Екологічні аспекти сучасної біотехнології - стаття, сторінка 1

ЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ СУЧАСНОЇ БІОТЕХНОЛОГІЇ

О.В. Мосін

Сучасна біотехнологія далеко пішла від тієї науки оживити матерії, яка зародилася в середині минулого століття. Успіхи молекулярної біології, генетики, цитології, а такжехіміі, біохімії, біофізики, електроніки дозволили получітьновие відомості про процеси життєдіяльності мікроорганізмів. Швидке зростання чисельності населення нашої планети іувеліченіе споживання природних ресурсів при постійному зменшенні площ агросфери - головного джерела харчування, корми та сировини для переробної промисловості - вже більш не дозволяють розвивати вітчизняну економіку старими радянськими методами. При цьому істотна роль в цьому процесі повинна приділятися екології. Але вже сьогодні очевидно, що необхідно збільшувати продуктивність як агросфери, таки техносфери.

І хоча сьогодні ми спостерігаємо невиправдані захоплення в зв'язку снаступленіем науково-технічної революції і ностальгію поуходящей епосі з її екстенсивними методами виробництва. Безперечним є те, що науковий прогрес в сукупності з екологічним мисленням є основою развітіячеловеческого суспільства.

ПЕРЕДМОВА

Серед учених немає єдиної точного визначення поняття «біотехнологія». Можна сказати, що біотехнологія вивчає методи отримання корисних для людини речовин і продуктів в керованих умовах, використовуючи мікроорганізми, клітини тварин і рослин або ізольовані з клітин біологічні структури. Біотехнологія дозволила управляти клітинним біосинтезу мікроорганізмів, але біотехнологія - поняття більш широке, ніж мікробний синтез, оскільки використовуються не тільки мікроорганізми, а й культури рослинних і тваринних тканин, протопласти, клітинні ферменти і будь-які біологічні системи, здатні до біосинтезу або биоконверсии.

У біотехнології широко використовуються генетична та клітинна інженерія, культивування тканин багатоклітинних організмів, иммунокоррекция, маніпуляція з статевими клітинами і ін. Тісно пов'язана з біотехнологією біоінженерія. Її завдання - створення біореакторів, аеруючими пристроїв, обладнання для стерилізації поживних середовищ і повітря, розробка контрольної і вимірювальної апаратури, а також масштабування і моделювання біотехнологічних процесів. Біотехнологія також пов'язана з такими науками, як фізіологія мікроорганізмів, рослин і тварин, цитологія, біохімія, генетика, біофізика, молекулярна біологія.

Сьогодні численні біотехнологічні процеси широко використовуються у вітчизняній харчової промисловості. З їх допомогою вдається збільшити продуктивність сільського господарства. З розвитком біотехнології піднялася на новий рівень фармацевтична промисловість, зростає роль біотехнології в захисті навколишнього середовища. Біотехнологія вторгається в металургію і гірничодобувну промисловість, видобуток нафти, розвивається нова галузь - Биогеотехнология.

Сама біотехнологія виникла в процесі розвитку технічної мікробіології. Люди користувалися одноклітинними мікроорганізмами давно, навіть не підозрюючи про їх існування, хоча таємничі процеси бродіння і незрозуміла ферментативна активність природних субстратів привертали увагу хіміків ще в XVIII столітті.

Наприклад, здатність дріжджів утворювати спирт в сахарсодержащих розчинах знали шумери і вавілонци за 6 тис. Років до н. е. Єгиптяни стали застосовувати дріжджі для випічки хліба в четвертому тисячолітті до н. е.

Знайомство людей з мікросвітом, а також усвідомлення незамінності мікроорганізмів в саморегулюючих механізмах біосфери стали можливі завдяки відкриттям Л. Пастера. У процесі вивчення мікроорганізмів змінилися наші уявлення про сутність живих організмів, про виникнення і еволюції життя на Землі, про кругообіг речовин в біосфері і про причини виникнення інфекційних захворювань. Після відкриттів Л. Пастера пішли нові видатні відкриття, на основі яких мікроорганізми стали свідомо застосовувати для виробництва ряду важливих продуктів. Були створені методи профілактики і лікування живих організмів.

На Третьому з'їзді Європейської асоціації біотехнологів (Мюнхен, 1984 р) голландський вчений Е. Хаувінка розділив історію біотехнології на п'ять періодів, або ер.

Допастеровская ера Використання спиртового і молочнокислого броже-

(До 1865 р) ня при отриманні пива, вина, хлібопекарських і пів-

них дріжджів, сиру. Отримання ферментованих продуктів і оцту

Послепастеровская ера Виробництво етанолу, бутанолу, ацетону, гліцеро-

(1866-1940 рр.) Ла, органічних кислот і вакцин. аеробне очищення

каналізаційних вод. Виробництво кормових дріжджів з вуглеводів

Ера антибіотиків Виробництво пеніциліну і інших антибіотиків

шляхом глибинної ферментації. культивування рас

тітельних клітин і отримання вірусних вакцин. Мікробіологічна трансформація стероїдів

Ера керованого Біосини - Виробництво амінокислот за допомогою мікробних
теза (1961 - 1975 рр.) мутантів. Отримання чистих ферментів. промисло

ленне використання іммобілізованих ферментів і клітин. Анаеробна очищення каналізаційних вод і отримання біогазу. Виробництво бактеріальних полісахаридів

Ера нової біотехнології Використання генної та клітинної інженерії в це-
(Після 1975 року) лях отримання агентів біосинтезу. отримання гинув-

рідов, моноклональних антитіл, гібридів з протопластів і меристемних культур. трансплантація ембріонів

У XX столітті вченим вдалося розшифрувати багато таємниць природи, встановити біохімічну і фізико-хімічну сутність життєвих процесів. Освоєння нових біологічних методів визначає розвиток інших наук. У біотехнології поряд з мікробіологами, биохимиками працюють вірусологи, генетики, цитологи, біофізики, електронщики, автоматники, кібернетики.

Нова біотехнологія почалася після відкриття Дж. Уотсоном і Ф. Криком будови генетичного матеріалу - ДНК Головним об'єктом досліджень до цих пір залишається жива клітина, але центральне місце в біотехнологічних експериментах займають, мабуть, маніпуляції з ДНК. Користуючись методами генетичної інженерії, створюють штучні, заздалегідь запрограмовані генетичні структури у вигляді рекомбінантних молекул ДНК, здійснюють трансплантацію генів між різними видами мікробних клітин, а також між клітинами одноклітинних і багатоклітинних організмів. Пильна увага сучасних дослідників привертають біологічні мембрани. Створена теорія хемоосмотіческой циркуляції протонів в біологічних мембранах.

Вельми різноманітні біотехнологічні маніпуляції з клітинними структурами і протопластами. Наприклад, в результаті штучного злиття лімфоцитів і меланомних клітин (різновид пухлини) отримані гібридоми, які синтезують моноклональні антитіла, які мають важливе значення в імунологічних реакціях. Вчення про моноклональних антитіл - важливий розділ сучасної біотехнології.

У 1972 р Дж. Едельманом, Р. Портером встановлено хімічний склад антитіл - важливого фактора імунологічної системи людини і тварин. У 1975 р шляхом гібридизації соматичних клітин отримані гібридоми, секретуючі моноклональні антитіла.

До числа останніх досягнень біотехнології можна віднести розроблені А. С. Спіріним основи бесклеточного синтезу білка в протоці, створення нових генно-інженерних сортів рослин і тварин, клонування тварин.

Подальший прогрес людства пов'язують з широким застосуванням у всіх сферах життя біотехнології. У промислово розвинених країнах обсяг випуску хімічних речовин, отриманий мікробним синтезом, становить 8-10% всієї хімічної продукції.

Продукти біотехнологічної промисловості можна умовно розділити на великотоннажні (етанол, дріжджі, органічні кислоти, фруктозні сиропи) та медикаменти, амінокислоти, гормони і інші продукти тонкого мікробного синтезу.

Біотехнологічні методи широко застосовують в медицині і сільському господарстві. Уже зараз в виробничих умовах вирощують клітинну масу женьшеню, біотехнологічні методи застосовують при створенні нових сортів культурних і декоративних рослин, при оздоровленні картоплі та інших рослин.

Генетичні маніпуляції, які проводять в даний час з статевими клітинами і ембріонами тварин, дозволяють прискорити розмноження високопродуктивних тварин для їх подальшого клонування.

СВІТОВА ЕКОЛОГІЧНА СІТУАЦІЯІ РОЛЬ БІОТЕХНОЛОГІЇ В ЇЇ ПОЛІПШЕННЯ.

Інтенсифікація сільського господарства, технічний прогрес у промисловості, на транспорті призвели до утворення диспропорцій в навколишньому середовищу, до деформації сталих рівноваг екосистем, до погіршення екологічної ситуації в усіх сферах діяльності людини. Промислові підприємства забруднюють атмосферу газоподібними і твердими викидами, водойми - стоками, які містять велику кількість шкідливих, а іноді і сильно отруйних речовин, від яких страждають фауна і флора. Ці речовини через рослини і тварин надходять в їжу людини. Хімізація сільськогосподарського виробництва також призводить до забруднення грунту, водойм, повітря, харчових продуктів. У деяких регіонах і містах планети склалася напружена екологічна ситуація.

Зростання населення Землі вимагає збільшення ресурсів продовольства. У період так званої «зеленої революції» (1956- 1970 рр.) В світі було досягнуто середньорічне збільшення продуктів харчування на 2,2% в результаті селекції високоврожайних сортів сільськогосподарських рослин, широкого застосування мінеральних добрив, гербіцидів, пестицидів, іригації земель, механізації.

Прагнення збільшити ресурси харчування призводить до швидкого погіршення екологічної ситуації в сфері сільськогосподарського виробництва. Відбуваються виснаження ґрунту (зменшення гумусу), її ущільнення і засмічення мінеральними речовинами, отрутохімікатами, забруднення водойм, продуктів харчування. В результаті нестачі в грунті органічних добрив останнім часом спостерігалося істотне зниження гумусу.

Втрати гумусу в процесах мінералізації при культивуванні різних культур наведені нижче.

Овочеві культури і картопля