Биоконверсия

Биотехнология – совокупность промышленных методов, использующих живые организмы, клетки, ткани и биологические процессы для получения ценных для народного хозяйства продуктов.

Биоконверсия – процесс превращения веществ с участием живых организмов, точнее процесс превращения одних соединений в другие при участии ферментных систем живых организмов.

Особенности биоконверсии:

идет превращение веществ-субстратов в структурно-родственные соединения (под воздействием ферментов органические вещества превращаются в родственные им по структуре вещества);
не идет полная деградация субстрата, присутствует лишь незначительные его изменения, которые приводят к получению целевого продукта (это связано с ограниченным числом ферментных реакций, т.е., если есть несколько субстратов: S1, S2, …, Sn, но есть только один вид фермента, то будет идти превращение только одного вида).

Реакции, катализируемые ферментами:

окисление;
гидролиз;
декарбоксилирование;
дегидрирование;
гидрирование;
метилирование;
деметилирование;
изомеризация;
ацелирование;
восстановление;
фосфорелирование;
галагенирование.

Виды процессов биоконверсии:

1. Одноступенчатые:

брожение (продуктами являются спирты и органические кислоты);
изомеризация (превращение глюкозы во фруктозу);
получение стероидных гормонов (из гидрокортизона получают преднизалон).

2. Многоступенчатые (требуются смешанные культуры микроорганизмов или последовательное, многостадийное добавление штаммов микроорганизмов):

получение кормового белка;
получение БАВ: гормоны, антибиотики, витамины;
биоконверсионная очистка сточных вод;
вермикультивирование (природная биоконверсия).

Преимущества биоконверсионных превращений в сравнении с химическими:

получаются продукты точно химически заданного состава, без побочных включений;
необходимые катализаторы синтезируются клетками микроорганизмов, что уменьшает число стадий производства, что в свою очередь влечет за собой удешевление;
высокая специфичность реакций (протекает только один тип реакций);
стереоспецифичность (образуются соединения родственные по структуре);
мягкие условия протекания реакций;
энергетически выгодно (т.к. мягкие условия, то реакции протекают при низких температурах, т.е. идут малые затраты энергии, при значительной скорости процесса);
большое КПД целевых веществ (93-100%);
возможность использования иммобилизованных клеток-микроорганизмов, которые более стабильны чем ферменты, как следствие увеличивается эффективность процесса и падает его цена);
в результате очистки загрязнений (биоразрушения) не появляется второй загрязняющий агент.

Использование продукции биоконверсии:

Фармация, медицина (инсулин, преднизалон, соматотропин).
Пищевая промышленность (пищевой и кормовой белок, клеточная биомасса дрожжей, водоросли, грибы).
Очистка окружающей среды (вод) и ограничение загрязнений бытовыми и сельско-хозяйственными отходами (от нефти). Большинство веществ может удаляться с помощью ана-, аэробных микроорганизмов в результате биоконверсии (брожение, метаногенез, ацетогенез).
Сельское хозяйство (биодеградация пестицидов в почве, биоразрушения ядохимикатов, использование натуральных удобрений).

Биоконверсионные разрушения могут внести большой вклад в решение комплексных экологических проблем. Хотя надо помнить, что экологическая проблема – это в первую очередь философская проблема – человек ее должен осознать, пропустить через себя.

Виды химических удобрений

1. Азотные:

Аммиачные;
Нитратные;
Аммиачно-нитратные;
Амидные.

2. Фосфорные:

Суперфосфат;
Фосфатшлак;
Фосфорная мука;
Обесфтореный фосфат.

3. Калийные:

Калий хлорид;
Калийная селитра;
Калий сульфат;
Калимагнезия.

Загрязнения происходят из-за:

использования больших доз минеральных удобрений;
примесей в удобрениях (в частности, тяжелые металлы).

Применение натуральных удобрений

К числу которых относятся вермикоспосты, полученные при переработке органических отходов красным калифорнийским червем Eisenia foetida.

Жидкий гной поддают сепарации, фракцию, содержащую 15-20% твердых веществ, выкладывают слоем 15-20 см на стеллажи. Из гноя, с помощью червяков, получают удобрения – биогумус или вермикомпост, а червяки, используются для кормления животных или как биодобавки и лекарственные препараты с применением очистки. Жировые отходы с добавлением осадков сточных вод пригодны для вермикультивирования, но из-за большого содержания тяжелых металлов использовать его как удобрение можно только для декоративных растений и лесонасаждений (как это делают во Франции).

Бесхребетные дробят растительный материал, увеличивая общую поверхность и тем самым содействуют размножению микроорганизмов. Пропуская измельченную еду через пищеварительный тракт, бесхребетные изменяют и увлажняют ее при пищеварении, т.е. создают более оптимальные условия для развития микроорганизмов. Также в кишечнике червяков присутствуют микроорганизмы Bacillis agglomeratus, которые способны извлекать нитросоединения из белков. Червяки, также, выделяют витамин D и витамины группы B (В₁, В₂, В₁₂). Окислительные ферменты выделяемые червяками в грунт, обогащают его, увеличивая тем самым число активных веществ (ауксины, гиберелины), которые ускоряют прорастание зерен, значительно уменьшают стресс растений и увеличивают устойчивость к заболеваниям.

При использовании биогумуса уменьшается содержание нитратного азота, при необходимом обеспечении витаминами. Также установлено положительное влияние вермикомпоста на нормализацию содержания нитратов и микроэлементов в зерне, благодаря повышенной активности пироксидазы в листах и зерне зерновых культур. Биогумус смягчает действие гербицида, восстанавливает биологические процессы в грунте, загрязненном тяжелыми металлами, которые связываются в малодоступные растительные комплексы. Биогумус также уменьшает уровень радиации в разных органах растений, в том числе и в плодах.

Преимущества биогумуса:

большая влагоемкость;
гидрофильность;
механическая прочность (ходы червяков);
отсутствие семян бурьянов;
большое содержание БАВ (фитогормонов);
большое разнообразие полезной микрофлоры;
пролонгированное действие;
оптимальная реакция среды для развития растений.

Благодаря этим преимуществам увеличивается плодородность грунта, активизируются процессы роста и увеличивается урожайность культур.

Вермикомпосты кроме того, что экологически полезны ещё и экономически выгодны: из 1 тонны отходов можно получить около 600 кг экологически чистого удобрения, полученную биомассу червей можно применить как кормовую добавку или лекарственные препараты.

Выводы: Вермикультивирование позволяет на биологической основе решать актуальные экологические проблемы:

утилизация органических отходов;
увеличение плодородности грунта;
получение высококачественного экологически чистого органического удобрения.

Литература

Гармаш С.М., Рябченко М.О., Кулик О.П. Біоконверсія соняшникового лушпиння: Монографія. – Дніпропетровськ: Пороги, 2008. – 94 с.
Мусієнко М.М. Фізіологія рослин: Підручник. – К.: Либідь, 2005. – 808 с.