- •О. Ю. Сартакова
- •Учебное пособие
- •Содержание
- •1 Основы микробиологии ................................................... 7
- •2 Основы биотехнологии ................................................... 42
- •3 Типовая схема и основные стадии
- •4 Основные понятия биокатализа и53
- •5 Ферментация....................................................................... 65
- •6 Области применения биотехнологии........................... 69
- •Введение
- •1 Основы микробиологии
- •1.1 Общие сведения о микроорганизмах
- •1.2 Распространение микроорганизмов в природе
- •1.3 Морфологическая характеристика отдельных групп микроорганизмов
- •1.3.1 Структура эукариотической клетки
- •Ской мембраны
- •1.3.2 Структура прокариотической клетки
- •1.3.3 Ультрамикробы
- •1.3.4 Бактерии
- •1.3.4.1 Спорообразование у бактерий
- •1.3.4.2 Движение бактерий
- •1.3.4.3 Размножение бактерий
- •1.3.4.4 Питание бактерий
- •1.3.4.5 Типы питания
- •1.3.4.6 Систематика бактерий
- •1.3.5 Актиномицеты
- •1.3.6 Грибы
- •1.3.7 Водоросли
- •1.3.8 Простейшие
- •1.3.9 Коловратки
- •2 Основы биотехнологии
- •2.1 Объекты биотехнологии
- •2.2 Прошлое и настоящее биотехнологии
- •2.3 Перспективы развития биотехнологии
- •2.4 Основные виды биотехнологической деятельности микроорганизмов
- •2.5 Преимущества биотехнологических процессов
- •3 Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств
- •4 Основные понятия биокатализа и биотрансформации
- •4.1 Основные группы биотрансформаций
- •4.2 Основные виды реакций биокатализа
- •4.3 Классификация ферментов
- •4.4 Преимущества и недостатки биокаталитических процессов
- •4.5 Основные понятия иммобилизации ферментов
- •4.6 Методы иммобилизации ферментов
- •Го связывания с носителем
- •«Сшивки»
- •4.7 Оценка качества иммобилизованных ферментов и метода иммобилизации
- •4.8 Примеры использования ферментов
- •5 Ферментация
- •5.1 Классификация процессов ферментации
- •Ферментация бывает:
- •5.2 Основные параметры периодической ферментации
- •5.3 Понятие скорости роста
- •5.4 Фазы периодической ферментации
- •5.5 Преимущества и недостатки периодической ферментации
- •6 Области применения биотехнологии
- •6.1 Биотехнологические процессы в решении экологических задач
- •6.2 Примеры блок-схем микробиологической очистки стоков
- •6.3 Биохимические методы очистки воды
- •6.3.1 Микробная ассоциация и технологические условия ме-
- •6.3.2 Очистка воды в аэротенках
- •6.3.3 Очистка воды в биофильтрах
- •6.3.4 Комбинированные сооружения аэробной биохимической очистки воды
- •6.3.5 Процессы нитрификации и денитрификации
- •6.3.6 Методы обработки осадка
- •6.3.7 Аэробная стабилизация осадка
- •6.3.8 Метановое брожение (биометаногенез)
- •6.3.8.1 Этапы метанового брожения
- •Биогаз (сн4, co2 )
- •6.3.8.2 Химизм процесса метанового брожения
- •6.3.8.3 Микробная ассоциация биометаногенеза
- •6.3.8.4 Сырье биометаногенеза
- •6.3.8.5 Технологические режимы и аппаратурное оформление процесса метанового брожения
- •6.4 Биоценозы как индикаторы сапробности водоемов
- •6.5 Применение биотехнологии в медицине
- •6.5.1Антибиотики
- •6.5.2. Гормоны
- •6.5.3 Вакцины, иммунные сыворотки и иммуноглобулины
- •6.5.4 Ферменты
- •6.5.5 Биодатчики в медицине
- •6.6 Применение биотехнологии в энергетике
- •6.6.1 Законы биоэнергетики
- •6.6.2 Биологические мембраны, как преобразователи энергии
- •6.6.3 Характеристика растительного сырья как источника энергии
- •6.6.4 Альтернативные источники энергии и их получение
- •6.7 Производство пищевых продуктов и напитков
- •6.7.1 Биотехнологические процессы в хлебопекарном производстве
- •6.7.2 Биотехнология приготовления пива
- •6.7.3 Производство вина и спиртсодержащих продуктов
- •6.7.4 Биотехнология приготовления кисломолочных продуктов и сметаны
- •6.7.5 Биотехнологические процессы в сыроделии
- •6.7.6 Биотехнология приготовления маргарина
- •6.8 Химическая промышленность и биотехнология
- •6.9 Сельское хозяйство и биотехнология
- •6.10 Биогеотехнология
- •6.10.1Биогидрометаллургия
- •6.10.2 Выщелачивание куч и отвалов
- •6.10.3 Бактериальное выщелачивание in situ
- •6.10.4 Выщелачивание минеральных концентратов
- •6.10.5 Микробиологический способ извлечения золота
- •6.10.6 Биосорбция металлов из растворов
- •6.10.7 Обогащение руд
- •6.10.8 Извлечение нефти
- •6.11 Безопасность биотехнологических процессов
- •Глава 1
- •Главы 2, 3
- •Глава 4
- •Глава 5
- •Глава 6
6.4 Биоценозы как индикаторы сапробности водоемов
Вода водоемов – естественная среда обитания микроорганизмов. Выделяют две экологические группы микроорганизмов – автохтон- ную (самостоятельная, первоначально существующая микрофлора, для которой данный водоем является естественной средой обитания) и ал- лохтонную (микроорганизмы, поступившие извне). Между микробами этих зон возникают антагонистические отношения, что ускоряет отми- рание аллохтонной группы. Количество микроорганизмов в водоеме связано с содержанием органических веществ, которые подвергаются биологической минерализации.
98
Процесс самоочищения загрязненных водоемов в естественных условиях проходит несколько последовательных стадий, называемых зонами сапробности.
По определению Никитинского и Долгова «сапробность – это комплекс физиологических свойств данного организма, обуславли- вающий его способность развиваться в воде с тем или иным со- держанием органического вещества, с той или иной степенью за- грязнения».
Поступающие в водоем загрязнения в результате самоочищаю-
щей способности водоемов постепенно разбавляются и разрушаются. В результате постепенной деструкции загрязнений в водоеме постепенно восстанавливаются условия, которые в нем первоначально существова- ли. Это длительный процесс и его продолжительность зависит от мно- гих факторов – от соотношения объемов сточных вод и и речной воды, от концентрации и качества загрязнителей, от скорости течения воды и других факторов. В зависимости от степени загрязненности воды водо- ем проходит последовательно до полного очищения следующие стадии
– зоны: полисапробную, альфа–мезосапробную, бета-мезосапробную,
олигосапробную.
Полисапробная зона характерна для свежезагрязненной воды с большим содержанием нестойких органических веществ, продуктов их анаэробного распада, белков, углеводов. БПК составляете десятки мг/л,
кислород в воде практически не обнаруживается, процессы носят вос-
становительный характер. Вода содержит метан, сероводород, угле- кислоту, то есть продукты брожения. Для этой зоны характерна сапро- фитная микрофлора, автотрофы отсутствуют. Основные обитатели – различные бактериальные зооглеи, инфузории, бесцветные жгути- ковые. Количество бактерий достигает сотен миллионов в 1 мл воды. Их разнообразие при этом ограничено.
В альфа-мезосапробной зоне продолжается минерализация орга- нического вещества. Наряду с восстановительными процессами, про- текают и окислительные процессы, с образованием аммиака и амино- соединений. Кислород содержится в малых количествах, метан и серо- водород отсутствуют. БПК все еще десятки мг/л. Кроме бактерий раз- виваются некоторые виды инфузорий и коловраток, пожирающих бак- терий. Появляются единичные виды зеленых растений. Разнообразие видов становится больше. Много окрашенных и бесцветных жгутико- вых.
Бета–мезосапробная зона свободна от нестойких органических веществ. Здесь окислительные процессы преобладают над восстанови-
99
тельными. Благодаря интенсивному развитию водорослей происходит повышение концентрации кислорода. Концентрации кислорода и угле- кислого газа сильно колеблются в течение суток: в дневное время со- держание кислорода доходит до насыщения, а углекислота может пол- ностью исчезать, в ночное – наблюдается дефицит кислорода. Количе- ство сапрофитных бактерий – тысячи – десятки тысяч в 1 мл и резко увеличивается в период отмирания водных растений. Отмечается большое видовое разнообразие организмов при невысоком общем их количестве. Развиваются автотрофы, фитопланктон, наблюдается цве- тение водоема. Главнейшими группами являются различные водорос- ли, инфузории, коловратки, низшие ракообразные и насекомые.
Олигосапробная зона характеризуются полным завершением са-
моочищения, она характерна для практически чистых водоемов. За- вершается процесс окисления азотсодержащих веществ, в результате которых преобладают нитраты. Органические вещества имеются либо
в незначительном количестве, либо совсем отсутствуют. Содержание кислорода и углекислого газа в течение суток остается практически неизменным. Цветение воды не наблюдается. Количество бактерий со- ставляет десятки и сотни в 1 мл. Население этой зоны отличается большим разнообразием. Показателем высокой степени чистоты воды
в этой зоне служат некоторые красные водоросли, водные мхи.
Для оценки влияния токсичности веществ промышленных стоков на процесс самоочищения водоемов предложены три шкалы оценки загрязнения: по степени сапробности, токсобности, сапротоксобности. Токсобность характеризует свойство гидробионтов выживать в
водах с различной степенью загрязнения токсичными веществами. Аналогично зонам сапробности выделяют поли- меза- и олиготоксоб- ные зоны. Водоемы или их зоны, где невозможна жизнь гидробионтов,
из-за высокого загрязнения токсичными веществами относятся к ги-
пертоксобным.
Наличие в водоеме определенных группировок организмов яв- ляется показателем степени загрязненности воды. Существует список показательных организмов – биоиндикаторов для каждой зоны сапроб- ности. Обнаружить эти организмы можно с помощью биологического метода анализа воды водоема. Метод основан на регулярном осмотре и изучении отдельных участков водоема, отборе проб для изучения планктона, бентоса и перифитона.
Планктон исследуется или непосредственно в некотором объеме взятой воды, или собирается в водоеме с помощью приспособлений.
100
тов.
Перифитон изучают путем сбора и осмотра подводных предме-
Для изучения бентоса либо соскребают биообъекты со дна, либо
снимают поверхностный слой грунта со дна вместе с находящимися в нем микроорганизмами. Образцы проб микроскопируют.