§ 56. Огляд традиційних біотехнологій

Пригадайте, що таке ферменти, інтерферони, вітаміни, антибіотики, ферменти. Яка роль дощових червів у процесах ґрунтоутворення? Що таке біологічні методи боротьби зі шкідливими видами?

Біотехнологія (від грец. біос - життя, техне - мистецтво, майстерність і логос - учення) - сукупність промислових методів, у яких використовують живі організми або біологічні процеси. Біотехнологія виникла внаслідок взаємодії біологічних, хімічних і технічних наук. Завдання цієї науки - вирішувати актуальні проблеми сучасного людства: забезпечення його продовольством, джерелами енергії, лікарськими препаратами, збереження та поліпшення стану навколишнього природного середовища.

Біохімічні процеси людина з давніх часів використовує для виробництва різних речовин і харчових продуктів (сирів, молочних продуктів, тіста, пива тощо), але сам термін «біотехнологія» у нинішньому розумінні запропоновано лише в 70-х роках XX ст.

Нині використання біотехнологічних процесів, у яких задіяні мікроорганізми, у промислових масштабах можна проілюструвати схематично (мал. 317).

Важко переоцінити роль біотехнології в галузі збереження здоров’я людини. За допомогою біотехнологій створено багато нових високоефективних лікарських препаратів (антибіотиків, вітамінів, амінокислот, гормонів та ін.) та біологічно активних сполук, препаратів, призначених для ранньої діагностики захворювань.

Цікаво знати

Уперше термін «біотехнологія» застосував угорський інженер Карл Ерекі 1917 р. для описання процесу широкомасштабного вирощування свиней. К. Ерекі запропонував використовувати цукровий буряк (сировину) як корм для свиней (біотрансформація) для отримання їхнього дешевого м’яса (кінцевий продукт).

Мал. 317. Основні етапи біотехнологічного процесу: від початкової обробки сировини до отримання очищеного кінцевого продукту

Використовують високопродуктивні штами мікроорганізмів, які дають змогу збільшити випуск високоякісних продуктів харчування (кисломолочних, сирів, пива) і кормів для тварин (силос, кормові дріжджі) тощо. Селекціонери створили штами грибів, здатні синтезувати кормові білки з відходів рослинництва, нафти й нафтопродуктів, та штами бактерій, які можуть вилучати сполуки цінних рідкоземельних елементів і дорогоцінні метали з руд і промислових відходів. Бактерії поглинають їх з навколишнього середовища та накопичують у своїх клітинах. Мікроорганізми виробляють основну кількість харчової лимонної кислоти.

В останні роки біотехнології дедалі ширше використовують для отримання біопалива. Біопаливо - органічні матеріали, які людина використовує для отримання енергії (деревина, сільськогосподарська продукція, спирти тощо).

Переваги біопалива над традиційними джерелами енергії (нафтою, природним газом, кам’яним вугіллям та ін.) полягають у тому, що воно є прикладом відновлювальних джерел енергії. Біопаливо повністю розкладається мікроорганізмами і тому не забруднює довкілля. Останнім часом як сировину для отримання біопалива використовують сільськогосподарські рослини, такі як кукурудзу та сою (у США), льон і ріпак (у країнах Європи), цукрову тростину (у Південній Америці), пальмову олію (у Південно-Східній Азії). За участі мікроорганізмів побутові та промислові відходи можна перетворювати на біогаз.

Біотехнологічні методи застосовують для очищення навколишнього середовища, зокрема стічних вод і ґрунтів, від побутового і промислового забруднення. Вони базуються на здатності гетеротрофних бактерій і грибів розкладати органічні сполуки. Штучно створені штами руйнують сполуки, стійкі до впливу природних мікроорганізмів.

Для очищення стічних вод і природних водойм використовують здатність деяких видів бактерій, водоростей, одноклітинних тварин накопичувати певні сполуки у своїх клітинах.

За допомогою різних груп мікроорганізмів можна очищувати ґрунт, стічні води тощо від різноманітних забруднювачів, зокрема пестицидів. Пригадайте: пестициди - хімічні сполуки, які використовують для боротьби зі шкідливими видами організмів (паразитичними видами, бур’янами, видами, здатними пошкоджувати запаси продуктів, будівельні матеріали, різноманітні товари, переносниками збудників небезпечних хвороб людини, свійських тварин та культурних рослин тощо).

У відходах харчової промисловості та залишках харчових продуктів залишається ще багато корисних для людини сполук. Отримати їх також допомагають методи біотехнології.

Штами мікроорганізмів, а також штучні популяції певних видів паразитичних нематод, кліщів і комах застосовують у біологічному методі боротьби зі шкідниками сільського та лісового господарств, членистоногими - паразитами свійських тварин і людини та кровосисними видами. Необхідною умовою використання організмів у біологічному методі боротьби зі шкідливими для людини видами є їхня безпечність для інших організмів. Застосування цих методів зменшує рівень забрудненості довкілля шкідливими для здоров’я людини і свійських тварин сполуками.

Цікаво знати

Біопаливом вважають будь-яке паливо, у якому вміст продуктів, отриманих від живих організмів, не менше ніж 80 % від його об’єму.

Мал. 318. Широко використовують для перероблення компостів (1) (суміш рослинних решток та посліду тварин) представника дощових червів - ейсенію пахучу (промислова назва - каліфорнійський червоний черв) (2). Наслідком діяльності ейсенії є отримання високоефективного добрива - біогумусу (3).

На великих фермах і птахофабриках личинок багатьох видів мух завдяки спеціальним біотехнологіям використовують для швидкого перероблення посліду. Ці продукти перероблення використовують як добриво; а багатих на білки личинок вбивають гарячою водяною парою та у свіжому чи висушеному і розмеленому вигляді додають до кормів; це значно збільшує приріст біомаси свійських тварин. Так само для перероблення органічних решток використовують деякі види дощових червів, наприклад каліфорнійського червоного черва (наукова назва - ейсенія пахуча). Наслідком діяльності ейсенії є створення високоефективного добрива - біогумусу. За допомогою селекції створено високопродуктивні поліплоїдні форми цих тварин (мал. 318).

Галузі господарства, де використовують біотехнологічні процеси, наведено в таблиці 10.

Отже, у своїх дослідженнях біотехнологія взаємодіє з різними науками (мал. 319).

Таблиця 10

Застосування біотехнології в господарстві людини

Технологія	Галузь господарства
Технологія	охорона здоров’я	харчова промисловість	сільське господарство	енергетика	хімічна промисловість
Бродіння	Ферменти, вітаміни, амінокислоти, діагностичні препарати	Лимонна кислота, ферменти, біополімери, виноробство, пивоваріння	Біологічні препарати для боротьби з видами-шкідниками	Енергетичні сполуки (етанол, біогаз тощо)	Етилен, ацетон, бутанол тощо
Генна інженерія	Інтерферони, гормони, вакцини		Біологічні препарати для боротьби зі шкідливими видами
Клітинна інженерія (культури клітин і тканин)	Інтерферони, вакцини, антитіла	Кормові білки	Клонування свійських тварин

Цікаво знати

Підраховуючи кількість клітин кишкової палички в певному об’ємі води, визначають її чистоту: що більша їхня кількість, то вищий вміст органіки у воді й то більше вона забруднена.

Запам’ятаємо: біотехнологія - це комплекс різних наук і технічних засобів, спрямованих на використання різних біологічних систем (вірусів, бактерій, одноклітинних та багатоклітинних еукаріотів) з метою отримання комерційного продукту, яким можуть бути як самі організми, так і продукти їхньої життєдіяльності (ферменти, інтерферони, антибіотики, вітаміни тощо).

Мал. 319. Біотехнологи використовують результати досліджень різних наук

У своїй роботі біотехнологи використовують різні типи біологічних систем: віруси, мікроорганізми, багатоклітинні організми, їхні клітинні лінії тощо. Досить часто такі біологічні системи зазнають генетичної модифікації: їхній спадковий матеріал змінюється (про це йтиметься у § 58). Класичним об’єктом, який застосовують у біотехнології, є бактерія кишкова паличка. Ця бактерія входить до складу нормальної мікрофлори кишечнику людини, але трапляється і за його межами - у ґрунті та водоймах.

У біотехнологічних процесах часто застосовують клітинні культури - генетично однорідні групи клітин, які утримують за певних умов на штучних поживних середовищах. Завдяки клітинним культурам людина може отримувати цінні біологічно активні речовини, такі як гормони, антибіотики, інтерферони, вітаміни.

Основні напрями досліджень у сучасній біотехнології такі: розроблення наукових засад створення нових біотехнологій за допомогою методів молекулярної біології, генетичної та клітинної інженерії; одержання й використання біомаси мікроорганізмів і продуктів мікробіологічного синтезу.

Коротко про головне

Біотехнологія - сукупність промислових методів, у яких використовують живі організми або біологічні процеси. Вона виникла внаслідок взаємодії біологічних, хімічних та технічних наук. Біотехнологія покликана вирішувати актуальні проблеми сучасного людства: забезпечення його продовольством, джерелами енергії, збереження здоров’я, збереження та поліпшення стану навколишнього природного середовища.

У своїй роботі біотехнологи використовують різні типи біологічних систем: віруси, мікроорганізми, багатоклітинні організми, їхні клітинні лінії тощо. Досить часто такі біологічні системи зазнають генетичної модифікації: їхній спадковий матеріал змінюється. У біотехнологічних процесах часто застосовують клітинні культури - генетично однорідні групи клітин, що утримуються на штучних поживних середовищах за певних умов.

Ключові терміни та поняття: біотехнологія, клітинні культури, пестициди, біологічні методи боротьби, біопаливо.

Перевірте здобуті знання

1. Що таке біотехнологія? 2. Які завдання стоять перед біотехнологією? 3. З якими біологічними науками взаємодіє біотехнологія? 4. Які основні етапи біотехнологічного процесу? 5. Який зв’язок має біотехнологія із збереження й поліпшення стану навколишнього природного середовища?

Поміркуйте

Які перспективи в майбутньому відкривають перед людством застосування біотехнологій?