Белковые препараты на основе биомассы микроорганизмов (макронутриенты)

Согласно известному способу в процессе биологической утилизации загрязняющих органических соединений микроорганизмы-утилизаторы проходят стадию размножения, однако при исчезновении источников питания погибают, их концентрация постепенно стремится к фоновому (природному). В способе-прототипе упомянута возможность регулирования конечного содержания биомассы микроорганизмов, однако приведены признаки, обеспечивающие сведение их конечного содержания к минимуму, чтобы предотвратить вторичное (биологическое) загрязнение. По способу-прототипу вещественный и энергетический потенциал смеси органических веществ доступен для ограниченного перечня биологических культур (несколько сотен видов микроорганизмов-утилизаторов), но недоступен для большинства штаммов микроорганизмов-продуцентов, а также для других форм жизни (зоопланктон, насекомые, рыбы, птицы). Состав образующейся биомассы микроорганизмов-утилизаторов не контролируется, и эта биомасса не может быть использована в качестве питательного субстрата для микроорганизмов-продуцентов полезных продуктов.

Вместе с тем, биомасса микроорганизмов-утилизаторов (на пике ее содержания) представляет большую ценность в роли объекта биологической или технической трансформации или иного использования. Перерабатываемые микроорганизмами органические соединения обычно присутствуют в почве, воде и подобных средах в форме химических загрязнителей, но сюда же следует отнести и химические отходы производства. При постановке задачи изобретения к числу загрязнителей отнесены органические вещества, проникшие в окружающею среду и находящиеся в ней в концентрациях, превышающих ПДК, а к числу отходов - органические вещества, исключенные или недоступные более для технологического процесса. Обычно такие отходы накапливают в отстойниках или на токсичных полигонах и хранят в изолированных от природной среды условиях при концентрациях, на несколько порядков выше ПДК. В обоих случаях в целях заявленного изобретения почва, вода и подобные им среды, содержащие органические загрязнители, а также непосредственно отходы или их смеси выступают в качестве объекта переработки и обобщенно именуются перерабатываемой средой, а качественный состав этой среды и концентрация органических соединений не лимитируется.

Целью изобретения является более рациональное использование органических веществ, входящих в состав перерабатываемой среды, обеспечивающее получение полезных продуктов.

Технической задачей изобретения является биологическая детоксикация загрязняющих органических соединений и их смесей до уровня ПДК с переводом этих веществ в форму, пригодную для полезного использования. Другими словами, поставлена задача трансформировать физическую массу загрязнений в биомассу микроорганизмов, которая может быть выделена и использована либо непосредственно как продукт или сырье, либо в качестве питательного субстрата для широкого круга биосистем.

Поставленная задача решается тем, что в способе биологической утилизации органических соединений и их произвольных смесей, включающем определение содержания органических соединений в перерабатываемой среде, селекцию аборигенных микроорганизмов, внесение их в перерабатываемую среду с добавлением макро- и микроэлементов и регулирование физико-химических характеристик перерабатываемой среды упомянутые микроорганизмы дополнительно селектируют по признаку наибольшей скорости прироста биомассы, количество вносимых активирующих макро- и микроэлементов регулируют относительно энергии загрязняющих органических соединений, а процесс биологической утилизации проводят в режиме наращивания конечной биомассы упомянутых микроорганизмов. Для этого обеспечивают суммарное содержание в перерабатываемой среде азота, фосфора, калия, магния, серы в пределах (1-8)·10-3 кг на 1 МДж энергии органических соединений с учетом их наличия в среде, суммарное количественное содержание железа, цинка, марганца, молибдена, кобальта, бора - в пределах 1,1-10-7-1·10 -5 кг на 1 МДж энергии органических соединений с учетом их наличия в среде. Контролируя процесс, снижают концентрацию загрязняющих органических соединений до уровня ПДК, после чего накопленную биомассу используют как ценный биологический продукт, а именно либо оставляют в перерабатываемой среде и используют в качестве удобрения, либо выделяют и используют в качестве биотехнологического сырья или в качестве многоцелевого субстрата для выращивания микроорганизмов-продуцентов полезных продуктов.

Как указано выше, под упомянутым энергетическим потенциалом загрязнителей понимается количество энергии, выделяемой при их полном окислении в атмосфере кислорода, т.е. при переводе углерода в СО2, водорода в H2O, серы в SO4 и т.д.

Способ по изобретению состоит из следующих этапов: а) селектирование микроорганизмов; b) внесение их в перерабатываемую среду; с) внесение веществ-активаторов; d) создание условий, оптимальных для выращивания биомассы микроорганизмов; е) использование полученной биомассы.

Признаки изобретения, общие с прототипом:

- для селекции используют аборигенные микроорганизмы;

- при селекции микроорганизмов выделяют консорциум, способный интенсивно утилизировать целевые (имеющиеся в наличии) органические соединения;

- микроорганизмы вносят в перерабатываемую среду в количестве 0,001 до 30 кг/м3;

- в качестве активирующих добавок используют азот, фосфор, калий, магний и серу;

- корректируют физико-химические показатели среды, в которой работают микроорганизмы.

При решении технической задачи обеспечивают режим прироста биомассы вплоть до момента окончания процесса утилизации. Для этого используют существенные признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа:

- микроорганизмы дополнительно селектируют по признаку скорости синтеза биомассы и выделяют наиболее продуктивный консорциум;

- количественное содержание макро- и микроэлементов увязывают с энергетическим потенциалом перерабатываемых органических соединений;

- макроэлементы добавляют из расчета (1-8)·10-3 кг на 1 МДж энергии загрязняющих органических соединений;

- микроэлементы добавляют из расчета 1,1·10-7-1·10-5 кг на 1 МДж энергии загрязняющих органических соединений;

- накопленную биомассу микроорганизмов-утилизаторов используют в качестве биотехнологического продукта.

Данные об энергетическом потенциале загрязнителей, необходимые для расчета количества добавок в заявленных пределах, содержатся в химических справочниках (см., например, «Краткий химический справочник» под ред. В.А.Рабиновича. Изд-во «Химия». Л., 1977).

Перечисленные условия необходимы и достаточны для непрерывного увеличения биомассы микроорганизмов-утилизаторов от момента внесения до момента утилизации загрязняющих органических соединений. Однако применительно к конкретным техническим задачам некоторые признаки могут быть конкретизированы.

В частности, при утилизации загрязнений до уровня ПДК наращивание биомассы более эффективно при выполнении следующих условий:

- при соотношении макроэлементов в пределах N:Р:К:Mg:S=(6-14):(1-3):(1-3):(0,01-0,1):(0,05-0,2);

- при соотношении микроэлементов в пределах Fe:Zn:Mn:Mo:Co:В=(1-5):(0,1-2,2):(0,1-2,4):(0,1-0,6):(0,01-0,4):(0,01-0,3);

- при содержании кислорода в среде в пределах от 2·10-3 до 1,4 кг/м3;

- при концентрации солей щелочных и щелочноземельных металлов в перерабатываемой среде не выше 380 кг/м3;

- при концентрации солей тяжелых металлов в перерабатываемой среде не выше 180 кг/м3;

- в ряде случаев концентрацию солей тяжелых металлов до требуемого уровня можно понизить методом электролиза;

- если продукты электролиза ингибируют процесс размножения микроорганизмов, электроды можно изолировать мембранами;

- если концентрация органических соединений слишком велика (например, отходы химпроизводства), для удобства можно добавить нейтральный наполнитель (например, песок).

Полученная биомасса микроорганизмов-утилизаторов может быть использована, в частности, для выделения тяжелых металлов, получения биогаза, рибофлавина, лизина, связанного азота, средств защиты растений. Кроме того, биомасса может быть оставлена в почве в качестве азотного или иного удобрения и микроэлементов, а также выделена и использована в качестве источника питания для многоклеточных организмов и животных или сожжена в целях консервации углерода.

Селекцию аборигенных микроорганизмов после взятия проб проводят в три этапа следующим образом. На первом этапе на твердых средах выделяют микроорганизмы, способные усваивать перерабатываемые органические соединения. Такие виды всегда присутствуют в загрязненной среде. На втором этапе из выделенной колонии микроорганизмов на твердых средах проводят засев для периодического культивирования. Питательную среду готовят в лабораторных условиях, используя утилизируемые органические соединения и активирующие минеральные компоненты. Для дальнейшей работы оставляют только те виды, которые дают наибольший прирост биомассы в пересчете на 1 МДж энергии органических соединений, для чего проводят селекцию по двум показателям: по скорости размножения и по продуктивности биомассы. Последний показатель зависит от жизнестойкости вида и условий среды обитания. Селекцию проводят с применением проточной системы культивирования, работающей в режиме хемостата. Ферментёр хемостата засевают культурами, выделенными на втором этапе. Ступенчато повышая скорость протока питательной среды и контролируя концентрацию организмов, выделяют культуры, совмещающие высокую скорость размножения с высокой биопродуктивностью. Непригодные для решения поставленной задачи микроорганизмы вымываются их системы. В результате селекции получают уникальный для решаемой задачи консорциум, который размножают в требуемом количестве.

На практике по мере включения микро- и макроэлементов в биомассу за время t происходит неуклонное снижение концентрации активирующих добавок как обязательных строительных компонентов для прироста биологической массы m. В силу этого показатель dm/dt может стремиться к нулю или принимать отрицательное значение, как это происходит в способе-прототипе. На основе закономерностей процессов метаболизма и микробиологических экспериментов нами определены и введены в формулу изобретения диапазоны общего количества добавок и интервалы их относительного содержания, обеспечивающие dm/dt>0 и наибольший выход биомассы. Теоретически на 1 МДж энергии, заключенной в утилизируемом органическом соединении, можно получить на выходе не более 3,4·10-2 кг сухой биомассы. Опытным путем установлено, что при найденных диапазонах кислотности, содержания кислорода и активирующих добавок обеспечивается стабильный выход биомассы микроорганизмов в количестве (1,1-3,4)·10-2 кг/МДж, или 30-100% от возможного в пересчете на абсолютно сухой вес. Часть энергетического потенциала органики в процессе биосинтеза переходит в тепло, часть вещественного потенциала в формы, которые невозможно использовать, а указанный диапазон характеризует эффективность и КПД процесса.

В силу физико-химических особенностей некоторых органических соединений их утилизация протекает при малой скорости размножения микроорганизмов. При низких значениях удельной скорости прироста биомассы, а именно при времени удвоения числа клеток примерно 70 часов, вещественный и энергетический потенциал веществ расходуется не на накопление биомассы, а на поддержание жизни клеточных организмов, что снижает общий экономический коэффициент по источникам углерода и энергии. Кроме того, в перерабатываемой среде всегда имеются какие-либо ингибирующие факторы, которые следует устранить или скорректировать, поэтому для грамотного использования способа необходимо учитывать общие сведения по микробиологии. Для повышения конечного выхода биомассы среду оптимизируют по таким показателям, как содержание макро- и микроэлементов на единицу энергетического потенциала органики, концентрация солей щелочных, щелочноземельных и тяжелых металлов, массовое содержание кислорода, кислотность. Опытным путем нами установлено, что для быстрого и стабильного прироста биомассы необходимо поддерживать содержание кислорода в реакционной зоне от 2-10-3 до 1,4 кг/м3 при кислотности рН 5-7,5. Источники макро- имикроэлементов могут быть не только внешние, но и внутренние. При внесении активирующих добавок в указанных выше количествах и соотношениях обязателен учет их содержания в перерабатываемой среде. Температуру выбирают выше нуля, преимущественно 15-35°С. При отклонении от указанных параметров биохимический состав произведенной биомассы становится обедненным, несбалансированным, и для использования ее в качестве универсального субстрата требуется дополнительная коррекция, что снижает экономический эффект от применения способа.

Макронутриенты – пищевые вещества, необходимые в больших количествах организму, в десятках граммов в сутки. Это белки, углеводы, жиры – основные компоненты, которые дают энергию и материал для обновления организма. Также к макронутриентам относят воду, необходимую ежедневно в количестве полутора – двух литров.

Микронутриенты – пищевые вещества, которые требуются организму в малых количествах – в долях грамм (миллиграммах, микрограммах). Это витамины, ряд минеральных веществ, принимающие участие в процессе усвоения энергии, в координации различных функций, в процессах развития и роста организма.

 

Заключение

В заключение хочу сказать, что широкое использование микроорганизмов не может не порождать новых взаимоотношений с живой природой, что вполне естественно ведет к желанию осмыслить сами эти взаимоотношения и соотнести их со сложившимися представлениями, с одной стороны, о роли живой природы в жизнедеятельности человека, а с другой - о роли человека в биотическом круговороте биосферы.

Имеющийся пока не слишком богатый опыт развития биотехнологии все-таки содержит в себе много непривычного и вместе с тем многообещающего для возможной оптимизации человеческой жизнедеятельности.

А остро вставшая перед Homo sapiens проблема самосохранения вынуждает его к лихорадочным поискам возможных вариантов стратегии своей жизнедеятельности. Этому привлечению природы, причем именно мира микроорганизмов, и положила начало новая биотехнология.

Можно, видимо, сказать, что биотехнология в совокупности с другими научными направлениями открывает новую эру взаимодействия человека с окружающей средой и, особенно, с живым веществом биосферы.

«Явившись прямым результатом научных разработок, биотехнология оказывается непосредственным единением науки и производства, еще одной ступенькой к единству познания и действования, еще одним шагом, приближающим человека к преодолению внешней и к постижению внутренней целесообразности».

И все-таки она является только небольшим шагом. Поскольку, как заметил Б. Шоу, наука всегда ошибается. Она никогда не разрешает какой-то проблемы, не создав еще десять новых.

Биотехнология сама оказывается всего лишь крупной индустрией, соединением технических и биологических элементов и, естественно, наследует отрицательные свойства уже существующего индустриально-промышленного комплекса.

Их действительное преодоление и решение проблемы человека предполагают выход человечества на новые, более совершенные ступени социально-культурного развития, основанного на новых способах познания и действования.

Поэтому весьма существенное значение приобретает проблема выбора стратегии взаимодействия человека и природы: или это самонадеянное управление природой или же сознательное и целенаправленное приспособление всей жизнедеятельной деятельности, к существующему биотическому круговороту биосферы.

В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК, гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее.

Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные вещества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности, названная «индустрией ДНК». Это одна из современных ветвей биотехнологии.

Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления генетической активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных соединений.

 

Список литературы

1. Пищевая биотехнология. Голубев В.П.. Жиганов И.И- - М.: ДеЛи принт, 2001

2. Шидловская В. П. Органолептические свойства молока и молочных продуктов: Справочник / В. П. Шидловская.- М.: Колос, 2000.

3. Химия пищи. Ч.1,.- М.: Колос, 2004.

4. Химия пищи. Ч.2, - М.: Колос, 2004.

5. Никульников В.С. Технология переработки и хранения продукции животноводства.-Орел: Изд-во ОГУ, 2003.