Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий»


НазваниеМетодическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий»
страница2/9
Дата публикации08.04.2013
Размер1.16 Mb.
ТипМетодическое пособие
userdocs.ru > География > Методическое пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9
^

Обоснование необходимости альтернативного биологического земледелия.


Химизация сельского хозяйства показала отставание средних урожаев зерновых по сравнению с Европой в 3,8 раза (СНГ – 18,4 ц/га, Голландия – 69,3 ц/га). Незначительное повышение урожая требует с каждым годом всё большего количества минеральных удобрений, эффективность их применения падает. Использование обезвоженного аммиака, аммиачной воды, углекислого аммония и ядохимикатов привело к стерилизации почв, разрушению естественных агробиоценозов, уничтожению природных фабрик гумуса. Использование неправильно приготовленной органики (незакомпостированный навоз) потребовало интенсивного применения гербицидов. Растения, с подорванным пестицидами имуннитетом, не способны противостоять насекомым-вредителям, что требует новой защиты, новых ядов. В конечном счете, получаем низкие урожаи несъедобной, быстропортящейся продукции.

В развитых странах, где здоровье человека – категория экономическая, начиная с 40-х годов, внедряют биотехнологии, имитирующие естественные природные процессы при интенсивных условиях. Природа тратила 300 лет на 1 см плодородного слоя, сейчас естественные фабрики разрушены антропогенными факторами, и получать гумус приходится в искусственных условиях.

В США более 1400 крупных специализированных производств по переработке органики в гумус, более 500 000 фермерских хозяйств перешли на систему биологического земледелия, средняя урожайность зерновых достигла 60 ц/га (117 ц/га), кукурузы (зерна) – более 100 ц/га.

В Германии выделяются крупные государственные субсидии для ведения биологического земледелия без ядохимикатов и химических удобрений, в течение 5-ти лет крестьяне получают 425 марок в год за 1 га под чистое производство. Мировой производитель вермикомпоста (продукта переработки органики дождевыми червями) закупает его, осуществляя заботу о здоровье нации.

В Японии с начала 80-х годов интенсивно внедряются биотехнологии, миллиардные затраты окупились за три года, островное государство с дефицитом посевных площадей в 1985 году полностью обеспечивает потребности страны всеми видами продовольствия, сокращает 1,7 % посевных площадей, устраняя перепроизводство.
Сельскохозяйственные системы безотходного экологически чистого производства. Тактика использования биотехнологий.

Система безотходного экологически чистого производства включает в себя само производство экологически чистой продукции и переработку его отходов с помощью биотрансформации (биоконверсии) или биодеструкции (биодеградации). Для достижения такого производства в сельском хозяйстве необходимо использовать систему таких мероприятий:

- использование пробиотиков для оздоровления с/х животных и растений;

- ремедиация (восстановление плодородия почв) с помощью бактерий (бактериальные удобрения);

- ремедиация (восстановление плодородия почв) с помощью вермикультуры (культура червей), получение биогумуса;

- получение элитного оздоровленного посадочного материала и его ускоренное размножение;

- утилизация бытовых и сельскохозяйственных отходов, биоконверсия их в биотопливо и органические удобрения;

- деструкция с помощью биологических организмов (бактерий, грибов, водорослей) трудноразлагаемых загрязняющих веществ (нефть, полимеры, пестициды);

- создание биоразлагаемых заменителей продуктов, загрязняющих окружающую среду (биополимеры, биопестициды и т.д.;

- производство и обогащение кормов с помощью микробных препаратов;

- биологическая очистка сточных вод и получение биоудобрений;

- получение биоэтанола из отходов перераюотки сельхоз продукции и т.д.
Прикладные задачи экобиотехнологии в связи с реформированием в АПК:

Снижение поступления на рынок и в переработку продукции от больных животных и птицы.

Снижение или прекращение применения для лечения животных антибиотиков и других лекарственных препаратов.

Ликвидация загрязнения помётом и навозом рек, озер и окружающей среды.

Уменьшение норм применения минеральных удобрений, а вместе с ними снижение в почве нитратов, ядохимикатов тяжёлых металлов, болезней.

Снижение или ликвидация применения химических средств защиты растений и пестицидов.

Ликвидация потерь плодородия почвы и ухудшения её структуры.

Возврат в хозяйственный оборот техногенно и антропогенно нарушенных земель за счет их рекультивации и ремедиации.

Ликвидация загрязнений почвы нефтью и нефтепродуктами.

Ускоренная ликвидация последствий лесных пожаров, восстановление травяного покрова и лесовосстановление.

Снижение запыленности, загазованности в крупных городах, предотвращение гибели зелёных насаждений.

Ликвидация загрязнения окружающей среды отходами пищевой и перерабатывающей промышленности.
3. Биотрансформация (биоконверсия), биодеструкция (биодеградация) и биодоступность органических ксенобиотиков. Понятие биотрансформации, биодеструкции и биодоступности

^ Биотрансформация (биоконверсия) – это трансформация (изменение отдельных участков в молекулах органических веществ), превращение тех или другие соединения в новые продукты с помощью микроорганизмов. При этом из возобновляемого растительного сырья получают топливо, кормовые и пищевые продукты, полупродукты для химической и микробиологической промышленности.

Пример существующих промышленных биоконверсий – производство уксуса из этанола, глюконовой кислоты из глюкозы. Широко используется микробная модификация стероидов, которые являются сложными полициклическими липидами. Теперь с использованием биоконверсии получают кортизон, гидрокортизон, преднизолон и целый ряд других стероидов. Применение и совершенствование микробной технологии в сотни раз снижает себестоимость производства стероидов.

В отличие от процессов биосинтеза и брожения, в которых участвует большое количество ферментов, в микробиологической трансформации обычно работает один определенный фермент, катализирующий окисление, декарбоксилирование, метилирование или какую-либо другую реакцию.

^ Биодеструкция (биодеградация) – это разрушение сложных, загрязняющих окружающую среду, веществ в результате деятельности живых систем.

Биодоступность – количество вещества, доходящее до места его действия в организме.

Ксенобиотики (от греч. xenos – чужой и bios – жизнь), чужеродные для организмов соединения (промышленные загрязнения, пестициды, препараты бытовой химии, лекарственные средства и т. п.), которые практически не включаются в элементные циклы углерода, азота, серы или фосфора. Попадая в окружающую среду в значительных количествах, ксенобиотики могут воздействовать на генетический аппарат организмов, вызывать их гибель, нарушать равновесие природных процессов в биосфере.

Накопление ксенобиотиков представляет огромную опасность для человека, употребляющего в пищу крупную рыбу и высших животных. Изучение превращений ксенобиотиков в природе, путей их детоксикации и деградации (с помощью микроорганизмов и др.) важно для организации мер по охране природы. Из этого следует, что необходимо с помощью микроорганизмов переводить ксенобиотики в недоступные для живых организмов формы.
^ 4. Микроорганизмы – деструкторы. Генетические основы создания рекомбинантных микроорганизмов – деструкторов органических ксенобиотиков

Биодеструкторы:

  • Представители грибов, относятся к родам Phanerochaete (возбудитель «белой гнили»), Penicillium, Aspergillus, Trichoderma, Fusarium и др.

  • БактерииPseudomonas, Sphingomonas, Burkholderia, Alcaligenes, Acinetobacter, Flavobacterium, метанокисляющие и нитрифицирующие бактерии (грамотрицательные) и Arthrobacter, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus (грамположительные) и др.

  • Растения – сине-зеленые водоросли, симбиозы высших растений и водорослей, высших растений и бактерий.


^ Генетические основы создания рекомбинантных микроорганизмов – деструкторов органических ксенобиотиков

Возможности микробных сообществ в отношении деградации многих токсичных соединений велики. Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических соединений время до начала их трансформации (так называемый адаптационный период микроорганизмов по отношению к данному субстрату) значительно короче, по сравнению с первым попаданием этого соединения. В течение этого периода микроорганизмы в ходе адаптации к токсическому соединению, как субстрату, селектируются по способности деградировать данный субстрат. В результате естественным путем возникают микробные популяции, которые, как оказалось, могут сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации вещества. Поэтому к моменту нового поступления этого соединения в почву в ней уже присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные атаковать токсикант. Таким образом, после попадания ксенобиотиков в окружающую среду из почвы можно выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и далее среди них вести селекцию на увеличение скорости деградации.

Повышение деградирующей способности возможно также в результате стимуляции естественной почвенной микрофлоры, уже адаптированной к токсикантам.

При попадании новых веществ в окружающую среду может происходить природное генетическое конструирование, как в плазмидах, так и в нуклеоиде (рис. 1.), в результате которого возникают микробные формы с новыми катаболическими функциями.


^ Рис. 1. Схема строения грамположительной бактерии: A-пили, B-рибосомы, C-капсула, D-слой пептидогликана, E-жгутик, F-цитозоль, G-запасные вещества, H-плазмида, I-нуклеоид, J-цитоплазматическая мембрана
Огромная роль в процессах межорганизменного переноса генетической информации, приводящих к биохимической изменчивости популяций, принадлежит плазмидам – внехромосомным генетическим элементам (рис. 2).

Катаболические, или деградативные плазмиды, кодирующие реакции минерализации или трасформации ксенобиотиков, придают микроорганизмам способность перераспределять между собой пул деградативных генов.


Рис. 2. Строение бактериальной плазмиды
Особенно часто природные катаболические плазмиды идентифицируются среди рода Pseudomonas. Информация, которую несут плазмиды, может расширить круг субстратов хозяина за счет объединения двух метаболических путей, либо полным кодированием нового пути, либо дополнением существующих метаболических путей. Межплазмидные рекомбинации приводят к перетасовке генов на плазмидах и возникновению новых метаболических путей.

Известны также случаи перераспределения генетического материала между плазмидами и хромосомой хозяина, приводящие к появлению совершенно новых генов. Пластичность катаболических плазмид обеспечивает перераспределение генетического материала, что может привести к возникновению в природе нового организма, эффективно деградирующего новый субстрат.

Таким образом, природные генетические механизмы обмена информации позволяют получать эффективные штаммы-деструкторы ксенобиотиков. Это тем более важно, так как общепринятые методы работы с рекомбинантными ДНК, применяемые для клонирования чужеродной ДНК с небольшим числом генов, имеют существенные ограничения при клонировании метаболических путей деградации ксенобиотиков, кодируемых десятками генов.

Методы генетической инженерии могут быть полезными для усовершенствования уже существующих деградативных способностей микробных клеток.
5. Факторы окружающей среды и биодоступность ксенобиотиков. Особенности микробиологической трансформации отдельных классов органических ксенобиотиков. Биотрансформация ксенобиотиков водорослями и растениями

^ Факторы окружающей среды и биодоступность ксенобиотиков. Судьба химических соединений, попадающих в окружающую среду, определяется комплексом физических, химических и, особенно, биологических факторов. Деградация ксенобиотиков может происходить в результате физических и химических процессов и существенно зависит от типа почвы, ее структуры, влажности, температуры и пр. Биологическая трансформация соединений, попавших в окружающую среду, может протекать в различных направлениях, приводя к минерализации, накоплению или полимеризации.

Ксенобиотики, которые подвергаются полной деградации, то есть минерализуются до диоксида углерода, воды, аммиака, сульфатов и фосфатов, используются микроорганизмами в качестве основных ростовых субстратов и проходят полный метаболический цикл. Частичная трансформация соединений происходит, как правило, в процессах кометаболизма или соокисления и не связана с включением образуемых продуктов в метаболический цикл микроорганизмами. Наконец, некоторые ароматические углеводороды и синтетические полимеры вообще не поддаются биологической трансформации:
Ксенобиотик



Биологическая

Трансформация



Минерализация Накопление Полимеризация
Поведение ксенобиотика в природе зависит от многих взаимосвязанных факторов:

  • структуры и свойств самого соединения;

  • физико-химических условий среды и ее биокаталитического потенциала, определяемого микробным фоном.

Все эти факторы в совокупности определяют скорость и глубину трансформации ксенобиотика. Биологическая деградация ксенобиотиков оправдана только тогда, когда происходит их полная минерализация, разрушение и детоксикация. Это может быть достигнуто в результате всего одной модификации структуры соединения. Однако часто в ходе деградации происходит серия последовательных модификаций исходного соединения с участием нескольких видов микроорганизмов.

Важную роль в удалении ксенобиотиков из окружающей среды играют разнообразные типы микробного метаболизма. В природных условиях на ксенобиотики воздействую микробные сообщества. Именно благодаря гетерогенности природных микробных сообществ ксенобиотики в принципе могут подвергаться биодеградации, а наличие в микробных сообществах взаимосвязанных метаболических путей разрушения токсинов является основой для борьбы с загрязнением окружающей среды.

Есть два пути для борьбы с загрязнением биосферы ксенобиотиками:

- сбор и детоксикация ксенобиотиков до момента попадания в окружающую среду;

- трансформация или удаление ксенобиотиков, попавших в среду.
^ Особенности микробиологической трансформации отдельных классов органических ксенобиотиков.

Большинство пестицидов, попадающих в окружающую среду в результате использования их для обработки сельскохозяйственных культур, расщепляются бактериями и грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложное соединение достаточно эффективно происходит под воздействием микробных сообществ.

Доказана возможность полной минерализации ^ ДДТ в ходе сопряженного метаболизма. Высокая токсичность ряда пестицидов может утрачиваться уже на первой стадии микробной трасформации. Это позволяет разрабатывать относительно простые микробиологические методы для борьбы с ксенобиотиками.

Например, с помощью паратионгидролазы из Pseudomonas sp. можно достаточно эффективно удалять остаточный паратион из контейнеров с данным пестицидом, а забуференные растворы данного фермента применяют для уничтожения разливов паратиона на почвах. На основе иммобилизованных ферментов возможно удаление пестицидов из сточных вод; ферменты применяют также в виде аэрозолей для удаления пестицидов с промышленных установок.

Большую опасность для окружающей среды представляют полиароматические углеводороды. Так, полихлорбифенилы (ПХБ) являются очень устойчивыми соединениями, долго присутствующими в окружающей среде в результате прочной адсорбции биологическими и осадочными породами и плохой миграции. Микроорганизмы не способны глубоко деградировать эти соединения, тем не менее, модифицируют их. Установлена способность микробных сообществ деградировать промышленные ПХБ с образованием новых типов углеводородов, при этом молекулы с низкой степенью хлорирования расщепляются. Устойчивое полиароматическое соединение бензапирен не минерализуется в системах активного ила, хотя описано несколько микробных видов, способных частично его метаболизировать. В ходе деградации бензапирена образуются канцерогенные соединения (гидрокси- и эпоксипроизводные).

Также устойчив к деградации полистирол, хотя описано несколько случаев частичной деградации измельченных автомобильных шин, изготовленных из стирол-бутадиеновой резины. Есть сообщения о росте микробного сообщества на стироле, в ходе которого разрушается ингибитор полимеризации 4-трет-бутилкатехол, далее происходит свободнорадикальная полимеризация стирола с осаждением образующегося полистирола. Этот полимер впоследствии под воздействием микробного сообщества исчезает из почвы.

Одной из крупнейших групп загрязнителей природы являются галогенсодержащие ксенобиотики, которые характеризуются высокой токсичностью и плохой деградируемостью. Причина токсичности и устойчивости этих соединений определяется наличием в них трудно расщепляемой галоген-углеродной связи. Однако, как оказалось, ряд галогенсодержащих соединений являются природными образованиями и представляют собой метаболиты бактерий, грибов, водорослей. Это определило судьбу отдельных галогенсодержащих соединений в природе. Наличия данной природной предпосылки для полной деградации ксенобиотика, однако, недостаточно. Для эффективной трансформации родственного ксенобиотического соединения необходима адаптация микроорганизма, включая его генетическую изменчивость. Длительные исследования путей деградации галогенсодержащих ксенобиотиков показали, что для получения суперштамма, эффективно разлагающего данные ксенобиотики, нужно модифицировать существующий катаболический механизм деградации ароматических соединений. Идея конструирования катаболических путей принадлежит Рейнеке и Кнакмуссу, создавшим штамм Pseudomonas, способный деградировать 4-хлорбензоат. В эксперименте по скрещиванию Pseudomonas putida PaW1, обладающего TOL-плазмидой pWWO с Pseudomonas sp. B13 (pWR1), утилизирующим 3-хлорбензоат, они получили трансконьюгат, способный использовать 4-хлорбензоат в результате переноса гена толуол-1,2-диоксигеназы (контролируемого плазмидой pWWO), в штамм Pseudomonas sp. B13. Аналогичный результат был получен при совместном культивировании в хемостате двух культур – P. aeruginosa, содержащей плазмиду pAC25, и культуры, содержащую TOL.

Первая плазмида, связанная с катаболизмом галогенированных органических соединений (2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты), была обнаружена у Alcaligenes paradoxus, затем у других микроорганизмов. Позже появилась серия публикаций о деградации 2,4-Д, однако сообщения по разрушению 2,4,5-трихлорукусной кислоты были крайне редки. Впоследствии при совместном культивировании в хемостате в течение 8–10 месяцев микробных культур, содержащих несколько катаболических плазмид, при постепенном увеличении концентрации 2,4,5-Т получили штамм, способный к деградации 2,4,5-Т и трихлорфенола.

Биологические методы также применимы для очистки природной среды от нефтяных загрязнений, представляющих собой как сточные воды нефтяной промышленности, так и непосредственное загрязнение в результате разлива нефти. Сточные воды нефтяной промышленности очищают биологическими методами после удаления большей части смеси различных углеводородов физическими методами. Для этого применяют аэрируемые системы биоочистки с активным илом, содержащим адаптированное к компонентам нефти сообщество. Скорость деградации зависит от качественного состава и концентрации углеводородов, а также температуры и степени аэрации среды. Наиболее эффективно биодеградация осуществляется, когда нефть эмульгирована в воде. Особую проблему представляют выбросы и аварийные разливы нефти на поверхность почвы. Это приводит не только к загрязнению пахотных земель, но также и источников питьевой воды. В почве содержится много микробных видов, способных деградировать углеводороды, но их активность часто низка, в том числе и в результате дефицита отдельных биогенных элементов. В таких случаях эффективным является внесение в почву так называемых «олеофильных удобрений», в состав которых входят соединения азота, фосфаты и другие минеральные элементы, концентрации которых в почве низки и лимитируют рост микроорганизмов. После внесения этих соединений в почву концентрация микроорганизмов-деструкторов существенно возрастает, и возрастает скорость деградации нефти.

С помощью генетического конструирования создан «супермикроб», способный утилизировать большинство основных углеводородов нефти

Многие природные штаммы ^ Pseudomonas putida несут катаболические плазмиды, каждая из которых кодирует фермент для расщепления одного класса углеводородов – плазмида OCT обуславливает расщепление октана, гексана, декана; XYL – ксилола и толуола; CAM – камфары, NAH – нафталина. Плазмиды CAM и NAH сами способствуют своему переносу, стимулируя спаривание бактерий.

1   2   3   4   5   6   7   8   9

Похожие:

Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий» iconМетодическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной...
Южный филиал национального университета биоресурсов и природопользования украины «крымский агротехнологический университет»
Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий» iconМетодические указания для самостоятельной подготовки к практическим...
Южный филиал национального университета биоресурсов и природопользования украины «крымский агротехнологический университет»
Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий» iconКонспект лекций по курсу: «Политология» для студентов дневной и заочной...
«Социология и социальная работа» для студентов всех специальностей и направлений подготовки дневной и заочной форм обучения. Данная...
Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий» iconВопросы к модульной контрольной работе №1 по дисциплине «Психология»...
...
Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий» iconМетодические рекомендации для самостоятельной подготовки студентов...
Методические рекомендации для самостоятельной подготовки студентов дневной и заочной форм обучения
Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий» iconМетодические указания к самостоятельной работе по дисциплине «Международная экономика»
Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине «Международная экономика» (для студентов дневного и заочного отделения,...
Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий» iconСборник задач для проведения практических занятий по дисциплинам: «Экономика предприятий»
«Экономика предприятий», «Экономика организаций», «Экономика фирмы» для студентов всех форм обучения
Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий» iconПо органической химии
Методическое пособие предназначено для организации самостоятельной работы студентов. В нем приведены контрольные вопросы, отражающие...
Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий» iconМетодическое пособие для студентов очной, очно-заочной и заочной...
Методическое пособие для студентов очной, очно-заочной и заочной формы обучения  для дистанционного изучения курса «оценка риска...
Методическое пособие для самостоятельной подготовки к модульной контрольной работе №1 по дисциплине экобиотехнология для студентов заочной фомы обучения направлений 030504 «Экономика предприятий» iconУчебное пособие для подготовки к экзаменам Киров
Учебное пособие предназначено для студентов юридических факультетов. Может использоваться в качестве основы для подготовки к экзаменам...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница