169362 (Экологические аспекты современной биотехнологии)

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВРЕМЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

О.В. Мосин

Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая зародилась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики, цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники позволили получить новые сведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрый рост численности населения нашей планеты и увеличение потребления природных ресурсов при постоянном уменьшении площадей агросферы — главного источника питания, корма и сырья для перерабатывающей промышленности — уже более не позволяют развивать отечественную экономику старыми советскими методами. При этом существенная роль в этом процессе должна уделяться экологии. Но уже сегодня очевидно, что необходимо увеличивать продуктивность как агросферы, так и техносферы.

И хотя сегодня мы наблюдаем неоправданные восторги в связи с наступлением научно-технической революции и ностальгию по уходящей эпохе с ее экстенсивными методами производства. Несомненно то, что научный прогресс в сово­купности с экологическим мышлением является основой развития человеческого общества.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Среди ученых нет единого точного определения понятия «биотехнология». Можно сказать, что биотехнология изучает методы получения полезных для человека веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клеток биоло­гические структуры. Биотехнология позволила управлять клеточным биосин­тезом микроорганизмов, но биотехнология — понятие более широкое, чем микробный синтез, поскольку используются не только микроорганизмы, но и культуры растительных и живот­ных тканей, протопласты, клеточные ферменты и любые биологи­ческие системы, способные к биосинтезу или биоконверсии.

В биотехнологии широко используются генетическая и клеточная инженерия, культивирование тканей многоклеточных организмов, иммунокоррекция, манипуляция с половыми клетка­ми и др. Тесно связана с биотехнологией биоинженерия. Ее задачи — создание биореакторов, аэрирующих устройств, оборудования для стерилизации питательных сред и воздуха, разработка контрольной и измерительной аппаратуры, а также мас­штабирование и моделирование биотехнологических процессов. Биотехнология также связана с такими науками, как физиология микроорганизмов, растений и животных, цитология, биохимия, гене­тика, биофизика, молекулярная биология.

Сегодня многочисленные биотехнологические процессы широко используются в отечественной пищевой промышленности. С их помощью удается увеличить продуктивность сельского хозяйства. С развитием биотехнологии поднялась на новый уровень фармацевтическая промышленность, возрастает роль биотехнологии в защите окружающей среды. Биотехноло­гия вторгается в металлургию и горнодобывающую промышлен­ность, добычу нефти, развивается новая отрасль — биогеотехнология.

Сама биотехнология возникла в процессе развития технической микробиологии. Люди пользовались одноклеточными микроорганизмами давно, даже не подозревая об их существовании, хотя таинственные процессы брожения и необъяснимая фер­ментативная активность природных субстратов привлекали вни­мание химиков еще в XVIII веке.

Например, способность дрожжей образовывать спирт в сахарсодержащих растворах знали шумеры и вавилонцы за 6 тыс. лет до н. э. Египтяне стали применять дрожжи для выпечки хлеба в четвер­том тысячелетии до н. э.

Знакомство людей с микромиром, а также осознание незаменимости микроорганизмов в саморегулирующихся механизмах биосферы стали возможны благодаря открытиям Л. Пастера. В процессе изучения микроорганизмов изменились наши пред­ставления о сущности живых организмов, о возникновении и эволюции жизни на Земле, о круговороте веществ в биосфере и о причинах возникновения инфекционных заболеваний. После открытий Л. Пастера последовали новые выдающиеся открытия, на основе которых микроорганизмы стали сознательно применять для производства ряда важных продуктов. Были созданы ме­тоды профилактики и лечения живых организмов.

На Третьем съезде Европейской ассоциации биотехнологов (Мюнхен, 1984 г.) голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю биотехнологии на пять периодов, или эр.

Допастеровская эра Использование спиртового и молочнокислого броже-

(до 1865 г.) ния при получении пива, вина, хлебопекарных и пив-

ных дрожжей, сыра. Получение ферментированных продуктов и уксуса

Послепастеровская эра Производство этанола, бутанола, ацетона, глицеро-

(1866—1940 гг.) ла, органических кислот и вакцин. Аэробная очистка

канализационных вод. Производство кормовых дрож­жей из углеводов

Эра антибиотиков Производство пенициллина и других антибиотиков

{1941 — 1960 гг.) путем глубинной ферментации. Культивирование рас-

тительных клеток и получение вирусных вакцин. Микробиологическая трансформация стероидов

Эра управляемого биосин- Производство аминокислот с помощью микробных
теза (1961 — 1975 гг.) мутантов. Получение чистых ферментов. Промыш-

ленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Анаэробная очистка канализационных вод и получение биогаза. Производство бактериальных полисахаридов

Эра новой биотехнологии Использование генной и клеточной инженерии в це-
(после 1975 г.) лях получения агентов биосинтеза. Получение гиб-

ридов, моноклональных антител, гибридов из прото­пластов и меристемных культур. Трансплантация эм­брионов

В XX веке учёным удалось расшифровать многие тайны природы, установить биохимическую и физико-химическую сущность жизнен­ных процессов. Освоение новых биологических методов определя­ет развитие других наук. В биотехнологии наряду с микробиоло­гами, биохимиками работают вирусологи, генетики, цитологи, биофизики, электронщики, автоматчики, кибернетики.

Новая биотехнология началась после открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком строения генетического материала — ДНК- Главным объектом исследований до сих пор остается живая клетка, но центральное место в биотехнологических экспериментах занимают, пожалуй, манипуляции с ДНК. Пользуясь методами гене­тической инженерии, создают искусственные, заранее запрограм­мированные генетические структуры в виде рекомбинантных молекул ДНК, осуществляют трансплантацию генов между раз­ными видами микробных клеток, а также между клетками одноклеточных и многоклеточных организмов. Пристальное внимание современных исследователей привлекают биологические мем­браны. Создана теория хемоосмотической циркуляции протонов в биологических мембранах.

Весьма многообразны биотехнологические манипуляции с клеточными структурами и протопластами. Например, в результате искус­ственного слияния лимфоцитов и меланомных клеток (разновид­ность опухоли) получены гибридомы, которые синтезируют моноклональные антитела, имеющие важное значение в иммуно­логических реакциях. Учение о моноклональных антителах — важный раздел современной биотехнологии.

В 1972 г. Дж. Эдельманом, Р. Портером установлен химический состав антител — важного фактора иммунологической си­стемы человека и животных. В 1975 г. путем гибридизации сома­тических клеток получены гибридомы, секретирующие монокло­нальные антитела.

К числу последних достижений биотехнологии можно отнести разработанные А. С. Спириным основы бесклеточного синтеза белка в протоке, создание новых генно-инженерных сортов растений и животных, клонировании животных.

Дальнейший прогресс человечества связывают с широким применением во всех сферах жизни биотехнологии. В промышленно развитых странах объем выпуска химических веществ, полученный микробным синтезом, составляет 8—10% всей химической продукции.

Продукты биотехнологической промышленности можно условно разделить на крупнотоннажные (этанол, дрожжи, органические кислоты, фруктозные сиропы) и медикаменты, аминокислоты, гормоны и другие продукты тонкого микробного синтеза.

Биотехнологические методы широко применяют в медицине и сельском хозяйстве. Уже сейчас в производственных условиях выращивают клеточную массу женьшеня, биотехнологические методы применяют при создании новых сортов культурных и декоративных растений, при оздоровлении картофеля и других растений.

Генетические манипуляции, которые проводят в настоящее время с половыми клетками и эмбрионами животных, позволяют ускорить размножение высокопродуктивных животных для их дальнейшего клонирования.

МИРОВАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ И РОЛЬ БИОТЕХНОЛОГИИ В ЕЕ УЛУЧШЕНИИ.

Интенсификация сельского хозяйства, технический прогресс в промышленности, на транспорте привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека. Промышленные предприятия загрязняют атмосферу газообразными и твердыми выброса­ми, водоемы — стоками, которые содержат большое количество вредных, а иногда и сильно ядовитых веществ, от которых стра­дают фауна и флора. Эти вещества через растения и животных поступают в пищу человека. Химизация сельскохозяйственного производства также приводит к загрязнению почвы, водоемов, воздуха, пищевых продуктов. В некоторых регионах и городах планеты создалась напряженная экологическая ситуация.

Вторая половина ушедшего столетия характеризовалась бурным развитием техники, индустриализацией народного хозяйства, интенсификацией производства пищевых продуктов для обеспечения питанием непрерывно увеличивающегося населения плане­ты. В 2000 году населе­ние земного шара составляло 7 млрд против 5 млрд в 1986 г. Отмечается тенденция к росту городского населения. Такая демографическая ситуация отрицательно влияет на экологию.

Рост населения Земли требует увеличения ресурсов продовольствия. В период так называемой «зеленой революции» (1956— 1970 гг.) в мире было достигнуто среднегодовое увеличение продуктов питания на 2,2 % в результате селекции высокоуро­жайных сортов сельскохозяйственных растений, широкого приме­нения минеральных удобрений, гербицидов, пестицидов, иррига­ции земель, механизации.

Стремление увеличить ресурсы питания приводит к быстрому ухудшению экологической ситуации в сфере сельскохозяйственного производства. Происходят истощение почвы (уменьшение гумуса), ее уплотнение и засорение минеральными веществами, ядохимикатами, загрязнение водоемов, продуктов питания. В ре­зультате недостатка в почве органических удобрений в последнее время наблюдалось существенное снижение гумуса.

Потери гумуса в процессах минерализации при культивировании различ­ных культур приведены ниже.

Овощные культуры и картофель

Зерновые

Травы

однолетние

многолетние

Потери гумуса, кг/га в год

1300—1800 700—900

500—700 700—900

Некоторые фермерские хозяйства, издавна широко применяют в качестве органического удобрения навоз. В среднем 1 т навоза дает 40—50 кг гумуса. Ежегодно на 1 га земли вносят 10—20 т навоза, что позволяет возобновить запасы гумуса.

Необходимо отметить, что на фоне недостатка гумуса в почвах снижается эффективность применения минеральных удобре­ний. В 1948 г. в Чехословакии 1 кг минеральных удобрений обеспечивал получение 100 кг пшеницы или 162 кг зерна кукуру­зы. Двадцать лет спустя (1968 г.) то же количество минеральных удобрений дали лишь 26 кг пшеницы или 34 кг кукурузы (Малек, 1978).

Эффективность использования 1 т навоза видна из приведенных ниже данных.

Пшеница озимая

яровая Рожь

Многолетние травы для сена Зеленая масса для силосования

Сахарная свекла

Картофель

Прибавка урожая, кг

27

17

24

36 153 182 101

Производство минеральных удобрений связано с большим потреблением энергии. Снижение эффективности минеральных удобрений наблюдается, в частности, в западных странах. Об этом свидетельствуют средние данные за 1940 и 1985 гг. (табл. 1). В 1940 г. почвы содержали достаточно гу­муса. Как видно из таблицы, увеличение количества вносимых в почву минеральных удобрений в 11,5 раза дало рост урожая зер­новых всего на 13,5%. Одновременно применение минеральных удобрений на фоне низкого содержания в почве органических веществ вызывает большой унос минеральных веществ с водой, что ухудшает экологическую ситуацию в регионе.

Создание больших животноводческих комплексов также привело к загрязнению атмосферы веществами с неприятным запахом и патогенными микроорганизмами, почвы — сорняками, водоемов — патогенными микроорганизмами и гельминтами. В последнее время много пишется о загрязнении ядохимикатами почвы, водоемов и сельскохозяйственной продукции. Российское овощеводство и садоводство имеют в этом смысле очень горький опыт. Но это касается не только России. Развитые сельскохозяйственные страны мира допускают увеличение содержания нитратов в овощах до 900 мг/кг при норме 300 мг/кг, а во фруктах, до 1000 мг/кг и выше. Сами по себе нитраты малотоксичны, но в орга­низме они преобразуются в нитриты, которые могут участвовать в образовании ядовитых веществ — нитрозаминов. Присутствие в среде нитритов сильно замедляет рост хлебопекарных дрож­жей, поэтому регулярно определяют присутствие нитритов. Хуже дело обстоит с контролем пищевых продуктов, в частности пло­дов и овощей. Необходимо отметить, что при больших нагрузках минерального азота в процессах денитрификации возможно образование не только азота, но и его оксида (N₂O), который подобно фреону может отрицательно влиять на озоновый слой, окружающий планету. Таким образом, чрезмерное использование минеральных удобрений в земледелии может вызвать глобальные отрицательные последствия.

Интенсификация сельскохозяйственного производства связана и с ирригацией. К началу XXI века в мире ожидается увеличение расхода воды на 200—300 %, главным образом для нужд ирригации. Это потребует дополнительные источники пресной воды, а также увеличит угрозу загрязнения водоемов.

Индустриализация народного хозяйства связана с увеличением потребления энергии, превращением сельскохозяйственных угодий в дороги, строительные площадки, созданием крупных заводов, выбрасывающих в атмосферу и водоемы вредные ве­щества. Тревогу вызывает также усиление вырубки леса. Умень­шение лесных массивов отрицательно влияет на водный режим, приводит к изменению ландшафта, уничтожению многих видов фауны и флоры, особенно в субтропических зонах, ухудшает газообмен в атмосфере и очистку воздуха. Загрязнение атмосфе­ры диоксидом серы приводит к «кислотным дождям», атомная энергия опасна радиоактивным заражением среды в случае ава­рий. Строительство гидроэлектростанций связано с затоплением сельскохозяйственных угодий, уменьшением рыбных ресурсов, ухудшением самоочищения воды и рядом других последствий.

Российским учёным хорошо известно, что крупнейшие реки Волга, Днепр, Обь, Иртыш и озера Байкал, Севан, Ладожское и другие страдают от сброса сточных вод промышленных предприятий и агропромышленного комплекса.

Серьёзная экологическая ситуация складывается и на биохимических заводах, производящих кор­мовые дрожжи на основе парафинов нефти. Здоровью чело­века угрожают не только стоки, но и атмосферный воздух, в ко­тором увеличено содержание дрожжей из рода Candida. Дейтельность таких заводов сейчас в основном, приостановлена.