WYKŁAD 1

1

Biotechnologie z ochrony

roślin w ochronie

środowiska

WYKŁAD 1

2

Literatura podstawowa

1.Boczek J., Lipa J. Biologiczne metody walki ze

szkodnikami roślin. PWN 1978.

2.Chmiel A. Biotechnologia . Podstawy

mikrobiologiczne i biochemiczne. PWN 1998.

3.I Krajowy Kongres Biotechnologii. Wrocław

1999. Postery.

4.Biotechnologia 2000. Komitet Biotechnologii

PAN. Instytut Chemii Organicznej PAN.

5.Canard M., Beyssat-Arnaouty V. Applied

Biological Control in Mediterranean
Countries. France 1999.

1

2

Literatura uzupełniająca

– referaty

szczegółowe z światowych Kongresów Ochrony
Roślin (1999 Izrael, 2004 Chiny)

WYKŁAD 1

3

3

Ochrona roślin a

ochrona środowiska

Wielodyscyplinarne

problemy ochrony roślin
powinny za punkt
odniesienia przyjmować
ochronę środowiska
rolniczego, czyste
środowisko rolnicze jest
bowiem podstawą
produkcji czystej żywności
mającej być dla ludzi
źródłem nie tylko
pokarmu, ale również
zdrowia.

WYKŁAD 1

4

3

Ochrona roślin a ochrona środowiska

a)zasady IPM i znaczenie dla ochrony

środowiska

b)ochrona gleb i wód przed

zanieczyszczeniem pestycydami i
metalami ciężkimi

WYKŁAD 1

5

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Zasadniczy rozwój nowoczesnej ochrony
roślin datuje się od połowy ubiegłego
stulecia, kiedy to nastąpił gwałtowny
rozwój nauk przyrodniczych.

Opracowywano i wdrażano najróżniejsze
metody oraz wykorzystywano różne
środki. U podstaw powodzenia leżało
jednak zawsze poznanie biologii i ekologii
szkodników oraz czynników
chorobotwórczych. To dopiero pozwalało
na opracowanie metody lub zespołu
metod przeciwdziałających ich szkodliwej
działalności.

WYKŁAD 1

6

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

W walce ze szkodnikami ludzkość
wykorzystywała różne sposoby.

Jednym z pierwszych była prymitywna

metoda mechanicznego, czyli po prostu
ręcznego, niszczenia szkodników (np. w
starożytności).

Bardzo wcześnie zaczęto również

wykorzystywać proste metody biologiczne.
W miarę jednak powiększania areałów
upraw, a później wprowadzania
wielkoobszarowych upraw monokulturowych,
metody takie stały się niewystarczające.

WYKŁAD 1

7

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Wyróżniamy sześć głównych metod, które
w miarę ich rozwoju, coraz powszechniej
używano w poszczególnych uprawach, są
to:

zwalczanie mechaniczne,

fizyczne,

biologiczne,

agrotechniczne,

chemiczne,

genetyczne.

WYKŁAD 1

8

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

W miarę rozwoju naszej wiedzy
zmieniały się techniki oraz materiały
i sposoby ich realizacji.

W przeciągu stulecia zmieniał się
także ranking ich ważności.

Pierwsze trzy dekady XX wieku to
duże zainteresowanie metodami
biologicznymi. Ich skuteczność była
jednak z ekonomicznego punktu
widzenia zbyt mała.

WYKŁAD 1

9

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Od połowy lat trzydziestych
zaznacza się intensywny rozwój
metod chemicznych.
Wyznacznikiem „nowej ery” w
produkcji środków ochrony roślin
była synteza DDT.

Chemiczne środki ochrony roślin
zdobyły niezwykłą popularność
dzięki szybkim i ewidentnym,
wręcz „naocznym” efektom.

Wykład 1 slajd 9

WYKŁAD 1

10

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Zabiegi chemiczne stały się prawie tak
automatyczną czynnością w uprawie roślin jak
oranie, sianie czy sadzenie,

a terminy ich wykonywania
wyznaczano zwykle na
podstawie faz
fenologicznych
poszczególnych gatunków
roślin, niezależnie od tego
czy istniało realne
zagrożenie ze strony
agrofagów.

WYKŁAD 1

11

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Zgubne skutki takiego
postępowania nie kazały jednak
długo na siebie czekać. Zaliczamy
do nich:

rozwój ras odpornych,

wyniszczenie organizmów

pożytecznych,

zanieczyszczenie środowiska.

WYKŁAD 1

12

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Zagrożenia wymusiły odejście od praktyki
schematycznego zwalczania chemicznego.

Impulsem do zmiany koncepcji i realizacji
takiego stosowania chemicznego sposobu
ochrony roślin, było ukazanie się w 1962
roku książki Rachel Carson „Milcząca
wiosna”, która wstrząsnęła opinią
publiczną.

Cytowane przez nią naukowe dane odegrały
ważną rolę przy wprowadzaniu ustawowego
zakazu używania chlorowanych
węglowodorów, a pośrednio do powołania
rządowych instytucji nadzorujących
rejestrację i stosowanie pestycydów.

WYKŁAD 1

13

4

Metody ochrony roślin w

programie IPM

Kolejnym etapem w praktyce ochrony roślin
było tzw.

zwalczanie nadzorowane

.

Wprowadzenie metody zwalczania
nadzorowanego wymagało opracowania metod
lustracji upraw oraz progów zagrożenia.

Równolegle z koncepcją zwalczania
nadzorowanego pojawiła się koncepcja

zwalczania integrowanego.

WYKŁAD 1

14

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Definicja koncepcji integracji przyjęta
przez Międzynarodową Organizację
Biologicznego i Integrowanego
Zwalczania Szkodliwych Zwierząt i roślin
brzmi:

„Jest to zwalczanie szkodników i chorób
przy użyciu wszystkich metod zgodnie z
wymaganiami ekonomicznymi,
ekologicznymi i toksykologicznymi,
dających pierwszeństwo naturalnym
czynnikom ograniczającym i
ekonomicznym programom zagrożenia”.

WYKŁAD 1

15

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Metody i techniki wykorzystywane w ochronie
integrowanej (agrotechniczne, mechaniczne,
fizyczne, biologiczne, chemiczne, genetyczne,
prawne) muszą odpowiadać standardom
nowoczesnego rolnictwa.

Jednak ranga ich ważności zmienia się
zarówno ze względu na rodzaj rośliny
uprawianej, jak i gatunek lub zespół
gatunków zwalczanych agrofagów.

WYKŁAD 1

16

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Integrowany system
ochrony roślin jest
realizowany nie tylko w
uprawach roślin
polowych, ale także
szklarniowych.

W przypadku roślin
polowych, największy
postęp odnotowano w
produkcji sadowniczej,
a zwłaszcza w uprawie
jabłoni.

WYKŁAD 1

17

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Podstawą integrowanych metod produkcji jest
integrowanie różnych sposobów zwalczania
agrofagów.

Jednak obiektem zainteresowania nowoczesnej
ochrony nie są agrofagi „same w sobie”, ale
roślina - jej właściwości genetyczne, reakcja
na grupy zasiedlających ją organizmów oraz na
poszczególne metody ich zwalczania.

WYKŁAD 1

18

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Znaczne możliwości w
dalszym rozwoju
integrowanych metod
ochrony roślin, a w
związku z tym
integrowanych metod
produkcji, niesie ze sobą
rozwój biotechnologii.

WYKŁAD 1

19

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Możliwości te, to zarówno
pozyskiwanie przy pomocy

inżynierii genetycznej roślin
odpornych

na czynniki

chorobotwórcze i szkodniki,
jak i

genetyczna modyfikacja

pożytecznych stawonogów

,

w celu efektywniejszego
wykorzystania ich wraz z
chemicznymi środkami
ochrony roślin.

WYKŁAD 1

20

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Rozwój nowych koncepcji
ochrony roślin wymusił również
daleko idące zmiany w
asortymencie używanych
środków ochrony roślin.

Ze względu na pozostałości
pestycydów w środowisku, a
także w organizmach zwierząt
wycofano najbardziej
niebezpieczne np. związki
arsenowe, nitrowane i
chlorowane węglowodory.

WYKŁAD 1

21

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Pocieszające jest, że duże i
liczące się koncerny
chemiczne prowadzą
intensywne badania nad
syntezą nowych,
bezpieczniejszych związków,
w tym pochodzenia
naturalnego.

Jedną z takich grup są

syntetyczne pyretroidy.

WYKŁAD 1

22

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Jednak ze względu na wady:

toksyczne działanie na stawonogi, pszczoły

i ryby oraz zwierzęta stałocieplne;

szybkie indukowanie odporności wśród

wielu roślinożerców)

wiele krajów podjęło działania ograniczające
ich stosowanie.

WYKŁAD 1

23

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Znacznie bezpieczniejszą grupę związków
nowej generacji stanowią

inhibitory syntezy

chityny,

zakłócające proces przeobrażania

stadiów larwalnych owadów.

W ostatnich latach pojawiły się

związki z

grupy tzw. MAC’s

. Są to związki

uniemożliwiające prawidłowe zmiany wahań
w poziomie hormonu linienia, co udaremnia
proces przechodzenia z jednego stadium
larwalnego w drugie.

WYKŁAD 1

24

4

Metody ochrony roślin w programie

IPM

Przewiduje się, że duże
możliwości wykorzystania
mają także substancje
pochodzenia roślinnego,
ale o innych
właściwościach niż
pyretroidy.

Przykładem jest np.

azadirachtyna

wykazująca

działanie w stosunku do
gąsienic wielu gatunków
motyli, uznanych za
szkodniki roślin uprawnych
lub magazynów.

WYKŁAD 2

25

Przedmiot biotechnologii i
definicje podstawowych
pojęć

WYKŁAD 2

26

Biotechnologia

jest interdyscyplinarną
dziedziną nauki, obejmującą
różne kierunki technicznego
wykorzystania materiałów i
procesów biologicznych.

Obejmuje ona procesy
biosyntezy i biotransformacji
przebiegające przy udziale
drobnoustrojów, kultur
komórkowych – roślinnych i
zwierzęcych – in vitro oraz
enzymów, a także izolację tak
otrzymanych bioproduktów.

WYKŁAD 2

27

Naukowe podstawy oraz zakres zastosowań

biotechnologii

BIOTECHNOLOGIA

ekologia

mikrobiologia

biologia
komórki

genetyka

biochemia

biologia
molekularna

chemia

inżynieria

informatyk
a

matematyka

fizyk
a

ekonomia

ochrona
zdrowia

ochrona
środowisk
a

rolnictw
o

przemysł
spożywczy

przemysł
chemicznysurowce

nośniki
energii

analityka

inne
zastosowania

WYKŁAD 2

28

Biotechnologie tradycyjne,

przebiegające z użyciem
naturalnych enzymów lub
drobnoustrojów i komórek
organizmów wyższych nie
zawierających obcego
materiału genetycznego

Biotechnologie nowoczesne

,

w których stosowane są
szczepy drobnoustrojów lub
linie komórkowe,
skonstruowane metodami
inżynierii genetycznej,
względnie enzymy
modyfikowane technikami
inżynierii białka.

WYKŁAD 2

29

Technologia mikrobiologiczna

– procesy

uwarunkowane działalnością
drobnoustrojów, wyróżniają się
ogromnymi możliwościami w zakresie
praktycznego wykorzystania zdolności
poszczególnych mikroorganizmów do
wywoływania różnorodnych przemian
chemicznych.

Jest to dział biotechnologii obejmujący
procesy mikrobiologicznej biosyntezy i
biotransformacji, który powstał na
gruncie technologii fermentacji i
mikrobiologii przemysłowej.

WYKŁAD 2

30

Fermentacja

– termin

pochodzi od łacińskich słów:
fervere, fermentatio co
oznacza burzenie się.

Pierwotnie używano go do
określenia wizualnych
efektów towarzyszących
procesom zachodzącym w
sokach, zacierach zbożowych
na skutek wydzielania się
pęcherzyków CO

2

podczas

przemiany cukrów.

Wg Pasteura fermentacja to
„życie bez tlenu”.

WYKŁAD 2

31

W mikrobiologii technicznej i praktyce
przemysłowej termin „fermentacja” określa
różne procesy mikrobiologiczne, w których
związki organiczne podlegają przemianom
chemicznym w wyniku aktywności
metabolicznej drobnoustrojów.

WYKŁAD 2

32

Pojęciem fermentacji zostały objęte zarówno
procesy beztlenowe np. fermentacja etanolowa
czy mleczanowa, jak i tlenowe np. fermentacja
cytrynianowa czy octanowa, procesy
biosyntezy (np. fermentacja penicylinowa) jak
również biotransformacji (np. przekształcenia
związków steroidowych).

Technologia fermentacji jest synonimem
technologii mikrobiologicznej.

WYKŁAD 2

33

Technologia enzymów

– enzymy znalazły
zastosowanie w
przemyśle
spożywczym,
chemicznym,
farmaceutycznym i
włókienniczym, w
lecznictwie, analityce i
gospodarstwie
domowym.

WYKŁAD 2

34

Zostały opracowane techniki
unieruchamiania (immobilizacji)
biokatalizatorów, co nadaje im większą
stabilność, pozwala na wielokrotne użycie
oraz opracowanie enzymowych procesów
ciągłych.

Opracowano także metody immobilizacji
całych komórek oraz procesy technologiczne
z ich użyciem. Dzięki temu powstał nowy
dział biotechnologii – technologia
biokatalizatorów unieruchomionych.

WYKŁAD 2

35

Inżynieria bioprocesowa

– wcześniej używano

terminów „inżynieria biochemiczna”,
„inżynieria fermentacji”, „inżynieria
mikrobiologiczna.

Jest to element biotechnologii, który
warunkuje wykorzystanie osiągnięć biologów i
chemików przez przeniesienie „technologii
laboratoryjnej” do warunków fabrycznych.

Rozwój inżynierii bioprocesowej pozwolił na
praktyczne wykorzystanie nowych koncepcji w
biologii – technika hodowli in vitro.

WYKŁAD 2

36

Inżynieria genetyczna

(technologia genowa) –

określa nowoczesne metody biologii
molekularnej i genetyki, które umożliwiają
manipulacje genetyczne poza komórką, czyli
rekombinowanie DNA in vitro (np. konstruowanie
nowych genotypów, które nie występują w
naturze).

WYKŁAD 2

37

Praktyczne wykorzystanie inżynierii
genetycznej to biotechnologia środków
leczniczych (hormony, białka odpornościowe,
szczepionki nowych generacji). Możliwa jest
biosynteza metabolitów, których
otrzymywanie przy użyciu drobnoustrojów
było dotychczas niemożliwe.

Duże usługi oddaje inżynieria genetyczna w
badaniach molekularnych w zakresie
immunologii i onkologii.

WYKŁAD 2

38

Inżynieria cytogenetyczna

– inżynieria

genetyczna na poziomie komórkowym.

Praktyczne wykorzystanie w biotechniologii
to np. fuzja protoplastów, jako metoda
doskonalenia właściwości biosyntetycznych
szczepów i linii komórkowych, metody fuzji
komórek zwierzęcych (np. fuzja
nowotworowych komórek szpiczaka –
technologia wytwarzania przeciwciał
monoklonalnych)

WYKŁAD 2

39

Inżynieria białka

– metody chemiczne lub

biologiczne dążące do otrzymania enzymów
w postaci zmodyfikowanej, półsyntetycznej
lub zmutowanej w stosunku do enzymów
naturalnych.

WYKŁAD 2

40

Modyfikacja enzymów w celu zmiany ich
charakterystyki funkcjonalnej, np.
specyficzności substratowej , stabilności,
optymalnych warunków działania, wymaga
rozwoju badań nad zależnością pomiędzy ich
strukturą a funkcją.

Pomocna staje się komputerowa analiza
struktury chemicznej enzymu i substratu,
która umożliwia zaprojektowanie optymalnej
budowy chemicznej enzymu.

Dzięki inżynierii białka możliwe jest
wzbogacanie białek drobnoustrojowych i
roślinnych w aminokwasy egzogenne, które
występują w zbyt małych ilościach.

WYKŁAD 3

41

Rys historyczny biotechnologii

WYKŁAD 3

42

Termin „biotechnologia" wprowadzony

został niedawno.

Dziedzina ta reprezentuje jeden z

najstarszych kierunków gospodarczej
działalności człowieka.

W jej historycznym rozwoju można

wyróżnić trzy zasadnicze okresy.

WYKŁAD 3

43

Okresy rozwoju

biotechnologii

1.Okres przedpasteurowski

(od zarania ludzkości do połowy

XIX w.) — era spontanicznych
procesów fermentacyjnych
wykorzystywanych do
otrzymywania ważnych
produktów żywnościowych:
chleba, wina, piwa,
produktów mlecznych,
przetworów roślinnych.

WYKŁAD 3

44

2.Okres przejściowy

(druga połowa XIX w. oraz

pierwsze czterdziestolecie XX w.).
Poznawanie w sposób naukowy biologicznej i
chemicznej natury bioprocesów —
zapoczątkowane
przez L. Pasteura — zaowocowało rozwojem
nowych koncepcji, nowych biotechnologii
nowych bioproduktów, a postęp techniczny
umożliwił tworzenie podstaw biotechnologii
wielkoprzemysłowej.

WYKŁAD 3

45

Etap ten można określić jako erę

mikrobiologicznych początków współczesnej
biotechnologii i opracowania produkcji
kwasu mlekowego i cytrynowego, acetonu i
butanolu, technologii otrzymywania drożdży.

W tym okresie zapoczątkowano stosowanie

czystych kultur drobnoustrojów oraz
prowadzenie bioprocesów w warunkach
aseptycznych

WYKŁAD 3

46

3.

Era nowoczesnej

biotechnologii

rozpoczęła

się pod koniec II wojny
światowej od opracowania
przemysłowej produkcji
penicyliny metodą tlenowej
hodowli wgłębnej
prowadzonej
w warunkach aseptycznych
w bioreaktorach o
pojemności kilkudziesięciu
m

2

.

WYKŁAD 3

47

3a. Podokres 1

(do roku

1970).

Dzięki integracji dyscyplin

biologicznych, chemicznych
i inżynieryjnych
opracowano nowe
technologie, m.in.
biosyntezy antybiotyków,
aminokwasów, enzymów i
biotransformacji steroidów
oraz wprowadzono pierwsze
technologie, w których
zastosowano
biokatalizatory
immobilizowane

WYKŁAD 3

48

3b. Podokres 2

(od roku 1970) — praktyczne

wykorzystanie genetyki i biologii
molekularnej w biotechnologii. Pod koniec
1969 r. narodziła się koncepcja manipulacji
genami poza
komórką.

Nastąpił rozwój metod rekombinacji DNA in

vitro i in vivo.

Opracowano szereg nowych biotechnologii,

m.in. mikrobiologiczną produkcję insuliny,
hormonów wzrostu, interferonów, białek
odpornościowych, oraz technologię
wytwarzania przeciwciał monoklonalnych.

WYKŁAD 3

49

Zakres zastosowań współczesnych

biotechnologii

I. Produkcja żywności

Przemysł spożywczy

1) tradycyjne procesy fermentacyjne —

produkcja pieczywa, fermentowanych
produktów mlecznych i roślinnych, drożdży,
napojów alkoholowych;

2) nowe technologie mikrobiologiczne

wytwarzania białka jednokomórkowców (SCP),
aminokwasów, witamin, nukleotydów, kwasów
organicznych, polisacharydów;

WYKŁAD 3

50

3) zastosowanie enzymów do wytwarzania

wyrobów mleczarskich, owocowo-
warzywnych, napojów fermentowanych,
przetworów skrobiowych;

4) utrwalanie żywności: oksydaza

glukozowa (antyutleniacz), nizyna;

WYKŁAD 3

51

Rolnictwo (produkcja roślinna i zwierzęca)

1) produkcja pasz: preparaty białkowe,

witaminowe, aminokwasowe,
antybiotyczne, stymulatory wzrostu,
kiszonki roślinne;

2) nowoczesne techniki hodowli tkanek i

komórek in vitro oraz metody inżynierii
genetycznej;

3) ochrona roślin: antybiotyki,

bioinsektycydy, biopestycydy,

4) lecznictwo zwierząt: antybiotyki,

szczepionki.

WYKŁAD 3

52

II. Ochrona zdrowia

1) namnażanie drobnoustrojów oraz hodowla

komórek zwierzęcych in vitro w celu
wytworzenia szczepionek i przeciwciał;

2) mikrobiologiczna biosynteza naturalnych

metabolitów drobnoustrojowych:
antybiotyków, aminokwasów, kwasów
organicznych, witamin, enzymów,
inhibitorów enzymów, dekstranu,
alkaloidów;

WYKŁAD 3

53

3) mikrobiologiczna biosynteza hormonów

peptydowych, antygenów oraz innych
produktów przy użyciu szczepów
konstruowanych metodami inżynierii
genetycznej, zawierających obcą
informację genetyczną;

4) zastosowanie procesów biotransformacji

mikrobiologicznej i enzymatycznej w
produkcji leków steroidowych,
aminokwasów, antybiotyków, witaminy C,
glukonianu wapnia, efedryny;

5) wytwarzanie przeciwciał

monoklonalnych, m.in. do celów
diagnostycznych (testy immunologiczne).

WYKŁAD 3

54

III. Przemysł chemiczny i inne przemysły

1) wytwarzanie surowców:

 alkohole: etanol, butanol, izopropanol,

glikol etylenowy, glikol propylenowy,
glicerol;

 kwasy: octowy, cytrynowy, adypinowy,

itakonowy, akrylowy;

 polimery: dekstran, ksantan, pululan,

kwas poli--hydroksymasłowy

WYKŁAD 3

55

2) nośniki energii — paliwa: etanol, metan,

potencjalnie wodór;

3) biotechnologiczna obróbka surowców

naturalnych: roszenie roślin
włókienniczych, hydroliza skrobi w trakcie
wytwarzania tkanin, odwłasianie i
wytrawianie skór, fermentacja tytoniu;

4) biohydrometalurgia: ługowanie rud,

biozatężanie, odzyskiwanie metali;

5) bioelektronika: bioczipy.

WYKŁAD 3

56

IV. Ochrona środowiska

1) oczyszczanie ścieków:

złoża zraszane, filtry
biologiczne, osad
czynny;

2) bioutylizacja

odpadów:
namnażanie biomasy,
procesy biosyntezy
mikrobiologicznej,
produkcja biogazu.

WYKŁAD 3

57

V. Analiza

l) zastosowanie enzymów

rozpuszczalnych, np. oksydazy
glukozowej (łącznie z katalazą lub
peroksydazą) lub dehydrogenazy
glukozo-6-fosforanowej (w połączeniu z
heksokinazą);

2) czujniki enzymowe i komórkowe:

oksydaza glukozowa + elektroda
tlenowa, ureaza + elektroda PH;

3) analiza genomów: analiza restrykcyjna,

sekwencjonowanie, sondy molekularne.

WYKŁAD 3

58

Główne atuty biotechnologii:

1) przetwarzanie surowców odnawialnych i

bioproduktów

2) duża różnorodność bioprocesów i

bioproduktów,

3) selektywne otrzymywanie enancjomerów

biologicznie czynnych,

WYKŁAD 3

59

Główne atuty biotechnologii:

4) łagodne warunki przebiegu bioprocesów,

5) mała ich energochłonność,

6) duży stopień bezpieczeństwa

bioprocesów,

7) mniej groźne niż w technologiach

chemicznych oraz łatwiejsze do
zneutralizowania zanieczyszczenie
środowiska.

WYKŁAD 3

60

Najważniejsze zadania

biotechnologii:

1) opracowywanie produkcji nowych leków i

preparatów do ochrony zdrowia ludzi i

zwierząt,

2) rozwiązywanie problemów

żywieniowych,

3) udział w kompleksowym rozwiązywaniu

problemów ochrony środowiska,

4) upowszechnianie procesów biokatalizy

w przemyśle chemicznym oraz w

przetwórstwie surowców naturalnych,

5) udział w rozwiązywaniu problemów

energetycznych.

WYKŁAD 3

61

Głównymi surowcami

w procesach

biotechnologicznych są węglowodany —
skrobia i sacharoza oraz produkty
uboczne przetwórstwa rolno-
spożywczego, np. melasa. Skrobia i
sacharoza, najłatwiej przez
drobnoustroje przyswajane
węglowodany, stanowią jednak zaledwie
ok. 1% biomasy roślinnej. W przyszłości
będzie prawdopodobnie można
wykorzystywać celulozę (40% biomasy
roślinnej), ligniny i hemicelulozę

WYKŁAD 3

62

obszar
nauki

PROCES BIOTECHNOLOGICZNY

Relacje pomiędzy nauką i technologią:
strzałkami ciągłymi zaznaczono dużą, a przerywanymi małą pętlę naukowo-
technologiczną

badania
podstawow
e

wiedza
(publikacj

e)

badania
aplikacyjn
e

obszar
technologii

nowe
problem
y

wdrożenia
(produkcja

)

uspra-
wnienia

nowe
technologi

e

WYKŁAD 3

63

PROCES BIOTECHNOLOGICZNY

Program opracowywania procesu

biotechnologicznego obejmuje:

1)fazę wstępną, czyli analizę

zapotrzebowania społecznego na
określone produkty oraz analizę
możliwości biotechnologicznego ich
pozyskiwania;

2) fazę badawczą, mającą na celu

opracowanie technologii, kończącą się
rachunkiem ekonomicznym i podjęciem
decyzji inwestycyjnych;

3) fazę wdrożenia, czyli projektowanie oraz

budowę linii technologicznej i
uruchomienie produkcji.

WYKŁAD 3

64

Etapy opracowywania procesu

biosyntezy:

1) Pozyskiwanie odpowiednich

drobnoustrojów (skrining) -

poszukiwanie właściwych drobnoustrojów

prowadzących określony bioproces lub
wytwarzających określony bioprodukt.
Pierwszym źródłem drobnoustrojów jest
ich naturalne środowisko: gleba, części
roślin, woda, otoczenie określonych
zakładów przemysłowych.

Wykład 3 slajd 24

WYKŁAD 3

65

Etapy opracowywania procesu

biosyntezy:

1) Pozyskiwanie odpowiednich

drobnoustrojów (skrining) -

Powodzenie skriningu zależy od umiejętności

wyboru właściwych nisz ekologicznych
oraz zastosowania właściwych metod
namnażania i selekcji drobnoustrojów.
Mikrobiolog ma obecnie do dyspozycji
szereg metod i testów pozwalających na
wyselekcjonowanie pożądanego
drobnoustroju.

WYKŁAD 3

66

Etapy opracowywania procesu

biosyntezy:

2)Wstępne ustalenie warunków ich hodowli

na etapie skriningu określane są wstępne

warunki hodowli drobnoustrojów przez
dobór podłoży, temperatury, natlenienia.
Badania te są następnie kontynuowane w
celu stworzenia warunków zapewniających
wyselekcjonowanym szczepom
maksymalną ekspresję fenotypową
określonej cechy, np. produkcji enzymu.

WYKŁAD 3

67

Etapy opracowywania procesu

biosyntezy:

2)Wstępne ustalenie warunków ich hodowli

Należy dokonać również wyboru sposobu

prowadzenia bioprocesu: hodowla
powierzchniowa lub wgłębna, okresowa
lub ciągła, w zawiesinie lub na nośniku, z
użyciem całych komórek lub izolowanych
enzymów. Na tym etapie rozpoczyna się
zazwyczaj opracowywanie warunków
wyodrębnienia i oczyszczania
bioproduktów.

WYKŁAD 3

68

Etapy opracowywania procesu

biosyntezy:

3) Doskonalenie cech produkcyjnych

szczepów

Podstawową metodą jest mutagenizacja.

Wynikiem ulepszania szczepów jest
produkcja określonych metabolitów w
ilości przewyższającej potrzeby własne
drobnoustrojów od kilkuset (aminokwasy)
do kilkudziesięciu tysięcy razy (witaminy).
Można konstruować szczepy, które zdolne
są do syntezy bioproduktów, jakich
drobnoustroje macierzyste nigdy nie
produkowały

.

WYKŁAD 3

69

Etapy opracowywania procesu

biosyntezy:

4) Optymalizacja bioprocesu

Każdy wysokowydajny szczep ma

określony potencjał metaboliczny w
zakresie biosyntezy, biodegradacji lub
biotransformacji, uwarunkowany
genotypowo. Jednakże maksymalne
wykorzystanie tego potencjału wymaga
doboru optymalnych warunków
prowadzenia bioprocesu. Są one
ustalane w etapie projektowania
technologii laboratoryjnej.

WYKŁAD 3

70

Etapy opracowywania procesu

biosyntezy:

4) Optymalizacja bioprocesu

Na etapie optymalizacji procesu w

laboratorium ustalany jest skład
podłoża, warunki jego mieszania i
napowietrzenia oraz szereg dalszych
parametrów procesowych. Ważnym
zagadnieniem jest też ustalenie
kinetyki bioprocesu. Coraz częściej
etap optymalizacji i następujące po
nim etapy opracowywane są przy
użyciu techniki komputerowej.

WYKŁAD 3

71

Etapy opracowywania procesu

biosyntezy:

5) Powiększenie jego skali

Przejście od warunków laboratoryjnych

do technologii przemysłowej
bioprocesu stanowi z inżynieryjnego
punktu widzenia etap najtrudniejszy.

Powiększenie skali procesu od

objętości kilku lub kilkunastu litrów
hodowli do kilkudziesięciu lub
kilkuset metrów sześciennych
wymaga stosowania instalacji
pilotażowych i stopniowego
zwiększenia pojemności
bioreaktorów.

WYKŁAD 3

72

Etapy opracowywania procesu

biosyntezy:

6)

Uruchomienie produkcji

Stwarza wiele problemów natury technicznej, jak

i biologicznej. Znaczne trudności może sprawić
dotrzymanie optymalnych parametrów
procesu, np. natlenienie środowiska,
odprowadzenie wydzielającego się ciepła,
zmienność morfologiczno-fizjologiczna szczepu
produkcyjnego, utrzymanie czystości
mikrobiologicznej procesu.

Przez cały czas trwania produkcji prowadzi się

nadal ulepszanie szczepów, optymalizację i
ekonomizację podłoża oraz usprawnianie
sposobu prowadzenia procesu.

WYKŁAD 3

73

Trzy warunki powodzenia w zakresie

opracowywania i usprawniania
biotechnologii:

1) stały wzrost udziału nauki w rozwiązywaniu

problemów technologicznych oraz
zastosowanie nowoczesnych metod
badawczych i analitycznych;

2) postęp w zakresie budowy aparatury i

urządzeń biotechnologicznych;

3) właściwa organizacja badań, polegająca na

wyborze problemów, powoływaniu zespołów
składających się ze specjalistów różnych
dyscyplin naukowych oraz koordynacji ich
współpracy podczas rozwiązywania
problemów technologicznych

WYKŁAD 3

74

BEZPIECZEŃSTWO W BIOTECHNOLOGII

Zagadnienia bezpieczeństwa w biotechnologii
są przedmiotem dyskusji w wielu krajach oraz
na forum Światowej Organizacji Zdrowia, w
Europejskiej Wspólnocie Gospodarczej oraz w
Europejskiej Federacji Biotechnologicznej.

WYKŁAD 3

75

BEZPIECZEŃSTWO W BIOTECHNOLOGII

Problemy:

 analiza patogeniczności drobnoustrojów
opornych na antybiotyki w wyniku ich
powszedniego stosowania

 zagrożenie, które wynika z otrzymania i
stosowania organizmów konstruowanych
metodami inżynierii genetycznej

możliwości ich przenikania do otoczenia.

WYKŁAD 3

76

BEZPIECZEŃSTWO W BIOTECHNOLOGII

Wśród drobnoustrojów stosowanych w
biotechnologii przeważają gatunki całkowicie
bezpieczne.
W biotechnologii stosowane są jednak również
drobnoustroje chorobotwórcze (konieczne w
produkcji wielu szczepionek bakteryjnych i
wirusowych).
Istnieją ścisłe przepisy pracy z
drobnoustrojami procesowymi i tworzone są
bardzo precyzyjne mechanizmy kontroli
warunków technicznych bezpiecznego
namnażania drobnoustrojów patogennych.

WYKŁAD 3

77

BEZPIECZEŃSTWO W BIOTECHNOLOGII

W porównaniu z biotechnologią znacznie
większe zagrożenie stwarzają tradycyjne
metody rolnicze w produkcji żywności i pasz,
gdzie w warunkach ograniczonej kontroli
możliwe jest, i w istocie często występuje,
skażenie surowca, materiału w fazie produkcji
lub produktu w fazie przechowywania
drobnoustrojami chorobotwórczymi i
wytwarzanymi przez nie toksynami.

WYKŁAD 3

78

BEZPIECZEŃSTWO W
BIOTECHNOLOGII

Biotechnologia traktowana kompleksowo,
rozwijana racjonalnie i w sposób
kontrolowany, należy obecnie do
technologii bezpiecznych. Winna ponadto
przyczynić się do zmniejszenia zagrożeń,
jakie dla człowieka i środowiska stwarzają
inne technologie, zwłaszcza chemiczne.

Odrębnym zagadnieniem, budzącym duży
niepokój, jest potencjalne
niebezpieczeństwo związane z rozwojem
inżynierii genetycznej i biotechnologii z
użyciem organizmów modyfikowanych
genetycznie.