Де і як людина використовує бактерії

Технологічне застосування біологічних агентів, а саме використання бактерій з метою отримання конкретних продуктів або проведення контрольованих спрямованих змін, є основою біотехнології.

Різноманітність бактерій у продуктах

Тисячі років тому людина, нічого не знаючи про біотехнології, використовувала їх у своєму господарстві – вона варила пиво, займалася виноробством, пекла хліб і робила молочнокислі продукти і сири.

У сучасному світі практичне значення методів біотехнології з використанням бактерій важко переоцінити – вони застосовуються в харчовій промисловості та сільському господарстві, в медицині і фармакології, при видобутку корисних копалин та їх переробки, в процесі очищення води в природі і в септиках, у багатьох сферах життя людини.

Харчова індустрія

Найбільшого поширення в харчовій промисловості отримали молочнокислі бактерії і дріжджі.

Молочнокислі бактерії

Механізм впливу бактерій і дріжджів полягає у переробці молочного цукру в молочну кислоту, в результаті чого нейтральний продукт перетворюється на молочнокислий.

До молочнокислих бактерій відносять:

  • лактобактерії – грампозитивні мікроаерофіли загону Lactobacillales, неспороутворюючі коки або паличкоподібні бактерії;
  • біфідобактерії – спороутворюючі термофільні аероби роду Sporolactobacillus і Bacillus.

Молочнокислі бактерії і дріжджі використовують при сквашуванні молочних продуктів та овочів, переробки какао-бобів, виготовленні дріжджового тіста. Здатність прокаріотів впливати на продукти визначається їх високою ферментативною активністю і визначається виділюваними ферментами.

У бродильній мікрофлорі, крім молочнокислих бактерій, присутні дріжджі, що складаються з бактеріями в складних симбіотичних відносинах.

Подібна бродильна закваска з дріжджами використовується в хлібопекарській промисловості, особливо при випічці житніх хлібів.

Хлібопекарські дріжджі

Одна з найдавніших біотехнологій, використовуваних людиною, – виробництво сирів. Використання пропіоновокислих бактерій при виготовленні твердих сичужних сирів дозволяє отримати продукт високої якості з заданими властивостями.

Ці бактерії не мають активність до казеїну, але мають високу ліполітичну активність, в результаті якої утворюється ряд органічних кислот:

  • оцтова;
  • ізомасляна;
  • масляна;
  • ізовалеріянова;
  • валеріанова;
  • і діацетил.

Склад продуктів метаболізму бактерій, який і визначає органолептичні (смакові) властивості кінцевого продукту (сиру), залежить від штаму мікроорганізмів.

Твердий сир

Використання в технологічній схемі пропіоновокислих бактерій надає готовим сирам типовий для них колір, смак і аромат, збагачуючи продукт біологічно активними речовинами.

Крім того, пропіоновокислі бактерії мають бактерицидні властивості, будучи природними консервантами казеїну (молочний білок).

Якщо для великих сирів пропіоновокислі бактерії є технологічною необхідністю, то для дрібних це небажана Біофлора, наявність якої призводить до порушення смакових характеристик.

Пропіоновокисле бродіння

Зростання пропіоновокислої мікрофлори в дрібних сирах відбувається тільки у разі порушення технологічних стандартів:

  • зниженні рівня солі;
  • порушенні температурних умов при дозріванні.

Промисловість

Бактерії здатні в процесі свого життя вибірково витягувати речовини зі складних з’єднань, розчиняючи їх у воді. Цей процес носить назву бактеріального вилуговування і має велике практичне значення:

  • дозволяє витягати корисні хімічні речовини з руд, виробничих відходів;
  • видаляти непотрібні домішки – миш’як з руд кольорових і чорних металів.

Найчастіше в промисловості для бактеріального вилуговування застосовують тіонові бактерії:

  • Thiobacillius ferrooxidans – залізобактерії, окислюють закісное залізо і сульфідні мінерали.
  • Thiobacillius thiooxidans – сіркобактерії, окислюють сірку.

Залізна руда – це результат життєдіяльності бактерій.

Залізо- і сіркобактерії є хемоавтотрофами – процеси окислення сульфідів, оксиду заліза (ll) і сірки для них є єдиним джерелом енергії.

У промисловості велике практичне значення має бактеріальне вилуговування корисних копалин (уран, мідь) безпосередньо на родовищах.

Процес не вимагає складного обладнання та з урахуванням повернення в технологічний процес відпрацьованого розчину, що містить бактерії, має ряд значних переваг:

  • дозволяє значно понизити собівартість видобутку;
  • значно розширює сировинну базу за рахунок збіднених, позабалансових або втрачених руд, відходів збагачення, шлаків та ін.

Бактерії, що окислюють залізо

Використання біотехнологій при видобутку корисних копалин є надзвичайно перспективним, з метою розширення області застосування вчені проводять дослідницькі роботи за наступними напрямками:

  • вилуговування тионовими бактеріями різних металів – Zn (цинк), Co (кобальт), Mn (марганець) та ін.;
  • пошук бактерій інших видів для вилучення корисних копалин.

Так, для вилучення золота, наприклад, пропонується застосовувати бактерії Aeromonas, які виділені на золотоносних копальнях в рудничних водах.

У майбутньому бактеріальне вилуговування дозволить створити автоматизоване виробництво по вилученню металів безпосередньо з надр, минаючи складний і дорогий процес збагачення породи.

Медичні препарати

Препарати, створені за участю бактерій, широко застосовуються в сучасній медицині і врятували тисячі життів. Революцією стала поява пеніциліну – першого отриманого антибіотика.

Антибіотики

Антибіотики – речовини, здатні придушити зростання бактеріальних клітин, при цьому механізм впливу може бути різним:

  • пеніцилін руйнує саму оболонку бактерії;
  • стрептоміцин придушує рибосоми клітин патогенних мікроорганізмів.

Тому в сучасній медицині антибіотики є ефективним засобом у боротьбі з інфекційними захворюваннями людини, але практично неефективні проти вірусних інфекцій.

Сучасна медицина успішно використовує препарати, для виробництва яких застосовуються бактерії:

  • інсулін і інтерферон отримують з використанням генно-інженерних технологій на основі кишкової палички Escherichia coli;
  • ферменти сінної палички Bacillus subtilis руйнують продукти гнильного розкладу.

Сінна паличка

Сучасні біотехнології дозволяють здійснювати виробництво ферментів, гормонів, антибактеріальних препаратів і вітамінів.

Значення ензимів

Ферменти (ензими) – біокаталізатори процесів, що збільшують швидкість протікання реакції порівняно з хімічними каталізаторами. Під дією ферментів вихід продукції становить майже 100%, при цьому самі ферменти в процесі реакції не витрачаються.

Ферменти бактерій

Природним джерелом ферментів в природі є бактерії і дріжджі, відомо більше 3000 ферментів.

Всі ензими за способом отримання ділять на 2 групи:

  • позаклітинні;
  • внутрішньоклітинні.

Ферменти часто застосовуються людиною на виробництвах:

  • харчовому;
  • фармацевтичному;
  • шкіряному;
  • текстильному;
  • хімічному;
  • в сільському господарстві.

Ферментативний спектр

Для кожного виду бактерій характерні свої набори ферментів, що дозволяє використовувати ферментний спектр як важливий метод ідентифікації бактерій.

Існує безліч методик ідентифікації бактерій, які вирішують одну задачу – визначити таксономічне положення мікроорганізму.

Ідентифікація бактерій

Бактеріологічна практика ідентифікує бактерії за морфологічним, генотиповим, культурним, тинкторіальним, патогенним та іншими ознаками, використовуючи визначники.

Одним з найпопулярніших є визначник Берджи – бактерії у визначнику розділені на групи за різними ознаками, всередині групи теж відбувається поділ за ознаками.

Визначник мікроорганізмів Берджи дозволяє досить швидко провести ідентифікацію бактерії і встановити її таксономічне положення.

Іншим методом ідентифікації бактерій є вивчення ферментативної активності, найчастіше це дослідження на цукролітичну і протеолітичну активність.

Ідентифікація бактерій за ферментативною активностю

Як експрес-метод використовують тест-системи для ідентифікації певної групи мікроорганізмів – анаеробів, ентеробактерій та інших. Існують спеціалізовані тест-системи, розроблені для санітарно-мікробіологічних досліджень.

Землеробство

Застосування людиною методів біотехнології в сільському господарстві успішно вирішує цілий ряд питань:

  • створення хробостійких і високоврожайних сортів рослин;
  • виробництво добрив на основі бактерій (нітрагін, Агрофена, азотобактерин та ін.), у тому числі компости і зброджені (метанове бродіння) відходи тваринництва;
  • розробка безвідходних технологій для сільського господарства.

Рослинам в природі необхідний азот, але засвоювати азот з повітря вони не здатні, а ось деякі бактерії, бульбочкові і ціанобактерії, в природі виробляють близько 90% від загального числа пов’язаного азоту, збагачуючи їм ґрунт.

У сільському господарстві використовують рослини, що містять на своїх коренях бульбочкові бактерії:

  • люцерна;
  • люпин;
  • горох;
  • бобові культури.

Ці культури використовують у сівозміні для збагачення ґрунту азотом.

Для боротьби з хвороботворними мікроорганізмами в рослинництві замість фунгіцидів використовують пробіотики.

Біотехнологія за участю генно-інженерних розробок пропонує для боротьби з патогенними мікроорганізмами використовувати бактерії з потрібними властивостями, здатні придушити зростання патогенних мікробів і не маючих побічних негативних дій.

До них відносяться елітні штами бактерій Bacillus subtilis і Licheniformis, отримані в результаті спрямованої селекції.

Потрапляючи в організм рослини або тварини, елітні штами мікроорганізмів починають швидко розмножуватися і пригнічують патогенну мікрофлору.

Елітні штами, як і антибіотики, нейтралізують шкідливі мікроорганізми, але не мають їх негативних сторін:

  • не виникає залежність або звикання;
  • не відбувається накопичення в організмі отрут або токсинів;
  • не виробляється імунітет.

Застосування в сільському господарстві пробіотиків успішно відносно більш 70 патогенних мікроорганізмів, що викликають захворювання рослин, включаючи раніше не підлягаючі лікуванню зовсім. Крім цього, елітні штами благотворно впливають на вегетацію рослин в цілому:

  • дозрівання плодів вимагає меншого часу;
  • значно зменшується вміст у плодах нітратів та інших токсинів;
  • скорочується необхідність в мінеральних підгодівлях рослин.

Тваринництво

Молочнокислі бактерії використовують у виробництві силосуванні.

У сільському господарстві силосування є одним з основних методів консервації рослинної маси і здійснюється шляхом регульованого зброджування під впливом молочнокислих, коккоподібних і паличковидних форм бактерій.

Процес молочнокислого зброджування рослинної маси вимагає дотримання оптимальних для життєдіяльності бактерій умов:

  • хімічний склад рослинної маси;
  • певний рівень вологості сировини;
  • оптимальна температура ферментації – 25 ° С;
  • молочнокислі бактерії анаеробні – силосування проходить без доступу повітря.

Отриманий в результаті молочнокислого зброджування силос є високоякісним соковитим кормом для тварин, зберігаючим корисні речовини рослинної сировини і маючим високу кормову цінність.

Бактерії розкладають гній тварин, в результаті отримуючи метан – вуглеводне з’єднання, яке використовується в органічному синтезі.

Екологічні проблеми

Однією з основних екологічних проблем, що стоять перед людиною сьогодні, є проблема очищення води в природі.

Спільне використання гетеротрофних і автотрофних бактерій дозволило добитися значного успіху – бактерії в природі успішно справляються з очищенням води, нормалізують її кислотність, розкладають придонні відклади, в результаті чого нормалізується життєдіяльність всіх мешканців водойм.

Також бактерії в природі здатні розкладати компоненти синтетичних миючих засобів і ряд лікарських препаратів.

Ксенобактеріі успішно використовуються для очищення в природі ґрунту і води при розливі нафти і нафтопродуктів.

Очисні споруди

Людина використовує велику кількість води для своїх особистих потреб, вирішуючи питання очищення стічних вод використанням септиків.

Ефективність роботи очисних споруд забезпечують спеціальні бактерії, що використовуються в септиках.

Мікроорганізми, використовувані в септиках, розкладають органічні сполуки будь-якого походження, при очищенні стічних вод вони успішно знищують специфічний запах.

За складом бактеріальна флора септика являє собою поєднання аеробної та анаеробної культур.

Анаеробні (безкисневі) мікроорганізми здійснюють первинну очистку води, а аеробні бактерії доочищають і освітлюють воду.

При використанні мікроорганізмів для септика існують певні правила для очищення стічних вод:

  • необхідно підтримувати певний рівень мікроорганізмів в септику;
  • обов’язковим є наявність води – без неї мікроорганізми загинуть;
  • не можна використовувати для очищення агресивні хімічні засоби – вони вб’ють мікроорганізми.

Інструменти біотехнологічних процесів

Основними інструментами біотехнології для отримання найбільш ефективних мікроорганізмів є селекція та генна інженерія.

Селекція – спрямований добір високоефективних особин в популяції внаслідок природної мутації мікроорганізмів.

У природі процес досить тривалий, але під дією мутагенних факторів (жорстке випромінювання, азотиста кислота та ін.) може бути значно прискорений.

Плюсами селекції є екологічність, натуральність продукту.

Мінусами методу слід вважати:

  • тривалість процесу;
  • неможливість контролювати напрям мутації – визначається за кінцевим результатом.

Генно-інженерні методи в біотехнології

Методи генно-інженерного втручання змінюють клітини мікроорганізмів і дріжджів, перетворюючи їх на ефективних виробників будь-якого білка. Що відкриває широкі можливості використання генно-модифікованих клітин мікробів і дріжджів для отримання кінцевого організму із заданими характеристиками.

Використання генно-мутованих клітин мікробів і дріжджів людиною в повсякденному житті викликає обґрунтовані побоювання – багато як прихильників генно-змінених речовин, так і їх супротивників.

Однак фактом залишається відсутність інформації про вплив генно-модифікованих клітин бактерій і дріжджів на організм людини і природу в цілому.

Генно-модифіковані бактерії і енергія

Генетики працюють над питанням альтернативного джерела енергії. Основним завданням є створення хімічної сировини, а далі палива як продукту бактеріального метаболізму.

Одним з напрямків отримання людиною енергії від бактерій є робота з генно-модифікованими ціанобактеріями.

Біологи Тюбінгенського університету виявили мікроорганізми, що мають властивості батарейки і здатні як акумулювати енергію, так і передавати її іншим бактеріям.

Енергію, яка виробляється цими бактеріями, людина може використовувати для наноприборів.

У Китаї побудований прилад, в якому бактерії отримують водень із ацетатів, при цьому зовнішнього джерела енергії в апарата немає, а сировиною служать дешеві відходи виробництва. У свою чергу водень є джерелом енергії для еко-автомобілів.

Мікробіологи в університеті Південної Кароліни виявили бактерію, здатну виробляти енергію, харчуючись токсичними відходами, такими проблемними як поліхлоровані біфеніли і агресивні розчинники.

Лабораторні дослідження

Каліфорнійські дослідники запропонували методику переробки бурих водоростей модифікованої кишковою паличкою, отримуючи на виході етиловий спирт – прекрасне джерело енергії.

Водень, як джерело енергії, отримали американські вчені при розкладанні анаеробними бактеріями глюкози.

Плюси і мінуси ГМО (генетично модифікований організм)

Використання людиною в повсякденному житті генно-модифікованих бактерій і дріжджів для отримання змінених організмів має як позитивні, так і негативні сторони.

До плюсів генно-модифікованих організмів відносять:

  • виробництво будь-яких органів для трансплантації, які не будуть відторгатися;
  • виробництво вихідного матеріалу для біопалива;
  • виробництво лікарських препаратів;
  • створення рослин для технічних цілей (виробництво тканин і т. д.).
Посилання на основну публікацію