книги / Микробиология и основы биотехнологии
..pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
Я. И. Вайсман, Т. А. Зайцева, Л. В. Рудакова
МИКРОБИОЛОГИЯ И ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
ÓÄÊ 504.06:628.4 Â14
Рецензенты:
доктор биологических наук, профессор Т. С. Уланова (Пермский клинический научно-исследовательский институт детской экопатологии);
доктор технических наук, профессор А. П. Красавин (Межотраслевой научно-исследовательский институт экологии топливно-энергетического комплекса)
Вайсман, Я. И.
В14 Микробиология и основы биотехнологии: учеб. пособие / Я. И. Вайсман, Т. А. Зайцева, Л. В. Рудакова.— Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008.— 203 с.
ISBN 978-5-398-00081-8
Приведены современные сведения о положении микроорганизмов в природе, морфологическом и химическом составе клеток, отличительных особенностях прокариотных и эукариотных клеток. Рассмотрены основные механизмы обмена веществ и получения энергии микроорганизмами. Даны основы инженерной биотехнологии, типовые схемы промышленных процессов получения важнейших продуктов биотехнологии, очистки сточных вод и пылегазовых выбросов, биоремедиации почв от загрязнения нефтепродуктами, основные понятия генетики.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Защита окружающей среды» и специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». Может быть полезно аспирантам и специалистам в области защиты окружающей среды.
ÓÄÊ 504.06:628.4
Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»
ISBN 978-5-398-00081-8 © ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет», 2008
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................................................................................................................................ |
5 |
ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ
Модуль 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МИКРООРГАНИЗМАХ. |
|
КЛЕТКА КАК ОСНОВНОЙ ОБЪЕКТ БИОТЕХНОЛОГИИ |
|
Глава 1. Микробиология и микроорганизмы как предмет ее изучения ........................... |
9 |
1.1. Предмет и задачи микробиологии, ее место в системе |
|
биологических наук ...................................................................................... |
9 |
1.2. Исторические этапы развития современной микробиологии..................... |
10 |
1.3. Место микроорганизмов в природе. Три царства живой природы |
|
и их отличительные особенности ................................................................. |
13 |
1.4. Общие свойства микроорганизмов .............................................................. |
14 |
1.5. Классификации микроорганизмов. Современные представления |
|
о классификации............................................................................................ |
15 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................................. |
35 |
Глава 2. Морфология и химический состав клетки — основного объекта |
|
биотехнологии...................................................................................................... |
37 |
2.1. Размеры, форма, подвижность, размножение, спорообразование ............. |
37 |
2.2. Строение и функции ДНК и РНК.................................................................. |
41 |
2.3. Органеллы клетки.......................................................................................... |
43 |
2.4. Клеточная стенка (оболочка) ........................................................................ |
45 |
2.5. Химический состав микробных клеток........................................................ |
45 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................................. |
47 |
Глава 3. Поступление питательных веществ в клетку....................................................... |
49 |
3.1. Пассивный перенос веществ в клетку .......................................................... |
49 |
3.2. Современное представление об активном переносе веществ в клетку. |
|
Модель Шоу................................................................................................... |
51 |
3.3. Типы питания микроорганизмов .................................................................. |
52 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................................. |
56 |
Модуль 2. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КЛЕТКЕ |
|
Глава 4. Основные механизмы метаболизма. Обмен веществ и энергии ........................ |
59 |
4.1. Понятие об обмене веществ .......................................................................... |
59 |
4.2. Ферментативный катализ и его значение в жизнедеятельности |
|
микроорганизмов .......................................................................................... |
60 |
4.3. Практическое использование ферментов .................................................... |
67 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................................. |
68 |
Глава 5. Энергетический обмен........................................................................................... |
69 |
5.1. Механизмы извлечения энергии клеткой..................................................... |
69 |
5.2. Переносчики энергии.................................................................................... |
70 |
5.3. Фотосинтез .................................................................................................... |
71 |
5.4. Дыхательная цепь.......................................................................................... |
75 |
5.5. Брожение........................................................................................................ |
82 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................................. |
84 |
3
ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
Модуль 3. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ |
|
Глава 6. Общие представления о биотехнологических процессах ................................... |
87 |
6.1. Предмет и задачи биотехнологии ................................................................. |
87 |
6.2. История развития биотехнологии [19] ......................................................... |
88 |
6.3. Аппаратурное оформление биотехнологических процессов ..................... |
90 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................................. |
97 |
Глава 7. Технология микробиологического процесса ....................................................... |
99 |
7.1. Типовая схема и основные стадии биотехнологических производств ....... |
99 |
7.2. Основные этапы и операции подготовительного аэробного |
|
микробиологического процесса. Подбор состава среды............................. |
99 |
7.3. Характеристика основных стадий биотехнологического производства.... |
107 |
7.4. Виды продуктов по их месту в типовой технологической схеме................ |
110 |
7.5. Основные понятия молекулярной генетики ................................................ |
112 |
7.6. Основные понятия генетической инженерии .............................................. |
113 |
7.7. Иммобилизованные ферменты..................................................................... |
118 |
7.8. Иммобилизация клеток ................................................................................. |
124 |
7.9. Применение иммобилизованных ферментов .............................................. |
125 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................................. |
127 |
Глава 8. Биохимические производства ............................................................................... |
129 |
8.1. Производство пива ........................................................................................ |
129 |
8.2. Производство вина ........................................................................................ |
130 |
8.3. Производство пекарских дрожжей............................................................... |
131 |
8.4. Производство биогаза ................................................................................... |
133 |
8.5. Производство спирта в качестве топлива..................................................... |
139 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................................. |
144 |
Модуль 4. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ |
|
Глава 9. Биотехнологические методы борьбы с загрязнением окружающей среды....... |
147 |
9.1. Биохимическая очистка сточных вод ........................................................... |
147 |
9.2. Биохимические методы очистки .................................................................. |
148 |
9.3. Сооружения, используемые для аэробной биохимической очистки.......... |
151 |
9.4. Экосистема активного ила ............................................................................ |
159 |
9.5. Факторы, влияющие на деструкцию органических веществ ...................... |
171 |
9.6. Механизм деструкции органических веществ и основные фазы |
|
развития активного ила ................................................................................. |
175 |
9.7. Анаэробные процессы очистки сточных вод ............................................... |
180 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................................. |
183 |
Глава 10. Использование микроорганизмов в технологиях биоремедиации почв |
|
и биохимической очистки пылегазовых выбросов ........................................... |
185 |
10.1. Биоремедиация почв от загрязнения нефтью и нефтепродуктами ........... |
185 |
10.2. Биологическая очистка пылегазовых выбросов ........................................ |
191 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................................. |
197 |
Библиографический список ................................................................................................. |
198 |
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее пособие представляет собой вводный курс к основам микробиологии и биотехнологии и предназначено для студентов старших курсов технических вузов, обучающихся по направлению «Защита окружающей среды» и специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» и изучающих микробиологию с основами биотехнологии, промышленную экологию и воздействие на объекты окружающей среды. Пособие, включающее разделы по основным положениям микробиологии и биотехнологии, можно использовать при самостоятельном изучении материалов в строгой логи- ческой последовательности: биология клетки — основного объекта биотехнологии; поступление веществ в клетку и их метаболизм; ферментативный катализ; основные понятия генетики; инженерные основы биотехнологии; суть биотехнологических процессов.
Для успешного решения задач, связанных с практическим использованием биотехнологических процессов, способов их контроля и управления ими, студентам необходимы современные знания в области химии, биохимии, микробиологии, биотехнологии.
Микробиология и биотехнология теснейшим образом связаны с практической деятельностью человека. Они возникли в результате развития промышленности, медицины, сельского хозяйства и охраны окружающей среды от различных видов ксенобиотических веществ. Только комплексное применение фундаментальных принципов микробиологии и биотехнологии позволит использовать полученные знания в практической деятельности (при оценке и прогнозе состояния объектов биосферы, выборе оптимальных методов контроля работы промышленных очистных сооружений и установок биологической очистки) и получить навыки управления биотехнологическими процессами, связанными с утилизацией промышленных и бытовых отходов, а также оптимизации этих процессов.
При написании пособия использованы лекционные материалы, современные литературные данные и исследования кафедры охраны окружающей среды по изложенной в пособии тематике.
5
Изучение материала базируется на знаниях, полученных при изуче- нии дисциплин «Основы экологии», «Органическая химия и основы биохимии», «Коллоидная химия», «Физическая химия», «Химия окружающей среды».
Теоретические и практические знания, полученные студентами на занятиях по микробиологии и основам биотехнологии, необходимы для изучения дисциплин учебных планов подготовки инженеров и магистров: «Управление отходами»; «Биотехнологические методы переработки отходов производства и потребления»; «Современные проблемы науки в области защиты окружающей среды».
ОСНОВЫ
МИКРОБИОЛОГИИ
МОДУЛЬ I ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МИКРООРГАНИЗМАХ.
КЛЕТКА КАК ОСНОВНОЙ ОБЪЕКТ БИОТЕХНОЛОГИИ
Краткий исторический очерк развития микробиологии, предмет и задачи микробиологии и ее место в системе биологических наук.
Представлены общие сведения о микроорганизмах, их роли и положении в природе. Приведена современная классификация микроорганизмов. Даны морфология и химический состав клетки, механизмы поступления питательных веществ в клетку.
Глава 1 МИКРОБИОЛОГИЯ И МИКРООРГАНИЗМЫ
КАК ПРЕДМЕТ ЕЕ ИЗУЧЕНИЯ
1.1.Предмет и задачи микробиологии,
ååместо в системе биологических наук
Микробиология является отдельной отраслью биологической науки. Термин «микробиология» происходит от греч. mikros — малый, bios — жизнь, logos — учение. Она изучает строение, классификацию, жизнедеятельность, закономерности и условия развития организмов, видимых в оптический микроскоп.
Мир микробов богат и разнообразен, микроорганизмы широко распространены в природе. Все области биосферы (почва, вода, воздух, геологическая среда), поверхность тела, кишечник человека и животных, растения, пищевые продукты, одежда, помещения и т. д. населены микроорганизмами. Несмотря на малую величину, микробы играют огромную роль в природе и жизни человеческого общества. Они участвуют в круговороте веществ; вызывают биодеструкцию сложных органиче- ских веществ, процессы гниения и брожения; участвуют в синтезе витаминов, кислот, ферментов; используются в процессах пивоварения, виноделия, дрожжевом производстве; участвуют в образовании полезных ископаемых и формировании плодородия почв. Многие микроорганизмы являются возбудителями различных болезней, служат объектами для изучения наследственности и изменчивости в генной инженерии.
Задачи современной микробиологии разнообразны и специфичны. В развитии современной микробиологии выделяют следующие основные направления:
•фундаментальные исследования (выявление путей метаболизма, выделение и очистка ферментов, регуляция обмена веществ и т. д.);
•систематика микроорганизмов (построение филогенетического «древа»);
9
•экологическая микробиология (определение роли микроорганизмов в природных экосистемах и пищевых цепях);
•популяционная микробиология (выявление природы межклеточ- ных контактов и взаимосвязи клеток в популяции);
•медицинская, сельскохозяйственная и ветеринарная микробиоло-
ãèÿ;
•техническая (промышленная) микробиология, включающая все практические аспекты;
•космическая микробиология, изучающая воздействие космиче- ской радиации на живые объекты, а также проблему жизни в космосе
èна других планетах.
Многие исследования проводятся на стыке молекулярной микробиологии и генной инженерии.
Достижения современной микробиологии базируются на развитии таких наук, как физика, химия, биология, биологическая химия, молекулярная биология, генетика.
Место микробиологии в системе биологических наук определяется спецификой объектов ее изучения: во-первых, микробиология — это наука об определенном классе объектов, она аналогична таким дисциплинам, как ботаника и зоология; во-вторых, микробиология изучает на своих объектах общие фундаментальные законы развития всего живого и, таким образом, относится к физиолого-биохимической ветви биологи- ческих дисциплин. Микробиология — это наука, исследующая объекты и явления на стыке одно- и многоклеточности [1].
1.2. Исторические этапы развития современной микробиологии
Как и любая наука, микробиология имеет свою историю развития. Задолго до открытия микроорганизмов, во времена глубокой древности, человек сталкивался с жизнедеятельностью микроорганизмов, не подозревая об их существовании (сбраживание виноградного сока, скисание молока, приготовление теста). В старинных летописях описаны эпидемии чумы, холеры, заболевание проказой.
История развития микробиологии начинается примерно с 1661 г., когда голландец Антонио Левенгук, изготовивший линзы с увеличением в 200–300 раз, впервые наблюдал микроорганизмы. В своей книге «Тайны природы» он не только описал, но и зарисовал микроорганизмы, об-
10