Podać definicję terminu biotechnologia.

Biotechnologia jest interdyscyplinarną dziedziną naukową, rozwija się szybko i wielokierunkowo. Jej tradycja sięga tysiącleci. Biotechnologia jest przyszłościowym kierunkiem wiedzy. Pojawiają się nowe możliwości zastosowania biotechnologii w medycynie, rolnictwie, ochronie środowiska i wielu innych dziedzinach naszego życia.

Swoje podstawy naukowe opiera na licznych dyscyplinach naukowych.

→ Zgodnie z definicją Europejskiej Federacji Biotechnologii:

Biotechnologia jest to zintegrowane zastosowanie biochemii, mikrobiologii i inżynierii procesowej w celu technicznego wykorzystania zdolności drobnoustrojów, kultur tkankowych oraz ich części.

→ Zgodnie z Międzynarodową Unią Chemii Czystej i Stosowanej:

Biotechnologia jako zastosowanie biochemii, biologii, mikrobiologii i inżynierii chemicznej w procesach przemysłowych i ochronie środowiska.

→ W ekspertyzie PAN (Polska Akademia Nauk) z 1984r.:

Biotechnologia jest to zintegrowane zastosowanie wiedzy i techniki w dziedzinie biochemii, mikrobiologii i nauk inżynieryjnych w celu technologicznego wykorzystania zdolności drobnoustrojów, kultur tkankowych lub części z nich.

Zastosowanie biotechnologii w ochronie środowiska.

Metody biotechnologiczne wykorzystywane w ochronie środowiska polegają na zapobieganiu i/lub ograniczeniu ilości wprowadzonych zanieczyszczeń do wód, gruntów czy atmosfery oraz na działaniu sprzyjających odnowie zdegradowanych elementów środowiska. Eliminacja zanieczyszczeń z odpadów gazowych, płynnych i stałych zachodzi z udziałem mikroorganizmów, które wykorzystują je jako substraty pokarmowe. Dużą efektywność metod biotechnologicznych uzyskuje się poprzez zapewnienie drobnoustrojom optymalnych warunków rozwoju, co wiąże się z doborem parametrów technicznych ukierunkowujących ich przemiany metaboliczne.

Wśród metod tych wyróżnia się:

1. Biotechnologia ścieków:

1. eliminacja związków azotu i fosforu

2. usuwanie biologiczne trudno rozkładalnych substancji

3. optymalizacja bioreaktorów do oczyszczania ścieków

4. fermentacja metanowa ścieków

5. biomembranowe oczyszczanie ścieków

6. immobilizacja mikroorganizmów

2. Przeróbka i unieszkodliwianie osadów ściekowych

1. zagęszczenie osadów

2. fermentacja metanowa osadów

3. tlenowa stabilizacja osadów ściekowych

4. końcowe unieszkodliwienie, np. kompostowanie lub rolnicze wykorzystanie

3. Utylizacja odpadów

1. biogaz z wysypisk

2. kompostowanie

3. namnażanie biomasy z odpadów

4. Zastosowanie biopreparatorów i aktywnych szczepów bakterii w biodegradacji toksycznych i trudno rozkładalnych zanieczyszczeń.

5. Procesy bioremediacji (bioregeneracji), np. oczyszczanie metodami mikrobiologicznymi gleb i wód gruntowych zanieczyszczonych związkami ropopochodnymi.

6. Biologiczne metody oczyszczania gazów odlotowych z zanieczyszczeń organicznych, nieorganicznych i odorów:

1. biofiltry

2. płuczki biologiczne

7. Procesy biohydrometalurgiczne

1. odsiarczanie paliw: węgla i ropy naftowej

2. ługowanie metali z popiołów i odpadów przemysłowych

3. ługowanie metali z osadów ściekowych

Co to jest inżynieria genetyczna?

Inżynieria genetyczna- technologia genowa. Mianem inżynierii genetycznej określa się świadome zabiegi umożliwiające manipulację genami, poza żywą komórka, czyli tzw. „in vitro”. W ten sposób można konstruować nowe genotypy, które nie występują w naturze. Istotą inżynierii genetycznej jest celowe konstruowanie zrekombinowanych cząsteczek DNA, a następnie wprowadzenie ich do żywego organizmu. Metoda ta umożliwia wprowadzenie do komórki całych serii nowych, w tym również biologicznie odległych genów oraz usunięcie lub wymianę genów już istniejących. W ten sposób można nadać organizmowi nowe zaplanowane właściwości genetyczne, a w konsekwencji nowe cechy fizjologiczne i biochemiczne. W ten sposób można uzyskać szczepy organizmów zdolne np. do syntetyzowania substancji niezbędnych w medycynie. ....? ludzkiej, hormonów ludzkich, białek krwi i innych substancji. Inżynieria genetyczna stwarza także możliwość pozyskiwania i zastosowania różnych aktywnych szczepów mikroorganizmów do biodegradowania niektórych toksycznych i trudno rozkładalnych zanieczyszczeń przemysłowych, takich jak: związki aromatyczne a szczególnie wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, ich pochodne, pestycydy i inne. Takie możliwości budzą wielkie nadzieje. Budzą także kontrowersje. Podchodzi się ostrożnie do stosowania takich szczepów w bioreaktorach otwartych.

Podać przykłady wykorzystania 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 ludzkiej

Jakie jest znaczenie inżynierii genetycznej w biotechnologii?

a)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 naturalne

co to są biopreparaty?

Biopreparaty są produktem biotechnologii środowiskowej. Są to mieszaniny wyselekcjonowanych żywych drobnoustrojów o wysokiej aktywności enzymatycznej zdolnych do biodegradacji:

1. Substancji organicznych pochodzenia naturalnego, takich jak białka, tłuszcze, celuloza, skrobia.

2. Specyficznych, trudno rozkładalnych biologicznie substratów pochodzenia antropogenicznego, np. fenoli, cyjanków, detergentów, pestycydów i wielu innych.

Podstawowy skład biopreparatów, cel i zakres stosowania biopreparatów w inżynierii środowiska.

Skład biopreparatów:

→ mieszanka różnych bakterii

→ pożywka mineralna

→ nośnik

→ ewentualne enzymy

Biopreparaty znalazły szerokie zastosowanie:

1. Wspomaganie oczyszczania ścieków bytowo- gospodarczych (szamba przydomowe i osiedlowe, oczyszczanie komunalne)

2. Wspomaganie oczyszczania ścieków pochodzących z przemysłu (ścieki z dużą zawartością tłuszczy, olejów, detergentów, itp.). Przemysł chemiczny, mięsny, papierniczy.

3. Unieszkodliwianie odpadów stałych (osady ściekowe, odpady z przetwórstwa owoców i warzyw)

4. Likwidacja skażeń środowiskowych substancjami ropopochodnymi i związkami ... ? roślin.

5. Przywrócenie czystości środowiska wodnego.

6. Oczyszczanie i udrażnianie kanalizacji.

7. Eliminacja i likwidacja źródła nieprzyjemnych zapachów.

8. Biooczyszczanie gazów odlotowych (odory jak amoniak, markeptan...?, siarkowodór).

Co oznacza określenie „wspomaganie biologiczne”?

Wspomaganie biologiczne to termin używany do określenia techniki zwiększania wydajności biologicznej, systemu oczyszczania poprzez zaprogramowany dodatek odpowiednich szczepów bakteryjnych biopreparatów

Podać zakres zastosowań współczesnej biotechnologii.

1. Produkcja żywności- przemysł spożywczy (fermentacja, enzymy)

• Tradycyjne procesy formacyjne

• Zastosowanie enzymów do wytwarzania wyrobów mleczarskich

• Tradycyjne procesy formacyjne

• Utrwalanie żywności

2. Rolnictwo

• Produkcja pasz

• Nowoczesne techniki hodowli tkanek komórek

• Ochrona roślin

• Lecznictwo zwierząt

3. Ochrona zdrowia (namnażanie drobnoustrojów, mikrobiologiczna biosynteza naturalnych metabolitów drobnoustrojów).

4. Przemysł chemiczny i inne przemysły (wytwarzanie surowców, nośniki energii, bioelektronika, biohydrometarulgia, bioelektryka).

5. Ochrona środowiska

• Oczyszczanie ścieków

• Biutylizacja odpadów

6. Analiza

• Zastosowanie enzymów rozpuszczalnych

• Czujniki enzymowe i komórkowe

• Analiza genomów

Wymienić drobnoustroje o znaczeniu przemysłowym i scharakteryzować wybraną ich grupę.

Zastosowanie mikroorganizmów w procesach biotechnologicznych może mieć różne cele. W związku z tym można wyodrębnić następujące grupy technologii :

1. 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 oszczyszczania 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.

Ze względu na stosunek tlenu drobnoustroje dzielimy na:

1. aeroby- tlenowce (bezwzględne tlenowce)

2. anaeroby - beztlenowce- przeprowadzają m.in. fermentacje metanową

3. względne anaeroby- względne beztlenowce (ich metabolizm jest zbliżony do beztlenowców np. bakterie denitryfikacyjne)

4. mikroaerofile (wymagają obecności wolnego tlenu w środowisku, ale w stężeniu mniejszym niż tlen w powietrzu atmosferyczny)

Podział drobnoustrojów według ich wymagań temperaturowych.

→ Psyhrofilne- temperatura od 0-30°C mogą się rozmnażać, temperatura od 15-20°C optymalny wzrost.

→ Mezofilne- optymalna temperatura około 37°C, temperatura od 15-45°C mogą się rozmnażać.

→ Termofilne- temperatura od 40-80°C mogą żyć (niektóre przy wyższych), optimum 55-65°C.

Techniki hodowli drobnoustrojów

1. Hodowle na podłożach płynnych

• Hodowle z hodowle z unieruchomionym materiałem biologicznym np. podłoża biologiczne (na materiale ziarnistym rozwija się materiał w postaci błony biologicznej)

• Hodowle wgłębne w postaci zawiesiny pojedynczych komórek lub ich skupisk, np. osad czynny

• Hodowle powierzchniowe, w których mikroorganizmy rosną w postaci kożucha na powierzchni pożywki

Hodowle na podłożach stałych

Na podłożach stałych hoduje się grzyby, np. na ziarnach zbóż, otrębach pszennych, odpadach celulozowych itp.

Ze względu na sposób prowadzenia procesu:

• Hodowle okresowe

• Hodowle ciągłe

• Hodowle okresowe z ciągłym dozowaniem pożywki

Hodowla okresowa- inokulum wprowadzone na pożywkę mikroorganizmy namnażają się w systemie zamkniętym, aż do momentu całkowitego wyczerpania składników odżywczych, względem takiego nagromadzenia się produktów własnej przemiany materii, która nie pozwoli na ich dalszy rozwój.

Wzrostu nie można opisać graficznie przedstawiając zalezność liczby komórek lub zależność stężenia biomasy od czasu trwania hodowli

Wyróżnia się kolejne fazy wzrostu:

• Faza adaptacji (faza zastoju)- komórki się nie dzielą

• Przyśpieszenie wzrostu (lag-faza)-rozpoczynają się intensywne podziały komórkowe

• Faza wzrostu logarytmicznego- najszybciej zmienia się liczba komórek, najwyższa aktywność biochemiczna młodych komórek, największa prędkośc wzrostu

• Faza stacjonarna- liczba komórek na stałym poziomie

• Faza zamierania

Hodowle zazwyczaj kończy się po zakończeniu wzrostu logarytmicznego w fazie stacjonarnej

Wady hodowli okresowych:

• Niska produkcyjność procesu

• Brak możliwości regulacji stężenia

Zalety:

• Łatwość utrzymania warunków jonowych

• Prostota prowadzenia procesu

• Odnawialność inokulum zapobiegająca degeneracji

Hodowla ciągła- prowadzona jest w bioreaktorze przepływowym, zasilanym pożywką. Równocześnie z bioreaktora odprowadzana jest taka sama ilość pożywki zawierającą biomasę i szkodliwe metabolity

Ilośc drobnoustrojów w czasie utrzymana jest mniej wiecęj na tym samym poziomie.

Bioreaktory przeznaczone do tej hodowli pracują na zasadzie turbidostatu, czyli na zasadzie stałego zmętniania pożywki lub stałego utrzymania gęstości optycznej bariery lub na zasadzie hemostatu, czyli stężenia otrzymanego substratu na stałym poziomie.

Hodowlę ciągła można przeprowadzić z recyklingu biomasy.

Zalety:

• Możliwość prowadzenia procesu przez dowolnie długi czas, w ustalonych, najkorzystniejszych warunkach

• Większa szybkość i wydajność procesów

• Możliwość max wykorzystania aparatury przez cały czas trwania procesu

Wady:

• Niejednorodność zawiesiny w bioreaktorze
  trudność w utrzymaniu jałowości i stabilności hodowli

Hodowle okresowe z ciągłym dozowaniem pożywki (zmienna objętość czynna bioreaktora)-wprowadzenie do hodowli świeżej pożywki pod koniec fazy wzrostu logarytmicznego lub po zakończeniu tej fazy.

Wzrost mikroorganizmów

Tempo wzrostu drobnoustrojów zależy od:

• Rodzaju i gatunku drobnoustrojów

• Składu podłoża- rodzaju składników odżywczych wcodzących w skład podłoża, ich stężenia, zawartości szkodliwych produktów przemiany materii

• Warunków fizycznych i chemicznych środowiska wzrostu:

1. temperatura

2. pH

3. uwodnienia środowiska

4. ciśnienia atmosferycznego

5. natlenienia

6. potencjał oksyredukcyjnego- wartość związana z obecnością tlenu

Podłoże powinno być izotermiczne w stosunku do drobnoustrojów.

Czas generacji- [g] czas zachodzący miedzy dwoma podziałami komórki, czas od podziału do podziału)

g =t/n

t- czas hodowli

n- liczba pokoleń

Wzrost mikroorganizmów: wzrost populacji, właściwa szybkość wzrostu, nieograniczony wzrost drobnoustrojów, ograniczony wzrost drobnoustrojów.

Wzrost populacji- wzrost drobnoustrojów. Wzrost populacji po czasie Δt może być mierzony przyrostem biomasy:

Δx= x-xo

x- końcowe stężenie biomasy [g/dm³]

xo - początkowe stężenie biomasy [g/dm³]

Parametr Δx zwany jest także plonem biomasy.

W przypadku organizmów jednokomórkowych (bakterie, drożdże) wzrost populacji może być również określany przyrostem liczby komórek ΔN= N-No wyrażony w liczbie komórek na jednostkę objętości.

Właściwa szybkość wzrostu- specyficzna szybkość wzrostu. Specyficzna szybkość wzrostu jest to przyrost stężenia biomasy do całkowitego stężenia biomasy (x) przypadająca na jednostkę czasu, w którym ten przyrost nastąpił.

μ= (1/x )(dx/dt) [hˉ]

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.

μ= (1/N )(dN/dt) [hˉ]

Nieograniczony wzrost drobnoustrojów- W warunkach swobodnego dostępu składników odżywczych i przy optymalnych parametrach hodowli (procesu) i przy braku szkodliwego działania produktów materii wzrost drobnoustrojów jest nieograniczony i może przebiegać ze stałą, maksymalna w tych warunkach szybkością.

Liczba drobnoustrojów może być wyrażona jako :

• liczba komórek N

• jako stężenie biomasy(X)

Stąd szybkość wzrostu populacji określają zależności:

dN/dT= μmax.*N lub dx/dt= μmax.*X

μmax. - współczynnik proporcjonalności

Po uporządkowaniu i scałkowaniu powyższych równań liczba komórek (N) lub stężenie biomasy (X) po czasie t będą wynosić :

N= No exp(μmax.(t-to )) lub X= Xo exp(μmax.(t-to ))

Zatem nieograniczony wzrost drobnoustrojów przedstawiony w funkcji czasu N=f(t) lub X=f(t) ma charakter wykładniczy.

Ograniczony wzrost drobnoustrojów- może być spowodowany zbyt małym lub nadmiernym stężeniem składników odżywczych podłoża czy też nagromadzeniem metabolitów. Zmniejszenie stężenia każdego ze składników podłoża powoduje zwykle postępujące obniżenie szybkości wzrostu zgodnie z równaniem Monoda, które jest analogiczne do równania Michaelisa Menten.

Równanie Monoda

μ= μmax s/(s+Ks )

s- stężenie substratu

Ks - stała nasycenia równa stęzeniu substratu przy którym μ= 1/2μmax

Czynnikiem hamującym wzrost metabolitów mogą być toksyczne produkty metabolizmu. Kinetykę tego zjawiska przedstawia równanie:

μ =μmax Kp /( Kp- P)

P- stężenie substratu

Kp- stała hamowania równa stężeniu produktu, przy którym μ=1/2μmax

Podstawowe źródła mikroorganizmów

• środowisko naturalne-(próbki gleby, wód powierzchniowych) niewyczerpalne źródło mikroorganizmów, ale ich pozyskiwanie jest bardzo czasochłonne i obejmuje cały szereg zabiegów mających na celu wykrycie i wyizolowanie

• kolekcje czystych kultur-posiadają tysiące tzw. szczepów muzealnych w postaciczystych kultur o znanej charakterystyce. Kolekcje zawierają określony zasób mikroorganizmów a ponad to drobnoustroje przechowywane w sztucznych warunkach tracą lub zmieniają swoje cechy.

Doskonalenie biotechnologicznych cech drobnoustrojów

Celem doskonalenia jest zwiększenie wydajności i produktywności procesu, obniżenie kosztów i podniesienie jakości otrzymanego produktu (podniesienie efektywności oczyszczenia ścieków)

Metody doskonalenia:

• Adaptacja- zachodzi głównie u bakterii i grzybów mikroskopijnych (pleśniowe i drożdże) polega głównie na indukcji specyficznych enzymów (adaptacja enzymatyczna) Adoptowane szczepy można uzyskać tez przez selekcję mutantów z nabytą nową aktywnością metaboliczną. Adaptacja daje ograniczone efekty. Zasadnicze zmiany metaboliczne można uzyskać w wyniku modyfikacji materiału genetycznego drobnoustrojów.

• Mutageneza- polega na indukowaniu zmian w materiale genetycznym danego organizmu. W wyniku mutagenezy powstaja mutacje.

Mutacje- trwała zmiana w sekwencji DNA, prowadząca do powstania zmian genetycznych

Mutacje:

1. spontaniczne- zachodzą samorzutnie z bardzo małą częstotliwością (na 1 mln podziałów komórkowych pojawia się 1 mutant)

2. indukcyjne- celowe zabiegi, działanie na organizm substancji

Efektywność mutagenezy zależy od różnych czynników:

• rodzaju zwykłego mutagenu

• formy wzrostu mutagenu

• składu chemicznego środowiska, w którym przebiega proces

• sprawności mechanizmów naprawczych organizmu poddanego mutagenezie

• Rekombinacja genetyczna

1. hybrydyzacja naturalna- przekazanie informacji genetycznej z komórki dawcy do komórek biorcy w wyniku fizycznego kontaktu obu komórek. Polega na wymianie homologicznych fragmentów DNA miedzy chromosomami dawcy i biorcy. W wyniku rozdzielenia materiału genetycznego w komórkach potomnych otrzymuje się hybrydy o zmienionym genotypie.

Naturalna hybrydyzacja zachodzi bardzo rzadko, ze względu na obecność

• ściany komórkowej

• ujemnego potencjału po zewnętrznej stronie błony cytoplazmatycznej

• fuzja protoplastów- najczęściej stosowana metoda do dalszego ulepszania szczepów pochodzących z różnych linii mutacyjnych.

• Zwiekszenie wydajności produkcji

• Zmiana wymagań pokarmowych

• Ograniczenie wytwarzania produktów ubocznych

• Zwiększenie szybkości wzrostu

• Zmiana przyswajalności różnych substratów

• Zwiększenie odporności na substancje toksyczne

• Zwiększenie odporności na bakteriofagi

Czynniki zwiększające efektywność fuzji protoplastycznej:

• 30% glikol polietylenowy

• Jony wapnia

• Odczyn alkaliczny

Protoplasty- komórki pozbawione ściany komórkowej

1. metody inżynierii genetycznej (nadają one nowe właściwości genetyczne a w konsekwencji nowe cechy fizjologiczne i biochemiczne)

• otrzymanie fragmentów DNA (enzymatyczna degradacja DNA- za pomocą enzymów restrukcyjnych)

• wyprodukowanie wektora (nośnika) i połaczenie z nim zrekombinowanego- (wektory: plazmidowe, fagowe, kosmity)

• Klonowanie , czyli powstawanie potomstwa zrekombinowanego cząsteczki DNA (komórki biorcy o nowym genomie można mnożyć)

Wszystkie mikroorganizmy znajdujące w biopreparatach musza należeć do I kategorii szkodliwości według norm międzynarodowych, obejmujących tylko mikroorganizmy saproficzne, niechorobotwórcze, z którymi kontakt nie powoduje szkodliwych skutków zdrowotnych.

Wszystkie biopreparaty, aby mogły być dopuszczone do obrotu w Polsce muszą uzyskać atest Państwowego Zakładu Higieny (PZH) w Warszawie.

Poddawane SA analizie, która musi wykluczyć obecność w nich bakterii patogennych, szczególnie takich jak:

• Bacillus anthracic

• Staphylococcus ureus

• Z rodzaju Salmonella sp

• Psedonionas aeruginosa

Problemy bezpieczeństwa biotechnologii:

• Powstanie nowych alergii

• Zniszczenie populacji pożytecznych owadów przez stosowanie bakteryjnych genów

• Przeniesienie genów odporności na antybiotyki

• Bezpieczeństwo pokarmu dla człowieka

• Zagrożenia wynikające z otrzymywania i stosowania organizmów konstruowanych metodami inżynierii genetycznej i możliwość ich przenikania do otoczenia

• Powiększanie się puli drobnoustrojów odpornych na antybiotyki

Ogólna charakterystyka czynników biologicznych występujących w procesach biotechnologii




Procesy biotechnologiczne (elementy składowe) - mogą być prowadzone wieloma sposobami i wymagają różnych warunków technologicznych

---