Глава 6

1. Аэробные методы очистки воды, активный ил и биопленка в со-

оружениях аэробной очистки воды

2. Очистка воды в аэротенках

3. Очистка воды в биофильтрах

4. Процесс нитрификации

5. Процесс денитрификации

6. Аэробная стабилизация осадка

7. Биометаногенез, химизм процесса, микробная ассоциация

8. Аппаратура и технологические режимы метанового брожения

9. Сапробность водоемов по Никитиноскому

10. Описать полисапробную и мезасапрбную зоны водоема

11. Дать характеристику олигосапробной зоны, токсобность, зоны ток-

собности

12. Применение биотехнологии в медицине, основные продукты био-

технологии применяемые в диагностики и лечении заболеваний

13. Биотехнология и энергетика, альтернативные источники энергии

14. Основные продукты биотехнологии в пищевой промышленности

15. Основные виды брожений, химизм процессов

16. Биотехнология приготовления пива

17. Роль биотехнологических процессов в химической промыш-

ленности

18. Сельское хозяйство и биотехнология

19. Процессы биогеотехнологии

165

ГЛОССАРИЙ

Биотехнология - это организованная человеком деятельность мик-

роорганизмов, направленная на получение определенного продукта.

Микробиология - это наука о микроорганизмах, относящихся к различ- ным систематическим группам - вирусам, бактериям, водорослям, грибам, про- стейшим, имеющим бесконечно малый размер.

Эукариоты и прокариоты. Клетки эукариотов имеют обособленное яд- ро, отделенное от цитоплазмы мембраной. В клетках прокариотов истинное ядро отсутствует, но есть ядроподобные образования – нуклеоиды.

Морфология – наука, изучающая внешний вид, структуру, форму и раз-

меры организмов.

Протопласт - цитоплазма и ядро клетки в совокупности образуют прото-

пласт, окруженный снаружи цитоплазматической мембраной,

Цитоплазматическая мембрана обладает избирательной проницае- мостью - пропускает внутрь клетки и отводит из нее определенные вещества. Благодаря такой способности мембрана играет роль органнеллы, концентри- рующей питательные вещества внутри клетки и способствующей выведению наружу продуктов жизнедеятельности.

Ретикулум (эндоплазматическая сеть) пронизывает всю цитоплазму клет- ки, образуя многочисленные каналы и полости. Ретикулум состоит из цито- плазматических мембран.

Рибосомы имеют вид мелких зернышек, локализованных во внутрикле-

точных мембранах, образующих эндоплазматическую сеть. Рибосомы богаты рибонуклеиновой кислотой (РНК). В них осуществляется синтез белка.

В митохондриях протекают окислительные процессы, сопровож-

дающиеся образованием энергии (дыхание).

Комплекс Гольджи представляет собой тельца серповидной или палоч- ковидной формы. Важнейшей функцией комплекса Гольджи является накопле- ние продуктов обмена перед выводом их из клетки. Одним из продуктов ком- плекса являются лизосомы – округлые включения диаметром около 1 мкм, внутри которых сосредоточены ферменты, способные расщеплять питательные вещества.

Лизосомы – клеточные структуры (маленькие мембранные пузырьки), содержащие ферменты, способные расщеплять органические вещества. Они способны переваривать не только пищу, попавшую в клетку, но и части самой

клетки, вышедшие из строя. При разрыве мембраны лизосом ферменты прони-

кают в цитоплазму и вызывают растворение клетки.

Явления пиноцитоза и фагоцитоза. Сущность этих явлений состоит в переносе небольших капелек жидкости (пиноцитоз) или твердых частиц (фаго-

166

цитоз) в клетку в результате втягивания участка цитоплазматической мембраны внутрь, отрыва образовавшегося мешочка и превращения его в вакуоль, которая сливается с лизосомой, при этом вещества, попавшие в клетку, подвергаются гидролизу.

Вирусы (от лат. virus – яд) отличаются от других микроорганизмов отсут- ствием клеточной структуры. Они не имеют ни ядра, ни оболочки, ни цитоплаз- мы. Размеры структурных единиц вирусов (вирионов) колеблются от 10 до 300 нм.

Фаги, развивающиеся в клетках бактерий, называются бактериофагами,

актиномицет – актинофаги, грибов – микофаги, водорослей – альгофаги.

Бактерии. Размер клеток бактерий обычно изменяется от 0,4 до 10 мкм. По форме клеток бактерии делятся на группы шаровидные, палочковидные и извитые.

Классификация бактерий шаровидной формы (кокков). Если после де- ления клетки отходят друг от друга, то образуются одиночные клетки – микро- кокки. При делении, происходящем в одном направлении, кокки могут оста-

ваться соединёнными попарно, образуя диплококки, объединяться по четыре –

тетракокки, по восемь и более клеток. Кокки, соединённые в цепочку, называ- ются стрептококками. При делении клеток в трёх взаимно перпендикулярных направлениях происходит образование групп клеток, отличающихся плотной упаковкой – сарцин. Если же деление клеток идёт беспорядочно, то образуются группы бактерий, напоминающих по внешнему виду виноградную гроздь – стафилококки.

Палочковидные бактерии по наличию жгутиков классифицируются на

монотрихи - имеют один жгутик, лофотрихи - жгутики располагаются пучками на одном или обоих концах клетки, амфитрихи - имеется по одному жгутику на обоих концах клетки, перитрихи - жгутики покрывают всю поверхность клетки. Клостридии (от англ. closter – веретено) - веретенообразные спороносные

палочковидные бактерии.

Бациллы - спороносные палочковидные бактерии.

Извитые формы отличаются количеством витков и классифицируются на три группы. Бактерии, имеющие небольшой изгиб - до ¼ витка, называются вибрионами; с одним или несколькими витками – спириллами; длинные, тон-

кие клетки с большим количеством витков – спирохетами.

Нитчатые бактерии размножаются при помощи гонидий и конидий – особых спороподобных овальных телец, возникающих из концевых клеток ни- ти. Гонидии – подвижные тельца, имеющие жгутики. Конидии – неподвижные клетки.

Автотрофы (autos – сам; trophe – пища) – бактерии использую-

щие углерод неорганических соединений. Они в свою очередь подраз-

167

деляются на: фотоавтортрофы – получают энергию при фотосинтезе; хемоавтотрофы - энергию получают при хемосинтезе (окисление NH₄⁺; O₂^-; S; Fe²⁺)

Гетеротрофы (heteros – другой) – бактерии для синтеза своего

тела требуют готовые органические вещества;

Паратрофы (паразиты) – нуждаются в живом белке, т.е. питают-

ся органическим веществом, входящим в состав живого организма.

Фотосинтезирующие пигменты водорослей: зеленый — хлорофилл,

синий - фикоциан, бурый - фукоксантин, красный - фикоэритрин, оранжевые

- каротин и ксантофилл.

Биотехнология - это интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук с целью технологического при- менения способностей микроорганизмов. Многоликость биотехноло- гии видна из того, что она охватывает многие науки, такие как: генети- ка, микробиология, технология пищевых продуктов, химическая тех- нология, электроника.

Задачи Биоинженерии: создание аппаратуры биотехнологиче- ских процессов (биореакторов, специфичных систем аэрации, тепло- обмена, перемешивания, стерилизации питательных сред и воздуха),

разработка контрольной и измерительной техники, а также масштаби-

рование и моделирование биотехнологических процессов.

Объектами биотехнологии являются отдельные части клеток

(митохондрии, рибосомы, хромосомы, мембраны и т.д.), сами клетки и их коллективы - клеточные культуры, отдельные микроорганизмы

(грибы, водоросли, бактерии, простейшие, вирусы и т. д.), и их коло-

нии, а также - самостоятельные многоклеточные растительные и жи-

вотные микроорганизмы.

Периоды развития биотехнологии. На третьем съезде Европей- ской ассоциации биотехнологов (Мюнхен, 1984г) голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю развития биотехнологии на пять пе- риодов, учитывая основные открытия, способствующие ее развитию: допастеровская эра (до 1858г); послепастеровская эра (1858 г. – 1949 г.); эра антибиотиков (1941 г. – 1960 г.); эра управляемого биосинтеза

(1961 г.- 1975 г.); новая эра (после 1975 г.).

Биотрансформация — процесс изменения химической структуры вещества под действием ферментативной активности клеток микроорга- низмов или готовых ферментов.

Биотрансформация - процесс, в результате которого под воздейст- вием биохимической деятельности микроорганизмов или ферментов про- исходит изменение химического состава исходного химического вещества.

168

Кроме того, в процессе биотрансформации используют обычно уже го- товый биологический агент — клетки микроорганизмов или ферменты, в ходе самого процесса биотрансформации они не образуются.

Ферментация – это процесс, в котором происходит преобразова- ние исходного сырья в продукт с использованием биохимической дея- тельности микроорганизмов или изолированных клеток.

Биокатализ — химические превращения вещества, протекающие с использованием биокатализаторов-ферментов.

Биоокисление — потребление загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов или ассоциации микроорганизмов в аэробных усло-

виях.

Метановое брожение — переработка органических отходов с по- мощью ассоциации метаногенных микроорганизмов в анаэробных усло- виях.

Биокомпостирование — снижение содержания вредных органи- ческих веществ ассоциацией микроорганизмов в твердых отходах, кото- рым придана специальная взрыхленная структура для обеспечения дос- тупа воздуха и равномерного увлажнения.

Биосорбция — сорбция вредных примесей из газов или жидкостей микроорганизмами, обычно закрепленными на специальных твердых носителях.

Бактериальное выщелачивание — процесс перевода нерастворимых

в воде соединений металлов в растворенное состояние под действием специальных микроорганизмов.

Биодеградация — деструкция вредных соединений под воздей-

ствием микроорганизмов – биодеструкторов.

Ферменты специфические катализаторы, имеющих белковую природу. Ферменты также называют энзимами. Наука, изучающая ферменты и фермен- тативные реакции называется энзимологией.

Классификация ферментов. Все ферменты могут классифицироваться

в зависимости от реакций которые они ускоряют: оксиредуктазы - ускоряют окислительно-восстановительные реакции; трансферазы - ускоряют перенос

атомной группы радикалов от одного соединения к другому; гидролазы - ус-

коряют процесс разложения, протекающие с участием воды; дегидрогеназы- осуществляют перенос Н; изомеразы – способны ускорять процессы внут- ренней перегруппировки молекул; синтетазы – определяют возможность син- теза сложных соединений из простых.

Иммобилизация - это прикрепление фермента к некоторому нерас- творимому носителю, причем таким образом, чтобы фермент мог обме- ниваться с раствором молекулами субстрата и продукта.

169

Методы иммобилизации ферментов: адсорбция на носителе, включе- ние в гель,ковалентное связывание с носителем, поперечная «сшивка» моле- кул фермента при помощи бифункциональных реагентов, адсорбция на но- сителе с последующей поперечной «сшивкой», вк л ю чение в по лу - пр о ницаемые капсулы , со п о лимер и зация фе рмента и по - лимера - но си т е л я , физи ческое см еш е ние .

Абсолютная скорость роста (валовая) характеризуется приростом биомассы за единицу времени V = dm / dt.

Относительная скорость роста (удельная) – это абсолютная ско- рость роста культуры отнесенная к единицы исходной биомассы M = V / m. Фазы периодической ферментации - лаг-фаза,фаза ускорения рос-

та, фаза экспоненциального роста,фаза замедления роста, стационарная фаза,фаза отмирания.

БПК - (биохимическая потребность в кислороде) - потребное для полного окисления органических веществ количество кислорода,

БПК является мерой количества органического вещества, способного окисляться бактериями в аэробных условиях.

Активный ил и биопленка представляют собой сообщество

микроорганизмов, основную часть которого составляют бактерии, в незначительном количестве присутствуют различные виды простей- ших, коловратки, некоторые виды червей.

Активный ил – это свободно перемещающиеся в очищаемой во-

де микроорганизмы. Активный ил применяется в аэротенках.

Биопленка – сообщество прикрепленных (иммобилизованных) на специальной загрузке микроорганизмов. Биопленка развивается в биофильтрах.

Сапробность – это комплекс физиологических свойств данного

организма, обуславливающий его способность развиваться в воде с тем или иным содержанием органического вещества, с той или иной степе- нью загрязнения».

Токсобность -это свойство гидробионтов выживать в водах с различной степенью загрязнения токсичными веществами.

Медицинская микробиология изучает патогенные для человека микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы, простейшие), вызываемые

ими заболевания, а также разрабатывает технологию получения из

микроорганизмов разнообразных продуктов – антибиотиков, вакцин,

ферментов, белков, витаминов.

Нитрификация - удаление из сточных вод аммонийного азота осуществляется автотрофными бактериями, использующими для пита- ния неорганический углерод (углекислоту, карбонаты, бикарбонаты).

170

Денитрификация - удаление из воды окисленных форм азота -

нитритов и нитратов, в анаэробных условиях. Процесс осуществляется

в присутствии органических веществ, необходимых для жизнедеятель- ности бактерий. Сущность процесса заключается в том, что гетеро- трофные бактерии - денитрификаторы (Tluoresccus, Denitrificans,

Pyacvaneum) в процессе своей жизнедеятельности для окисления ор-

ганического вещества используют связанный кислород нитратов и нитритов, восстанавливая их до молекулярного азота. Биоэнергетика - это область биотехнологии связанная с эффективным использованием энергии, запасенной при фотосинтезе биомассой.

Биометаногенез - процесс анаэробного сбраживания жидких и твердых отходов, в результате, которого образуется биогаз (смесь ме- тана и углекислого газа). Для термофильных организмов процесс реа- лизуется при температуре от 50 ^оС до 60^оС, для мезофильных – при температуре от 30 ^оС до 40^оС и для психрофильных организмов – при температуре около 20^о С.

Биофотолиз - процесс образования водорода Н₂ и кислорода О₂ из воды с помощью микроорганизмов.

Биоповреждение - это любое нежелательное изменение свойств како- го-либо материала, вызванное жизнедеятельностью различных микроорга- низмов.

Биодеградация - это разрушение какого - либо продукта, попавшего в окружающую среду при участии биоассоциации.

Биогеотехнология занимается вопросами добычи, обогащения и пере- работки руд, отделения и концентрирования металлов из сточных вод как вторичного сырья, экстракции остаточных порций нефти из иссякающих ме- сторождений.

Биоиндикаторы водоемов - санитарно-показательные организмы, ха-

рактерные для каждой зоны сапробности.

171

ЛИТЕРТУРА

1. Алиханян, С.И. Общая генетика. / С.И. Алиханян. – М.: Выс-

шая школа, 1985.–97 с.

2. Бароян, О.В. Блики на портрете./О.В.Бароян – 2-е изд. – М.:

Мол. гвардия, 1982. – 160 с.: ил.

3. Биотехнология: учеб. пособие для вузов в 8 кн./под ред.

Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова – М.: Высш. шк., 1987. – кн.1: ил.

4. Биотехнология: принципы и применение./ Г. Бич [и др.]; пер. с англ./ – М.: Мир,1988. – 480 с.: ил.

5. Большая медицинская энциклопедия./гл. ред. Б.В.Петровский. -

3-е изд.: в 30-ти т. – М.: Сов. энцикл., 1975. -Т. 2.

6. Большая медицинская энциклопедия./гл. ред. Б.В.Петровский.-

3-е изд. : в 30-ти т. – М.: Сов. энцикл., 1976.-Т. 3.

7. Борисов, Л.Б. Медицинская микробиология, вирусология, им- муноология. / Л.Б. Борисов – М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2002. – 736 с.: ил.

8. Бредихин, С.А. Технология и техника переработки молока./

С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин. – М.: Колосс,

2003. – 400 с.: ил.

9. Брюков, В.В. Основы промышленной биотехнологии./

В.В. Брюков – М.: Колос, 2004.-296.: ил.

10. Гапонов, К.П. Процессы и аппараты. Микробиология произ-

водства/К.П.Гапонов. – М., 1981. – 256 с.

11. Горная энциклопедия: в 5 т. /гл. ред. Е.А.Козловский. – М.:

Современная энциклопедия, 1984 –Т.1.

12. Ельцев, В.Т. Микробиология./ В.Т. Ельцев , В.К. Шильникова

– М.: Агропромиздат, 1990. – 191 с.: ил.: – (Сер. Учебники и учеб. по-

собия для учащихся техникумов).

13. Зайчик, Ц.Р. Технологическое оборудование винодельческих предприятий./ С.Р.Зайчик. – М.: ДеЛи принт, 2001. – 62 с.

14. Кунце, Вольфган. Технология солода и пива /Вольфган Кунце;

пер. с нем. яз. – СПб.: Профессия, 2001. – 912 с.: ил.

15. Литвиненко, С.Н. Защита нефтепродуктов от действия ми-

кроорганизмов./ С.Н. Литвиненко - М.: Химия, 1997. – 143 с.: ил.

16. Мармузова, Л.В. Основы микробиологии, санитарии и гигие- ны производства хлебобулочных изделий./ Л.В. Мармузова – М.: ПрофОбрИздат, - 1995. - 268 с.: ил.

17. Нейман, Б.Л. Индустрия микробов./ Б.Л.Нейман - М.: Знание,

- 1983. – 86 с.

172

18. Самин, Д.К. 100 великих ученых./ Д.К. Самин - М.: Вече,

2000. – 592 с.

19. Самин, Д.К. 100 великих научных открытий./Д.К. Самин - М.:

Вече, 2002. - 480 с.

20. Сартакова, О.Ю., Чистая вода: традиции и новации: учеб. пос./ О.Ю. Сартакова, О.М. Горелова;- Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Позунова – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2002. – 178 с.

21. Саруханов, А.В. Оборудование микробиологического произ-

водства. Справочник/А.В.Саруханов, В.А. Быков - М., 1993. - 389 с.

22. Сассон, Альберт. Биотехнология: свершения и надежды

/Альберт Сассон ; пер. с англ.– М.: Мир, 1987. – 411 с.: ил.

23. Скулачев, В.П. Законы биоэнергетики// Соросовский образо-

вательный журнал. - 1997. - № 1. - С. 9–14.

24. Степанова, Л.И. Справочник технолога молочного произ-

водства.: в 2 т./ Л.И.Степанова. - СПб: ГИОРД, 2000. – Т. 1.

25. Торчилин, В. П. Иммобилизованные ферменты в медицине. -

М., 1986. – 37 с.: ил.

26. Хомченко, Г.Л. Химия для поступающих в ВУЗы: учеб. посо-

бие. - М.: Высшая школа, 1993. – 42 с.

27. Циганкова, Т.Б. Технология хлебопекарного производства. –

М.: ПрофОбрИздат, 2002. – 428 с., ил.

28. Чубинидзе, Б.Н. Оборудование предприятий масложировой промышленности./Б.Н.Чубнидзе, В.Х. Паронян, А.В. Луговой – М.: Агропромиздат; 1985. – 304 с.

29. Шлегель, Г.Г. История микробиологии / Г.Г. Шлегель; пер. с нем. яз.– М.: Едиториал УРСС, 2002. – 302 с.: ил.

30. Щетинин, М.П. Технологическая линия производства сычуж-

ных сыров/Система машин и технологических комплексов/М.П. Щети-

нин ; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Позунова– Барнаул: Изд-во АлтГТУ,

2000. – 126 с.: ил.

173

Подписано в печать 03.03.09. Формат 60×84 1/16.

Печать - цифровая. Усл.п.л. 10.

Тираж 100 экз. Заказ 2009 − 128

Отпечатано в типографии АлтГТУ,

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

тел.: (8-3852) 36-84-61

174

ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.