Тема 8. МІКРООРГАНІЗМИ
У БІОТЕХНОЛОГІЧНОМУ ВИРОБНИЦТВІ
План:
8.1. Створення та модифікація
мікроорганізмів - продуцентів для біотехнологічних процесів.
8.2. Виробництво білків.
8.3. Виробництво ферментів
8.4. Технологія отримання мікробних
ліпідів.
8.5. Біодеградація та біоконверсія.
8.6. ЕМ технологія - основа органічного
землеробства
8.1.
Створення та модифікація мікроорганізмів - продуцентів для біотехнологічних
процесів.
Мікробіологічний синтез речовин відіграє
кінцеву роль в біотехнологічному виробни-цтві. Початок сучасної промислової біотехнології покладено в 40-х роках минулого сто-ліття налагодивши
виробництво пеніцілінів методами ферментації. В даний час мікроорга-нізми продукують багато видів сполук: амінокислот, антибіотиків, білків, вітамінів, ліпі-дів, поліцукрів, пігментів, цукрів, ферментів… .
До різноманітного світу мікроорганізмів
відносяться прокаріоти – бактерії, актино-міцети і нижчі еукаріоти (одно- та
багатоклітинні організми), які мають сформовані ядра, в яких хромосоми оточені
спеціальною мембраною (ліпопротеїдної природи) – дріжджі, нитчасті гриби,
найпростіші та водорості. Із 100 тис. видів відомих на сьогоднішній день
мікроорганізмів в біотехнологічних процесах використовують декілька сотень.
Промисло-вість ставить до продуцентів жорсткі вимоги, дуже важливі для
технології виробництва: висока швидкість росту; використання для
життєдіяльності дешевих субстратів; стійкість до зараження чужою мікрофлорою.
Природні мікроорганізми володіють
низькою продуктивністю тих речовин виробни-цтво яких необхідне. Для
біотехнології важливим є використання високопродуктивних штамів
мікроорганізмів. Їх створюють ціленаправленим відбором спонтанних або індуко-ваних
мутагенів. Отримання таких штамів
займає багато років. В
результаті селекції
продуктивність продуцентів збільшується в сотні тисяч разів. Так, в роботі з Penicilium
методами селекції вихід пеніциліну був збільшений майже в 10 тис. разів у порівнянні з вихідним. Відбору високопродуктивних штамів
передують тонкі маніпуляції селекціонера з генетичним матеріалом вихідних
штамів, використовуючи весь спектр природніх спо-собів рекомбінації генів, кон’югацію, трансдукцію та інші генетичні процеси. Кон’югація
(обмін генетичним матеріалом між бактеріями) використана при створені штаму Pseudo-monas putida, який
здатний утилізувати парафіни нафти. Дуже часто використовують трансдукцію
(перенесення гену від однієї бактерії до іншої за допомогою бактеріальних
вірусів - бактеріофагів), та апліфікації - обо збільшення числа копій
потрібного гену. У багатьох мікроорганізмів
гени біосинтезу антибіотиків та їх регулятори знаходяться не в основній
хромосомі, а в плазмідах. Завдяки ампліфікацій можна наростити число плазмід в клітинах та суттєво збільшити
виробництво антибіотиків.
Важливим підходом в генетико-селекційній
роботі - отримання генетичних рекомбі-нантів шляхом злиття різних штамів
бактерій, позбавлених клітинних стінок (протоплас-тів). Злиттям протопластів
2-х штамів Streptomyus
сконструйований
новий високоефектив-ний штам - продуцент рифампіцину С; мутаген Nouerdia mdiferranei, в
яких не синтезу-вався рифампіцин, а після злиття - сформулювали штами, які
продукували 3 нових рифам-піцини.
Рифампіцин утворений бактеріями роду Streptomyus, його напівсинтетичне похідне
рифампіцин специфічно інгібує ініціацію синтезу РНК - утворення першого
фосфоди-ефірного зв’язку в ланцюгу молекули РНК, тоді як уеукаріот римфапіцину
не інгібує син-тез РНК. Злиття цих протопластів дозволяє об’єднати генетичний матеріал і таких
мікро-організмів, які в природніх умовах не схрещуються.
В результаті технології рекомбінантних
ДНК вдалось виділити індивідуальні гени, модифікувати їх, з’єднувати один з
одним, отримуючи “злиті гени”, які продукують білки з новими властивостями.
Отримані таким способом копії індивідуального гену назива-ються
плануванням.
Арсенал нових генно - інженерних штамів
- продуцентів дозволив поряд з продуктами природніх штамів (їх називають
біопродуктами першого покоління) розпочати виробни-цтво на базі генно -
інженрних штамів рекомбінантних білків – біопродукцію другого покоління. Біопродукція третього покоління – це штучно синтезовані
сполуки, повністю імітують біологічні функції природних білків,
проте ними не являються.
Генно - інженерні методи все ширше
використовуються в біотехнологічному вироб-ництві перш за все цінних для людини
білків, в тому числі таких, які важко отримати синтетичними хімічними методами або
в потрібних кількостях із біологічного матеріалу. Впершу чергу це - білки та
пептиди, які синтезуються в організмі людини і використову-ються як
медикаменти. В даний час зусилля інженерів - генетиків спрямовані на ство-рення
бактерій - продуцентів, які б змогли з високою ефективністю виробляти такі
біо-логічно активні продукти. Основні
складності тут не стільки в конструюванні продуцен-тів, скільки в тому, щоб синтезовані в них чужерідні
білки нормально формувались, модифікувались і не руйнувались в клітинах
мікроорганізмів.
Увагу вчених привернула бактерія Bacillus subtilis і
дріжджі Saccharomices cererisiae. B. subtilis не
утворює токсинів і хоча ці бактерії присутні на шкірі людини, вони не токсичні.
Бацили здатні секретувати білки та вторинні метаболіти,
які можна виділити із культуральної рідини. 20 різних видів бацил синтезують
близько 40 ферментів із поза-клітинною
локалізацією.
Гентична конституція дріжджів Saccharomyces cereeevisiiae набагато
складніша, ніж у E.coli та B.subtilis
оскільки дріжджі належать до еукаріот. Цей вид дріжджів має 17 хро-мосом в
гаплоїдних і 34 в диплоїдних клітинах, ядерна ДНК - 30 млн. пар нуклеотидів,
ідентифікрвано декілька сотень генів в класах дріжджів приблизно 100 плазмід з
довжи-ною 2 мкм, повністю вилучена
послідовність 9-ти ДНК з приблизно
6000 пар нуклеотидів. Вдається проводити рекомбінацію цих плазмід з чужерідними
генами і використати їх в
якості факторів для переносу і клонування цих генів в клітинах дріжджів або E.coli. Для їх проведення розроблені методи трансформації протопластів клітин дріжджів.
В перспективі є можливість замінити
спиртове бродіння, методами генетичної інжене-рії шляхом співвідношення між
ферментами гліколізу. В США створена компанія, яка спеціалізується на
використанні дріжджів. Генетично - інженерні підходи розроблені для мікроорганізмів виду Pseeudomonas і Ssteptomyces займають важливе місце в біоіндустрії.
8.2. Виробництво білків.
Людство давно використовує мікроорганізми як джерело білку в харчуванні людини та
тварин. Ще в роки першої світової війни один із засновників молекулярної біології Макс Деельбрюн в Німеччині
розробили перший технологічний процес промислового культивування дріжджів для
їх додавання в супи та ковбаси. Білки, які прдукуються в хар-чових цілях, отримали назву білки одноклітинних
організмів (БОО). В якості сировини для мікроорганізмів використовувались вуглеводи нафти, природніх газів, молочну сиро-ватку, патоку, відходи спиртових заводів, мікроводорості.
Виробництво білків одноклітинних
організмів має суттєві переваги перед виробницт-вом білку в тваринництві та
рослинництві.
Зміни
в генах за допомогою генетичної інженерії, можуть модифікувати структуру та
покращувати властивості харчових білків. Найбільший інтерес в плані таких
маніпуляцій привертають увагу до себе 3 види білків тварин та рослин:
овальтумін курей, який ста-новить
більшу частину білку яйця
(54%), казеїн (головна фракція в молоці) та білки сої (42% в бобах). Маніпуляції з кодуючою частиною гену k - казеїну, в результаті яких із білку елімінувався фрагмент, розташований між 9-ю та 17-ю
амінокислотами, а також цистеїн, який приймав участь в утворенні дисульфідного
зв’язку, в результаті чого новий білок як харчовий продукт став більш якісним.
Виробництво мікробної біомаси - найкрупніше мікробіологічне виробництво. Мікро-бна
біомаса може бути доброю білковою добавкою для домашніх тварин, птахів і
риб. Її виробництво особливо важливо для країн, які у великих масштабах не
вирощують сою (соєву муку використовують як традиційну білкову добавку
корм). При виборі мікро-організму
враховують швидкість росту і вихід
біомаси на даному субстраті, стабільність при потоковому культивуванні,
величину клітин. Клітини дріжджів більші, ніж бактерій, і легше відділяються
від рідини при центрифугуванні. Можна вирощувати поліплоїдні мутанти дріжджів з
крупними клітинами. В даний час відомо дві групи мікроорганізмів, які володіють
властивостями необхідними для промислового виробництва: це дріжджі роду Candida на n-алканах (нормальних вуглеводах) і бактерії Methylophillus methylotro-phus на метанолі. Мікроорганізми можна вирощувати і на інших
живильних середовищах: на газі,
нафті, відходах вугільної, хімічної, харчової, винно-горілчаної, деревообробної
промисловості. Економічні переваги їх використання очевидні. Так, кілограм
переробле-ної мікроорганізмами
нафти забезпечує кілограм білку, тоді як кілограм цукру - 500 гра-мів.
Амінокислотний склад білку дріжджів практично не відрізняється від
отриманого з мікроорганізмів, вирощених на звичайних вуглеводних середовищах.
Біологічні випробу-вання
препаратів з дріжджів, вирощених на вуглеводах, які проведені в Україні і за
кордоном, виявили повну відсутність їх шкідливого впливу на організм
піддослідних тва-рин.
Експерименти були проведені на багатьох поколіннях лабораторних і сільськогос-подарських тварин. У звичайному вигляді дріжджі містять
неспецифічні ліпіди і аміно-кислоти,
біогенні аміни, поліцукри і нуклеїнові кислоти, а їх вплив на організм людини
вивчений недостатньо. Тому і пропонується виділяти з дріжджів білок в хімічно
чистому вигляді. Вивільнення його з нуклеїнових кислот є нескладним технологічним процесом.
У сучасних
біотехнологічних процесах, заснованих на використанні мікроорганізмів,
продуцентами білку є дріжджі, гриби, бактерії і мікроскопічні водорості. З
технологічної точки зору якнайкращими з них є дріжджі. Їх перевага полягає перш
за все в "техноло-гічності":
їх легко вирощувати в умовах виробництва, характеризуються
високою швид-кістю росту,
стійкістю до сторонньої мікрофлори, здатні використовувати будь-які дже-рела живлення, легко відділяються, не забруднюють повітря
спорами. Клітини дріжджів містять до 25% сухих речовин. Найбільш цінний
компонент дріжджової біомаси - білок, який по складу амінокислот перевершує
білок зерна злакових культур і дещо поступається білкам молока і рибної муки.
Біологічна цінність дріжджового білку визначається наявні-стю значної кількості незамінних амінокислот. За вмістом
вітамінів дріжджі перевер-шують всі
білкові корми, у тому числі і рибну муку. Крім того, дріжджові клітини містять
мікроелементи і значну кількість жиру, в якому переважають ненасичені жирні
кислоти. При згодовуванні кормових дріжджів коровам, підвищуються надої і вміст жиру в молоці, а у хутрових
звірів поліпшується якість хутра.
Останнім
часом як продуценти білку використовують бактерії, які відрізняються ви-сокою швидкістю росту і містять в біомасі до 80% білку.
Бактерії добре піддаються селе-кції,
що дозволяє отримувати високопродуктивні штами. Їх недоліками є важка осад-жуваність, обумовлена малими розмірами клітин, значна
чутливість до фагових інфекцій і високий вміст в біомасі нуклеїнових кислот.
Остання обставина несприятлива тільки в то-му випадку, якщо передбачається харчове використання
продукту. Знижувати вміст нук-леїнових
кислот в біомасі, що вживається на корм твариною, немає потреби, оскільки сечова кислота і її солі, що утворюються при
руйнуванні азотистих основ, перетворю-ються в організмі тварин в алантоін, який легко
виділяється з сечею. У людини надлишок солей сечової кислоти може сприяти
розвитку ряду захворювань.
Наступну
групу продуцентів білку складають гриби. Вони привертають увагу дослід-ників завдяки здатності утилізувати найрізноманітнішу по
складу органічну сировину: ме-лясу,
молочну сироватку, сік рослин і коренеплодів, лігнін і целлюлозовмісні тверді
від-ходи харчової, деревообробної, гідролізної промисловості.
Грибний міцелій багатий біл-ковими
речовинами, які за вмістом незамінних амінокислот щонайближче білкам сої. Ра-зом з тим білок грибів багатий лізином, основною
амінокислотою, якої не вистачає в білку зернових культур. Це дозволяє на основі
зерна і грибної біомаси складати збалансовані харчові і кормові суміші. Грибні
білки мають достатньо високу біологічну цінність і добре засвоюються організмом
Позитивним є
і волокниста будова вирощеної культури. Це дозволяє імітувати тек-стуру м'яса, а за допомогою різних добавок - його колір і
запах. Зберігають грибний міце-лій
зазвичай в замороженому вигляді.
Як субстрат
грибами використовується глюкоза і інші поживні речовини, а загальним джерелом азоту є аміак і
амонійні солі. Після завершення стадії ферментації культуру піддають
термообробці для зменшення вмісту рибонуклеїнової кислоти, а потім відокрем-люють міцелій методом вакуумного фільтрування. Джерелами
білкових речовин можуть бути і водорості. При фототрофному способі живлення і утворення біомаси вони вико-ристовують вуглекислий газ атмосфери. Вирощують
водорості, як правило, в поверхне-вому шарі ставків, де з площі
Субстрати
для отримання білку. Як джерела речовини і енергії мікроорганізми
вико-ристовують найрізноманітніші субстрати - звичайні парафіни і відходи
нафти, природний газ, спирти, рослинний гідролізат і відходи промислових
підприємств. Для вирощування мікроорганізмів з метою отримання білку кращим є
багатий вуглецем, але дешевий суб-страт (нерозгалужені парафіни нафти), вихід біомаси
з яких може сягати при їх викорис-танні до 100% від маси субстрату. Якість кінцевого продукту залежить від ступеня чис-тоти вихідної речовини. Дріжджі, вирощені на недостатньо очищених парафінах,
містять неметаболізовані компоненти. При використанні парафінів високого ступеня очищення, отриману дріжджову
масу
використовують як додаткове джерело білку в раціонах тварин. В Ураїні налагоджено промислове виробництво кормових дріжджів на n-парафінах, які
виробляють заводи продуктивністю від 70 до 240 тис. тонн на рік.
Одним
з перспективних джерел вуглецю для культивування продуцентів білку високої якості вважається метиловий спирт. Його отримують методом мікробного синтезу з дере-вини, соломи,
міських відходів.
Використання метанолу як субстрат затруднене його хі-мічною
структурою: молекула метанолу містить один атом вуглецю, тоді як
синтез біль-шості органічних
сполук продукується
з двохвуглецевих молекул. Найкращими продуцен-тами на таких субстратах
вважаються бактерії, які можуть
розмножуватись на метанолі з додаванням мінеральних солей. Процеси
отримання білку на метанолі
достатньо еконо-мічні. Собівартість продукту, виробленого з метанолу, на 10-15% нижче, ніж при анало-гічному виробництві на основі високоочищених n-парафінів. Високобілкові
продукти з метанолу виробляють у Великобританії, Швеції, Німеччині, США, Італії.
Продуцентами білку є бактерії
родини
Methylomonas. Західнонімецька
фірма Хезст виробляє з
метанолу бактеріальну
біомасу,
в якій міститься 60% білку.
Використання етанолу як субстрату знімає
проблему очищення біомаси від аномаль-них продуктів обміну з непарним числом
вуглецевих атомів. Біомасу на основі етанолу проводять в Чехії і Словакії,
Іспанії, Німеччині, Японії, США, де розроблені технологічні процеси отримання
білку із природного газу. Вихід біомаси при цьому становить 66% від маси
субстрату. У Великобританії при виробництві біомаси використовується змішана
культура: бактерії Methylomonas, які
засвоюють метан, Hypomicrobium і Pseudomonas, які засвоюють метанол, і два
види неметилотрофних бактерій. Культура характеризується ви-сокою швидкістю
росту і продуктивністю. Головні переваги метану, як основного компоненту
природного газу - доступність, відносно низька вартість, висока ефективність
перетворення в біомасу метаноокислюючими мікроорганізмами, значний вміст в
біомасі білку, збалансованого по амінокислотному складу. Бактерії, що розмножують на метані добре переносять кисле середовище і високі температури, стійкі до інфекцій.
Субстратом
для мікробного синтезу може бути і вуглекислий газ. Окислений вуглець в даному
випадку відновлюється мікроводоростями за допомогою сонячної енергії і кис-неокислюючими
бактеріями за допомогою водню. На корм худобі використовують суспе-нзію водоростей. Для роботи установок по вирощуванню
водоростей необхідні стабільна
температура повітря і
інтенсивність сонячного світла.
Найбільш
перспективне отримання білку
за допомогою воднеокислюючих бактерій, які розвиваються за рахунок окислення водню
киснем повітря. Енергія, що вивільняється при цьому, використовується на засвоєння вуглекислого газу. Для отримання біомаси
використовуються, як правило, бактерії роду Hydrogenomonas.
У інституті мікробіології Геттингенського університету (Німеччина) розроблений
спосіб культивування воднеокис-люючих
бактерій, при якому можна отримувати
Виключно доступним і достатньо дешевим
джерелом вуглеводів для виробництва мік-робного білку є рослинна біомаса, яка
містить цукор. Целюлоза - поліцукри, що склада-ється з молекул глюкози.
Гідроліз деревини в такому випадку відбувається тільки у присутності
каталізатора - мінеральної кислоти і при високих температурах. При цьому
утворюються моноцукри - гексози і пентози. На рідкій фракції гідролізату, яка
містить цукор, вирощують дріжджі. При кислотному гідролізі деревини утворюється
ряд побіч-них продуктів (фурфурол, меланіни), а із-за високих температур може
відбутися караме-лізація цукрів. Ці речовини перешкоджають нормальному розвитку
дріжджів тому їх відокремлюють від гідролізату. Як продуценти використовують
штами Candida scotti і C.tropicalis.
Найбільшим виробником сировини для
гідролізної промисловості є деревообробні підприємства, відходи яких щорічно
сягають десятки мільйонів тонн. На жаль, вони вико-ристовуються нераціонально
або взагалі є відходами виробництва
лубових волокон (з льону і конопель), картолекрахмального виробництва, пивоварної,
плодоовочевої, консе-рвної промисловості, бурякового жому.
Особливої уваги заслуговують способи
прямої біоконверсії продуктів фотосинтезу і їх похідних в білок за участю
грибів, які завдяки наявності ферментних
систем здатні утилі-зувати складні рослинні субстрати без попередньої обробки.
Дослідження біоконверсії рослинних
субстратів в мікробний білок активно ведуться в США, Канаді, Індії, Фін-ляндії,
Швеції, Великобританії, в Україні та інших країнах світу. Найбільш відомим і
до-веденим до стадії промислової реалізації є процес, розроблений в
університеті Ватерлоо в Канаді. Він базується на вирощуванні
целюлозорозкладаючих грибів Chaetomium
cellulo-lyticum, який можна проводити як в
глибинній культурі, так і поверхневим методом. Вміст білку в кінцевому продукті (висушеному грибному міцелії) становить 45%. Фінська фірма "Тампелла" розробила
технологію і організувала виробництво білкового кормового про-дукту "Пекило" на відходах целюлозно-паперового
виробництва. Продукт містить до 60% протеїну з необхідним амінокислотним набором і значною
кількості вітамінів групи В.
У більшості країн - виробників молока
традиційним способом утилізації сироватки є згодовування її тваринами. Ступінь
конверсії білку сироватки в білок тварини незначний (для вироблення
7.3. Виробництво ферментів
Ферменти, як біокаталізатори, володіють високою
каталітичною активністю і вибір-ковістю дії. Для кожного ферменту існує свій оптимум рН, при якому його каталітична дія максимальна. При
різкій зміні рН ферменти інактивуються. Прискорення реакції при під-вищенні температури також лімітоване певними межами,
оскільки при температурі 40-500С багато ферментів денатурують. Ці властивості ферментів
доводиться враховувати при розробці технології нових препаратів.
Оскільки ферменти - речовини білкової приро-ди, в суміші з іншими білками їх кількість визначити
практично неможливо. Наявність ферменту в препараті може бути встановлене
тривалістю реакції, яку каталізує фермент. Вміст ферменту визначають через кількість продуктів реакції, що утворилися, або кіль-кість субстрату який використано.
За одиницю активності ферменту приймають ту його кількість, яка каталізує перетворення одного мікромоля
субстрату
за 1 хвилину при за-даних
стандартних умовах (стандартна
одиниця активності).
Основну
частину ферментів, що отримуються промисловим способом, складають гідролази:
- амілолітичні ферменти (α-амілаза,
β-амілаза,
глюкоамілаза). Їх основна функція - гідроліз крохмалю і глікогену. Крохмаль при
гідролізі розщеплюється на декстрин, а по-тім до глюкози. Застосовують їх в
спиртній промисловості, хлібопеченні;
- протеолітичні ферменти утворюють клас пептидгідролаз. Їх вплив полягає в прис-коренні гідролізу пептидних зв'язків в білках і пептидах, особливістю - селективного хара-ктеру дії на пептидні зв'язки в білковій молекулі. Так, пепсин діє тільки на зв'язок з аро-матичними амінокислотами, трипсин - на зв'язок між
аргініном і лізином. У промислово-сті протеолітичні ферменти класифікують по здатності
проявляти активність в певному інтервалі рН: - рН 1.5 - 3.7 - кислі протеази; - рН 6.5 - 7.5 - протеази; - pH > 8.0 – лужні протеази. Протеази знаходять застосування в різних галузях
промисловості: м'ясній (по-м'якшення
м'яса); шкіряній (пом'якшення
шкір);
кіновиробництві (розчинення желати-нового шару при регенерації плівок); парфюмерній (добавки в зубну пасту, креми, лось-йони);
виробництві миючих засобів (добавки для видалення забруднень білкової приро-ди); медицині (при лікуванні запальних процесів, тромбозів і так далі);
- пектолітичні ферменти зменшують
молекулярну масу і знижують в'язкість пектино-вих речовин, відщеплюють метильні
залишки або розривають глікозидні зв'язки, приско-рюють негідролітичне
розщеплювання пекнових речовин з утворенням подвійних зв'язків. Застосовуються в текстильній промисловості (вимочування
льону перед переробкою), у виноробстві - освітлення вин, а також при
консервації фруктових соків;
- целюлітичні ферменти дуже специфічні.
Їх дія проявляється в деполімеризації моле-кул целюлози. Зазвичай використовуються
у вигляді комплексу, що доводить гідроліз целюлози до глюкози (у гідролізній
промисловості). У медичній промисловості
їх вико-ристовують для виділення стероїдів з рослин, в харчовій -
для поліпшення якості рос-линної
олії, в сільському господарстві - як
добавки в комбікорми для жуйних тварин.
Склад
і кількість ферментів, що синтезуються, спадково детерміновані. Застосовуючи
мутагени можна змінити генетичні властивості мікроорганізмів і отримати штами з
цін-ними для промисловості властивостями. До мутагенних
чинників відносяться іонізуюче і неіонізуюче випромінювання, ізотопи,
антибіотики, інші хімічні сполуки, що перетворю-ють спадкові елементи клітини. Не дивлячись на визначальну роль генетичного чинника в
біосинтезі ферментів, продуктивність біотехнологічних процесів залежить і від
складу жи-вильного середовища.
Фермент ліпаза майже не синтезується грибом Asp.
Awamori на се-редовищі
без індуктора, додавання жиру кашалота підсилює біосинтез ферменту в сотні
разів. При додаванні ж в середовище крохмалю і при повному виключенні мінерального фосфору
інтенсивно синтезується фосфатаза. Не тільки наявність індуктора здатна збіль-шувати вихід ферменту. Важливу роль відіграє склад поживного середовища і умови ку-льтивування. При розробці процесу біосинтезу а-амілази
культурою Asp. oryzae заміна сахарози
(як джерела вуглецю) на крохмаль збільшила активність ферменту в 3 рази, до-давання солодового екстракту (з пророслого насіння
злакових) ще в 10 разів, а підвищення концентрації основних елементів
живильного середовища на 50% - ще в 2 рази.
Для інтенсифікації синтезу ферментів
додають амінокислоти, пуринові основи і їх похідні, РНК і продукти її
гідролізу. Як джерело вуглецю використовують крохмаль, кукурудзяний екстракт,
соєве борошно, гідролізат біомаси дріжджів. Мікроорганізми мо-жуть утилізувати
і мінеральні джерела азоту. До складу живильних середовищ входять і іони Mg, Mn, Zn, Fe, Cu і ін.
елементи.
Оптимальний
склад живильного середовища для кожного продуцента визначається двома способами: емпіричним і побудовою математичної моделі з використанням комп'ю-тера. По характеру культивування всі технологічні процеси
виробництва ферментних пре-паратів
поділяються
на глибинний і поверхневий методи.
Суть глибинного методу культивування ферментів полягає в тому, що мікроорганізми вирощуються в
рідкому живильному середовищі. Технічно досконаліший, ніж поверх-невий, оскільки легко піддається автоматизації і
механізації. Концентрація ферменту в середовищі при глибинному культивуванні
зазвичай значно нижче, ніж у водних екст-рактах поверхневої культури, що викликає необхідність попередньої концентрації
фільт-рату перед його виділенням. При глибинному
культивуванні продуцентів ферментів виді-ляють, як і в будь-якому
біотехнологічному процесі, 5 етапів: приготування поживних середовищ, отримання посівного матеріалу,
промислове культивування, відділення фер-менту із фільтру після виділення
біомаси, отримання товарної форми.
- при поверхневому методі культуру вирощують на поверхні твердого зволоженого живильного
середовища. Міцелій повністю обволікає і досить міцно скріпляє тверді час-тинки субстрату, з якого отримують поживні речовини. Оскільки для дихання клітин ви-користовують кисень, то
середовище повинне бути рихлим, а шар культури-продуцента невеликим.
Вирощування промислової культури відбувається в асептичних умовах. Перед кож-ним
новим завантаженням необхідна стерилізація обладнання. Переваги поверхневої ку-льтури: значно вища кінцева концентрація ферменту на
одиницю масу середовища (при зцукренні крохмалю
Посівний матеріал може бути
трьох видів: культура, що виросла на твердому пожив-ному середовищі; споровий матеріал; міцеліальна
культура, вирощена глибинним спосо-бом.
Основу живильного середовища становлять пшеничні висівки, як джерело необхідних живильних
і ростових речовин. Крім того, вони створюють необхідну структуру середо-вища. Для підвищення активності ферментів додають буряковий жом, соєвий шрот, кро-хмаль, рослинні відходи. Стерилізують середовище
парою при температурі - 105-1400С
протягом
60-90 хвилин. Після цього середовище засівають і розкладають рівним шаром в
стерильних кюветах, які переносять в камери і культивують протягом 36-48 годин. Ос-новними умовами росту і розвитку продуцента є аерація і оптимальна
вологість (55-70%).
Отриману в
нерухомому шарі при поверхневому культивуванні маса
представляє корж з набряклих частинок середовища, щільно зв'язаних зрощеним
міцелієм, яку подріб-нюють до гранул 5-
Схема
очищення зводиться до відділення нерозчинних речовин і супутніх розчинних речовин,
фракціонування (як правило, хроматографічними методами). Стадію виділення і очищення
завершує сушка, після якої препарат повинен містити не більше 6-8% вологи. Стандартизація ферментного препарату - доведення
активності ферменту до стандартної, відповідної вимогам ДОСТ. Для цього використовуються різні нейтральні
наповнювачі - крохмаль, лактоза і ін.
Враховуючи перспективи застосування
ферментних препаратів в різних галузях про-мисловості і сільського
господарства, медицині, можна зробити висновок про необхід-ність розширення
досліджень в цьому напрямку для оптимізації технологічних регла-ментів і
гарантійного отримання високоактивних і стабільних мікробних ферментів.
7.4. Технологія отримання мікробних
ліпідів.
Під ліпідами
розуміють розчинні в неполярних розчинниках клітинні компоненти
мікроорганізмів. В даний час ведуться пошуки нових джерел отримання жирів, у
тому числі і на технічні потреби за участю мікроорганізмів, ліпіди яких після
відповідної обро-бки придатні для використання в різних галузях промисловості:
медичній, хіміко-фар-мацевтичній, лакофарбній, шинній і інших, що дозволить
вивільнити значні ресурси мас-ла тваринного і рослинного походження.
Технологічний процес отримання мікробних
ліпідів, на відміну від білкових речовин включає стадію виділення ліпідів з
клітинної маси методом екстракції в неполярному роз-чиннику (бензині або
ефірі). При цьому отримують
одночасно два продукти: мікробний жир (біожир) і знежирений білковий препарат
(біошрот).
В процесі культивування мікро-організмів отримують три класи ліпідів: прості,
складні і їх похідні. Прості ліпіди – нейт-ральні жири і віск. Нейтральні жири
(основні запасні компоненти клітини) - ефіри гліце-рину і жирних кислот,
основна маса яких триацилгліцериди. Віск - ефіри жирних кислот або
моноооксикислот і аліфатичних спиртів з довгим вуглецевим ланцюгом. По
структурі і властивостям близькі до нейтральних ліпідів. Найбільшу кількість
нейтральних ліпідів синтезують дріжджі і міцеліальні гриби. Прості ліпіди знаходять
застосування як техно-логічні мастила в процесах холодної і теплової обробки
металів. Продуцентами складних ліпідів є в основному бактерії. Складні ліпіди
поділяються на дві групи: фосфоліпіди і гліколіпіди. Фосфоліпіди
(фосфогліцериди і сфінголіпиди) входять до складу клітинних мембран і беруть
участь в перенесенні електронів. Їх
молекули полярні і при рН 7,0 фосфатна група володіє негативним зарядом.
Концентрат фосфоліпідів знаходить засто-сування як антикорозійна присадка до масел і як добавка
при флотації різних мінералів. Гліколіпіди на відміну від фосфоліпідів не
містять молекули фосфорної кислоти, але є сильнополярними сполуками
за рахунок наявності в молекулі гідрофільних вуглеводневих груп (залишків глюкози, манози, галактози і ін.).
До похідних ліпідів відносять жирні
кислоти, спирти, вуглеводні, вітаміни Д, Е і К. Жірні кислоти представлені
насиченими і ненасиченими з одним подвійним зв'язком кис-лотами нормальної
будови і парним числом вуглецевих атомів (пальмітинова, стеаринова, олеїнова).
Серед дієнових жирних кислот виділяють лінолеву. Подвійні зв'язки в
ненаси-чених жирних кислотах мікробних ліпідів часто присутній так, що ділить
їх на частини, число вуглецевих атомів в яких кратно трьом. Очищені
монокарбонові кислоти з числом вуглецевих атомів 14-18 знаходять широке
застосування в миловареній, шинній, хімічній, лакофарбній та інших галузях
промисловості.
Для промислового використання важливе
значення має здатність мікроорганізмів (в першу чергу дріжджів) накопичувати
ліпіди. Процес утворення ліпідів у більшості дріжд-жів складається з двох чітко
розмежованих стадій:
- перша характеризується швидким
утворенням білку в умовах посиленого постачан-ня культури азотом і
супроводжується повільним накопиченням ліпідів (в основному гліцерофосфатів і
нейтральних жирів);
-
друга - припиненням росту дріжджів
і посиленим накопиченням ліпідів (в основному нейтральних).
Типовими ліпідосинтезаторами є дріжджі Cryptococcus
terricolus, які
синтезують ліпіди (до 60% від сухої маси) в будь-яких умовах. .
З інших ліпідоутворюючих дріжджів
промисловий інтерес представляють дріжджі З.
guilliermondii, які
утилізують алкани. Вони синтезують в основному фосфоліпіди. Накопи-чують великі
кількості ліпідів і активно розвиваються на вуглеводних субстратах (мелясі,
гідролізаті торфу і деревині) дріжджі видів Lipomyces lipoferus і Rhodotorula
gracilis. У цих
видів ліпогенез залежить від умов культивування. Ці продуценти накопичують
значні кількості (до 70%) триацилгліцеридів.
Ліпіди, що синтезуються бактеріями,
своєрідні по складу, оскільки включають в основному складні ліпіди, тоді як
нейтральні жири становлять незначну частину біомаси. При цьому бактерії
продукують жирні кислоти (що містять від 10 до 20 атомів вуглецю), важливих для
промислового виробництва специфічних жирних кислот. Використання во-доростей є перспективним напрямком для культивування ліпідів, оскільки не потребують органічного джерела вуглецю.
Хімічний склад (співвідношення білків і жирів) водоростей різний
і залежить від вмісту в середовищі азоту. Основним
недоліком - мала швидкість росту і накопичення токсичних сполук в клітинах,
які обмежують їх промислове застосу-вання.
Отже, основну роль в процесі біосинтезу
ліпідів відіграють штами дріжджів, які вико-ристовують сировину, аналогічну
отриманню кормового білку, причому від якості вугле-цевого живлення залежать
вихід біомаси, кількість і склад ліпідів, що синтезуються. Для забезпечення
направленого біосинтезу ліпідів в живильному середовищі уживаються
легкоасимілюючі джерела азоту.
Важливою умовою виробництва ліпідів або
білку є співвідношення в субстраті вуг-лецю і азоту. Підвищення концентрації
азоту викликає зниження ліпідоутворення, а його нестача при забезпеченості
вуглецем призводить до зниження виходу білкових речовин і високого процентного
вмісту жиру. Зазвичай для вуглеводневої
сировини співвідно-шення N:C
= 1:30, а для вуглекисневого -
1:40. Виробництво ліпідів можливе тільки за наявності в
середовищі фосфору. При його нестачі субстрат використовується не пов-ністю, при надлишку - накопичуються неліпідні продукти.
На фракційний склад ліпідів вміст
фосфору не
впливає. Вплив
інших елементів середовища (мікро- і
макроелементів) впливає
на інтенсивність росту
дріжджів і швидкості утилізації джерела вуглецю, що впливає і на кількість
накопичених ліпідів, але не на їх якість.
На фракційний склад ліпідів, що
синтезуються впливає аерація, рН і температура. Від інтенсивності аерації
залежить синтез фосфогліцеридів, жирних кислот і триацилглі-церидів. При
недостатній аерації ліпіди містять в 4 рази менше триацилгліцеридів, в 2 рази
більше фосфогліцеридів і в 8 разів більше жирних кислот в порівнянні з оптима-льною.
При інтенсифікації аерації зростає ступінь ненасиченості ліпідів і збільшується
відносна кіль-кість всіх груп ненасичених кислот. Підвищення рН середовища
призводить до збільшення вмісту фосфогліцеридів і жирних кислот при одночасному
зниженні кількості триацилгліцеридів. Оптимальні
температури росту і ліпідоутворення для клітин
співпадають, причому вміст
ліпідів не залежить від температури культивування. Регулю-ючи
температуру, можна створювати певні співвідношення насичених і ненасичених жир-них кислот у складі фосфоліпідних мембран.
Для вуглеводів відпрацьована технологія
отримання ліпідів на гідролізаті торфу і деревини. Як показали дослідження,
співвідношення гідролізату торфу і деревини 1:4 забезпечує найбільший вихід
біомаси у стадії культивування (до 10 г/л) при максима-льному вмісті ліпідів
(до 51% на абсолютно суху речовину) і високому коефіцієнті використання
субстрату (до 0,54). З 1 тонни сухого торфу після його гідролізу і фермен-тації
можна отримати 50-
7.5. Біодеградація та біоконверсія.
Біодеградація
та біоконверсія це дуже важливий напрямок біотехнології який базу-ється на
використанні мікрорганізмів. Вся переробка (біодеградація) відходів та побічної
продукції сільського господарства і промисловості вирішує одночасно виробничі
та при-родоохоронні завдання: утилізація (біодоградація) і переробка
непотрібної, як правило, економічно шкідливої сировини в корисні сполуки
(біоконверсія). Біотехнологія, засно-вана на біодеградації із поєднанням з
біоконверсією – добре налагоджена в Японії та ін-ших країнах де переробка
відходів твариницьких комплексів базується на використанні синьозелених
водоростей. Позбавляючись від відходів, одночасно отримують біомасу із високим
вмістом білку і біогаз, збагачений метаном.
Одина із найбільш складних проблем –
утилізація целюлози. Її світові ресурси стано-влять біля 7 млрд. тонн. Це
лінійний полімер целобіози, основу якої становить глюкоза. Повне розщеплення
целюлози до глюкози вирішує ряд проблем: отримання значної кіль-кості
вуглеводів та збереження навколишнього середовища від викидів сільського
гос-подарства, виробництва паперової та текстильної промисловості. Процес
розщеплення це-люлози не простий, оскільки вона складається із нерозчинних
волокон асоційованих з іншими поліцукрами – геміцелюлозою, пектином і оточена
лігніном, який прикриває це-люлозу від дії ферментів. У природі целюлозу
розщеплюють мікроорганізми: нитчастий гриб Trichoderma reesli, який продукує значну кількість
целюлолітичних ферментів (целю-лози, який представляє собою суміш ендоцелюлаз
та актиноцелюлаз), що розщеплюють полімер із середини та всередині ланцюга, які
недостатньо ефективні для створення на їх основі промислового біотехнологічного
розщеплення целюлози.
Використання генетичної інженерії
дозволило виділити гени целюлолітичних фермен-тів із деяких мікроорганізмів.
Розробляються методи їх переносу у природні умови, які могли б спочатку
гідролізувати целюлозу до глюкози і потім перетворити її в спирт. Проб-лемою
вирішення даного питання є те, що мікроорганізми з підвищеною целюлолітич-ною
активністю можуть поширитись у природі і завдати шкоди рослинному світу та
про-дуктам із целюлози, які постійно оточують людину.
Анаеробні та аеробні мікроорганізми
давно і широко очищають воду від органічних матеріалів. В бактеріях роду Pseudomonas є
оксидоредуктази, або гідроксилази, які спро-можні розкладати вуглеводи та
високотоксичні для навколишнього середовища арома-тичні сполуки (бензоли, толуоли,
ксилоли) гени, які продукують ці ферменти локалізовані у плазмідах. З допомогою
гентичної інженерії отриманий штам Pseudomonas putida, може рости на неочищеній
нафті і досить ефективно очищати стічні води. Очистка стічних вод від металів часто базується на поглинанні їх мікроорганізмами. На
практиці часто вико-ристовують
нитчасті гриби, які здатні поглинати торій.
Біодеградація – це один із способів знешкодження пестицидів,
які здатні тривалий час зберігатися у грунті. За допомогою методів генетичної
інженерії сконструйовано штам Pseudomonas ceparia, який
ефективно руйнує 2, 4, 5- трихлорбромоксиацетат. В даний час мікробна біодеградація та біоконверсія є основою
створення багатьох безвідходних еко-логічно чистих виробництв в сільському господарстві та
промисловості.
Мікроорганізми, які присутні у надрах
Землі, широко використовуються в біогеотех-нології
– добуванні, перетворенні і переробці природних копалин, нафти та газу. Біо-геотехнологія
отримання металів використовує властивості деяких мікроорганізмів переводити метали у розчинні сполуки. Так, Thiobacillus ferrooxydans вилуговує Fe, Zn, Cu та інші метали з допомогою окислення
сірчаної кислоти, яку утворюють мікроорганізми із сульфіду. Chromobaeterium violaceum здатна
розчиняти золото, реалізуючи процес Au – Au (СN)4. Для вилучення
металів із стічних вод перспективні штами Citrobaeter
sp. і Zoogloea, які здатні
накопичувати уран, мідь, кобальт. Отриманні мутанти Litrobaeter sp. з високим рівнем фератази в 2 - 5 разів
швидше накопичують уран, ніж батьківські штами, що пов’язано з осадженням металу на поверхню клітин в
результаті ензиматичного виві-льнення
неорганічного фосфату. Синтезовані плазміди з генами ферментів, які розщеп-люють октан, камфору, нафталін, ксилол та здатні ефективно утилізувати сиру нафту.
Біоенерготехнологія повязана із запасиами енергії в рослинах земної поверхні, які утворюють в
процесі фотосинтезу вуглеводи, співставлені з запасами енергії природних
копалин. Звичайно суху біомасу перетворюють в енергію в процесі горіння, тоді
як найбільш ефективний спосіб перетворення з допомогою мікроорганізмів сирої
біомаси в енергію – отримання вуглеводів та біогазу (метану). Метанове бродіння відкрите в кінці 18 століття. Це складний
процес, в якому приймає участь декілька видів мікроорганізмів, перважно Metheno
bacterium formicicum і M. hungati. Біогаз – це суміш, головним компо-нентом якої - метан (65%) та сірководень - (1%). Для його отримання використовують суміш органічних речовин (гній,
солому, водорості, целюлозну біомасу). Біогаз давно виробляли в Індії, Китаї,
Філіпінах. Зараз інтерес до цього виду палива проявляється в Європі. Виробництво
метану важливо
не тільки для енергетики, а
й ефективний спосіб
утилізації відходів сільськогосподарського
виробництва.
Значну перспективу має екологічне паливо – етанол. Цукри та крохмаль, які зазвичай зброджують дріжджі S.
Cerevisia, бактерії Zymomonas
mobilis - сік агави - один із найбільш перспективних об’єктів генно - інженерних робіт з метою розширення
субстратів для мік-роорганізмів.
Бірсенсори це -
високочутливі штучні елементи біологічної природи, здатні розщеп-лювати
мікрокількості газоподібних, рідких і твердих речовин. Вперше запропоновані Л. Кларном та Х. Ліонсом в 1962
році, після чого почалось їх масове використання. В якості основного
біотехнологічного елементу біосенсорів для визначення парів формальдегіду, найчастіше використовують ферменти (пероксидази,
формальдегіддегідрогенази). В ос-танній час синтезовані імуносенсори, які можна розглядати як біосенсори нового
поко-ління.
7.6. ЕМ
технологія - основа органічного землеробства
Технічний прогрес
приносить людині не тільки матеріальне благополуччя, але й обу-мовлює постійно
зростаюче техногенне навантаження на біосферу - грунт, водойми, річки,
атмосферу, живі організми. До
факторів, що його викликають, відносять хімізацію сільсь-кого господарства. Високі дози мінеральних добрив, зростання
об'ємів використання хі-мічних засобів
захисту рослин, порушення технології їх застосування, інтенсивний обро-біток грунту, призвели до негативних екологічних наслідків.
Неефективне використання засобів хімізації
порушує саморегуляцію в живій приро-ді, послаблює захисну функцію рослин, тварин і людини. Старі, випробувані агротехно-логії не в змозі справитися з даними проблемами. Перед людством постало
завдання пода-льшого розвитку землеробства, пошуку альтернативних
шляхів підтримки його високої продуктивності й екологічної безпеки. На заміну старим технологіям прийшла біотехно-логія, яка
повинна вирішити екологічні,
енергетичні та продовольчі проблеми людства. Одним з таких напрямків розвитку є виробництво
екологічно чистої продукції без застосування агрохімікатів.
Засновником
концепції органічного землеробства, як однієї з форм ведення
сільського господарства, є японський філософ Мокіші
Окада (1882-1955), який вважав, що екологічна агротехніка повиина вирішувати такі завдання:
- виробляти продукти харчування, які не
тільки підтримують життєдіяль-ність, але і поліпшують здоров'я людей;
- стабілізувати біологічну рівновагу в природі,
бути екологічно безпечною;
- використовувати прості доступні методи та засоби
ведення господарства.
Під
органічним сільським господарством розуміють агровиробничу практику, яка:
- не використовує синтетичних хімікатів (добрив,
пестицидів, антибіоти-ків… .);
- застосовує мінімальний обробіток грунту;
- не застосовує генетично модифікованих
організмів (ГМО) охоплюючи різні галузі: рослинництво, овочівництво,
садівництво, тваринництво, птахівництво… .
Сьогодні під органічне сільське
господарство використовуються значні площі земель: у Європі - 5,1 млн. га, у
Північній Америці - 1,5 млн. га, Латинській Америці - 4,7 млн. га, в Австралії
- 10,6 млн. га. Тільки
в країнах ЄС кількість господарств спеціалізованих
на виробництві екологічно чистої продукції за рахунок органічного землеробства за останні 15 років зросла
більш ніж у 20 разів. Цьому сприяла прийнята у
1993 році загальна політика щодо підтримки фермерів у перші
роки після переходу від звичайного до органічного агровиробництва, завдяки якій середній показник кількості
органічних господарств досяг у країнах ЄС - 4%, в Австрії - 11,3% (285,5 тис. га), Італії -
7,9% (1230 тис. га), Данії - 6,5% (174,6 тис. га). Річний обсяг продажу продукції органічного землеробства в Австрії становить 375 млн. євро, обєм державних субсидій для виробництва даної продукції
- 600 млн. євро. Дотації на
Світовий
ринок органічної продукції оцінюється біля
50 млрд. дол.
США. Лише у Великобританії за 2 роки обсяг продажу
продукції органіч-ного землеробства зріс з 300
млн. дол. до 2 млрд. дол. США. В Україні пло-ща земель під органічним виробництвом - 0,4% (16,4 тис. га). Наша країна
має значний потенціал для виробництва органічної сільськогосподарської
продукції, її реалізації на експорт і для внутрішнього споживання.
Один з напрямків екологізації
землеробства - збереження грунтів, регулювання її життєдіяльності, організація
біологічного контролю всіх агротехнічних заходів, підтримка певного гомеостазу
грунтових мікроор-ганізмів, у тому числі їх складу і чисельності.
Родючість грунту створює "жива речовина", яка
складається з мільярдів грунтових бактерій, мікроскопічних грибків, зоофауни та
інших живих організмів. Швидкість
розм-ноження бактерій у поживному середовищі дуже велика. Приблизно
кожні 20 хвилин бактерія ділиться, даючи дві дочірні клітини. При такій
швидкості через добу за наявності сприятливих умов маса бактерій, що
розмножилися, склала б приблизно 400 тонн.
Біомаса мікроорганізмів,
яких в
За висновками Слащиніна Ю.І., суть родючості грунтів
полягає, у "годівлі бактерій та інших живих істот", які живуть у
грунті. Необхідно нагодувати
спочатку мікробів і хробаків, а вони, у свою чергу, нагодують рослини. Ні
мінерали, ані органічна речовина самі по собі не переходять у засвоювану форму. Цю
функцію виконують мешканці грун-тів,
про яких і необхідно піклуватися у першу чергу. Така постановка питання в
проблемі
родючості грунтів вимагає зміни
традиційного мислення, відмови від інтенсивного обро-бітку грунту. Інтенсивна хімізація знищує мікрофлору і тварин грунтового співтовариства, які є
основними факторами підвищення родючості грунту.
У природі мікроорганізми
співіснують великими таксономічними групами, утворю-ючи поживні, захисні, підтримуючі один одного симбіотичні
ланцюги. Втрата одного з них
може призвести до загибелі інших штамів. Підвищення родючості грунтів
шляхом використання мікроорганізмів ускладнюється
тим, що поряд з життєдайними (регенера-тивними) існують патогенні (дегенеративні)
мікроорганізми.
Сила регенерації є
продуктивною, корисною і життєдайною. На противагу їй сила дегенерації призводить до розпаду, прискорює розкладання і гниття органічних та міне-ральних компонентів
грунту. У рівновазі дані групи
мікроорганізмів знаходитися не мо-жуть. Та з них, що переважає, витісняє протилежну. Стан
грунту - точний індикатор того, які мікроорганізми переважають. Грунти, у яких
переважають анабіотичні чи регенера-тивні мікроорганізми володіють високою природньою родючістю. Рослини, які вирощу-ють на таких грунтах, добре ростуть і розвиваються, стійкі до хвороб і шкідників. Такі грунти
без хімікатів, пестицидів і промислових мінеральних добрив мають високу потен-ційну родючість.
Якщо ж у грунті переважають дегенеративні чи патогенні мікроорга-нізми, розвиток рослин ослаблений, вони уражуються
хворобами і
пошкоджуються шкід-никами.
Наукою розроблені
штами мікроорганізмів здатних до
створення стійкого їх сим-біозу, який сприяє забезпеченню рослин елементами
живлення і придушенню патогенної мікрофлори. Вперше,
експеримент по ефективному використанню мікроорганізмів у під-вищенні родючості
грунтів, провів у 1988 році японський
вчений Теро Хіга. Він вивчив понад 3000
основних штамів мікроорганізмів з яких йому вдалося відкрити суть їх
регенеративно-дегенеративного взаємозв'язку. Виявилося, що як у середовищі
життєдай-них, так і патогенних мікроорганізмів близько 5% штамів є
ведучими, решта може змінити свою вихідну орієнтацію в бік, де більше лідерів.
Таким чином, якщо в грунті більше реге-неративних мікроорганізмів, то життєдайним є і саме середовище, у якому рослини добре себе почувають, забезпечуючи високі врожаї. Якщо ж переважають патогенні мікролі-дери, рослини ослаблені, піддані хворобам і шкідникам, їз низьким
врожаєм.
Теро Хіга були відібрані 86 лідируючих регенеративних
штамів, які виконують весь спектр функцій з живлення рослин, їх захисту від
хвороб та оздоровлення грунтового середовища, які одержали назву ЕМ (ефективні
мікроорганізми).
Складним завданням було поєднання всіх ЕМ у концентрованому
розчині, у якому вони могли міститися та зберігатись тривалий час, при цьому
умови життєдіяльності деяких з них прямо протилежні, наприклад, наявність або
відсутність кисню. Проведений експеримент перевершив всі очікування, а
використання мікроорганізмів з метою підви-щення родючості грунтів дістало
назву ЕМ - препаратів започаткувавши нову технологію землеробства -
ЕМ-технології. В залежності від
інтенсивності її застосування та
ступеня родючості грунтів, врожай зростав в 1,5 - 4,0 рази.
Головною перевагою ЕМ - технології стала можливість за 3-5
років, виключивши застосування хімічних добрив і пестицидів, повернути грунтам
високу природну родю-чість, одержуючи
високоякісну, екологічно чисту
продукцію.
Ефективні мікроорганізми відіграють винятково продуктивну життєдайну роль при внесенні їх у
будь-яке біологічне середовище, будь то грунт, організм людини чи тварин. В
Японії за допомогою ЕМ - препаратів очищують міські стоки, створюючи замкнуті
виробничі цикли. Позитивні
результати від ЕМ
препаратів отримано у тваринництві,
пта-хівництві, кулінарії.
Головною причиною
виняткової багатофункціональності ЕМ - препарату є широкий діапазон дії
мікроорганізмів, які входять до його складу:
Фотосинтезуючі бактерії які синтезують
корисні речовини, використовуючи сонячне світло та тепло грунту. Синтезовані
ними речовини містять у собі амінокислоти, біологічно активні речовини та
цукри, які сприяють розвитку і росту рослин.
Молочнокислі бактерії
виробляють молочну кислоту з органічних речовин, виробле-них фотосинтезуючими
бактеріями та дріжджами. Молочна кислота є сильним стериліза-тором, який
придушує шкідливі мікроорганізми та прискорює розкладання органічної речовини.
Молочнокислі бактерії розкладають лігніни та целюлозу, ферментують ці речовини,
придушу-ють Fusarium,
нематод.
Азотфіксуючі бактерії
поглинають атмосферний азот і закріплюють його у вигляді азотних сполук,
збільшуючи запас азоту в грунті.
Дріжджі
синтезують біологічно активні речовини з амінокислот і цукрів, які
про-дукуються фотосинтезуючими бактеріями та корінням рослин. Секреції дріжджів – корис-ні субстрати для молочнокислих бактерій і актиноміцетів.
Актиноміцети
виробляють антибіотичні речовини - антибіотики, які придушують ріст шкідливих
грибів і бактерій.
Ферментуючі гриби роду Aspergillus
і Penicillium швидко розкладають органічні
речовини, виробляючи етиловий спирт, складні ефіри та антибіотики, запобігають зара-женню грунту шкідливими комахами та личинками.
Близько 10 років у світі
не було аналогічних розробок Теро Хіго. Лише у 1998 році в Росії П. Шабаліну вдалося створити ЕМ -
препарат - Байкал ЕМ-1, який по ефективності не поступається японському, а за деякими показниками його перевищує.
Між препаратами багато
спільного, розходження тільки в процентному співвідно-шенні різних штамів і в тому, що в препараті Теро Хіго
основну роль відіграють фото-синтезуючі
штами, а в Шабліна - молочнокислі. Препарат Шабліна швидше сприяє очи-щенню грунтів від шкідливих речовин і патогенних
мікроорганізмів. Численні дослід-ження та промислові випробування препарату в багатьох регіонах Росії і країнах СНД,
показали його високу ефективність. Результати досліджень вказують
на те, що замочу-вання насіння перед
посадкою овочевих
культур підвищує їх врожай на 10 - 60%, а одноразове
обприскування сходів ЕМ - препаратом у концентрації 1:1000 на 10 - 30%. Щотижневе обприскування рослин ЕМ -
препаратом забезпечує приріст врожаю в залежності від виду овочевих культур від 50 до 150%. При використанні ЕМ - компосту, в залежності від дози та якісного складу, врожай зростає в 2 - 10 разів.
Переходячи на
ЕМ-технологію, необхідно пам'ятати, що ефективність ЕМ – препаратів залежить від дотримання елементарних агротехнічних правил ЕМ - технології:
- будь – яке підживлення рослин протягом вегетації діє на грунт як наркотик, погіршуючи її біологічні
властивості. Більшість поживних елементів в достатніх кілько-стях присутні навіть у найбідніших грунтах. Рослинам вони можуть бути
доступні в необ-хідних
кількостях завдяки життєдіяльності мікроорганізмів;
- забезпечити живленням не
самим рослинам, а мікроорганізмам, які живлять їх, що, у свою чергу, забезпечить рослини
необхідними доступними поживними
речовинами. Ос-новою живлення
мікроорганізмів органічна
речовина грунту;
- чим більше в грунті ЕМ, тим вищою є його родючість. ЕМ
вносяться в грунт за допомогою отриманих на основі ЕМ - препарату добрив і
препаратів;
- внесені мікроорганізми забезпечують живлення рослин, а
також спри-яють розвитку інших, більш високорозвинених і продуктивних
організмів;
- необхідно обмежуватися тільки поверхневою обробітку грунту на глибину до 5 -
- природна структура грунту щонайкраще захищається
мульчуванням;
- ЕМ –
препарати вносяться у вигляді
ЕМ-розчину, ЕМ-компосту, ЕМ-екстракту, ЕМ 5 - ферментованої рослинної сировини,
ЕМ - бокаші з органічних відходів - найбільш цінного в ЕМ - технології добрива,
ЕМ -ургаси - продукту переробки домашніх харчових відходів.
На даний час випускаються
в промисловому масштабі препарати, які збагачують грунт бактеріями, грибами,
дріжджами, водоростями (препарат "Біоорган-Форте", який містить понад
500 млрд. мікроорганізмів в
ЕМ-добриво
"Енергія" при внесенні в грунт створює симбіоз рослин і організмів,
поглинаючи світло та синтезуючи біологічно активні речовини. Коефіцієнт
корисної дії засвоєння сонячного
світла в системі (рослина
+ мікроорганізми) у 5 разів більш ефектив-ний, що теоретично можливо в стільки ж разів збільшити обсяг сільськогосподарського
виробництва шляхом поглинання всього спектра сонячного випромінювання, замість
20%, характерних для фотосинтезу рослин.
Враховуючи унікальні результати досліджень можна
стверджувати про зародження нового напрямку агрономічної науки - біотехнології гумусу. Досвід високорозвинених країн світу свідчить про
великі перспективи ЕМ - технології як одного з головних напрямків розвитку органічного
землеробства. В україні є значний позитивний досвід по практичному застосуванню ЕМ - технології, який свідчить про високу її
ефективність.
На
малюнку Виробництво інсуліну, ВАТ «Національна біотехнологія»
21.11.2013 8.30 – 9.50
