1

1. Загальна біотехнологія
Лектор: доц. Пенчук Ю.М.

2. Екологічна біотехнологія

3. Специфічне застосування біотехнологічних методів для рішення
проблем навколишнього середовища, таких, як переробка відходів,
очищення води, усунення забруднень, становить предмет
екологічної біотехнології.
Екологічна біотехнологія - це новітній підхід до охорони й
збереження навколишнього середовища при спільному використанні
досягнень біохімії, мікробіології, генетичній інженерії й хімічних
технологій.
У процесі круговороту забруднюючих речовин в єкосистемах
величезну роль грають мікроорганізми. Крім використання
діяльності мікроорганізмів у харчовій, фармацевтичній, хімічній
промисловості й у генній інженерії з'явилася можливість їхнього
застосування для переробки відходів життєдіяльності людини.
Однак багато створених людиною низькомолекулярних з'єднань
(отрутохімікати, детергенти) і високомолекулярних полімерів
виявилися стійкими й не розкладаються мікроорганізмами, а деякі з
них проявляють біологічну активність: мають мутагенну,
канцерогенну, тератогенну властивості, порушують структуру
клітини.

4. Речовини, небезпечні для життєдіяльності людини:
Речовини, що проявляють канцерогенний, мутагенний ефект:
Хлорорганические: ДДТ, полихлорпирен, полихлоркамфен,
гексахлорбутадиен;
Похідні дитиокарбаминовой кислоти: цирам, цинеб, ТМТД;
Похідні карбаминовой кислоти: беномил, пиримор, бетанал;
Похідні сечовини: которан;
Інші: хлорофос, фталофос, базудин, гетерофос, дихлофос, каптан, фолфет,
каптофол.
Речовини, що викликають резистентність у шкідників, патогенів і бур'янів:
Інсектициди й акаріциди - ДДТ, токсафен, эндрин, малатион, фосмет,
хлорофос, араміт;
Фунгіциди - мідний купорос, каптан, агрозан, додин, фталан, цинеб, родан,
фігон.
Речовини, що стимулюють відкладення яєць і розмноження шкідників
ДДТ, меркаптофос, диметеоат, метилмеркаптофос.
Деякі речовини, що забруднють біосферу, по своєму походженню є
природними з'єднаннями. Наприклад, компонент деревини лігнін, що
утворюється в значних кількостях як відхід целюлозно-паперової
промисловості, - небезпечний полютант. До числа забруднюючу біосферу
речовин природного походження належать і багато ароматичних й
галогенмістких вуглеводнів.

5. Біотрансформація ксенобіотиків
Чужорідні речовини (ксенобіотики), потрапляючи в організм людини й тварин,
перетерплюють різну биотрансформацию: окислювання, відновлення, гідроліз,
кон'югацію й інші процеси за участю ферментних систем.
Приклади процесів біотрансформації деяких ксенобіотиків і забруднюючих
речовин:
окислювання симазина з утворенням канцерогену;
окислювання диэтиламина з утворенням канцерогенного продукту в шлунку
ссавців;
окислювання (єпоксидаці) альдрина з утворенням токсичного
єпоксидадієльдрина (реакція протікає в організмі хребетних, а також
здійснюється багатьма ґрунтовими організмами);
відновлення чотирьохлористого вуглецю в печінці з утворенням проміжного
трихлорметильного радикала, здатного вступати в реакції окислювання й
переводити інші молекули в перекисні з'єднання, що викликають ушкодження
печінки;
трансформація оксиду миш'яку з утворенням триметилированного похідного
миш'яку.
Серед ксенобиотиків, внесених людиною в біосферу, чимала частина
ставиться до похідних нафталіну й саліцилової кислоти. У перетворенні цих
з'єднань бере участь велика кількість ферментів.

6. Одержання екологічно чистої енергії. Біогаз
Екологічно чисту енергію можна одержувати шляхом перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою сонячних колекторів, а також з
біогаза й мікробного єтанолу.
Біогаз — це суміш із 65 % метану, 30 % З2, 1 % сірководню й незначних домішок азоту, кисню, водню й вигарного газу. Енергія, укладена в 28 м3
біогазу, еквівалентна енергії: 16,8 м3 природного газу; 20,8 л нафти; 18,4 л дизельні палива. В основі одержання біогазу лежить процес метанового
бродіння, або біометаногенез - процес перетворення біомаси в енергію.
Біометаногенез — складний мікробіологічний процес, у якому органічна речовина розкладається до діоксиду вуглецю й метану в аеробних умовах.
Мікробіологічному анаєробному розкладанню піддаються практично всі з'єднання природного походження, а також значна частина ксенобиотиків
органічної природи. В анаєробному процесі біометаногенеза виділяють три послідовні стадії, у яких беруть участь понад 190 різні мікроорганізми.
На першій стадії під впливом єкстрацелюлярних ферментів ферментативному гідролізу піддаються складні багато вуглецеві сполуки — білки, ліпіди
й полісахариди. Разом з гідролітичними бактеріями функціонують і мікроорганізми, які зброджують моносахариди, органічні кислоти.
На другій стадії (ацідогенез) у процесі ферментації беруть участь дві групи мікроорганізмів: ацетогенніе й гомоацетатні. Ацетогенні Н2-продукуючі
мікроорганізми зброджують моносахариди, спирти й органічні кислоти з утворенням Н2, СО2; нижчих жирних кислот, в основному ацетату, спиртів і
деяких інших низькомолекулярних з'єднань. Деградація бутирата, пропіоната, лактата з утворенням ацетату відбувається при спільній дії
ацетогенних Н2-продукуючих і бактерій, що утилізують Н2. Гомоацетатні мікроорганізми засвоюють Н2 і СО2, а також деякі одновуглецеві з'єднання
через стадію утворення ацетил-КоА й перетворення його в низькомолекулярні кислоти, в основному в ацетат.
На заключній третій стадії анаєробного розкладання відходів утворюється метан. Він може синтезуватися через стадію відновлення СО2
молекулярним воднем, а також з метильної групи ацетату. Деякі метанові бактерії здатні використовувати як субстрат форміат, СО2, метанол,
метиламін і ароматичні сполуки.
Особливе місце в утилізації відходів займає метанове бродіння. Воно дозволяє одержувати з місцевої сировини біогаз як локальне джерело енергії,
а також поліпшувати якість органічного добрива й захищати навколишнє середовище від забруднень. Екологічно чисті джерела енергії не
впливають негативно на навколишнє середовище. Сучасні джерела енергії — ГЕС, ТЕС, АЕС — викликають серйозні порушення в зовнішнім
середовищі. ГЕС (гідроелектростанції) служать причиною затоплення територій, зміни ландшафту, загибелі біоценозів. ТЕС (теплоелектростанції)
забруднюють атмосферу, порушують альгологічний баланс, викликають відчуження земель. АЕС (атомні електростанції) створюють погрозу
радіаційного забруднення. Спалювання нафти й газу викликає підвищення концентрації З2, утворення смогу й, крім того, зменшення ресурсів нафти
й газу.
90 -95 % використовуваного вуглецю метаноутворюючі бактерії перетворюють у метан і лише 5-10% вуглецю перетворюються в біомасу. У
літературі є дані про здатності метаноутворюючих бактерій в анаєробних умовах одночасно синтезувати й окислювати метан.
При анаєробної переробці відходів тваринницьких ферм мікрофлора метантенків (анаєробних ферментаторів) формується переважно з
мікрофлори шлунково-кишкового тракту даного виду тварин і мікрофлори навколишнього середовища. З найбільше що часто зустрічаються культур
слід зазначити Lactobacillus acidophilus, Butyrivibrio fibrisolvens, Peptostreptococcusproductus, Bacteroides uniformis, Eubacterium aerofacien,.
Bacteroides succinoqenes і Ruminococcus flavefaciens, Methanobacterium mobile, Methanobrevibacter ruminantium і Methanosarcina ssp. Після певного
строку роботи метантенку при встановленому температурному режимі й на постійному субстраті утворюється порівняно стабільний консорціум
мікроорганізмів.
Рис. 2.6. Схема пристрою реактора для обробки сільськогосподарських відходівДля одержання біогазу можна використовувати відходи сільського
господарства, зіпсовані продукти, стоки крохмальпереробних підприємств, рідкі відходи цукрових заводів, побутові відходи, стічні води міст і
спиртових заводів. Процес ведеться при температурі 30—60 °С и рН 6 — 8. Цей спосіб одержання біогазу широко застосовують в Індії, Китаю,
Японії.
Сучасний стан проблем і перспектив в області одержання біогазу свідчить про те, що анаєробна конверсія органічних відходів у метан - найбільш
конкурентоспроможна область біоенергетики. Основна перевага біогазу полягає в тому, що він є поновлюваним джерелом енергії. Його
виробництво буде так само довгостроково, як існування життя на Землі.

7. Виробництво етанолу
Енергію можна одержувати з рослин, багатих углеводами, перетворюючи їх у спирт (єтанол). До них
відносяться меляса, картопля, маніок, стебла кукурудзи, злаки, топінамбур (земляна груша). Велика
кількість єтанолу одержують із гідролізатів деревини листяних порід або із сульфітних лугів - відходів
паперових фабрик. Отриманий спирт можна змішувати з бензином у співвідношенні 1:9 (або навіть 1:4)
і заправляти їм машини.
Зростання виробництва єтанолу пов'язане із широтою його застосування в хімічній промисловості. Він
прекрасний розчинник, антифриз, єкстрагент. Єтанол служить також субстратом для синтезу багатьох
розчинників, барвників, лікарських препаратів, мастильних матеріалів, клеїв, мийних засобів,
пластифікаторів, вибухових речовин і смол для виробництва синтетичних волокон. Його
використовують у двигунах внутрішнього згоряння або в безводному виді, або у формі гідратованого
єтанолу. Серед рослин, що застосовують для виробництва етилового спирту, варто виділити маніок,
злаки (особливо кукурудзу) і топінамбур. Використовуються також цукровий очерет, ананас, цукровий
буряк, сорго, у яких основний вуглевод - сахароза. При переробці цукрового очерету його ретельно
давлять, целюлозу (гніт) відокремлюють від солодкого соку й спалюють, а сік концентрують,
стерилізують і піддають шумуванню. Цей розчин відокремлюють від твердих компонентів і далі з 8
-10%-го спиртового розчину шляхом перегонки одержують єтанол. З рідини, що залишилася (стіллаж)
після відповідної переробки витягають компоненти добрив з виходом 2 -3 %. «Бардуі» після перегонки
використовують як корм для сільськогосподарських тварин. Крохмаль при його переробці спочатку
гідролізують. Виробництво єтанолу з меляси з використанням гніта цукрового очерету як палива
вигідно при сучасних цінах на сиру нафту.
Прекрасною сировиною для одержання єтанолу є маніок, здатний рости й у напівпустельних районах.
З 1 т маніоку вдається одержати 80 л єтанолу, а з 1 т цукрового очерету - 60 - 65 л.
У США широко застосовують суміш із 6-9 м бензину й 1 м єтанолу (газохол). В 28 штатах нею
заправляють близько 800 станцій, але для заміни всього бензину, що споживається в США, газохолом
буде потрібно щорічно робити 45,6 млрд л єтанолу, що значно перевищує вироблену кількість спирту,
у тому числі зі злаків.
Серед інших технічних культур найбільшу перевагу віддають топінамбуру, що має багато бадилля,
здатної компенсувати енерговитрати на перегонку спирту. Інулін, що міститься в бульбах, після
гідролізу й бродіння може забезпечити 30-50 гл ацетонобутаноловой суміші з 1 га. У Франції вперше
здійснена заміна 10 % чистого бензину сумішшю метанолу й ацетонобутанола. Перспективна також
заміна бензину єтанолом, що одержується з відходів цукрової промисловості.

8. Біотехнологія перетворення сонячної енергії
Всі зростаючий дефіцит викопних паливних ресурсів висуває на перший план гостру проблему
створення й впровадження поновлюваних джерел енергії й сировини за рахунок біосистем: рослин і
фототрофних мікроорганізмів, що конвертують із високою ефективністю сонячну енергію в енергію
хімічних зв'язків. Резерви сонячної енергії досить великі: на поверхню земної кулі попадає близько
5-1020 ккал цієї енергії в рік, що в 10 000 разів перевершує сучасний рівень світової енергетики за
рахунок видобутку викопного палива. Сонячна енергія здатна забезпечити сучасний і майбутній
рівень енерговитрат людства. Кількість енергії, що падає на загальну площу пустель на Землі (2-
107 км2), досягає 5·1018 квт-ч. Якби вдалося освоїти цю енергію із КПД хоча б 5 %, то рівень
світової енергетики зросте більш ніж в 200 разів. Навіть якщо майбутнє населення Землі досягне 10
млрд людин, то енергія, знята із земної поверхні, в 10-12 разів буде перевищувати необхідні
потреби. Ведуться дослідження в напрямку освоєння сонячної енергії, що падає на поверхню морів
і океанів.
Зовсім очевидно, що один з найбільш перспективних методів великомасштабного перетворення
сонячної енергії заснований на використанні біосистем. Широке застосування біосистем для
одержання енергії здатно забезпечити понад 15 % виробництва енергії для економічно розвинених
країн. В останні 10—15 років намічені нові шляхи біотрансформації сонячної енергії при
фотосинтезі. Установлено, що деякі мікробіологічні системи характеризуються високою
ефективністю фотосинтезу. Так, фоторозкладання води, що здійснюється суспензією хлорели з
утворенням кисню, в оптимальних умовах культивування дає 130—140 л газу з 1 м2 освітлюваної
поверхні в добу. Відомо, що одна з особливостей процесу фотосинтезу - зменшення ефективності
перетворення сонячної енергії при високих значеннях інтенсивності світла. Нові технології
дозволяють підвищити ефективність фотосинтезу при високій інтенсивності світла. Розробляються
системи, що ефективно поглинають світловий потік і збагачені реакційними центрами стосовно
пігменту. Світлові криві фотосинтезу поліпшуються також зі збільшенням швидкості стадії, що
лімітує, електронного транспорту. Наприклад, проведення процесу при підвищених температурах у
системах термофільних мікроорганізмів збільшує ефективність перетворення сонячної енергії при
високій інтенсивності світла.