Методи біотехнології (стр. 2 из 3)

Патогенні види становлять безпосередню небезпеку для задіяних у виробництві людей і для споживачів кінцевих продуктів; сапрофітні види можуть виступати конкурентами за поживні субстрати, антагоністами, продуцентами токсичних речовин, включаючи пірогени.

3. Біотехнологічні прийоми в подоланні продовольчих проблем людства

Однією із першочергових є проблема білка, яка потребує якнайшвидшого вирішення. Вона актуальна як для людей, так і для тварин: якщо рослини мають здатність до синтезу амінокислот із неорганічних азотомістких речовин, то людина і тварина мають одержувати білки у готовому вигляді разом з харчовими продуктами та кормом.

Якщо нестачу харчової енергії в раціоні людини і тварини можна певною мірою компенсувати зниженням рухливості, то ні в людини, ні у тварини немає біологічних механізмів зменшення потреби в білку. За нестачі білка знижується працездатність і резистентність людини, а дефіцит білка в раціоні тварини не дає змогу реалізувати генетичний потенціал продуктивності і забезпечити на належному рівні стан здоров'я та їх відтворювальну здатність. Проблема поглиблюється тим, що потреба тварин у білку збільшується при підвищенні рівня продуктивності і при багатьох захворюваннях, а також у стресових ситуаціях.

Всередині XX століття стало очевидним, що задовольнити зростаючу потребу людей і свійських тварин у білках традиційними шляхами нереально. Наприклад, у 1982 р. потреби тваринництва в білку задовольнялись лише на 70-75 %. Дефіцит кормового білка призводить до зниження продуктивності тварин на 30-35 %, підвищення собівартості тваринницької продукції і витрати кормів приблизно у півтора рази.

Однак проблема не зводиться тільки до одержання з раціоном певної кількості білка. Необхідно, щоб у ньому була достатня кількість незамінних амінокислот у певному співвідношенні.

Традиційно основним джерелом білка у раціоні тварин є зерна злакових культур, але в них мало білка і він є неповноцінним через недостатній вміст незамінних амінокислот. Джерелом повноцінного білка є корми тваринного походження - антиіди м'ясна, м'ясо-кісткова, рибна, молоко і відходи його переробки. Але ці корми дефіцитні і мають високу вартість.

Найбільш розповсюдженим у світі способом балансування раціонів за білком є добавка до них соєвої муки, білок якої за своєю біологічною повноцінністю наближається до кормів тваринного походження. Але ця культура трудомістка, врожаї ще досить низькі, а звідси висока її вартість. Головним постачальником сої на світовий ринок є США, на долю яких припадає 2/3 світового її виробництва. Переважно на американській соєвій муці базується інтенсивне тваринництво Америки, Західної Європи і Японії.

Альтернативним соєвому є білок, одержаний мікробіологічним шляхом за допомогою мікроорганізмів.

Вперше вислів «білки одноклітинних організмів» (БОО) використали в 60-ті роки XX ст. стосовно мікробних білків, які продукуються масовими культурами дріжджів або бактерій, що використовуються у харчуванні людей або годівлі тварин. Перевагою біотехнологічного виробництва білка є те, що воно не залежить від погодних і кліматичних умов, не потребує посівних площ, є високоінтенсивним і піддається автоматизації.

Мікроорганізми - продуценти білків відзначаються дуже високою інтенсивністю накопичення біомаси, яка в 500-5000 разів вище, ніж у рослин або тварин. Мікробні клітини здатні накопичувати дуже великі кількості білка (дріжджі - до 60 %, бактерії - до 75 % за масою). Коливання вмісту білка у сухій речовині біомаси мікроорганізмів може складати від 19 до 90 % У мікробіологічному виробництві за рахунок високої специфічності мікроорганізмів відсутня багатостадійність, а сам процес біосинтезу відбувається у м'яких умовах при температурі 30-45 °С, рН 3-6 і тиску ~ 0,1 МПа, він менш трудомісткий порівняно з одержанням сільськогосподарської продукції і органічним синтезом білків.

Мікроорганізми як продуценти білка мають перевагу і в тому, що можуть використовувати як субстрат різноманітні речовини, які в основному є відходами інших виробництв. Джерелом сировини для них є рідкі парафіни нафти, метан природного газу і біогазу, метиловий і етиловий спирти, рослинна сировина, відходи і побічні продукти сільського господарства і промисловості (солома, корзинки соняшника після видалення насіння, костриця льону, коноплі, гичка, дерев'яна тирса, стружка, целюлоза, меляса, молочна сироватка, гнойова біомаса тощо).

Із мікроорганізмів для одержання білка найчастіше використовують як продуценти дріжджі, бактерії, мікроскопічні гриби, одноклітинні водорості. Різноманітність типів живлення мікроорганізмів і їх видового складу дозволяє вибирати сировину, яка найбільше підходить для біосинтезу, і кращі штами - продуценти білка.

Одноклітинні організми характеризуються високим вмістом білка - від 40 до 80 % і більше. Білок одноклітинних містить усі (10) незамінні амінокислоти, багатий на лізин, який визначає його біологічну повноцінність. Добавка біомаси одноклітинних до дефіцитних за лізином рослинних кормів дає можливість наблизити їх амінокислотний склад до оптимального. Недоліком біомаси одноклітинних є дефіцит сірковмісних амінокислот, в першу чергу метіоніну. В одноклітинних його приблизно удвічі рази менше, ніж у рибній муці. Однак цей недолік має і білок сої.

Багата білками біомаса одноклітинних з високою ефективністю засвоюється сільськогосподарськими тваринами. Так 1 тона кормових дріжджів дає можливість одержати 0,4-0,6 т свинини, до 1,5 т м'яса птиці, 25-30 тис. яєць і заощадити 5-7 т зерна. Це має велике народногосподарське значення, оскільки майже 80 % площ сільськогосподарських угідь у світі відведено для виробництва кормів.

Шляхом селекції можна відібрати найбільш продуктивні штами мікроорганізмів-продуцентів, які здатні ефективно використовувати нові джерела сировини. Широкі можливості дають біотехнології рекомбінантних ДНК, завдяки яким можливо удосконалювати або одержувати нові продуценти.

Усі ці переваги і визначили швидкий розвиток технології одержання мікробного білка, яка є найбільш крупнотоннажною галуззю біотехнології. Уже в 1980 р. провідним у світі виробником білків одноклітинних організмів став Радянський Союз. Виробництво білків у країні тоді досягло 1,1 млн т на рік.

4. Біотехнологічні прийоми в подоланні сировинних та енергетичних проблем людства

Утилізація (від латинського utilis - корисний) - застосування з користю, наприклад відходів.

Біоконверсія - це трансформація речовин з однієї форми в іншу біологічними агентами (живими організмами або ферментами). За допомогою біоконверсії з відходів різного походження (рослинництва, тваринництва, побутових і промислових) можна одержати різноманітну продукцію - альтернативні носії енергії, високоякісне органічне добриво, білкові та вітамінні кормові добавки.

При експлуатації тваринницьких ферм і комплексів виникає багато проблем - санітарно-гігієнічних, екологічних, економічних, соціальних тощо.

Це зумовлено передусім значною концентрацією тварин па обмеженому просторі та порушенням рівноваги між поголів'ям і площею земельних угідь, що супроводжується накопиченням великої кількості гною, стічних вод та інших органомістких відходів у розрахунку на одиницю земельної площі. Гній містить значну кількість патогенних мікроорганізмів, яєць і личинок гельмінтів, насіння бур'янів, солей важких металів та інших ксенобіотиків. Потрапляючи у ґрунт і водоймища, гнойова рідина спричинює забруднення ґрунтових вод, біологічне заражений ґрунту патогенними мікроорганізмами та викликає масові отруєння водних організмів. У воді різко збільшується вміст аміаку і зменшується кількість кисню.

Такі компоненти відходів, як метан, діоксид вуглецю, аміак і сірководень, забруднюють повітря. Метан, потрапляючи в атмосферу, зумовлює парниковий ефект, який у 22-30 разів перевершує вплив діоксиду вуглецю і призводить до глобальних змін клімату. За Міжнародною Конвенцією, яку підписала Україна, кожній країні виділена певна квота метану, який може потрапити у навколишнє середовище. Понаднормові його викиди призводять до штрафних санкцій, а у разі зменшення викидів метану в атмосферу надає право країні реалізувати певну частку своєї квоти на світовому ринку.

Проблеми поглиблюються тим, що сільськогосподарські угіддя як біологічні системи утилізації можуть сприймати підвищені дози органічних добрив у вигляді гною в обмеженій кількості. Критерієм є вміст азоту, максимально допустима концентрація якого складає 250-300 кг/га.

Таким чином, гнойова біомаса є забрудником навколишнього середовища як органічними, так і біогенними елементами. На її частку припадає 43-66 % загального біологічного навантаження на природні системи.

Для усунення цих негативних явищ необхідна спеціальна технологічна обробка гною, що дало б можливість підвищити концентрацію поживних речовин в одиниці об'єму гною і одночасно усунути запахи, загальмувати або знищити патогенні мікроорганізми, знизити вміст токсичних речовин та викиди шкідливих газів у атмосферу.

Усі існуючі методи утилізації відходів тваринництва умовно можна поділити на дві групи: традиційні і нетрадиційні.

При традиційних методах для утилізації використовують такі природні біологічні системи, як ґрунт і водоймища. Утилізація здійснюється біологічними агентами (об'єктами) - мікроорганізмами, дощовими черв'яками, членистоногими тощо. Вибір біологічної системи суттєво залежить від консистенції гнойової біомаси, яка, залежно від технології утримання і гноєвидалеиня, може бути: твердою (вологість до 80 %), напіврідкою (вологість 81-90 %) і рідкою (вологість більше 91 %).

До нетрадиційних методів належить утилізація гною шляхом метанового зброджування та вермікультивування з використанням біологічних агентів - анаеробних метаноутворюючих мікроорганізмів і дощових черв'яків.