Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции

труда, принципиально изменят его качество. Биологизация производства в

целом – одно из важнейших направлений в создании гибких саморегулирующихся производственных процессов будущего, которые гармонично вписываются в природу, не причиняя ей вреда. В настоящее время последствия антропогенной деятельности достигли такой грани, когда дальнейшая некоординируемая деятельность может привести к необратимым изменениям в биосфере в целом, и биосфера может стать непригодной для обитания человека. Разрешение этого противоречия, то есть создание такого равновесия в природе, которое в состоянии привести к гармоничному сосуществованию возрастающего населения планеты и биосферы, возможно только на основе дальнейшего развития науки и техники. Для этого необходимо разумное развитие человеческого общества в целом, направленное не на разрушение биосферы, а на ее дальнейшее развитие. Последнее, в свою очередь, должно оказывать позитивное влияние на дальнейший прогресс человечества, то есть создание ноосферы. Один из основных путей решения данной проблемы –дальнейшее развитие биологии и расширение сферы применения биотехнологии. Внедрение биотехнологии ведет к созданию экологически чистых технологий в различных сферах человеческой деятельности, включая более рациональное использование природных ресурсов и создание замкнутых производственных циклов. 
 
 
 

     2. Антибиотики как пример БАВ, способы получения.

    Антибиотики (антибиотические  вещества) – это продукты обмена микроорганизмов, избирательно подавляющие рост и развитие бактерий, микроскопических грибов, опухолевых клеток. Образование антибиотиков –

одна  из форм проявления антагонизма. В научную  литературу термин веден в

1942 году  Ваксманом, – «антибиотик – против жизни». По Н. С. Егорову:

«Антибиотики  – специфические продукты жизнедеятельности  организмов, их модификации, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов (бактериям, грибам,

водорослям, протозоа), вирусам или к злокачественным  опухолям, задерживая их рост или полностью  подавляя развитие». Специфичность  антибиотиков по сравнению с другими  продуктами обмена (спиртами, органическими кислотами), также подавляющими рост отдельных микробных видов, заключается в чрезвычайно высокой биологической активности. Например, минимальная концентрация эритромицина (0.01–0.25 мкг/мл) полностью подавляет многие грамположительные формы.

    Механизмы повреждающих воздействий антибиотиков на клетки различны. Отдельные антибиотики (пенициллины, новобиоцин, цефалоспорины) подавляют процессы образования клеточных стенок; другие (стрептомицин, полимиксины) изменяют проницаемость мембран; третьи (грамицидины) подавляют окислительное фосфорилирование; хлорамфеникол подавляет отдельные этапы синтеза белка на рибосомах; азасерин и сарколизин вызывают нарушения в процессах синтеза нуклеиновых кислот и т.д.

    Существует  несколько подходов в классификации  антибиотиков: по типу продуцента, строению, характеру действия. По химическому строению

различают антибиотики ациклического, алициклического  строения, хиноны,

полипептиды и др. По спектру биологического действия антибиотики можно

подразделить  на несколько групп:

– антибактериальные, обладающие сравнительно узким спектром действия (пенициллин, эритромицин, грамицидин, бацитрацин), подавляют развитие грамположительных микроорганизмов (стафилококки, стрептококки, пневмококки), и широкого спектра действия (стрептомицин, тетрациклины,

неомицин, хлоромицетин), подавляющие как грамположительные, так и грамотрицительные микроорганизмы (кишечную палочку, дифтерии, брюшного тифа);

– противогрибковые, группа полиеновых антибиотиков (нистатин, гризеофульвин и др.), действующих на микроскопические грибы;

– противоопухолевые (актиномицины, митомицин и др.), действующие на опухолевые клетки человека и животных, а также на микроорганизмы.

    В настоящее время описано свыше 6000 антибиотиков, но на практике

применяется только около 150, так как многие обладают высокой токсичностью для человека, другие – инактивируются в организме  и пр.

    Антибиотики широко применяются в различных  сферах человеческой

деятельности: медицине, пищевой и консервной промышленности, сельском

хозяйстве. Открытие антибиотиков вызвало переворот в медицине. Широко

известно  применение антибиотиков с бактерицидным и бактериостатическим

действием; благодаря антибиотикам стали излечимыми многие инфекционные заболевания (чума, туберкулез, пневмония, брюшной тиф, холера и т.д.).

    В течение многих лет антибиотики  применяют в сельском хозяйстве  в качестве стимуляторов роста сельскохозяйственных животных, средств борьбы с болезнями животных и растений. Антибиотические вещества также широко применяют для борьбы с посторонней микрофлорой в ряде бродильных производств и в консервной промышленности. Однако нельзя не отметить, что длительное и неконтролируемое применение антибиотиков приводит к возникновению и широкому распространению в микробных популяциях R-фактора устойчивости к антибиотикам, передающегося от одной бактериальной клетки к другой при помощи плазмид в процессе конъюгации. Средствами борьбы с проявлением лекарственной устойчивости к антибиотикам служат обоснованное и строго контролируемое их применение и получение новых, модифицированных антибиотических препаратов, обладающих биологической активностью к резистентным формам.

    Способность синтезировать антибиотики широко распространена среди

различных представителей микробного мира. Связи  между таксономическим

положением  микроорганизмов и способностью синтезировать тот или иной

антибиотик  нет. Так, микроорганизмы, принадлежащие  к одной группе, способны синтезировать  самые разнообразные по химическому  строению и действию антибиотики, и  один и тот же антибиотик может  продуцироваться различными микроорганизмами. Продуцентами антибиотиков являются бактерии, актиномицеты, мицелиальные грибы.

    Описано около 600 антибиотиков, которые синтезируются  бактериями.

Эти антибиотики  по химическому строению принадлежат  к полипептидам и

низкомолекулярным белкам. Однако в промышленных масштабах  выпускается незначительное число  антибиотиков бактериального происхождения.

    Важнейшие их них: грамицидин (Bacillus brevis), полимиксины (Bac.

polymyxa, Bac. circulans), бацитрацины (Bacillus licheniformis), низины (Streptococcus lactis). Самое большое количество (свыше 70 %) антибиотиков, выпускаемых промышленностью и широко применяемых, синтезируется актиномицетами. Среди них – антибиотики различного химического строения, которые относят к нескольким группам: а) аминогликозиды – стрептомицин (Streptomyces griseus), неомицины (Streptomyces fradiae, Str. albogriseolus), канамицины (Str. kanamyceticus), гентамицины (Micromonospora purpurea) и др.; б) тетрациклины – хлортетрациклин (Str. aureofaciens), окситетрациклин (Str. rimosus); в) актиномицины – большая группа близких по строению препаратов, синтезируемых различными микроорганизмами, в том числе (Streptomyces antibioticus, Str. chrysomallus, Str. flavus); г) макролиды – эритромицин (Streptomyces erythreus), олеандоимицин (Str. antibioticus), магнамицин (Str. halstedii), филипин (Str. filipensis); д) анзамицины – стрептоварицины (Str. spectabilis), рифамицины (Nocardia mediterranea), галамицины (Micromonospora halophytica), нафтамицин (Str. collinus) и др.

    Мицелиальные грибы также синтезируют достаточно большое количество антибиотиков (около 1200). Наиболее известны среди них следующие: пенициллины (Penicillium chrysogenum, P. brevicompactum, Aspergillus flavus, Asp. nidulans), цефалоспорины (Cephalosporium acremonium), фумалгин (Aspergillus fumigatus), гризеофульвин (Penicillium nigricans, P. griseofulvum), трихоцетин (Trichthecium roseum).

    Синтез  антибиотиков микробными клетками –  это специфический процесс обмена веществ, возникший и закрепленный в процессе эволюции организма. Каждый микробный вид способен образовывать один или несколько вполне определенных антибиотических веществ. Выделенные из природных источников, так называемые «дикие» штаммы обладают низкой антибиотической активностью. В промышленности применяют в качестве продуцентов штаммы, которые по сравнению с исходными штаммами обладают повышенной на 2–3 порядка антибиотической активностью. Это достигается, как и во многих других биотехнологических процессах, двумя способами: генетическими усовершенствованиями организмов и оптимизацией условий ферментации.

    Антибиотики – это вторичные  продукты обмена микроорганизмов,

(идиолиты). Характерной особенностью развития продуцентов антибиотических веществ является ярко выраженная двухфазность: в первой фазе развития микроорганизмов происходит накопление биомассы, во второй – синтез антибиотика. При этом очень важно создать условия ферментации, адекватные этой двухфазности с учетом ингибирующего действия антибиотика как продукта обмена на продуцент.

    Нельзя  не отметить, что создание промышленности антибиотиков крупнейшее достижение биологии нашего столетия. Организация этого  производства потребовала коренных преобразований существующей микробиологической промышленности: при этом были решены вопросы обеспечения строжайших условий стерильности в ходе всех стадий биотехнологического процесса, разработаны и созданы эффективная аппаратура с высокими газодинамическими характеристиками, средства борьбы с сильным пенообразованием, методы получения стерильных препаратов антибиотиков высокой степени чистоты. Распространение этих достижений и применение их в других, сложившихся биотехнологических процессах, основанных на жизнедеятельности микроорганизмов, сыграло решающую роль в становлении современной биотехнологии в целом.

    В процессах производства антибиотиков очень большое значение имеет

правильный  выбор состава питательной среды. В зависимости от природы

используемого микроорганизма в качестве источника  углерода возможно применение различных субстратов. Например, для получения пенициллина

лучшим  источником углерода и энергии служат глюкоза и лактоза; грамицидина  – глицерин и соли янтарной кислоты; стрептомицина и неомицина –глюкоза. При разработке состава среды для каждого отдельного продуцента индивидуально подбирают не только тип углеродного субстрата, но и его концентрацию. В качестве источника азота многие продуценты антибиотиков используют восстановленные формы (аммоний и аминокислоты), однако некоторые предпочитают нитраты. Когда источник азота должен присутствовать в виде готовых аминокислот, полипептидов или белков, используют пшеничную и кукурузную муку, экстракты дрожжевой биомассы. Большое значение имеет также концентрация в среде фосфора, а также других минеральных элементов (серы, марганца, железа, кобальта и др.). В ряде случаев существенного увеличения выхода антибиотического вещества достигают в результате внесения в среду предшественников синтеза конкретного антибиотика. В связи c интенсивным пенообразованием, сопровождающим процесс синтеза антибиотиков, в состав среды вводят пеногасители (растительные и животные жиры, минеральные масла).

    Помимо  состава среды, большое влияние  на выход антибиотиков оказывают  другие физико-химические факторы среды: рН, температура, обеспечение кислородом, которые подбираются и задаются индивидуально для каждого продуцента. На предферментационной стадии получают инокулят из музейной культуры и готовят питательную среду. После стерилизации технологического оборудования и среды в ферментер вносят требуемое количество инокулята и начинают процесс ферментации. В промышленности используют аппараты различной емкости, от 500 л до 100 м3 и более. В ходе ферментации культура непрерывно аэрируется стерильным подогретым воздухом. Температура среды, рН и ряд других параметров автоматически регулируются в соответствии с регламентом производства конкретного антибиотика.

    Процесс ферментации осуществляется в строго стерильной, глубинной,

аэробной  и периодической культуре и носит  выраженный двухфазный характер. Первая фаза сбалансированного роста (тропофаза) характеризуется быстрым накоплением биомассы продуцента на фоне исчерпания углеродного субстрата, а также азота, фосфатов и др. При этом может наблюдаться некоторое изменение величины рН; синтез антибиотиков отсутствует. На второй фазе (идиофаза) прирост биомассы прекращается, может иметь место снижение концентрации клеток в культуре в результате гибели и лизиса части популяции. При этом среда обогащается продуктами обмена и продуктами автолиза погибших клеток, и начинается активный процесс синтеза антибиотиков. Исключительно важным на этом этапе становится правильно организованный режим пеногашения. Наряду с пеногасителями химической природы, дополнительно применяют механическое пеногашение с использованием специальных устройств. В большинстве случаев антибиотики выделяются в культуральную среду, хотя возможно и сохранение их внутри клеток. Локализация антибиотика, а также сфера применения последнего определяют специфику приемов постферментационной стадии. Если антибиотик находится в клетках, на первом этапе обработки биомассу выделяют из культуральной жидкости (фильтрацией или центрифугированием); далее после разрушения клеток антибиотик экстрагируют и переводят в растворимую фазу.