Экологические аспекты современной биотехнологии

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВРЕМЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

О.В. Мосин

Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, которая зародилась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики, цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники позволили получить новые сведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрый рост численности населения нашей планеты и увеличение потребления природных ресурсов при постоянном уменьшении площадей агросферы — главного источника питания, корма и сырья для перерабатывающей промышленности — уже более не позволяют развивать отечественную экономику старыми советскими методами. При этом существенная роль в этом процессе должна уделяться экологии. Но уже сегодня очевидно, что необходимо увеличивать продуктивность как агросферы, так и техносферы.

И хотя сегодня мы наблюдаем неоправданные восторги в связи с наступлением научно-технической революции и ностальгию по уходящей эпохе с ее экстенсивными методами производства. Несомненно то, что научный прогресс в сово­купности с экологическим мышлением является основой развития человеческого общества.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Среди ученых нет единого точного определения понятия «биотехнология». Можно сказать, что биотехнология изучает методы получения полезных для человека веществ и продуктов в управляемых условиях, используя микроорганизмы, клетки животных и растений или изолированные из клеток биоло­гические структуры. Биотехнология позволила управлять клеточным биосин­тезом микроорганизмов, но биотехнология — понятие более широкое, чем микробный синтез, поскольку используются не только микроорганизмы, но и культуры растительных и живот­ных тканей, протопласты, клеточные ферменты и любые биологи­ческие системы, способные к биосинтезу или биоконверсии.

В биотехнологии широко используются генетическая и клеточная инженерия, культивирование тканей многоклеточных организмов, иммунокоррекция, манипуляция с половыми клетка­ми и др. Тесно связана с биотехнологией биоинженерия. Ее задачи — создание биореакторов, аэрирующих устройств, оборудования для стерилизации питательных сред и воздуха, разработка контрольной и измерительной аппаратуры, а также мас­штабирование и моделирование биотехнологических процессов. Биотехнология также связана с такими науками, как физиология микроорганизмов, растений и животных, цитология, биохимия, гене­тика, биофизика, молекулярная биология.

Сегодня многочисленные биотехнологические процессы широко используются в отечественной пищевой промышленности. С их помощью удается увеличить продуктивность сельского хозяйства. С развитием биотехнологии поднялась на новый уровень фармацевтическая промышленность, возрастает роль биотехнологии в защите окружающей среды. Биотехноло­гия вторгается в металлургию и горнодобывающую промышлен­ность, добычу нефти, развивается новая отрасль — биогеотехнология.

Сама биотехнология возникла в процессе развития технической микробиологии. Люди пользовались одноклеточными микроорганизмами давно, даже не подозревая об их существовании, хотя таинственные процессы брожения и необъяснимая фер­ментативная активность природных субстратов привлекали вни­мание химиков еще в XVIII веке.

Например, способность дрожжей образовывать спирт в сахарсодержащих растворах знали шумеры и вавилонцы за 6 тыс. лет до н. э. Египтяне стали применять дрожжи для выпечки хлеба в четвер­том тысячелетии до н. э.

Знакомство людей с микромиром, а также осознание незаменимости микроорганизмов в саморегулирующихся механизмах биосферы стали возможны благодаря открытиям Л. Пастера. В процессе изучения микроорганизмов изменились наши пред­ставления о сущности живых организмов, о возникновении и эволюции жизни на Земле, о круговороте веществ в биосфере и о причинах возникновения инфекционных заболеваний. После открытий Л. Пастера последовали новые выдающиеся открытия, на основе которых микроорганизмы стали сознательно применять для производства ряда важных продуктов. Были созданы ме­тоды профилактики и лечения живых организмов.

На Третьем съезде Европейской ассоциации биотехнологов (Мюнхен, 1984 г.) голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю биотехнологии на пять периодов, или эр.

Допастеровская эраИспользование спиртового и молочнокислого броже-

(до 1865 г.) ния при получении пива, вина, хлебопекарных и пив-

ных дрожжей, сыра. Получение ферментированных продуктов и уксуса

Послепастеровская эраПроизводство этанола, бутанола, ацетона, глицеро-

(1866—1940 гг.) ла, органических кислот и вакцин. Аэробная очистка

канализационных вод. Производство кормовых дрож­жей из углеводов

Эра антибиотиков Производство пенициллина и других антибиотиков

{1941 — 1960 гг.) путем глубинной ферментации. Культивирование рас-

тительных клеток и получение вирусных вакцин. Микробиологическая трансформация стероидов

Эра управляемого биосин- Производство аминокислот с помощью микробных
теза (1961 — 1975 гг.) мутантов. Получение чистых ферментов. Промыш-

ленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Анаэробная очистка канализационных вод и получение биогаза. Производство бактериальных полисахаридов

Эра новой биотехнологии Использование генной и клеточной инженерии в це-
(после 1975 г.) лях получения агентов биосинтеза. Получение гиб-

ридов, моноклональных антител, гибридов из прото­пластов и меристемных культур. Трансплантация эм­брионов

В XX веке учёным удалось расшифровать многие тайны природы, установить биохимическую и физико-химическую сущность жизнен­ных процессов. Освоение новых биологических методов определя­ет развитие других наук. В биотехнологии наряду с микробиоло­гами, биохимиками работают вирусологи, генетики, цитологи, биофизики, электронщики, автоматчики, кибернетики.

Новая биотехнология началась после открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком строения генетического материала — ДНК- Главным объектом исследований до сих пор остается живая клетка, но центральное место в биотехнологических экспериментах занимают, пожалуй, манипуляции с ДНК. Пользуясь методами гене­тической инженерии, создают искусственные, заранее запрограм­мированные генетические структуры в виде рекомбинантных молекул ДНК, осуществляют трансплантацию генов между раз­ными видами микробных клеток, а также между клетками одноклеточных и многоклеточных организмов. Пристальное внимание современных исследователей привлекают биологические мем­браны. Создана теория хемоосмотической циркуляции протонов в биологических мембранах.

Весьма многообразны биотехнологические манипуляции с клеточными структурами и протопластами. Например, в результате искус­ственного слияния лимфоцитов и меланомных клеток (разновид­ность опухоли) получены гибридомы, которые синтезируют моноклональные антитела, имеющие важное значение в иммуно­логических реакциях. Учение о моноклональных антителах — важный раздел современной биотехнологии.

В 1972 г. Дж. Эдельманом, Р. Портером установлен химический состав антител — важного фактора иммунологической си­стемы человека и животных. В 1975 г. путем гибридизации сома­тических клеток получены гибридомы, секретирующие монокло­нальные антитела.

К числу последних достижений биотехнологии можно отнести разработанные А. С. Спириным основы бесклеточного синтеза белка в протоке, создание новых генно-инженерных сортов растений и животных, клонировании животных.

Дальнейший прогресс человечества связывают с широким применением во всех сферах жизни биотехнологии. В промышленно развитых странах объем выпуска химических веществ, полученный микробным синтезом, составляет 8—10% всей химической продукции.

Продукты биотехнологической промышленности можно условно разделить на крупнотоннажные (этанол, дрожжи, органические кислоты, фруктозные сиропы) и медикаменты, аминокислоты, гормоны и другие продукты тонкого микробного синтеза.

Биотехнологические методы широко применяют в медицине и сельском хозяйстве. Уже сейчас в производственных условиях выращивают клеточную массу женьшеня, биотехнологические методы применяют при создании новых сортов культурных и декоративных растений, при оздоровлении картофеля и других растений.

Генетические манипуляции, которые проводят в настоящее время с половыми клетками и эмбрионами животных, позволяют ускорить размножение высокопродуктивных животных для их дальнейшего клонирования.

МИРОВАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ И РОЛЬ БИОТЕХНОЛОГИИ В ЕЕ УЛУЧШЕНИИ.

Интенсификация сельского хозяйства, технический прогресс в промышленности, на транспорте привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформации установившихся равновесий экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека. Промышленные предприятия загрязняют атмосферу газообразными и твердыми выброса­ми, водоемы — стоками, которые содержат большое количество вредных, а иногда и сильно ядовитых веществ, от которых стра­дают фауна и флора. Эти вещества через растения и животных поступают в пищу человека. Химизация сельскохозяйственного производства также приводит к загрязнению почвы, водоемов, воздуха, пищевых продуктов. В некоторых регионах и городах планеты создалась напряженная экологическая ситуация.

Вторая половина ушедшего столетия характеризовалась бурным развитием техники, индустриализацией народного хозяйства, интенсификацией производства пищевых продуктов для обеспечения питанием непрерывно увеличивающегося населения плане­ты. В 2000 году населе­ние земного шара составляло 7 млрд против 5 млрд в 1986 г. Отмечается тенденция к росту городского населения. Такая демографическая ситуация отрицательно влияет на экологию.

Рост населения Земли требует увеличения ресурсов продовольствия. В период так называемой «зеленой революции» (1956— 1970 гг.) в мире было достигнуто среднегодовое увеличение продуктов питания на 2,2 % в результате селекции высокоуро­жайных сортов сельскохозяйственных растений, широкого приме­нения минеральных удобрений, гербицидов, пестицидов, иррига­ции земель, механизации.

Стремление увеличить ресурсы питания приводит к быстрому ухудшению экологической ситуации в сфере сельскохозяйственного производства. Происходят истощение почвы (уменьшение гумуса), ее уплотнение и засорение минеральными веществами, ядохимикатами, загрязнение водоемов, продуктов питания. В ре­зультате недостатка в почве органических удобрений в последнее время наблюдалось существенное снижение гумуса.

Потери гумуса в процессах минерализации при культивировании различ­ных культур приведены ниже.