Сартакова О.Ю. Промышленная микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет

имени И.И. Ползунова»

Общероссийская общественная организация

«Ассоциация инженерного образования России»

О. Ю. Сартакова

ПРОМЫШЛЕННАЯ

МИКРОБИОЛОГИЯ

Учебное пособие

Изд-во АлтГТУ

Барнаул 2009

УДК 663.18(075.8)

Сартакова, О.Ю. Промышленная микробиология: учебное посо-

бие по курсу «Основы микробиологии и биотехнологии» / О.Ю. Сар-

такова; Алт. гос.техн.ун-т им. И.И. Ползунова – Барнаул: Изд-во

АлтГТУ, 2009 . – 173 с.

В учебном пособии представлены общие сведения о микроорга-

низмах, их морфологические и физиологические характеристики; рас-

смотрены

основы биотехнологического производства. Представлены

примеры и способы применения биотехнологических процессов в ре-

шении экологических задач, а также примеры получения важнейших

продуктов биотехнологии.

Учебное пособие по курсу “Основы микробиологии и биотехно-

логии” предназначено для студентов всех форм обучения специально-

сти «Охрана окружающей среды и рациональное использование при-

родных ресурсов».

Рецензенты:

О.В. Филатова, д.б.н., профессор кафедры «Физиологии

человека и животных» АГУ;

Ю.Г. Поморова, к.б.н., доцент кафедры «Безопасность

жизнедеятельности» АлтГТУ

Допущено научно-методическим советом АлтГТУ для

внутривузовского использования в качестве учебного пособия

для студентов специальности 280201 «Охрана окружающей

среды и рациональное использование природных ресурсов»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................6

1ОСНОВЫМИКРОБИОЛОГИИ...................................................7

1.1Общиесведенияомикроорганизмах...................................8

1.2Распространениемикроорганизмоввприроде.................9

1.3Морфологическаяхарактеристикаотдельныхгрупп

микроорганизмов.......................................................................11

1.3.1 Структура эукариотической клетки .................................... 11

1.3.2 Структура прокариотической клетки ..................................... 15

1.3.3 Ультрамикробы ........................................................................ 18

1.3.4 Бактерии .................................................................................... 21

1.3.4.1 Спорообразование у бактерий ........................................ 24

1.3.4.2 Движение бактерий ......................................................... 25

1.3.4.3 Размножение бактерий .................................................... 25

1.3.4.4 Питание бактерий ............................................................ 26

1.3.4.5 Типы питания ................................................................... 26

1.3.4.6 Систематика бактерий .................................................... 26

1.3.5 Актиномицеты .......................................................................... 28

1.3.6 Грибы ........................................................................................ 29

1.3.7 Водоросли ................................................................................. 30

1.3.8 Простейшие .............................................................................. 33

1.3.9 Коловратки ................................................................................ 41

2ОСНОВЫБИОТЕХНОЛОГИИ...................................................42

2.1Объектыбиотехнологии.......................................................43

2.2Прошлоеинастоящеебиотехнологии................................44

2.3Перспективыразвитиябиотехнологии...............................47

2.4Основныевидыбиотехнологическойдеятельности

микроорганизмов.......................................................................48

2.5Преимуществабиотехнологическихпроцессов.................50

3ТИПОВАЯСХЕМАИОСНОВНЫЕСТАДИИ

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРОИЗВОДСТВ...................................50

4ОСНОВНЫЕПОНЯТИЯБИОКАТАЛИЗАИ53

БИОТРАНСФОРМАЦИИ..............................................................53

4.1Основныегруппыбиотрансформаций...............................56

4.2Основныевидыреакцийбиокатализа................................57

4.3Классификацияферментов................................................57

4.4Преимуществаинедостаткибиокаталитических

процессов…………………………………………………………………………58

4.5Основныепонятияиммобилизацииферментов...............58

4.6Методыиммобилизацииферментов.................................60

4.7Оценкакачестваиммобилизованныхферментови

методаиммобилизации.............................................................63

4.8Примерыиспользованияферментов..................................64

5ФЕРМЕНТАЦИЯ.......................................................................65

5.1Классификацияпроцессовферментации..........................65

5.2Основныепараметрыпериодическойферментации........66

5.3Понятиескоростироста........................................................67

5.4Фазыпериодическойферментации...................................67

5.5Преимуществаинедостаткипериодической

фермнтации…………………………………………………………………………….69

6ОБЛАСТИПРИМЕНЕНИЯБИОТЕХНОЛОГИИ...........................69

6.1Биотехнологическиепроцессыврешении

экологическихзадач...................................................................70

6.2Примерыблок‐схеммикробиологическойочистки

стоковипочвы............................................................................74

6.3Биохимическиеметодыочисткиводы...............................76

6.3.1 Микробная ассоциация и технологические условия методов

биохимической очистки воды .......................................................... 76

6.3.2 Очистка воды в аэротенках ..................................................... 80

6.3.3 Очистка воды в биофильтрах .................................................. 82

6.3.4 Комбинированные сооружения аэробной биохимической

очистки воды ..................................................................................... 83



6.3.5 Процессы нитрификации и денитрификации ........................ 84

6.3.6 Методы обработки осадка ....................................................... 88

6.3.7 Аэробная стабилизация осадка ............................................... 90

6.3.8 Метановое брожение (биометаногенез) ................................ 91

6.3.8.1 Этапы метанового брожения .......................................... 92

6.3.8.2 Химизм процесса метанового брожения ....................... 93

6.3.8.3 Микробная ассоциация биометаногенеза ...................... 93

6.3.8.4 Сырье биометаногенеза ................................................... 94

6.3.8.5 Технологические режимы и аппаратурное

оформление процесса метанового брожения ............................ 94

6.4Биоценозыкакиндикаторысапробностиводоемов........98

6.5Применениебиотехнологиивмедицине.........................101

6.5.1Антибиотики ............................................................................ 101

6.5.2. Гормоны ................................................................................. 103

6.5.3 Вакцины, иммунные сыворотки и иммуноглобулины ........ 105

6.5.4 Ферменты ................................................................................ 106

6.5.5 Биодатчики в медицине ......................................................... 109

6.6Применениебиотехнологиивэнергетике.......................110

6.6.1 Законы биоэнергетики ........................................................... 112

6.6.2 Биологические мембраны, как преобразователи энергии .. 113

6.6.3 Характеристика растительного сырья как источника

энергии ............................................................................................. 113

6.6.4 Альтернативные источники энергии и их получение ......... 114

6.7Производствопищевыхпродуктовинапитков................120

6.7.1 Биотехнологические процессы в хлебопекарном

производстве .................................................................................... 124

6.7.2 Биотехнология приготовления пива .................................... 131

6.7.3 Производство вина и спиртсодержащих продуктов ........... 136

6.7.4 Биотехнология приготовления кисломолочных

продуктов и сметаны ...................................................................... 141

6.7.5 Биотехнологические процессы в сыроделии ....................... 143

6.7.6 Биотехнология приготовления маргарина ........................... 144

6.8Химическаяпромышленностьибиотехнология..............146

6.9Сельскоехозяйствоибиотехнология................................151

6.10Биогеотехнология.............................................................152

6.10.1 Биогидрометаллургия .......................................................... 154

6.10.2 Выщелачивание куч и отвалов ............................................ 156

6.10.3 Бактериальное выщелачивание in situ ................................ 158

6.10.4 Выщелачивание минеральных концентратов

в аппаратах ....................................................................................... 158

6.10.5 Микробиологический способ извлечения золота .............. 159

6.10.6 Биосорбция металлов из растворов ................................... 160

6.10.7 Обогащение руд .................................................................... 160

6.10.8 Извлечение нефти ................................................................ 161

6.11Безопасностьбиотехнологическихпроцессов...............162

ВОПРОСЫДЛЯКОНТРОЛЯ......................................................163

ГЛОССАРИЙ...............................................................................166

ЛИТЕРТУРА...............................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Микроорганизмы самые древние существа на нашей планете. С

момента их появления (приблизительно 3,6 млрд. лет тому назад) ми-

неральная история Земли идет параллельно и взаимосвязано с эволю-

цией живого. Именно в результате геохимической деятельности ми-

кроорганизмов в окружающей среде произошло накопление опреде-

ленных минералов, появились необходимые условия для возникнове-

ния

и развития растений и животных, а также, в конечном счете, сфор-

мировалась биосфера планеты. Основную роль в поддержании биосфе-

ры в более или менее устойчивом состоянии путем осуществления кру-

говорота необходимых для жизни элементов продолжают выполнять

микроорганизмы и в наши дни.

Человек, постоянно находясь в окружении микробов, издавна

ощущал проявления их

жизнедеятельности, а некоторые из них ис-

пользовал в своей практике. Уже в 5-6-м тысячелетии до н. э. человек

пользовался плодами деятельности микроорганизмов, не зная об их су-

ществовании. С давних времен люди занимаются виноделием, пивова-

рением, выпечкой хлеба, вымачиванием льна и некоторыми другими

производствами, в основе которых лежат микробиологические процес-

сы. Повсеместно в окружающей среде человека происходило и в на-

стоящее время происходит разложение различных веществ. И, нако-

нец, во все времена человечество страдало от микроорганизмов, вызы-

вающих инфекционные заболевания. Тем не менее, о мире микробов

люди узнали сравнительно недавно, что объясняется, в первую оче-

редь, ограниченностью наших органов чувств. Глаз

человека имеет

разрешающую способность примерно 100 мкм, а размеры подавляю-

щего большинства клеток бактерий составляют 2-5 мкм. Попытки

преодолеть созданный природой барьер и расширить возможности ор-

ганов зрения человека были предприняты еще в Древнем Вавилоне, где

изготовлялись увеличивающие линзы. Можно считать, что с изготов-

лением этих линз человек сделал первый шаг на

пути в микромир и

стал осознано использовать микробов в своей хозяйственной деятель-

ности.

Биотехнология - одна из самых старых и одновременно одна из

самых молодых наук и отраслей промышленности. Биотехнология - это

организованная человеком деятельность микроорганизмов, направлен-

ная на получение определенного продукта. В настоящее время биотех-

нология является одним из приоритетных направлений науки

, с кото-

рым связывают благосостояние всего человечества в обозримом буду-

щем. При этом содержание, которое вкладывается в этот термин, зача-

стую существенно различается. Например, многие под биотехнологией

понимают использование растениеводства и животноводства для на-

родного хозяйства - то, что обычно называют сельскохозяйственным

производством. Другое направление, также определяемое термином

«биотехнология», - применение различных генетических манипуляций

для получения трансформированных геномов любых живых объектов -

от

вирусов до человека. От этого направления ожидают революционн-

ых изменений в качестве жизни человечества, и эти надежды вполне

обоснованны.

Однако достижения биотехнологии становятся реальной помо-

щью народному хозяйству и отдельным людям лишь тогда, когда на их

основе создаются промышленные производства, функционирование

которых направлено на разработку практически ценных продуктов в

заметных, а

не микроскопических количествах. Именно эта сторона

деятельности человека охватывается дисциплиной «Промышленная

биотехнология». Знания по этой дисциплине нужны не только непо-

средственно инженерам-биотехнологам, но также и инженерам-меха-

никам, имеющим дело с оборудованием биотехнологических произ-

водств, и инженерам-экологам при работе с этими производствами.

Изучение биотехнологических процессов невозможно без знаний

основ микробиологии, а именно морфологии и систематики микроор-

ганизмов.

1 ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ

Микробиология прошла длинный путь развития, исчисляющийся

многими тысячелетиями. Микробиология зародилась задолго до нашей

эры, в своем развитии она прошла несколько этапов, не столько связан-

ных хронологически, сколько обусловленных основными достижения-

ми и открытиями. Историю развития микробиологии можно разделить

на

пять этапов: эвристический, морфологический, физиологический,

иммунологический и молекулярно-генетический.

Эвристический период, 4-3 тыс. лет до н. э. – XVI в. н. э., связан

скорее с логическими и методическими приемами нахождения истины,

чем с какими-либо доказательствами и экспериментами.

С изобретением микроскопа Антони Ван Левенгуком начинается

следующий этап в развитии микробиологии, получивший название

морфологический. В

1695 году была издана книга «Тайны природы,

открытые Антонием Левенгуком». Этот период длится до второй поло-

вины XIX века.

XIX век, особенно его вторую половину, принято называть фи-

зиологическим периодом развития микробиологии. На этом этапе

проходят исследования по изучению жизнедеятельности микробов.

Этот период связан с именами Луи Пастера, Роберта Коха и Александ-

ра Флеминга.

Работы Луи Пастера по вакцинации открыли новый этап в разви-

тии микробиологии, получившего название иммунологического. В

этот период в 1901 году создает фагоцитарную теорию иммунитета

И.И. Мечников, за которую ученый был удостоен Нобелевской пре-

мии.

С 50-х годов ХХ века начался молекулярно-генетический пери-

од развития микробиологии. Он связан с открытием новых антигенов,

например, опухолевых (Л.А. Зильбер), с расшифровкой строения анти-

тел – иммуноглобулинов, с получением

вакцин (вакцина гепатита В,

малярии и др.), с разработкой принципиально новых способов диагно-

стики инфекционных и неинфекционных болезней, созданием на осно-

ве этих способов тест-систем для идентификации микроорганизмов.

1.1 Общие сведения о микроорганизмах

Микробиология - это наука о микроорганизмах, относящихся к

различным систематическим группам - вирусам, бактериям, водорос-

лям, грибам, простейшим.

Общим признаком перечисленных организ-

мов является их микроскопический размер на протяжении всей жизни.

Мир микроорганизмов очень разнообразен. Клетки одних микробов по

своей структуре напоминают животные клетки, у других сходны с рас-

тительными, третьи могут сочетать признаки тех и других клеток или

существенно отличаться от них.

Микроорганизмы, большинство которых состоит из одной

клет-

ки, отличаются от животных и растений простотой биологической ор-

ганизации. Это дало основание Э. Геккелю объединить их в третье

царство живой природы и дать ему название «царство протистов». Ос-

нову строения клеток всех протистов, как и клеток высших животных

и растений, составляют цитоплазма (или «живое вещество» клетки) и

ядро.

Однако развитие электронной микроскопии позволило выявить

принципиальное различие в строении клеток протистов и разделить их

на две четко различающиеся группы: высшие протисты – эукариоты и

низшие протисты – прокариоты, или доядерные организмы. Важней-

шими признаками, отличающими эукариотическую клетку от прока-

риотической, являются структурная организация ядерного материала и

способ его деления.

Клетки эукариотов имеют обособленное ядро, отделенное от

цитоплазмы мембраной. Наследственная информация заключена в хро-

мосомах. Содержащих дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и бел-

ки особого типа. Деление ядра при размножении клеток происходит в

результате сложного процесса – митоза. К эукариотам относятся про-

стейшие, водоросли

(кроме сине-зеленых) и грибы.

В клетках прокариотов истинное ядро отсутствует, но есть

ядроподобные образования – нуклеоиды (от лат. nukleus – ядро). По

сравнению с ядрами клеток высших протистов они имеют более про-

стое строение и не отделены от цитоплазмы оболочкой. Наследствен-

ную информацию несет одна хромосома, представляющая собой длин-

ную молекулу ДНК.

Группу низших протистов – прокариотов состав-

ляют бактерии и сине-зеленые водоросли, которые в настоящее время

чаще называют цианобактериями.

Вирусы, как неклеточные формы жизни, выделены в отдельную

группу.

1.2 Распространение микроорганизмов в природе

Вследствие малых размеров, а также способности усваивать са-

мые разнообразные вещества в качестве источников питания, легко

приспосабливаться к

условиям внешней среды, микроорганизмы широ-

ко распространены в природе и могут быть обнаружены там, где отсут-

ствуют другие формы жизни. Естественной средой обитания микроор-

ганизмов являются почва, вода и организмы человека и животных.

Воздух не является благоприятной средой для развития микро-

бов, поскольку не содержит капельножидкой воды, но, попадая в

воз-

дух с поверхности земли или предметов вместе с пылью, многие ми-

кроорганизмы могут временно сохранять жизнеспособность.

Численность и видовой состав микроорганизмов, населяющих

почву, определяется наличием в ней влаги и питательных веществ, ре-

акцией среды, температурой, степенью аэрации. Почва, кроме самого

верхнего слоя, служит микроорганизмам защитой от губительного дей-

ствия прямых

солнечных лучей. Почва является местом обитания раз-

нообразных видов бактерий, водорослей, грибов, простейших. Наибо-

лее богаты микроорганизмами хорошо обработанные почвы. Число

бактерий в 1 г почвы может составлять несколько миллионов, водо-

рослей – до 100 тыс., грибов – десятки тысяч. Микроорганизмы, насе-

ляющие почву, обладают колоссальной общей поверхностью. Так, в

пахотном слое 1 га почвы поверхность микробных клеток составляет

около 500 га. Именно этим и объясняется чрезвычайно активное воз-

действие микроорганизмов на почву. Большинство бактерий развива-

ется в верхнем слое почвы глубиной 15 – 20 см. Водоросли развива-

ются в слое до 10 см и иногда вызывают обильное цветение

почвы.

Выделяя кислород в процессе жизнедеятельности, они способствуют

аэрации почвы. В условиях хорошей аэрации верхнего слоя интенсив-

но развиваются микроскопические грибы. В почве широко представле-

ны черви и личинки насекомых, которые рыхлят почву, обеспечивая

проникание кислорода в более глубокие слои.

Микронаселение водных объектов, его численность и видовое

разнообразие определяются, прежде

всего, степенью загрязненности

воды, т.е. наличием в ней органических веществ. Гидробионты - оби-

татели водной среды – относятся к различным систематическим груп-

пам. В природных водоемах могут развиваться водоросли, бактерии,

простейшие, грибы. Для глубоко залегающих артезианских вод благо-

даря защищенности водоносных слоев обычно характерно почти пол-

ное отсутствие микроорганизмов. Воды открытых водоемов

отличают-

ся разнообразием и непостоянством химического состава и микробного

населения. Численность последнего зависит от ряда причин: заселен-

ности прибрежных районов, количества атмосферных осадков, време-

ни года и т.д., поскольку они обусловливают характер и степень за-

грязненности водоема. Особенно много микроорганизмов в водных ис-

точниках вблизи крупных городов. Значительно возрастает

число бак-

терий в водоемах после дождя и в период весеннего половодья. В зим-

ний период численность гидробионтов резко уменьшается. Наиболее

богаты микроорганизмами сточные воды. Число бактерий в 1 мл сточ-

ной воды может превышать 1 млрд. Источником микроорганизмов

бытовых сточных вод являются физиологические выделения человека

и его хозяйственная деятельность. Некоторые виды производственных

сточных вод содержат специфические микроорганизмы, используемые

в технологическом процессе производства лекарственных препаратов,

спирта, молочнокислых продуктов и т.д. Ливневые сточные воды за-

грязнены микробами, вымываемыми из почвы.

Микрофлора человека и животных. Многие микроорганизмы вре-

менно или постоянно обитают в полостях тела или на теле человека и

животных. От стабильности сложившегося

в ходе эволюции баланса

между организмом и его микрофлорой и равновесия внутри микроб-