Бактерии используются человеком для получения чего
Где и как человек использует бактерии
Технологическое применение биологических агентов, а именно использование бактерий с целью получения конкретных продуктов или проведения контролируемых направленных изменений, является основой биотехнологии.
Тысячи лет назад человек, ничего не зная о биотехнологиях, использовал их в своем хозяйстве – он варил пиво, занимался виноделием, пек хлеб и делал молочнокислые продукты и сыры.
В современном мире практическое значение методов биотехнологии с использованием бактерий трудно переоценить – они применяются в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, в медицине и фармакологии, при добыче полезных ископаемых и их переработке, в процессе очистки воды в природе и в септиках, во многих сферах жизни человека.
Пищевая индустрия
Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили молочнокислые бактерии и дрожжи.
Механизм воздействия бактерий и дрожжей состоит в переработке молочного сахара в молочную кислоту, в результате чего нейтральный продукт превращается в молочнокислый.
К молочнокислым бактериям относят:
Молочнокислые бактерии и дрожжи используют при сквашивании молочных продуктов и овощей, переработке какао-бобов, изготовлении дрожжевого теста. Способность прокариотов оказывать влияние на продукты определяется их высокой ферментативной активностью и определяется выделяемыми ферментами.
В бродильной микрофлоре, помимо молочнокислых бактерий, присутствуют дрожжи, состоящие с бактериями в сложных симбиотических отношениях.
Подобная бродильная закваска с дрожжами используется в хлебопекарной промышленности, особенно при выпечке ржаных хлебов.
Одна из самых древних биотехнологий, используемых человеком, – производство сыров. Использование пропионовокислых бактерий при изготовлении твердых сычужных сыров позволяет получить продукт высокого качества с заданными свойствами.
Эти бактерии не обладают активностью к казеину, но имеют высокую липолитическую активность, в результате которой образуется ряд органических кислот:
Состав продуктов метаболизма бактерий, который и определяет органолептические (вкусовые) свойства конечного продукта (сыра), зависит от штамма микроорганизмов.
Использование в технологической схеме пропионовокислых бактерий придает готовым сырам типичный для них цвет, вкус и аромат, обогащая продукт биологически активными веществами.
Кроме того, пропионовокислые бактерии обладают бактерицидными свойствами, являясь естественными консервантами казеина (молочный белок).
Если для крупных сыров пропионовокислые бактерии являются технологической необходимостью, то для мелких это нежелательная биофлора, наличие которой приводит к нарушению вкусовых характеристик.
Рост пропионовокислой микрофлоры в мелких сырах происходит только в случае нарушения технологических стандартов:
Промышленность
Выщелачивание
Бактерии способны в процессе своей жизни избирательно извлекать вещества из сложных соединений, растворяя их в воде. Этот процесс носит название бактериального выщелачивания и имеет большое практическое значение:
Чаще всего в промышленности для бактериального выщелачивания применяют тионовые бактерии:
Железо- и серобактерии являются хемоавтотрофами – процессы окисления сульфидов, оксида железа (ll) и серы для них являются единственным источником энергии.
В промышленности большое практическое значение имеет бактериальное выщелачивание полезных ископаемых (уран, медь) непосредственно на месторождениях.
Процесс не требует сложного оборудования и с учетом возврата в технологический процесс отработанного раствора, содержащего бактерии, имеет ряд значительных преимуществ:
Использование биотехнологий при добыче полезных ископаемых является чрезвычайно перспективным, с целью расширения области применения ученые проводят исследовательские работы по следующим направлениям:
Так, для извлечения золота, например, предлагается применять бактерии Aeromonas, которые выделены на золотоносных приисках в рудничных водах.
В будущем бактериальное выщелачивание позволит создать автоматизированное производство по извлечению металлов непосредственно из недр, минуя сложный и дорогостоящий процесс обогащения породы.
Медицинские препараты
Препараты, созданные при участии бактерий, широко применяются в современной медицине и спасли тысячи жизней. Революцией стало появление пенициллина – первого полученного антибиотика.
Антибиотики – вещества, способные подавить рост бактериальных клеток, при этом механизм воздействия может быть различным:
Поэтому в современной медицине антибиотики являются эффективным средством в борьбе с инфекционными заболеваниями человека, но практически неэффективны против вирусных инфекций.
Современная медицина успешно использует препараты, для производства которых применяются бактерии:
Современные биотехнологии позволяют осуществлять производство ферментов, гормонов, антибактериальных препаратов и витаминов.
Значение энзимов
Ферменты (энзимы) – биокатализаторы процессов, увеличивающие скорость протекания реакции в порядки раз в сравнении с химическими катализаторами. Под действием ферментов выход продукции составляет почти 100%, при этом сами ферменты в процессе реакции не расходуются.
Естественным источником ферментов в природе являются бактерии и дрожжи, известно более 3000 ферментов.
Все энзимы по способу получения делят на 2 группы:
Ферменты часто применяются человеком на производствах:
Ферментативный спектр
Для каждого вида бактерий характерны свои наборы ферментов, что позволяет использовать ферментный спектр как важный метод идентификации бактерий.
Существует множество методик идентификации бактерий, которые решают одну задачу – определить таксономическое положение микроорганизма.
Бактериологическая практика идентифицирует бактерии по морфологическим, генотипическим, культурным, тинкториальным, патогенным и другим признакам, используя определители.
Одним из самых популярных является определитель Берджи – бактерии в определителе разделены на группы по различным признакам, внутри группы тоже происходит разделение по признакам.
Определитель микроорганизмов Берджи позволяет достаточно быстро провести идентификацию бактерии и установить ее таксономическое положение.
Другим методом идентификации бактерий является изучение ферментативной активности, чаще всего это исследования на сахаролитическую и протеолитическую активность.
Как экспресс-метод используют тест-системы для идентификации определенной группы микроорганизмов – анаэробов, энтеробактерий и других. Существуют специализированные тест-системы, разработанные для санитарно-микробиологических исследований.
Земледелие
Применение человеком методов биотехнологии в сельском хозяйстве успешно решает целый ряд вопросов:
Растениям в природе необходим азот, но усваивать азот из воздуха они не способны, а вот некоторые бактерии, клубеньковые и цианобактерии, в природе производят около 90% от общего числа связанного азота, обогащая им почву.
В сельском хозяйстве используют растения, содержащие на свои корнях клубеньковые бактерии:
Эти культуры используют в севообороте для обогащения почвы азотом.
Для борьбы с болезнетворными микроорганизмами в растениеводстве вместо фунгицидов используют пробиотики.
Биотехнология при участии генно-инженерных разработок предлагает для борьбы с патогенными микроорганизмами использовать бактерии с нужными свойствами, способные подавить рост патогенных микробов и не имеющие побочных негативных действий.
К ним относятся элитные штаммы бактерий Bacillus subtilis и Licheniformis, полученные в результате направленной селекции. Попадая в организм растения или животного, элитные штаммы микроорганизмов начинают быстро размножаться и подавляют патогенную микрофлору.
Элитные штаммы, как и антибиотики, нейтрализуют вредные микроорганизмы, но не имеют их негативных сторон:
Применение в сельском хозяйстве пробиотиков успешно в отношении более 70 патогенных микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, включая ранее не подлежащие лечению совсем. Помимо этого, элитные штаммы благотворно воздействуют на вегетацию растений в целом:
Животноводство
Молочнокислые бактерии используют в производстве силоса – силосовании.
В сельском хозяйстве силосование является одним из основных методов консервации растительной массы и осуществляется путем регулируемого сбраживания под воздействием молочнокислых, кокковидных и палочковидных форм бактерий.
Процесс молочнокислого сбраживания растительной массы требует соблюдения оптимальных для жизнедеятельности бактерий условий:
Полученный в результате молочнокислого сбраживания силос является высококачественным сочным кормом для животных, сохраняющим полезные вещества растительного сырья и имеющим высокую кормовую ценность.
Экологические проблемы
Одной из основных экологических проблем, стоящих перед человеком сегодня, является проблема очистки воды в природе.
Совместное использование гетеротрофных и автотрофных бактерий позволило добиться значительного успеха – бактерии в природе успешно справляются с очисткой воды, нормализуют ее кислотность, разлагают придонные отложения, в результате чего нормализуется жизнедеятельность всех обитателей водоемов.
Также бактерии в природе способны разлагать компоненты синтетических моющих средств и ряд лекарственных препаратов.
Ксенобактерии успешно используются для очистки в природе почвы и воды при разливе нефти и нефтепродуктов.
Очистные сооружения
Человек использует большое количество воды для своих личных нужд, решая вопрос очистки сточных вод использованием септиков.
Эффективность работы очистных сооружений обеспечивают специальные бактерии, используемые в септиках.
Микроорганизмы, используемые в септиках, разлагают органические соединения любого происхождения, при очистке сточных вод они успешно уничтожают специфический запах.
По составу бактериальная флора септика представляет собой сочетание аэробной и анаэробной культур.
Анаэробные (бескислородные) микроорганизмы осуществляют первичную очистку воды, а аэробные бактерии доочищают и осветляют воду.
При использовании микроорганизмов для септика существуют определенные правила для очистки сточных вод:
Инструменты биотехнологических процессов
Основными инструментами биотехнологии для получения наиболее эффективных микроорганизмов являются селекция и генная инженерия.
Селекция – направленный отбор высокоэффективных особей в популяции вследствие естественной мутации микроорганизмов.
В природе процесс достаточно длительный, но под действием мутагенных факторов (жесткое излучение, азотистая кислота и др.) может быть значительно ускорен.
Плюсами селекции являются экологичность, натуральность продукта.
Минусами метода следует считать:
Генно-инженерные методы в биотехнологии
Методы генно-инженерного вмешательства изменяют клетки микроорганизмов и дрожжей, превращая их в эффективных производителей любого белка. Что открывает широкие возможности использования генно-модифицированных клеток микробов и дрожжей для получения конечного организма с заданными характеристиками.
Использование генно-мутированных клеток микробов и дрожжей человеком в повседневной жизни вызывает обоснованные опасения – много как сторонников генно-измененных веществ, так и их противников.
Однако фактом остается отсутствие информации о воздействии генно-модифицированных клеток бактерий и дрожжей на организм человека и природу в целом.
Генно-модифицированные бактерии и энергия
Генетики работают над вопросом альтернативного источника энергии. Основной задачей является создание химического сырья, а далее топлива как продукта бактериального метаболизма.
Одним из направлений получения человеком энергии от бактерий является работа с генно-модифицированными цианобактериями.
Биологи Тюбингенского университета обнаружили микроорганизмы, обладающие свойствами батарейки и способные как аккумулировать энергию, так и передавать ее другим бактериям.
Энергию, вырабатываемую этими бактериями, человек может использовать для наноприборов.
В Китае построен прибор, в котором бактерии получают водород из ацетатов, при этом внешнего источника энергии у аппарата нет, а сырьем служат дешевые отходы производства. В свою очередь водород является источником энергии для эко-автомобилей.
Микробиологи в университете Южной Каролины обнаружили бактерию, способную вырабатывать энергию, питаясь токсичными отходами, такими проблемными как полихлорированные бифенилы и агрессивные растворители.
Калифорнийские исследователи предложили методику переработки бурых водорослей модифицированной кишечной палочкой, получая на выходе этиловый спирт – прекрасный источник энергии.
Водород, как источник энергии, получили американские ученые при разложении анаэробными бактериями глюкозы.
Плюсы и минусы ГМО (генетически модифицированный организм)
Использование человеком в повседневной жизни генно-модифицированных бактерий и дрожжей для получения измененных организмов имеет как положительные, так и отрицательные стороны.
К плюсам генно-модифицированных организмов относят:
Известные минусы генно-модифицированных продуктов:
Использование человеком микроорганизмов в повседневной жизни и на производствах может быть ограничено только свойствами самих бактерий. А чем больше ученые уделяют внимания бациллам, тем больше интересных и полезных свойств микроорганизмов обнаруживают.
Бактерии вырабатывают энергию, добывают полезные ископаемые, очищают воду и почву – недавно обнаружены бактерии, поедающие даже пластиковые пакеты (!) – катализируют производственные процессы, используются в синтезе фармацевтических препаратов и во многих других сферах жизни человека.
Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.
Вариант 1
А1. Организмы, клетка которых не имеет ядра, — это
А2. Наследственная информация у бактерий заключена в молекуле
1) белка
2) жира
3) углевода
4) нуклеиновой кислоты
А3. Бактерии появились на Земле
1) 10 тыс. лет назад
2) 1 млн лет назад
3) 1 млрд лет назад
4) 3,5 млрд лет назад
А4. Клетка бактерии, в отличие от клеток животных, растений и грибов, не имеет
1) цитоплазмы
2) наружной мембраны
3) ядра
4) белков и нуклеиновой кислоты
А5. Споры необходимы бактериям для
1) размножения
2) переживания неблагоприятных условий
3) дыхания и питания
4) существования в благоприятных условиях
А6. Основная часть гриба, состоящая из множества нитей, называется
1) грибница
2) мукор
3) пеницилл
4) плодовое тело
А7. Подберезовик обеспечивает березу
1) белками
2) жирами
3) углеводами
4) водой и минеральными солями
А8. Для выпечки хлеба используются грибы
1) трутовики
2) маслята
3) дрожжи
4) лисички
В1. Определите, на каком рисунке изображен плесневый гриб мукор.
В2. Выберите три правильных ответа. Бактерии используются человеком для получения
1. Кефира и йогурта
2. Молока
3. Квашеной капусты
4. Соленых грибов
5. Витаминов и некоторых лекарств
6. Ваты и бинтов
В3. Выберите три правильных ответа. Ядовитыми грибами являются
1. Мухомор
2. Подберезовик
3. Ложный опенок
4. Лисичка
5. Сатанинский
6. Сыроежка
Вариант 2
А1. Клетки бактерий не имеют
1) цитоплазмы
2) ядра
3) нуклеиновой кислоты
4) наружной мембраны
А2. Молекула нуклеиновой кислоты располагается у бактерий в
1) ядре
2) ядрышке
3) цитоплазме
4) слизистой капсуле
А3. Бактерии размножаются
1) делением
2) с помощью оплодотворения
3) черенкованием
4) половым путем
А4. При неблагоприятных условиях бактерии превращаются в
1) минералы
2) полезные ископаемые
3) витамины
4) споры
А5. Клетка гриба, в отличие от клетки бактерии, содержит
1) ядро
2) цитоплазму
3) наружную мембрану
4) нуклеиновую кислоту
А6. Споры необходимы грибам для
1) дыхания и питания
2) размножения
3) образования питательных веществ
4) переживания неблагоприятных условий
А7. Подосиновик получает от осины
1) воду
2) минеральные соли
3) органические вещества
4) неорганические вещества
А8. Для борьбы с болезнетворными бактериями человек использует ценные лекарства, получаемые из гриба
1) подберезовика
2) пеницилла
3) сыроежки
4) мукора
В1. Определите, на каком рисунке изображен плесневый гриб пеницилл.
В2. Выберите три правильных ответа. Бактерии являются возбудителями таких болезней, как
1. Туберкулез
2. Холера
3. Грипп
4. СПИД
5. Чума
6. Гепатит
В3. Выберите три правильных ответа. К съедобным грибам относятся
1. Подосиновик
2. Масленок
3. Бледная поганка
4. Шампиньон
5. Сатанинский
6. Мухомор
23 вида использования микроорганизмов в промышленности
Содержание:
Если бы вас спросили, что общего между кусочком сыра рокфор и вакциной, вы бы наверняка ничего не ответили. Но правда в том, что кое-что у них есть: для их получения нужны микроорганизмы. Сотни предприятий нуждаются в бактериях, грибах и даже вирусах для производства своей продукции..
И дело в том, что, несмотря на плохую репутацию, не все микроорганизмы вредны для нашего здоровья. Фактически, из миллионов существующих видов бактерий только 500 являются патогенными для человека. И из них только 50 действительно опасны. Это очень маленький процент.
И в сегодняшней статье мы рассмотрим (почти) все, что могут нам предложить более мелкие живые существа.
Какое применение микроорганизмы используются в промышленности?
Модификация живых существ или использование продуктов, которые они производят, чрезвычайно полезны в различных отраслях промышленности.. Далее мы рассмотрим некоторые применения, которые мы даем микроорганизмам на промышленном уровне.
1. В пищевой промышленности
Мы используем микроорганизмы в пищевой промышленности на протяжении тысячелетий. Сначала, не зная об этом и не зная об условиях, в которых бактерии и грибки должны работать с максимальной эффективностью. В настоящее время многие пищевые продукты производятся с использованием микроорганизмов данного вида и в нужных количествах, которые, как мы знаем, полезны для придания продукту необходимых питательных и органолептических свойств (аромат и вкус).
1.1. Спиртовое брожение
1.2. Молочная ферментация
1.3. Производство пробиотиков и пребиотиков
Пробиотики (живые микроорганизмы) и пребиотики (растительные волокна, стимулирующие их рост) очень полезны для поддержания здоровья нашей кишечной микробиоты. Очевидно, они получены благодаря обработке микроорганизмов на промышленном уровне.
1.4. Получение высококалорийной пищи
Особенно интересны для борьбы с недоеданием продукты, которые содержат большое количество калорий или содержат большое количество витаминов. И такое высокое количество калорий стало возможным благодаря производственным процессам, в которых используются микроорганизмы.
1.5. Получение пищевых добавок
Таким же образом практически все пищевые добавки, особенно витамины, получают благодаря продуктам, произведенным различными видами микроорганизмов, обработанными на промышленном уровне.
1.6. Аддитивное производство
2. В фармацевтической промышленности
На фармацевтическом уровне микроорганизмы даже более важны, чем на уровне пищевых продуктов, поскольку их использование необходимо практически во всех процессах, направленных на получение продуктов, сохраняющих наше здоровье. Посмотрим почему.
2.1. Разработка лекарств
При разработке лекарств или медикаментов использование микроорганизмов практически обязательно. И часто действующими веществами этих веществ являются химические вещества, вырабатываемые некоторыми конкретными видами микроорганизмов. Следовательно, эти микроскопические существа были (и продолжают оставаться) необходимыми для нас, чтобы иметь лекарства, которые у нас есть в настоящее время.
2.2. Получение вакцин
2.3. Открытие антибиотиков
2.4. Производство инсулина
2.5. Использование стволовых клеток
2.6. Производство сыворотки
Внутривенное применение сывороток имеет огромное значение в больницах, поскольку эти жидкие растворы содержат воду, витамины, ферменты, минералы и другие продукты, которые обеспечивают стабильность пациента и которые производятся на промышленном уровне с использованием продуктов метаболизма различных микроорганизмов.
3. В текстильной промышленности
Как ни странно, но микроорганизмы также используются в текстильной промышленности, то есть в той, которая ориентирована на производство полезных волокон для изготовления предметов одежды.
3.1. Получение биоволокон
Волокна, используемые в текстильной промышленности, могут быть синтетическими или натуральными. Эти натуральные волокна также известны как биоволокна, и, в зависимости от типа волокна и назначения, в их производство обычно вмешиваются микроорганизмы, которые помогают получать интересные продукты на промышленном уровне.
3.2. Повышение производительности процесса
Текстильная промышленность использует множество различных ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, для улучшения их характеристик. Эти ферменты представляют собой молекулы клеточного метаболизма микроорганизмов, которые, в зависимости от их типа, помогают извлекать крахмал из волокон, удалять жир из волокон, разлагать токсичный перекись водорода, который остается после фазы отбеливания, сделать ткани мягче и т. д.
3.3. Разработка натуральных красителей
В некоторых текстильных отраслях для окрашивания одежды используются натуральные красители. Некоторые из них могут происходить из пигментов, синтезированных разными видами микроорганизмов, поэтому здесь мы имеем дело с другим применением микроскопических существ в текстильной промышленности.
4. В химической промышленности
Микроорганизмы также невероятно важны в химической промышленности, то есть во всех процессах преобразования сырья в конечный продукт. Давайте посмотрим на его основные применения.
4.1. Производство биотоплива
4.2. Получение биоразлагаемых пластиков
Биоразлагаемый пластик должен стать нашей ставкой на будущее, если мы хотим остановить загрязнение нашей планеты. Его производство возможно благодаря использованию микроорганизмов, поскольку химические вещества, необходимые для его изготовления, происходят из микроскопического мира. Кроме того, они должны научиться понимать метаболизм этих живых существ, поскольку именно они будут разрушать пластик.
4.3. Устранение токсичных газов
Микроорганизмы также очень важны в так называемой биоремедиации, то есть во всех тех методах, которые основаны на использовании бактерий, грибков и даже вирусов для обеззараживания экосистем. Существуют микроорганизмы, способные метаболизировать токсичные для нас (и большинства живых существ) газы и превращать их в другие, более безопасные газы.
4.4. Канализация
Тот же принцип действует и в воде. И дело в том, что очистка сточных вод, чтобы превратить их в воду, пригодную для потребления или, по крайней мере, сделать ее нетоксичной, возможна благодаря различным видам микроорганизмов, которые метаболизируют химические вещества, присутствующие в грязной воде (включая фекальные вещества) и превратить его в продукты, не наносящие вреда нашему здоровью.
4.5. Удаление тяжелых металлов из почвы
4.6. Переработка отходов
Переработка также возможна благодаря микроорганизмам. И именно они химически превращают «мусор» и остальные отходы и отходы в продукты, которые можно повторно использовать в различных отраслях промышленности.
5. В косметической промышленности
Наконец, микроорганизмы также важны в косметической промышленности, поскольку они в большей или меньшей степени участвуют в процессе производства многих кремов и других косметических продуктов.
5.1. Разработка косметики
На промышленном уровне микроорганизмы очень полезны в косметике, поскольку многие продукты основаны на химических веществах, полученных в результате метаболизма этих микроорганизмов. В любом случае по-прежнему важно соблюдать условия использования, так как в этих продуктах могут расти патогены.
5.2. Получение омолаживающих кремов
У омолаживающих кремов есть главный ингредиент: гиалуроновая кислота. Эта молекула является частью нашей дермы и придает коже жесткость и упругость, а также увеличивает удержание воды, придавая ей более увлажненный и молодой вид. Со временем его синтез становится все менее и менее эффективным, и поэтому кожа выглядит менее молодой. К счастью, мы можем использовать микроорганизмы на промышленном уровне, которые массово синтезируют эту гиалуроновую кислоту, которую собирают и делают кремы на ее основе.
Библиографические ссылки
Как разговаривать с людьми с деменцией: 15 советов по общению