встраивать участки  своей ДНК в растения, после чего пораженные клетки растения начинают очень  быстро делиться и образуется опухоль. Сначала ученые получили штамм этой  бактерии, не вызывающий опухолей, но  не  лишенный  возможности  вносить  свою  ДНК  в клетку.  В  дальнейшем  нужный  ген  сначала  клонируют  в   Agrobacterium tumefaciens и  затем  заражают уже  этой  бактерией  растение.  После  чего инфицированные клетки  растения  приобретают  нужные  свойства,  а целое растение выращивают из одной его клетки.    Однако этот  метод  "работает"  не  на  всех  растениях:  агробактерия, например, не заражает такие  важные  пищевые  растения,  как  рис,  пшеница, кукуруза. Поэтому разработаны и другие способы.

    2. Клетки,   предварительно    обработанные    специальными    реагентами,

разрушающими толстую клеточную оболочку,  помещают  в  раствор,  содержащий ДНК и вещества, способствующие ее проникновению в клетку. После чего, как и в первом случае, выращивают из одной клетки целое растение.

    3.Метод бомбардировки растительных клеток специальными,  очень маленькими вольфрамовыми пулями, содержащими ДНК. С  некоторой  вероятностью такая пуля может правильно  передать  генетический  материал  клетке  и  так растение получает новые свойства. А  сама  пуля  ввиду  ее  микроскопических размеров не мешает нормальному развитию клетки.

   Новые свойства трансгенных растений:  

1. Высокая урожайность.
2. Устойчивость к гербицидам. Гены устойчивости к гербицидам обнаружены у сальмонелл, некоторых растений (петуния), сине-зеленых водорослей, путем встраивания гена в геном растения получили растения устойчивые к гербицидам.
3. Повышение ценности растительного белка. Перспективно получение форм кукурузы, богатых лизином, поскольку лизин увеличивает прибавку веса животных на 25-50%. Цистеин и метионин увеличивают рост шерсти у овец на 10-100%. Ген гороха, ответственный за синтез этих аминокислот, вводят в люцерну (бедную цистеином и метионином) и скармливают овцам.
4. Устойчивость к засолению. Устойчивость обеспечивает аминокислота пролин. Ген, ответственный за ее выработку, пересажен от галлобактерий.
5. Создание морозоустойчивых растений осуществляется пересадкой антифризных генов из рыб.
6. Повышение усвояемости растениями атмосферного азота осуществляется пересадкой генов, ответственных за азотфиксацию (nit-генов) из бактерий Rhizobium в растение.

4. Генная инженерия животных

    Способы получения трансгенных животных:

1. а) получение оплодотворенной яйцеклетки от животного донора;

б) ген в составе вектора вводят в ядро оплодотворенной яйцеклетки;

в) яйцеклетку имплантируют в реципиентную женскую особь;

г) отбирают потомков, которые содержат в себе чужеродный ген (трансгенные);

д) скрещивают между собой трансгенных потомков.  

    2. Вектором на основе ретровируса животных инфицируют восьмиклеточный эмбрион, который потом имплантируют в самку.
   3. Трансгенную конструкцию вводят путем микроинъекции в мужской пронуклеус оплодотворенной яйцеклетки, которая затем переносится в суррогатную мать.

     4.   Стволовые клетки модифицируются в культуре, после чего их переносят в эмбрион на стадии бластоцисты.

     5. Перенос гена осуществляют при помощи дрожжевых хромосом, что позволяет переносить несколько генов.

Преимущества трансгенных животных

1. Создание трансгенных животных с измененным обменном веществ в направлении повышения качества и эффективности производства продукции.
2. Создание популяций животных, генетически устойчивых к ряду заболеваний.
3. Создание животных, являющихся продуцентами биологически активных белков для медицины и других потребностей человека (лактофферин, интерлейкины, урокиназа и др.), секретируемых в молоко.
4. Создание трансгенных  животных-доноров внутренних органов для пересадки человеку (ксенотрансплантация)

     Анализ рынка показал, что существует огромный коммерческий интерес к производству целого ряда белков, необходимых для проведения диагностических, терапевтических и профилактических мероприятий в медицине и ветеринарии.

   Молочная  железа трансгенных животных является идеальным источником производства рекомбинантных белков. Она физиологически обладает огромным потенциалом для синтеза белков. Кроме того, молоко содержащее рекомбинантные белки, имеет высокий гигиенический стандарт и может быть легко извлечено с использованием имеющихся технологий.

      Рядом экспериментов на мышах, кроликах, свиньях, овцах и козах было продемонстрировано, что в молочной железе трансгенных животных может быть достигнута достаточно высокая экспрессия рекомбинантных белков.

    Синтез рекомбинантных белков идет в двух направлениях:

1. синтез белков в молоко с целью их последующей очистки и использования
2. синтез белков в молочной железе с целью изменения состава и свойств молока.

Наибольшие успехи достигнуты в первом направлении.

Повышение качества и эффективности производства продукции

1. изменение состава и свойств молока

а) количественное и качественное изменение состава белков с целью изменения перерабатывающих свойств.

б) увеличение антимикробиальной активности молока

в) изменение типа и количества жирных кислот в молоке

г) изменение белкового состава молока с целью его лучшей адаптации для питания людей.

д) получение молока с низким содержанием лактозы.

Например: лактофферин человека используется для экспрессии в молоке с/х животных с целью придания ему новых свойств. Повышение его в молоке коров рассматривается как средство для профилактики маститов, а также для уменьшения количества бактерий в молоке, снижения уровня  или предотвращения возникновения кишечных инфекций у новорожденных телят. Полученное молоко может служить идеальным источником  железа  для телят и людей.

   Одним их путей изменения белкового состава молока является  уменьшение количеств основных аллергенов молока (ß- лактоглобулина, à- лактоальбумина).

2. Изменение качества шерсти

   В качестве объектов исследований были выбраны  главным  образом овцы т.к. они являются основным источником шерстной продукции для человека. Получили трансгенных  овец, экспрессирующих в шерстных фолликулах ген кератина.

Трансгенные животные как доноры внутренних органов

   Ксенотрансплантация – межвидовая пересадка  органов: от близкородственных видов (от обезьяны человеку), от не родственных  видов (от свиньи к человеку). При  трансплантации органов возникает ряд проблем: отторжение органов после пересадки, передача через пересаживаемые органы заболеваний, физиологическая несовместимость (маловероятно, что печень свиньи  окажется в состоянии обеспечить все функции системы печени человека).

    Для решения проблемы гипер острой реакции отторжения является генетическое изменение органов доноров  с целью подавления реакции отторжения.

   Путем  переноса соответствующих  конструкций  в эмбриональные линии  могут быть получены трансгенные животные, которые несут другие клеточные поверхностные антигены.

   Хотя полученные результаты являются обнадеживающими, предстоит еще много сделать, прежде чем можно будет перейти к экспериментальным пересадкам внутренних органов свиней человеку.

   Уже в течение нескольких лет успешно используется тканевая трансплантация кожи и сердечных клапанов свиней человеку. Перфузия – рассматривается в качестве возможности поддержания жизни пациентов с печеночной недостаточностью. Кровь пациента прокачивают через печень свиньи и вновь возвращают ему после детоксикации.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое нуклеиновые кислоты, какова их функция?
2. Какие новые свойства  приобретают трансгенные бактерии, растения и животные?
3. Какие способы получения трансгенных растений существуют?

Лекция 3. Положительные и отрицательные свойства ГМО

1. Генномодифицированные организмы, их виды и преимущества
2. Опасность генетически модифицированных организмов
3. ГМО в России

1. Генномодифицированные организмы, их виды и преимущества

     Число жителей Земли за последнее столетие увеличилось с 1,5 до 5,5 млрд. человек, а к 2050 году может достигнуть 9-11 млрд. человек, таким образом возникает огромная проблема, стоящая перед человечеством – нехватка продовольствия.

      Эта проблема заключается в огромном увеличении производства продуктов питания, несмотря на то, что за последние 40 лет производство увеличилось в 2,5 раза, все равно этого не достаточно. И в мире в связи с этим наблюдается социальный застой, который становится все более настоятельным. Другая проблема возникла с медицинским лечением. Несмотря на огромные достижение современной медицины, производимые сегодня лекарственные препараты столь дороги, что населения земли сейчас полностью полагаются на традиционные донаучные методы лечения, прежде всего на неочищенные препараты растительного происхождения.
    В развитых странах лекарственные средства на 25% состоят из природных веществ, выделенных из растений. Открытия последних лет (противоопухолевые препараты: таксол, подофиллотоксин) свидетельствуют о том, что растения еще долго будут оставаться источником полезных биологически-активных веществ, и что способности растительной клетки к синтезу сложных БАВ все еще значительно превосходят синтетические способности инженера-химика. Вот почему ученые взялись за проблему создания трансгенных растений.

      Создание генетически модифицированных (ГМ) продуктов является сейчас ее самой главной и самой противоречивой задачей.
     Преимущества ГМ - продуктов очевидны: они не подвержены вредному влиянию бактерий, вирусов, отличаются высокой плодовитостью и длительным сроком хранения. Неочевидны последствия их употребления: учёные-генетики пока не могут ответить на вопрос, безвредны ли генетически модифицированные продукты для человека.

Виды ГМО, их преимущества

     Генетически модифицированные организмы появились в конце 80-х годов двадцатого века. В 1992 году в Китае начали выращивать табак, который "не боялся" вредных насекомых. Но начало массовому производству модифицированных продуктов положили в 1994 году, когда в США появились помидоры, которые не портились при перевозке.
   ГМО объединяют три группы организмов:

1. генетически модифицированные микроорганизмы (ГММ);
2. генетически модифицированные животные (ГМЖ);
3. генетически модифицированные растения (ГМР) – наиболее распространенная группа.

На сегодня в мире существует несколько десятков линий ГМ-культур: сои, картофеля, кукурузы, сахарной свеклы, риса, томатов, рапса, пшеницы, дыни, цикория, папайи, кабачков, хлопка, льна и люцерны. Массово выращиваются ГМ-соя, которая в США уже вытеснила обычную сою, кукуруза, рапс и хлопок. Посевы трансгенных растений постоянно увеличиваются. В целом с 1996 по 2012 год площадь занятых ГМО-культурами растений выросла в сто раз. Ежегодный прирост занимаемой генно-инженерными посевами площади в среднем растет на 6% ежегодно. Причем практически 90% посевов приходится на небольшие фермерские хозяйства, которых насчитывается 17,3 млн. Но повода для паники сторонникам «чистых» растений нет. В общем значении 88% всех мировых полей заняты обычными, а не генетически модифицированными растениями. По мнению экспертов, основным ограничителем являются не столько законодательные запреты, сколько небольшое число сортов трансгенных культур. Сейчас существуют только генно-модифицированные маис, соя, хлопок, папайя, рапс, сахарная свекла, томаты и люцерна.

Основной рост объемов посевов ГМО-культур приходится на развивающиеся страны. На Африканском континенте в минувшем году было зарегистрировано увеличение площадей посевов ГМО-культур на 26%, до 2,9 млн га. А вслед за Южной Африкой выращиванием ГМО-культур занялись Египет, Буркина-Фасо и Судан.

Второе место в мире по объемам площадей, занятых под посев трансгенных растений, занимает Бразилия — 36,6 млн га, на третьем — Аргентина, на четвертом — Канада. Индия с показателем 10,8 млн га, отведенных под посев трансгенного хлопка, на пятом месте. Среди стран, выращивающих ГМО-растения, — Китай, Парагвай, ЮАР, Пакистан, Уругвай, Боливия. Но, как показали данные отчета, лишь немногие страны Европы выделяют посевные площади под ГМО. В списке стран присутствует Испания, где под посевы трансгенного маиса выделено 100 тыс. га, Португалия, Чехия, Румыния и Словакия.

Первое место по объемам посевной площади, отведенной под генно-инженерные растения, занимает Америка, здесь под посев ГМО занято 69,5 млн. га. При этом, в отличие от стран Европы, в США закон об обязательной маркировке ГМО многие южные штаты принять отказываются. По мнению сельхозпроизводителей, введение маркировки ГМО приведет к неизбежному росту цен на зерно.

     Защитники генетически модифицированных организмов утверждают, что ГМО – единственное спасение человечества от голода.     Для этой цели генетически модифицированные сорта растений отлично подходят – они устойчивы к болезням и погоде, быстрее созревают и дольше хранятся, умеют самостоятельно вырабатывать инсектициды против вредителей. ГМО – растения способны расти и приносить хороший урожай там, где старые сорта просто не могли выжить из-за определенных погодных условий.
ГМО позиционируют как панацею от голода для спасения африканских и азиатских стран, только страны Африки последние 5 лет не разрешают ввозить на свою территорию продукты с ГМ – компонентами.

4. Опасность генетически модифицированных организмов

    Специалисты-противники ГМО утверждают, что они несут три основных угрозы:
    1. Угроза организму человека – аллергические заболевания, нарушения обмена веществ, появление желудочной микрофлоры, стойкой к антибиотикам, канцерогенный и мутагенный эффекты.
    2. Угроза окружающей среде – появление вегетирующих сорняков, загрязнение исследовательских участков, химическое загрязнение, уменьшение генетической плазмы и др.

     3.Глобальные риски – активизация критических вирусов, экономическая безопасность.

Последствия употребления генетически модифицированных продуктов для здоровья человека

    Ученые выделяют следующие основные риски потребления в пищу генетически модифицированных продуктов:

      1. Угнетение иммунитета, аллергические реакции и метаболические расстройства, в результате непосредственного действия трансгенных белков.
    Влияние новых белков, которые продуцируют встроенные в ГМО гены, неизвестно. Человек их раньше никогда не употреблял и поэтому не ясно, являются ли они аллергенами.

    Показательным примером является попытка скрещивания генов бразильского ореха с генами соевых бобов – задавшись целью повысить питательную ценность последних, было увеличено в них содержание протеина. Однако, как выяснилось впоследствии, комбинация оказалась сильным аллергеном, и ее пришлось изъять из дальнейшего производства.
   В Швеции, где трансгены запрещены, болеют аллергией 7% населения, а в США, где они продаются даже без маркировки — 70,5%.
    Также по одной из версий, эпидемия менингита среди английских детей была вызвана ослаблением иммунитета в результате употребления ГМ-содержащих молочного шоколада и вафельных бисквитов.
     2. Различные нарушения здоровья в результате появления в ГМО новых, незапланированных белков или токсичных для человека продуктов метаболизма.
    Уже существуют убедительные доказательства нарушения стабильности генома растения при встраивании в него чужеродного гена. Все это может послужить причиной изменения химического состава ГМО и возникновения у него неожиданных, в том числе токсических свойств.

    Например, для производства пищевой добавки триптофан в США в конце 80-х гг. XX века была создана ГМH-бактерия. Однако вместе с обычным триптофаном, по невыясненной до конца причине, она стала вырабатывать этилен-бис-триптофан. В результате его употребления заболело 5 тысяч человек, из них – 37 человек умерло, 1500 стали инвалидами.
Независимые эксперты утверждают, что генномодифицированные культуры растений выделяют в 1020 раз больше токсинов, чем обычные организмы.
    3. Появление устойчивости патогенной микрофлоры человека к антибиотикам.
    При получении ГМО до сих пор используются маркерные гены устойчивости к антибиотикам, которые могут перейти в микрофлору кишечника, что было показано в соответствующих экспериментах, а это, в свою очередь, может привести к медицинским проблемам – невозможности вылечивать многие заболевания.

    В ЕС с декабря 2004 г. запрещена продажа ГМО с использованием генов устойчивости к антибиотикам. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендует производителям воздержаться от использования этих генов, однако корпорации от них полностью не отказались. Риск таких ГМО, как отмечается в оксфордском Большом энциклопедическом справочнике, достаточно велик и "приходится признать, что генная инженерия не настолько безобидна, как это может показаться на первый взгляд".
   4. Нарушения здоровья, связанные с накоплением в организме человека гербицидов.
   Большинство известных трансгенных растений не погибают при массовом использовании сельскохозяйственных химикатов и могут их аккумулировать. Есть данные о том, что сахарная свекла, устойчивая к гербициду глифосат, накапливает его токсичные метаболиты.

5. Сокращение поступления в организм необходимых веществ.
   По мнению независимых специалистов, до сих пор нельзя точно сказать, например, является ли состав обычных соевых бобов и ГМ-аналогов эквивалентным или нет. При сравнении различных опубликованных научных данных выясняется, что некоторые показатели, в частности, содержание фитоэстрогенов, в значительной степени разнятся.

    6. Отдаленные канцерогенный и мутагенный эффекты. Каждая вставка чужеродного гена в организм – это мутация, она может вызывать в геноме нежелательные последствия, и к чему это приведет – никто не знает, и знать на сегодняшний день не может.

    По данным исследований британских ученых в рамках государственного проекта "Оценка риска, связанного с использованием ГМО в продуктах питания для человека" обнародованных в 2002 г., трансгены имеют свойство задерживаться в организме человека и в результате так называемого "горизонтального переноса" встраиваться в генетический аппарат микроорганизмов кишечника человека. Ранее подобная возможность отрицалась.

Последствия распространения ГМО для экологии земли

     Помимо опасности для здоровья человека, учеными активно обсуждается вопрос, какую потенциальную угрозу несут биотехнологии для окружающей среды.
   Приобретенная ГМО-растениями устойчивость к гербицидам может сослужить плохую службу, если трансгенные культуры начнут бесконтрольно распространяться. Например, люцерна, рис, подсолнечник – по своим характеристикам очень похожи на сорняки, и с их произвольным ростом будет непросто справиться.

    В Канаде – в одной из основных стран-производителей ГМО-продукции, подобные случаи уже зафиксированы. По сообщению газеты The Ottawa Citizen, канадские фермы оккупировали генетически модифицированные "суперсорняки", которые возникли в результате случайного скрещивания трех видов ГМ-рапса, устойчивых к разным видам гербицидов. В результате получилось растение, которое, как утверждает газета, устойчиво практически ко всем сельскохозяйственным химикатам.

    Похожая проблема возникнет и в случае перехода генов устойчивости к гербицидам от культурных растений к другим дикорастущим видам. Например, замечено, что выращивание трансгенной сои приводит к генетическим мутациям сопутствующих растений (сорняков), которые становятся невосприимчивыми к воздействию гербицидов.

     Не исключена и возможность передачи генов, которые кодируют выработку белков, токсичных для насекомых-вредителей. Сорные травы, вырабатывающие собственные инсектициды, получают огромное преимущество в борьбе с насекомыми, которые часто являются естественным ограничителем их роста.

     Кроме того, под угрозу попадают не только вредители, но и другие насекомые. В авторитетном журнале Nature появилась статья, авторы которой объявили, что посевы трансгенной кукурузы угрожают популяциям охраняемого вида бабочек-монархов, её пыльца оказалась токсичной для их гусениц. Подобный эффект, разумеется, не предполагался создателями кукурузы — она должна была отпугивать лишь насекомых-вредителей.
К тому же живые организмы, питающиеся трансгенными растениями, могут мутировать – согласно исследованиям, проведенным немецким зоологом Хансом Каацем (Hans Kaaz), пыльца модифицированного масленичного турнепса вызывала мутации бактерий, живущих в желудке пчел.
Существует опасение, что все эти эффекты в долгосрочной перспективе могут вызвать нарушение целых пищевых цепочек и, как следствие, баланса внутри отдельных экологических систем и даже исчезновение некоторых видов.

2. ГМО в России

     На российском рынке ГМ-продукция появилась в 90-е годы. В настоящее время в России разрешенными являются 17 линий ГМ-культур (7 линий кукурузы, 3 линии сои, 3 линии картофеля, 2 линии риса, 2 линии свеклы) и 5 видов микроорганизмов. Наиболее распространенной добавкой является ГМ-соя, устойчивая к гербициду раундапу (линия 40.3.2). Вроде бы разрешенных сортов немного, но добавляются они во многие продукты. ГМ-компоненты встречаются в хлебо-булочных изделиях, в мясных и в молочных продуктах. Много их и в детском питании, особенно для самых маленьких.
   Комиссия Государственной экологической экспертизы по оценке безопасности ГМ-культур, работающая в рамках закона РФ "Об экологической экспертизе", не признала ни одну из представленных для утверждения линий безопасной. (Членами этой комиссии являются представители трех основных российских академий: РАН, РАМН и РАСХН). Благодаря этому в России выращивание ГМ-культур официально запрещено, а вот импорт ГМ-продуктов разрешен, что вполне соответствует чаяниям компаний-монополистов на рынке ГМ-продуктов.

    Сейчас в стране много продуктов, которые содержат ГМ-компоненты, но все они поступают к потребителю без соответствующих маркировок, несмотря на подписанное В.В. Путиным в конце 2005г. "Дополнение к закону о защите прав потребителей об обязательной маркировке ГМ-компонентов". Проведенная Институтом питания РАМН проверка не соответствовала "Методическим Указаниям по проверке ГМО", подписанным Г.Г. Онищенко, а в некоторых случаях полученные данные полностью противоречили заявленным выводам. Так, при экспериментальной проверке Институтом питания сортов американского ГМ-картофеля "Рассет Бурбанк" на крысах у животных наблюдались серьезные морфологические изменения в печени, почках, толстой кишке; понижение гемоглобина; усиление диуреза; изменение массы сердца и предстательной железы. Однако Институт питания сделал вывод, что "изученный сорт картофеля может быть использован в питании человека при проведении дальнейших эпидемиологических исследований", т.е. при изучении клинической картины заболевания и его распространения среди населения.

     В нашей стране по непонятным причинам практически не проводятся научные и клинические исследования и испытания влияния ГМО на животных и человека. Попытки провести такие исследования наталкиваются на огромное сопротивление. А ведь влияние ГМ-продуктов на человека все еще совершенно не изучено, последствия их широкого распространения непредсказуемы.
    Проведенное исследование влияния ГМ-сои, устойчивой к гербициду раундапу (RR, линия 40.3.2), на потомство лабораторных крыс показала повышенную смертность крысят первого поколения, недоразвитость части выживших крысят, патологические изменения в органах и отсутствие второго поколения. При этом мы подкармливали ГМ-соей только самок за две недели до спаривания, во время спаривания и лактации. Сою добавляли в виде соевой муки (три повторные серии), соевых семян или соевого шрота. Более 30% крысят из группы ГМ-соя были недоразвитыми, имели значительно меньшие размеры и массу тела, чем обычные крысята на этом сроке развития. В контрольных группах таких крысят было в несколько раз меньше. В других сериях ГМ-сою добавляли к корму не только самок, но и самцов. При этом не смогли получить нормальное первое поколение: 70% крыс потомство не дали (Малыгин, Ермакова, 2008). В другой работе не удалось получить потомство у мышей в соевых группах (Малыгин, 2008). Снижение рождаемости и уменьшение концентрации тестостерона у самцов наблюдалось у хомячков Кэмпбелла при добавлении в их корм семян той же линии ГМ-сои (Назарова, Ермакова, 2009).

     На огромные риски для здоровья человека, обусловленные потреблением "трансгенных" продуктов, указывалось в работах российских ученых (О.А. Монастырский, В.В. Кузнецов, А.М. Куликов, А.В. Яблоков, А.С. Баранов и многие другие). В научной литературе появились статьи о взаимосвязи ГМО с онкологией. По мнению учёных, внимание надо обратить не только на особенности трансгенов. которые внедряются, и безопасность белков, которые образуются, но и на технологии встраивания генов, которые еще очень несовершенны и не гарантируют безопасность организмов, созданных с их помощью.

      По данным О.А. Монастырского и М.П. Селезневой (2006), за 3 года импорт в нашу страну увеличился в 100 раз: более 50% пищевой продукции и 80% кормов содержат зерно или продуктов их переработки (ГМ сои, рапса, кукурузы), а также некоторые виды плодов и овощей. В настоящее время генетически модифицированные источники по оценке экспертов могут содержать 80% овощных консервов, 70% мясных продуктов, 70% кондитерских изделий, 50% - фруктов и овощей, 15-20% молочных продуктов и 90% - пищевых смесей для детей. Возможно, что резкое увеличение по данным "Медицинского информационного агентства" в России числа онкологических заболеваний, особенно кишечного тракта и предстательной железы, всплеска лейкемии у детей, связано с использованием именно генетически-модифицированных компонентов в продуктах питания.

     По мнению российских генетиков «поедание» организмов друг другом может лежать в основе горизонтального переноса, поскольку показано, что ДНК переваривается не до конца и отдельные молекулы могут попадать из кишечника в клетку и в ядро, а затем интегрироваться в хромосому" (Гвоздев, 2004). Что же касается колечек плазмид (кольцевая ДНК), которые используются как вектор для внедрения генов, то кольцевая форма ДНК делает их более устойчивыми к разрушению.

     Российские ученые В.В. Кузнецов и А.М. Куликов, (2005) считают, что "снижение или исключение рисков при выращивании трансгенных растений предполагает значительное совершенствование технологии получения ГМО, создание трансгенных растений нового поколения, всестороннее изучение биологии ГМ растений и фундаментальных основ регуляции экспрессии генома". Все это означает, что существует настоятельная необходимость в проведении в России тщательных и независимых научных исследований влияния ГМО на живые организмы и их потомство, а также в разработке безопасных для живых организмов и окружающей среды биотехнологических методов.

     Проверка генетически модифицированных организмов в России осуществляется Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзор), которая была образована в соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 9 марта 2004 г. № 314. В разных городах России были созданы лаборатории с использованием полимеразной цепной реакции (ПЦР) для выявления ГМ-компонентов в продуктах питания.

     Действующая в России система оценки безопасности ГМО требует проведения более широкого спектра исследований, чем в других странах (США, Евросоюз) и включает в себя длительные токсикологические исследования на животных – 180 дней (Евросоюз – 90 дней), а также применение современных методов анализа, таких как, определение генотоксичности, геномный и протеомный анализы, оценка аллергенности на модельных системах и многое другое, что является дополнительным фактором, гарантирующим безопасность регистрируемых пищевых продуктов, полученных из ГМО. Эти многоплановые исследования осуществляются в целом ряде ведущих научно-исследовательских учреждений системы Роспотребнадзора, РАМН, РАН, РАСХН и Минобрнауки России.

      В соответствии с законодательством Российской Федерации (Федеральные законы от 05.07.1996 № 86-ФЗ "О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности", от 02.01.2000 № 29-ФЗ "О качестве и безопасности пищевых продуктов" и от 30.03.1999 № 52-ФЗ "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения") пищевая продукция из ГМО относится к категории "новой пищи" и подлежит обязательной оценке на безопасность и последующему мониторингу за оборотом.
     Согласно письму Роспотребнадзора от 24.01.2006 № 0100/446-06-32 содержание в пищевых продуктах 0,9 % и менее компонентов, полученных с применением ГМО, является случайной или технически неустранимой примесью и пищевые продукты, содержащие указанное количество компонентов ГМО, не относятся к категории пищевых продуктов, содержащих компоненты, полученные с применением ГМО, и не подлежат этикетированию. Однако отсутствие хорошо подготовленной лабораторной базы на местах делает это постановление ещё одной лазейкой для предпринимателей, позволяющей не ставить маркировку на продуктах.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие генномодифицированные организмы существуют?
2. В чем их преимущества?
3. Какие возможны негативные последствия выращивания ГМР?

Лекция 4. Технология производства алкогольных напитков, сахарозаменителей

1. Технология производства алкогольных напитков
2. Технология производства сахарозаменителей

1. Технология производства алкогольных напитков

Биотехнологические подходы приобретают все большее значение в производстве напитков. Алкогольные напитки могут быть классифицированы по разным признакам; очевидно, наиболее целесообразной является их классификация по технологическим параметрам на ферментированные и неферментированные; по содержанию алкоголя - концентрированные, дистиллированные и неконцентрированные. Процесс ферментации (брожения) подразумевает не только образование спирта. В этом процессе в пределах метаболических возможностей дрожжей происходит последовательное преобразование подавляющего числа соединений бродящей среды. С помощью методов современной биотехнологии удается расширить метаболические возможности организмов, участвующих в брожении, отсюда очевидна роль биотехнологии в производстве алкогольных напитков.

Большинство алкогольных напитков получено переработкой злаков или другого крахмалсодержашего сырья. В Скандинавских странах, России, Голландии, Германии, Польше и др. традиционно популярно производство пива и крепких напитков из злаков. В южных странах - Испании, Италии, Франции, Греции, Югославии, Грузии - более традиционным считается получение напитков на основе переработки винограда. Все более популярным становится получение напитков разной крепости из фруктов (яблоко, слива, шелковица, персик, плоды тропических и субтропических растений) и меда.

Необыкновенное разнообразие алкогольных напитков вызвано несколькими причинами. Из них наиболее значительной является различие в климатических условий регионов, в которых производят напитки.

Производство и коммерция алкогольных напитков представляет собой стабильный бизнес еще со средних веков. Исходя из этого, любое новшество в таких консервативных областях, как производство вина, бренди (коньяк), виски, водки и др., сталкивается с большими сложностями. Следует отметить, что в серьезную международную проблему превратилось производство фальсифицированных алкогольных напитков. К сожалению, пока не удалось создать единую международную контролирующую систему, которая строго запретила бы использование некачественных спиртов, содержащих, помимо этилового, и некоторые другие высшие спирты.

Для получения алкогольных напитков применяются растительные субстраты моно-, ди- и олигосахариды и полисахариды (крахмал, целлюлоза, в редких случаях гемицеллюлоза).

Полисахариды нуждаются в предварительном гидролизе. Последний осуществляется соответствующими ферментами (амилазами, целлюлазами, гемицеллюлазами) или, реже, концентрированными неорганическими кислотами (для технических целей). В результате гидролиза образуется сахар.

Целлюлозе- и гемицеллюлозосодержащее древесное сырье считается непригодным для получения пищевого этилового спирта. Этиловый спирт, полученный таким путем, даже несмотря на высокий уровень дистилляции, пригоден лишь для технических целей.

После соответствующей обработки субстратов (гидролиз полисахаридов), в водный раствор сахара вносят дрожжевую культуру. Для проведения процесса брожения, как правило, используют культуры сахаромицетов.

Сахаромицеты интенсивно усваивают различные моносахариды: глюкозу, фруктозу, галактозу; дисахариды: сахарозу, мальтозу, сбраживая их в этиловый спирт.

Установлено, что сахаромицеты, по сравнению с другим дрожжами, проявляют высокую толерантность к этиловому спирту. По окончании процесса брожения этиловый спирт накапливается в количестве 14-16%.

Следующим процессом технологического цикла является дистилляция. Этот процесс с соответствующим аппаратурным оформлением хорошо изучен и подробно описан. Дистилляция представляет собой концентрирование этилового спирта и выделение чистой фракции, что значительным образом определяет качество алкогольных напитков.

Иногда с целью улучшения органолептических качеств готовых напитков прибегают к настаиванию концентрированного этилового спирта на разных ароматических веществах.

Как правило, концентрация спирта в крепких напитках колеблется в пределах 20-50%. При производстве тонизирующих напитков и ликеров используют ароматические соединения, выделенные из цветов, листьев и плодов растений, а также полученные синтетическим путем.

 Вино. Может показаться необычным, но технология производства вина, по сравнению с технологией производства пива является более простой. Этот процесс почти не изменился на протяжении 5 000 лет. Предполагают, что вино - напиток ближневосточный и европейский, в этих районах распространены разные сорта винограда. До сегодняшнего дня география виноделия охватывает все в этой области традиционно известные страны: Францию, Италию Испанию, Германию, Грецию, Венгрию, Молдову, Россию, Украину и Закавказье, где по распространенности эндемных сортов винограда и технологий производства вина ведущее положение занимает Грузия.

На протяжении столетий собирают урожай из белых и красных, селективно подобранных сортов винограда и выжимают сок, содержащий 15-25% сахара. Красное вино получают прессованием черного винограда и ферментацией всей виноградной массы. Розовое - добавлением кожицы красного винограда в сок белого.

Еще не так давно брожение виноградного сока происходило спонтанно, за счет естественной микрофлоры.

Сегодня подход к процессу спиртового брожения существенно изменился. Для стабильного производства высококачественного вина необходимо осуществлять брожение чистыми культурами дрожжей, заранее выделенными, желательно адаптированными к местным условиям. Для этого к виноградному соку добавляют одну из чистых культур бактерий. Брожение проводится в определенных условиях: в специальных сосудах большой емкости, при температуре 7°-14°С. О завершении брожения судят по разным параметрам. Среди них важнейшими являются: остаточный сахар, количество этилового спирта, глицерина, летучих кислот. После окончания брожения процентное содержание этилового спирта в разных типах вин составляет 10-14%. По окончание брожения молодое вино для старения переливают в резервуары больших размеров, часто дубовые. При хранении вина температура снижается и образуется осадок. Как правило, этот процесс сопровождается химическими изменениями бродящей массы.

Как уже было отмечено, технология производства вина является одной из самых консервативных отраслей пищевой промышленности. Несмотря на это, в некоторых странах с целью масштабного производства вина применяют метод непрерывного культивирования. Согласно этой технологии, в чаны (сосуды для брожения) непрерывно добавляют виноградный сок, откуда в равном объеме вытекает молодое вино. Несмотря на определенные преимущества, этот метод не нашел широкого применения.

Большое количество литературы посвящено полезным свойствам вина. Как было установлено, в вине содержится до 700 метаболитов, имеющих разную химическую природу, в частности антиоксиданты и пептиды, пищевые органические кислоты, алкалоиды, стероидные гормоны, широкий спектр фенольных соединений, углеводы и др. Например, исследования последних десяти лет подтвердили тот факт, что воздействие фенольных соединений на живой организм имеет многостороннее значение. Их роль в обмене веществ подтверждает особую значимость этих соединений. Фенольные соединения вина активно используются для лечения таких заболеваний, как цинга, авитаминоз, плеврит, перитонит, эндокардит, лучевая болезнь, глаукома, гипертония, ревматизм, атеросклероз и др. Таким образом, виноградное вино можно рассматривать как низко алкогольный напиток, обладающий уникальными лечебными свойствами, умеренное применение которого может принести большую пользу здоровью человека.

Пиво. Известно, что в растворе, содержащем сахаристые вещества, быстро развиваются микроорганизмы. Этот факт стал основой многих производственных технологий. Археологическими исследованиями в разных частях земного шара установлено, что сбраживание экстрактов злаковых культур применяли еще 6000 лет тому назад. Основными потребителями пива еще 15-20 лет тому назад считались страны Европы, США и Австралия; на сегодняшний день положение значительно изменилось. Пиво стало предметом повседневного потребления в Китае, Индии (из риса), в арабских странах. Значительно возросло потребление пива в Центральной и Южной Африке, Южной Америке (из сорго). Сегодня пиво пьют практически во всех странах. Это дало толчок невиданному развитию производства пива. За последние 10 лет спрос на пиво возрос больше, чем на любой другой напиток. По новейшим данным, производство пива в мировом масштабе превысило 1 млн. гектолитров. По мнению специалистов, эта тенденция будет продолжаться не менее двух десятилетий.

Пиво получают из злаковых, содержащих крахмал чаще всего для этой цели используют ячмень. Пиво производится по следующей технологической схеме.

Сухой ячмень замачивают в воде для получения всходов, содержащих ферменты  (амилаза и протеаза). Амилаза способствует разложению крахмала на олигодекстрины, чем в основном определяется вязкость пива и характерная способность к пенообразованию, протеаза катализирует гидролиз белков до аминокислот, которые необходимы для размножения дрожжей и формирования специфического аромата пива. После прорастания ростки солода дробят и помещают в воду при температуре 60°-65 °С. В результате инкубирования в этих условиях ростки теряют способность к дальнейшему росту (отмирают), а ферменты (амилаза, протеаза) сохраняют свою активность. Водный раствор ростков солода наливают в чан с субстратом и настаивают в течение нескольких часов. За это время протекают основные ферментативные процессы, при которых происходит гидролиз крахмала и белков. Водный раствор, или, как его называют, пивное сусло, отделяют от осадка и варят с хмелем для придания аромата и антисептических свойств, характерных для пива. После этого хмель удаляют фильтрацией и полученный раствор готов для сбраживания.

Ферментация или брожение протекает в специальном сосуде - биореакторе, где к раствору добавляется чистая культура дрожжей. Если можно внести какую-нибудь биотехнологическую новизну в эту ставшую классической технологию — это в первую очередь касается культуры дрожжей. С этой целью традиционно использовали селективно отобранные в течение сотен лет дрожжи.   После брожения пиво разливается в патрибительскую тару, газируется и направляется на реализацию.

2. Технология производства сахарозаменителей

Употребление сахарозы или любого другого натурального сахара даже при рациональном подходе в ряде случаев вызывает развитие атеросклероза, диабет, прибавление в весе и ряд других патологий. Поэтому большое внимание уделяется изысканию эквивалентных вкусовых сахарозаменителей не сахаристой природы. Соединения, обладающие сладким вкусом, могут быть разделены на две группы: природные органические соединения - белки, дипептиды и другие натуральные соединения и вещества, полученные путем химического синтеза.

Как правило, при выборе сахарозаменителей большое внимание уделяется их способности включаться в метаболизм, калорийности, безопасности для здоровья человека, а также себестоимости и технологии получения.

Сахарозаменитель сахарин, получаемый химическим синтезом и в течение нескольких десятков лет интенсивно используемый в кондитерской промышленности, сегодня полностью вытеснен новыми натуральными, низкокалорийными сахарозаменителями, например, метилированным дипептидом аспартамом, производимым биотехнологическим методом. Аспартам (торговое название "Нутрисвит") широко применяется в производстве диетических напитков.

Среди большого числа других сахарозаменителей заслуживает внимания стевиозид, содержащийся в растении Stevia vebaudiana, распространенном в Южной Америке. Это растение культивируется на Черноморском побережье, дает хороший урожай в виде сладких листьев.

Сахарозаменители другого типа — флавонол-7-глюкозиды -содержат цитрусовые растения. В результате незначительной химической модификации этих соединений образуются дигидрохалконы, которые намного слаще сахара. Наибольший интерес среди этих соединений представляют нарингениндигидрохалкон, неогесперединдигидрохалкон и гесперединдигидрохалкон-4-ß-D-глюкозид. Последние два соединения в 300 раз слаще сахарозы. Что касается нарингениндигидрохалкона, характеризующегося незначительной токсичностью, то это соединение в 2000 раз слаще сахарозы. В США нарингениндигидрохалкон выпускается в промышленных масштабах.

Хорошим сырьем для получения неогесперединдигидрохалкон-4-ß-глюкозида является цитрусовый отжим, накапливающийся при переработке цитрусовых (получение сока).

Тауматин - соединение белкового происхождения. В промышленных масштабах тауматин получают экстракцией из плодов этого растения. Из всех известных сегодня сахарозаменителей это соединение - самое сладкое.

Сахарозаменители используются в производстве разных напитков (алкогольных и безалкогольных), варений, джемов, пирожных, конфет, жевательных резинок и других сладких продуктов.

С уверенностью можно констатировать, что производство и продажа сахарозаменителей в ближайщем будущем (10 лет) будут увеличиваться, на это указывают данные последних лет (годовой рост потребления составляет 8-9%).

Кроме того, биотехнологические процессы применяются в хлебопечении, производстве пищевых органических кислот (уксусная, лимонная кислота), вкусовых добавок (ароматизаторы), в выращивании грибов, а также в других отраслях пищевой промышленности.  

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие процессы происходят при производстве алкогольных напитков?
2. Какова роль биотехнологии в производстве алкогольных напитков?
3. Какие существуют сахарозаменители, их преимущества перед  сахаром?

Лекция 5. ЭМ-технология в животноводстве

1. Понятие об ЭМ-технологии, ЭМ-препаратах
2. Приготовление и использование рабочих растворов ЭМ-препаратов
3. Практическое применение эффективных микроорганизмов в животноводстве

1. Понятие об ЭМ-технологии, ЭМ-препаратах

ЭМ-технология (ЭМ-эффективные микроорганизмы) - одно из направлений биотехнологии.  ЭМ-технология разработана в Японии в 80-х годах японским микробиологом Хига Теруо. Она получила признание и внедряется как часть национальной политики во многих странах. Азии, Южной Америки.  ЭМ-технология пользуется популярностью в Америке, Франции, Германии, Испании, Португалии, Швейцарии и других странах. С 2000 года в Германии и Испании начато производство ЭМ-препаратов, Великобритания и Северная Ирландия стали импортировать эти препараты для использования в сельском хозяйстве, а Нидерланды, Дания, Китай, Тайвань, Филиппины и другие страны специализируются на применении эффективных микроорганизмов в животноводстве. В Австрии ЭМ-препараты используются при ферментации кормов для свиноматок и для производства компоста, во Франции - при выращивании подсолнечника, а в Австралии - для очистки канализационных систем и т.д. Благодаря использованию этой технологии в сельском хозяйстве достигается экономически эффективное обеспечение населения продуктами питания высокого качества при бережном использовании природных ресурсов  (В.А. Блинов, 2003).

Линия биопрепаратов серии ЭМ - это живое сообщество тщательно подобранных полезных микроорганизмов, известных в мире как «ЕМ» (effective microorganisms). Препараты серии ЭМ стали широко применяться с середины 90 –х годов  (N. Szymanski, R.A.Patterson, 2003).

Многие отечественные и зарубежные исследования практически однозначно свидетельствуют о роли ЭМ–технологии в различных областях жизнедеятельности. ЭМ-препараты нашли свое применение в овощеводстве, растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, для решения экологических проблем (Dr. Teruo Higa, Dr. James Parr, 1994).

Доктору Теруо Хига удалось создать ассоциацию регенеративных микроорганизмов, которые несмотря на различие условий жизнедеятельности, сосуществуют в одной среде в режиме активного взаимообмена источниками питания.

Как указывает U.R. Sangakkara (2002), собранные микроорганизмы относятся к 10 отрядам, в свою очередь представляющим 5 семейств и включают как аэробные, так и анаэробные разновидности (фотосинтезирующие, молочнокислые, азотофиксирующие, лактобактерии, дрожжи и многие другие).

В России применяют отечественные препараты, созданные на базе микроорганизмов байкальской экосистемы. Основным препаратом этой группы является «Байкал-ЭМ1». Производными серии ЭМ являются микробиологическое удобрение «Уграса», заквасочный концентрат «ЭМ-Курунга», препараты  «Урга» и «Тамир», ЭМ-5 – ферментированная смесь уксуса, этилового спирта, патоки и «Байкала-ЭМ1».

Эффективные микроорганизмы выпускаются в виде концентрата и находятся в нем в состоянии анабиоза (срок хранения концентрата 1 год). Из него путем активизации микроорганизмов изготавливается препарат, иначе его называют основным раствором, он может храниться в течение 6 месяцев. Качество препарата оценивается по его запаху, который должен быть приятным и кислым-кефирно-силосный запах.  Из препарата готовятся рабочие растворы ЭМ, обычно в разведении 1:100, 1:250, 1:500, 1:1000 и 1:2000  (В.А Блинов, 2003).

Байкал ЭМ 1

В России с 1998 г. применяются,  главным  образом, отечественные ЭМ-препараты, созданные на базе микроорганизмов байкальской экосистемы. Основным препаратом этой группы является «Байкал-ЭМ1» (В.А. Блинов, 2003; С.А. Сухамера, 2006).

Микробиологическое удобрение «Байкал-ЭМ1» имеет номер государственной регистрации 05-9395 (9796-9799)-0369 (0386)-1 и сертификат качества № РОСС RU 0001. 04ЯА433. Концентрат препарата неактивен, поэтому перед применением его надо активизировать. Для этого концентрат, в соответствие с инструкцией, разводится нехлорированной или отстоявшейся водой с непременным добавлением меда, патоки, варенья или сахара. Полученный основной раствор затем разводится в зависимости от задач применения.

Байкал ЭМ1 – это культуральная жидкость, содержащая бактериальные клетки и продукты метаболизма бактерий Lactobacillus casei 21, Lactococcus lactis 47, Saccharomyces cerevisiae 76  и Photopseudonomas palistris 108. Это прозрачная жидкость с цветом от светло до темно-коричневого, рН 2,8-3,5, с приятным кефирно-силосным запахом (В.А. Блинов, 2003).

Препарат «Байкал ЭМ-1» сертифицирован в России как бактериальное удобрение, однако уже известны положительные эффекты от применения его в различных сферах деятельности человека (благодаря безвредности этого продукта): в растениеводстве, животноводстве, при переработке промышленных и бытовых отходов, в быту и т. д.

ЭМ-Курунга

Препарат «ЭМ-Курунга» относится к уникальным симбионтным комп-лексам, которые селекционированны из многих видов курунги - бурятского национального кисломолочного напитка. Для создания данного симбио-тического препарата был выбран этот национальный напиток,  главным образом потому, что из всех известных восточных, средне-азиатских, кавказских, европейских напитков, этот продукт наиболее устойчив – курунга может храниться месяцами и при комнатной температуре. Это означает, что в симбиоз курунги от природы заложены наиболее слаженные механизмы саморегуляции (А.М. Скородумова, 1961; Р.В. Булгадаева и др., 1978).

        Курунга - кисломолочный продукт, приготовляемый из коровьего молока, широко распространенный среди народов Центральной и Северной Азии (буряты, монголы, тувинцы и др.). Способ приготовления кисломолочного напитка и его производных, таких, как арса, бозо, айран, тарасун, были известны с давних пор (Л.Е. Хунданов и др., 1976).

 Курунга представляет собой жидкий пенящийся продукт молочно-белого цвета с мелкими хлопьями казеина, с кисловатым запахом и вкусом, получающийся путем сбраживания коровьего молока культурами молочнокислых бактерий и молочных дрожжей. Образование курунги является чисто микробиологическим процессом, успех которого в основном зависит от свойств микроорганизмов и созданных им условий  жизнедеятельности (З.П. Чужова, 1958).

Из курунги учеными выделено от 64 до 90 штаммов микроорганизмов. Основная часть микробного комплекса представлена молочнокислыми бактериями Lactobacillus Acidophilus, L. Plantarum, L. Bulgaricus, L. Casei, L. Helveticus, молочнокислыми стрептококками Streptoccocus Lactis, S. Cremoris, S. Diacetilactis; дрожжами Tomlopsis, Candida. В последние годы идентифицированы бифидобактерий курунги. Обладая более полной по сравнению с дрожжами системой протеолитических ферментов, молочно-кислые микроорганизмы расщепляют сложные азотсодержащее соединения и тем самым благоприятствуют питанию дрожжей. Лактобациллы курунги можно отнести к двум типам. Первый тип по своим свойствам близок к болгарской палочке, то есть использует лактозу, сахарозу, глюкозу, галак-тозу, в меньшей степени левулезу и декстрины. Второй тип продуцирует больше кислоты, сбраживая все углеводы, приближаясь по своим свойствам к ацидофильной палочке (Л.Е. Хунданов,1976).

По данным Р.В. Булгадаевой  (1994) ацидофильные бактерии синтезируют витамин В12, витамин С, тиамин, рибофлавин, биотин и др. Среди них более активными являются штаммы, отличающиеся повышенным кислотообразованием. Ацидофильные палочки при совместном культивировании с уксуснокислыми бактериями способствуют накоплению антибиотических веществ – ацидофилина и лактоцидина.

Уксуснокислые бактерии находятся в симбиозе с молочнокислыми. Они используют в качестве источника энергии молочную кислоту, снижая соответственно кислотность среды и создавая благоприятные условия для молочнокислых бактерий.

При длительном хранении курунги уксуснокислые бактерии сохраняют её активность, усиливают антибиотическую активность. При этом консистенция курунги становится вязкой и тягучей, что объясняется частичным разложением белков, обогащением среды витамином B12. Соответственно меняется вкус напитка. Lactobacillus casei задаёт предельную кислотность курунге и более высокий температурный оптимум  (З.П. Чужова, 1958).

Стрептококки и стрептобактерии курунги являются активными кислото-образователями. Также они стимулируют рост ароматобразующих видов рода Leuconostoc Citrovorus, Leuconostoc dextranicum. Некоторые исследователи полагают, что Beta-Streptobacterium является ключевым звеном в поддержании симбиоза (Р.В. Булгадаева,  Г.Б. Лев, 1978).

Следовательно, курунга содержит, в себе практически все виды микроорганизмов, из которых созданы наиболее популярные препараты для лечения дисбактериоза. Хорошо изучена эффективность этого продукта у детей с желудочно-кишечной патологией, он является сильным иммуно-модулятором (Р.А. Пшеничнов, 2006).

По содержанию белков, жира и минеральных веществ, а также витаминов А и В курунга превосходит кумыс, уступая ему лишь по содержанию молочного сахара, спирта и витамина С. Большим достоинством курунги, по сравнению с кумысом, является дешевизна, доступность и простота приготовления. Чем сильнее развиваются дрожжи и связанное с ними спиртовое брожение, тем более жидкую консистенцию приобретает конечный продукт (консистенция кумыса). Брожение молочного сахара в курунге происходит очень энергично лишь в первое время, затем оно постепенно замедляется, и, наконец, почти совершенно прекращается. В первый день брожения разлагается до 85% всего имеющегося сахара в молоке, на второй день - 9%, на третий день - 1,5%, а в последующие дни брожение почти вовсе прекращается (П.А Шаблин, 2006).

Курунга действует подобно кумысу, усиливает секреторно-моторную функцию пищеварительных желез, улучшает окислительно-восстановительные процессы, повышает реактивность и иммунобиологические свойства организма, изменяет состав крови, угнетает гнилостные процессы в кишечнике, обогащает организм витаминами и белком (П.А. Шаблин, 2004).

Препарат «ЭМ-Курунга» содержит в себе многие виды пробиотиков, известных медицине. Их пробиотические свойства взаимно усилены настолько, что курунголечение может стать важным методом восстановления здоровья при самых разных заболеваниях (П.А. Шаблин, 2006).

Препарат «Тамир»

Возможно использовать на нефтезагрязнязненных почвах, при очистке промышленных и бытовых стоков, для переработки отходов методом ускоренной биоферментации, позволяющей за 90-180 дн. получать органическое удобрение, для устранения неприятных запахов в телятнике  (Р.Г. Зубаиров, 2005).

2. Приготовление рабочих растворов ЭМ-препаратов

В виде концентрата ЭМ-препарат не используется, поскольку микроорганизмы в нем находятся в «сонном» состоянии. Для их «пробуждения» необходимы благоприятные условия - вода и питательная среда. Применяя принятую технологию, из ЭМ-концентрата готовят ЭМ - препарат (ЭМ-1).

Приготовление основного ЭМ-препарата (ЭМ-1)

    1.  В емкость налить 4 литра нехлорированной (фильтрованной) воды с температурой +20-25 °С, без посторонних запахов.

• Если вода хлорированная, ее нужно отстоять в течение не менее двух суток.
• Емкость перед приготовлением ЭМ-препарата не мыть химическими моющими средствами.

   2.  В эту воду добавить в качестве питания для микроорганизмов «Питательную среду «ЭМ-патока» (8 столовых ложек) и концентрат «Байкал ЭМ-1» (все содержимое флакона объемом 40 мл). Все тщательно перемешать.

• «ЭМ-патока» - это идеальная питательная среда, специально подобранная для микробного симбиоза препарата «Байкал ЭМ 1». Ее можно, с некоторой потерей качества, заменить вареньем (без ягод) или медом.
• При использовании в качестве питательной среды меда его необходимо вносить дробно: по 1 ст. л. в течение 3-4 дней.
• Поскольку мед и варенье, особенно малиновое, обладают бактерицидными свойствами, часть штаммов микроорганизмов при приготовлении ЭМ-препарата может погибнуть либо их развитие будет заторможено.

     3.  Полученный раствор разлить в две пластиковые 2-литровые бутылки «под горлышко» и оставить для ферментации без доступа воздуха в темном теплом месте на 5-7 дней.

Предварительное разведение ЭМ-препарата лучше производить в одной посуде, и только после этого препарат разливать в разные емкости.

ЭМ-препарат не нагревать до температуры выше +40°С, к радиатору центрального отопления не ставить. Боится прямых солнечных лучей и излучения кварцевых ламп.

В первые дни в бутылках начинают образовываться пузырьки газа. Для улучшения качества ферментации необходимо приоткрывать крышку и выпускать скапливающийся газ.

Таким образом, из одного флакона КОНЦЕНТРАТА «Байкал ЭМ-1» объемом 40 мл готовится 4 литра ЭМ-ПРЕПАРАТА.

Готовый (100%-й) ЭМ-препарат (ЭМ 1) представляет собой желто-коричневую жидкость с приятным кефирно-силосным запахом. Кислотность ЭМ-препарата (pH) - 2,8-3,5. Если препарат имеет неприятный запах, то лучше его не использовать. ЭМ-препарат следует хранить в закрытой емкости без доступа воздуха в прохладном и темном месте (не в холодильнике). Срок хранения ЭМ-препарата - 6 месяцев с момента приготовления.

Приготовление водного рабочего ЭМ-раствора (из 4 литров ЭМ-препарата)

      1. Подготовить тару для разведения необходимого количества ЭМ-препарата.

Не использовать тару из-под пестицидов, нефтепродуктов или химически агрессивных средств, т.к. микроорганизмы могут погибнуть.

       2. В приготовленную тару налить чистой нехлорированной воды с температурой +20-25 °С, без посторонних запахов. Вместе с определенным количеством ЭМ-препарата для подкормки микроорганизмов в воду добавляется такое же количество патоки. Количество ЭМ-препарата и питательной среды определяется в зависимости от необходимой концентрации или из расчета на определенный объем воды.

Пример. Для приготовления 100 л ЭМ-раствора концентрации 1:1000 необходимо в 100 л воды влить 100 мл ЭМ-препарата и 100 мл патоки, или варенья (без ягод), или повидла. Для получения 10 л ЭМ-раствора 1:1000 - в 10 л воды добавить по 1 ст. л ЭМ-препарата и столько же патоки. Хранить ЭМ-раствор можно не более 3 суток.

Применение ЭМ-раствора

Рабочие (водные) ЭМ-растворы готовят в различных концентрациях от 1:1 до 1:5000. Для полива и опрыскивания растений в открытом грунте, для обработки семян, луковиц цветочных и декоративных растений, клубней картофеля применяется рабочий раствор 1:1000. Для полива рассады и комнатных растений применяется ЭМ-раствор 1:2000. Для предпосевного замачивания семян чаще используют растворы 1:1000 - 1:2000. Весеннюю и осеннюю обработки почвы, свободной от растений, проводят ЭМ-раствором 1:100. Для приготовления ЭМ-компоста используют ЭМ-растворы 1:100.

Приготовление  препарата ЭМ-Курунга

     1. Приготовление первичной закваски. Одну дозу (2 г) сухой ЭМ-Курунга высыпать в небольшую бутылочку или флакон ( 100-200 мл), залить доверху пастеризованным или стерилизованным молоком (жирностью 0,5 - 2,5%), закрыть плотно крышкой и хорошо перемешать встряхиванием флакона. Выдержать сутки при комнатной температуре. Частое встряхивание способствует равномерному распределению микроорганизмов в закваске.

     2. Приготовление напитка. Через сутки закваску перелить в литровую банку, добавить доверху молока. После расслоения напитка на плотный сгусток и сыворотку (через сутки-двое) напиток можно употреблять, оставляя каждый раз ½ банки «ЭМ-Курунга» и добавляя до верху молока. Эту процедуру можно повторять в течение 2-4 недель, затем лучше приготовить новую закваску.

Правильно приготовленная курунга представляет собой пенистый напиток кисловато-винного вкуса со своеобразным ароматом. Перед употреблением расслоившуюся курунгу следует перемешать. Для снижения кислотности можно добавить немного молока.

3. Практическое применение эффективных микроорганизмов в животноводстве

Способы применения препарата «Байкал ЭМ 1»

     1.  Добавление ЭМ-препарата в питьевую воду.

Делается это в концентрации 1; 100 — 1:200 (на 10 л воды, соответственно, по 100 или 50 мл ЭМ-препарата и патоки).

     2.  Добавление ЭМ-препарата в корм.

     В корм добавляют препарат двумя путями:

•  опрыскивание корма ЭМ-раствором 1:100 - на 10 л воды 100 мл препарата «Байкал ЭМ-1» и 100 мл патоки. (Норма для ЭМ-раствора: после сжатия смеси в кулаке вода не должна вытекать);
• добавление ферментированного ЭМ-корма. Свойства ЭМ-ферментированного корма. В ферментированном корме увеличивается количество незаменимых аминокислот, тем самым повышается качество корма. Такой корм лучше переваривается и способствует не только повышению привесов и других качественных показателей животных, но и профилактике заболеваний скота.

Состав ЭМ-ферментированного корма. На 10 кг корма - 1 л препарата «Байкал ЭМ-1», 1 л патоки или другого сахарозаменяющего вещества.

Приготовление ЭМ-ферментированного корма. Патоку и ЭМ-препарат растворить в теплой воде (до 30 °С). Полученный раствор влить в заваренный, но остывший корм и тщательно перемешать.

Ферментирование смеси необходимо проводить в анаэробных условиях при комнатной температуре, избегая влияния прямого солнечного света, лучше в толстых мешках либо пластиковых контейнерах. Тару герметично закрыть.

Брожение продолжается 2-3 дня летом и 3-5 дней зимой. Не допускать повышения температуры более 30 °С. Готовая смесь должна иметь приятный кислый запах и кислотность (pH) около 5.

Можно ферментировать сырой корм при влажности около 60% (жмых, отруби и т. д.) в тех же пропорциях, в мешках, 1-2 недели без доступа воздуха.

Применение ЭМ-ферментированного корма. ЭМ-ферментированный корм добавляют в обычный корм в количестве 5-10% от общего объема (на 100 кг корма - 5-10 кг ферментированного корма). По мере нейтрализации неприятных запахов количество ЭМ-ферментированного корма можно снизить до 3-5%.

Срок хранения ЭМ-ферментированного корма - в закрытой таре, без доступа воздуха: летом до 7 дней, зимой - не более месяца. При необходимости длительного хранения ферментированный корм высушивают до влажности 15%, а после сушки помещают в сухую тару. Подсушенный корм может храниться до 3 месяцев.

В комбикорме, зараженном патогенными грибами Aspergillus и через 36 часов после обработки препаратом «Байкал ЭМ- I» грибов не обнаружено.

3. Обработка помещений и оборудования.

Проводится ЭМ-раствором 1:250 (На 10 л воды — 40 мл ЭМ-препарата и 40 мл патоки, настоять сутки). Проводить обработку 1 раз в 3-7 дней. После уменьшения запаха концентрацию ЭМ-препарата можно уменьшить до 1:500. и опрыскивание проводить один раз в 10 дней.

Расход: 1-2 л ЭМ-раствора на 1 м2 поверхности.

4. Обработка животных.

 Обработка животных проводится ЭМ-раствором 1:100 (100 мл ЭМ-раствора и патоки на 10 л воды, настояв сутки), мелкодисперсно. Можно опрыскивать и непосредственно животных. Такая дезобработка даже 1 раз в неделю способствует быстрому заживлению ран, повышению эластичности кожи и улучшению внешнего вида животных.

     5.  Переработка отходов с помощью ЭМ-препарата.

ЭМ-препарат берут в разведении 1:100 (на 100 л воды - 1 л ЭМ-препарата и 1 л патоки). Данный раствор можно использовать для обработки сточных вод в резервуарах, отстойниках или сборных ямах путем распыления по поверхности. Расход: 1:10 000, т. е. на 10 000 л сточных вод - 1 л ЭМ-раствора 1:100. В результате обработки сточных вод препаратом ЭМ-1 в течение 3 месяцев загрязненность сточных вод может уменьшиться в 10-20 раз.

4. Производство ЭМ-компоста из навоза.

Готовится такой навоз в анаэробных условиях при температуре до 30 °С с применением ЭМ-раствора в концентрации 1:100 (на 10 л нехлорированной воды - 100 мл ЭМ-препарата). Оптимальная влажность должна быть 50-60 %.

Расход ЭМ-препарата - 0,5 л на 1 т навоза (или 50 л ЭМ-раствора (1:100) на 1 г навоза).

Для обеспечения оптимального баланса углерода и азота в навоз добавляют опилки или щепки, при этом уменьшается его влажность, и он становится более удобном в использовании.

Применение препарата «ЭМ-Курунга»

Так как «Байкал ЭМ 1» не сертифицирован для применения в животноводстве, лучше использовать препарат «ЭМ-Курунга» в виде молочно-кислого напитка в дозировках от 200 до 1000 мл на одну голову в сутки. Скармливание препарата  позволяет улучшить процессы пищеварения, обмен веществ, продуктивность животных, а также качество продукции и экономические показатели производства.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое ЭМ-технология?
2. Какие ЭМ-препараты существуют?
3. В чем заключается преимущество их использования?
4. Как используют ЭМ-препараты в животноводстве?

Заключение

Значение биотехнологии в жизни человека очень велико. Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на использовании каталитического потенциала биологических агентов и систем различной степени организации и сложности - микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25-30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области молекулярной биологии и молекулярной генетики. В то же время нельзя не отметить, что развитие и достижения биотехнологии теснейшим образом связаны с комплексом знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других. Расширение практической сферы биотехнологии обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством, как дефицит чистой воды и пищевых веществ (особенно белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость получения новых, экологически чистых материалов, развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому для жизнеобеспечения человека, повышения качества жизни и ее продолжительности становится все более необходимым освоение принципиально новых методов и технологий. Развитие научно-технического прогресса, сопровождающееся повышением темпов материальных и энергетических ресурсов, к сожалению, приводит к нарушению баланса в биосферных процессах. Загрязняются водные и воздушные бассейны городов, сокращается воспроизводительная функция биосферы, вследствие накопления тупиковых продуктов техносферы нарушаются глобальные круговоротные циклы биосферы.

Словарь терминов

Список литературы

1. Бекер, М.Е. Биотехнология / М.Е. Бекер, Г.К. Лиепиньш, Е.П. Райпулис. – М.: Агропромиздат, 1990. - 185 с.
2. Грачева, И.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия / И.М. Грачева, Л.А. Иванова, В.М. Кантере. – М.: Колос, 1992. - 227 с.
3. Елинов, Н.П. Основы биотехнологии / П.Н. Елинов. – СПб.: Наука, 1995. - 314 с.
4. Загоскина, Н.В. Биотехнология: теория и практика / Н.В. Загоскина, Л.В. Назаренко, Е.А. Калашникова. - М.: Издательство Оникс, 2009 – 496 с.
5. Зубаиров,  Р.Г. Проблемы внедрения биотехнологии и первые результаты внедрения / Р.Г. Зубаиров // Практическая биотехнология в сельском хозяйстве, экологии, здравоохранении: сборник трудов.- М.,2006. - С. 10-12.
6. Красота, В.Ф. Биотехнология в животноводстве. / В.Ф. Красота, Б.П.

Завертяев, Е.К. Меркурьева. – М.: Колос, 1994. – 128 с.

7. Пакулов, К.Н. ЭМ-технология в животноводстве / К.Н. Пакулов, А.В. Гулей,  О.К. Пакулова и др.- Харьков, 2002.- 28 с.
8. Сухамера, С.А. ЭМ-технология – Биотехнология XXI века / С.А. Сухамера. - Алматы,2006.- 79 с.
9. Тихонов, И.В. Биотехнология / И.В. Тихонов, Е.А. Рубан, Т.Н. Грязнева и др.- Спб.: ГИОРД, 2008.- 704с.
10.  Федотова, З.А. Основы биотехнологии переработки продукции растениеводства: Учебное пособие /  З.А. Федотова. - Самара, 2002. - 216 с.  
11.  Хиггинс, И. Биотехнология. Принципы и применение / И. Хиггинс, Д. Бест, Дж. Джонс. – М.: Мир, 1988. - 150 с.
12.  Шаблин, П.А. Применение ЭМ-технологии в сельском хозяйстве / П.А. Шаблин // Практическая биотехнология в сельском хозяйстве, экологии, здравоохранении: сборник трудов.- М., 2006. - С.23-36
13.  Шевелуха, В.С. Сельскохозяйственная биотехнология / В.С. Шевелуха, Е.С. Воронин, Е.А.  Калашникова и др. – 3-е изд., перераб. и доп. -  М.: Высшая школа,2008. - 710 с.