mikrobki.doc

(327 KB) Pobierz

Joanna Grodzka

„Drobnoustroje w biotechnologii i inżynierii środowiska”

Drobnoustroje są grupą organizmów jednokomórkowych widocznych dopiero pod mikroskopem. Należą do nich bakterie, pierwotniaki, wirusy, liczne glony i niektóre grzyby. Zamieszkują wszystkie środowiska. Wyróżniamy zarówno mikroorganizmy autotroficzne — samożywne (zdolne do fotosyntezy lub chemosyntezy), jak i heterotroficzne — cudzożywne (drapieżne, saprofity, pasożyty). W przyrodzie występują we wszystkich postaciach łańcucha pokarmowego – producenci, konsumenci, reducenci. Posiadają zdolność bardzo szybkiego namnażania się i równie szybkiej przemiany materii. Oprócz swojej szkodliwej działalności jak wywoływanie chorób, spełniają one bardzo pożyteczną rolę dla środowiska i człowieka. Dzięki temu wykorzystywane są w różnych dziedzinach nauk biologicznych m.in. w biotechnologii i inżynierii środowiska. Biotechnologia zajmuje się głównie zastosowaniem mikroorganizmów w rolnictwie i medycynie, natomiast inżynieria środowiska w przemyśle, rolnictwie i ochronie środowiska.

Mikroorganizmy znajdują w przemyśle i nauce szerokie zastosowania. Z ich pomocą można wytworzyć alkohole, kwasy potrzebne w wielu gałęziach przemysłu, produkty mleczne czy dodatki do artykułów spożywczych. W medycynie zasłynęły w produkcji antybiotyków, aminokwasów, witamin i enzymów. Rolnictwo i hodowla to głównie wykorzystanie drobnoustrojów za pomocą inżynierii genetycznej. Dzięki temu w dzisiejszych czasach w Japonii i Indonezjii ziarna skrobii są preparowane przy użyciu grzybów pleśniowych, drożdży i bakterii mlekowych. Swoje zdolności redukujące, rozkładające, a więc swój fenomen wykazują w ochronie środowiska, w swoim naturalnym bycie.

W przemyśle spożywczym produkty uzyskiwane są poprzez ich fermentację. Jedną z najwcześniej poznanych zastosowań drobnoustrojów jest produkcja alkoholu przez grzyby lub bakterie. Drobnoustroje dostarczają nam wiele produktów mlekowych.

Głównym producentem etanolu są grzyby należące do Saccharomyces cerevisiae. Drożdże fermentują węglowodany (również pentozy i heksozy) do etanolu i dwutlenku węgla w szlaku fruktozobisfosforanowym:

C6H12O6 à 2CO2+ 2C2H5OH

W tym przypadku związkiem wyjściowym do powstania tego alkoholu była glukoza. Etanol mogą również produkować bakterie Sarcina vantriculi w taki sam sposób jak drożdże. Natomiast bakteria Zymomonas mobilis wyizolowana z fermentującego soku agawy (Agave americana) wytwarza etanol w szlaku 2-keto-3-deoksy-6-fosfoglukonianowym. Może on również powstawać jako produkt uboczny fermentacji przez przedstawicieli Enterobacteriaceae, Clostridium oraz przez Leuconostoc mesenteroides.

Oprócz etanolu mogą powstać także inne alkohole. Drożdże stosowane są również w browarnictwie. Piwo w Europie produkuje się głównie z jęczmienia, który jest bogaty w skrobia i białka. Drożdże nie posiadają amylazy, a więc nie potrafią rozkładać skrobii. Z tego powodu jest ona najpierw przetwarzana w cukier, a potem dopiero poddana fermentacji. Jest więc to proces ściśle kontrolowany przez człowieka. Natomiast wina są wytwarzane w wyniku spontanicznej fermentacji soku z winogron. Biorą w niej udział tzw. drożdże Kloeckera. Jednak, aby zapobiec fermentacji przez dzikie drożdże, dodaje się również czyste kultury drożdży lub mieszaniny Kloeckera i Saccharomyces z określonych winnic. Do alkoholu przemysłowego wykorzystuje się odpady z produkcji cukru z trzciny cukrowej lub ziemniaki, produkty hydrolizy odpadów drzewnych, ługi siarczynowe z zakładów papierniczych.

Za produkcję substancji mlekowych są odpowiedzialne głównie bakterie z rodziny Lactobacteriaceae, gdyż jako jedyne potrafią obligatoryjnie wytwarzać kwas mlekowy i hydrolizować laktozę (za pomocą B-galaktozydazy):

Laktoza + H2O à D-glukoza + D-galaktoza

Mają one ogromne znaczenie w przemyśle mlecznym, gdyż potrafią zakwaszać środowisko. Wystarczy im do tego tylko sterylne lub częściowo sterylne mleko lub śmietanka. Masło śmietankowe powstaje przy udziale Lactococcus lactis, L. cremoris i Leuconostoc cremoris i zyskuje swoisty smak w wyniku wytworzonego diacetylu. Do produkcji twarogu z koagulacją kazeiny i serów wykorzystuje się bakterie Lactococcus lactis, Lactobacillus bulgaricus i Streptococcus salivarius. Do produkcji mleka zsiadłego stosuje się bakterie wytwarzające kwasy i związki aromatyczne. Maślankę, zawierającą kwas mlekowy, kwas octowy, acetoinę i diacetyl, produkują te same bakterie, co masło. Zwykły jogurt powstaje dzięki Streptococcus thermophilus i Lactobacillus bulgaricus, a w biojogurcie L. bulgaricus zastępuje L. acidophilus. Kefir produkują „ziarna kefirowe”, na które się składają bakterie mlekowe, paciorkowce, Leuconostoc i drożdże. Kumys jest natomiast zaszczepiony kulturą zawierającą Lactobacillus bulgaricus oraz drożdże Torula. Czysty kwas mlekowy do celów przemysłowych jest uzyskiwany w wyniku zakwaszania mleka lub serwatki przez L. casei i L. Bulgaricus.

Bakterie i grzyby są stosowane w piekarnictwie i warzywnictwie. Drożdże Saccharomyces cerevisiae poprzez wytwarzanie CO2 spulchniaja ciasto, wytwarzając przy tym etanol. Natomiast bakterie mlekowe Lactobacillus plantarum i L. coryniformis hamują proces prowadzony przez drożdże – wytwarzanie CO2, zakwaszając w ten sposób ciasto. Takie zakwaszanie ma ogromne znaczenie w przetwórstwie domowym, rolnym czy w produkcji żywności. Bakterie te są zdolne żyć w kwaśnym środowisku, więc obniżają pH nawet poniżej 5,0. W ten sposób hamują wzrost innych mikroorganizmów gorzej znoszących warunki kwasowe, a tym samym konserwują żywność. Bakterie Leuconostoc i Lactobacillus plantarum wykorzystywane są w zakwaszaniu kapusty i ogórków.

Mikroorganizmy produkują także kwasy organiczne i egzopolisacharydy, które znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu od spożywczego po chemiczny. Kwasy organiczne to opisany wcześniej m.in. kwas mlekowy, który w przemyśle spożywczym jest regulatorem kwasowości oraz dodatkiem do żywności jako E270. Znajduje zastosowanie w przemyśle garbarskim i tekstylnym. W pszczelarstwie jest stosowany do zwalczania roztocza Varroa destructor. Z kwasu octowego jest produkowany ocet, który służy do konserwacji żywności. Używany jest także do produkcji jedwabiu i leków takich jak aspiryna, a w dużych ilościach jako rozpuszczalnik w rafinacji kwasu tereftalowego. Jest składnikiem roztworów buforowych. Kwas fumarowy stosowany jest w medycynie w leczeniu łuszczycy, a wytwarzany przez bakterie Mucorales. Kwas szczawiowy tak jak kwas mlekowy w pszczelarstwie jest stosowany do zwalczania roztocza Varroa destructor. Kwas cytrynowy jest używany jako regulator kwasowości i przeciwutleniacz w przemyśle spożywczym. Sole kwasu cytrynowego - cytryniany - są stosowane w medycynie jako leki przy niedoborze określonego metalu w organizmie. Bakterie masłowe wytwarzają kwas masłowy o brzydkim zapachu ale już estry tego kwasu mają na tyle ładny zapach, że są używane do produkcji perfum i aromatów do ciast.

Egzopolisacharydy są to związki pochodzenia bakteryjnego. Zalicza się do nich m.in. alginiany, ksantany, kurdlan oraz dekstran. Ten pierwszy, produkowany przez Azotobacter vinelandii, używany jest jako dodatek w lodach, budyniach, kremach, a także w korzeniach roślin jako osłona przed utratą wody. Natomiast ksantany, produkowane przez Xanthomonas campestris, stosuje się jako zagęszczacze w przemyśle spożywczym, emulgatory w produkcji farb oraz przy usuwaniu rozlewisk ropy naftowej. Kurdlan stosuje się w produkcji dietetycznych deserów i zup. Produkuje go Alcaligenes faecalis. Dekstran stosowany jest w przemyśle biochemicznym jako substytut plazmy krwi oraz do produkcji materiałów chromatograficznych. Produkowany jest m.in. przez Acetobacter.

Bardzo ważnym w biotechnologii jest przemysł farmaceutyczny. I tutaj drobnoustroje mają swój wielki udział dla ludzkości. Punktem wyjściowym było odkrycie przez A. Fleminga w 1928r. antagonistycznych oddziaływań między drobnoustrojami. Zaobserwował on, że kolonia grzyba Penicillium notatum wydziela substancję hamującą wzrost gronkowca. Substancję te nazwano penicyliną. Był to pierwszy odkryty i wyizolowany antybiotyk – substancja wydzielana przez drobnoustroje, wykazująca działanie bakteriostatyczne lub bakteriobójcze. Największą zdolność do wydzielania antybiotyków wykazują głównie grzyby należące do grupy Aspergillales, promieniowce i kilka innych bakterii m.in. Streptomycetes. Chociaż antybiotyki ostatnio są produkowane syntetycznie, świat mikroorganizmów jest ciągle pod ścisłą obserwacją. Nie wiadomo, jakie jeszcze sekrety kryją przed nami te organizmy. Badanie antagonistycznych działań drobnoustrojów jest też przedmiotem mikrobiologii przemysłowej. Głównym antybiotykiem i najbardziej znanym jest właśnie penicylina należąca do rodziny beta-laktam. Produkowana jest przez Penicillium notatum, P. chrysogenum i kilka innych grzybów. Nie jest już tak skuteczna jak przed laty, a to ze względu na nadużywanie tego antybiotyku przez ludzi. Bakterie zdążyły się też uodpornić. Niektóre posiadały już wrodzoną zdolność do unieczynniania penicyliny przez wydzielanie enzymu penicylinazy. Drugim antybiotykiem, który także należy do rodziny beta-laktam są cefalosporyny. Wydzielane są przez grzyba Cephalosporium. Używane są w medycynie do leczenia zapalenia płuc, zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych oraz rzeżączki. Kolejnym antybiotykiem jest streptomycyna, wydzielana przez Streptomyces griseus oraz inne gatunki Streptomyces. Działa na bakterie gram-ujemne i kwasoodporne m.in. na prątka gruźlicy. Wywołuje jednak niepożądane efekty o charakterze alergicznym. Chloromycetynę wykryto w hodowli Streptomyces veneluelae. Jest to bardzo skuteczny antybiotyk wobec bakterii gram-ujemnych, krętków, riketsji, promieniowców i dużych wirusów. Stosowany w leczeniu duru brzusznego. Tetracykliny są wydzielane przez różne promieniowce, także przez Streptomyces aureofaciens. Używane głównie przy zarażeniach boreliozą. Wszystkie te antybiotyki w przemyśle farmaceutycznym są produkowane ze zmutowanych bakterii, a nie z oryginalnych organizmów. Zwiększa to wydajność procesu nawet o 2000 razy więcej. Składa się na to także stosowane podłoża hodowlane.

W przemyśle biochemicznym drobnoustroje stosuje się do produkcji aminokwasów, witamin i enzymów. Stosowanie drobnoustrojów do produkcji aminokwasów zapoczątkowało się wraz z odkryciem Corynebacterium glutamicum w 1957r. Ten szczep i jeszcze Brevibacterium divaricatum wydzielają kwas glutaminowy, ale wymagają do tego biotyny. Warunkuje ona ich wzrost i wydajność procesu tworzenia kwasu glutaminowego. Do wytwarzania aminokwasów stosowane są tak jak w przypadku antybiotyków mutanty mikroorganizmów. I tak mutanty na litr podłoża mogą wydzielać 20g lizyny, ale potrzebują dostępu do homoseryny. Mutanty Corynebacterium glutamicum oraz szczepy Pseudomonas są zdolne do wytwarzania L-homoserynę, L-walinę, L-izoleucynę, L-tryptofan i L-tyrozynę.

Witaminy potrafimy uzyskać na drodzę syntezy chemicznej. Jednak witaminy takie jak ryboflawina, witamina B12 i witamina C nadal są produkowane przy współudziale mikroorganizmów. Ryboflawina jest wydzielana przez przedstawicieli Ascomycetes (Ashbya gossypi, Eremothecium ashbyii) oraz przez drożdże (Candida) i bakterie (Clostridium). Witamina B12 jest produkowana wyłącznie przez drobnoustroje w organizmach zwierzęcych. Jest wytwarzana m.in. przez Echerichia coli w jelicie ludzkim. Za wytwarzanie witaminy C odpowiada szczep Erwinia, który rzokłada glukozę do kwasu 2-keto-L-gulonowego, który w środowisku kwaśnym przekształca się w kwas askorbinowy. Istnieje jeszcze jedna witamina – barwnik – karotenoidy, które nadają charakterystyczne zabarwienie żółtku jaja. Są izolowane z Zygomycetes (Blakesleea trispora, Choanephora circicans).

Enzymy produkowane przez bakterie to głównie renina, inwertaza, proteazy, enzymy pektynolityczne, lipaza, oksydaza glukozowa i amylaza. Mucor rouxii wytwarza reninę, która jest wykorzystywana w produkcji serów (ścina kazeinę w mleku). Aspergillus oryzae, drożdże i inne grzyby produkują inwertazę. Hydrolizuje ona cukry i używana jest do wyrobu słodyczy. Bacilus subtilis i inne bakterie dostarczają proteaz, hydrolizujących białka. Zarówno proteazy jak i lipazy, produkowane przez grzyby i Pseudosomonas, są stosowane jako dodatek do detergentów i w garbowaniu skór. Grzyby i Erwinia produkują enzymy pektynolityczne, odpowiadające za klarowanie soków owocowych. Aspergillus niger i Gluconobacter oxydans wytwarzają oksydazę glukozową, którą wykorzystujemy do produkcji kwasu glukonowego. Amylaza natomiast jest wynikiem działania Bacillus subtilis oraz gatunków z rodzaju Aspergillus. Odpowiada ona za otrzymywanie syropu glukozowego i usuwanie skrobii. Jak łatwo można zauważyć, drobnoustroje poprzez produkcję enzymów po raz kolejny mają wpływ na różne gałęzie przemysłu.

W rolnictwie w modzie jest teraz stosowanie mikroorganizmów do zwiększania okazałości roślin uprawnych. Na rynki wchodzą rośliny genetycznie zmodyfikowane. Jednym ze sposobów ich modyfikowania jest przekazanie zmutowanego genu bakterii z grupy Agrobacterium, która dostarczy gen roślinie przez zainfekowanie jej.

Ma to być sposób na małe wartości odżywcze w roślinach. Jednym z przykładów takich roślin może być złoty ryż, który w swoich ziarnach produkuje beta-karoten. Po jego zjedzeniu może być on zamieniany w organizmie na witaminę A.

W hodowli ulepszonych, genetycznie zmodyfikowanych zwierząt także maja swój udział bakterie. Od samicy pobierana jest zapłodniona komórka jajowa. W znajdujące się w niej przedjądrze męskie wstrzykuje się odpowiednio spreparowany gen fytazy zapożyczony od bakterii pałeczki okrężnicy E.coli. Komórkę umieszcza się w drogach rodnych matki zastępczej. Wynikiem są prosięta produkujące fytazę w śliniankach. Rozkładają one fosfor, dzięki czemu przy wydalaniu zwierzęta te nie zanieczyszczają środowiska tym pierwiastkiem.

Polskim naukowcom udało się już stworzyć transgeniczną sałatę i łubin zawierające szczepionkę na Wirusowe Zapalenie Wątroby typu B. I oczywiście stało się tak za sprawą drobnoustrojom, a konkretniej bakterii Agrobacterium. Wmontowano jej gen kodujący antygen znajdujący się w kapsydzie wirusa, a następnie wszczepiono tę zmutowaną bakterię roślinie. W wyniku tego roślina ta produkowała fragmenty białkowe wirusa, a zwierzę nią karmione produkowało przeciwciała. Taka praktyka ma jeszcze jeden plus. Koszt produkcji takich szczepionek może być zmniejszony nawet stukrotnie. Minusem może być jednak fakt, że gen odporności jest przenoszony na mikroorganizm, który przez to może stać się dla nas niebezpieczny oraz może dojść do zachwiania równowagi mikroflory poprzez wprowadzenie obcego DNA do organizmu zwierzęcia.

Oprócz wsparcia rolnictwa w oparciu o inżynierię genetyczną mikroorganizmy są stosowane w glebie (jednym z ich naturalnych środowisk). Jak wiadomo dzięki bakteriom w przyrodzie istnieje obieg azotu, który jest niezbędny roślinom. Nie potrafią jednak one pobierać go z roztworu glebowego. Bakterie występujące w glebie Nitrosomonas i Nitrobacter przeprowadzają rozkład grupy amonowej na azotyny, a następnie na azotany. Rośliny motylkowe mają jeszcze inny sposób, żyją w symbiozie bakteriami brodawkowymi, które im ten azot dostarczają. Z tych powodów mikroorganizmy stosuje się w nawozach.

Drobnoustroje maja także ogromne znaczenie dla ochrony środowiska. Pewne surowce występują w środowisku w bardzo dużych ilościach. Są to m.in. ropa naftowa, gaz ziemny i celuloza. Mogą być one wykorzystywane jedynie przez mikroorganizmy, które przetwarzają je na własną biomasę lub na pośrednie metabolity. Drobnoustroje potrafią więc uszlachetniać ropę naftową, gaz ziemny i węgiel. Niektóre grzyby Candida hoduje się na ściekach siarczystych w celu unicestwiania tych odpadów. Poza tym mikroorganizmy oczyszczają organizmy środowisko z metabolitów, rozkładając je na białka. Do substratów takich reakcji należą: nafta i czyste węglowodory (Candida lipolytica), wodór i dwutlenek węgla (Alcaligenes eutrophus), metanol (Methylomonas), etanol i inne odpady przemian chemicznych. Alcaligenes eutrophus ponadto jako produkt zapasowy wytwarza poli-beta-hydroksymaślan (PHB), który jest obrabiany w formie arkuszy, włókien, butelek lub kubków. Dodatkowym atutem jest fakt, że PHB ulega łatwo biologicznej degradacji.

Drobnoustroje wytwarzają jeszcze 3 ważne związki, które mają ogromne zastosowanie w przemyśle chemicznym. Są to butanol, aceton i glicerol. Glicerol zaobserwował niejaki Neuberg, podczas rozpadu glukozy, w wyniku którego powinien powstać etanol. Wystarczy podczas fermentacji glukozy dodać wodorosiarczanu aby uzyskać dany efekt. Już w czasie pierwszej wojny światowej zastosowano ten sposób produkcji glicerolu.

CH3-CHO + NaHSO3 à

CH3-CHOH-SO3Na

Jest stosowany do wyrobu nitrogliceryny, farb, apretur oraz w przemyśle barwników, spożywczym, kosmetycznym, tytoniowym. Aceton jest powszechnie stosowanym rozpuszczalnikiem organicznym o dużej polarności. Stosuje się go przy produkcji leków, barwników, farb, lakierów i środków czyszczących. Niegdyś był powszechnie stosowany w charakterze zmywacza do paznokci, jednak ze względu na jego szkodliwość, aktualnie nie wolno w Polsce produkować zmywaczy na bazie acetonu. Natomiast butanol jest to rozpuszczalnik tłuszczów, wosków, żywic, klejów i lakierów. Stosowany jest w produkcji detergentów.

Drobnoustroje w każdej dziedzinie życia własnego i naszego są fenomenem. To dzięki obserwowaniu ich fizjologii ułatwiamy sobie życie. Chociaż w przemyśle używamy mutantów mikroorganizmów to my takie duże stworzenia uczymy się przetrwania od najmniejszych organizmów na kuli ziemskiej.

Źródła informacji:

„Mikrobiologia ogólna” Hans G. Schlegel, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996

http://pl.wikipedia.org/wiki/In%C5%BCynieria_%C5%9Brodowiska

http://portalwiedzy.onet.pl/777,haslo.html

http://pl.wikipedia.org/wiki/Biotechnologia

http://encyklopedia.pwn.pl/17766_1.html

http://pl.wikipedia.org/wiki/Kwas_mlekowy

http://pl.wikipedia.org/wiki/Kwas_octowy

http://www.fundacja-sm.malopolska.pl/strony/wykl_selmej.htm

http://pl.wikipedia.org/wiki/Kwas_szczawiowy

http://pl.wikipedia.org/wiki/Kwas_cytrynowy

http://republika.pl/wight1/udzial.htm