Экологические аспекты современной биотехнологии
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.
В крупных городах большую
экологическую проблему представляют твердые и жидкие отходы. Ежедневно
каждый городской
житель в среднем выбрасывает 2—3 кг различных отходов, половина которых — бумага и упаковочные материалы. Только в Москве на свалку ежегодно вывозят 8—10 млн
т отходов, в том числе 5 млн т коммунальных.
Для размещения этой массы отходов в Подмосковье имеется сотни свалок;
их площадь ежегодно увеличивается на 40 га,
так как вокруг свалки создают санитарную
зону шириной 500 м. Общая площадь, занятая свалками, в Подмосковье ежегодно увеличивается на 1000 га.
На улицах Нью-Йорка ежегодна собирают
8 млн т отходов, Токио — 4,5 млн т, Лондона
— 3 млн т. Во многих приморских городах коммунальные отходы загружают в контейнеры и сбрасывают в
море.
Большую опасность, чем твердые
отходы, для экологии представляют жидкие стоки. Если в начале столетия
каждый горожанин для индивидуальных нужд потреблял в сутки 15—20 л воды, то сегодня в индустриально
развитых странах эта цифра возросла до 350—400 л. Если учесть еще индустриальный
расход воды, то на одного человека суточный
расход воды составляет около 4 м3.
В ФРГ ежегодно расходуют около 30 км3 воды, из них 7 км3 —- для индивидуальных
нужд и 24 км3 — для промышленности. Всего же население планеты ежегодно расходует около 6000 км3 воды. Эта вода в виде
стоков поступит обратно в биосферу.
Подсчитано, что за последние 100 лет промышленность выбросила в окружающую
среду более 1,5 млн т мышьяка, 1,0
млн т никеля, 900 тыс. т кобальта, 600 тыс. т цинка, 125 тыс. т ртути и миллионы тонн других веществ.
В последнее время в связи с химизацией
сельского хозяйства в водоемы и реки попадают в больших количествах
пестициды, гербициды, дефолианты, антибиотики, дезинфицирующие средства,
азотистые и фосфорные соединения. Домохозяйки и предприятия после мойки,
стирки и химической обработки одежды со стоками сбрасывают много
поверхностно-активных веществ. Энергетика и транспорт
загрязняют среду нефтепродуктами. Все это самым серьезным образом
угрожает человеку.
Экологическую ситуацию, сложившуюся в мире,
можно характеризовать так.
Последствия
Сельское хозяйство Эрозия
почвы, ее уплотнение, засорение химиката-
ми, сорняками, уменьшение гумуса
Водоемы Засорение химикатами, уменьшение рыбных запасов,
изменение водной фауны и флоры
Биосфера Исчезновение к
2000 г. 15—20 % видов животных и
растений
главным образом в результате вырубки
тропических
лесов и попадания химикатов в водоемы
Человек Болезни,
генетические сдвиги, трудности в хозяйственной
деятельности
Атмосфера, климат Засорение атмосферы газами, SO2, NaO, CO2, CO;
запыление; кислотные дожди (рН 4,5—5,7); разрушение слоя
озона от действия фреона, N2O, повышенная
радиация УФ-лучей
Суммируя сказанное и другие негативные
последствия антропогенного действия человека, экологи обоснованно предупреждают общественность и
правительства о необходимости принятия неотложных
мер по защите окружающей среды.
Характеристика стоков перерабатывающей промышленности
Состав промышленных сточных вод сильно различается и зависит от характера производства (табл. 2—4).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|