Микроорганизмы в производстве индивидуальных веществ и препаратов

Микробиологические процессы играют значительную роль при получении индивидуальных веществ разного назначения (табл. 17.4). С помощью микроорганизмов получают как простые органические и неорганические вещества, так и соединения со сложной структурой, химический синтез которых невозможен или крайне неэффективен и дорог. В качестве продуцентов используются как микроорганизмы, выделенные из естественных мест, так и мутанты и искусственно «сконструированные» штаммы.

Таблица 17.4

Некоторые индивидуальные соединения, получаемые с помощью микроорганизмов.

Наряду с химическим синтезом органических кислот и спиртов из нефти на современном этапе разрабатываются и производственные процессы получения этих соединений биотехнологическим путем. Спирты (в основном, этанол) — это традиционные соединения, которые легко получить с помощью микроорганизмов. Производство спирта может быть основано на использовании пищевых субстратов и отходов пищевых производств, а также технического сырья, которое подвергают гидролизу, в том числе неферментативному, с образованием сахаров. Например, можно получать спирт на древесных опилках, подвергнутых щелочному гидролизу. Новым направлением в биотехнологии спиртов является применение в качестве продуцентов термофильных анаэробных бактерий, обладающих собственными мощными гидролазами. В этом случае достигается значительное ускорение процесса, так как исключается стадия предварительного гидролиза сырья, а повышенная температура культивирования увеличивает скорость реакций. Повышение активности и стабильности процесса получения спирта из растительной массы может быть достигнуто также при использовании устойчивых микробных ассоциаций. Высокий выход конечного продукта возможен при многократном применении иммобилизованных клеток микроорганизмов.

Для получения некоторых органических кислот используют плесневые грибы, осуществляющие неполные окисления, а ряд аминокислот образуют коринебактерии. L-формы аминокислот можно синтезировать исключительно микробиологическим путем.

Преобразование сельскохозяйственных отходов в биогаз (метан в смеси с углекислым газом) осуществляется под действием естественно сложившихся метаногенных микробных сообществ в анаэробных условиях. Такие микробные сообщества основаны на тесных взаимодействиях микроорганизмов разных систематических и физиологических групп. Процесс начинается с гидролиза биополимеров растительного и животного сырья и отходов внеклеточными ферментами клостридий. Далее продукты гидролиза подвергаются брожениям разных типов под действием энтеробактерий, клостридий, МКБ и других бродильщиков с образованием смеси летучих жирных кислот, спиртов и газов. Потом продукты брожения используются бактериями-синтрофами, продуцирующими субстраты метаногенеза (Н₂, С0₂ и ацетат). Завершающая стадия процесса заключается в образовании биогаза метаногенными археями. Переработку отходов сельского хозяйства в биогаз проводят в специальных резервуарах (метантенках) при 54—56°С. Загружаемое сырье содержит некоторое количество кислорода, но он быстро используется естественной аэробной и факультативно анаэробной микробиотой сельскохозяйственных отходов. Повышение температуры процесса не только увеличивает скорость переработки, но и способствует обеззараживанию перерабатываемых отходов. Микробиологическая переработка растительного и животного сырья является наиболее эффективным способом уничтожения сельскохозяйственных отходов, сопровождающееся получением полезных продуктов.

Молекулярный водород выделяется при некоторых видах брожения и при азотфиксации. В качестве продуцентов водорода в настоящее время изучают фототрофные микроорганизмы, способные расти при освещении на очень простых средах (например, пурпурные бактерии). Повышение выхода газа может быть достигнуто путем иммобилизации клеток на пористом стекле или внутри гранул различных гелей.

Убеждение в конечности запасов полезных ископаемых и необходимости перехода на возобновляемые источники энергии диктует необходимость разработки производственных биотехнологических процессов получения биотоплив (спиртов, органических кислот и газов) наряду с уже имеющимися химическими путями синтеза топлива из нефти. Спирты (в частности, этанол) давно известны как традиционные энергосоединения и легко могут быть получены с помощью микроорганизмов разных групп, использующих различные виды сырья. Применение микробных сообществ способствует повышению активности и стабильности процесса получения биотоплива из растительной массы и других сельскохозяйственных отходов. Как перспективное возобновляемое биотопливо в настоящее время рассматривают молекулярный водород. Метан в смеси с углекислым газом (биогаз) может быть получен при микробиологической переработке растительного и животного сырья в сельском хозяйстве или при уничтожении промышленных и бытовых отходов. Такая конверсия является не только наиболее эффективным способом преобразования отходов, но и сопровождается получением полезных энергопродуктов. Использование микроорганизмов для получения биогаза позволяет комплексно решать проблемы малой энергетики, получения новых возобновляемых энергоресурсов и перехода к безотходным технологиям.

Значительное место микробиологические процессы занимают в фармацевтической промышленности, в первую очередь при производстве витаминов, антибиотиков, ферментов и стероидных гормонов. Сложный по химической структуре витамин В₁₂ синтезируют для медицинских целей бактерии родов Pseudomonas и Propionibactenum. Кормовой препарат витамина В₁₂ получают при экстракции осадков мегантенков. Витамин В₂ (рибофлавин) в больших количествах образуют фитопатогенные грибы, выделяя его избыток в среду.

Основными продуцентами при производстве антибиотиков служат плесневые грибы рода Penicillium и бактерии родов Streptomyces и Bacillus. Синтез антибиотиков у микроорганизмов происходит после окончания активного роста культуры, причем на состав продукта сильно влияют компоненты среды и условия культивирования. Получение продуцента антибиотика включает не только его выделение из природной среды, но и часто генетическое преобразование. Отбор мутантов с нарушенной регуляцией вторичного метаболизма и применение генно-инженерных методов позволяют в тысячи раз увеличить выход конечного продукта. Для повышения антибиотической активности иногда проводят химическую модификацию полученного продукта. Использование таких полусинтетических антибиотиков — один из путей преодоления множественной лекарственной устойчивости болезнетворных микроорганизмов.

Стероидные гормоны являются регуляторами метаболизма животных и человека, их широко используют в медицине. Выделение из животного сырья не может обеспечить потребности в этих препаратах, так как в животном организме стероидов синтезируется крайне мало. Химический синтез стероидов из растительного сырья (растительных стеринов) оказался очень дорогим и неэффективным, поскольку требовал проведения тонкой трансформации, затрагивающей только один-два определенных атома стероидного ядра (рис. 17.3). В то же время некоторые микроорганизмы способны специфически отщеплять или присоединять атомы и группы в нужном положении, тем самым превращая низкоактивные стероиды растительного происхождения в гормональные препараты.

Рис. 173. Реакции микробной трансформации стероидного ядра.

Так, актиномицеты, микобактерии и коринебактерии применяют для получения преднизолона, а некоторые грибы — для образования кортизона и гидрокортизона. Такие модификации микроорганизмы осуществляют после прекращения роста. Растительные стероиды, нерастворимые в воде, добавляют в культуру в виде тонкодисперсной суспензии, а трансформированные продукты выделяются микроорганизмами в среду. Таким образом, при производстве стероидных гормонов микробиологический процесс используют как одну из стадий синтеза препарата. Перспективны генноинженерные технологии получения некоторых таких препаратов, когда гены, кодирующие синтез гормонов человека, вводят в геном кишечной палочки или пекарских дрожжей.

Микробные ферменты нашли применение не только в медицине, но и в других отраслях человеческой деятельности. Так, ферменты диастаза, амилаза, протеаза, липаза, целлюлаза, образуемые плесневыми грибами родов Aspergillus, Trichoderma, Rhizopus, способствуют пищеварению, стрептокиназа бактерий рода Streptococcus и коллагеназа представителей рода Clostridium применяются при заживлении ран. Протеазы грибов, сгрсптомицегов и бацилл добавляют к стиральным порошкам для удаления белковых загрязнений, в пищевой промышленности используют для осветления фруктовых соков пектиназы бактерий рода Египта, для производства сладостей — диастазу аспергилла и инвертазу пекарских дрожжей.

Ряд таких соединений (органические кислоты, аминокислоты, витамины, ферменты) может быть использован в качестве кормовых добавок, улучшающих структуру и усвоение кормов. С помощью микроорганизмов получают ряд веществ для диагностики и лечения заболеваний (вакцины, сыворотки, антитела, интерферон и т. д.). Для получения вакцин, сывороток и препаратов для животноводства и сельского хозяйства используют как живые ослабленные или видоизмененные возбудители, так и убитые клетки, либо их отдельные части (антигены), которые вводят во время прививки в здоровый организм, чтобы с профилактической целью научить его вырабатывать антитела. Вакцина — это собственно возбудитель (антиген), а сыворотка — это полученные на антиген готовые антитела, вводимые уже заболевшему человеку или животному для быстрого ответа на инфекцию.

Сравнительно новым направлением в медицине и ветеринарии является использование так называемых пробиотиков, т. е. культур микроорганизмов,.

«дружественных» высшим животным и человеку. Такие препараты, чаще всего содержащие молочнокислые бактерии, применяют для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний разной этиологии. Исследования показывают, что молочнокислые микроорганизмы ингибируют развитие нежелательных бактерий в желудочно-кишечном тракте путем образования молочной кислоты и выработки ряда антибактериальных веществ (низин, бактериоцины), а также препятствуя колонизации эпителия кишечника гнилостными и патогенными микроорганизмами. Молочнокислые бактерии и другие пробиотические виды (родов Bacillus, Escherichia и др.) помогают поддерживать правильные пути переваривания пищи и способствуют нейтрализации токсических веществ, образуемых некоторыми представителями микробиоты кишечника. Эти свойства наиболее выражены у представителей родов Lactobacillus (L. acidophilus, L. bulgancus), Lactococcus (L. lactis), Bifidobacterium (В. bifidum). Штаммы микроорганизмов, используемые для биопрепаратов, должны обладать не только высокой и стабильной активностью образования молочной кислоты и антибактериальных метаболитов, но и значительной жизнеспособностью.

Гиббереллины, полученные микробиологическим путем, успешно применяют в сельском хозяйстве для стимуляции роста растений, особенно винограда. Исследования последнего времени показывают перспективность изучения ризосферных микроорганизмов как продуцентов ряда фитогормонов. Препараты для защиты сельскохозяйственных растений создают на основе микроорганизмов-антагонистов фитопатогенных грибов (обычно бактерий родов Pseudomonas и Azotobacter и грибов рода Trichodeimd), которые либо вносят в почву, либо обрабатывают ими семена и корни высаживаемых растений. Хорошие результаты показывают препараты на основе псевдомонад, азотобактеров и триходермы. К сожалению, в лабораторных условиях и в природной обстановке активность таких препаратов существенно различается, так как, попадая в почву, вносимые микроорганизмы не всегда способны выдержать конкуренцию с естественной микробиотой почвы. В настоящее время бурно развивается направление по борьбе с вредителями сельского хозяйства биологическими методами. Микробиологическая часть этих методов включает применение бактерий и грибов, вырабатывающих энтомопатогенные субстанции. Например, белковые кристаллы некоторых бацилл (Bacillus thuringiensis) вызывают паралич у личинок перепончатокрылых при попадании в их кишечник. Энтомопатогенный препарат представляет собой высушенные клетки бацилл, которые культивируют до начала споруляции, когда образуются белковые кристаллы токсина. Перед применением порошок разводят в воде и распыляют на листья растений. Для защиты растений также используют культуры возбудителей инфекционных болезней насекомых и грызунов, вызывающих эпизоотии среди этих вредителей, но не патогенных для других животных.

Биопрепараты комплексного действия на основе микроорганизмов рассматриваются как заменитель химических препаратов (минеральных удобрений, пестицидов и т. д.) в традиционном земледелии. Во многих странах используют препараты клубеньковых бактерий для предпосевной обработки семян бобовых растений. Наиболее эффективен этот прием в случае посева культур бобовых на вновь осваиваемых площадях, так как позволяет обеспечить тесный контакт потенциальных симбионтов. Это обеспечивает быстрое образование клубеньков и активную симбиотическую азотфиксацию. Обработка семян препаратами для посева давно возделываемых бобовых культур на прежних площадях также дает прибавку к урожаю за счет обеспечения контакта растения с высокоактивными видоспецифичными штаммами клубеньковых бактерий. Применение таких биопрепаратов позволяет не только снизить дозы минеральных азотных удобрений, но и повышает содержание белка и витаминов в зерне бобовых. Препараты на основе клубеньковых бактерий имеют разные названия (нитрагин, нитразон, ризоторфин и др.), но при их приготовлении используют стерильные или нестерильные носители (почва, торф), содержащие необходимые питательные вещества. В них вносят суспензию клубеньковых бактерий, иногда выдерживают препарат в термостате для подращивания культуры, а затем фасуют в тару различного объема. Перед посевом препарат разводят водой и обрабатывают им семена.

Использование в качестве биопрепаратов связанных с корнями культур микроорганизмов обусловлено не только их способностью к ассоциативной азотфиксации, но и выработкой биологически активных по отношению к растениям веществ (стимуляторов роста, витаминов, антибиотических соединений, активных против фитопатогенных микроорганизмов). Для приготовления препаратов используют чистые или смешанные культуры представителей родов Azotobacter, Azospirillum, Agrobacterium, Arthrobacter, Enterobacter, Bacillus, Pseudomonas и др. Водной суспензией препарата обрабатывают поверхность семян либо корневую систему растений. Как правило, положительные результаты применение препаратов дает на хорошо окультуренных, богатых органикой почвах (в теплицах, оранжереях). В настоящее время предлагается широкий спектр препаратов под разными названиями и на основе разных микроорганизмов (азотобактерин, азоризин, агрофил, мизорин, ризоагрин, псевдобактерин и т. д.).

Цианобактериальные препараты применяют в ряде стран на обводненных и затопляемых почвах, например, при выращивании риса. Массу цианобактерий получают в специальных бассейнах, внося туда маточную культуру (обычно это представители родов АпаЬаепа и Nostoc). В некоторых странах Азии в качестве «зеленого удобрения» используют водный папоротник азолла, несущий на листьях симбиотического диазотрофа АпаЬаепа azollae. Размножают растение в небольших водоемах, а потом запахивают в почву рисовников либо переносят на поверхность воды рисовых полей. Отмирающая масса папоротника разлагается, и соединения азота становятся доступными растениям риса.

Ряд биопрепаратов применяют для активизации микробиологических процессов в почвах. Это, например, фосфобактерин на основе спор Bacillus megaterium для повышения доступности фосфора для растений; бактогумин, содержащий смешанную культуру микроорганизмов разных физиологических групп, для изготовления биологически активных грунтов; комплексные биопрепараты почвенных бактерий для применения под овощные и плодовые культуры, в основном, в защищенном грунте и т. д.

Многие микробные полисахариды находят применение в промышленности, медицине и научных исследованиях в качестве загустителей, смазочных материалов, гелей для иммобилизации, молекулярных сит и сорбентов. Природные термопластики (поли-р-гидроксимасляная кислота) рассматриваются как добавки в полимерные упаковочные материалы, способствующие более быстрому микробному разложению таких отходов. С помощью микроорганизмов получают также вещества для научных исследований (НАДН, НАДФН, цитохромы, убихиноны, пигменты и т. д.).