Изучение вопросов биотехнологии в курсе химии средней школы
1947 г.
– Колмер и Хинкл выделили из шахтных вод бактерию Thiobacillus ferrooxydans. Попытайтесь перевести
название на русский язык («Серобацилла железоокислительная»).
И
действительно этот вид осуществляет процесс:
Fe2+ Fe3+, что соответствует окислению железа.
Данный вид
бактерий относиться к группе хемосинтезирующих автотрофов (вспомните, что это
такое), открытых Виноградским в 1920-е годы. Позже были обнаружены Thiobacillus thiooxydans – организмы, живущие в
среде при рН = 0,65, и Sulfolobus, «терпящие» до 85ºС. Эти бактерии
существуют за счет окисления серы.
T.ferrooxydans
4Fe2+ + O2 + 4H+
4Fe3+ + 2H2O
Sulfolobus
S8 + 12O2 = 8 H2O
8H2SO4
T.thiooxydans
ZuS + 2O2 ZuSO4
T. ferro-/thiooxydans
4FeS2 + 15O2 + 2H2O 2Fe2 (SO4)3 + 2H2SO4
Обратите на
последние два процесса особое внимание, так как данные процессы «растворения»
минералов сфалерита (ZuS) и пирита (FeS2) идут в земной коре и
могут быть использованы человеком как альтернатива
t
2ZuS + 3O2 = 2ZuO +2SO4, дающего много
загрязнителей атмосферы.
Особый
интерес для промышленности представляет перевод в раствор полудрагоценной меди:
Cu2S + 4Fe3+
= 2Cu2+ + 4Fe2+ + S
T.ferrooxydans
Sulfolobus H2SO4
Данный
процесс позволяет перерабатывать бедные руды и отвалы с содержанием меди 0,4% (w).
Возможные
схемы проведения
I. р-р H2SO4
(рН=2)
сбор продукта
|
II. р-р H2SO4 откачка
О2 продукта
|
III. Чановое выщелачивание
(меньше потерь)
|
Продукт: р-р,
содержащий 0,75 – 2,2 г/л меди:
Cu2+ + Fe = Cu + Fe2+ (можно показать меднение гвоздя в растворе медного купороса)
Образующийся
раствор Fe2+ снова направляют в отвал.
· Проблемы:
1) Бактерии
живут только в кислой среде. Что будет происходить при контакте выщелачивающего
раствора с известковыми породами?
2)
Потери
раствора и возможное смешивание с грунтовыми водами.
3)
Разогревание
породы при «работе» бактерий (зафиксировано до 80ºС) и как следствие
стерилизация.
4)
Инженерные
проблемы введения кислоты и воздуха в породу.
· Перспективы:
1)
Удаление
серы из каменного угля. Подумайте, как это можно сделать.
2)
Извлечение
металлов из морской воды (Au) – привлечение ГМО.
4.
Вывод
Итак, при
желании человек может применять природосберегающие технологии даже при
разработке медных, и не только, руд.
УРОК №4 по
теме «Основы получения БАВ. Производство кормового белка»
Задачи:
1. Образовательная:
изучение основных механизмов интенсификации процессов получения продуктов
клеточного метаболизма. Производство кормового белка как предшественник
управляемого биосинтеза БАВ.
2.
Развивающая: а)
развитие познавательного интереса учащихся;
б)
формирование логического мышления в ходе изучения механизмов интенсификации
процессов получения продуктов клеточного метаболизма;
в)
формирование умений и навыков умственного и практического труда.
3.
Воспитательная: а)
в целях формирования диалектического мировоззрения показать возможность
воздействия человека на процессы клеточного метаболизма;
б) воспитание
мотивации к обучению.
Ход
урока:
1.
Организация класса
Напишите
уравнения химических процессов лежащих в основе микробиологического
выщелачивания медных отвалов, руд, содержащих пирит.
2.
Актуализация
знаний
Всем вам
хорошо известны витаминные препараты, продающиеся повсеместно в аптеках.
Антибиотики как средство от многих возбудителей заболеваний прочно вошли в нашу
жизнь. Встает вопрос, какими методами получают в промышленности все эти
соединения. Прежде, чем говорить о получении, вспомним, что из себя
представляет предмет нашего разговора.
3.
Изучение
нового материала
Витамины –
группа низкомолекулярных природных органических соединений, абсолютно
необходимых для гетеротрофных организмов (что это за организмы?).
Автотрофные организмы обладают способностью к синтезу витаминов. (под запись)
Антибиотики –
низкомолекулярные регуляторы обычно природного происхождения, способные
подавлять рост живых клеток.
Итак, в
процессе роста организмы вырабатывают различные низкомолекулярные (какие ещё вы
знаете?) продукты (метаболиты). Они подразделяются на первичные (абсолютно
необходимы) и вторичные (не требующиеся для выживания).
низкомолекулярные
метаболиты
|
первичные
(структурные единицы
биополимеров, витамины, органические кислоты)
|
вторичные
(антибиотики, пигменты,
токсины)
|
Таким
образом, вторичные метаболиты повышают адаптационные возможности организмов.
масса
организма I – первичные метаболиты
II – вторичные
(синтезируются
на
завершающей стадии роста)
время
роста
К каким
метаболитам вы отнесете аминокислоты, углеводы? Почему?
В норме обмен
веществ в клетке осуществляется по принципу строжайшей экономии. Задача
биотехнолога состоит в обеспечении сверхсинтеза одного из продуктов
метаболизма, что обеспечивается следующими методами:
1) Изменение
генетической программы организма:
а) селекция –
направленный отбор организмов со скачкообразным изменением генома. Но для
возникновения мутации интересующий нас ген должен удвоиться ~107
раз.
б)
искусственный мутагенез – химический, УФ, радиационный.
2) Нарушение
регуляторных систем организма: (на доске)
Ф Ф'
А Б С
блокировка фермента конечным метаболитом
|
Если Д (тоже блокирует
Ф) – антиметаболит С, т.е. Д не включается в обмен, то на среде с Д выживают
организмы с дефектами регуляции.
|
Сегодня мы
рассмотрим также производство кормового белка как прообраз современного
управляемого биосинтеза аминокислот, витаминов и антибиотиков.
В
соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей 60–120 г.
полноценного белка (содержащего все незаменимые аминокислоты). Незаменимые
аминокислоты наиболее сбалансированы в белках семян сои, также риса и гороха. В
белках зерна пшеницы мало лизина, метионина и изолейцина.
Особый
интерес представляет использование микроорганизмов в качестве источника белка и
витаминов:
1)
использование
разнообразных сред для культивации (вплоть до отходов производства);
2)
высокая
интенсивность роста
удвоение
белковой массы: крупный рогатый скот – 5 лет,
свиньи – 4
месяца,
дрожжи – 1–6
часов;
3)
повышенное
содержание незаменимых аминокислот;
4)
относительная
простота влияния на процессы синтеза.
Дрожжевые
клетки способны использовать жидкие фракции углеводородов нефти (10–30ºС).
В России первый завод по производству кормовых дрожжей из жидких парафинов
нефти вступил в действие в 1971 году. При выращивании в среду добавляют также
минеральные соли, витамины и воду. Полученная высушенная дрожжевая масса
гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК),
содержащий до 60% белковых веществ.
Хорошим
субстратом для выращивания кормовых дрожжей является молочная сыворотка – отход
при переработке молока, а также низшие спирты. Хороший резерв пищевого белка и
витаминов – остаточные пивные дрожжи. Организм человека усваивает свыше 90%
питательных веществ, содержащихся в них.
Известно
также более 30 видов бактерий, которые могут быть применены в качестве
источника полноценного белка. Например, водородоокисляющие бактерии способны
накапливать в клетках до 80% сырого протеина (среда 75% Н2, 20% О2,
5% СО2).
Используются
также одноклеточные водоросли (Chlorella, Seenedesmus). Обычно их выращивают в естественных условиях
южных регионов в бассейнах открытого типа (70 т/га в год).
Микопротеин –
белок грибного происхождения. Среда культивации – глюкозный сироп (гидролизат
кукурузного крахмала).
4.
Заключение
Итак, острота
проблемы глобального перенаселения, сокращение с/х площадей в результате роста
городов и деградации земель выводит нас на новый виток развития биотехнологии,
а именно, крупномасштабное использование микроорганизмов для наработки
белково-витаминной продукции.
УРОК №5 по
теме «Производство аминокислот, витаминов и антибиотиков»
Задачи:
1. Образовательная:
изучить примеры некоторых производств аминокислот, витаминов и антибиотиков.
Другие промышленно важные процессы эры управляемого биосинтеза: производство
лимонной и молочной кислот.
2.
Развивающая: а)
развитие познавательного интереса учащихся в процессе ознакомления с
материалом;
б)
формирование логического мышления;
в)
формирование умений и навыков умственного и практического труда.
3.
Воспитательная: а)
в целях формирования диалектического мировоззрения показать использование
человеком природных систем для получения некоторых БАВ;
б) воспитание
мотивации к обучению в связи с важностью биотехнологических методов в
современной химической промышленности.
Ход
урока:
1.
Организация класса
Какие
компоненты используются при получении БВК?
2.
Актуализация знаний
На предыдущем
уроке мы познакомились с возможными путями обеспечения сверхсинтеза одного их
продуктов метаболизма (какими?), а сегодня попытаемся рассмотреть конкретные
производства.
3. Изучение
нового материала
I.
Производство
аминокислот
Среди
соединений, полученных биотехнологическими методами, аминокислоты занимают
первое место по объему производства (500 тыс. т/год).
Белковые
аминокислоты можно получить:
1)
гидролизом
природного белоксодержащего сырья, но кислотное воздействие разрушает некоторые
аминокислоты;
2)
химическим
синтезом, в ходе которого получается трудноразделимая смесь целевого продукта и
его аналогов;
3)
микробиологическим
синтезом, который обеспечивается возобновляемым сырьем и характеризуется
строгостью чистоты получаемого продукта. Более 60% производимых аминокислот
получают именно этим методом.
Промышленное
производство аминокислот стало возможным после открытия способности некоторых
микроорганизмов выделять в культурную среду значительные количества какой-либо
аминокислоты (1955). Corynebacterium glutamicum был способен, кроме
того, к сверхсинтезу глутамина, и в 1956 году этот микроорганизм был
использован при организации первого в мире производства глутаминовой кислоты
(НООС-СН2-СН2-СН(NH2) COOH). Сейчас на глутамат
натрия приходится 300 тыс. т/год, т.е. 60% производства аминокислот. Японцы
называют глутамат натрия «солью вкуса», т.е. он значительно продлевает вкусовые
ощущения.
Лизина
производится 100 тыс. т/год. Данная аминокислота H2N(CH2)4CH(NH2) COOH – незаменимый компонент
питания с/х животных. В клетках микроорганизмов лизин служит конечным продуктом
разветвлённого метаболического пути, и эффекта накопления в среде целевой
аминокислоты добиваются путем блокирования процессов, ведущих к синтезу
побочных продуктов. Получаемые мутанты дефектны по ферменту разветвления
метаболического пути, в результате чего накапливается только лизин. В качестве
питательной среды используют молочную сыворотку или гидролизаты крахмала.
Некоторые
аминокислоты синтезируют из предшественников, полученных химически и
модифицированных ферментной системой организма (триптофан получают из
антраниловой кислоты).
II.
Производство
витаминов
В настоящее
время микробиологически синтезируют лишь особо сложные по строению витамины (В2,
В12, β-каротин, D). Остальные либо синтезируют химическим путем, либо выделяют
из природных источников.
Витамин В2
(рибофлавин) вплоть до 30-х годов 20 века выделяли из природного сырья (1г из
1т моркови и 6г из 1т печени трески). В 1935 году был обнаружен активный
продуцент рибофлавина – гриб Eremothecium, способный давать с 1т питательной среды 25 кг
витамина. Отбор мутантов ведут по устойчивости к аналогу витамина В2.
Витамина В12
из 1т печени трески можно было выделить лишь 15 мг. В настоящее время витамин В12
синтезируется только микробиологическим путем с использованием
актиномицетов и одноклеточных водорослей.
β-каротин
можно выделить из ряда растительных объектов: 1т моркови содержит 0,06 мг
витамина, в то время как биомасса гриба Blaneslea накапливает β-каротин
в количестве 8 мг/г.
III.
Получение
органических кислот
Объем
мирового производства лимонной кислоты НООССН2С(ОН) (СООН) СН2СООН
– 400 тыс. т/год. Данное производство относится к старейшим микробиологическим
процессам: 1893 г. – год основания. Используют культуру гриба Aspergillus niger. Условиями высокого
выхода лимонной кислоты является хорошая аэрация и дефицит фосфата в среде.
Одновременно
с лимонной было налажено аналогичное производство молочной кислоты при участии
молочнокислых бактерий Lactobacillus.
IV.
Получение
антибиотиков
Вспомните,
что такое антибиотики? Думаю, важность получения соединений данной группы нет
необходимости доказывать.
В 1940 году
было известно всего 6 антибиотиков, а в настоящее время описано свыше
12 000 соединений, из которых в клинике используется около 200 (остальные
токсичны).
Биосинтез
антибиотиков осуществляется:
1)
добавлением
в питательную среду подходящего предшественника (фенилуксусная кислота
стимулирует биосинтез бензилпенициллина);
2)
использованием
блокированных мутантов, у которых отсутствует определенное звено в цепи
реакций, ведущих к синтезу антибиотика. Следовательно, можно получить аналоги
антибиотиков и модифицировать их химически (бензилпенициллин, ампицилин).
4.
Вывод
Пока человек
лишь приближается к моделированию природных биохимических процессов, а пока
изыскивает новые пути использования существующих.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
|