Введение в биотехнологию. Курс лекций

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Уральская государственная академия ветеринарной медицины»

О.В. Белоокова,  А.А. Белооков

 Введение в биотехнологию

Курс лекций

для обучающихся по направлениям подготовки:

06.03.01 «Биология», профиль подготовки: «Охотоведение»

Троицк - 2014

УДК  631. 147  (075)

ББК  65. 9 (2)

Рассмотрено на заседании кафедры ТП и ППЖ (протокол № 8 от 18 ноября 2014 г.)     

Утверждено на заседании Методической комиссии факультета биотехнологии протокол № 3  от 27 ноября 2014 г.

Рекомендовано к изданию Методическим советом академии (протокол № 3   от 18 декабря 2014 г.)     

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

Белоокова, О.В. Введение в биотехнологию: Курс лекций для обучающихся по направлению подготовки 06.03.01 «Биология», профиль подготовки: «Охотоведение» квалификация (степень) выпускника – бакалавр / О.В. Белоокова, А.А. Белооков. - Троицк: УГАВМ, 2014. - 112 с.

     В данном курсе лекций раскрыты основные представления о биотехнологии, ее направлениях, этапах развития, методах и областях применения.

© ФГБОУ ВПО «Уральская государственная академия                                                             ветеринарной медицины»

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3  

Раздел 1.  Микробиотехнология……………………………………………..7

Лекция 1. Понятие о биотехнологии, задачи биотехнологии. История возникновения и развития биотехнологии……………………………………...7

Лекция 2. Основные биологические объекты  и методы биотехнологии. …..13

Лекция 3. Способы и системы культивирования микроорганизмов…………25

Лекция 4. Охрана окружающей среды на предприятиях

микробиологической  промышленности………………………………………33

Раздел 2. Генная инженерия и создание генномодифицирован-

ных источников пищи………………………………………………………..41

Лекция 1. Генная инженерия бактерий, высших растений, животных и области ее применения………………………………………………………….41

Лекция 2. Положительные и отрицательные свойства ГМО…………………50

Раздел 3. Применение биотехнологических процессов в

переработке сельскохозяйственной продукции…………………………..62

Лекция 1. Биотехнология производства продуктов питания и напитков….62

Лекция 2. Технология производства алкогольных напитков и сахарозаменителей………………………………………………………………74

Раздел 4. Применение биотехнологии в сельском хозяйстве……………81

Лекция 1. Технология переработки отходов растениеводства и животноводства………………………………………………………………….81

Лекция 2. ЭМ-технология в животноводстве…………………………………91

Лекция 3. ЭМ-технология в растениеводстве………………………………..102

Словарь терминов…………………………………………………………….110

Список использованной литературы………………………………………..111

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.

Раздел 1.  Микробиотехнология

Лекция 1. Понятие о биотехнологии, задачи биотехнологии

История 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:

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. Основные биологические объекты  и методы биотехнологии

1. Биологические объекты биотехнологии
2. Подбор форм микроорганизмов с заданными свойствами необходимыми для культивирования
3. Методы биотехнологии

1. Биологические объекты биотехнологии

    Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации:

а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК);

б) бактерии и цианобактерии;

в) грибы;

г) водоросли;

д) простейшие;

е) культуры клеток растений и животных;

ж) растения – низшие (анабена-азолла) и высшие – рясковые.

 Главным объектом биотехнологического процесса является клетка. В ней синтезируется целевой продукт. По сути, клетка представляет собой миниатюрный химический завод, где ежеминутно синтезируются сотни сложнейших соединений.

В клетке протекают все физиологические процессы как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Рост и размножение организмов также связаны с образованием новых клеток, которое зависит от происходящих в них биохимических процессов, называемых обменом веществ или метаболизмом.

Существует два основных типа клеточного строения, которые отличаются друг от друга рядом фундаментальных признаков. Это эукариотические и прокариотические клетки. Микроорганизмов, имеющих истинное ядро, называют эукариотами (эу - от греческого - истинный, карио - ядро). Микроорганизмы с примитивным ядерным аппаратом относятся к прокариотам (до ядерным).

Среди микроорганизмов к прокариотам относятся бактерии, актиномицеты и сине-зеленые водоросли (цианобактерии), простейшие (жгутиконосцы, инфузории и др.). Прокариотические клетки устроены просто. В них нет четкой границы между ядром и цитоплазмой, отсутствует ядерная мембрана. ДНК в этих клетках не образует структур, похожих на хромосомы эукариот. У прокариот не происходят процессы митоза и мейоза. Большинство прокариот не образует внутриклеточных органелл, ограниченных мембранами, нет митохондрий и хлоропластов. У прокариот не происходят процессы митоза и мейоза. Они размножаются чаще простым делением клетки.

К эукариотам относятся водоросли (зеленые, бурые, красные), микомицеты (слизевики), низшие грибы - микромицеты (включая дрожжи).

В эукариотической клетке имеется ядро, отделенное от окружающей его цитоплазмы двухслойной ядерной мембраной с порами. В ядре находятся 1-2 ядрышка - центры синтеза рибосомальной РНК и хромосомы - основные носители наследственной информации, состоящие из ДНК и белка. При делении хромосомы распределяются между дочерними клетками в результате сложных процессов - митоза и мейоза. Цитоплазма эукариот содержит митохондрии, а у фотосинтезирующих организмов и хлоропласта. Цитоплазматическая мембрана, окружающая клетку, переходит внутри цитоплазмы в эндоплазматическую сеть; имеется также мембранная органелла - аппарат Гольджи.

Основа современного биотехнологического производства - синтез различных веществ с помощью клеток микроорганизмов. Клетки высших растений и животных еще не нашли широкого применения, ввиду их высокой требовательности к условиям  культивирования поэтому применяются клетки микроорганизмов.  Большинство микроорганизмов - одноклеточные существа.

      Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько сотен видов.

      1. Бактерии. Биотехнологические функции бактерий разнообразны. Бактерии используются при производстве: - пищевых продуктов, например, уксуса (Gluconobacter suboxidans), молочнокислых напитков (Lactobacillus, Leuconostoc) и др.; - микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis); - белка (Methylomonas); - витаминов (Clostridium - рибофлавин); - растворителей и органических кислот; - биогаза и фотоводорода.

Полезные бактерии относятся к эубактериям. Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, - это грамотрицательные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту в углекислый газ и воду. Анаэробные, образующие споры бактерии представлены родом Clostridium. C.acetobutylicum  сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n-бутанол (ацетобутаноловое брожение), другие виды могут также сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения.

      К молочнокислым бактериям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и нечувствительны к кислороду. Молочнокислые бактерии рода Leuconostoc превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ. Молочнокислые бактерии рода Streptococcus продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода Lactobacillus, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов.

Широко используется такое свойство некоторых бактерий, как диазотрофность, то есть способность к фиксации атмосферного азота.

Микробные клетки используют для трансформации веществ.

Бактерии также широко используются в генноинженерных манипуляциях при создании геномных клонотек, введении генов в растительные клетки (агробактерии).

Производственные штаммы микроорганизмов должны соответствовать определенным требованиям: способность к росту на дешевых питательных средах, высокая скорость роста и образования целевого продукта, минимальное образование побочных продуктов, стабильность продуцента в отношении производственных свойств, безвредность продуцента и целевого продукта для человека и окружающей среды. В связи с этим все микроорганизмы, используемые в промышленности, проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окружающей среды. Важным свойством продуцента является устойчивость к инфекции, что важно для поддержания стерильности, и фагоустойчивость.

Цианобактерии обладают способностью к азотфиксации, что делает их весьма перспективными продуцентами белка. Такие представители цианобактерий, как носток, триходесмиум съедобны и непосредственно употребляются в пищу. Носток образует на бесплодных землях корочки, которые разбухают при увлажнении. В Японии местное население использует в пищу пласты ностока, образующиеся на склонах вулкана и называет их ячменным хлебом Тенгу.

Отечественная фармацевтическая промышленность выпускает препарат «Сплат» на основе цианобактерии Spirulina platensis. Он содержит комплекс витаминов и микроэлементов и применяется как общеукрепляющее и иммуностимулирующе средство.

       2.  Водоросли.  Водоросли используются, в основном, для получения белка. Весьма перспективны в этом отношении и культуры одноклеточных водорослей, в частности высокопродуктивных штаммов рода Chlorella и Scenedesmus. Их биомасса после соответствующей обработки используется в качестве добавки   рационы скота, а также в пищевых целях. Одноклеточные водоросли выращивают в условиях мягкого теплого климата (Средняя Азия, Крым) в открытых бассейнах со специальной питательной средой. К примеру, за теплый период года (6—8 месяцев) можно получить 50—60 т биомассы хлореллы с 1 га, тогда как одна из самых высокопродуктивных трав — люцерна дает с той же площади только 15— 20 т урожая.
Хлорелла содержит около 50 % белка, а люцерна — лишь 18 %. В целом в пересчете на 1 га хлорелла образует 20—30 т чистого белка, а люцерна — 2—3,5 т. Кроме того, хлорелла содержит 40 % углеводов, 7—10 % жиров, витамины А (в 20 раз больше), B2, К, РР и многие микроэлементы.

В пищу употребляют не менее 100 видов макрофитных водорослей как в странах Европы и Америки, так и особенно на Востоке. Из них готовят много разнообразных блюд, в том числе диетических, салатов, приправ. Их подают в виде засахаренных кусочков, своеобразных конфет, из них варят варенье, делают желе, добавки к тесту и многое другое.

Анабена (Anabaena) - нитчатая сине-зеленая водоросль в цитоплазме клеток откладывается близкий к гликогену запасной продукт - анабенин.

Еще ацтеки собирали с поверхности озер и употребляли в пищу слизистую массу сине-зеленой водоросли спирулины. Население района озера Чад давно употребляет в пищу спирулину (Spirulina platensis), называя этот продукт «дихе». Другое место, откуда начала распространяться спирулина, но иного вида (Spirulina maxima) — воды озера Тескоко в Мексике. Анализ образцов Spirulina показал, что в ней содержится 65% белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков этой водоросли характерно сбалансированное содержание аминокислот. Клеточная стенка этой водоросли хорошо переваривается. Спирулину можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20 г сухой массы водоросли с 1 м2 в день, а расчеты на год показали, что она превысит выход пшеницы примерно в 10 раз.

В целом ряде стран водоросли используют как весьма полезную витаминную добавку к кормам для сельскохозяйственных животных. Их прибавляют к сену или дают как самостоятельный корм для коров, лошадей, овец, коз, домашней птицы во Франции, Шотландии, Швеции, Норвегии, Исландии, Японии, Америке, Дании и на нашем Севере. Животным скармливают в виде добавки также биомассу выращиваемых микроводорослей (хлорелла, сценедесмус, дуналиелла и др.).

Наряду с кормами водоросли давно применяют в сельском хозяйстве в качестве удобрений. Биомасса обогащает почву фосфором, калием, йодом и значительным количеством микроэлементов, пополняет также ее бактериальную, в том числе азотфиксирующую, микрофлору. При этом в почве водоросли разлагаются быстрее, чем навозные удобрения, и не засоряют ее семенами сорняков, личинками вредных насекомых, спорами фитопатогенных грибов.

 Одним из самых ценных продуктов, получаемых из красных водорослей, является агар — полисахарид, присутствующий в их оболочках и состоящий из агарозы и агаропектина.

Бурые водоросли являются единственным источником получения одних из самых ценных веществ водорослей — солей альгиновой кислоты, альгинатов.
       Альгинаты исключительно широко применяются в народном хозяйстве. Это изготовление высококачественных смазок для трущихся деталей машин, медицинские и парфюмерные мази и кремы, синтетические волокна и пластики, стойкие к любой погоде лакокрасочные покрытия, не выцветающие со временем ткани, производство шелка, клеящих веществ исключительно сильного действия, строительных материалов, пищевые продукты отличного качества — фруктовые соки, консервы, мороженое, стабилизаторы растворов, брикетирование топлива, литейное производство и многое другое. Альгинат натрия — наиболее используемое соединение — способен поглощать до 300 весовых единиц воды, образуя при этом вязкие растворы.
      3. Грибы. Биотехнологические функции грибов разнообразны. Их используют для получения таких продуктов, как: антибиотики (пенициллы, цефалоспорины); гиббереллины и цитокинины (фузариум и ботритис); каротиноиды (натуральный краситель,  придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттенок,  добавляют в корм на рыбозаводах); белок (Candida, Saccharomyces lipolitica); сыры типа рокфор и камамбер (пенициллы); соевый соус (Aspergillus oryzae). К грибам относятся дрожжи и плесени.

В биотехнологии используют около 500 известных видов дрожжей. Дрожжи активно используют для культивирования.

К дрожжам, сбраживающим лактозу, относится Kluyveromyces fragilis, который используют для получения спирта из сыворотки. Saccharomycopsis lipolytica деградирует углеводороды и употребляется для получения белковой массы. Trichosporon cutaneum, окисляющий многочисленные органические соединения, включая некоторые токсичные (например, фенол), играет важную роль в системах аэробной переработки стоков.

Плесени вызывают многочисленные превращения в твердых средах, которые происходят пред брожением. Их наличием объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве сакэ и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищи, употребляемой в азиатских странах. Пищевые продукты на основе сброженных плесневыми грибами Rhizopus oligosporus соевых бобов или пшеницы содержат в 5 - 7 раз больше таких витаминов, как рибофлавин, никотиновая кислота и отличаются повышенным в несколько раз содержанием белка. Плесени также продуцируют ферменты, используемые в промышленности (амилазы, пектиназы и т.д.), органические кислоты и антибиотики. Их применяют и в производстве сыров, например, камамбера и рокфора.

Искусственное выращивание грибов способно внести и иной, не менее важный вклад в дело обеспечения продовольствием возрастающего населения земного шара. Люди употребляют грибы в пищу с глубокой древности. Поэтому сделать грибы такой же управляемой сельскохозяйственной культурой, как зерновые злаки, овощи, фрукты, давно уже стало актуальной задачей. Наиболее легко поддаются искусственному выращиванию древоразрушающие грибы. Это связано с особенностями их биологии, которые стали нам известны и понятны только сейчас. Их способность легко расти и плодоносить использовали с древнейших времен.

Искусственное разведение древоразрушающих грибов получило довольно широкое распространение. Мицелий съедобных грибов можно выращивают на жидких средах, например на молочной сыворотке и др., в специальных ферментерах, в так называемой глубинной культуре. Это полностью механизированный и автоматизированный процесс. Разработаны и апробированы в опытном производстве способы получения белковых грибных препаратов даедалина и пантегрина из мицелия древоразрушающих грибов с высоким содержанием белка и биологически активных веществ. По содержанию белка 1 кг этих препаратов эквивалентен 2 кг мяса. По биологической ценности белок этих препаратов не уступает растительным и приближается к животным белкам. Перевариваемость белков данных препаратов составляет свыше 80 %. В основе этого способа получения пищевого белка лежат полученные микологами данные о том, что плодовые тела грибов и их грибница близки по своему химическому составу и пищевой ценности.

      4. Простейшие относятся к числу нетрадиционных объектов биотехнологии. До недавнего времени они использовались лишь как компонент активного ила при биологической очистке сточных вод. В настоящее время они привлекли внимание исследователей как продуценты биологически активных веществ. В этом качестве рациональнее использовать свободноживущих простейших, обладающих разнообразными биосинтетическими возможностями и потому широко распространенными в природе.

Особую экологическую нишу занимают простейшие, обитающие в рубце жвачных животных. Они обладают ферментом целлюлазой, способствующей разложению клетчатки в желудке жвачных. Простейшие рубца могут быть источником этого ценного фермента.

Другой группой биологически активных веществ простейших являются полисахариды.

Разнообразие полисахаридов, синтезируемых простейшими, достаточно велико. Особый интерес представляют полисахариды - стимуляторы иммунной системы млекопитающих.

Биомасса простейших содержит до 50% белка. Его высокая биологическая ценность заключается в том, что он содержит все незаменимые аминокислоты, причем содержание свободных аминокислот на порядок выше, чем в биомассе микроводорослей, бактерий и в мясе. Это свидетельствует о широких возможностях применения свободноживущих простейших в качестве источника кормового белка.

2. Подбор форм микроорганизмов с заданными свойствами необходимыми для культивирования

Подбор необходимых для культивирования форм микроорганизмов с заданными свойствами включает несколько этапов.

            1. Выделение микроорганизмов. Отбираются пробы из мест обитания микроорганизмов (почва, растительные остатки и т.д.). Применительно к углеводородокисляющим микроорганизмам таким местом может быть почва возле бензоколонок, винные дрожжи обильно встречаются на винограде, анаэробные целлюлозаразлагающие и метанобразующие микроорганизмы в больших количествах обитают в рубце жвачных животных.

                 2. Получение накопительных культур. Образцы вносят в жидкие питательные среды специального состава, создают благоприятные условия для развития продуцента (температура, РН, источники энергии, углерода, азота и т.д.).

Например,  для накопления продуцента холестериноксидазы используют среды с холестерином в качестве единственного источника углерода; углеводородокисляющих микроорганизмов - среды с парафинами; продуцентов протеолитических или липолитических ферментов - среды, содержащие белки или липиды.

        3. Выделение чистых культур. На плотные питательные среды засевают образцы проб из накопительных культур. Отдельные клетки микроорганизмов на плотных питательных средах образуют изолированные
колонии или клоны, при их пересеве получаются чистые культуры, состоящие из клеток одного вида продуцента.

Клон - культура, полученная из одной клетки, чистая культура - совокупность особей одного вида микроорганизмов, штаммы - культуры, выделенные из различных природных сред или из одной среды в разное время.

4. Определение способности синтезировать целевой продукт - главный критерий при отборе продуцентов. Микроорганизмы должны соответствовать следующим требованиям:

1. обладать высокой скоростью роста;
2. использовать для жизнедеятельности дешевые субстраты;
3. быть устойчивыми к заражению посторонней микрофлорой.

Одноклеточные организмы характеризуются более высокими скоростями синтетических процессов, чем высшие растения и животные. Пример, корова массой 500 кг в течение одних суток синтезирует около 0,5 кг белка. Такое же количество белка за одни сутки можно получить с помощью 5 г дрожжей. Интерес представляют фотосинтезирующие микроорганизмы, использующие энергию света, способные к усвоению атмосферного азота. Выгодны термофильные микроорганизмы. Их использование снижает дополнительные затраты на стерилизацию промышленного оборудования. Скорость роста и обмен веществ у этих организмов в 1,5-2 раза выше, чем у мезофилов. Синтезирующие ими ферменты устойчивы к нагреванию, действию кислот, органических растворителей.

3. Методы биотехнологии

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

Микробиологическим синтезом называется синтез самых разнообразных веществ с помощью микроорганизмов.  В настоящее время микроорганизмы применяют в различных высоких технологиях: для производства антибиотиков, кормового белка и аминокислот, биологически активных соединений (витаминов, гормонов, ферментов, стимуляторов роста) и т. д. Превращение одних веществ в другие с помощью микроорганизмов называется биоконверсией. При микробиологическом синтезе исходным сырьем служат разнообразные источники углерода (природные углеводороды, органические отходы), минеральные соли и атмосферный азот. В качестве микроорганизмов используют прокариоты (бактерии, актиномицеты) и грибы.

Генетическая инженерия – направленная модификация биообъектов в результате введения искусственно созданных генетических программ.

Уровни генетической инженерии:

1.  генная – прямое манипулирование рекомбинантными ДНК, включающими отдельные гены;
2.  хромосомная – манипулирование с группами генов или отдельными хромосомами.

Работа в области генетической инженерии включает 4 этапа: 1) получение нужного гена; 2) встраивание его в вектор, способный к репликации; 3) введение гена с помощью вектора в организм; 4) питание и селекция клеток, которые приобрели желаемый ген.

Генетическая инженерия высших растений осуществляется на клеточном, тканевом и организменном уровне.

Клеточная инженерия – перенос всего или большей части генетичекого материала от одной клетки к другой (клеточная инженерия).

Основой клеточной инженерии является гибридизация соматических клеток – слияние неполовых клеток с образованием единого целого. Слияние клеток может быть полным или с введением их отдельных частей (митохондрий, хлоропластов и т.д.).

Соматическая гибридизация позволяет скрещивать генетически отдаленные организмы.

Применяя методы генетической и клеточной инженерии, современная биотехнология осуществляет широкое конструирование генетически модифицированных организмов (ГМО), в том числе микроорганизмов, растений и животных. В дальнейшем предполагается использование ГМО в природных условиях (в сельском хозяйстве, рыбоводстве, для биологической борьбы с вредителями сельского и лесного хозяйства и т. д.). Однако перед генетической инженерией стоит ряд этических и технологических проблем. При выпуске ГМО в окружающую среду они могут взаимодействовать с разнообразными организмами, сообществами и экосистемами конкретных территорий, в то время как процесс и исход таких взаимодействий не всегда поддается прогнозированию. В частности, существует опасность внедрения «искусственных генов» в геном природных организмов в результате скрещивания ГМО и «диких» форм. Из-за возможных непредсказуемых последствий необходимы исследования, направленные на изучение биобезопасности ГМО.

Вопросы:

1. Что является главным объектом биотехнологии?
2. Какие существуют типы клеточного строения?
3. Как используют основные объекты биотехнологии?
4. Какие существуют методы современной биотехнологии?

Лекция 3. Способы и системы культивирования микроорганизмов

1. Способы культивирования микроорганизмов
2. Системы культивирования микроорганизмов
3. Выделение готового продукта

1. Способы культивирования микроорганизмов

   Биореактор, ферментер или ферментатор - это закрытая или открыта емкость, в которой при определенных условиях (давление, температура, концентрация сухих веществ, рН среды и т.д.) протекает на клеточном или молекулярном уровне контролируемая реакция, осуществляемая с помощью микроорганизмов.

Биотехнологические процессы воспроизводства микроорганизмов могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.                                          

Периодический процесс культивирования включает в себя ряд этапов: 1) стерилизацию сред, биореакторов и вспомогательного оборудования; 2) загрузку аппарата питательной средой; 3) внесение посевного материала (клеток, спор); 4) рост культуры, который может совпадать во времени со следующим этапом или предшествовать ему; 5) синтез целевого продукта; 6) отделение и очистку готового продукта. По окончании последнего этапа проводится мойка биореактора и его подготовка к новому циклу.

Этап роста культуры (4) включает несколько фаз: а) лаг-фазу - сравнительно медленный рост внесенной культуры, осваивающей новую среду обитания в объеме биореактора; б) экспоненциальную фазу - бурное деление клеток, сбалансированный рост культуры; в) фазу замедленного роста, связанного с исчерпанием питательных субстратов и накоплением токсических продуктов метаболизма; г) стационарную фазу - прирост клеток равен их убыли; д) фазу отмирания - постепенное снижение числа жизнеспособных клеток.

Биотехнологически ценные продукты синтезируются в экспоненциальную фазу (нуклеотиды, многие ферменты, витамины - так называемые первичные метаболиты) или в стационарную фазу роста (антибиотики, красящие вещества и т.д. — так называемые вторичные метаболиты или идиолиты).

Разновидностью периодического способа культивирования является периодическое культивирование с подпиткой: когда помимо внесения питательного субстрата в реактор до введения в него биообъекта, в процессе культивирования в аппарат добавляют питательные вещества через определенные промежутки времени порциями или непрерывно «по каплям». Иногда дополнительно вносят биообъект.

Существует также отьемнодоливочное культивирование, когда часть объема из биореактора время от времени изымается при добавлении эквивалентною объема среды. Это приводит к регулярному омолаживанию культуры и к задержке ее перехода к фазе отмирания. Такой режим культивирования в значительной мере уподобляется непрерывному процессу, поэтому называется также полунепрерывным культивированием.

При непрерывном способе культивирования биообъект постоянно поддерживается в экспоненциальной фазе роста. Для этого обеспечивается непрерывный приток свежей питательной среды в биореактор и отток из него культуральной жидкости, содержащей клетки и продукты их жизнедеятельности. Фундаментальным принципом непрерывных процессов служит равновесие между приростом биомассы за счет деления клеток и их убылью в результате разбавления свежей средой.

Культивирование также может быть глубинным или поверхностным.

Глубинный способ культивирования заключается в выращивании микроорганизмов в жидкой питательной среде. Он технически более совершенен, чем поверхностный, так как легко поддается механизации и автоматизации.

Весь процесс должен проводиться в строго асептических условиях, что с одной стороны, является преимуществом метода, а с другой - составляет наибольшую техническую трудность, т.к. нарушение асептики часто приводит к прекращению образования фермента.

При поверхностном способе культивирования продуцентов культура растет на поверхности твердой увлажненной питательной среды. Мицелий полностью обволакивает и прочно скрепляет твердые частицы, клетки получают питание за счет содержащихся в этих средах веществ и используют для дыхания кислород воздуха, поэтому для их нормального обеспечения кислородом приходится применять рыхлые по своей структуре среды с небольшой высотой слоя.

Недостатком метода является необходимость больших площадей для выращивания. Выращивание производственной культуры происходит обычно в неасептических условиях.

Главное преимущество поверхностного метода - более высокая конечная концентрация фермента на единицу массы среды. Например, для осахаривания 100 кг крахмала в спиртовом производстве требуется 5 кг поверхностной культуры плесневых грибов или около 100 кг культуральной жидкости. Поверхностные культуры можно быстро и легко высушить, их легко перевести в товарную форму и транспортировать. Меньше потребность электроэнергии по сравнению с глубинным методом.

 2. Системы культивирования микроорганизмов

Культивирование микроорганизмов может осуществляться в открытой или закрытой системе.

Система называется закрытой, если ни одна составная часть этой системы после начала процесса в биореакторе не вводится и не выводится. Например, когда в ферментер сначала подают все питательные вещества, водную фазу и посевной материал. Процесс идет в соответствии с кривой роста микроорганизмов с заключительным замиранием реакции, обусловленным недостатком субстрата, накоплением токсических метаболитов, неблагоприятным изменением физико-химических условий окружающей среды (рН, температура, парциальное давление кислорода, вязкость), гибелью и лизисом микроорганизмов. Во время культивирования все параметры непрерывно изменяются (смотри периодический способ культивирования).

Открытые системы работают в непрерывном потоке. В процессе реакции часть отработанной питательной среды из биореактора удаляют и добавляют новую, что обеспечивает непрерывность процесса. В единицу времени субстрата вводят не больше, чем может переработать культура. Регулирование осуществляют поддержанием концентрации биомассы или продукта на постоянном уровне путем изменения концентрации субстрата (турбидостат) или применения строго лимитированной концентрации питательных веществ с соответствующим изменением концентрации клеток или продукта (хемостат) (смотри непрерывный способ культивирования).

3. Выделение целевого (готового) продукта

Это завершающая стадия биотехнологического процесса. Продукт может накапливаться в клетке или выделятся в культуральную жидкость. Наиболее сложно выделение продукта, накапливающегося в клетках. Для этого клетки необходимо отделить от культуральной жидкости, разрушить, затем целевой продукт очистить от массы компонентов разрушенных клеток.

Первым этапом на пути к очистке целевого продукта является отделение биомассы клеток от культуральной жидкости - сепарация.

Виды сепарации: 1. Флотация. Если клетки продуцента в биореакторе из-за низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях жидкости, то жидкость предварительно вспенивают, затем отделяют ее верхний слой с клетками. Флотаторы различных конструкций сцеживают, откачивают или соскребают пену, состоящую из пузырьков газа с прилипшими к ним клетками.

2. Фильтрация - задержание биомассы на пористой фильтрующей перегородке. Применяют фильтры однократного или многократно использования: барабанные, дисковые, ленточные, тарельчатые, карусельные, вакуум-фильтры, фильтр-прессы различных конструкций, мембранные фильтры. Диаметр пор может превышать размеры клеток. Иногда биомассу сдувают с поверхности фильтра сжатым воздухом или срезают специальным ножом.

3. Центрифугирование - осаждение взвешенных в жидкости частиц с применением центробежной силы. Требует более дорогостоящего оборудования, чем фильтрование.

Центрифугирование и фильтрация иногда реализуются в комбинации, в фильтрационных центрифугах. Перспективны для осаждения биомассы центрифуги-сеператоры, в которых биомасса оседает на стенках вращаемого цилиндра или на тарелках специальной тарельчатой вставки.

Вторым этапом при получении продукта, накапливающегося в клетках, является разрушение клеток, которое проводят физическим, химическим и химико-ферментативным методами.

Физическое разрушение проводят ультразвуком, с помощью вращающихся лопастей или вибраторов, встряхиванием со стеклянными бусами, продавливанием под высоким давлением через узкое отверстие, раздавливанием замороженной массы, растиранием в струнке, осмотическим шоком, замораживанием - оттаиванием, сжатием с последующим резким снижением давления. Этим способам разрушения клеток присуща определенная неизбирательность: обработка может отрицательно влиять на качество получаемого продукта. Физические методы позволяют целенаправленно выделять какую-либо одну фракцию внутриклеточного содержимого.

Химическое и химико-ферментативное разрушение клеток избирательно, но не всегда пригодно. Его проводят обработкой клеток толуолом или бутанолом при промышленном получении дрожжевого автолизата и ряда ферментов. Эффективный лизис клеток вызывают антибиотики полимиксины, тироцидины. новобиоцин, нистатин и другие, некоторые поверхностно-активные вещества, а также глицин.

Разрушенные клеточные стенки отделяют методами сепарации. В большинстве биотехнологических процессов клеточные стенки отбрасывают как балласт, но возможно и промышленное получение компонентов клеточных стенок как целевого продукта.

Третий этап - выделение целевого продукта из культуральной жидкости проводят путем его осаждения, экстракции или адсорбции.

1. Осаждение растворенных веществ возможно физическими (нагревание, охлаждение, разбавление или концентрирование раствора) или химическими методами, переводящими отделяемый продукт в малорастворимое состояние. Так, пенициллин переводят в кристаллический осадок в присутствии соединений калия или натрия. Белки осаждают добавлением сульфата аммония, органических растворителей (этанола, ацетона). Нуклеиновые кислоты осаждают с помощью полииминов, основные группы которых вступают во взаимодействие с их фосфатными группами.

2.        Экстракция        извлечение    продукта    из    твердого    (твердо-
жидкофазная) или   жидкого    (жидко-жидкофазная)    образца.    К  твердо-жидкофазной экстракции относится обливание образца водой с целью извлечения из него растворимых веществ, например солей металлов из руд, подвергнутых бактериальной обработке, или растворимых продуктов из массы субстрата (соломы и т.д.) при твердофазном культивировании.

Жидко-жидкофазная экстракция - добавление органических растворителей для извлечения из культуральной жидкости антибиотиков, витаминов, каратиноидов, липидов, некоторых гидрофобных белков.

Полностью избежать нагревания, губительного для многих ценных веществ, позволяют методы холодовой экстракции (криоэкстракции). Она как бы нивелирует различие между твердым субстратом и культуральной жидкостью, поскольку и то и другое находится в замороженном состоянии. Криоэкстракция осуществляется растворителями, кипящими при низких температурах и находящимися при комнатной температуре в газообразном состоянии.

3. Адсорбция - частный случай экстракции, при котором экстрагирующим веществом из жидкой или газовой фазы является твердое тело. Хорошими адсорбентами являются древесный уголь, глины с развитой пористой поверхностью. Путем адсорбции из культуральной жидкости выделяют антибиотики и витамины.

К современным методам разделения веществ, основанным на принципах экстракции и адсорбции, относятся хроматография, электрофорез, изотахофорез, электрофокусировка.

Четвертый этап - концентрирование, обезвоживание, модификация и стабилизация продукта

Концентрирование продукта проводят методами обратного осмоса, ультрафильтрации, выпаривания.

Ультрафильтрация - отделение веществ с помощью мембранных фильтров.

Наиболее древний метод - выпаривание. Его недостаток состоит в необходимости нагревания, которое проводят при низком давлении. Используют вакуум-выпарные аппараты. Нагревающим агентом чаще всего служит водяной пар, хотя используют также обогрев жидким теплоносителем или электрообогрев.

Обезвоживание продукта - сушка на подносах, на ленточном конвейере с подогревом, подачей газообразного нагревательного агента (воздух, СО2, дымовые или топочные газы и др.) в сушильный аппарат, в вакуум - сушильных шкафах, в барабанных и распылительных сушилках.

Модификация продукта - перестройка полученных соединений животного, растительного или микробного происхождения с целью придания им специфических свойств, необходимых человеку. Химическая модификация необходима в тех случаях, когда биотехнологический процесс дает лишь «заготовку» целевого продукта.

Стабилизация продукта направлена на сохранение свойств продукта в период его хранения и использования потребителем (добавление наполнителей, модификация и др.). Включает физико-химические воздействия на продукт Сушка повышает устойчивость продукта к внешним воздействиям. Обезвоживание ферментов вызывает их устойчивость к нагреванию.

Вопросы:

1. Что такое биореактор?
2. Какие существуют способы культивирования микроорганизмов?
3. Что значит открытая и закрытая системы культивирования микроорганизмов?
4. Какие существую способы выделения готового продукта из клетки?

Лекция  4. Охрана окружающей среды на предприятиях микробиологической промышленности

1. Экологическая доктрина Российской Федерации
2. Очистка сточных вод
3. Очистка газовоздушных выбросов

1. Экологическая доктрина Российской Федерации

 Дальнейшая деградация природных систем ведет к дестабилизации биосферы, утрате ее целостности и способности поддерживать качество окружающей среды, необходимое для жизни людей. Преодоление кризиса возможно только на основе формирования нового типа взаимоотношений человека и природы, исключающих возможность разрушения и деградации природной среды. Ее сохранение и восстановление должно быть одним из приоритетных направлений деятельности государства и общества.

  В Экологической доктрине определены основные факторы деградации природной среды на мировом уровне и в Российской Федерации. К важнейшим факторам мирового уровня относятся: рост потребления природных ресурсов при сокращении их запасов; увеличение численности населения планеты Земля при сокращении территорий, пригодных для проживания людей; возможное изменение климата и истощение озонового слоя земли; возрастание экологического ущерба от стихийных бедствий и техногенных катастроф; продолжающиеся военные конфликты и террористические акты.

   К числу основных факторов деградации природной среды Российской Федерации относятся: преобладание ресурсодобывающих и ресурсосодержащих секторов в структуре экономики; низкая эффективность природопользования и охраны окружающей среды; резкое ослабление управленческих и прежде всего контрольных функций государства в области природопользования и охраны окружающей среды; высокая доля теневой экономики в использовании природных ресурсов; низкие технологический и организационный уровни экономики, высокая степень износа основных фондов; последствия экономического кризиса и невысокий уровень жизни людей; низкий уровень экологического сознания и экологической культуры населения страны.

2. Очистка сточных вод

В процессе получения продуктов микробиологического синтеза потребляется большое количество воды, которая загрязняется вредными микроорганизмами, минеральными и органическими компонентами. Загрязняющие вещества находятся в растворенном и нерастворенном состояниях. С целью предотвращения вредного влияния сточных вод на состояние водоемов в нашей стране действуют «Правила охраны поверхностных вод». Очищенные сточные воды не должны содержать возбудителей заболеваний, а также запахов и привкусов, способных передаться рыбе. В сточных водах ограничивается содержание окисляемых микроорганизмами токсических веществ и взвешенных частиц.

Из общего количества органических веществ, содержащихся в исходных, питательных средах, в процессе производства используется 75-80%, остальное уходит с отработанными сточными водами.

Промышленные стоки. В производственных процессах получения белковых препаратов аминокислот, липидов и биотоплива промышленные стоки делятся на условно чистые и загрязненные.

К условно чистым относятся воды, прошедшие теплообменные аппараты, в них не происходит изменения состава, а только температуры. Остальные производственные стоки относятся к загрязненным. Загрязненные промышленные стоки характеризуются присутствием органических и неорганических веществ.

В большинстве случаев на заводах по производству кормовых дрожжей, аминокислот, липидов и биотоплива количество загрязнений в 1,5-2 раза превышает нормально допустимые величины. Качественный состав и загрязненность сточных вод. Основным загрязнителем при производстве кормовых дрожжей и липидов является культуральная жидкость после отделения дрожжей. На нее приходится 30-35% общего объема стоков завода и 70-90% общего количества загрязнений. Качественный состав сточных вод изменяется в зависимости от перерабатываемого сырья, вида вырабатываемой продукции, технологических режимов работы, расхода свежей воды.

Сточные воды гидролизно-дрожжевых заводов имеют коричневый цвет, обусловленный присутствием в них гуминоволигниновых веществ. Эти стоки отличаются большим содержанием органических веществ, часть которых составляют сахара и органические кислоты, в основном пентозы (ксилоза и арабиноза) и уксусная кислота. В стоках присутствуют и ядовитые примеси - фурфурол, оксиметилфурфурол, формальдегид, гуминово-лигниновые коллоидные вещества, терпены. Помимо них в стоках находятся в небольшом количестве азотистые и фосфорные соединения, а также продукты обмена веществ микроорганизмов - аминокислоты, янтарная, молочная и другие кислоты. Значительная загрязненность, повышенная кислотность и токсичность, высокое биохимическое потребление кислорода характерны для гидролизно-дрожжевых и дрожжевых заводов.

Сточные воды заводов по производству кормовых дрожжей на углеводородах нефти содержат остаточное количество н-парафинов. При работе по технологической схеме с рециркуляцией в них содержатся также повышенные количества ароматических углеводородов, накапливаемых при возврате отработанной культуральной жидкости в ферментер.

Объем и загрязненность сточных вод. Общее количество загрязненных промышленных стоков для дрожжевых заводов производительностью 80 тыс. т дрожжей в год составляет в среднем в зависимости от времени года 45-55 тыс. м³ в сутки. Основное количество загрязненных стоков составляет отработанная культуральная жидкость - 120-140 м3 на 1 т сухой массы дрожжей.

Количество взвешенных веществ в промышленных сточных водах обычно составляет 100-125 кг на 1 т сухой биомассы, из них только 25 кг приходится на долю минеральных веществ. Основное количество минеральных веществ приходится на гипс, органических - на лигнин.

Снижения количества загрязнений можно достигнуть при внедрении новых технологических приемов и процессов, например при введении циклов повторного использования сточных вод, в частности использования отработанной культуральной жидкости на разбавление сусла перед выращиванием дрожжей с рециркуляцией на процесс гидролиза, на приготовление растворов питательных солей и известкового молока. В результате количество отработанной культуральной жидкости уменьшается вдвое.

Способы очистки сточных вод. После сброса очищенных сточных вод содержание взвешенных веществ в водоеме не должно увеличиваться более чем на 0,25-0,75 г/м3, а содержание органических веществ (по БПК2о) не должно превышать 3-6 г/м3 в водоемах для питьевого и культурно-бытового водопользования и 2 г/м3 в водоемах рыбохозяйственного значения, в которых, кроме того, содержание растворенного кислорода не должно падать ниже 4-6 мг/л.

Способы очистки сточных вод разделяются на механические, физико-химические, биохимические, термические (тепловые).

1. Механическую очистку осуществляют в песколовках, отстойниках, центрифугах и фильтрах.

2. Физико-химические методы (коагуляция, электрокоагуляция и сорбция) применяют для очистки сточных вод от коллоидных и растворенных соединений, количество которых в воде после сооружений механической очистки остается практически неизменным.

В качестве коагулянтов наиболее широко используются сульфат алюминия и хлорид железа. При введении коагулянтов в воду они обволакивают взвешенные частицы, полностью меняя их поверхностные свойства и нейтрализуя заряд. Коагулянты вызывают укрупнение частиц загрязнений и образуют хлопья, которые выпадают в осадок.

Электрохимические методы очистки обладают рядом существенных преимуществ перед реагентными: не увеличивается солевой состав сточных вод, образуется меньшее количество осадка, упрощается технологическая схема очистки, обеспечивается автоматизация производственных установок, для размещения установок требуются незначительные производственные площади. Недостаток метода - высокие капитальные и эксплуатационные затраты на электродные системы и, образование отложений на них и возникновение взрывоопасных смесей газов. Электрокоагуляцию применяют для удаления из сточных вод тонко диспергированных примесей, для удаления истинно растворенных веществ этот метод не используется.

Очистка с помощью сорбентов. Сорбция - это процесс поглощения твердым телом или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды. В очистке сточных вод чаще используется ее разновидность - адсорбция - поглощение вещества из воды на поверхности или в объеме твердых тел (сорбентов). Сорбентами могут быть частицы углей, почвы и остатки растений. Если солесодержащие сточные воды не допускается выпускать в водоем, то их подвергают термическому обезвреживанию.

3. Биохимическая очистка является одним из основных методов очистки сточных вод заводов микробиологической промышленности как перед сбросом их в водоем, так и перед повторным использованием в системах оборотного водоснабжения. Считается, что микроорганизмы способны окислять все органические вещества, за исключением тех искусственно синтезированных, которым нет аналогов в природе. Наименее доступными источниками углерода являются вещества, не содержащие атомов кислорода - это углеводороды, но они также расщепляются микроорганизмами активного ила.

Токсичными для микроорганизмов активного ила могут оказаться ионы тяжелых металлов и некоторые органические вещества. В концентрациях ниже ПДК последние могут усваиваться бактериями и служить источником углерода и энергии. Биологическую очистку проводят в аэротенках или в биоокислителях с интенсивной аэрацией среды. При этом снижается количество загрязнений, за счет окисления органических веществ при этом нарастает биомасса микроорганизмов. Очищенные и осветленные сточные воды поступают в водоем и на рециркуляцию в производство, а активный ил, являясь источником белка и витаминов, упаковывается в бумажные мешки и направляется к потребителю на корм животным.

Технологическая схема очистки сточных вод. Наиболее распространенная схема включает первичную и вторичную очистку. Первичная очистка заключается в механическом отделении загрязнений. Вторичная очистка предусматривает очистку сточных вод в системе очистных сооружений (биоокислителях), либо очистку сточных вод в естественных условиях на полях орошения.

Для повышения эффективности действия и снижения уровня загрязнений сточных вод вводится биокоагуляция (предварительная аэрация с добавлением ила из вторичных отстойников). Конструктивно предаэратор представляет собой аэротенк- резервуар прямоугольной формы, в котором временно пребывает сточная вода (10-20 минут). При их использовании снижается количество органических веществ в стоках, поступающих на аэротенки, до 15%. Далее сточные воды постукают в первичные отстойники устанавливаются перед аэротенками, где вода пребывает 1-2 часа. В них накапливается избыточный активный ил, который потом извлекается насосами и подсушивается на иловых площадках до влажности 70-80%. Далее  вода поступает в аэротенки.  

Аэротенки предназначены для биологической очистки сточных вод, которые попадают в них после первичных отстойников. Работа аэротенков основана на использовании биохимического окисления органических веществ аэробными микроорганизмами, колонии которых образуют так называемый активный ил.

Аэротенк-смеситель представляет собой прямоугольный железобетонный резервуар, состоящий из одной или нескольких секций, с рабочей глубиной от 3 до 6 м. Секции разделены на коридоры, по которым проходит сточная вода. Время пребывания сточных вод в аэротенке зависит от скорости окисления и составляет 8-20 часов.

Далее вода поступает во вторичные радиальные отстойники служат для осаждения и осветления сточных вод после биологической очистки.

Затем воду направляют в биопруды. Продолжительность пребывания в них сточных вод может превышать 10 суток. Глубина прудов составляет 2-3 м. Они занимают большие площади. В биологических прудах развиваются одноклеточные водоросли, которые выделяют метаболиты, обладающие бактерицидным действием по отношению к патогенной микрофлоре. Аналогичные метаболиты выделяются и высшей водной растительностью. Поэтому летом вода, выходящая из биопрудов, не требует хлорирования.

2. Очистка газовоздушных выбросов

В условиях возрастающей технологической деятельности все большую остроту приобретает проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна. Основными загрязнителями атмосферы являются предприятия нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и перерабатывающей промышленности, а также большие сельскохозяйственные комплексы, отстойники сточных вод, установки по обезвреживанию отходов. В воздухе крупных промышленных городов содержится огромное количество вредных веществ, а концентрация многих токсикантов превышает допустимые уровни. Это органические (ароматические и непредельные углеводороды, азот-, кислород-, серо- и галогенсодержащие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероуглерод, окислы углерода, аммиак, хлор, водород, галогены). В воздушных бассейнах больших промышленных городов присутствуют десятки различных соединений, в том числе дурнопахнущие, способные даже в незначительных концентрациях представлять угрозу для здоровья, а также вызывать у людей чувство дискомфорта.

Существуют различные методы очистки воздуха — физические, химические и биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее время не столь широки.

Физические методы — это абсорбция примесей на активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями.

Химические методы — это озонирование, прокаливание, каталитическое дожигание и хлорирование воздуха.

   Биологические методы очистки газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно и пока в oграниченных масштабах. Они базируются на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях большой спектр веществ и соединений до конечных продуктов СО2 и Н2О. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и различные С1-соединения. Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернестый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами.

Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем.

Принципиальная схема для биологической очистки воздуха впервые была предложена в 1940 г. Г. Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в 1980 г. в Германии (ФРГ), а уже в 1984 г. в этой стране функционировало или находилось в стадии запуска около 240 установок.

Основным элементом биофильтра для очистки воздуха, как и водоочистного биофильтра, является фильтрующий слой, который сорбирует токсические вещества из воздуха. Далее эти вещества в растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции.

 Вопросы:

1.  Каковы основные источники загрязнения воды и качественный состав сточных вод?
2.  Какие существуют способы очистки сточных вод?
3.  Как работает аэротенк?
4.  Как проводится очистка газовоздушных выбросов?

Раздел 2. Генная инженерия и создание генномодифицированных источников пищи

Лекция 1. 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 може 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:

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 2. 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:

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

Раздел 3. Применение биотехнологических процессов в переработке сельскохозяйственной продукции

 Лекция 1. Биотехнология  производства продуктов питания и напитков

1. Биотехнология производства кисломолочных продуктов и сыра
2. Биотехнологические процессы в производстве мясных продуктов
3. Ферментация овощей (консервирование)
4. Применение биотехнологии в производстве чая

В современной пищевой биотехнологии можно выделить два направления: применение веществ и соединений, полученных биотехнологическим способом (например, органических кислот, аминокислот, витаминов, ферментов), и интенсификация биотехнологических процессов в производстве пищевых продуктов.

В настоящее время в пищевой промышленности широко используется продукция, полученная биотехнологическим способом. Расширяется область применения пищевых добавок, в том числе полученных с помощью микробных клеток: органических кислот, ферментных препаратов, подсластителей, ароматизаторов, загустителей и т.д. На продовольственном рынке растет ассортимент функциональных пищевых продуктов. Для их производства применяют витамины, аминокислоты и другие соединения, полученные биотехнологическим способом.

1. Биотехнология производства кисломолочных продуктов и сыра

Применение заквасок в производстве кисломолочных продуктов

Закваска – основной источник внесения желаемой микрофлоры в молоко при производстве кисломолочных продуктов. Закваска является чистой посевной культурой микроорганизмов. При внесении закваски молоко обогащается микрофлорой, производящей сквашивание молока и способствующей накоплению вкусовых и ароматических веществ.

Для заквашивания молока и сливок издавна применяли простоквашу или сливки высокого качества. В качестве естественных заквасок использовали пахту, сквашенные сливки или кислое молоко. Они не гарантировали получение продукта высокого качества, так как содержали различные микроорганизмы и часто загрязнялись посторонней микрофлорой, вызывающей порчу продукта. Бактериальные закваски в промышленном масштабе впервые стали применять в маслоделии в конце прошлого столетия.

В молочной промышленности используются закваски, полученные из чистых культур микроорганизмов, которые готовят в специальных лабораториях. Состав микрофлоры подбирают таким образом, чтобы обеспечить для каждого вида продукта свойственный ему запах, вкус, консистенцию.

В молочной промышленности применяют в основном жидкие закваски и закваски, высушенные способом сублимационной сушки; сухие, жидкие и подвергнутые глубокому замораживанию бактериальные концентраты, бактериальные препараты. Срок хранения сухих заквасок, бактериальных препаратов и концентратов составляет 3-4 месяца, жидких заквасок – 10 суток (в условиях холодильника).

Классификация кисломолочных продуктов в зависимости от используемой закваски

В зависимости от состава микрофлоры заквасок и способа приготовления кисломолочные продукты делят на следующие группы:

• Вырабатываемые с использованием многокомпонентных заквасок (кефир, кумыс). Микрофлора этой группы продуктов состоит из молочнокислых бактерий (одного или нескольких видов), дрожжей и нередко уксуснокислых бактерий. Дрожжи и уксуснокислые бактерии придают продуктам специфические вкус и аромат. При производстве кефира применяют естественную симбиотическую закваску – кефирные грибки, состоящие из молочнокислых бактерий Lactobacillus, дрожжей Saccharomyces kefir и некоторых видов стрептококков. Кумыс получают из кобыльего молока с помощью молочнокислых бактерий (Lactobacillus casei и др.), стрептококков и дрожжей, сбраживающих лактозу. Сквашивание молока при использовании таких заквасок проводят при 20-22 °С в течение 10-12 часов.
• Вырабатываемые с использованием мезофильных молочнокислых стрептококков (творог, сметана, простокваша обыкновенная). Основными представителями микрофлоры таких продуктов являются молочнокислые стрептококки: Streptococcus lactis, Streptococcus acetoinicus, Streptococcus cremoris, Streptococcus diacetylactis. Сквашивание молока происходит через 6-8 часов при 30 °С.
• Изготовляемые с применением термофильных молочнокислых бактерий (ряженка, варенец, йогурт, простокваша Южная, Мечниковская). Для приготовления этих кисломолочных продуктов используют смесь молочнокислых бактерий (10:1) Streptococcus thermophillus и Lactobacillus bulgaricus (болгарская палочка). Заквашивание молока этими бактериями проводят при 40-42 °С в течение трех часов.
• Вырабатываемые с применением термофильных и мезофильных молочнокислых бактерий (любительская сметана, сметана с пониженным содержанием жира, напитки «Любительский» «Юбилейный», «Русский»). Основными представителями микрофлоры таких продуктов являются мезофильные и термофильные молочнокислые стрептококки. Температура сквашивания молока при использовании смешанных заквасок - 33-38 °С.
• Приготовляемые с использованием ацидофильных бактерий и бифидобактерий: ацидофильное молоко, афидофилин, бифидопродукты – продукты лечебно-профилактического питания. В состав микрофлоры этих продуктов входят: Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus lactis, Streptococcus thermophillus с добавлением кефирной закваски; Bifidobacterium bifidum и др.

Процессы, протекающие при ферментации молока

Технологический процесс изготовления кисломолочных продуктов сводится в общих чертах к тому, чтобы, во-первых, в исходном сыром молоке подавить или уничтожить постороннюю микрофлору, а во-вторых, после пастеризации и охлаждения молока предоставить нужным микроорганизмам наиболее благоприятные условия для развития и, благодаря этому, получить готовый продукт с характерными для него свойствами.

В пищевой промышленности ферментацию применяют для получения большого ассортимента кисломолочных продуктов. Главным процессом является молочнокислое брожение, вызываемое стрептококками и молочнокислыми бактериями, при котором лактоза (молочный сахар) превращается в молочную кислоту. Путем использования иных реакций, которые сопутствуют главному процессу или идут при последующей обработке, получают такие продукты переработки молока, как пахта, сметана, йогурт и сыр. Свойства конечного продукта зависят при этом от характера и интенсивности реакции ферментации. Те реакции, которые сопутствуют основному процессу образования молочной кислоты, обычно и определяют особые свойства продуктов. Так, именно вторичные реакции ферментации, идущие при созревании сыров, определяют вкус отдельных их сортов. В некоторых таких реакциях принимают участие пептиды, аминокислоты и жирные кислоты, присутствующие в продуктах.

В молоке при ферментации могут протекать шесть основных реакций; в результате образуется молочная, пропионовая или лимонная кислота, спирт, масляная кислота или же происходит колиформное газообразование. Главная из этих реакций – молочнокислое брожение. На нем основаны все способы сквашивания молока. Лактоза молока гидролизуется при этом с образованием галактозы и глюкозы. Обычно галактоза превращается в глюкозу еще до сквашивания. Имеющиеся в молоке бактерии преобразуют глюкозу в молочную кислоту. Образование сгустка казеина происходит в изоэлектрической точке этого белка (рН = 4,6) под действием молочной кислоты. Этот процесс лежит в основе сыроварения.

При производстве швейцарского сыра ключевую роль играет маслянокислое брожение с образование углекислого газа. Именно оно обуславливает своеобразный вкус (букет) этих сыров и образование глазков. Характерный вкус пахты, сметаны и сливочного сыра формируется в результате лимоннокислого брожения. Он складывается из составляющих вкусов диацетила, пропионовой и уксусной кислот и других, близких к ним, соединений.

Молочные продукты, полученные на основе спиртового брожения, мало известны в Европе и Америке. Такой тип брожения нашел применение при переработке молока в России, но при производстве других продуктов он считается нежелательным. Обычно рост вызывающих его дрожжей стараются подавить. Нежелательны также маслянокислое брожение и колиформное газообразование.

Молоко было, одним из первых продуктов, претерпевших микробиологическую переработку естественным образом. Это происходит за счет того, что в молоке легко размножаются бактерии и оно скисает. В этом процессе один из основных этапов - превращение молочного сахара - лактозы в молочную кислоту. На протяжении тысячелетий усовершенствовался процесс спонтанного скисания молока, результатом чего явилась разработка технологии получения сыра и других продуктов молочнокислого брожения.

Производство сыра

Для производства сыра в молоко вносят культуру бактерий, род и вид которых зависит от типа производимого сыра.

Размножение молочнокислых бактерий при скисании молока - это важный технологический процесс, так как они подавляют размножение других бактерий и тем самым обусловливают требуемые вкусовые качества и аромат сыра. Молочнокислые бактерии положительно влияют на желудочно-кишечную микрофлору. После внесения бактерий молоко инкубируют при определенной температуре и в результате оно скисает. Для углубления этого процесса — гидролиза белка, искусственно вносят протеолитический фермент, называемый сычужным ферментом или ренином. Ренин образуется в сычуге - в четвертом отделении желудка ягненка или теленка, вскормленных молоком.

Производство сычужного фермента в мировом масштабе составляет 25 млн. л. Несмотря на это, сычужный фермент является дефицитным и лимитирующим компонентом в технологии производства сыра.

В результате многочисленных поисков получен протеолитический фермент микробного происхождения с аналогичной сычужному ферменту субстратной специфичностью. Этот фермент частично восполнил дефицит сычужного фермента. Другая значительная биотехнологическая новизна заключается в клонировании гена ренина в одну из культур мицелиальных грибов. Это позволило получить абсолютный аналог сычужного фермента.

Для промышленных целей сычужный фермент получают из животных организмов (ягнят, телят, поросят) и из культур грибов.

Сразу же после внесения в молоко фермента, выделенного из животных или микроорганизмов, происходит ограниченный протеолиз казеина. Коагулированный казеин образует гелеподобную массу и соединяется с жиром, после чего сыворотку фильтруют, отжимают остаточную воду и высушивают завертыванием в ткань. Следующим этапом технологии является созревание сыра. Производство сыра из молока — дегидратационный процесс, при котором происходит концентрирование казеина и жира в 6-12 раз. В процессе созревания некоторых сыров практикуется искусственное размножение микроорганизмов (бактерии и грибы) для придания сыру специфического вкуса и аромата.

Вкус, аромат и качество разных сортов сыра определяют следующие факторы: разновидность молока (козье, коровье, овечье), температура приготовления сыра, наличие вторичной микрофлоры.

 Если первичная микрофлора - молочнокислые бактерии осуществляют формирование сыра как продукта, то вторичная микрофлора (бактерии, грибы) придают аромат и свойства, определяющие специфический вкус сыра.

2. Биотехнологические процессы в производстве мясных продуктов

Использование микроорганизмов при производстве мясопродуктов

Технология производства многих современных мясопродуктов обязательно включает в себя молочнокислое брожение. В сырокопченых колбасах и в рассолах для окороков, грудинки, корейки молочнокислые бактерии подавляют рост гнилостных микроорганизмов и участвуют в формировании вкуса и аромата готового продукта. В мясопродукты, требующие бактериальной ферментации, обычно добавляют закваску, содержащую специально отобранные штаммы стрептококков, лактобацилл и педиококков. В этом случае на упаковке должно быть указано, что в состав продукта входят бактериальные культуры.

Применение ферментных препаратов

С целью размягчения мяса, облегчения его обработки широко применяются ферментные препараты протеолитического действия. Использование ферментных препаратов в промышленных масштабах связано с технологическими задачами равномерного распределения ферментов при внесении их в мясо. Применяются следующие способы обработки мяса протеолитическими ферментами:

• прижизненное введение препарата путем инъекций;
• внутримышечное шприцевание мясной туши;
• обработка поверхности мяса путем разбрызгивания раствора фермента или нанесения порошкообразных препаратов на поверхность мяса;
• погружение мяса в раствор ферментов после механического рыхления;
• восстановление дегидратированного сублимацией мяса в растворе ферментов.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки.

     1. Введение раствора ферментного препарата через кровеносную систему путем инъекций в организм животного при жизни. Прижизненное введение препарата обеспечивает его равномерное распределение и хороший размягчающий эффект, сокращает время созревания, увеличивает количество мяса, пригодного для жарения. Вместе с тем, следует отметить, что при введении достаточно высоких доз препарата возникает анафилактический шок и нарушение нормальных функций организма.

    2. Обработка поверхности мяса путем разбрызгивания раствора фермента или нанесения порошкообразных препаратов на поверхность мяса. Способ имеет ограниченное применение ввиду неравномерного преобразования белковых структур: мясо на поверхности размягчается слишком сильно, а внутри – недостаточно.

    3. Внутримышечное шприцевание мясной туши. Наибольший эффект получен при введении препаратов ферментов в мышечную ткань многократными уколами. При этом эффективность способа значительно повышается при введении ферментов под давлением вместе со стерильным вакуумом или азотом. Газы, разрыхляя структуру мышечной ткани, способствуют лучшему распределению фермента между клетками. Используется еще один способ – безыгольный - введение препаратов в мясо под сверхвысоким давлением (200 · 10 5 Па).

     4.  Погружение мяса в раствор ферментов после механического рыхления. Простое погружение мяса в ферментный раствор малоэффективно, поскольку в данном случае наибольшим изменениям подвергается лишь поверхность мяса (наступает полный лизис структур мышечной ткани), в то время как в глубоких слоях изменения минимальны. Сочетание предварительного механического рыхления с последующим погружением мяса в раствор ферментов, а также «массирование» мяса в ферментном растворе дают хорошее качество мяса и малые потери влаги при его обработке.

     5. Хорошие результаты дает восстановление дегидратированного (обезвоженного) сублимацией мяса в водном растворе размягчающего препарата. При этом создаются условия для контакта фермента не только с поверхностью мяса, но и с внутренними структурами путем проникновения раствора в хорошо развитую систему пор и капилляров. В процессе регидратации мяса обеспечивается равномерный по всему объему контакт фермента с основными белковыми структурами. В результате этого достигается максимальное размягчение мяса при минимальном расходе фермента. Положительное действие на мягчение мяса оказывает поваренная соль.

Для обработки мышечной ткани применяют ферментные препараты животного, растительного и микробного происхождения. Из ферментов животного происхождения высокой коллагеназной и эластазной активностью обладает фермент панкреатин, получаемый из поджелудочной железы свиньи. Иногда его применяют в смеси с ферментами трипсином, химотрипсином, пепсином. Однако ферменты животного происхождения имеют весьма ограниченные сырьевые источники.

Среди группы ферментов растительного происхождения для обработки мышечной ткани используют папаин, фицин, бромелаин и другие. Например, папаин применяют как размягчитель жесткого мяса. Он используется при созреваниия мяса, изготовлении полуфабрикатов, получении гидролизатов. Следует отметить, что эти протеазы также не могут полностью удовлетворить запросы промышленности ввиду дефицита сырья для их получения, малого выхода при переработке растений, а, следовательно, высокой стоимости.

Протеиназы микробного происхождения имеют ряд преимуществ по сравнению с другими источниками: неограниченность сырьевой базы, относительно простая технология получения, невысокая стоимость и др. Кроме того, микробные протеиназы, как правило, способны к более глубокой деструкции белков, в том числе многих фибриллярных, а также обладают широким спектром действия на различные субстраты.

Искусственно внесенные в сырье препараты протеаз обеспечивают эффект преобразования белковых структур, аналогичный автолитическому. Однако процессы созревания мяса под их влиянием протекают в 3-5 раз интенсивнее и заканчиваются в более короткий срок. При этом интенсивность и глубина превращений белковых структур зависит от дозировки препаратов, физико-химических условий, продолжительности обработки. Ферментная обработка сырья придает мясу нежную консистенцию, нужные вкус и аромат.

3. Ферментация овощей

В одном из древнейших методов консервирования овощей, основанном на действии ферментов, используется рассол, в котором присутствуют молочнокислоые бактерии. Роль консервантов здесь выполняют поваренная соль и молочная кислота. Во многих странах этот метод применяют в производственных масштабах. В частности, капуста, огурцы, другие овощи и маслины консервируются в рассоле с помощью брожения.

В рассоле овощи подвергаются последовательному воздействию разных микроорганизмов. На начальном этапе благодаря наличию кислорода в ферментационной среде развивается аэробная микрофлора. Несмотря на это, довольно быстро развиваются молочнокислые бактерии и дрожжи, в результате образуются молочная и уксусная кислоты. На последней стадии брожения создаются более благоприятные условия для преимущественного развития дрожжей. Брожение заканчивается при исчерпании сбраживаемых углеводов. Для регулирования процесса брожения вместо спонтанно размножающейся микрофлоры стали использовать чистые культуры — бактерии молочнокислого брожения. Точное соблюдение температуры (7,5 °С) и концентрации соли (2,25%) дает возможность получить соленые (отброженные) овощи высокого качества.

В результате брожения овощи обогащаются метаболитами, которые придают им соответствующий вкус и аромат. В то же время при брожении пища обогащается белковыми соединениями.

4. Применение биотехнологии в производстве чая

В странах Восточной Азии, Африки и Латинской Америки безалкогольные ферментированные напитки готовят из чайных и кофейных растений. В восточных странах с незапамятных времен чай использовали в качестве бодрящего напитка, однако технология производства чая была разработана лишь в XX в. Разнообразие чайного продукта зависит от вида растений и технологии переработки листа. Известны три технологии приготовления чая - черного, зеленого и находящегося между ними по степени окисленности дубильных веществ желтый чай. Готовый чай по степени ферментации делится на следующие категории:

     - неферментированный чай, в котором степень окисления дубильных веществ (катехинов) не превышает 12%;

     - слабоферментированный чай, степень окисления дубильных
веществ - до 12-30%;

     - ферментированный чай, степень окисления дубильных веществ - в пределах 35-40%.

Каждая категория готовой продукции по степени окисления, в свою очередь, делится на более мелкие группы. Неферментированный - это зеленый чай. Для инактивации окислительных ферментов сырье фиксируют водяным паром и горячим влажным воздухом. В результате на следующих стадиях переработки в чайном листе не происходят процессы ферментативного окисления.

Чай второй категории - слабоферментированный, подвергается частичной ферментации; к нему относятся: желтый, оолонг (красный) и черный чай.

Если во время производства зеленого чая основной задачей является сохранение катехинов в нативном состоянии, то во время производства ферментированного черного чая стараются максимально окислить комплекс катехинов в чайном листе. Черный чай, приготовленный по указанной технологии, характеризуется интенсивным настоем и специфическим ароматом.

Для получения черного чая свежесобранные листья подвергают следующим технологическим операциям: завяливанию, скручиванию, ферментации и сушке. Завяливание является важным технологическим этапом, при котором происходят основные биохимические изменения в чайном листе, определяющие вкус и образование ароматических соединений во время процесса скручивания и ферментации. Во время скручивания чайного листа повреждается структура и нарушается целостность клетки, в результате обеспечивается контакт окислительных ферментов и их субстратов. В чайном листе ферментация осуществляется за счет эндогенных ферментов. Этим производство чая отличается от многих других процессов пищевой промышленности, где ферменты добавляют искусственно. В технологическом цикле производства чая ферментация является центральным процессом, от которого в значительной степени зависит качество готовой продукции.

Вопросы:

1. Какова роль биотехнологии в производстве продуктов питания?
2. Какие закваски используют при производстве кисломолочных продуктов?
3. Каким образом используют ферменты при производстве мясных продуктов?
4. Какие биотехнологические процессы протекают при консервировании овощей?
5. Какие виды чая бывают, чем они отличаются?

Лекция 2. 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:

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

Раздел 4. Применение биотехнологии в сельском хозяйстве

Лекция 1. Технология переработки отходов растениеводства и животноводства

1. Растительное сырьё в биотехнологическом производстве
2. Промышленные отходы в биотехнологическом производстве
3. Отходы животноводства в биотехнологическом производстве

Для выращивания микроорганизмов могут использоваться различные виды сырья: отходы древесного и сельскохозяйственного растительного сырья, сульфитные щелоки, жидкие и газообразные углеводороды, метиловый и этиловый спирты, отходы сельского хозяйства, пищевой, рыбной и мясоперерабатывающей промышленности. К используемым отходам сельского хозяйства, плодо- и лесоперерабатывающей промышленности относятся: хлопковая и рисовая шелуха, кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, гузапай (стебли хлопчатника), солома, оболочка какао-бобов, скорлупа кокосовых орехов, кожура фруктов, овощей, листья, жмых, мякина, выжимка плодов и овощей, капустная и картофельная мезга, навоз, кора, хвоя, опилки, древесное волокно, листья, щепа, ветки, обрезки древесины, городские отходы, старая бумага, картон, сточные воды.

Различный состав сырья, неодинаковые количественные и качественные характеристики источников углерода, азота и других необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов соединений дают разный выход биомассы микроорганизмов из 1 кг абсолютно сухого сырья (в кг): отходы древесного и сельскохозяйственного сырья 0,18-0,22, сульфитные щелоки 0,01-0,02, н-парафины 0,80-1,00, газообразные углеводороды 0,80-1,00, метанол 0,40-0,45, этанол 0,45-0,50, свекловичная меласса 0,22-0,26, молочная сыворотка 0,02-0,03.

1. Растительное сырье в биотехнологическом производстве

Растительное сырье - древесные отходы лесного хозяйства и побочные продукты земледелия, составляют традиционную углеводную базу для биотехнологических процессов.

Составными частями растительной массы являются углеводы в виде целлюлозы, гемицеллюлозы, пентозанов, крахмала, сахаров, пектина, а также масла, жиры, воски, нуклеиновые кислоты, лигнин, хитин, смолы, белковые вещества, витамины, соли и т.д.

Древесное сырье. Представляет собой многолетние растительные ткани, содержащие целлюлозу, лигнин, пентозаны, гемицеллюлозы и др. вещества..

Целлюлоза - наиболее важный субстрат для получения белка. Растительные, особенно древесные отходы содержат около 5% целлюлозы, что в мировом масштабе превышает 2 млн. т. в год. Это весьма перспективное сырье, но микробная клетка способна утилизировать только продукт деградации целлюлозы -глюкозу или пентозы и органические кислоты, образующиеся при гидролизе гемицеллюлозных субстратов и пентозанов. Поэтому древесное сырье подвергают предварительной обработке: измельчают и гидролизуют. Полисахариды древесины при высоких температурах в присутствии кислот или щелочей переходят в низкомолекулярные усвояемые микроорганизмами соединения, но процесс требует значительных энергетических затрат и ведет к образованию нежелательных побочных продуктов. Кроме того, древесина - продукт дефицитный, так как в мире ее больше используется, чем воссоздается.

Растительные отходы сельского хозяйства. Кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, рисовая и хлопковая шелуха, солома, стебли хлопчатника (гузапай) и др.

Хлопковая шелуха представляет собой твердую оболочку семян хлопчатника, покрытую короткими волокнами хлопка. Это отход хлопкоочистительных и маслобойных заводов. Состав хлопковой шелухи зависит от сорта хлопчатника. Она содержит 36-48% целлюлозы, 20-31% - лигнина и 21-28% пентозанов.

Средний выход шелухи при шелушении хлопковых семян 31,4% их массы, что составляет в нашей стране 1,2 млн. т в год. При получении кормовых дрожжей хлопковую шелуху гидролизуют кислотой.

Кукурузная кочерыжка - это стержень, остающийся после отделения кукурузных зерен от початков. Выход кочерыжки - 25-35% массы початков. Состав стержней (в % к массе стержней): вода 8, сырой протеин 2,8, сырой жир 0,7, безазотистые экстрактивные вещества 54,7, сырая клетчатка 32,8, зола 1.

По кормовой ценности перемолотые стержни могут быть приравнены к сену или яровой соломе. Но в чистом виде для корма они не используются: в них мало белка, витаминов, минеральных веществ, особенно кальция, фосфора, йода и кобальта. Кукурузная кочерыжка - это сырье для получения кормовых дрожжей на гидролизных заводах.

Подсолнечная лузга - отход при производстве масла из семян подсолнечника. Выход ее составляет 30-40% массы семян подсолнечная лузга содержит 1,4% богатого углеродом пигмента фитомелана, 23,6-28 пентозанов, 52-66 клетчатки, 24,8-29,6 лигнина, 31-42,4% целлюлозы и является ценным сырьем для получения кормовых дрожжей, гидролизного спирта, фурфурола и других продуктов. Для выращивания кормовых дрожжей используют пентозогексозные гидролизаты лузги после удаления из них фурфурола. На 1 т кормовых дрожжей расходуется 6,7 т лузги, выход дрожжей составляет около 150 кг.

Рисовая шелуха - сырье для гидролизного производства и получения кормовых дрожжей. Она содержит 18% легко-, 29% трудногидролизуемых полисахаридов. Общий выход РВ 50-58%. 

Гузапай (стебли хлопчатника), так же как камыш и солома служит сырьем для гидролизного производства.

Верховой малоразложившийся торф также используется в качестве сырья для производства кормовых дрожжей. Его состав близок к составу растений это сходство тем больше, чем меньше степень разложения торфа. Верховой торф со степенью разложения 15-20% содержит 25-27% легко- и 9-13% трудногидролизуемых полисахаридов, 0,7-0,4% азотсодержащих соединений, основная часп которых входит в состав гуминовых веществ, 7-10% аминокислот.

Морские водоросли в Японии предложено использовать комплексно. При кислотном гидролизе водорослей образуются альгиновая кислота, витамины пигменты и белки, на гидролизатах возможно культивирование микроорганизмов - продуцентов белка. При обработке щелочью  получают маннит, йод, калий, фукоидин. Сами водоросли после промывки и сушки могут служить дм пищевых целей или основой питательной среды для микроорганизмов - продуцентов белка. Отходы этих процессов используют для получения метана, а вторичные отходы - как удобрение при выращивании морских растений, чем замыкается цикл.

2. Промышленные отходы в биотехнологическом производстве

Отходы пивоварения - хороший, но небольшой источник углеводов: пивная дробина, солодовые ростки, отходы подработки несоложеного ячменя. Дли получения кормовых дрожжей эти отходы гидролизуют и вводят в среду в соотношении 8:0,2:0,5 (дробина: ростки: отходы ячменя)

К отходам картофелекрахмального производства, использующимся в качестве сырья для выращивания микроорганизмов, относят клеточный сок картофеля и соковые воды, промывные воды после гидросмыва крахмала и мезга.

Клеточный сок картофеля содержит 6% сухих веществ, его объем доходит до 50% к массе перерабатываемого картофеля и составляет около 1,3 млн. п год. Клеточный сок картофеля содержит аминокислоты, оксид калия, фосфорную кислоту, соединения кальция и магния. Уровень использования клеточного сои картофеля в настоящее время составляет около 33%.

Картофельная мезга содержит (в % к массе сухих веществ): крахмал 50, клетчатку 25. Растворимые углеводы 2,5, минеральные вещества 6,2, сырой протеин 6 и прочие вещества 10,3. Влаги в мезге 86-87%, что делает ее малотранспортабельной. Концентрация клетчатки и крахмала в этом виде сырья низка, гидролиз его экономически не оправдан. На этом сырье культивируют микроорганизмы, обладающие гидролитическим комплексом ферментов и использующие при росте биополимеры.                                                                                                                                                                                         Отходы, не требующие специальных методов обработки. К ним относятся меласса, последрожжевая барда спиртовых заводов, молочная сыворотка.          Свекловичная меласса - отход производства сахара из свеклы (выход 3,5-5% к массе свеклы), богата органическими и минеральными веществами, необходимыми для развития микроорганизмов. Она содержит 45-50% сахарозы, 0,25-2,0 - инвертного сахара, 0,2-3,0% рафинозы. Из азотистых веществ в мелассе содержатся бетаин, пирролидонкарбоновая, глутаминовая, аспарагиновая кислоты, лейцин, изолейцин, аланин, валин, из органических кислот - молочная, муравьиная, уксусная, масляная, лимонная. В малых количествах в ней содержатся кобальт, железо, свинец, бор, цинк, кремний, серебро, йод, марганец, молибден. Свекловичная меласса представляет собой дорогое и дефицитное сырье и в производстве кормовых дрожжей используется редко.

Мелассная барда является отходом производства этанола на мелассе и содержит 6-12% сухих веществ. Это полноцепное сырье для производства кормовых дрожжей. В настоящее время для производства кормовых дрожжей используется более 70% первичной послеспиртовой мелассной барды.

Зерновая и картофельная барда - отход спиртового производства. Состав зерновой и картофельной барды различен. Зерновая барда содержит 3,2-4,1% сухих веществ, картофельная - 6,7-8%. В сухих веществах картофельной барды меньше протеина, чем в зерновой (18,7-19,5% против 26,8-27,5), меньше жиров (3,1% против 5,9-7,5). Картофельная барда богаче зерновой по содержанию углеводов (56,2-58,5 % против 40-41,8). Больше в ней и минеральных веществ. Для получения кормовых дрожжей используется 14,6% получаемой в настоящее время зернокартофельной барды.

Барда ацетоно-бутилового производства содержит до 0,7-1,0% РВ, азотистые вещества, минеральные соли и стимуляторы роста. В ней присутствует немного (0,07-0,30 г/л) бутанола, что требует адаптации к нему микроорганизмов.

Молочная сыворотка - сырье для получения белковых препаратов. В сыворотке содержатся (в % СВ): лактоза 70-80, белковые вещества 7-15, жир 2-8, минеральные соли 8-10. Кроме того, молочная сыворотка имеет в своем составе значительное количество витаминов, гормонов, органических кислот, микро- и ультрамикроэлементов.

     Отходы консервной промышленности. В нашей стране ежегодно в консервы перерабатывается 4 млн. т овощей и плодов. При этом образуется 700-800 тыс. т отходов и вторичных продуктов, которые могут использоваться в качестве сырья при приготовлении питательных сред для производства кормовых дрожжей. Отходы отличаются по химическому составу не только в зависимости от вида сырья, но и от степени зрелости, условий хранения, вида изготовляемой продукции.

Томаты в основном идут на производство концентрированных томатопродуктов и томатного сока. В первом случае общее количество отходов составляет 4-5% к массе сырья. Количество пульпы в отходах составляет 51-78%, семян - 6-14, кожицы - 6-13, сосудистых волокон - 1-3, связанной воды - 8-15%.

При производстве томатного сока отжимают около 65% сока и мякоти к массе сырья. Остальные 35%, идущие в отходы, состоят на 88% из мякоти и сока и на 12% из кожицы и семян. На растворимую часть в отходах приходится 2,5-5%. Рациональным способом хранения и использования отходов томатного производства является их высушивание и получение из них муки.

Отходы переработки зеленого горошка - это ботва и створки. Выход зерен горошка составляет 15-20% скошенной массы. Отходы содержат до 40% безазотистых экстрактивных веществ, до 11% минеральных веществ и другие соединения Отходы могут использоваться для получения микробных белковых препаратов.

Отходы переработки капусты, моркови, свеклы и других овощей - эта ботва, очистки, испорченные овощи и т.п. Ежегодно этих отходов получают около 100 тыс. т. Отходы составляют от массы перерабатываемых овощей (в %): капуста 22,5, морковь 17-20, свекла 24-29 и т.д. Эти отходы используются для получения микробных белковых препаратов.

Отходы овощесушильного производства подразделяют на твердые и жидкие. К твердым относят мелкие некондиционные клубни картофеля, снятую при очистке кожицу, глазки, мелкие частицы, получаемые при сушке, инспекции и фасовке, к жидким - промывные воды, получаемые при бланшировании, варке и других операциях, а также мезгу. Отходы при переработке картофеля составляют 25-45% всех отходов овощесушильного производства. Это прекрасное сырье для производства белковых препаратов и крахмала.

Отходы переработки плодов состоят из выжимок, получаемых при прессовании,  остающихся при варке компотов варенья, джемов и т.д. Эти отходы являются полноценной средой для выращивания микроорганизмов. При переработке яблок отходы составляют около 30-34%. При приготовлении сока ю винограда образуется до 18% виноградных выжимок, состоящих на 43-45% и кожицы с остатками мякоти, на 22-32% из семян и на 24-26% из гребней. Выжимки содержат примерно 5% сахара и используются как компонент питательной среды при производстве кормовых дрожжей.

При выработке соков и компотов из цитрусовых образуется около 60% отходов к общей массе плодов. В них содержится ряд ценных веществ: эфирное масло (1,2%), пектиновых веществ (1,5-2%) и гесперидин (1,2-1,5%).

В США из отходов производства соков из цитрусовых получают эфирные масла и гесперидин. Оставшиеся выжимки измельчают, обрабатывают известью до рН 6, затем аммиаком и прессуют. Фильтрат используют в качестве питательной среды для дрожжей.

Отходы винодельческой промышленности - это гребни, виноградные выжимки, семена, дрожжевые осадки. Смоченные суслом гребни содержат 1-1,5% сахара, до 2,54% минеральных веществ, азотистые вещества.

Виноградные выжимки содержат 4-10% сахара, азотистые, пектиновые, дубильные вещества, жиры, клетчатку, до 1,2-3,6% минеральных веществ и могут использоваться в составе сред для выращивания дрожжей. Ежегодный объем виноградных выжимок в стране около 2,6 млн. т.

Дрожжевой осадок составляет 3-8% объема вина и содержит (в % на сухое вещество): минеральные вещества 5-10, углеводы 25-50, азот 5-17, белковые вещества 30-75 и жиры 2-5. Из дрожжевого осадка получают этанол, высшие спирты, альдегиды и кормовые дрожжи.

3. Отходы животноводства в биотехнологическом производстве

Отходы молокоперерабатывающих предприятий

При сепарировании молока, производстве сметаны, сливочного масла, натуральных сыров, творога и молочного белка по традиционной технологии получают побочные продукты – обезжиренное молоко, пахту и молочную сыворотку.

  Обезжиренное молоко, пахта и молочная сыворотка, относящиеся к вторичным ресурсам молочного подкомлекса АПК, должны использоваться полностью и рационально. В сочетании с цельным молоком и сливками вторичные сырьевые ресурсы формируют комплекс который можно назвать термином «молочное сырье».

Применение новых физико-химических и биологических методов, молекулярно-ситовой фильтрации и криотехнологии позволяет направленно разделять и концентрировать компоненты молока с исключением побочных продуктов.

При производстве 1 т сливочного масла получают до 20 т обезжиренного молока и 1,5 т пахты; при производстве 1 т сыра и творога – до 9 т молочной сыворотки. В обезжиренное молоко, пахту и сыворотку переходит от 50 до 75% сухих веществ молока. Обезжиренное молоко и пахта содержат практически весь белковый, углеводный и минеральный комплекс молока и частично молочный жир. В молочную сыворотку переходит углеводный комплекс, сывороточные белки и минеральные соли.

Пищевая ценность вторичного молочного сырья, как и молока, очень высокая, хорошая усвояемость, оптимальное соотношение питательных веществ, биологическая и физиологическая совместимость. Энергетическая ценность обезжиренного молока и пахты составляет 5,8, а молочной сыворотки – 36% от цельного молока, что следует учитывать при организации промышленной переработки.

Кроме получения вторичных продуктов, переработка молока связана с неизбежными потерями сырья, которые в целом по отрасли составляют миллионы тонн (в пересчете на молоко). Также к отходам относятся ополоски от мытья молочного оборудования и даже отбросы (сепарационная слизь). Кроме того необходимо учитывать отходы образующиеся в результате потребленных молочных продуктов, их хранения, упаковывания и реализации.

Получаемые отходы должны перерабатываются с применением биотехнологических технологий как в пищевую так и в кормовую продукцию без остатка.

Отходы животноводства

К отходам животноводства относят навоз и стоки животноводческих ферм. Различают подстилочный, твердый навоз (влажность 75-80%); бесподстилочный, который делится на полужидкий (смесь экскрементов с мочой, влажность до 90%) и жидкий - навоз с примесью воды (влажность 90-93%); навозные стоки -навоз, разбавленный водой (влажность более 93%). С выделениями крупного рогатого скота, свиней, кур, при богатейшем содержании выводится до 30-40% питательных веществ, получаемых животными с кормами. В основном органическое вещество экскрементов представлено структурными веществами с высоким содержанием углерода (целлюлоза, лигнин, пентозаны).

Объем питательных элементов во всех стоках животноводческих ферм нашей страны в год эквивалентен 2,2 млн. т. азота, I млн. т. фосфора и 1 млн. т. калия. Это в 4 раза превышает количество загрязнений от сточных вод пищевой промышленности и хозяйственно-бытовых стоков объемом 11,8 млн. м3 в год. В настоящее время одним из перспективных способов утилизации стоков животноводческих ферм является культивирование микроорганизмов на питательных средах из этих отходов с получением кормовой и технической биомассы.

Вопросы:

1. Каким образом используют отходы растениеводства и животноводства в биотехнологическом производстве?
2. Какие существуют промышленные отходы, как их используют в биотехнологическом производстве?

Лекция 2. 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  «Угра» 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 1:1до1:5000. 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 гр) сухой ЭМ-Курунги 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 пол-банки ЭМ-Курунги 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» в животноводстве

     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-пре- парата и 40 мл патоки, настоять сутки). Проводить обработку 1 раз в 3-7 дней. После уменьшения запаха концентрацию ЭМ-препарага 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 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 ЭМ-Курунги

Так как «Байкал ЭМ-1» не сертифицирован для применения в животноводстве, лучше использовать ЭМ-Курунгу 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:

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

Лекция 3. ЭМ-технология в растениеводстве

1. Приготовление ЭМ-компостов
2. Предпосевная обработка семян, полив и опрыскивание растений

В растениеводстве препарат «Байкал-ЭМ1» используется для обработки сельскохозяйственных культур, полива или опрыскивания рассады в закрытом грунте и растений в полевых условиях, приготовления ЭМ-компостов, ЭМ-ферментированного растительного препарата. Многие ученые указывают на эффективность применения ЭМ-технологии в овощеводстве, при выращивании зерновых культур и заготовки кормов. Были получены также данные о положительном влиянии ЭМ-препаратов на состав и структуру почв.

1. Приготовление ЭМ-компостов

ЭМ-компост - концентрат органики, ферментированной с помощью ЭМ-препарата. Это самый продуктивный прием использования имеющейся органики (ботва, сорняки, трава, навоз, листья, опилки, костная мука, солома, отходы пищевых производств и т. д.).

В отличие от обычного компоста, который готовится годами, ЭМ-компост может быть использован уже через 3-4 недели после закладки. ЭМ-компост является наиболее продуктивным источником как оживления почвы, так и значительного повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

В зависимости от срочности использования и достижения требуемого качества, компост готовят аэробным (с доступом воздуха) и анаэробным (без доступа воздуха) способами.

Аэробный компост применяется для быстрой ферментации органики. Бурт укладывается равномерно, без уплотнения (рыхлая укладка ускоряет разложение органического вещества, но усиливает потери аммиачного азота).

Для усиления доступа воздуха в компостную кучу желательно сделать у ее основания так называемый «дренаж». Для этого до закладки компоста на поверхность почвы укладывается дренажный материал (ветки деревьев, отходы пиломатериалов - кора, стружка). Однако можно обойтись и без дренажного материала, главное - рыхлая укладка компостируемых материалов. При закладке ЭМ-компоста необходимо стремиться к большему разнообразию компонентов и более равномерномуразмещению их в куче. Ботву и грубые стебли сорняков желательно измельчать. ЭМ-препарат нужно вносить послойно, по мере формирования кучи.

 Для ЭМ-компостирования используют раствор препарата «Байкал ЭМ-1» или ЭМ-экстракт в концентрации 1:100,т. е. на 10л воды добавляют 100 мл ЭМ-препарата и 100 мл патоки. Влажность компоста должна быть в пределах 60 %. Компост готов к употреблению уже через 1,5-2 месяца после укладки, но может быть использован и через месяц.

• При аэробном компостировании температура бурта часто повышается до 40-60 °С. При этом погибает большая часть микрофлоры, вт. ч. патогенная, а также яйца гельминтов, личинки вредителей и семена сорняков. Для ускорения процесса ферментации можно полить бурт горячей водой (+80 °С). Только после «сгорания», когда температура бурта снизится до 20-25 °С, необходимо внести ЭМ-раствор повторно. Такой ЭМ-компост уже через 3 дня можно вносить в почву.

Преимущество аэробного компостирования: период ферментации более короткий, чем при анаэробном компостировании.

Недостаток: температура в процессе ферментации неуправляема, что снижает ценность компоста.

Анаэробный компост более эффективен, чем аэробный, поскольку в нем сохраняется максимальное количество питательных веществ и сильнее развиты анаэробные ЭМ, отвечающие в дальнейшем за рост урожая и его качество. Кроме того, за один прием можно закладывать большое количество органики, и ее не нужно перелопачивать в процессе ферментации.

Закладывают компост в яму глубиной до 50 см. Через каждые 15- 20 см измельченной органики насыпают 3-5 см плодородной земли (примерно 10 % от общей массы), которую поливают ЭМ-раствором или ЭМ-экстрактом в концентрации 1:100-1:250. Оптимальная влажность должна составлять 50-60 %, а температура - +25 - +30 °С.

Все компоненты хорошо утрамбовывают, чтобы сократить доступ воздуха. После завершения укладки бурт накрывают полиэтиленовой пленкой, а края присыпают землей. Можно бурт накрыть слоем травы. В зависимости от размера частиц и температуры воздуха, ферментация органики длится 3-5 месяцев, хотя к применению компост готов уже через 3—4 недели.

Преимущества анаэробного компоста: сохраняется питательная ценность органики.

Недостаток: силосообразная масса доставляет неудобства при внесении в почву.

Расход ЭМ-препарата: 1 литр на тонну любой органики или 5 литров ЭМ-раствора (1:100) на 1 м2 органики.

Компост из навоза, во избежание возгорания и потери питательных веществ, лучше делать анаэробным способом, так как 1 г свежего навоза содержит 1 млрд микроорганизмов. И хотя к концу созревания компоста их численность уменьшается в 10 раз, в компосте также сохраняются и патогенные микроорганизмы, попавшие в него с фекалиями животных. Эти микроорганизмы характеризуются большой длительностью выживания в почве. Учитывая возможность заражения природной среды, целесообразно все животноводческие отходы подвергать горячему компостированию, т. е. выдерживать в течение определенного времени при высокой температуре. Для этого слой растительных остатков необходимо прокладывать слоем отходов жизнедеятельности животных, а затем слоем почвы 8-10 см, и каждый слой поливать ЭМ-раствором 1:100 (на 10 л воды - 100 мл ЭМ-препарата и 100 мл патоки). Эпизодическое рыхление кучи обеспечивает доступ кислорода к органическому веществу и быстрый прогрев компоста до 65-70 °С. После «сгорания» всей патогенной микрофлоры, яиц гельминтов и семян сорняков необходимо вновь пролить кучу ЭМ-раствором 1:100. Такой компост уже через неделю можно использовать в качестве удобрения.

Расход ЭМ-препарата при компостировании навоза можно уменьшить до 0,5 л на 1 т, но лучше все же использовать экстракт в большем количестве.

Питательная ценность ЭМ-компоста в 5-10 раз выше ценности навоза, ферментированного без ЭМ! Соответственно, меньше и нормы внесения.

    Внесение ЭМ-компоста.

    1.  Полностью ферментированный ЭМ-компост можно вносить в верхний слой почвы, свободной от растений, или в междурядья по 0,5- 1 кг на 1 м2 ежемесячно, присыпая почвой или мульчируя органикой (листьями, сорняками, опилками и т. д.).

    2.  Весной «осенний» ЭМ-компост вносят на грядки в количестве 0,5-10 кг на 1 м2 за 1,5-2 недели до посева (посадки) растений, присыпают слоем земли (не менее 5 см) и поливают ЭМ-раствором в концентрации 1:100 - 1:250. Расход ЭМ-раствора - 2-3 л/м2. Перед внесением ЭМ-компоста почву можно обработать на глубину не более 5- 7 см, подрезав корнеотпрысковые сорняки.

     3. Осенью ЭМ-компост вносят на грядки сразу после уборки урожая, в количестве 0,5-10 кг на м2, и мульчируют почвой. Почву необходимо полить чистой водой, а затем ЭМ-раствором в концентрации 1:100, Расход ЭМ-раствора - 2-3 л/м2. Эта операция провоцирует прорастание сорняков, которые, отрастая, попадают под заморозки и, не успев обсемениться, гибнут. Для ускоренного прорастания сорняков грядки лучше накрывать пленкой.

     4.  Летний полив культур сплошного сева (морковь, свекла, зеленные культуры и т. д.) производится «болтушкой» из компоста: на ведро воды - 1 кг ЭМ-компоста. Все хорошо перемешивают и процеживают, и полученную жидкость разбавляют водой 1:10 (в 10 раз). Ею поливают почву и растения.

     5. Под кусты и деревья - в углубления по периметру кроны растений, проделанные в 4-6 местах, - ЭМ-компост вносят по одной лопате и присыпают землей. Вносить ЭМ-компост достаточно 1 раз в месяц.

•  Внесенный в почву весной ЭМ-компост следует обязательно присыпать слоем почвы не менее 5 см, во избежание «ожогов» высаженных семян и корней рассады.
•  Свежий компост (при ферментации менее одного месяца), во избежание «ожогов», нельзя вносить в корневую или приствольную зону растений, поскольку повышенная кислотность и концентрация ЭМ могут повредить корни.
•  Нельзя вносить ЭМ-компост одновременно с химическими удобрениями.

2. Предпосевная обработка семян, полив и опрыскивание растений

Биофунгициды, выделяемые ЭМ, создают неблагоприятные условия для развития фузариоза, фитофтороза, корневых гнилей, мучнистой росы и других фитопатогенов. ЭМ способствуют повышению энергии прорастания, всхожести и урожайности растений.

• Замачивать в ЭМ-растворе (1:1000-1:2000) можно все семена (кроме редиса) на 1-2 часа перед посадкой (НЕ ДОЛЬШЕ!). Более длительное замачивание может спровоцировать проклевывание семян, что может сказаться на ухудшении всхожести растений. Соотношение объема раствора к количеству семян -1:1, т.е. на 1 кг семян расходуется 1 л ЭМ-раствора.
• При использовании семян для посева на больших площадях, например, зерновых культур, можно семена перед посевом обработать ЭМ-раствором нужной концентрации (из лейки, непосредственно в кузове самосвала). Расход: 80-100 л ЭМ-раствора на 1 т семян. Можно механизировать этот процесс, используя для обработки семян протравитель ПС-10. При подготовке протравителя для обработки семян ЭМ- раствором необходимо тщательно очистить его от остатков ядохимикатов и промыть водой. Но самый удобный способ - мелкодисперсное распыление через форсунку небольшого объёма раствора: 8- 10 л на 1 т семян.

Опытным путем установлены наиболее эффективные концентрации препарата «Байкал ЭМ-1» для опрыскивания или замачивания семян:

• для ржи, фасоли, подсолнечника и горчицы - 1: 500 (на 100 л воды - 200 мл ЭМ-прапарата и 200 мл патоки или сахарного сиропа).
• Для пшеницы, сои, гречихи, свеклы, моркови, огурцов, томатов, баклажанов, перца, гороха и других овощных культур -1:1000 (на 100 л воды - 100 мл ЭМ-прфарата и 100 мл патоки).
• Для кукурузы и ячменя - 1:2000 (на 100 л воды - 50 мл ЭМ- препарата и 50 мл патоки).

Следует отметить, что в некоторых хозяйствах более концентрированные растворы (1:500, 1:250) дают больший эффект.

     Клубни картофеля, луковицы и корневища цветочных и других растений, можно замачивать в ЭМ-растворе 1:1000 на 10-15 минут, в день посадки. Расход: на 10 кг посадочного материала - 1 л ЭМ-раствора 1:1000. Можно просто опрыскивать посадочный материал более концентрированным ЭМ-раствором (1:500) из ручного мелкодисперсного распылителя, разложив его слоем в 1-2 штуки (расход ЭМ - раствора в этом случае - 150 мл на 10 кг посадочного материала; обработанный материал слегка подсушить и высаживать в день обработки).

Важно!

• Протравленные семена непригодны для обработки ЭМ-раствором!
• Хранить обработанные для посева семена и другой посадочный материал не рекомендуется.
• Высевать обработанные семена необходимо во влажную почву.
• При приготовлении ЭМ-раствора в воду вместе с ЭМ-пре- паратом желательно добавлять такое же количество патоки или сахара 1:2(1 часть сахара и 2 части воды). Например, для приготовления ЭМ-раствора 1:1000 необходимо в нехлорированную воду объемом 1 л добавить 1 мл ЭМ-раствора и 1 мл патоки). Перед применением ЭМ-раствор настоять 1-2 часа.
• Планируя дату посева рассады, помните, что ЭМ-технология ускоряет период ее роста на 10-12 дней.

Эффект!

• Только предпосадочное замачивание семян овощных и зерновых культур при последующем выращивании их стандартным агрохимическим способом дает рост урожая в среднем на 10-60 %, обработка клубней картофеля - до 35 % прибавки урожая, по сравнению с необработанным посадочным материалом.
• Отмечено положительное влияние препарата «Байкал ЭМ-1» на всхожесть трудно размножаемых семян хвойных культур.

Полив рассады и молодых всходов

• Полив или опрыскивание всходов ЭМ-раствором 1:2000 (1 ч. л. ЭМ-раствора и 1 ч. л. ложка патоки на ведро воды) следует начинать не раньше, чем через 2 недели после их появления 1 раз в неделю. Расход - 0.5-1 литр на м2. Если рассада или всходы ослаблены, применяют только опрыскивание их ЭМ-раствором без полива. 
• Обработку окрепшей рассады можно делать порошком ургасы- стартера, из расчета: 1 столовая ложка на ящик размером 20 х 40 см. Также ургасу можно использовать для корневой и внекорневой подкормки путем опрыскивания, из расчета: 2-3 ст. ложки ургасы на ведро нехлорированной воды (t +20-25 °С). Раствор настоять 2-3 часа и поливать растения 1 раз в неделю. Расход - 0,5-1 л/м2.
• Перед высадкой в грунт купленную рассаду, в целях дезинфекции, можно полностью окунуть в раствор ЭМ-препарата 1:2000, а затем полить высаженную рассаду этим же раствором. Расход: 2-3 литра на м2.

Важно!

Не обрабатывайте ЭМ-раствором только что пересаженные растения, дайте им 2-3 недели для укоренения. Полив и опрыскивание ЭМ-раствором в открытом фунте лучше проводить рано утром по росе, в вечернее время или в пасмурную погоду

Эффект!

• Даже однократное опрыскивание молодых растении ЭМ-препаратом в концентрации 1:2000 дает прибавку урожая на 10-30%.

Вопросы:

1. Что такое ЭМ-компост, из чего он состоит?
2.  В чем преимущество использования ЭМ-компостов?
3. Как применяется ЭМ-технология в растениеводстве?
4. Какие преимущества дает ЭМ-технология в растениеводстве?

Словарь терминов

Список использованной 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.