Главное меню:
- Интерес к проблемам охраны водных ресурсов от истощения и загрязнения и прогнозирования качества воды
- Удивительные микробы – биобактерии
- Микроорганизмы в народном хозяйстве и здравоохранении
- Биобактерии в промышленности
- МИКРОБИОЛОГИЯ И ЕЕ СОВРЕМЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ
- Что такое микробиология
- Как уничтожают микробов
- Очистка сточных вод и экология. Биотехнологии.
Интерес к проблемам охраны водных ресурсов от истощения и загрязнения и прогнозирования качества воды
Сила биобактерий (микробов) микроорганизмов
ЧТО ТАКОЕ ФЕРМЕНТЫ
Нуклеопротеиды
Многочисленные и самые разнообразные отрасли народного хозяйства в настоящее время пользуются ферментами.
Дары "невижимых химиков"
Как уничтожают микробов
Интерес к проблемам охраны водных ресурсов от истощения и загрязнения и прогнозирования качества воды особенно возрос в последнее десятилетие в связи с резким увеличением потребления воды промышленностью, сельским и коммунальным хозяйством.
Большая часть отработанной воды после предварительной очистки отводится или, просочившись через почву, возвращается в реки, озера, водохранилища. Однако вода загрязняется при растворении и вымывании минеральных и органических удобрений, средств химической защиты растений от болезней и вредителей. Загрязненные стоки, попадая в реки и водоемы, трансформируются в пространстве и во времени. При этом происходят физико-химические и биологические процессы, в результате которых изменяются концентрации загрязняющих веществ и биохимическое потребление кислорода, что приводит к гибели рыбы и многим другим нежелательным последствиям.
Водность и гидродинамика потока, характер и интенсивность химических реакций и биологических процессов определяют предельно допустимую нагрузку на водный объект, необходимую степень очистки сбросных вод и распределение затрат на водоочистку между предприятиями и организациями, сбрасывающими сточные моды. В связи с этим при проектировании и разработке водоохранных комплексов огромное значение имеют расчеты процессов конвективно-диффузионного переноса и превращения веществ (КДПиПВ).
Полностью очистить загрязненную воду, даже совершенными способами, практически невозможно и экономически нецелесообразно. Поэтому при решении проблемы охраны воды и почвы от загрязнения очень важно не допускать сброс неочищенных сточных воды в гидрологическую сеть, широко внедрять безотходные технологии и замкнутые циклы, уменьшить поливные нормы и потребление воды на единицу продукции и т. д. Все это определяет актуальность, теоретическую и практическую значимость проблемы, решению которой посвящена данная монография.
Удивительные микробы – биобактерии
Необъятен и вездесущ не видимый невооруженным глазом мир микроорганизмов. В нем много коварных врагов и добрых друзей человека. Успехи биологии, химии, физики позволяют использовать гигантскую производительность микроорганизмов для производства в крупных промышленных масштабах кормового белка, витаминов, антибиотиков, ферментов, бактериальных удобрений и безвредных для человека микробиологических препаратов, вызывающих массовую гибель вредителей полей, садов и лесов.
Микроорганизмы в народном хозяйстве и здравоохранении
Важное значение приобретают изучение и широкое использование микроорганизмов в народном хозяйстве и здравоохранении, в том числе для выработки пищевых и кормовых средств, витаминов, антибиотиков, ферментов, для изыскания новых приемов агротехники.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В последнее время наука уже на деле стала непосредственной производительной силой, причем такой, значение которой растет изо дня в день. Особенно ярко и губедительно это можно увидеть на примере микробиологии.
Фундаментальные исследования в области физиологии и биохимии микробов открыли беспредельные возможности для использования микробов — этих невидимых «химиков», способных вырабатывать биологически активные вещества, крайне важные в природе и жизни человека. Синтез ферментов, пигментов, токсинов, белков, жиров, полисахаридов, антибиотиков, витаминов — все это лишь отдельно взятые примеры, которые дают представление о могучей биохимической деятельности огромных масс микроорганизмов. С помощью микробного синтеза стало возможным получать в промышленных масштабах важнейшие кормовые продукты для скота и таким образом содействовать развитию животноводства.
Кроме того, микробиологическая промышленность уже сегодня производит бактериальные препараты, необходимые для повышения урожайности полей. Использование бактерий и вирусов для защиты растений от вредителей — еще один пример успешного применения микроорганизмов в сельскохозяйственном производстве.
В настоящее время с помощью микробиологических методов уже добывают ценные и редкие химические элементы и металлы. «Микробы—разведчики недр», «помощники геологов», «микробы — металлурги, химики», как образно говорят сами названия, уже широко используются в различных отраслях промышленности, играя все большую роль в экономике народного хозяйства.
Биобактерии в промышленности
Промышленность. Увеличить выпуск кормовых дрожжей в 3,5— 3,7 раза. Развивать промышленное производство белково-витаминных концентратов, значительно расширить производство аминокислот, микробиологических средств защиты растений, антибиотиков немедицинского назначения и кормовых витаминов. Увеличить производство и расширить ассортимент ферментных препаратов для интенсификации технологических процессов и улучшения качества продукции в пищевой и легкой промышленности, в сельском хозяйстве и в других отраслях.
МИКРОБИОЛОГИЯ И ЕЕ СОВРЕМЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Что такое микробиология.
Микробиология. Макрос — малый, биос — жизнь, логос — учение.
Итак, микробиология— это наука о мельчайших существах — микроорганизмах. Добавим к этому — наука о не видимых глазом живых существах. Впервые в истории человечества увидел микробов, этих живых «червячков», в середине XVII столетия естествоиспытатель Афанасий Кирхер, но детально изучил и зарисовал Антоний Левенгук. Он первый показал форму микробов удивленному миру.
Это было раскрытие тайны природы, тысячелетиями скрытой от человеческого взора, открытие нового невидимого мира живых существ. Левенгук не только увидел, но и изучил микробов, потому что техника второй половины XVII в. уже давала возможность создавать увеличительные стекла (линзы). А в этом Левенгук был большим мастером. Искусно шлифуя стекла, он получал линзы, дававшие увеличение в 100 и даже 200 раз. Комбинируя линзы, Левевгук по существу, уже создавал первые микроскопы. По сравнению с современными световыми микроскопами это был простой прибор, и все же с помощью его сделано было великолепное открытие, создавшее новую эру в естествознании.
С тех пор возможности микробиологии необычайно расширились. Ученые познали необозримый мир микробов. Их нашли в воде, воздухе, почве, B глубинах морей и океанов и на большой высоте. Микробы живут в организме человека, животных, широко встречаются в растительном мире. Казалось, не было преград в познании мира микроорганизмов, и, действительно, открытия были столь многочисленными, что с величайшим трудом создавались классификации микробов.
Выдающийся шведский ботаник XVIII столетия Карл Линней, известный своей классификацией растительного мира, сделал попытку классифицировать микроорганизмы, но... беспомощно опустил руки. Мир микробов Линней назвал «хаосом». Правда, из этого хаоса ученые постепенно вышли с честью, создав стройное учение о микробах и успешно классифицируя огромный мир невидимок.
Конец XIX в. принес новое величайшее достижение. Дмитрий “Иосифович Ивановский открыл новый невидимый мир микробов, которые получили название вирусов. Они оказались в тысячи раз меньше известных к тому времени микробов. В самые сильные микроскопы их увидеть не представлялось возможным. Если видимые в микроскоп микробы измерялись микронами, т. е. тысячной долей миллиметра, то вирусы — миллимикронами— миллионными долями миллиметра. Современные электронные микроскопы, дающие большое увеличение, позволяют увидеть даже вирусы. Самое поразительное в открытии Ивановским вирусов было то, что Дмитрий Иосифович электронным микроскопом не располагал и все же вирусы были открыты.
Как только человечеству стали известны микробы и вирусы, мир микроорганизмов стал еще более необозримым. Однако как ни велики были открытия Левенгука и Ивановского, но открыть и даже увидеть микробы было лишь первой ступенью познания невидимого мира. Надо было выяснить, их роль в природе и жизни человека. Нельзя не отметить, что хотя Левенгук и убедился в существовании микроорганизмов в организме человека и во внешней среде, но роли микробов он себе не представлял. Чтобы подчеркнуть огромное множество их, Левенгук говорил, что у него во рту их больше, чем людей в Соединенном королевстве.
Настала пора, когда ученые подошли вплотную к изучению структуры микробной клетки и химического ее состава, вторглись в глубины физиологии микробов, биохимических процессов, происходящих в клетке и за пределами ее. Перед удивленным человечеством раскрылись не только новые горизонты познания невидимого мира, но и перспективы использования микробов для различных сторон деятельности человека. Историческими вехами в этом направлении были классические ис¬следования великого французского ученого Луи Пастера.
К примеру, изучают микробиологи процессы питания у микробов и вдруг обнаруживают таких, которые прекрасно усваивают углеводороды нефти. А к каким поразительным практическим результатам пришли ученые, создав с помощью таких микробов промышленные методы получения кормовых белков, столь ценных для развития животноводства. В результате этого открылись новые перспективы для расширения кормовой базы — крупной отрасли сельского хозяйства. Это один из яр¬ких примеров увлекательной и важной работы микробиологов для народного хозяйства.
Сила биобактерий (микробов) микроорганизмов
Микробы, ничтожные по своей величине, в массе представляют огромную силу, и, как говорил Пастер, этим бесконечно малым живым существам принадлежит бесконечно большая роль в природе и жизни человека.
Горизонты микробиологии, как и всякой науки, беспредельны. Как ни широко простерла «руки» микробиология, но во второй половине XX в. созданы новые ее разделы: морская микробиология (глубоководная) и космическая микробиология.Микробиологи, вторгаясь в тайны океанских глубин и космического пространства, следуют традициям прошлого, на-правляя достижения этих наук на благо человечества.
Человек научился выращивать биобактерии – микроорганизмы в микробиологических лабораториях.
Наука не только лучше вооружает человека в его борьбе против болезнетворных микробов, но все больше вскрывает и полезную роль многих микроорганизмов.
Академик А. А. Имшенецкий
В воде рек и озер, в почве и воздухе, в глубинах морей и океанов, а также в недрах земли-—везде существуют мириады микроорганизмов. Их роль в природе и жизни человека столь велика, что переоценить ее невозможно. Остановимся лишь на отдельных сторонах жизнедеятельности этих бесконечно маленьких, но и бесконечно могущественных друзей и помощников человека. Говоря об этих микроорганизмах, мы не забываем о микробах — врагах человека, с которыми микробиологи ведут тяжелую и неустанную борьбу.
Для того чтобы уяснить себе роль микробов, начнем с характеристики некоторых особенностей и свойств микробной клетки и процессов, происходящих в ней. Лишь представив себе бесконечное множество микробов и то, что микробная клетка — это, по существу, микроскопическая химическая «лаборатория», можно оценить всю сложность превращения веществ, которую осуществляют микробы в процессе своей жизнедеятельности. Начнем с размножения микробов. I
Микробы размножаются с необычайной быстротой. Путем поперечного деления одн? микробная клетка примерно через 30 минут превращается в две, через час образуется четыре. Давайте подсчитаем, сколько из одной клетки .может образо¬ваться клеток за несколько часов. Итак, через один час образуется 4 клетки, через 2 часа — 16, за 3 — 64, за 4 — 256, а через пять— 1024 клетки.
Следовательно, за 5 часов из одной микробной клетки образуется более тысячи себе подобных клеток. Дальше, учитывая то, что микробы размножаются .в геометрической прогрессии, можно подсчитать, что за сутки образуется... Впрочем, для интереса читатель может сам попытаться это сделать.
Выдающийся советский ученый академик Владимир Иванович Вернадский вовсе не из праздного любопытства как-то произвел такие подсчеты. Создателя геохимии, биогеохимии и геомикробиологии интересовала роль микроорганизмов (столь ничтожных, как единичная клетка, и столь могущественных в бесконечной массе) в происхождении нефти и полезных ископаемых. Ученый пришел к совершенно фантастическим выводам: из одной микробной клетки в течение 36 часов при беспрепятственном ее размножении может образоваться тонкая пленка, способная покрыть весь земной шар.
Такая оговорка (при беспрепятственном размножении), сделана не случайно. Дело в том, что размножение микробов действительно идет бурно и в геометрической прогрессии, однако в природе имеется много причин, мешающих беспрепятственному их размножению. Среди этих причин огромную роль играет вредное воздействие одних микробов на другие (антагонизм 1. влияние на микробов" различных физических й химических факторов окружающей среды и, конечно, не последнее значение имеет изменение условий питания и дыхания микроорганизмов.
Несмотря на все это, микроорганизмов в природе бесчисленное множество, огромные массы их культивируют в лабораториях и в микробиологической промышленности. Остановим свое внимание на тех веществах, которые способствуют физиологическим жизненным функциям микробов, в частности, на ферментах —- ускорителях биологических реакций. Рассказ об этом будет кратким и коснется лишь некоторых общих вопросов о ферментах, но приведет он к таким понятиям, без которых нельзя представить себе удивительную роль ферментов для жизнедеятельности самих микробов и для всего живущего на нашей планете.
Хотя микробная клетка сравнительно простой организм, она поражает необычайной сложностью тех процессов, которые протекают в ней. Жизнь микробных клеток, как и других живых существ, обусловливается обменом веществ, при котором происходит усвоение микроорганизмами из окружающей сре¬ды пищи и выделение продуктов жизнедеятельности. Питательные вещества, поступившие в микробную клетку, идут на построение живой материи клетки, а также для развития и размножения. Энергию для этих физиологических функций микробы получают, осуществляя акт дыхания.
Ферменты — это специфические белковые вещества, способствующие различным превращениям белков, жиров и углеводов, расщеплению или построению их.
Ферменты — биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции. Клетка представляет собой сложную коллоидальную, систему, содержащую до 80% воды, а также белки, жиры, углеводы, витамины, микроэлементы и т. д.
Белки являются важнейшим элементом цитоплазмы микробной клетки и играют огромную роль в ее жизнедеятельности. Микроорганизмы независимо от класса, к которому они принадлежат, содержат в своем теле как простые белки протеины), так и сложные (протеиды). Из последних огромное значение имеют нуклеопротсиды . Микробные клетки содержат также в своем составе рибонуклеиновую (РНК) и дезоксирибонуклеиновую кислоты (ДИК), с которыми, как уже говорилось, связана передача наследственных признаков и свойств, присущих данному микроорганизму (форма, окраска, характер питания и дыхания, выработка биологически ак¬тивных веществ и т. д.).
Из жиров (липидов) в состав тела микробов входят свободные жирные кислоты, нейтральные жиры, фосфатиды и другие вещества. Углеводы также входят в состав микробной клетки в виде простых и сложных. Из последних особенно большое значение имеют полисахариды.
Из минеральных веществ в теле микроорганизмов встречаются натрий, калий, кальций, фосфор, магний, железо, сера, цинк и др. Содержание и значение их неравноценно. Также не одинаковой является и потребность в них для питания микробной клетки. Так, например, натрий играет большую роль в прощцессах осмоса, т. е. проникновения (просачивания) в клетку пищевых веществ. Если учесть, что органов питания у микробов нет и что питание у них осуществляется путем ОШЙСД, понятна роль отдельных минеральных элементов. К этому следует добавить, что многие растворенные минеральные соединения влияют на скорость химических процессов в цитоплазме у микроорганизмов.
Для того чтобы можно было представить всю сложность химического строения микробов, отметим, что, как и клетки более организованных живых существ, микроорганизмы содержат в составе своих белков главные химические элементы органических веществ кислород, водород, углерод, азот, фосфор, серу. Короче говоря, микробы нуждаются в сложном комплексе питательных веществ: в азотистом, углеродном и минеральном питании, но к этому надо добавить и потребность многих микроорганизмов в так называемых «факторах роста», или ростовых веществах.
Факторы роста, стимуляторы роста, ростовые вещества, биостимуляторы и т. д. — все это разные названия, характеризующие вещества, важные для физиологии микробов, активно влияющие на их жизнедеятельность. Прибавленные в ничтожно малых количествах к искусственным питательным средам, ростовые вещества усиливают и делают более активными процессы синтеза и расщепления веществ. Они оказывают влияние на процессы питания, дыхания, биохимическую активность микробов и другие функции микробной клетки.
Дело в том, что многие микроорганизмы, в частности болезнетворные, потеряли в процессе эволюции способность усваивать из внешней среды те или иные вещества. Для этих микробов добавление к искусственным питательным средам таких веществ в готовом виде обеспечивает рост, размножение и нормальную жизнедеятельность микробной клетки.
Значение стимуляторов роста заключается еще и в другом. Оказывается, что некоторые микробы на данном этапе развития не совсем утратили способность к усвоению ряда ве-ществ, но не могут усваивать их с необходимой скоростью. Вот в этих случаях добавление к искусственным питательным средам «стимуляторов роста» повышает скорость усвоения, а вместе с этим интенсивность роста и размножения микробов. Все это очень важно в условиях естественного обитания микробов, учитывается и при искусственном их культивировании. В качестве стимуляторов роста применяются различные вещества растительного и животного происхождения, витамины, гормоны, аминокислоты. Интересно, что продукты распада одних микробов могут служить стимуляторами роста для других.
Из всего того, что рассказано, возникает вопрос, а как же через коллоидальную оболочку микробной клетки проникают сложные вещества для питания? Как из простых веществ в клетке синтезируются сложные вещества для питания? Все это происходит с помощью удивительных по своей активности и значению ферментов. Их роль поистине безгранична и касается живой и неживой материи в природе.
С чего началось победное шествие учения о ферментах? Остановимся на некоторых основных этапах. Впервые в истории науки великий французский ученый Луи Пастер доказал, что дрожжи являются не отбросами бродильного процесса, а подлинными возбудителями и причиной его. На протяжении нескольких лет Пастер открыл три асцднньне-тина брожениям спиртовое, молочнокислое и маслянокислое. Это были первые вехи подлинно научного объяснения роли микроорганизмов в процессах брожения.
В дальнейшем открытия Пастера были дополнены исследованиями других ученых, доказавших, что брожение вызывается не только живыми микробами, но и особыми веществами, вырабатывающимися в микробной клетке, получившими название ферментов, или энзимов. Это были блестящие исследования немецких ученых братьев Бухнер, которые доказали, что в результате разрушения микробов из их тел можно под давлением выделить бесклеточный сок-ферменты, или «зимазы».
Нуклеопротеиды — сложные белки, представляющие собой соединения нуклеиновых кислот с простыми белками.
Питание у микробов, как уже отмечалось, происходит путем осмоса. Внутрь клетки извне поступают вещества, способные пройти через полупроницаемую оболочку. Это прежде всего растворенные минеральные соединения, соли и т. д. А как же со сложными веществами, например коллоидами? Ведь они через оболочку микробной клетки не проходят. Сложные вещества в результате действия ферментов расщепляются на простые и поэтому становится возможным всасывание их внутрь клетки.
Таким образом, благодаря ферментам микробы осуществляют как внутри клетки, так и вне ее разнообразные биохимические процессы превр