Возможности микробиологического синтеза как промышленного способа получения химических соединений и продуктов. Сырье, продукты и стадии микробиологического синтеза. Синтез кормового белка и аминокислот. Использование антибиотиков при кормлении животных.
Аннотация к работе
Микробиологический синтез, промышленный способ получения химических соединений и продуктов (например, дрожжей кормовых), осуществляемый благодаря жизнедеятельности микробных клеток. Некоторые продукты микробиологического синтеза, например пекарские дрожжи, давно использовались человеком, однако широкое применение микробиологический синтез началось в 40-50-х гг. Микробиологический синтез использует способность некоторых организмов размножаться с большой скоростью (выделены бактерии и дрожжи, биомасса которых увеличивается в 500 раз быстрее, чем у самых урожайных сельскохозяйственных культур) и к "сверхсинтезу" - избыточному образованию продуктов обмена веществ (аминокислот, витаминов и др.), превышающему потребности микробной клетки. Главные из них - подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента, выращивание продуцента, культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется микробиологический синтез (эту стадию часто наз. ферментацией), фильтрация и отделение биомассы, выделение и очистка требуемого продукта (если это необходимо), сушка . Для добавки в корма обычно выпускают концентрат среды после выращивания в ней продуцента, иногда вместе с биомассой, содержащей значительное количество других продуктов обмена веществ продуцента, в т.ч. витамины, аминокислоты . нуклеотиды и др.Ей дано-пусть в определенных границах - перевивать по-новому «нить жизни»-ДНК - методами генетической и клеточной инженерии, создавать биообъекты по заранее заданным параметрам и, как обычно добавляют, на благо человечества. Биотехнология - это интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения. Биотехнология представляется «страной контрастов», сочетания самых передовых достижений научно-технического прогресса с определенным возвратом к прошлому, выражающимся в использовании живой природы как источника полезных для человека продуктов вместо химической индустрии.
Введение
Микробиологический синтез, промышленный способ получения химических соединений и продуктов (например, дрожжей кормовых), осуществляемый благодаря жизнедеятельности микробных клеток. Иногда к микробиологический синтез относят также промышленные процессы, основанные на использовании иммобилизованных клеток (см. Инженерная энзимология).
Некоторые продукты микробиологического синтеза, например пекарские дрожжи, давно использовались человеком, однако широкое применение микробиологический синтез началось в 40-50-х гг. 20 в. в связи с освоением производства пенициллина . К этому же времени относится возникновение новой отрасли народного хозяйства - микробиологической промышленности.
В микробиологическом синтезе сложные вещества образуются из более простых в результате функционирования ферментных систем микробной клетки. Этим он отличается от брожения . в результате которого также образуются различные продукты обмена веществ микроорганизмов (спирты, органические кислоты и др.), но преимущественно в результате ферментативного распада органических веществ.
Микробиологический синтез использует способность некоторых организмов размножаться с большой скоростью (выделены бактерии и дрожжи, биомасса которых увеличивается в 500 раз быстрее, чем у самых урожайных сельскохозяйственных культур) и к "сверхсинтезу" - избыточному образованию продуктов обмена веществ (аминокислот, витаминов и др.), превышающему потребности микробной клетки. Такие микроорганизмы выделяют из природных источников или получают их мутантные штаммы (напр., мутантные штаммы плесневых грибов продуцируют пенициллин в 100-150 раз быстрее, чем природные). В качестве продуцентов находят применение культуры, полученные методами генетической инженерии, в которых функционирует чужеродный для них ген . например: в бактерии кишечной палочки (Escherichia coli)-ген гормона роста человека.
Для микробиологического синтеза органических соединений в качестве сырья применяют наиболее дешевые источники азота и углерода .
Микробиологический синтез включает ряд последовательных стадий. Главные из них - подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента, выращивание продуцента, культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется микробиологический синтез (эту стадию часто наз. ферментацией), фильтрация и отделение биомассы, выделение и очистка требуемого продукта (если это необходимо), сушка .
Ферментацию проводят в специальных реакторах (ферментерах), снабженных устройствами для перемешивания среды и подачи стерильного воздуха . Управление процессом может осуществляться с помощью ЭВМ. Наиболее удобно ферментацию осуществлять непрерывным способом - при постоянной подаче питательной среды и выводе продуктов микробиологического синтеза. Так производят, например, кормовые дрожжи. Однако большинство метаболитов получают периодическим способом - с выводом продукта в конце процесса.
Для выделения и очистки веществ, получаемых с использованием микробиологического синтеза, используют экстракцию из водной фазы органическими растворителями при различных значениях РН, хроматографические методы (в том числе ионообменную хроматографию), кристаллизацию , осаждение . При выделении продуктов белковой природы (ферменты, токсины) предварительно осаждают белки сульфатом аммония или орг. растворителями. Многие операции по выделению проводят на холоде вследствие нестабильности некоторых продуктов обмена веществ. микробиологический синтез кормовой белок
1. Продукты микробиологического синтеза
Антибиотики Большинство антибиотиков накапливается вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в основном являются актиномицеты, некоторые грибы и бактерии (главным образом их мутантные формы). Антибиотики, употребляемые преимущественно в медицине, подвергаются высокой степени очистки. Антибиотики для лечения сельскохозяйственных животных имеют специфическую активность относительно наиболее распространенных для них заболеваний, например гельминтозов, кокцидиозов и др. Для добавки в корма обычно выпускают концентрат среды после выращивания в ней продуцента, иногда вместе с биомассой, содержащей значительное количество других продуктов обмена веществ продуцента, в т.ч. витамины, аминокислоты . нуклеотиды и др.
Аминокислоты Существенное преимущество микробиологического синтеза аминокислот - возможность их получения в виде природных изомеров (L-форм). Продуцентами аминокислот служат главным образом мутанты, лишенные ряда ферментных систем, благодаря чему происходит сверхсинтез необходимого продукта. Обычно используют бактерии, относящиеся к роду Brevibacterium. Наибольший удельный вес среди аминокислот, вырабатываемых мировой промышленностью, занимают лизин и глутаминовая кислота. Получены мутанты микроорганизмов, способные к сверхсинтезу всех кодируемых аминокислот.
Нуклеозидфосфаты. Развитие микробиологический синтез нуклеотидов (инозиновой, гуаниловой и др. кислот) связано с перспективами получения искусственной пищи, где их используют в качестве вкусовых добавок. При введении в состав среды для культивирования микроорганизмов метаболических предшественников продуктов синтеза можно получать практически все известные нуклеозидфосфаты, в т.ч. АТФ. Накопление нуклеозидфосфатов происходит преим. вне клеток микроорганизмов.
Витамины провитамины коферменты Методом микробиологический синтез производят в основном витамин В12 и его коферментную форму. Продуцентами в этом процессе служат пропионовокислые бактерии. Для получения кормовых концентратов, содержащих витамин В12, на отходах бродильной промышленности (послеспиртовые, ацетоно-бутиловые барды и др.) применяют комплекс метанообразующих бактерий. Разработаны способы получения витамина В2, р-каротина и дрожжей, обогащенных эргостеринами. При использовании соответствующих метаболических предшественников возможен также микробиологический синтез никотинамидных коферментов . например никотинамидадениндинуклеотида.
Алкалоиды. Грибы рода спорыньи (Claviceps)-продуценты эргоалкалоидов . в основе строения молекул которых лежит гетероцикл эрголин. Некоторые из этих алкалоидов (напр., эргометрин и эрготамин) используют как маточные средства. Описаны также многочисленные продуценты других алкалоидов.
Гиббереллины. Их микробиологический синтез осуществляют при культивировании грибов, относящихся к классу аскомицетов (Ascomycetes), например Gibberella fujikuroi. Выделяют гиббереллины из фильтрата культуральнойжидкости . По химической природе все они являются теграциклическими карбоновыми кислотами, относящимися к дитерпенам.
Ферменты. Продуцентами ферментов служат многочисленные представители микроскопических грибов, некоторые актиномицеты и др. бактерии. Технология получения ферментных препаратов упрощается, если фермент продуцируется в питательную среду. При выделении внутриклеточных ферментов необходимо предварительно разрушить клетки микроорганизмов. Для исследовательских работ, аналитических целей и т. п. обычно получают ферменты в виде гомогенных (индивидуальных) белков. При промышленной переработке сельскохозяйственного сырья в пищевой промышленности иногда применяют комплексные ферментные препараты. Так, при переработке раститительного сырья ферментный комплекс должен содержать целлюлазы, гемицеллюлазы, пектиназы, протеазы и некоторые другие ферменты. Один из важнейших ферментов, получаемый с помощью микробиологического синтеза - глюкоизомераза, катализирующая изомеризацию глюкозы во фруктозу. Образующийся глюкозо-фруктозный сироп используют в пищевой промышленности вместо сахарозы.
Белково-витаминные препараты. Особое внимание как источник белка привлекает микробная биомасса.
Производство такой биомассы на дешевом сырье рассматривают как одно из ср-в устранения растущего белкового дефицита в питании животных. Наиболее интенсивное развитие получили промышленные методы микробиологический синтез кормовых дрожжей, применяемых в виде сухой биомассы как источник белка и витаминов в животноводстве. Для выращивания кормовых дрожжей используют углеводороды . гидролизаты различных отходов деревообрабатывающей промышленности, непищевых растительных материалов (подсолнечная лузга, стержни кукурузных початков и т.п.), сульфитные щелока, различные виды барды и т. д. Дрожжи, которые используют для получения белково-витаминных препаратов из углеводородов, обладают специфические ферментными системами, позволяющими осуществлять акт первичного окисления углеводородов и затем ассимилировать их, накапливая значительную биомассу. Кроме жидких углеводородов в качестве ассимилируемых компонентов среды могут быть использованы газы (напр., метан), пропускаемые в среду, содержащую минеральные компоненты, в которой происходит размножение клеток метанокисляющих микроорганизмов. Для получения кормовых микробных препаратов в качестве компонентов среды могут быть также использованы этанол, метанол, уксусная кислота. Культивирование дрожжей на углеводородах требует высокой культуры производства. В частности, необходима надежная герметизация аппаратуры, исключающая вынос микробных клеток в окружающую среду.
К числу продуктов микробиологический синтез относятся также некоторые средства защиты растений, например бактериальные энтомопатогенные препараты, вызывающие гибель вредных насекомых и предотвращающие их массовое размножение, и мн. бактериальные удобрения.
Частный случай микробиологический синтез-микробиологической трансформация органических соединений. Она осуществляется благодаря высокой активности специфических ферментных систем микроорганизмов, которые катализируют превращения вещества без изменения его основной структуры. Наиболее изучена трансформация стероидных соединений, например их дегидрирование, деацетилирование и гидроксилирование в строго определенных положениях. Благодаря широкой возможности подбора микроорганизмов (носителей специфических ферментных систем) метод микробиологической трансформации получает все большее распространение.
2. Использование продуктов микробного синтеза для кормления животных
Синтез кормового белка и аминокислот
Корма, содержащие недостаточно протеина, незаменимых аминокислот и витаминов, неэффективны и невыгодны. Расход их для получения той или иной животноводческой продукции повышается в несколько раз. В условиях интенсивного ведения хозяйства важно не только обеспечить достаточное валовое производство кормов, но и получать корма с высоким содержанием в них белка и сбалансированными по аминокислотному составу.
Белковый и аминокислотный обмен различен у жвачных и нежвачных животных. У последних желудок однокамерный, и микрофлора их желудочно-кишечного тракта проявляет свою активность в кишечнике. Существенных синтетических процессов микробиологического характера в желудке нежвачных животных не протекает. Под влиянием желудочного сока здесь из белков корма образуются аминокислоты, и осуществляется реакция переаминирования. Однако такие незаменимые аминокислоты, как лизин, треонин, аргинин, в результате переаминирования не синтезируются вовсе или синтезируются в таком малом количестве, что это не имеет практического значения. Поэтому для нежвачных животных данные аминокислоты в необходимых количествах должны присутствовать в пищевом рационе.
Жвачные животные менее требовательны к полноценности белков корма, так как обитающая в их преджелудках богатая микрофлора синтезирует даже из простых, содержащих азот веществ все аминокислоты, в том числе и незаменимые. Первоначально микроорганизмы синтезируют белок в своих клетках, после отмирания, которых аминокислоты освобождаются и становятся достоянием животного-хозяина.
Эта особенность жвачных животных позволяет для частичного восполнения дефицита белков использовать в их рационе содержащие азот простые химические вещества (мочевину и соли аммония). В рубце жвачных животных микроорганизмы синтезируют в больших количествах глютамин, глютаминовую кислоту, глицин и валин. Они транспортируются в печень, где синтезируются другие аминокислоты.
Для выработки грибного мицелия можно использовать не только целлюлозу, но и другие вещества - крахмальные гидролизаты, отходы зерна и т. д. Так, в Институте микробиологии АН БССР разработан метод глубинного культивирования мицелия базидиального трутового гриба Daedaleopsis confragasa на средах с молочной сывороткой. Из 1 т молочной сыворотки может быть выработано 20 кг высушенной измельченной массы, имеющей около 50% сырого протеина и содержащей ряд незаменимых аминокислот.
На молочной сыворотке с успехом размножается базидиальный съедобный гриб Panus tigrinus (пилолистник тигровый). Выращенный и измельченный мицелий этого гриба имеет около 45% сырого белка, который близок по составу к животным белкам.
Использование антибиотиков в кормлении животных
Введением в рацион молодых животных небольших количеств антибиотиков (5-10 г на 1 т) можно ускорить рост и уменьшить отход молодняка в период выращивания.
Так, в опытах А. X. Саркисова с сотрудниками при добавке в корм цыплятам (поголовье более 200 тыс.) пенициллина (40 мг/кг) или биомицина (20 мг/кг) отход молодняка был сокращен в 2-3 раза, а приросты живой массы повысились на 6 - 15%.
Куры-несушки при введении в корм антибиотиков дают значительно больше яиц. Например, А. Мюллер (Чехословакия) провел опыт по испытанию действия прокаинпеиициллина на яйценоскость кур.
В первый месяц яйценоскость повысилась на 15%, во второй - на 40, в третий - на 79, в четвертый - на 50 и в пятый - на 22%. Стимуляционный эффект от антибиотиков был получен также исследователями, работавшими с водоплавающей птицей.
Весьма рентабельно введение антибиотиков в рационы свиней. Поэтому в свиноводстве антибиотики широко применяются. Опыты показывают, что поросята, которым в корм добавляли антибиотики, в двухмесячном возрасте весили на 1,5-1,7 кг больше, чем не получавшие препаратов. Свиньи при мясном откорме с добавлением антибиотиков весили на 8-10 кг больше контрольных. В общем, антибиотики увеличивают массу животных за период откорма на 15-20%.
Значительное число опытов по кормлению телят с использованием антибиотиков было проведено как в СНГ, так и за рубежом. Показано, что телята в возрасте 7-8 недель под действием антибиотиков увеличивают прирост живой массы на 22-85%, а в возрасте около 12 недель - на 20-35%.
Введение антибиотиков в рацион дойных коров заметного влияния на лактацию не оказывает. В условиях пастбищного содержания антибиотики не влияют на животных, положительное действие препаратов проявляется, когда коровы находятся в стойле. При кормлении ягнят антибиотики имеют главным образом профилактическое значение против желудочно-кишечных заболеваний, авитаминозов и пневмонии.
Подкормка жеребят антибиотическими веществами способствует их развитию и, в частности, повышению плотности костей. Введение в корм антибиотиков улучшает рост собак, лисиц, норок и т. д. Для добавки в комбикорма и в кормовые рационы использовали разнообразные антибиотические вещества - биомицин, тетрациклин, стрептомицин, пенициллин и т. д.
Не исключено, что антибиотики повышают защитные свойства животного, благодаря чему снижается влияние субклинических инфекций, которые нередко служат главной причиной замедленного развития молодняка. При этом активно подавляются клинические проявления инфекционных болезней.
Отмечен стимуляционный эффект низких доз антибиотиков при скармливании их стерильно выращенным животным. Подобные опыты ставились с цыплятами и поросятами. Стерильных поросят получали путем кесарева сечения и воспитания животных на стерильном корме. Отсюда можно заключить, что антибиотики оказывают положительное действие, не только изменяя микрофлору желудочно-кишечного тракта.
У нестерильных животных, получавших рацион с антибиотиками, повышалась средняя масса рождающегося потомства, что свидетельствует о положительном влиянии антибиотиков на рост эмбрионов.
Таким образом, ростовой эффект антибиотиков - сложный и комплексный. Частично он связан с воздействием на микрофлору кишечника. Однако антибиотики и непосредственно влияют на организм животного - у него усиливается аппетит, секреция пищеварительных ферментов, гормонов и т. д. Поэтому антибиотики могут считаться стимуляторами роста, то есть соединениями, проявляющими функцию, свойственную и другим химическим веществам.
Флавомицин (продуцент Str. bambergiensis) применяют как стимулятор роста свиней. Кормовой антибиотик виргиниемицин (продуцент Str. virginiae) продается более чем в 40 странах. Это хороший стимулятор роста, с длительным действием при выращивании животных. В значительных количествах применяют румензин (продуцент Str. cinnamonensis), улучшающий перевариваем ость корма за счет замедления скорости его прохождения по пищеварительному тракту. Имеются сведения о широком использовании тилозина (продуцент Str. fradiae), обладающего широким антимикробным спектром, но в основном действующим на грамположительные микроорганизмы. На кишечную палочку, в частности, он действует слабо. Введение препарата в кормовой рацион свиней способствует большему приросту живой массы, чем другие антибиотики.
Вывод
Нет сомнения, потенциал биотехнологии в наши дни велик. Ей дано -пусть в определенных границах - перевивать по-новому «нить жизни» -ДНК - методами генетической и клеточной инженерии, создавать биообъекты по заранее заданным параметрам и, как обычно добавляют, на благо человечества.
Биотехнология - это интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения.
Биотехнология представляется «страной контрастов», сочетания самых передовых достижений научно-технического прогресса с определенным возвратом к прошлому, выражающимся в использовании живой природы как источника полезных для человека продуктов вместо химической индустрии.
Чаще всего применяется в медицине, пищевой промышленности, также для решение проблем в области энергетики, охране окружающей среды, и в научных исследованиях.
В результате стремительного прогресса разных составных частей физико-химической биологии, возникло новое направление в науке и производстве, получившее наименование биотехнологии. Это направление сформировалось за последние два десятка лет и уже сейчас получило мощное развитие.
Особенно интенсивно биотехнология стала развиваться с 1981 года. Задачи физико-химической биологии очень обширны. Объединяет их то, что основу, суть каждой задачи составляет познание природы живого и использование в практике знаний о процессах и материальных структурах живых организмов. Стремительно расширяющиеся знания о процессах жизнедеятельности позволяют не только приспосабливать эти процессы для практических целей, но и управлять ими, а также создавать весьма перспективные в практическом отношении новые системы, не существующие в природе, хотя и аналогичные существующим.
Список литературы
1. Безбородов А.М. Биосинтез биологически активных веществ микроорганизмами 1984г