Изучение вопросов биотехнологии в курсе химии средней школы

Главное направление получения новых антибиотиков состоит в химической трансформации природных молекул для создания полусинтетических антибиотиков. Методы получения антибиотиков путем химического синтеза чрезвычайно сложны и не могут конкурировать с их биосинтезом методами биотехнологии. Направленный биосинтез антибиотиков осуществляется путем прямой ферментации микроорганизма – продуцента с подходящим предшественником, что индуцирует синтез ферментов вторичного метаболизма в идиофазе. Вводимый предшественник должен лимитировать скорость биосинтеза антибиотика. Например, производство бензилпенициллина в значительной степени стимулируется добавками его метаболического предшественника – фенилуксусной кислоты; пропионовая кислота и пропиловый спирт инициируют биосинтез макролидов через метилмалонилКоА; L-фенилаланин – предшественник фенилаланина – ускоряет образование грамицидина S. Аналогичный эффект вызывает использование ингибиторов метаболизма. Так, при подавлении процесса введения хлора микроорганизм S. aureofaciens образует тетрациклин, а не хлортетрациклин.

Другой способ получения антибиотиков состоит в использовании для их биосинтеза блокированных мутантов, у которых отсутствует (блокировано) определенное звено в цепи реакций, ведущих к синтезу антибиотика. Блокированные мутанты не способны образовывать нужный антибиотик. Используя низкую субстратную специфичность ферментов вторичного метаболизма и вводя аналоги предшественников антибиотика, последние переводят в аналоги самого антибиотика в ходе процесса, известного как мутационный биосинтез или мутасинтез. Так, мутанты Nocardia mtditerranei, у которых нарушена способность к ацилированию, образуют аналог предшественника рифамицина В-рифамицин SV.

Особенно успешны разработки в области биосинтеза полусинтетических пенициллинов и цефалоспоринов. Получение новых более эффективных аналогов пенициллина основано на изменении природы его ацильной группировки при сохранении в неизменном виде ядра пенициллина – 6-аминопенициллановой кислоты (6-АПК). В промышленности 6-АПК получают путем гидролиза природных пенициллинов с помощью специфического фермента – пенициллинацилазы. Некоторые из ацилаз способны катализировать и обратные реакции – процессы ацилирования аминогруппы 6-АПК с образованием модифицированного пенициллина. Таким путем было получено более 4000 полусинтетических пенициллинов.

Получение промышленно важных стероидов

Способность клеток микроорганизмов к сложнейшим процессам биотрансформации наиболее полно реализовалась при получении промышленно важных стероидов. Биотрансформация стероидов обычно заключается в селективном воздействии на одно из положений стероидного скелета. Первый промышленный процесс (1937 г.) микробной биотрансформации стероидов основывался на технологии направленного гидроксилирования (11-α-гидроксилирование) прогестерона.

Важнейший источник стероидных гормонов (эндостраны и эстраны) – культура клеток растений. Так, культура клеток диоскореи дельтовидной (Dioscorea deltoidea) корневого происхождения продуцирует фитостерин диосгенин и его гликозидные производные (сапонины). Дальнейшие успехи в производстве стероидных препаратов связывают с применением иммобилизованных клеток.

1.6 Основы биологической переработки отходов

Специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких, как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии.

Получение биогаза

Биогаз – это смесь из 65% метана, 30% СО2, 1% сероводорода. Энергия, заключенная в 28м3 биогаза, эквивалентна энергии: 16,8м3 природного газа; 20,8 л нефти. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения или биометаногенез.

Биометаногенез – сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в анаэробных условиях[7]. Микробиологическому анаэробному разложению поддаются практически все соединения природного происхождения. В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательные стадии, в которых участвуют свыше 190 различных микроорганизмов. На первой стадии под влиянием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения – белки, липиды и полисахариды. На второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации участвуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные. Ацетогенные Н2-продуцирующие микроорганизмы ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием Н2, СО2, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н2 и СО2, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превращают его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат. На заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления СО2 молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата.

4Н2 + СО2 = СН4 + 2Н2О

3Н2 + СО = СН4 + Н2О

2Н2О + 4СО = СН4 + 3СО2

4НСООН = СН4 + 3СО2+ 2Н2О

4 СН3ОН = 3СН4 + СО2+ 2Н2О

СН3СООН = СН4 + СО2

90–95% используемого углерода метанобразующие бактерии превращают в метан и лишь 5–10% углерода превращаются в биомассу. Процесс ведется при температуре 30–60ºС и рН 6–8. Этот способ получения биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. В настоящее время для производства биогаза чаще используют вторичные отходы (отходы животноводства и сточные воды городов), чем первичные (отходы зерноводства, полеводства), обладающие сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предварительной обработке. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым и экологически чистым источником энергии.

Очистка сточных вод

Методы очистки сточных вод [4]:

1.                 Механические методы. Сущность этих методов состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляют механические примеси. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60–75% нерастворимых примесей, а из промышленных – до 95%.

2.                 Химический метод. В сточные воды добавляют различные реагенты (AL2(SO4)3), которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химическая очистка уменьшает количество нерастворимых примесей до 95%, а растворимых – до 25%.

3.                 Физико-химические методы используют для удаления тонкодисперсных и растворенных неорганических примесей, а также разрушения органических и плохо окисляемых веществ. В арсенал этих методов входят электролиз, окисление, сорбция, экстракция, ионообменная хроматография, ультразвук, высокое давление и др.

4.                 Биологический метод основан на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Для очистки сточных вод используют биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах (перколяционные фильтры известны с1890г.) сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. С 1970 г. на смену клинкеру и гравию, в качестве пористого материала, пришли пластмассы.

Аэротенки – огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила (известен с 1914 г.) из бактерий и микроскопических животных, которые бурно развиваются в этих сооружениях, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего с потоком подаваемого воздуха. Процесс более эффективен, чем фильтрация, но характеризуется высокими эксплуатационными расходами (аэрация).

С 1980 г. и по сей день в технологии очистки сточных вод применяется принцип «псевдоожиженного слоя» – сочетание первых двух систем. Реализуется этот принцип в уловителе Саймона-Хартли (периодическое наращивание биомассы проводят в пустотах пористого полиэфира) и оксигенаторе Дорра – Оливера (подложкой служит песок).

После биоочистки проводят хлорирование жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также ультразвук, озонирование, электролиз.

Микробное выщелачивание

Методы извлечения меди из пород, содержащих минералы, путем обработки их кислыми растворами используются уже много веков. Однако лишь в 50-е и 60-е годы ХХ века выяснилось, что в получении металлов из минералов решающую роль играют бактерии[4]. В 1947 г. Колмер и Хинкл выделили из шахтных дренажных вод бактерию Tiobacillus ferrooxydans. Этот организм окислял двухвалентное железо и восстанавливал серосодержащие соединения, а также, возможно, и некоторые металлы. Вскоре оказалось, что он участвует в переводе меди из рудных минералов в раствор.

Окислительным процессом, катализируемым бактериями, является окисление железа,

4FeSO2 + O2 + 2H2SO4 = 2Fe2 (SO4)3 + 2H2O,                       (1)

и окисление серы,

S8 + 12O2 + 8H2O = 8H2SO4.                                        (2)

Ряд минералов непосредственно окисляется некоторыми выщелачивающими организмами. Примерами такого рода могут быть окисление пирита,

2FeS2 + 15O2 + 2H2O = 2Fe2 (SO4)3 + 2H2SO4,                      (3)

и сфалерита,

ZnS + 2O2 = ZnSO4.                                            (4)

Ион трехвалентного железа служит сильным окисляющим агентом, переводящим в раствор многие минералы, например халькоцит,

Cu2S + 2Fe2 (SO4)3 = 2CuSO4 + 2Fe2SO4 +Sº,                       (5)

и уранинит,

UO2 + Fe2 (SO4)3 = UO2SO4 + 2FeSO4.                                  (6)

Выщелачивание, происходящее при участии иона трехвалентного железа, который образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называют «непрямой» экстракцией. В настоящее время бактериальное выщелачивание, известное также как биогидрометаллургия или биоэкстрактивная металлургия, применяется в промышленных масштабах для перевода в растворимую форму меди и урана.

Выщелачивание медных отвалов. Для начала процесса выщелачивания отвал смачивают водой, подкисленной серной кислотой до рН 1,5–3,0. Этот кислый раствор, или «выщелачиватель», просачивается сквозь бедную руду или отвальные материалы. Он содержит кислород и углекислый газ и создает благоприятную среду для размножения ацидофильных гиобацилл, широко распространенных в сульфидных рудах. В некоторых случаях содержание Tiobacillus ferrooxydans превышает 106 клеток на 1 кг породы и на 1 мл выщелачивающего раствора. Этот организм активно окисляет растворимые ионы двухвалентного железа (1) и воздействует на серу – и железосодержащие минералы (2) (3). При окислении медно-сульфидных минералов нередко образуется элементарная сера (5). Эта сера маскирует частицы минералов, ограничивая воздействие на них со стороны трехвалентного железа. T. Ferrooxydans, присутствующая в количестве 103-105 клеток на 1 г породы и на 1 мл выщелачивающего раствора, окисляет некоторые растворимые соединения серы и элементарную серу (2). Разрушение серы этим организмом приводит к удалению маскирующего слоя серы, окружающего некоторые частицы минералов, и усиливает процесс выщелачивания. Из выщелачиваемых отвалов вытекают растворы, содержащие 0,75–2,2 г меди в 1 л. Эти растворы направляют в отстойники; медь из них получают путем осаждения с использованием железа или экстракцией растворителями. «Отработанные» выщелачивающие растворы вновь поступают в отвал.

Выщелачивание урана. Бактериальное выщелачивание урана применяли в восточных районах Канады для извлечения остаточного урана на уже выработанных площадях, а также из отвалов. Для роста бактерий достаточно 3–4 месяцев, за это время T. ferrooxydans окисляет железо до трехвалентного состояния. Затем трехвалентное железо окисляет восстановленный уран до растворимого окисленного состояния в соответствии с реакцией (6). Промывные воды, содержащие уран, собирают и извлекают из них уран с помощью ионного обмена либо экстрагируют растворителями. Бактериальное выщелачивание применялось в Канаде и в качестве первичного средства для получения урана. Рудное тело разрушали взрывом и осуществляли выщелачивание in situ.

Практическое применение бактериального выщелачивания сдерживается по ряду причин. Главное препятствие заключается в том, что процесс еще плохо исследован как на опытных установках, так и в полевых условиях. Процессы бактериального выщелачивания нередко протекают медленнее, чем химические процессы. Для бактерий, окисляющих железо и серу, требуется кислая среда. Поэтому для переработки непригодны руды и отходы, поглощающие кислоты в большом количестве. При подземном выщелачивании с помощью растворов следует принимать во внимание такие факторы, как влияние на активность бактерий повышенного гидростатического давления и гипербарической оксигенации.

Биотехнология многолика и по своим историческим корням, и по своей современной структуре, объединяющей элементы фундаментальных наук и прикладных исследований. Её развитие позволяет существенно повышать эффективность использования природных ресурсов, решать экологические проблемы, создавать новые источники энергии. Очевидно, что новые «скачки» биотехнологии глубоко скажутся на судьбе человечества.

Именно поэтому мы считаем необходимым более подробное изучение данного раздела в школьном курсе химии и предлагаем разработку методических рекомендаций, позволяющих сделать данное изучение наиболее эффективным.

2. Содержание вопросов биотехнологии в школьном курсе химии

2.1 Анализ школьных программ и учебников[15]

Основными идеями современной концепции школьного химического образования являются идеи гуманизации и демократизации образования, согласно которым «следует преодолеть отчуждение науки и производства от человека. В процессе обучения химии необходимо раскрывать связь между химическими знаниями и повседневной жизнью человека… [10]»

Программа В.В. Пасечника для 11 класса в курсе общей биологии содержит тему «основы селекции и биотехнологии». Затрагиваются следующие вопросы: микробиологическое производство пищевых продуктов, витаминов, ферментов и лекарств, проблемы и перспективы биотехнологии, генная инженерия её достижения и перспективы.

В.Б. Захаров в программе, рекомендованной для 10–11 классов с углубленным изучением биологических дисциплин в курсе общей биологии в теме «основы генетики и селекции» также затрагивает биотехнологию и генетическую инженерию.

Необходимо отметить, что если базовый стандарт по химии не предусматривает изучение вопросов биотехнологии, то таковой по биологии содержит наиболее общие её аспекты: достижения генной инженерии и перспективы биотехнологии.

2.2 Межпредметные связи по изучению аспектов биотехнологии в средней школе

По программе Р.Г. Ивановой и Л.А. Цветкова в 10 классе предусмотрено изучение темы «промышленное получение важнейших неорганических веществ» (15 часов), при этом затрагивается вопрос охраны окружающей среды от загрязнения. Считаю уместным затрагивание темы переработки отвалов металлургических предприятий биологическими методами (микробное выщелачивание).

О.С. Габриелян предлагает в 9 классе тему-модуль «химические вещества в сельском хозяйстве» (5 ч.). При рассмотрении проблемы защиты окружающей среды от пестицидов возможно акцентирование внимания учащихся на современных разработках в этой области (ГМ растения, резистентные к пестицидам и вредителям). В модуле «химия и экология» (9 кл. 5 ч.) рассматриваются основные источники загрязнений гидросферы и современные способы очистки сточных вод.

В учебнике О.С. Габриеляна, Ф.Н. Маскаева, С.Ю. Пономарёва, В.Н. Терёнина для 10 класса рассматривается тема «биологическиактивные соединения» затрагивающая применение ферментов в промышленности, а также гормональные препараты, витамины и антибиотики. Т.о. здесь уместно рассмотрение основных биотехнологических приёмов получения данных БАВ.

В 11 классе программой предусматривается рассмотрение темы «химия и общество» (8 ч.). Необходимо отметить наличие в ней следующих вопросов: биотехнология и генная инженерия, а также химия и пища. В учебнике О.С. Габриеляна Г.Г. Лысовой, реализующих данную программу, тема содержит объёмный материал, но методам очистки сточных вод и биохимическим основам пищевой промышленности практически ничего не отводится.

Н.С. Ахметов в 9 классе при изучении «металлургии» затрагивает проблемы безотходного производства и охраны окружающей среды. При этом возможно включение основ биометаллургии. Также автор предлагает рассмотрение темы «химия и охрана окружающей среды», в частности вопросов охраны гидросферы.

В учебнике 10–11 классов в разделе «химия и химическая технология» рассматривается производство этанола из древесины, а также «охрана гидросферы» и «биогеохимические процессы».

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10