Введение (стр. 10 )

Rhizobium, выращенные на агаре или в жидкой среде, после высушивания на поверхности семян быстро погибают, да и сами культуры их нежизнестойки. Этих недостатков лишены инокуляты на торфяной основе, которые были созданы в США, и сейчас применяются повсеместно.

При получении культуры нужного штамма Rhizobium выращивают обычным способом в ферментере объемом несколько литров в жидкой среде. К моменту смешивания с торфом (носителем) – плотность культуры должна быть достаточно высокой, 5·108-109 клеток/мл. В случае медленно растущих штаммов, со средним временем удвоения числа клеток около 10 часов, обычно бывает сложно получить культуру с высокой плотностью, и нередко даже размножение более быстро растущих штаммов подавляется видами-загрязнителями. Для обеспечения быстрого роста культуры на жидкой среде полезно вносить сразу много бактерий.

При приготовлении носителя для Rhizobium торф высушивают либо при обычной температуре, либо при осторожном нагревании до влажности ~10%, затем измельчают при помощи мельницы и доводят до рН 6,5-7, добавляя СаСО3. Рост и выживание бактерий в торфе зависят от многих факторов. Поэтому на каждой партии торфа для получения инокулятов проводят пробные выращивания именно тех штаммов, которые предполагается использовать.

Твердый инокулят состоит из бактерий и носителя, роль которых заключается в поддержании жизнеспособности клеток, поскольку он частично защищает их от пересыхания. Кроме того, носитель способствует более равномерному распределению бактерий в массе семян и помогает им прикрепиться к поверхности семян. Хотя в случае бактериальных суспензий нередко получают хорошие результаты, считается, что применение торфа как носителя более эффективно: т. к. при использовании жидких культур или же суспензий клетки Rhizobium после инокуляции и прикрепления их к поверхности семян оказываются практически беззащитными. Поэтому при производстве коммерческих инокулятов вначале чаще всего использовали именно торф. Однако торф есть далеко не везде, а если он имеется, то сказать заранее, пригоден ли он как носитель, невозможно. В связи с этим были предприняты поиски альтернативных носителей с такими же защитными свойствами, как у торфа.

С неодинаковым успехом для этой цели были испробованы всевозможные композиции: разнообразные смеси почвы и торфа, измельченная солома, нильский ил с добавками питательных веществ, кокосовые хлопья, древесный уголь. Сегодня для поддержания жизнеспособности Rhizobium получают носители из самых разнообразных веществ, но лучшим носителем все же является торф. В некоторых регионах, например в развивающихся странах, определенную ценность могут представлять дешевые местные заменители торфа.

Самый простой но наиболее эффективный метод инокуляции – смешивание сухого инокулята и семян перед посевом. При этом к семенам прикрепляется мало бактериальных клеток, большая часть их теряется, и необходимое условие нанесения достаточного числа клеток Rhizobium на семена не выполняется. Поэтому лучше вносить инокулят в виде водной кашицы. Хорошо прилипает к семенам инокулят на торфе, особенно если добавить к нему водорастворимый клей (карбоксиметилцеллюлозу). При этом повышается выживаемость бактерий после высушивания семян.

Симбиотические отношения, приводящие к фиксации азота, - это наиболее эффективный способ биологического образования аммиака, потребляемого сельскохозяйственными культурами. Влияя на них можно достичь значительного прогресса в использовании биологической фиксации азота для производства пищевых продуктов. Для расширения масштабов и эффективности систем фиксации азота необходимо глубже понять генетику бактерий Rhizobium, чтобы не зависеть столь сильно от природных ситем симбиоза, а формировать их с участием любого желаемого вида растений, употребляемых в пищу.

4. Биологический контроль

Уже в самом начале развития микробиологии стало известно, что одни микроорганизмы могут подавлять рост других (биологический контроль). Наиболее важным результатом интенсивных исследований в этой области было открытие антибиотиков и разработка способов их применения в клинике. Большое внимание привлекла к себе возможность использования одних микроорганизмов для регуляции численности популяций других благодаря действию антагонистических или конкурентных механизмов.

Биологический контроль осуществляется в природе и помогает предотвратить болезни растений, но мы далеко не всегда понимаем, каков его механизм и как им можно управлять с пользой для сельского хозяйства. Успехи в этой практической области исследований весьма незначительны, потому что слишком мало усилий предпринималось для изучения поведения смешанных популяций микроорганизмов в почве и на поверхности растений.

Есть и примеры систем биологического контроля, которые можно считать биотехнологическими. Например: известна антагонистическая активность гриба Trichoderma. Если внести во влажную почву значительное количество Trichoderma lignorum, то он подавит выпревание проростков (болезнь «черная ножка»), главным образом благодаря действию токсина, который можно выделить из фильтратов культур гриба. Известно, что другие виды Trichoderma вступают в антагонизм или прямо паразитируют на многих грибах и способны существенно снижать заболеваемость, вызываемую рядом почвенных патогенов растений.

В Европе базидиомицет Fomes annosus является основным возбудителем сердцевинной гнили хвойных, особенно елей. Он паражает также лиственные породы и лесоматериалы. Заражение этим грибом сосновых пней тоже нежелательно, так как инфекция распространяется на их корни, а затем и на корни соседних здоровых деревьев. Заселение пней этим грибом можно предотвратить, засеяв их спорами другого гриба-базидиомицета, Peniophora gigantea. Гриб разрастается на пнях, и, контактируя с Fomes annosus, подавляет развитие сердцевинной гнили.

Скорее всего любой организм, избранный в будущем для осуществления биологического контроля, будет действовать на патогены двояким способом: либо образуя вещества-ингибиторы, либо конкурируя за питательные вещества.

Ключевые слова и понятия

биологическая продуктивность биологический контроль инокуляция патогены

протопласты симбиоз сорт

Вопросы для самоконтроля:

1.  Перспективы использования биотехнологии в сельском хозяйстве

2.  Улучшение сортов растений

3.  Роль бобовых культур в сельском хозяйстве.

4.  Методы повышения содержания азота в почве.

5.  Методы инокуляции семян азотфиксирующими бактериями.

6.  Биологический контроль.

Лекция 6

окружающая среда и биотехнология

1 Роль биотехнологии в охране окружающей среды.

2 Биотехнологическая переработка отходов.

3 Извлечение полезных веществ из отходов.

1. Роль биотехнологии в охране окружающей среды

С момента возникновения цивилизованного общества перед ним все время стояла проблема охраны окружающей среды. Из-за промышленной, сельскохозяйственной и бытовой деятельности человека постоянно происходили изменения физических, химических и биологических свойств окружающей среды, причем многие из этих изменений были весьма неблагоприятны. Ожидается, что биотехнология будет оказывать многообразное и все возрастающее влияние на способы контроля за окружающей средой и на ее состояние. Хорошим примером такого рода служит внедрение новых, более совершенных методов переработки отходов, однако этим применение биотехнологии в данной сфере отнюдь не ограничивается. Она будет играть все большую роль в химической промышленности и сельском хозяйстве и поможет хотя бы отчасти решить многие из существующих проблем.

Сегодня быстро развиваются многообразные отрасли промышленности, в которых процессы жизнедеятельности микробов используются для создания замкнутых систем, для контроля за загрязнением сточных вод, для использования альтернативных энергоресурсов и химического сырья в промышленности; эти процессы широко используются в сельском хозяйстве.

Для переработки отходов уже построены огромные биореакторы емкостью 4000-5000 м3. Поскольку потенциал бактерий в таком реакторе может быть порядка 108-109 клеток в 1 мл, биотехнологи получают в свое распоряжение достаточно мощный источник «биологической энергии».

Биотехнологическая переработка отходов опирается на целый ряд дисциплин – биохимию, генетику, химию, микробиологию, химическую технологию и вычислительную технику. Усилия всех этих дисциплин концентрируются на трех основных направлениях:

1.  деградация органических и неорганических токсичных отходов;

2.  возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота, фосфора и серы;

3.  получение ценных видов органического топлива.

2. Биотехнологическая переработка отходов

Тысячелетиями отходы деятельности человека перерабатывались естественным путем, при участии соответствующих микроорганизмов. В наиболее широко распространенных установках для очистки сточных вод выполняются четыре основные операции:

1.  При первичной обработке удаляются твердые частицы, которые либо отбрасываются, либо направляются в биореактор.

2.  На втором этапе происходит разрушение растворенных органических веществ при участии природных аэробных микроорганизмов. Образующийся ил, состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в реактор.

3.  На третьем этапе (необязательном) производится химическое осаждение и разделение фосфора и азота.

4.  Для переработки ила, образующегося на первом и втором этапах, обычно используется процесс анаэробного разложения. При этом уменьшается объем осадка и количество патогенов, устраняется запах, а кроме того, образуется ценное органическое топливо – метан.

Сходные процессы применяются при переработке промышленных сточных вод, особенно в химической, пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности. Поэтому любые биотехнологические усовершенствования этих процессов находят немедленное применение в промышленности.