Основы биотехнологии переработки сельскохозяйственной продукции

    Затем данный раствор, а также культуральные среды (если антибиотик в

процессе идиофазы выделяется из клеток в среду) подвергают различным методам экстракции, разделения, очистки и концентрирования для получения

готового  продукта. Особенность процедуры  выделения и очистки антибиотиков – разбавленные исходные растворы (около 1 %) и возможность инактивации антибиотика в ходе постферментационной стадии. Цель всех процедур постферментационной стадии – получение стерильных препаратов высокой степени чистоты. Особенно высокие требования предъявляют к антибиотикам медицинского назначения. Поэтому выделение, очистка, концентрирование, высушивание, а также расфасовка и упаковка медицинских антибиотиков осуществляются в асептических условиях. Готовый продукт подвергается тщательному биологическому и фармакологическому контролю. Биологический контроль определяет степень стерильности препарата. В ходе фармакологического контроля проводят всесторонние испытания препарата на токсичность, пирогенность, токсикогенность и пр., устанавливают максимально переносимую дозу антибиотика, дозы, вызывающие полную и 50 %-ю гибель экспериментальных животных. Готовая форма лекарственного препарата антибиотического вещества поступает к потребителю с указанием биологической активности и даты выпуска.

    Антибиотики немедицинского назначения, применяемые  в сельском хозяйстве, получают также в условиях строго стерильной регламентированной культуры, однако готовый продукт представляет собой высушенную биомассу продуцента или культуральную среду. В таком препарате, помимо антибиотика, содержатся также другие биологически активные вещества (витамины группы В, ферменты, витамины, аминокислоты). Наиболее известны среди применяемых в качестве кормовых антибиотических препаратов биовит и биомицин, являющиеся препаратами хлортетрациклина, а также гризин, бацитрацин, гигромицин и др. Подавляя развитие болезнетворных микроорганизмов, тем самым снижая заболеваемость и смертность, антибиотики ускоряют рост и развитие животных и птицы. Так, применение антибиотиков в свиноводстве обеспечивает дополнительный привес от каждой тысячи животных до 120 ц при сокращении расхода кормов на 5–10 %. При добавлении антибиотиков в корм кур-несушек можно дополнительно получить до 15 тыс. яиц в год от 1000 кур. В течение последних 25 лет антибиотики применяют также для борьбы с фитопатогенами, возбудителями которых являются микроорганизмы. Антибиотические вещества наносят на вегетативные части растения, а также на семена или вносят в почву. В результате селективного действия на фитопатогенные микроорганизмы антибиотики задерживают рост или убивают микроорганизмы-возбудители, не нанося вреда растению. Наиболее эффективными фитопатогенными препаратами считаются трихотецин, полимицин, фитобактериомицин, гризеофульвин.

    Поиск продуцентов новых антибиотиков непрерывно продолжается.

    Огромные  перспективы для получения высокопродуктивных штаммов открываются в связи  с развитием новейших методов  клеточной и генетической инженерии. Помимо усовершенствования природы микроорганизмов-продуцентов антибиотических веществ, оптимизации аппаратуры и технологий, большое значения для получения нового спектра препаратов, обладающих более ценными свойствами по сравнению с исходными, имеет так называемая модификация антибиотиков и получение полусинтетических препаратов.

    Полученные  микробиологическим путем антибиотики  подвергают химической модификации, в  результате которой возможно получение  препаратов с более выраженным физиологическим действием.

       3. Изоляция микроорганизмов  из природы для  биотехнологической переработки сельскохозяйственной продукции.

       (Приготовление кормов для сельскохозяйственных животных)

       Растительный  материал для скармливания скоту (трава, сочные корма, а также капуста, огурцы и помидоры) можно сохранить в  виде силоса с помощью молочнокислого брожения под действием природных  популяций микроорганизмов, ассоциированных  с наземными частями растений. Образующаяся при силосовании молочная кислота снижает рН корма и тем самым консервирует его. После силосования корма могут храниться довольно долго, но, как правило, их хранят до следующего урожая.

       Материалы для хорошего силоса богаты углеводами и содержат относительно немного  белка и воды. Это зеленая масса  кукурузы, большинства зерновых, подсолнечника  и турнепса. Медоносные травы, клевер, сено обычно силосовать труднее, а вика и горох не подвергаются силосованию.

     Скошенную траву или сочные корма, приготовленные для силосования, режут, подсушивают, прессуют и закладывают в силосные башни, наземные хранилища или в  силосные ямы для создания анаэробных условий. На начальном этапе силосования  аэробные микроорганизмы и факультативно  анаэробные энтеробактерии потребляют весь кислород в растительной массе. Это способствует преимущественному развитию и доминированию гомоферментативных лактобацилл, стрептококков, лактококков и лейконостока, которые образуют молочную кислоту и постепенно снижают рН до 4,0. При недостаточно быстром закислении может начаться рост Clostridium butyricum, который превращает лактат в масляную кислоту, придающую корму неприятный вкус и запах. Силос становится несъедобным для животных. Росту этого микроорганизма препятствует достижение значения рН ниже 4,5. На более поздних стадиях силосования преобладают кислотоустойчивые Lactobacillus plantarum, L. fermentum и L. brevis.

     При производстве другого вида корма  – сенажа, брожению подвергается подсушенная  растительная масса с влажностью 50-65%. Несмотря на довольно высокое значение рН (около 5) гнилостные процессы происходят очень медленно, а процесс молочнокислого брожения активизируется за счет развития устойчивых к понижению активности воды представителей рода Lactobacillus. В сенаже содержатся умеренные количества лактата и ацетата.

     В качестве дополнительного корма  для животных могут быть использованы белково-витаминные концентраты (БВК) из биомассы различных микроорганизмов, выращенных на отходах пищевой промышленности. Некоторые индивидуальные вещества микробного происхождения (ферменты, аминокислоты, органические кислоты, витамины) также  могут применяться как кормовые добавки, улучшающих структуру и  усвоение кормов.

     Микробиологические  процессы получения  биопрепаратов для  сельского хозяйства

     Биопрепараты  комплексного действия на основе микроорганизмов  рассматриваются как альтернатива различным химическим препаратам (минеральным  удобрениям, пестицидам и т.д.), применяемым  в земледелии.

     Для предпосевной обработки семян бобовых  растений во многих странах используют препараты клубеньковых бактерий. Наиболее эффективен этот прием в случае внедрения  новых культур бобовых на вновь  осваиваемых посевных площадях, так  как позволяет обеспечить тесный контакт потенциальных симбионтов, обеспечивает быстрое образование  клубеньков и эффективную симбиотическую азотфиксацию. Обработка семян препаратами при посеве давно возделываемых бобовых культур на прежних посевных площадях также дает прибавку к урожаю за счет обеспечения контакта растения с высокоактивными видоспецифичными штаммами клубеньковых бактерий. Применение таких биопрепаратов позволяет не только снизить дозы минеральных азотных удобрений, но и положительно влияет на качество урожая бобовых, повышая содержание белка и витаминов в зерне. Препараты на основе клубеньковых бактерий имеют разные названия (нитрагин, нитразон, ризоторфин и др.). При их приготовлении используют стерильные или нестерильные носители (почва, торф), содержащие необходимые питательные вещества, в которые вносят суспензию клубеньковых бактерий, иногда выдерживают препарат в термостате для подращивания культуры, а затем фасуют в тару различного объема. Перед посевом препарат разводят водой и обрабатывают им семена.

     Использование в качестве биопрепаратов культур  микроорганизмов ризоферы и ризопланы обусловлено не только их способностью к ассоциативной азотфиксации, но и выработкой биологически активных по отношению к растениям веществ (стимуляторов роста, витаминов, антибиотических соединений, активных против фитопатогенных микроорганизмов). Для приготовления препаратов используют чистые или смешанные культуры представителей родов Azotobacter, Azospirillum, Agrobacterium, Arthrobacter, Enterobacter, Bacillus, Pseudomonas и др. Водной суспензией препарата обрабатывают поверхность семян или корневую систему растений. Как правило, положительные стабильные результаты применение препаратов дает на хорошо окультуренных, богатых органикой почвах (в теплицах, оранжереях). В настоящее время предлагается широкий спектр препаратов под разными названиями и на основе разных микроорганизмов (азотобактерин, азоризин, агрофил, мизорин, ризоагрин, псевдобактерин и т.д.).

     Цианобактериальные препараты применяют в ряде стран на обводненных и затопляемых почвах, например, при выращивании риса. Массу цианобактерий получают в специальных бассейнах, внося туда маточную культуру (обычно это представители родов Anabaena и Nostoc). В некоторых странах Азии в качестве «зеленого удобрения» используют водный папоротник азолла, несущий на листьях симбиотического диазотрофа Anabaena azollae. Размножают растение в небольших водоемах, а потом запахивают в почву рисовников, либо переносят на поверхность воды рисовых полей. Отмирающая масса папоротника минерализуется, и соединения азота становятся доступными растениям риса.

     Ряд биопрепаратов применяют для  активизации микробиологических процессов  в почвах. Это, например, фосфоробактерин на основе спор Bacillus megaterium для повышения доступности фосфора для растений; бактогумин, содержащий смешанную культуру микроорганизмов разных физиологических групп, для изготовления биологически активных грунтов; комплексные биопрепараты почвенных бактерий для применения под овощные и плодовые культуры, в основном, в защищенном грунте и т.д.

     Для защиты сельскохозяйственных растений от поражения фитопатогенными грибами  препараты на основе микроорганизмов-антагонистов (обычно бактерий родов Pseudomonas и Azotobacter и грибов рода Trichoderma) вносят в почву или обрабатывают ими семена и корни высаживаемых растений. К сожалению, в природной обстановке активность таких препаратов существенно снижается, так как вносимые микроорганизмы не всегда способны выдержать конкуренцию с естественной микробиотой почвы.

     Для борьбы с вредителями сельского  хозяйства широко применяют микробиологические методы. С помощью бактерий и грибов получают энтомопатогенные препараты, обладающие избирательной токсичностью для личинок и взрослых особей многих насекомых, но не опасные для  других членов экосистемы и человека. Например, белковые кристаллы Bacillus thuringiensis вызывают паралич у личинок перепончатокрылых при попадании в их кишечник. Энтомопатогенный препарат представляет собой высушенные клетки бацилл в фазе начала споруляции, когда образуются белковые кристаллы токсина. Перед применением порошок разводят в воде и распыляют на листья растений. Для защиты растений также используют культуры возбудителей инфекционных болезней насекомых и грызунов, вызывающих эпизоотии среди этих вредителей, но не патогенных для других животных.

     В традиционном земледелии большинство  органических остатков превращается в  органические удобрения в результате компостирования. Компостирование  – это увеличение скорости природной  минерализации отмершего органического  вещества. В настоящее время компостирование  завоевывает все большую популярность в развитых странах как альтернатива промышленным и бытовым свалкам  больших городов. Компостирование  приводит к:

     1. уменьшению объема отходов;

     2. снижению содержания органического  вещества в отходах;

     3. улучшению их физических характеристик,  что позволяет складировать отходы  более компактно;

     4. уменьшению количества микроорганизмов,  патогенных для растений, животных  и человека, а также семян сорняков;

     5. сокращению площадей, отчуждаемых  под полигоны для свалок.

     При компостировании сначала отделяют биодеградабельную часть отходов от не перерабатываемой микроорганизмами (пластика, металлов, стекла). Оставшаяся часть органических отходов смешивается с порцией старого компоста («посевной материал») и с органическими веществами, которые перерабатываются медленно (щепа, нарезанная бумага, подсолнечная шелуха), для создания рыхлой структуры и лучшей вентиляции компоста. Компостирование осуществляют в длинных, но не очень высоких (до 2 м) грядах, которые время от времени перемешивают для более равномерного прохождения процесса. Появления неприятного запаха (сероводорода, меркаптанов) избегают, накрывая компостные кучи слоем почвы. 
 
 
 

    4. Кинетика ферментативных реакций

    Кинетика  ферментативной реакции (т. е. зависимость  скорости реакции от ее условий) определяется в первую очередь свойствами катализатора, вследствие чего она значительно  сложнее, чем кинетика некаталитических реакций.

    А. Модель Михаэлиса-Ментен

    Полный  математический анализ ферментативной реакции приводит к сложным уравнениям, не пригодным для практического  применения. Наиболее удобной оказалась  простая модель, разработанная в 1913 г. Она объясняет характерную  гиперболическую зависимость активности фермента от концентрации субстрата (1) и позволяет получать константы, которые количественно характеризуют эффективность фермента.

    Модель  Михаэлиса-Ментен исходит из того, что вначале субстрат А образует с ферментом E (З) комплекс, который превращается в продукт В намного быстрее, чем в отсутствие фермента. Константа скорости kкат (2) намного выше, чем константа некаталитической реакции k. Константу kкат называют еще «числом оборотов» поскольку она соответствует числу молекул субстрата, превращаемых в продукт одной молекулой фермента за 1 с. Согласно этой модели, активность фермента определяется долей комплекса EA от общей концентрации фермента [E] t , т. е., отношением [EA] / [E] t  (З). С целью упрощения модель предполагает, что E, А и ЕА находятся в химическом равновесии согласно закону действующих масс, что дает в итоге для диссоциации комплекса EA уравнение: