Биотехнологии для сельского хозяйства
Сельское хозяйство можно подразделить на две основные отрасли – животноводство и растениеводство. Биотехнология имеет достижения, помогающие обеим отраслям.
Промышленная биотехнология поставляет животноводству кормовой белок или белково-витаминные концентраты, незаменимые аминокислоты и кормовые антибиотики, стимуляторы роста животных (см. предыдущие разделы). Кроме того, в настоящее время в разных странах производят более 100 видов биопрепаратов, применяемых в растениеводстве. Это препараты микробного происхождения против вредных насекомых: энтобактерин, инсектин, токсобактерин, боверин, вирин, а также гербициды, фунгициды, бактериальные удобрения: нитрагин, азотобактерин, фосфоробактерин. Использование биологических средств защиты растений регуляторов роста, микробных удобрений позволяет снизить дозы применяемых химических средств защиты и минеральных удобрений, что приводит к повышению качества продукции и созданию экологически чистых технологий.
Биотехнологии для охраны природы
Основой биотехнологических методов защиты окружающей среды является многообразие путей обмена веществ микроорганизмов: среди множества вариантов найдется хотя бы один представитель, способный утилизировать самые необычные, в том числе и токсичные соединения.
Биологическая очистка стоков. Существуют микроорганизмы, для которых загрязнения, содержащиеся в сточных водах, являются питательными веществами. Разработан метод аэробной биологической очистки сточных вод с помощью активного ила – сложной смеси микроорганизмов. В больших резервуарах с перемешиванием и постоянной аэрацией жидкости перерабатываются большие объемы хозяйственно-бытовых и промышленных стоков. Обычная очистка удаляет в основном органические загрязнения. Если же в стоках содержатся тяжелые металлы (медь, никель, кадмий, хром свинец и др.), то требуются дополнительные меры очистки. Имеются определенные виды микроорганизмов, которые способны осаждать на себя (сорбировать) металлы, растворенные в жидкости. Концентрация металлов при этом возрастает настолько, что после тепловой обработки биосорбент можно рассматривать как сырье для получения цветных металлов.
Биокомпостирование твердых отходов. Аналогом аэробной очистки стоков является аэробное биокомпостирование твердых отходов. Твердые отходы смешиваются с микроорганизмами, разлагающими вредные загрязнения, и балластным материалом типа торфа, который обеспечивает доступ кислорода к микроорганизмам. Это позволяет превратить отходы в удобрение или просто использовать их в качестве подсыпки для дорог, в строительстве и других случаях.
Анаэробный способ переработки отходов основан на свойстве некоторых микроорганизмов в отсутствии кислорода разлагать органические вещества с образованием биогаза, состоящего на 65% из метана и на 30% из диоксида углерода. Процесс протекает в специальных аппаратах – метан-тенках, где накапливающийся газ находится под некоторым давлением. Метановое брожение применяют для переработки избыточного осадка активного ила, образующегося при работе установок биологической очистки сточных вод. Сброженный осадок, если только он не содержит повышенных концентраций тяжелых металлов, успешно используют как удобрение. От лучше исходного осадка по составу, и в нем почти полностью отсутствуют болезнетворные организмы. Метановое брожение применяют также для переработки концентрированных жидких отходов. С середины XX века процесс анаэробного сбраживания с получением биогаза стал очень популярен применительно к отходам животноводческих ферм, особенно в Индии и Китае. Выделяющийся при переработке отходов метан может быть использован для отопления.
Биологическая очистка газовых выбросов. Многие выбросы промышленных предприятий в атмосферу содержат вредные или дурно пахнущие примеси. Для их очистки применяют биофильтры, заполненные насадкой, на которой закреплены специальные микроорганизмы. Вредные примеси сорбируются на насадке и затем потребляются и обезвреживаются микроорганизмами.
Биодеградация нефтяных загрязнений на почве и воде. При аварийных разливах нефти загрязненные территории обрабатывают специально выращенными нефтеокисляющими микроорганизмами, внося различные добавки для их азотистого и фосфорного питания. Это позволяет утилизировать углеводы нефти, превращая их в биомассу микроорганизмов и диоксид углерода.
Потребление энергетических ресурсов в мире намного превосходит процессы восстановления запасов полезных горючих ископаемых. Все ускоряющиеся темпы развития цивилизации приводят к истощению энергетического потенциала планеты. Мощный потенциальный источник энергии – биомасса зеленых растений, которые являются консервантами солнечной энергии. Растительный покров земли составляет более 1800 миллиардов тонн сухого вещества, что энергетически эквивалентно 3 . 1022 Дж и соответствует запасам энергии всех полезных ископаемых. В отличие от нефти, газа или каменного угля растения являются возобновляемым сырьем. Превращение растительной биомассы в энергию может помочь решить энергетические проблемы. Значительную долю энергетического потенциала растительной биомассы используют путем непосредственного сжигания дров, древесного угля, сухого навоза. Однако такое использование малоэффективно, так как при этом реализуется только 10% энергозапасов, окружающая среда загрязняется дымом, в атмосфере накапливается диоксид углерода. Конверсия биомассы в биогаз и биоэтанол дает возможность реализовать 50-80% потенциальной энергии без загрязнения атмосферы и практически без отходов (отходы служат высококачественным удобрением).
Впервые идея применения этанола для энергетических целей возникла в 1975 году в Бразилии, а к 1997 году было сэкономлено 35,6 миллиардов долларов на уменьшении потребления нефти. Затем подобная программа была разработана в США и Канаде. Начинается применение биоэтанола и в нашей стране. Биоэтанол используется в качестве моторного топлива либо в чистом виде, либо с добавлением бензина, например, газохол содержит 10% этанола, биодизель – 15, газолин – 24%. Масштабы производства этанола с каждым годом увеличиваются.
Современные методы биотехнологии
Полученные в последние десятилетия научные данные не только существенно расширили представления о микроорганизмах, но и позволили создать новые высокопродуктивные формы. Открытие методов получения наследуемых изменений, или мутаций, позволило усилить полезные свойства промышленных микроорганизмов и ослабить нежелательные. Новые штаммы обеспечивают значительно большую эффективность и безопасность их использования. Например, активность современных антибиотиков в 5000 раз превосходит активность первого пенициллина, полученного в 30-х годах XX века. Формы промышленных микроорганизмов с повышенной продуктивностью при тех же затратах на производство позволяют получить больше витаминов, аминокислот, антибиотиков и других ценных веществ. Микроорганизмы с измененной формой питания способны использовать более дешевый субстрат.
Генетическая инженерия видоизменила структуру и содержание современной биотехнологии. Во-первых, существенно повысилась продуктивность промышленных микроорганизмов – продуцентов классических продуктов путем введения дополнительных генов, увеличения их количества и активности. Во-вторых, вводя в микробную клетку новые гены, удалось изменить питательные потребности микроорганизма. Далее, микроорганизмы «научили» синтезировать несвойственные им вещества и таким образом увеличили разнообразие биотехнологической продукции. Некоторые белки человека, клонированные в микробной клетке, в том числе инсулин, интерфероны, интерлейкины, находят в настоящее время терапевтическое применение. Наконец, подверглась пересмотру вся логика селекции микроорганизмов-продуцентов. Так, если раньше искали активный штамм и затем создавали конкретную биотехнологию с учетом физиологических особенностей продуцента, то теперь можно взять приспособленный к условиям производства штамм и ввести в него генную конструкцию, которая обеспечит синтез целевого продукта.
К числу важных практических достижений генной инженерии необходимо отнести получение диагностических препаратов. Сегодня уже более 200 новых диагностикумов введены в медицинскую практику, разработаны способы диагностики такого опасного заболевания, как СПИД.