13.2 Последние достижения биотехнологии на стыке с микробиологией, клеточной и генной инженерией, медициной и фармакологией
Сегодня человечество совершенно справедливо полагает, что биотехнологические науки занимают приоритет в области современных высоких технологий. Сиквенирование геномов и валидация новых мишеней для действия лекарственных соединений является одним из перспективных направлений современной фармакологии. Учитывая, что появились новые принципиальные возможности для сиквенирования, встает вопрос о генетической паспортизации населения, когда каждому будет выдан его генетический паспорт, и человек будет решать проблемы своего здоровья. Важнейшим достижением являются стволовые клетки, что стало возможным благодаря развитию всей эмбриологии и цитологии. Это позволило подойти к разработке путей создания искусственных органов, получать новые вещества, специфически влияющие на органы-мишени.
На современном этапе развития биотехнологии большое внимание уделяется разработке подходов к созданию новых процессов в медицинской биотехнологии. Это различные методы модификации микроорганизмов, растений и животных, в т.ч. культивирование растительных клеток как источника получения новых веществ; конструирование молекул, нанотехнологии, компьютерное моделирование, биокаталитическая трансформация веществ и т.д.
Существуют многочисленные разработки лекарственных препаратов, созданных на основе морских организмов. Использование морских природных соединений в качестве основы лекарств - весьма перспективный путь создания новых фармацевтических препаратов, особенно методами биотехнологии. Рассматривая различные классы соединений, используемые в клинической практике, и получаемые методами биотехнологии, в первую очередь, необходимо назвать антибиотики - самый большой класс фармацевтических соединений, синтез которых осуществляется микробными клетками. К этому же классу относятся противогрибковые агенты, противоопухолевые лекарства и алкалоиды.
Нынешний этап развития генетической инженерии растений получил название "метаболическая инженерия". При этом ставится задача научить растение производить совершенно новые соединения, используемые в медицине, химическом производстве и других областях. Этими соединениями могут быть, например, особые жирные кислоты, полезные белки с высоким содержанием незаменимых аминокислот, модифицированные полисахариды, съедобные вакцины, антитела, интерфероны и другие "лекарственные" белки, новые полимеры, не засоряющие окружающую среду и многое, многое другое. Использование трансгенных растений позволяет наладить масштабное и дешевое производство таких веществ и тем самым сделать их более доступными для широкого потребления.
14.2 Биогаз. Конструкция метанотенка
Процесс получения биогаза осуществляется в метантенках. Метантенк – герметичный ферментер, объемом до нескольких м3 , в нем есть мешалка и рубашка для обогрева. Он оборудован газоотделителями с противопламенными ловушками. метантенк работает в периодическом режиме с отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка после завершения процесса.
Распад органических веществ состоит из 3-ех основных этапов:
1. растворение и гидролиз органических соединений
2. ацидогенез
3. метаногенез
На первом этапе слож орг в-ва превращаются в масляную, пропионовую, молочную кислоты. Дальше осуществляется процесс брожения, который состоит из 2-ух стадий: кислой и метановой, каждая из этих стадий осуществляется определенной группой микроорганизмов (м/о). Кислая – органотрофами, метановая – литотрофами. Обе эти группы присутствуют в метантенках одновременно, поэтому кислото- и газообразование происходит параллельно. Формирование микрофлоры метантенка происходит за счет м/о, попавших вместе с переработанной водой. По видовому составу биоценоз метантенков значительно беднее аэротенков.
Около 50 видов м/о осуществляет стадию кислотообразования, самые многочисленные из них бациллы и псевдомонады. На стадии кислотообразования органич к-ты превращ в уксусную кислоту, Н2, СО2, Н2S, соединения аммония.
На стадии метаногенеза метанобразующие бактерии обр метан. Эти бактерии имеют разнообразную форму: кокки. палочки, извитые. Обр метана необходимо им для получения энергии, другие способы получ энергии для них неизвестны.
В результате биохимических превращений сложных органических веществ обр ключевой промежуточный продукт метаболизма – пируват (ПВК), его дальнейшее превращение зависит от видов м/о. Вторым ключевым промежуточным продуктом явл ацетил-коА. При этом более 70% жирных кислот приходится на долю уксусной кислоты.
CH3COOH → CH4 + CO2
CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O
CH3CH2OH + CO2 → CH4 + 2CH3COOH
4H2 + CO2 → CH2 + 2H2O
Конечным продуктом явл биогаз, который состоит из метана и углекислого газа, общее количество и процентное соотношение компонентов биогаза зависит от состава сбраживаемой среды. В среднем обр 68% метана и 32% углекислого газа. Существенную роль в интенсивности газообразования и увеличении скорости деградации отходов играет перемешивание и температурный режим , он может быть мезофильным (30-35 0С) и термофильным (50-60 0С) .
Недостаток анаэробного процесса – протекает более с низкими скоростями, чем аэробный и требует более дорогого оборудования. Преимущества – обр биогаза; деградация отходов на порядок выше, чем при аэробном сбраживании.
Анаэробная переработка отходов является одним из наиболее перспективных путей совместного решения экологических и энергетических проблем.