- •О. Ю. Сартакова
- •Учебное пособие
- •Содержание
- •1 Основы микробиологии ................................................... 7
- •2 Основы биотехнологии ................................................... 42
- •3 Типовая схема и основные стадии
- •4 Основные понятия биокатализа и53
- •5 Ферментация....................................................................... 65
- •6 Области применения биотехнологии........................... 69
- •Введение
- •1 Основы микробиологии
- •1.1 Общие сведения о микроорганизмах
- •1.2 Распространение микроорганизмов в природе
- •1.3 Морфологическая характеристика отдельных групп микроорганизмов
- •1.3.1 Структура эукариотической клетки
- •Ской мембраны
- •1.3.2 Структура прокариотической клетки
- •1.3.3 Ультрамикробы
- •1.3.4 Бактерии
- •1.3.4.1 Спорообразование у бактерий
- •1.3.4.2 Движение бактерий
- •1.3.4.3 Размножение бактерий
- •1.3.4.4 Питание бактерий
- •1.3.4.5 Типы питания
- •1.3.4.6 Систематика бактерий
- •1.3.5 Актиномицеты
- •1.3.6 Грибы
- •1.3.7 Водоросли
- •1.3.8 Простейшие
- •1.3.9 Коловратки
- •2 Основы биотехнологии
- •2.1 Объекты биотехнологии
- •2.2 Прошлое и настоящее биотехнологии
- •2.3 Перспективы развития биотехнологии
- •2.4 Основные виды биотехнологической деятельности микроорганизмов
- •2.5 Преимущества биотехнологических процессов
- •3 Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств
- •4 Основные понятия биокатализа и биотрансформации
- •4.1 Основные группы биотрансформаций
- •4.2 Основные виды реакций биокатализа
- •4.3 Классификация ферментов
- •4.4 Преимущества и недостатки биокаталитических процессов
- •4.5 Основные понятия иммобилизации ферментов
- •4.6 Методы иммобилизации ферментов
- •Го связывания с носителем
- •«Сшивки»
- •4.7 Оценка качества иммобилизованных ферментов и метода иммобилизации
- •4.8 Примеры использования ферментов
- •5 Ферментация
- •5.1 Классификация процессов ферментации
- •Ферментация бывает:
- •5.2 Основные параметры периодической ферментации
- •5.3 Понятие скорости роста
- •5.4 Фазы периодической ферментации
- •5.5 Преимущества и недостатки периодической ферментации
- •6 Области применения биотехнологии
- •6.1 Биотехнологические процессы в решении экологических задач
- •6.2 Примеры блок-схем микробиологической очистки стоков
- •6.3 Биохимические методы очистки воды
- •6.3.1 Микробная ассоциация и технологические условия ме-
- •6.3.2 Очистка воды в аэротенках
- •6.3.3 Очистка воды в биофильтрах
- •6.3.4 Комбинированные сооружения аэробной биохимической очистки воды
- •6.3.5 Процессы нитрификации и денитрификации
- •6.3.6 Методы обработки осадка
- •6.3.7 Аэробная стабилизация осадка
- •6.3.8 Метановое брожение (биометаногенез)
- •6.3.8.1 Этапы метанового брожения
- •Биогаз (сн4, co2 )
- •6.3.8.2 Химизм процесса метанового брожения
- •6.3.8.3 Микробная ассоциация биометаногенеза
- •6.3.8.4 Сырье биометаногенеза
- •6.3.8.5 Технологические режимы и аппаратурное оформление процесса метанового брожения
- •6.4 Биоценозы как индикаторы сапробности водоемов
- •6.5 Применение биотехнологии в медицине
- •6.5.1Антибиотики
- •6.5.2. Гормоны
- •6.5.3 Вакцины, иммунные сыворотки и иммуноглобулины
- •6.5.4 Ферменты
- •6.5.5 Биодатчики в медицине
- •6.6 Применение биотехнологии в энергетике
- •6.6.1 Законы биоэнергетики
- •6.6.2 Биологические мембраны, как преобразователи энергии
- •6.6.3 Характеристика растительного сырья как источника энергии
- •6.6.4 Альтернативные источники энергии и их получение
- •6.7 Производство пищевых продуктов и напитков
- •6.7.1 Биотехнологические процессы в хлебопекарном производстве
- •6.7.2 Биотехнология приготовления пива
- •6.7.3 Производство вина и спиртсодержащих продуктов
- •6.7.4 Биотехнология приготовления кисломолочных продуктов и сметаны
- •6.7.5 Биотехнологические процессы в сыроделии
- •6.7.6 Биотехнология приготовления маргарина
- •6.8 Химическая промышленность и биотехнология
- •6.9 Сельское хозяйство и биотехнология
- •6.10 Биогеотехнология
- •6.10.1Биогидрометаллургия
- •6.10.2 Выщелачивание куч и отвалов
- •6.10.3 Бактериальное выщелачивание in situ
- •6.10.5 Микробиологический способ извлечения золота
- •6.10.4 Выщелачивание минеральных концентратов
- •6.10.6 Биосорбция металлов из растворов
- •6.10.7 Обогащение руд
- •6.10.8 Извлечение нефти
- •6.11 Безопасность биотехнологических процессов
- •Глава 1
- •Главы 2, 3
- •Глава 4
- •Глава 5
- •Глава 6
6.6.1 Законы биоэнергетики
Первый закон биоэнергетики. Живая клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает их в одну из трех конвертируемых форм энергии («энергетических валют»), а именно в АТФ, ∆ µН+ или
∆µNa+, которые затем расходуются для осуществления различных энергоемких процессов.
Второй закон биоэнергетики. Любая живая клетка всегда рас- полагает как минимум двумя «энергетическими валютами»: водо- растворимой (АТФ) и связанной (∆µН+ , либо ∆µNa+).
У морских бактерий имеются, по меньшей мере, АТФ и ∆µNa+, но очень часто также и ∆µН+. У пресноводных бактерий, «валютой» слу-
жат АТФ ∆µН+. Что касается ∆µNa+, то она, как правило, отсутствует из-за низкой концентрации Na+ в среде обитания.
Третий закон биоэнергетики. «Энергетические валюты» клетки могут превращаться одна в другую. Поэтому получения хотя бы одной
из них за счет внешних ресурсов достаточно для поддержания жизне-
деятельности.
Так, анаэробные бактерии могут за счет гликолиза производить
АТФ, который затем используется в процессах энергообеспечения ли-
112
бо непосредственно, либо после превращения в ∆µН+ или ∆µNa+. Же- лезобактерии способны окислять кислородом ион Fe2+ в ион Fe3+, обра- зуя ∆µН+. Эта единственная реакция дыхания питает все потребляю- щие энергию процессы, в том числе синтез АТФ из АДФ и Н3РО4. Описаны бактерии, использующие только свет в качестве энер- гетических ресурсов. Но, пожалуй, наиболее удивительна энергетика бактерии Propionigenium modestum, обнаруженной недавно в иле мор- ского пролива неподалеку от Венеции. У этой бактерии нет ни фото- синтеза, ни дыхания, ни гликолиза. Вся необходимая энергия чер- пается из единственной реакции декарбоксилирования янтарной кисло- ты в пропионовую. Этот процесс сопряжен с генерацией ∆µNa+, кото- рая утилизируется для совершения осмотической работы, либо превра- щается в АТФ посредством Na+-АТФ-синтазы. Propionigenium mod- estum живет в анаэробных условиях вместе с другими бактериями, об- разующими янтарную кислоту- конечный продукт брожения.
6.6.2 Биологические мембраны, как преобразователи энергии
Протоплазма любой живой клетки окружена мембраной – тон- чайшей (около 60 Å) пленкой, состоящей из жироподобных веществ – фосфолипидов и либо прикрепленных к ним, либо погруженных в фосфолипиды белков. Эта мембрана называется плазмалеммой. Плаз- малемма, внутренняя мембрана митохондрий, мембраны тидакоидов, вакуолей, секреторных гранул, лизосом и эндосом служат не только ба- рьерами, отделяющими клетку от внешней среды или одни внутрикле- точные отсеки от других, но также и важнейшими преобразователями энергии, играющими ключевую роль в запасании энергии света и ды- хания и производстве определенных типов полезной работы. Во всех этих случаях посредником между энергетическими ресурсами и рабо- той служит не АТФ, а протонный или натриевый потенциал:
∆µН+ и ∆µNa+