Definicja terminu biotechnologia to zintegrowane zastosowanie wiedzy, nauki i techniki w dziedzinach biochemii, mikrobiologii i nauk inżynieryjnych w celu wykorzystania zdolności drobnoustrojów, kultur tkankowych i ich części. Jest to interdyscyplina dziedzin naukowych, rozwijająca się szybko i wielokierunkowo. Zgodnie z definicją Europejskiej Federacji Biotechnologii jest to integrowane zastosowanie biochemii, mikrobiologii i inżynierii procesowej w celu technicznego wykorzystania zdolności drobnoustrojów, kultur tkankowych oraz ich części. Natomiast Międzynarodowa Unia Chemii Stosowanej określa biotechnologię jako zastosowanie biochemii, biologii, mikrobiologii i inżynierii chemicznej w procesach przemysłowych i ochronie środowiska Wymienić drobnoustroje o znaczeniu przemysłowym i scharakteryzować wybraną ich grupęZastosowanie mikroorganizmów w procesach biotechnologicznych może mieć różne cele. W związku z tym można wyodrębnić następujące grupy technologii :a)Wytwarzanie biomasy mikroorganizmów :- produkcja drożdży piekarniczych i paszowych; kultur stosowanych do przetwórstwa mleka oraz wytwarzanie szczepionek przeciwko chorobom zakaźnym. b)Wytwarzanie produktów metabolizmu drobnoustrojów :- produkcja antybiotyków, etamolu, witamin, kwasów organicznych c)Zużywanie substratu :- w tej grupie procesów podstawowym celem jest utylizacja substratu zaś wytworzenie biomasy i innych produktów metabolizmu stanowi efekt uboczny. Do tej grupy należą technologie oczyszczania ścieków. W tych technologiach używane są bakterie (heterotroficzne oraz autotroficzne bakterie nitryfikacyjne), grzyby, wirusy w ograniczonym zakresie. d)Kompostowanie 1 etap - najsilniej rozwijają się bakterie mezofile. Mikroorganizmy te przeprowadzają biodegradację (penicillum, Fusarium, Rhizopus, drożdże i drożdżaki) . Jest to najkrótszy etap. 2 etap - stała wysoka temp. W tym okresie dominują bakterie termofilne, niektóre grzyby, które atakują związki org. Trudno rozkładające się (Streptomyces, Themoactinomyces, Micromonospora; grzyby: Botrytis, Trichoderma, Aspergillus SATAN). 3 etap - dominują bakterie mezofile, głównie bakterie celulolityczne, nitryfikacyjne, promieniowce, niektóre grzyby, Co to są autotrofyorganizmy samożywne. Należą do nich niektóre bakterie, sinice i rośliny. Ze względu na rodzaj energii wykorzystywanej do tego procesu wyróżniamy fotoautotrofy (korzystają z energii słonecznej) i chemoautotrofy (korzystają z energii z utleniania substancji nieorganicznych gleby)Co to są heterotrofyorganizmy cudzożywne, dla których źródłem węgla, energii i elektronów są organiczne związki chemiczne. Do tej grupy należy większość bakterii i grzybów, zwierzęta, ludzie.Podstawowe typy oddychania mikroorganizmówa)oddychanie tlenowe podstawowym substratem oddechowym i źródłem energii jest cukier prosty - glukoza (C6H12O6). b)oddychanie beztlenowe produktami oddychania beztlenowego są -w zależności od substratu: triozy, kwasy organiczne, alkohole, aminy oraz substancje gazowe : siarkowodór, metan, amoniak. - redukcja azotanów = denitryfikacja - w wyniku przekazywania wodoru z utlenionego substratu na azotany następuje ich redukcja do azotynów, amoniaku lub wolnego azotu. Bakterie de nitryfikujące : Thobacillus denitrificans, Pseudomonas fluorescens, Micrococcus denitrificans. Bakterie te należą do względnych beztlenowców i występują w dużych ilościach w wodach silnie zanieczyszczonych oraz osadach dennych.- redukcja siarczanów = desulfurikacja - donorami wodoru może być np.: alkohol etylowy, propylowy, aminokwasy, glukoza. Produktem końcowym jest siarkowodór - jest związkiem trującym dla organizmów zamieszkujących wody powierzchniowe. Jedynie dla bakterii siarkowych nie jest on trujący i stanowi źródło energii dla procesu chemosyntezy.-fermentacja np. fermentacja metanowa Podział drobnoustrojów według ich wymagań temperaturowychWyróżniamy mikroorganizmy :a)psychrofilne- rozmnażają się gdy temperatura wynosi 0-30 oC, a optymalna temperatura wzrostu wynosi 15-20oCb)mezofile-temperatura optymalna do wzrostu wynosi ok. 37oC, mogą namnażaćsięw temp 15-45oCc)termofilne- temp wzortu wynosi 40-80oC, a temp optymalna 55- 65oCPodać zakres zastosowań współczesnej biotechnologii a)medycyna-produkcja szczepionek-produkcja leków (antybiotyki, witaminy)-terapia genowa b)rolnictwo-tworzenie nowych gatunków-uodpornianie roznych gatunkow na choroby c)przemysl spożywczy-wyroby mleczarskie (ser, mleko)-produkcja pieczywa-produkcja napojów alkoholowych-wzbogacanie i utrwalanie żywnościd)ochrona środowiska-oczyszczanie ścieków-produkcja biogazu-neutralizacja odpadówe)inżynieria genetyczna-produkcja przeciwwirusowego interferonuf)analizag) Przemysł chemiczny i inne przemysły -wytwarzanie surowców-nośniki energii-bioelektronika Zastosowanie biotechnologii w ochronie środowiska Metody biotechnologiczne polegają na zapobieganiu i/lub ograniczaniu ilości wprowadzonych zanieczyszczeń do wód gruntowych i atmosfery oraz na działaniach sprzyjających odnowie zdegradowanych elementów środowiska. Eliminacja zanieczyszczeń z odpadów gazowych, płynnych i stałych zachodzi z udziałem mikroorganizmów, które wykorzystuja je jako substraty pokarmowe. Dużą efektywnośc metod biotechnologicznych uzyskuje się poprzez zapewnienie drobnoustrojom optymalnych warunków rozwoju, co wiąże się z doborem parametrów technicznych. W środowisku metod tych wyróżnia się a)biotechnologię ścieków-eliminacja związków azotu i fosforu-usuwanie biologiczne trudno rozkładalnych substancji-optymalizacja bioreaktorów do oczyszczania ścieków-fermentacja metanowa ścieków-biomembranowe oczyszczanie ścieków-immobilizacje mikroorganizmówb)przeróbka i unieszkodliwianie osadów ściekowych-zagęszczanie osadów-fermentacja metanowa osadów-tlenowa stabilizacja osadów ściekowych-końcowe unieszkodliwianie np. kompostowaniec)utylizacja odpadów-biogaz z wysypisk-kompostowanie-namnażanie biomasy z odpadówd)zastosowanie bioreperatorów i aktywnych szczepów w biodegradacjach toksycznych i trudno rozkładalnych zanieczyszczeń e)procesy bioremediacji (bioregeneracji) np. oczyszczanie metodami mikrobiologicznymi gleb i wód gruntowych zanieczyszczonych związkami popochodnimi f)biologiczne metody oczyszczania gazów odlotowych z zanieczyszczeń organicznych, nieorganicznych i odorów-biofiltry-płuczki biologiczneg)procesy biohydrometalurgiczne-odsiarczanie paliw (węgla i ropy naftowej)-ługowanie metali z popiołów i odpadów przemysłowych-ługowanie metali z osadów ściekowychWymienić rodzaje bioprocesów przemysłowych i scharakteryzować jeden z nich Biosynteza- to proces dokonywany przez żywą komórkę, wieloetapowy. To powstawanie prostych i złożonych związków organicznych zachodzące pod wpływem enzymów Biotransformacja- przebiega przy udziale enzymów, procesy przekształceń różnorodnych egzogennych związków chem. do strukturalnie podobnych produktów, które zazwyczaj nie wykazują funkcji metabolicznej i sa prowadzone przez drobnoustroje pozakomórkowe Biohydroliza- hydrolityczny rozkład substancji wielkocząsteczkowych przy udziale enzymów Fermentacje-W sensie dosłownym beztlenowy mikrobiologiczny rozkład substancji, bezazotowy proces przebiegając z wydzieleniem CO2. W sensie szerszym reakcje biochemiczne zachodzące pod wpływem enzymów wytwarzanych przez mikroorganizmy Bioługowanie-procesy ługowania minerałów głównie uranu i miedzi. Polega na ekstrakcji (wymywaniu) z trudnorozposzczalnych związków np. siarczków, w rezultacie dochodzi do przekształcenia ich przy udziale mikroorganizmów w związki rozpuszczalne np. siarczany Biodegradacja- biochemiczny rozkład wielkocząsteczkowych związków mikrobiol. na proste składniki chemiczne Co to jest aseptyka-sterylność to jałowość drobnoustrojowa, środowisko wolne od drobnoustrojów Co to jest inokulacja- zaszczepianie materiału wyjściowego częścią materiału końcowego Co to jest fermentacja Fermentacje W sensie dosłownym beztlenowy mikrobiologiczny rozkład substancji, bezazotowy proces przebiegając z wydzieleniem CO2W sensie szerszym reakcje biochemiczne zachodzące pod wpływem enzymów wytwarzanych przez mikroorganizmy.Do najważniejszych rodzajów fermentacji należą :fermentacja alkoholowa, fermentacja cytrynowa, fermentacja masłowa, Co to jest biodegradacja-biochemiczny rozkład wielkocząsteczkowych związków mikrobiologicznych na proste składniki chemiczneJakie czynniki mogą brać udział w procesach biotechnologicznycha)mikroorganizmy b)enzymy c)linie komórkowe roślinne lub zwierzecePodać przykłady procesów biotechnologicznych niewymagających aseptyki Procesy nie wymagające aseptyki to procesy z wykorzystaniem mieszania mikroflory czyli biologiczne, są to np.-oczyszczanie ścieków biologicznych-fermentacja metanowa-kompostowanie Kiedy w procesach biotechnologicznych niezbędne jest zachowanie aseptykiZachowanie sterylności jest konieczne tylko w procesach biotechnologicznych, w których stosowane są tylko czyste kultury mikroorganizmów. Obecność innych drobnoustrojów może spowodować niepożądane skutki:-obce szczepy mogą wypierać kulturę produkcyjna-mogą powodować zanieczyszczenia końcowego produktu przez produkty swojego metabolizmu-mogą prowadzić rozkład pożądanych produktów-infekcja fagami (wirusami bakteryjnymi), może doprowadzić do zniszczenia szczepu produkcyjnego.W niektórych procesach wystarcza pasteryzacja, w której giną tylko wegetatywne formy bakterii. Pasteryzacja stosowana jest w przemyśle spożywczym.Jaka jest podstawowa rola DNA w komórceDNA, czyli kwas dezoksyrybonukleinowy to nośnik informacji genetycznej w komórce. Występuje głównie w komórce, ale jest też w mitochondrium. Jądro komórkowe w czasie rozmnażania ulega podziałowi, informacja genetyczna również, dlatego ilość DNA przed podziałem musi zostać podwojona. Jest to proces replikacji.Co to jest gen podstawowa jednostka dziedziczenia, zlokalizowana w chromosomach, decydująca o przekazywaniu cech potomstwu. Gen jest odcinkiem łańcucha DNA zawierającym pewną liczbę nukleotydów, których sekwencja stanowi informację genetyczną, warunkującą syntezę określonych białek lub cząstek kwasu RNA, co w dalszej konsekwencji w toku skomplikowanych ciągów reakcji prowadzi do wykształcenia się określonej cechy organizmu.Geny występują też u bakterii nie posiadających chromosomów.
Co to są plazmidyPlazmidy zapewniają ekspresję zawartych w nich genów. Plazmid to cząsteczka dwuniciowego DNA mająca zdolność do samodzielnej replikacji. Plazmidy występują u organizmów bezjądrowych, tj. bakterii i sinic, a także u niektórych drożdży, w formie kolisto zamkniętych, zawierających geny kodujące cechy o znacznej często wartości przystosowawczej i wyznaczające płeć. W inżynierii genetycznej plazmidy wykorzystywane są jako tzw. wektory, umożliwiające wprowadzenie wyizolowanego odcinka DNA do chromosomu komórki biorcy.Co to jest i na czym polega mutacjaMutacja to nagłe, skokowe pojawienie się komórki zmienionej, zdolnej do przekazywania zmienionych cech swemu potomstwu. W populacji może pojawić się z małą częstością forma o dziedzicznie zmienionych cechach, a więc o nowym genotypie. Mutacje mogą powstawać samoistnie lub pod wpływem czynników mutagennych, czyli mogą być wywoływane przez człowieka - indukowane. Mutacja to po prostu pojawienie się mutanta. Mutacja może być dziedziczna lub niedziedziczna.Co to jest mutan-forma o zmienionym genotypie, organizm w którego cechach dziedzicznych nastąpiła mutacjaCo to jest mutagenkażdy z czynników wywołujących mutacje, czyli zmieniający materiał genetyczny. Wyróżniamy mutageny:a)Fizyczne- z promieniowania UV, promienie jonizujące (X i γ)b)Chemiczne.Co to jest inzynieria genetycznaIstotą inżynierii genetycznej jest celowe konstruowanie molekularnych systemów genetycznych, czyli zrekombinowanych cząstek DNA in vitro, a następnie wprowadzenie ich do żywego organizmu. Metoda ta umożliwia wprowadzenie do komórki całych serii nowych genów oraz usunięcie lub wymianę genów już istniejących. Organizmowi można w ten sposób nadać nowe właściwości, można zmienić jego fizjologię i dawki genów. Podstawowym obiektem inżynierii genetycznej jest gen czyli fragment DNA będący funkcjonalną jednostką dziedziczności, kodujący określone białko. Celem stosowanej inżynierii genetycznej jest tworzenie zrekombinowanych cząstek DNA które mogłyby nadać komórkom lub mikroorganizmom pożądane właściwości np. zdolność syntezowania substancji niezbędnych w medycynie. Podstawowe etapy inżynierii genetycznejW każdym schemacie procesu inżynierii genetycznej podstawowymi etapami są: otrzymanie fragmentów DNA, wyprodukowanie wektora i wprowadzenie DNA do komórki biorcy. OD chwili wprowadzenia zrekombinowanego DNA do komórki rozpoczyna się proces molekularnego klonowania- powstawania potomstwa zrekombinowanej cząsteczki DNA. Kluczowym etapem jest wprowadzenie do komórki informacji genetycznej i zapewnienie jej stabilności za pomocą wektorów. W normalnych warunkach DNA który trafi do komórki mikroorganizmu jest degradowany przez nukleazy wewnątrzkom.Cząsteczki DNA połączone z wektorem stają się zdolne do samodzielnego bytu w komórce biorcy jako minichromosomy. Najczęściej stosowanymi wektorami są plazmidy wielokopiowe, fag lambda i kosmidy.Podać przykłady wykorzystywania mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie Organizmy te znalazły zastosowanie w medycynie i przemyśle farmaceutycznym, w rolnictwie (uprawa roślin), w ochronie środowiska, inżynierii bioprocesowej, w hodowli ziwrząt.Przykłady: insulina ludzka, ludzki hormon wzrostu, interferon α- bardzo ważny w infekcjach wirusowych, antytrombina III,ludzka hemoglobina, czynniki krzepnięcia krwi VIII i IX, albumina surowicy ludzkiejJakie jest znaczenie inżynierii genetycznej w biotechnologiia)intensyfikacja biosyntezy przez zwiększenie odporności organizmów na produkowane przez siebie substancje b)zwiększenie efektywności przyswajania azotu przez bakterie korzeniowe co znalazło zastosowanie jako nawożenie biologiczne, wzbogacające gleby w azotc)produkcja interferonu d)wprowadzanie odpowiednich genów eukariotycznych do mikroorganizmów i uzyskanie ich ekspresjie)produkcja insulinyf)zwiększenie ilości substratów nadających się do wykorzystania przez mikroorganizmy przemysłowe i mikroorganizmy oczyszczające środowisko naturalneCo to są biopreparaty są produktem biotechnologii środowiskowej. Są to mieszaniny wyselekcjonowanych żywych drobnoustrojów o wysokiej aktywności enzymatycznej zdolne do biodegradacji:-substancji organicznych pochodzenia naturalnego np. białka, celuloza, skrobia -specyficznych trudno rozkładalnych biologicznie substancji pochodzenia antropogenicznego np. detergentów Podstawowy skład biopreparatów, cel i zakres ich stosowaniaTypowy skłąd biopreparatu to: mieszanka różnych gatunków bakterii, pożywka mineralne, enzymy i nośniki. Biopreparaty produkowane są w postaci tabletek, proszku, emulsji i płynu. Niekiedy składają się z 2 oddzielnych komponentów tzw. Kapsułki z bakteriami i odpowiedniej pożywki. Wszystkie mikroorganizmy wchodzące w skład biopreparatów muszą należeć do pierwszej kategorii szkodliwości wdg. norm międzynarodowych. Kategoria ta obejmuje tylko mikroorganizmy saprofityczne niechorobotwórcze z którymi kontakt nie powoduje szkodliwych skutków zdrowotnych. Wszystkie biopreparaty krajowe i zagraniczne aby mogły być dopuszczone do obrotu w Polsce muszą być bezpieczne dla życia i zdrowia ludzkiego, muszą mieć atest PZH.Podstawowe działanie biopreparatu polega na zapoczątkowaniu biologicznego rozkładu zanieczyszczeń przez wprowadzenie tzw zaszczepki zawierającej specyficzną mikroflorę przystosowaną do pracy w danych warunkach środowiskowych. Biopreparaty znalazły szerokie zastosowanie:a)wspomaganie oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych-oczyszczalnie komunalne,-szamba przydomowe i osiedlowe,-doły gnilne, latryny, ubikacje wolnostojące,-laguny, stawy oczyszczające b)wspomaganie oczyszczania ścieków -pochodzących z przemysłu,-rolno-spożywczych,-pochodzących z przemysłu mięsnego-pochodzących z przemysłu papierniczego c)unieszkodliwienie odpadów stałych -produkcyjnych-osadów ściekowych d)likwidacja skażeń środowiskowych substancjami ropopochodnymi i związkami ochrony roślin-grunty-wody gruntowe e)przywrócenie czystości środowiska wodnego-stawy-sadzawki Co oznacza określenie „wspomagania biologiczne” Wspomaganie biologiczne to termin używany do określenia techniki zwiększania wydajności biologicznej, systemu oczyszczania poprzez zaprogramowany dodatek odpowiednich szczepów bakteryjnych biopreparatów Przykład praktycznego zastosowania biopreparatów do oczyszczania ścieków Biopreparaty stosuje się mdz.in do oczyszczania ścieków a)wspomagają oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych w -oczyszczalniach komunalnych-szambach przydomowych i osiedlowych-dołach gnilnych, latrynach, ubikacjach wolnostojących-lagunach, stawach oczyszczających b)wspomagają oczyszczania ścieków pochodzących z przemysłu, rolno-spożywczego, przemysłu mięsnego, pochodzących z przemysłu papierniczego
Wzrost mikroorganizmów w hodowli okresowej i w hodowli ciągłej Hodowle drobnoustrojów dzielimy na: a)hodowle okresowe- w tych hodowlach drobnoustroje namnażają się w systemie zamkniętym czyli w określonej objętości podłoża do momentu całkowitego wyczerpania składników odżywczych czyli też takiego nagromadzenia produktów własnej przemiany materii który nie pozwoli im na dalszy rozwój w trakcie trwania takiej hodowli. Biomasa i metabolity za wyjątkiem produktów gazowych nie są usuwane ze środowiska b)hodowle ciągłe hodowla drobnoustrojów w pożywce płynnej w odpowiednio skonstruowanym aparacie, który wymienia zużyte porcje pożywki zastępując je swieżymi i utrzymuje stałe warunki srodowiska (temperatura, skład atmosfery,pH). Umożliwia to hodowanym drobnoustrojom ciągły wzrost bez przechodzenia kolejnych faz, jak to ma miejsce w normalnej hodowli.Od jakich czynników zależy tempo wzrostu drobnoustrojów Wzrost drobnoustrojów w mikrobiologii jest rozumiany jako:a)przyrost biomasy i objętości organizmu jednokomórkowca lub wielokomórkowca w wyniku biosyntezy substancji komórkowej b)rozwój populacji Tempo wzrostu drobnoustrojów zależy od: a)rodzaju i gatunków drobnoustrojów b)składu podłoża-rodzaju i stężenia składników odżywczych, zawartości szkodliwych produktów przemiany materii c)warunków fizycznych i chemicznych środowiska wzrostu-temperatury-pH-uwodnienia środowiska-ciśnienia osmotycznego-natlenienia -potencjału oksydoredukcyjnego Wzrost populacji, właściwa szybkość wzrostu, nieograniczony i ograniczony wzrost drobnoustrojów Właściwa szybkość wzrostu- określana jako specyficzna szybkość wzrostu, czyli przyrost stężenia biomasy do całkowitego stężenia biomasy (x) przypadającego na jednostkę czasu w którym ten przyrost nastąpił μ=(1/x )*(dx/dt) [h-], x- zawartośc mikroorganizmów, t- czas.W odniesieniu do populacji jednokomórkowców właściwa szybkość wzrostu może być wyrażona jako przyrost liczby komórek w stosunku do całkowitej liczby komórek (N) przypadający na jednostkę czasu w której ten przyrost nastąpił μ=(1/N)*(dN/dt) [h-]Nieograniczony wzrost drobnoustrojów- liczba drobnoustrojów może być wyrażona jako liczba komórek (N) lub jako stężenie biomasy (x), stąd szybkość wzrostu populacji określają zależności: dN/dT=μmax*N lub dx/dt=μmax*x, gdzie μmax- współczynnik proporcjonalności. Po uporządkowaniu i scałkowaniu powyższych równań liczba komórek (N) lub stężenia biomasy (x) po czasie t będą wynosić : N=Noexp[μmax/t-to/] lub x=xoexp[μmax/t-to/]. Zatem nieograniczony wzrost drobnoustrojów przedstawiony w funkcji czasu N=f(t) lub x=f(t) ma charakter wykładniczy .Ograniczony wzrost drobnoustrojów- ograniczenie szybkości wzrostu drobnoustrojów może być spowodowane zbyt małym stężeniem składników podłoża lub zbyt wielkim lub też nagromadzeniem metabolitów. Zmniejszenie stężenia każdego ze składników podłoża powoduje ograniczenie szybkości wzrostu zgodnie z równaniem Monoda które jest analogiczne do równania Michelisa Menten Równanie Monoda μ=μmax*(s/s+ks), gdzie s-stężenie substratu, ks-stała nasycenia równania stężenia substratu przy którym μ=0,5μmax. Czynnikiem hamującym wzrost mikroorganizmów mogą być toksyczne produkty ich metabolizmu. Kinetykę tego zjawiska przedstawia równanie μ=μmax*(kp/kp+p) Gdzie p-stężenie substratu, kp-stałą hamowania równania stężenia produktu przy którym μ=0,5μmaxWzrost populacji- w biotechnologii wzrost drobnoustrojów opisywany jest pojęciem wzrostu populacji po czasie Δt, może być mierzony przyrostem biomasy Δx=x-xo, gdzie x-końcowe stężenie biomasy, xo-początkowe stężenie biomasy [g/dm3]. W przypadku organizmów jednokomórkowych (bakterie, drożdze) wzrost populacji może być również określany przyrostem liczby komórek ΔN=N-Np. czyli różnicą między końcową i początkową liczbą komórek w jednostce objętości hodowli