Реферати » Реферати по біології » Біотехнологія

Біотехнологія

і СО2. Присутність СО2 обмежує теплотворну здатність біогазу як палива, яка в залежності від співвідношення СН4 / СО2 становить 20,9-33,4 кДж / м3. Вміст метану в біогазі варіює від 50 до 85%.
Безпосередньо до утворення метану здатна невелика група мікроорганізмів, що відносяться до архебактериям. Життєдіяльність метанобразующих архей протікає в строго анаеробних умовах.
Субстратами для утворення метану можуть служити мурашина і оцтова кислоти, метанол, газові суміші (Н2 + СО, Н2 + СО2). Оскільки біогаз практично отримують зі складних органічних речовин (целюлози, крохмалю, білків, ліпідів, нуклеїнових кислот), то для метан-освіти застосовують багатокомпонентні мікробні асоціації.
Поряд з метанобразующих бактеріями до складу таких асоціацій входять мікроорганізми, що переводять органічні субстрати в метанол, мурашину і оцтову кислоти, Н2, СО і т. Д. Прикладом може служити метаногенна асоціація «Methanobacillus Kuzneceovii» , утворює метан при розкладанні біомаси водоростей (Чан Дінь Тоай, 1984).
Процес метанобразованія відрізняється високою ефективністю: до 90-95% використовуваного вуглецю переходить в метан. Тому метаногенів асоціації з успіхом використовують для очищення стічних вод від органічних забруднень з одночасним отриманням висококалорійного палива. До 5-10% спожитого вуглецю перетворюється на біомасу, яка також знаходить застосування.
Використовують як жидко-, так і твердофазні процеси отримання біогазу
(біогазіфікаціі).
Поряд з біогазом метаногенів асоціації утворюють інші цінні продукти, наприклад вітамін В12 Після переробки органічного субстрату в біогаз залишається матеріал, що є цінне мінеральне (азотне і фосфорне) добриво.
Отримання біогазу - процес, що відрізняється простотою устаткування і доступністю сировини, вимагає невеликих капіталовкладень. У Китаї, Індії, ряді інших країн експлуатуються невеликі установки, в які вносять підручний матеріал (солому, гній і ін.), Що виключає витрати на доставку сировини. У Китаї діє понад 7 млн. Малих установок місткістю 10-15 л, достатніх для задоволення енергетичних потреб сім'ї з п'яти чоловік.
Крім метаногенних анаеробів існує інша група організмів - продуцентів вуглеводнів як замінників палива. Це мікроводорості -
Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo-ropsis та ін. Вуглеводні накопичуються в значних кількостях - до 80% сухої маси клітин. В США діє ферма для вирощування водоростей із сумарною площею водойм 52 тис. Гектарів, що дає близько 4800 м3 рідких вуглеводнів на добу. Для поліпшення паливних характеристик отримані з водоростей вуглеводні піддають гидрированию (Г Н Чернов, 1982).

Отримання водню як палива майбутнього.

Отримання водню як палива поки залишається на рівні пошукових розробок. Це абсолютно чисте паливо, дає при згорянні лише Н2О, відрізняється виключно високою теплотворною здатністю - 143 кДж / г.
Хімічний і електрохімічний способи отримання Н2 неекономічні, тому заманливо використання мікроорганізмів, здатних виділяти водень. Такий здатністю мають аеробні та анаеробні хемотрофних бактерії, пурпурні і зелені фототрофние бактерії, ціанобактерії, різні водорості і деякі найпростіші (Є. Н. Кондратьєва, І. Н. Го-готовий, 1981). Процес протікає за участю гідрогенази або нітрогенази.
Гідрогенази - фермент, що містить FeS-центри. Вона каталізує реакцію
2Н + + 2е-= Н2
Одна з технологічних можливостей заснована на включенні ізольованій гідрогенази до складу штучних Н2-генерую-щих систем. Складною проблемою є нестабільність ізольованого ферменту і швидке інгібування його активності воднем (продуктом реакції) і киснем.
Підвищення стабільності гідрогенази може бути досягнуто її иммобилизацией
(Чан Дінь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. Al., 1986). Іммобілізація запобігає інгібірованіе гідрогенази киснем.
Запропоновано багато варіантів модельних систем, які каталізують утворення водню з води за рахунок енергії світла. Ці системи різняться механізмом уловлювання енергії світла і містять хлоропласти або ізольований з них хлорофіл, а також відновлені нікотинамідні нуклеотиди. Деякі системи поряд з воднем утворюють кисень: в цьому випадку мова йде про біофотолізе води.
Прикладом може служити система хлоропласт - ферредоксин - гідрогенази.
Ферредоксин служить проміжним переносником електронів від фотосинтетичної ланцюга хлоропластів до доданої гідрогенази. Серйозною проблемою є підтримання низького парціального тиску цих газів, з тим щоб не наступило інгібірованіе гідрогенази. При заміні ферредоксина на флавопротеид або метілвіологен система утворює тільки Н2. Флавопротеид і, за деякими даними, метілвіологен захищають гідрогенази від інгібування киснем. Розробляються системи з ізольованим хлорофілом, вбудованим в детергент ниє міцели або ліпосоми разом з гидрогеназой. Запропоновано також система з гидрогеназой, иммобилизованной в агарозному гелі, з яким міцно пов'язаний полімерний віологен і металлопорфирин, аналог хлорофілу.
Водень отримують також із застосуванням цілих клітин мікроорганізмів, стабільність яких зростає при їх іммобілізації. Високоефективними продуцентами Н2 є пурпурні фототрофние бактерії, наприклад
Rhodopseudomonas sp., Які при іммобілізації в агарозному гелі дають до
180 мкмоль Н2 за 1 год в перерахунку на 1 мг бактериохлорофилла (М. Tadashi, A.
Akira, 1983). Важливий напрямок робіт - пошук продуцентів Н2 зі стійкою до О2 гидрогеназой.
Іншим ферментом, що каталізує виділення водню, є нитрогеназа.
У всіх мікроорганізмів нитрогеназа складається з двох, компонентів, а саме з MoFeS-протеида (молібдоферредоксіна) і FeS-протеида (азоферредоксіна).
Основною функцією нітрогенази є відновлення молекулярного азоту:
N2 + 8H + + 8е-+ nАТФ-> 2NH3 + Н2 + nАДФ + nфосфорная кислота
В відсутність основного субстрату (N2) нитрогеназа каталізує енергозалежна

відновлення Н + з утворенням Н2. Перемикання ферменту з одного режиму роботи на інший є технологічною проблемою. Один із шляхів вирішення
- отримання штамів мікроорганізмів з нитрогеназой, чи не утилізує азот.
В Японії отримано штам Anabaena sp., Який здійснює біофотоліз води в режимі, не чутливому до Н2, О2 і N2. Підвищенню ефективності біофотоліза води сприяє чергування періодів функціонування біооб'єкту як продуцента Н2 і О2 з періодами «відпочинку» , коли клітини фотоассімі-лируют СО2 (запроваджуваний на цей період в середу культивування).
Можливо комбінування процесів отримання Н2 та інших цінних продуктів. Зокрема, представники роду Clostridium дають органічні розчинники і в той же час мають активної гидрогеназой. Якщо в реакторі з культурою
Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не створювати відтоку для виділяється Н2, то спостерігається інгібування утворення Н2 і ефективний синтез бутанола, ацетону та етанолу. Якщо водороду забезпечують вільний відтік, то поряд з досить активним освітою Н2 культура синтезує лише етанол. Цей приклад ілюструє можливість управління ходом біотехнологічного процесу умовами культивування біооб'єкту.
Таким чином, запропоновані різноманітні проекти систем для одержання водню з використанням біооб'єктів. Йдеться про втручання людини в процес біоконверсії енергії з метою домогтися її можливо більш повного перетворення в енергію хімічного зв'язку в молекулі Н2.

Шляхи підвищення ефективності фотосинтетичних систем.

Розрахована теоретично ефективність фотосинтезу, т. Е. Коефіцієнт перетворення світлової енергії в хімічну енергію органічних речовин, близька до 15%. Фактично, однак, найбільш продуктивні культурні рослини запасають не більше 1,5-2% енергії падаючого світла. Актуальна проблема технологічної біоенергетики - підвищення ефективності фотосинтезу у культурних рослин.
Розробляють такі основні підходи до вирішення цієї проблеми: 1) підвищення коефіцієнта перетворення сонячної енергії до 4-5% за рахунок збільшення площі листя та його раннього формування; 2) втручання в системи регуляції фотосинтезу - збалансоване використання фітогормонів, трансплантація регуляторних генів; 3) збільшення швидкості росту рослин за рахунок оптимізації водного і мінерального живлення, що призведе до підвищення їх фотосинтетичної активності; 4) збільшення числа хлоропластів в клітині на одиницю площі листа; 5) встановлення оптимального співвідношення між функціонуючими реакційними центрами хлорофілу і проміжними переносниками електронів, наприклад, цитохромами; 6) збільшення швидкості перенесення електронів між фотосистемами
I і II та ефективності сполучення між транспортом електронів і синтезом
АТФ.
Радикальним способом максимізації ефективності фотосинтезу було б створення штучних фотосистем, що імітують основні блоки фотосинтетичного апарату живих організмів, але впровадження подібних перетворювачів енергії, мабуть, відокремлене від нас декількома десятиліттями.

Біопаливні елементи.

На рівні пошукових розробок перебувають біотоплйвние елементи, що перетворюють хімічну енергію субстрату в електричну. Прикладами можуть служити паливні елементи на основі окислення метанолу в мурашину кислоту за участю алкогольдегідрогенази, мурашиної кислоти в CU2 за участю форміатдегідрогенази, глюкози в глюконову кислоту за участю глюкозооксидази. Використовують також катали-тіческую активність цілих клітин, наприклад Є. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакції окислення глюкози.
Окислення субстрату відбувається на електроді (аноді). Посередником між субстратом і анодом є биокатализатор. Існують два шляхи подальшої передачі електронів на

електрод: 1) за участю медіатора і 2) безпосередній транспорт електронів на електрод (А. І. Ярополов, І. В. Березін, 1985). Конструкція біопаливного елемента дозволяє генерувати не тільки електричний струм, а й здійснювати важливі хімічні перетворення. Наприклад, паливний елемент з глюкозооксіда-зой і pD-фруктофуранідазой переводить сахарозу в суміш фруктози і глюконовой кислоти.
Ферментні електроди застосовуються не тільки в паливних елементах. Вони являють собою основний компонент біологічних датчиків - біосенсорів, широко застосовуваних у хімічній промисловості, медицині, при контролі за біотехнологічними процесами, в аналітичних цілях і т. Д. Зазвичай використовують системи з біокаталізатором, іммобілізованим на поверхні мембранного електрода.
Наприклад, иммобилизацией пеніцилінази на звичайному рН-електроді отримують чутливий біосенсор, реєструючий концентрацію пеніциліну.
Іммобілізація клітин Є. coli на кисневому електроді дає биосенсор для виміру концентрації глутамінової кислоти, а іммобілізація клітин Nitro-somonas sp. і Nitrobacter sp. на тому ж електроді - биосенсор на NH4 +. На біосенсорів протікають такі перетворення: NH4 + Nitrosomonas NO2
Nitrobacter NO3 Розроблено біосенсори для швидкої реєстрації концентрації глюкози в крові хворого, що особливо важливо при діагностиці діабету.

3. Біотехнологія і медицина

Немає такого експериментального підходу або дослідницького напрямку в біотехнології, які б не отримали застосування в медицині. Ось чому настільки різноманітні зв'язки між біотехнологією і

Сторінки: 1 2 3 4 5 6 7 8