Текст книги "От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии"
Автор книги: Илька Реннеберг
Соавторы: Рейнхард Реннеберг
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 9 страниц)
Биогаз спасает тропические леса
«Блуждающие огоньки», известные из сказок и саг, зажигались там ведьмами и кобольдами[25]25
Кобольды – горные духи в средневековой германской мифологии.– Прим. перев.
[Закрыть], чтобы заманить и погубить добрых странников; в основе народного эпоса лежат вполне реальные факты: в болотах при недостатке кислорода из отмерших частей растений при участии микроорганизмов образуется болотный газ – метан, который способен самовоспламеняться; тогда-то и возникает «блуждающий огонек». Если «взболтать» ил в какой-нибудь трясине, то можно почувствовать запах «биогаза».
Метанобактерии, продуцирующие биогаз, очень чувствительны к кислороду. Предполагают, что они жили уже в первичной атмосфере Земли. Тогда в атмосфере ещё не было кислорода, зато имелись углекислый газ, водород; атмосфера имела такую температуру, которая как раз и необходима для развития метанобактерии. Если в настоящее время для них где-нибудь в болотах или искусственно в биореакторе создаются такие же условия, то они точно так же продуцируют метан. Правда, при этом они зависят от подготовительной работы других бактерий, которые прежде при помощи своих ферментов разлагают древесину, крахмал, белки и жиры на составляющие их строительные «блоки» и сбраживают эти последние до уксусной или масляной кислоты, водорода или углекислого газа.
В природе в результате деятельности бактерий ежегодно образуется примерно 800 млн т метана, это приблизительно столько же, сколько природного газа добывается людьми. В Китайской Народной Республике сегодня уже 5 млн маленьких, по техническому выполнению очень простых установок поставляют биологически «добываемый» газ. Эти «биогазовые» установки представляют собой маленькие, герметически закрытые бачки, в которых встряхиваются экскременты животных и человека и растительные отходы. При нагревании баков бактерии образуют метан. Газ отводится и используется для варки пищи, отопления и производства электроэнергии. Биогаз – весьма ценное топливо. 1 м биогаза даёт столько же энергии, сколько получается при сгорании 1 л мазута. Оказалось, что вместо бестолкового сжигания сухого навоза, растительных остатков и лесной древесины можно получать энергию в виде биогаза из отходов! Производимый биогаз сгорает с образованием углекислого газа и воды, а в «биогазовом реакторе» остаётся естественное удобрение сапропель. Сапропель содержит крайне нужные растениям питательные вещества – азот, фосфор и калийные соли. Благодаря этому можно сократить импорт удобрений.
В Индии же всё ещё сжигают ежегодно 50 млн т коровьего навоза и 30 млн т других отходов, потому что многие крестьяне слишком бедны для того, чтобы самим приобрести биогазовую установку, и, кроме того, для получения достаточных количеств биогаза необходимо держать несколько коров. А вот в Китайской Народной Республике нередко коллективно эксплуатируются крестьянами всей деревни большие «биогазовые» установки. «Биогазовые реакторы» одновременно служат и охране здоровья: ведь в герметически замкнутых резервуарах возбудители болезней убиваются высокой температурой брожения.
Итак, «биогазовые» установки выгодны жителям небольших поселков и деревень, особенно в жарких странах. Они не только не отнимают у людей, как это имеет место при производстве спирта из растений, пищи и лучшей пахотной земли, но даже повышают доходы от сельского хозяйства. Их широкое внедрение может помочь спасти тропические леса, приостановить наступление пустыни и с помощью удобрений сделать плодоносными отдалённые территории.
В Европе «биогазовые реакторы» могут решить проблему отходов в больших животноводческих комплексах. Дело в том, что жидкие фекалии животных (навозная жижа) лишь частично могут быть применены в качестве удобрений, иначе они слишком перегрузят почву. Ведь за сутки от одной молочной коровы или 10 свиней скапливается до 45 л навозной жижи! Зато из этого количества можно получить 2 м3 биогаза! Например, «биогазовая» установка вблизи Лейпцига производит метан из фекалий более чем тысячи голов крупного рогатого скота. Полученной энергии хватает на то, чтобы круглый год отапливать коровники.
Ежедневно в племенном свиноводческом хозяйстве в Рипперсхаузене (округ Зуль, ГДР), где откармливается 34 000 свиней, скапливаются 300 м 3 животноводческих стоков (фекалии и моча). До недавнего времени утилизация таких количеств полужидкого навоза вызывала большие затруднения. Теперь же с этой работой справляется 5 биореакторов, где навозная жижа разлагается микробами до биогаза, благодаря чему не происходит загрязнения окружающей среды. Ежедневная производительность этого биопредприятия 5500 м 3 биогаза, который используется как топливо в самом хозяйстве, что даёт экономию 4000 т бурого угля.
Бесшумная разработка месторождений
В последние годы добыча меди велась так интенсивно, что рудные месторождения с высоким содержанием металла стали большой редкостью. Горные разработки перемещаются во всё более глубокие зоны. Энергетические затраты на разработку месторождений резко возрастают. Уже в ⅩⅧ в. испанцы добывали медь в своих рудниках близ Риотинто в значительной степени из шахтной воды, содержащей медь. Вода уже выщелочила медную соль из горной породы. Однако всего лишь 25 лет тому назад ещё никто не знал, что в этом процессе принимают участие бактерии: они способствуют превращению труднорастворимой в воде «меди» в водорастворимую солевую форму.
В настоящее время микробы целенаправленно применяются для выщелачивания руды и на их долю приходится уже 20 % всей мировой добычи меди, в первую очередь из горных пород вскрышных отвалов с низким содержанием меди.
Именно бактерии рода Thiobacillus (от греч. theion – сера) помогают извлечь металл из породы. Они питаются не сахаром, а серой и железом! Они развиваются даже в присутствии сильных кислот, более того, они сами продуцируют серную кислоту.
При биологическом выщелачивании руды сначала переправляют на сборные пункты миллионы тонн вскрышных пород[26]26
Вскрышные породы (вскрыша) – горные породы, покрывающие и вмещающие тело полезного ископаемого в массиве и подлежащие выемке при открытой разработке месторождения.– Прим. перев.
[Закрыть], содержащих серу и медь. Эти вскрышные породы содержат небольшие количества ценной меди совместно с железом. Известны отвалы высотой свыше 400 м, содержащие 4 млрд т породы, которые ранее так и оставались бы неиспользованными. Их орошают и пропитывают тысячами кубометров воды. Отвалы вовсе не требуется предварительно заражать бактериями Thiobacillus, потому что эти бактерии присутствуют повсюду. В 1 г серосодержащей породы живёт более одного миллиона клеток Thiobacillus. По мере проникновения воды бактерии размножаются. Эти крохотные помощники прежде всего переводят труднорастворимые соли железа в легкорастворимую соль – сульфат железа с попутным образованием серной кислоты. Сульфат железа с помощью серной кислоты переводит содержащийся в горной породе нерастворимый в воде сульфид меди в растворимый сульфат меди. После этого у подножия отвала начинает просачиваться голубой раствор сульфата меди, который собирают в огромных сборниках. Теперь с помощью какого-нибудь технического приёма можно легко получить чистую медь. Остаточную, уже не содержащую медь, но содержащую серную кислоту и бактерии жидкость, образовавшуюся при выщелачивании руды, вновь разбрызгивают по отвалу.
Получение меди из вскрышных пород с низким содержанием меди с использованием работы бактерий.
Вполне возможно, что в будущем с помощью «биоразработки» месторождений можно будет получать также уран, цинк, свинец, никель и кобальт. По-видимому, и каменный уголь с высоким содержанием серы можно будет «обессеривать» путём воздействия серобактерий и тем самым делать его использование более безопасным для окружающей среды.
Ещё более многообещающим, чем выщелачивание отвалов горной породы, является рудное выщелачивание непосредственно под землей. Для этого горную породу вовсе не нужно сначала извлекать на поверхность. Штольню просто обрызгивают или заливают водой. «Биоразработка» месторождений выгодна и на старых, уже заброшенных рудниках.
По всей вероятности, бактерии могут оказать помощь также в том, чтобы сделать горные работы более безопасными. В каменноугольных шахтах постоянно происходят серьёзные катастрофы из-за устрашающего «рудничного газа»: газ метан, скапливающийся на дне выемок, воспламеняется в результате случайно проскочившей искры. В Советском Союзе в некоторых шахтных стволах и забоях были «распылены» бактерии, которые за 2—4 нед. почти полностью превращают метан в негорючий углекислый газ.
Вероятно, в будущем микробы могут оказаться полезными и при добыче нефти. К настоящему времени добыто лишь около трети общих запасов нефти нефтяных месторождений, так как нефть лишь очень редко образует большие подземные «озера» и часто прочно связана в порах горной породы. Поэтому уже сегодня рядом с настоящей буровой скважиной в нефтяные пласты закачивают воду с тем, чтобы выдавить остаточную нефть. Но вода слишком «жидкая», она легко протекает сквозь нефтеносные «россыпи» горной породы. Нужно было сделать воду более «вязкой», и для этого было найдено средство – сахаросодержащее вещество, выделяемое бактериями рода Xanthomonas, почему оно и названо «ксантаном». Но сначала воду смешивают с поверхностно-активным («мыльным») веществом и смесь закачивают в нефтеносные породы, для того чтобы высвободить нефть из пор. Причем подобное «мыло» могут образовывать и сами бактерии. Только после этого заканчивается ксантановая вода, которая посредством высокого давления выдавливает нефть из буровой скважины. Существуют также проекты «закачки» микроорганизмов непосредственно в нефтеносные пласты при условии обеспечения их кислородом; при участии этих бактерий будут вырабатываться газы, которые благодаря создаваемому ими давлению заставят нефтяные источники «фонтанировать» более энергично.
Ксантан относится к самым первым продуктам, полученным в биореакторе, которые прежде были неизвестны. Пока что молодая биотехнологическая промышленность поставляет лишь некоторые из подобных новых «биопродуктов». Но уже сегодня они демонстрируют грандиозные возможности биопромышленности будущего.
Новые продукты биопромышленности
«Старая» и «новая» биотехнология
Огромная масса потребляемых нами продуктов – это биопродукты; они ещё и сегодня производятся по проверенной тысячелетиями технологии, разработанной нашими далёкими предками. Как уже говорилось в начале нашей книги, очень давно человек заставил работать на себя бактерии, дрожжи и другие микроорганизмы. Ежегодно во всём мире при участии микроорганизмов производятся примерно 100 млн т хлеба и хлебобулочных изделий, 100 млн т пива, 40 млн т вина, 10 млн т чистого спирта, 8 млн т сыра, 800 000 т уксусной эссенции и свыше 1 млн т пекарских дрожжей. Именно «трудом» микробов сегодня создаются гигантские количества этих продуктов, имеющих высокую стоимость.
Задействовав древние биотехнологические процессы, человек не догадывался, как и отчего они функционируют подобным образом. Лишь нашему современнику благодаря достижениям в области биологии удалось понять причинные связи в большинстве этих процессов. Теперь довольно подробно изучено, какие виды микробов могут быть использованы для определённых назначений, как «функционируют» сами микроорганизмы, как их ферменты обусловливают в минимальном (клеточном) объёме сложнейшие превращения веществ.
В отличие от старых биотехнологических производств в современной биотехнологии микробы используются осознанно и необычайно интенсивно: средствами селекции, фузии клеток и генной инженерии созданы высокопродуктивные штаммы микробов, которые по производительности тысячекратно превосходят своих природных «собратьев». Более того, создаются новые микробы, вырабатывающие в большом количестве вещества «высших» живых существ и человека. Микроорганизмы, трансформированные генно-инженерными методами, могут вырабатывать даже такие вещества, которых вообще не существует в природе. Для получения новых веществ наряду с микробными клетками в биотехнологии во всё возрастающем количестве применяются также «более высокоорганизованные» клетки и ткани растений, животных и человека, «работающие» в питательных растворах вне организма, и, более того, даже отдельные части клеток.
Какие же компоненты клеток можно с наибольшей пользой применить для преобразования веществ вне клеток? Конечно, ферменты, эти биологические катализаторы клетки, которые обусловливают, регулируют и направляют все реакции, происходящие в клетке! По причине крошечных размеров и огромной эффективности их нередко называют «добрыми гномами» клетки.
«Добрые гномы» в домашнем хозяйстве и в промышленности
Переваривание (утилизация) крахмала и белков происходит у людей и микробов одинаково, с помощью ферментов. В клетках и тех, и других работают амилазы, расщепляющие крахмал, и протеазы, расщепляющие белки. Кроме того, клетки способны выделять ферменты и в окружающую среду. У человека и высших млекопитающих ферменты выделяются, в частности, клетками поджелудочной железы в кишечник. Здесь крахмал и белки разлагаются на свои строительные «блоки» – сахара и аминокислоты – и легко усваиваются клетками кишечника. В свою очередь у микроорганизмов выделенные наружу амилазы и протеазы расщепляют крахмал и белки в непосредственной близости от микроорганизмов, и микробы поглощают потом «переваренные снаружи» строительные блоки.
Вскоре после того, как было установлено действие пищеварительных ферментов, удалось выделить секрет[27]27
Вещества, в том числе и ферменты, выделяемые в организме железами внутренней секреции, называются секретом.– Прим. перев.
[Закрыть] поджелудочной железы свиньи, который в высушенном и измельчённом виде стали применять при расстройствах пищеварения.
Но если амилазы и протеазы так хорошо работают и вне клеток человека и микробов, то почему бы не попробовать применить их для других целей?
Уже в 1907 г. у Отто Рема, владельца небольшой фирмы, возникла гениальная идея. Известно, что содержащие белок пятна от пота, крови, яичного желтка или других пищевых остатков удаляются с белья с большим трудом. Рем предложил добавлять к обычному моющему средству порошок, полученный из поджелудочной железы свиньи. При замачивании сильно загрязнённого белья в этом «ферментном» моющем средстве был получен удивительный эффект – пятна легко отмылись, так как протеазы поджелудочной железы расщепили белки на аминокислотные строительные «блоки». Так впервые было изготовлено моющее средство с биодобавками. Однако своё победное шествие моющие «биопорошки» начали лишь спустя 50 лет, когда взамен дорогого и не очень стабильного животного фермента удалось наладить массовое и дешевое микробиологическое производство подобных протеаз, в основном штаммов Bacillus. Эти Bacillus в отличие от большинства микробов предпочитают щелочную среду. И их протеазы лучше всего действуют в щелочных жидкостях, следовательно, они наиболее активны в мыльном растворе.
Сегодня около 80 % всех выпускаемых моющих средств содержат протеазы. В 1980 г. во всём мире было получено около 50 т бактериальных протеаз для биомоющих средств. При этом ферменты содержатся в моющих средствах буквально в «следовых» количествах[28]28
Следовые количества, или просто следы,– это характеристика содержания примеси в основном веществе. Принято называть примеси, содержание которых составляет 10−1—10−3 %, следами, 10−3—10−6 % – микроследами, 10−6—10−9 % – ультрамикроследами.– Прим. перев.
[Закрыть]: на 1 кг моющего средства приходится 0,1 г фермента[29]29
Это составляет 0,01 (т. е. 10−2) %.– Прим. перев.
[Закрыть]. И даже при таких малых биодобавках сильно загрязнённое белье становится чистым. Ферменты моющих средств наиболее активны в температурном интервале 40—60 °С. Таким образом, они ещё помогают сэкономить энергию, которая в противном случае понадобилась бы для кипячения сильно загрязнённого белья. Впрочем, при полоскании ферменты вновь удаляются из белья.
Отто Рем (справа) впервые применил ферменты в кожевенном производстве, а также как добавку к моющим средствам. Апробация предложенного Ремом метода дубления кож.
Первое моющее средство «Burnus» с биодобавками появилось в 1914 г. В качестве активных биодобавок использованы ферменты животного происхождения. Однако свое триумфальное шествие «биомоющие» средства начали лишь после того, как стало возможным получать биотехнологическим способом дешёвые и устойчивые в мыльном щелоке ферменты микробов. (На плакате надпись: «„Burnus“ чудесно стирает бельё».)
Принцип «работы» биомоющих средств (вверху). Сравнение эффективности обычных и «биологических» моющих средств (внизу).
В некоторых странах препарат протеазы продаётся также в качестве «размягчителя» мяса (тендеризатор; от англ. tender – нежный). Им посыпают мясо за несколько часов до приготовления. Ферменты расщепляют жёсткие мышечные белки мяса и делают его нежным и сочным. Кстати, имеются и косметические средства для ухода за кожей, содержащие протеазы. При пользовании ими кожа становится свежей и розовой. Разумеется, эти мыла и кремы содержат совершенно ничтожные количества фермента!
В кожевенной промышленности протеазы микробного происхождения применяют для удаления со шкур волос и щетины и для дубления кож. Ранее для дубления применяли фекалии животных. Это была очень неприятная работа. И вот сегодня открыт секрет этого процесса: полезные свойства экскрементов, благодаря которым они использовались для дубления кож и удаления со шкур волос, основаны на том, что содержащиеся в них микробы выделяют протеазы.
В молочной промышленности также «работают» микробные протеазы: они расщепляют белок молока казеин, так как в связи с резко возросшим производством сыра сычужный фермент становится всё менее доступным. Однако методами генной инженерии уже получены такие бактерии, которые продуцируют в биореакторах сычужный фермент животных. В сельском хозяйстве протеазы примешивают к животному корму, для того чтобы сделать его более усвояемым.
Воздействуя протеазами на отходы переработки рыбы, можно отделить белок «до костей» и превратить его в смесь аминокислот – отличная добавка к корму для скота.
Область применения ферментов, расщепляющих белки, далеко не исчерпана вышесказанным. Разумеется, предпосылкой к этому является мощная биотехнологическая промышленность, способная дёшево и в больших количествах вырабатывать ферменты из микробов. Биотехнологи ведут интенсивный поиск таких микроорганизмов, которые продуцируют очень активные и стабильные ферменты. В качестве таких «рабочих лошадок» наиболее перспективны прежде всего микроорганизмы, выживающие в экстремальных условиях – в горячих вулканических источниках, в оттоках из рудных или серных источников, в бассейнах для добывания соли методом осаждения, в которых испаряется морская вода и остаётся кристаллическая поваренная соль, или же на морском дне под высоким давлением.
Однако часто даже не требуется снаряжать экспедиции к далеким вулканам для того, чтобы отыскать такие «живучие» микроорганизмы. В ГДР в Лейпцигском институте биотехнологии в «титане» с горячей водой были обнаружены бактерии, которые имели наибольшую активность при температурах между 75 и 92 °С.
Как же получают ферменты из микробов? Если речь идёт о протеазах и амилазах, то относительно просто: микробы, в частности штаммы Bacillus или леечной плесени Aspergillus, выращивают в белковых или крахмальных смесях. Затем побуждают микроорганизмы к усиленному выделению в окружающую жидкость протеаз, расщепляющих белки, или амилаз, расщепляющих крахмал. После отделения микробных клеток получают смесь непотреблённых питательных веществ и выделенных ферментов. Посредством центрифугирования тяжёлые молекулы, в данном случае ферменты, осаждаются в виде концентрированного донного осадка. Потребителям они отпускаются либо в жидком виде, либо в форме высушенного порошка.
Ферменты «на привязи»
«Переваривание» крахмала амилазами применяется при промышленном производстве виноградного сахара (глюкозы). Виноградный сахар получил своё название от винограда, в котором был найден впервые. В качестве строительного «блока» он содержится в свекловичном сахаре, молочном сахаре и крахмале.
Для получения виноградного сахара сначала распускают в воде белый безвкусный порошок кукурузного или картофельного крахмала, варят крахмальный клейстер и кипятят его несколько часов. Это делается для того, чтобы облегчить амилазам доступ к оптимальным участкам воздействия в молекуле крахмала. При температурах 35—60 °С к крахмальному клейстеру добавляют микробные амилазы. Через короткий срок весь крахмал разлагается до глюкозы, которую остаётся только очистить и высушить.
Однако в этом процессе имеется одна «загвоздка»: как и в случае с моющими средствами, ферменты могут быть использованы только единожды. И это очень досадно! Ведь они были бы в состоянии расщепить много больше крахмала, чем в этом одноразовом процессе. Однако пока что не удаётся разработать дешёвый способ извлечения ферментов из концентрированных сахарных растворов с целью повторного применения.
И вот в связи с этим в начале шестидесятых годов биотехнологам пришла в голову блестящая идея: они решили попробовать прикрепить ферменты к довольно большим, видимым невооружённым глазом шарикам таким образом, чтобы они могли по-прежнему исполнять свои функции, подобно тому как собака, посаженная на цепь, может по-прежнему лаять, а при случае и укусить. Такие ферменты уже не мобильны, то есть они не могут свободно перемещаться в растворе. Про подобные закреплённые молекулы говорят, что они иммобилизованы (неподвижны). Поэтому новый метод работы был назван методом с иммобилизованными ферментами.
Например, ферменты могут быть иммобилизованы путём химического связывания со стеклом или полимером в случае использования стеклянных или пластмассовых шариков; иммобилизация ферментов может заключаться также в том, что ферментные молекулы включаются в поры полимерных материалов. «Бегство» молекул ферментов и в том и в другом случаях становится невозможным. Шарики или пористые частицы имеют такие размеры, что могут быть без труда с помощью фильтров грубой очистки вновь выделены из биореакторов. После недолгого отмывания их можно опять применить в новом процессе; более того, многие ферменты в результате иммобилизации становятся даже стабильней, так как, располагаясь в порах губчатых материалов, они обретают защиту от разрушения «прожорливыми» микробами.
Сравнение эффективности применения растворимых амилаз и амилаз, адсорбированных (иммобилизованных) на пористых стеклянных шариках, для получения глюкозы из крахмала.
Теперь посмотрим, как применяются иммобилизованные ферменты в промышленности.
Например, амилазы, расщепляющие крахмал до виноградного сахара, иммобилизуют на пористых стеклянных шариках: они становятся прочно закреплёнными на поверхности шариков и в их порах. Иммобилизованные таким образом ферменты (то есть стеклянные шарики, «содержащие» ферменты) загружают в большую стальную колонну биореактора. Через биореактор пропускают очищенный раствор крахмала. Амилазы, иммобилизованные на стеклянных шариках, расщепляют протекающий крахмал до глюкозы. Специально установленное сито препятствует тому, чтобы шарики покидали реактор вместе с раствором глюкозы. Такой проточный реактор может работать месяцами, пока не будут исчерпаны (то есть так или иначе потеряны в результате растворения, разрушения и т. д.) до конца все амилазы или пока в биореакторе не поселятся вредные микробы.
Виноградный сахар – это ценный продукт питания для грудных младенцев, больных людей, да и для спортсменов, так как он легко и быстро усваивается организмом. Но, к сожалению, он имеет только половинную сладость по сравнению со свекловичным или тростниковым сахаром. Это легко проверить: в двух стаканах воды растворить в одном ложку свекловичного, а в другом ложку виноградного сахара; попробовав «водичку» из того и из другого стакана, можно легко убедиться, что виноградный сахар совсем не даёт привычной сладости.
В таких гигантских биореакторах (высота 30 м, вместимость 240 м 3 ) фирма Киова Хакко (Хофу, Япония) выращивает микробов, которые при участии кислорода ежегодно вырабатывают 20 000 т глутамата – соли глутаминовой кислоты (вкусовая добавка к пищевым продуктам) – и 10 000 т аминокислоты лизина, используемой как кормовая добавка.
Это отнюдь не лаборатория в космосе, а установка для иммобилизации живых дрожжевых клеток на полимерных материалах. Здесь стерильные условия – главное и обязательное требование, поэтому японские служащие надевают защитную одежду.
