«ТЕХНИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ Республика Казахстан 1 Алматы 2014 УДК 663.18 ББК 30.16 я 7 Б 59 Бияшев К.Б., Тулемисова Ж.К., Орынтаев К.Б. Б59 Техническая микробиология – Алматы, 2014г. ISBN 978-601-241-184-4 Техническая ...»

сельскохозяйственных животных является наличие в них витаминов — биологически активных веществ разного химического строения и Биологическая активность витаминов определяется тем, что они в качестве активных групп входят в состав каталитических центров ферментов.

соответствующих ферментов и, как следствие, ослабляются или полностью прекращаются биохимические процессы, происходящие с участием данных ферментов. Последнее является причиной ряда серьезных заболеваний, вызванных недостатком витаминов.

Как установлено, организмы человека и животных не способны к синтезу витаминов, тогда как растения при нормальных условиях развития исключением витамина В12). Микроорганизмы также синтезируют большинство необходимых им витаминов. Исходя из этого видно, что продукты растительного и микробного происхождения представляют собой незаменимые источники витаминов как для животных, так и для человека.

осуществляется двумя путями — поступление с пищей и синтез однокамерным желудком, имеющим значительно меньше микрофлоры, главный путь обеспечения витаминами — потребление с пищей или непосредственно витаминов, или их метаболических предшественников — провитаминов, которые в организме человека и животных превращаются в витамины. В то же время жвачные животные, имеющие в преджелудках обильную микрофлору, способную к синтезу витаминов, в значительной степени удовлетворяют свою потребность во многих витаминах за счет переваривания клеток отмерших микроорганизмов.

происхождения — имеют не оптимальный состав и постоянно меняющееся препараты, обогащенные витаминами, которые получают из культур микроорганизмов.

Микробиологическая промышленность в разных странах выпускает два вида кормовых витаминных препаратов — кормовой рибофлавин, содержащий витамин В2, и КМБ-12, имеющий в своем составе витамин В12.

Кормовые препараты витамина В2. Витамин В2 (рибофлавин) по химической природе представляет собой азотистое основание 6,7-диметил изоаллоксазин, соединенное со остатком спирта D-рибита:

Этот витамин входит в состав активных групп окислительно-восстановительных ферментов — флавинмононуклеотида (ФМН) и флавинаденин динуклеотида (ФАД). Поэтому при его недостатке наблюдается ослабление окислительно-восстановительных процессов в организме. По нормам кормления свиньям этого витамина требуется не менее 2—7 мг, лошадям и птице — 2—5 мг на 1 кг сухого корма. Однако в растительной продукции, используемой в кормопроизводстве, витамина В2 содержится недостаточно. Много рибофлавина могут синтезировать микроорганизмы — различные виды бактерий, актиномицеты, дрожжевые клетки, некоторые из них способны накапливать в культуральной среде до 1 мг/мл иитамина В2.

В качестве промышленных продуцентов кормового рибофлавина используются отселектированные штаммы дрожжей Eremothecium ashbyii.

Рибофлавин накапливается в вакуолях дрожжевых клеток и придает культуре характерную желтую окраску. Для производственной ферментации готовятся отдельно жидкая питательная среда и посевной материал культуры дрожжей, выращенный в специальном посевном аппарате.

Питательная среда в необходимых концентрациях включает соевую муку, кукурузный экстракт, мел, гидрол, сахар, NaCl. Перед подачей в ферментер она подвергается стерилизации. В качестве посевного материала используются споры Е. ashbyii, выращенные на пшене.

Промытое пшено в течение 30—35 мин выдерживается в молочной сыворотке для набухания, затем оно подсушивается и расфасовывается но 50*— подвергается трехкратной стерилизации, после чего производится его засев водной суспензией спор культуры дрожжей. Флаконы с засеянной культурой и точение 7—8 дней инкубируют при 29—30°С, после чего подсушивают в вакуум-сушильной установке и далее направляют для приготовления жидкого посевного материала, который после стерилизации подается в производственный ферментер.

Культивирование продуцентов кормового рибофлавина проводится при 28—30°С в течение 72 ч. Через каждые 8 ч ферментации отбираются пробы для контроля за развитием микробных клеток, составом среды и накоплением целевого продукта. Готовая культуральная жидкость по окончании ферментации должна содержать до 5 % сухих веществ и 1, мг/мл рибофлавина.

культуральную жидкость подкисляют соляной кислотой до pH 4,5—5,0, Полученный концентрат обычно содержит 5,6 мг/мл витамина и 20 % сухих веществ. После выпаривания избытка растворителя концентрат рибофлавина высушивается на распылительной сушилке до влажности 5— 10 %, затем смешивается с отрубями или кукурузной мукой и упаковываются в крафт-мешки. В готовом продукте содержится не менее % витамина. Срок хранения сухого препарата - 1 год.

Кормовые препараты витамина В12. Витамин В12 представлен группой биологически активных веществ, содержащих в своем составе трехвалентный кобальт, аминные и цианистые группировки, которые могут быть замещены другими радикалами — ОН, С1, Вг. Этот витамин стимулирует образование крови в костном мозге, улучшает усвоение белков, участвует в синтезе аминокислот и азотистых оснований. Витамин В12 не содержится в продуктах растительного происхождения и его единственным источником для сельскохозяйственных животных являются микроорганизмы.

Для промышленного получения кормовых препаратов витамина В выращивается специально подобранный биоценоз микроорганизмов, осуществляющих термофильное метановое брожение, в который входят целлюлозоразлагающие, аммонифицирующие, углеводсбраживающие, сульфитвосстанавливающие и метанообразующие бактерии. На первом этапе ферментации этих микроорганизмов (в течение 10—12 дней) наблюдается бурное развитие термофильных аммонифицирующих и углеводсбраживающих бактерий, которое происходит в слабокислой среде (pH 5,0—7,0). Другие группы бактерий данного биоценоза достигают интенсивного развития при переходе брожения в щелочную фазу (pH 7,0— 8,5). Преобладающими в этот период являются метанообразующие бактерии, которые синтезируют в 4—5 раз больше витамина Вп, чем другие микроорганизмы биоценоза. Главные субстраты для развития метанообразующих бактерий — жирные кислоты и низшие спирты, поэтому их добавление в питательную среду значительно увеличивает выход витамина.

Для приготовления питательной среды обычно используется барда ацетоно-бутилового производства, которая декантацией очищается от твердых примесей, в нее добавляется хлористый кобальт (4 г/м3) и 0,5 % метанола.

В процессе промышленного культивирования бактерий вначале производится выращивание посевного материала (15—20 дней) в аппаратах емкостью 250 м3, затем посевной материал подается в железобетонные ферментеры емкостью 4200 м3, в которых происходит метановое брожение. Свежая барда подается в нижнюю часть ферментера в количест ве 25—30 % от его объема за сутки. Отбор метановой бражки, содержащей витамин В и, производится в верхней части ферментера. В течение рабочего цикла в ферментере строго контролируется pH среды, концентрация летучих жирных кислот, содержание аммонийного азота, поддерживается оптимальная температура (55—57°С). В результате брожения образуется газовая смесь, состоящая главным образом из метана (65 %) и диоксида углерода (30 %), которая может быть использована как источник теина при сжигании.

Готовая культуральная жидкость, образующаяся как продукт ферментации, обычно содержит 2—2,5 % сухих веществ и 1,1—1,7 мг/л витамина Bi2. Для предотвращения разрушения витамина в процессе сушки культуральную жидкость подкисляют соляной или фосфорной кислотой до pH 6,3—6,5 и в нее добавляют 0,2—0,25 % сульфита натрия.

Подготовленная таким образом культуральная жидкость дегазируется, упаривается на вакуум-выпарной установке, полученный концентрат затем высушивается в распылительной сушилке до влажности 5—10 %. В целях улучшения физических свойств сухой продукт смешивается с отрубями или кукурузной мукой, расфасовывается по 25—30 кг в полиэтиленовые пакеты и упаковывается в крафт-мешки. Содержание витамина В12 и готовом кормовом препарате составляет 2,5 мг%, срок хранения сухого препарата—1 год. Препарат имеет коммерческое название — КМБ- (кшцентратмикробный витамин). Кроме витамина В12 КМБ-12 также содержит другие витамины группы В, незаменимые аминокислоты.

8.3 Кормовые липиды.

Кроме белков, углеводов и витаминов неотъемлемым компонентом кормов сельскохозяйственных животных являются липиды, содержащие иолиненасыщенные жирные кислоты — линолевую, линоленовую, арахидоновую, которые не могут синтезироваться в организме животных и, следовательно, должны поступать с пищей. Полиненасыщенные жирные кислоты, называемые незаменимыми, участвуют в построении клеточных мембран, входя в состав структурных липидов. При недостатке незаменимых жирных кислот снижается интенсивность роста сельскохозяйственных животных, угнетается их репродуктивная функция, понижается сопротивляемость организма инфекции.

сельскохозяйственых животных - различные растительные продукты, входящие в состав кормов. Однако очень часто в растительных кормах содержится мало липидов или они имеют неблагоприятный состав жирных балансирования кормовых рационов сельскохозяйственных животных по содержанию незаменимых жирных кислот осуществляется поиск новых источников биологически полноценных липидов, которые можно было бы использовать и качестве высококонцентрированных кормовых добавок.

Опыты показывают, что наиболее перспективными промышленными продуцентами липидов, близкими по составу к растительным жирам и пригодными для использования в кормовых целях, являются дрожжи и внутриклеточные липиды, однако известны виды, способные выделять липиды в культуральную жидкость. В клетках этих микроорганизмов обычно содержится от 25 % до 70 % липидов в расчете на сухую массу, которые на 40—90 % представлены триацилглицеринами и на 5—50 % — фосфолипидами. В них также много содержится стероидных веществ (до эргостерином, из которого в организме животных образуется витамин D2.

Липидные компоненты дрожжей и микроскопических грибов имеют довольно благоприятный состав жирных кислот (табл. 7.4), в них много содержится олеиновой (20—50 % от общего количества жирных кислот), линолевой (до 50 %), линоленовой (до 17—19 %) кислот и мало трудноусвояемых организмом животных кислот (оксикислот, кислот с нечетным числом углеродных атомов или разветвленной цепью). Много липидов (50—60 % от сухой массы) способны накапливать некоторые штаммы дрожжей Rhodotorula, Lipomyces, Cryptococcus. Клетки дрожжей рода Candida синтезируют меньше липидов (20—40 %), однако отличаются высокой скоростью роста и способностью хорошо утилизировать разнообразные источники сырья. Микроскопические грибы могут синтезировать до 40—50 % высокоценных липидов, сходных по составу жирных кислот с растительными маслами.

Из-за образования в клетках микроорганизмов активных комплексен гидролитических ферментов они способны утилизировать в качестве источников углерода различные субстраты — гидролизаты растительных отходов, послеспиртовую барду, молочную сыворотку, мелассу, отходы зерноперерабатывающей промышленности, углеводороды нефти, низкомолекулярные спирты (метанол, этанол).

Наряду с получением кормовых липидов на основе ферментации микроорганизмов разрабатываются также технологии производства комплексных микробных препаратов, содержащих белки, липиды, каротипоиды и другие ценные питательные вещества, которые позволяют балансировать корма одновременно по нескольким компонентам. Следует отметить, что липиды микроорганизмов могут быть использованы не только в кормопроизводстве, но и как заменитель растительных пищевых жиров, используемых на технические нужды (лакокрасочная, химическая промышленность), так как примерно 20 % от производимых в мире растинллъных жиров расходуется на технические, непищевые цели.

8.4 Фементные препараты.

Одним из важных направлений современной биотехнологии является получение на основе культивирования микроорганизмов и использование в сельском хозяйстве различных ферментных препаратов, которые могут применяться в процессе приготовления кормов для сельскохозяйственных животных как добавки к кормам в целях улучшения их усвояемости, а также в ветеринарии для профилактики и лечения желудочных и паразитарных заболеваний.

Основной компонент кормов сельскохозяйственных животных растительная продукция (зерно, силос, грубые корма и др.), содержащая довольно много трудноперевариваемых веществ, — клетчатка, лигнин, гемицеллюлоза. Даже у жвачных животных, содержащих в преджелудке (рубце) активные штаммы целлюлозоразлагающих микроорганизмов, клетчатка переваривается на 40—65 %. Не полностью перевариваются также растительные белки (60—80 %), липиды (60—70 %), крахмал и полифруктозиды (70—85 %), пектиновые вещества.

В целях улучшения перевариваемости и повышения эффективности использования растительных кормов в рационы сельскохозяйственных животных вводят ферментные препараты (0,1—1,5% от сухой массы корма), полученные из микроорганизмов и содержащие активные комплексы гидролитических ферментов. Препараты микробных ферментов получают из культур бактерий или микроскопических грибов. Некоторые виды бактерий (например, Вас. Subtilis) выделяют идролитические ферменты в культуральную среду, поэтому их ферментные препараты производят путем концентрирования и высушивания при определенных условиях (лиофилизацией) культуральной жидкости. Если источником ферментов являются микроскопические грибы {Aspergillus, Mchoderma, Fusarium), то ферментный препарат готовят высушиванием тншрхностной культуры этих микроорганизмов. Очищенные ферментные препараты получают экстракцией ферментов из клеток микроорганизмов подходящим растворителем и осаждением фермента этанолом.

буквенным и цифровым индексом. Буква «Г» в названии препарата указывает, что он получен из культуральной жидкости при глубинном поверхностной культуры микроскопических грибов.

препаратов при кормлении молодняка сельскохозяйственных животных.

Ферментные препараты используются в кормопроизводстве, чаще всего при силосовании бобовых трав, соломы, картофеля и приготовлении соломоконцентратов; в процессе получения заменителей цельного молока для молодняка крупного рогатого скота из кормовых дрожжей, которые подвергаются гидролизу; в ветеринарии для лечения и диагностики многих заболеваний сельскохозяйственных животных и птиц.

Наряду с производством ферментных препаратов, выделяемых из микробных клеток, разработаны технологии получения биопрепаратов на основе живых микроорганизмов — симбионтов желудочно-кишечного тракта животных, которые в процессе своей жизнедеятельности аминокислоты, антибиотики, вещества, обладающие гормональным действием, и. таким образом активно участвуют в процессах пищеварения и синтеза веществ, не образующихся в клетках животных, защите от микробной инфекции.

Эффективные микробные препараты, широко использующиеся в животноводстве, производятся на основе пропионовокислых (пропиовит) и ацидофильных (пропиацид) бактерий, а также азотобактерий (азотацид).

Пропиовит представляет собой порошок серовато-песчаного цвета, содержащий в 1 г препарата 4—6 млрд. бактерий и 80—100 мкг витамина В]2, применяется для профилактики и лечения болезней желудочно-кишечного тракта у телят, поросят, цыплят. При его применении нормализуется рост и развитие молодняка сельскохозяйственных животных, повышается их устойчивость к инфекционным заболеваниям.

Иропиацид и азотацид — сухие препараты комбинированного действия способствуют образованию в желудочно-кишечном тракте животных уравновешенных биоценозов, особенно они эффективны против дисбактериозов.

Для борьбы с бактериальными и вирусными желудочно-кишечными иИолеваниями применяются бактериальные препараты на основе Вас.

Mihtilis, licheniformis, mucilaginosis, которые, вероятно, действуют как источники биологически активных веществ — ферментов, витаминов, антибиотиков, гормонов.

Важной задачей ученых и специалистов, работающих в области сельскохозяйственной биотехнологии, является создание и внедрение в природные экосистемы желудочно-кишечного тракта животных высокоактивных штаммов микроорганизмов, способных к лучшему перевариванию целлюлозы и других углеводов, растительных белков и липидов,сверхситезу незаменимых аминокислот и витаминов. Важное значение имеют исследования по изучению микробных популяций рубца (преджелудка) жвачных животных, в котором подвергается перевариванию 70-85% всего сухого вещества корма, проходящего через желудочно кишечный тракт этих животных.

Создание высокоактивных штаммов микроорганизмов проводится методами генетики и селекции, с использованием мутагенеза и клонирования генов. Применение этих методов позволит целенаправленно изменять экосистемы желудочно-кишечного тракта ли нотных в нужном направлении, добиваясь улучшения усвояемости корма, усиления синтеза полезных веществ, подавления патогенной микрофлоры.

Вопросы для самопроверки 1.Получение пищевого белка 2. Получение кормовых белков 3. Белковые концентраты из бактерий 4. Кормовые белки из водорослей 5. Белки грибов 6. Получение незаменимых аминокислот 7.Синтез лизина 8. Кормовые витамины 9. Кормрвые липиды 10.Ферментные препараты Глава 9. Биоинженерия в агроиндустрии искусственного осеменения сельскохозяйственных животных и его практическое применение обеспечили бльшой успех в области улучшения генетики животных. Использование этого метода в сочетании с длительным хранением семени в замороженном состоянии открыло возможность получения десятков тысяч потомков от одного производителя в год. Этот прием, по существу, решает проблему рационального использования производителей в практике животноводства. Что касается самок, то традиционные методы разведения животных позволяют получать от них лишь несколько потомков за всю жизнь. Низкий уровень воспроизводства у самок и длительный интервал времени между поколениями (6—7 лет у крупного рогатого скота) ограничивают генетический процесс в животноводстве. Решение этой проблемы ученые видят в применении метода трансплантации эмбрионов.

9.1.1 Трансплантация эмбрионов. Суть метода состоит в том, что генетически выдающиеся самки освобождаются от необходимости вынашивания плода и вскармливания потомства. Кроме того, гамулируют с целью увеличения выхода яйцеклеток, которые затем извлекают на стадии отношении реципиентам.

Технология трансплантации эмбрионов включает такие основные звенья, и как вызывание суперовуляции, искусственное осеменение донора, извлечение эмбрионов (хирургическое или нехирургическое), оценка их качества, кратковременное или длительное хранение и пересадка.

Стимуляции суперовуляции. Самки млекопитающих рождаются с большим (несколько десятков и даже сотен тысяч) числом половых клеток.

Большинство из них постепенно погибают в результате атрезии фолликулов.

Только небольшое число примордиальных фолликулов переходят в антральные в процессе роста. Однако практически все растущие фолликулы реагируют на гонадотропную стимуляцию, которая приводит их к конечному созреванию. Обработка самок гонадотропинами в фолликулярной фазе полового цикла или в лютеиновой фазе цикла в сочетании с индуцированием регрессии желтого тела простагландином Ф2 (ПГФ2) или его аналогами приводит к множественной овуляции или так называемой суперовуляции.

Кр у п н ы й р о г а т ы й с к о т. Индукцию суперовуляции у самок крупного рогатого скота проводят обработкой гонадотропинами, фолликулостимулирующим гормоном (ФСГ) или сывороткой крови жеребой кобылы (СЖК), начиная с 9—14-го дня полового цикла. Через 2—3 дня после начала обработки животным вводят простагландин Ф или его аналоги, чтобы вызвать регрессию желтого тела. Проведены многочисленные испытания разных схем гормональной обработи коров и телок с целью индукции полиовуляции. Наиболее широко в этих целях используют СЖК в дозе 2,5—3,0 тыс. и.е. Известно, что период полужизни эндогенного СЖК у кобыл, установленный гистеректомией, составляет около 6 дней, а при использовании радиоиммунологического метода выявлено наличие двух комплексов в СЖК — один с периодом полужизни 40,0—51,2 ч, второй— 118,4—129,4 ч.

Это свойство СЖК позволяет ограничиться однократным введением его животным при вызывании суперовуляции и вместе с тем может иметь отрицательный эффект вследствие длительного действия на функцию яичников не только в период, предшествующий охоте, но и после нее.

Это приводит к нарушению нормального уровня половых гормонов и особенно их соотношения в организме животных.

Для устранения этого нежелательного свойства СЖК в последнее время применяют антитела к гонадотропину с целью увеличения числа и улучшения качества эмбрионов, полученных при суперовуляции.

Введение во время охоты коровам, обработанным 3000 и.е. СЖК н 10-й день цикла и 37,5 мг ПГФ 2 на 12-й день, моноклональных антител или овечьей антисыворотки к СЖК уменьшило число неовулировавших фолликулов (1,7 и 2,7 против 6,5 фолликула в контроле) и повысило оплодотворяемость (>80 % против 60 % в контроле). Уровень эстрогенов в крови коров резко понижался вскоре после введения антисыворотки и оставался низким до извлечения эмбрионов, тогда как у контрольных животных уровень эстрогенов не снижался до базального уровня во врамя охоты и снова увеличивался после охоты (Дж. Мауэрт и др., 1985).

Для стимуляции полиовуляции у коров наряду с СЖК применяют гипофизарные гонадотропины. С этой целью используют очищенный ФСГ отдельно или в сочетании с ЛГ. В отличие от СЖК препараты ФСГ и ЛГ вводят дважды в день в течение 4—5 сут.

При этом охота наступает через 40—50 ч после первой инъекци ПГФ2 а. Осеменение проводят через 12 и 24 ч после наступления охоти Эмбрионы извлекают нехирургическим способом через 7—7,5 дня после осеменения.

В связи с тем, что сроки овуляции у гормонально обработанных животных увеличиваются, изменяется и технология их осеменения. Первоначально рекомендовалось многократное осеменение коров с использованием нескольких доз спермы. Обычно вводят 50 млн. живых сперматозоидов в начале охоты и через 12—20 ч осеменение повторяют.

Более детальное изучение этого вопроса показало, что высокая эффективность оплодотворения может быть достигнута и при использовании одной дозы семени, если ее вводить через 24 ч после начала охоты.

овец те же, что и у крупного рогатого скота: СЖК или ФСГ вводят в конце лютеиновой фазы полового цикла (на 11—13-й день) или в лютеиновую фазу цикла — вместе с обработкой простагландином или во время окончания обработки прогестагенами. СЖК вводят в дозе 20—45 и.е.

на кг массы тела, или до Ю00 и.е. на одну овцу. Например, аналог простагландина простенол в ряе 100 мкг вводят между 4-м и 13-м днями полового цикла через.—72 ч после обработки СЖК. Охота наступает через 2—4 дня после обработки простагландином. ФСГ предпочтительнее вводить два раза в день в течение двух дней в уменьшающейся дозе (6,5—3, мг) по сравнению с обработкой равными дозами.

С в и н ь и. У свиней, являющихся многоплодными животными, большое число эмбрионов может быть получено без гормональной обработки. Однако число овуляций у свиней может быть увеличено после гормональной обработки.

супероруляции у кобыл, однако получение достаточного числа эмбрионов у них составляет большого труда ввиду простоты нехирургического извлечения и повторного получения эмбрионов в каждый половой цикл.

Извлечение эмбрионов. Эмбрионы крупного рогатого скота поступают из яйцевода в матку между 4-м и 5-м днем после начала охоты (между 3-м и 4м днем после овуляции), хотя у суперовулировавших коров небольшая часть эмбрионов остается в яйцеводе до 7-го дня. Сроками продвижения эмбрионов в половом тракте коровы и определяется извлечение их из яйцевода или рогов матки.

В связи с тем, что нехирургическое извлечение возможно только из рогов матки, то эмбрионы извлекают не ранее 5-го дня после начала охоты.

Несмотря на то что при хирургическом извлечении эмбрионов у крупного рогатого скота достигнуты отличные результаты, этот метод неэффективен — относительно дорогостоящий, неудобный для применения в условиях производства.

Нехирургическое извлечение эмбрионов состоит в следующем.

Гибкий катетер с надувной манжеткой вводят во влагалище и через матки в один из рогов матки. Манжетка надувается и закрывает каудальный выход рога матки, тем самым ограничивая промывную полость. Катетер может быть двухканальным, что позволяет проводить проточное прохождение промывной жидкости. При использовании одноканального катетера промывная жидкость вводится несколько раз (5—8 и затем вытекает из рога матки. В обоих случаях вводят 200—300 мл фосфатного буфера Дюльбекко.

Наиболее оптимальные сроки для извлечения эмбрионов — 6—8-й после начала охоты, так как ранние бластоцисты этого возраста наиболее пригодны для глубокого замораживания и могут быть с высокой активностью пересажены нехирургическим способом. Корову-донора используют 6—8 раз в год, извлекая по 3—6 эмбрионов.

У овец и свиней нехирургическое извлечение эмбрионов невозможно ввиду трудности прохождения катетера через шейку в рога матки. Однако хирургическая операция у этих видов животных относительно проста и непродолжительна. Доступ к репродуктивному тракту осуществляется лапаротомией по белой линии живота. У свиней 1-, 2- и 4-клеточные эмбрионы извлекают из яйцеводов в течение 40 ч после овуляции. При этом стеклянную канюлю вставляют в истмус через маленькое отверстие в верхушке рога матки. Через канюлю вводят 20—30 мл промывной жидкости и собирают ее из ампулярного конца яйцевода в чашку Петри. Для извлечения эмбрионов из матки промывают яйцевод и верхушку рога матки. Рог матки пережимают и канюлю вставляют в рог матки. Обычно для вымывания сывороточным альбумином. Эмбрионы свиней можно извлекать до 12-го дня после начала охоты. Эффективность извлечения эмбрионов обычно высокая (около 95 %). Можно делать 3—4 операции на одном животном (С. Полдж, 1982).

При извлечении эмбрионов у овец в ампулярный конец яйцевода вводят стеклянную или полиэтиленовую канюлю и промывают из рога матки в яйцевод. Независимо от времени вымывания поле охоты эффективность извлечения эмбрионов составляет около 80 %.

Пересадка эмбрионов. Параллельно с разработкой хирургического метода извлечения эмбрионов у крупного рогатого скота значительный прогресс был достигнут и в нехирургической пересадке эмбрионов. В пайету набирают свежую питательную среду (столбик длиной 1,3 см), затем небольшой пузырек воздуха (0,5 см) и далее основной обьем среды с эмбрионом (2—3 см). После этого засасывают немного воздуха (0,5 см) и питательную среду (1,0—1,5 см). Пайету с эмбрионом мещают в катетер Кассу и до момента пересадки хранят в термостате рн 37°С. Далее под ректальным контролем катетер пропускают через шейку матки и осторожно вводят в рог матки на расстоянии 5—7 см от ее тела. Нажатием на шток катетера выдавливают содержимое пайеты вместе с эмбрионом в рог матки.

Эффективность пересадки эмбрионов в значительной степени определяется синхронностью проявления охоты у донора и реципиента. У крупного рогатого скота максимальное число беременностей получают после синхронной пересадки.

Введение эмбрионов в оба рога матки обеспечивает высокую эффективность пересадки. Этот прием успешно используют для получения двойневости. Процедура получения двойневости включает пересадку 7 дневных эмбрионов осемененному животному в рог, противоположный яичнику с желтым телом.

Нехирургическая пересадка эмбрионов разработана также для кобыл.

Высокая эффективность нехирургической пересадки эмбрионов у лошадей была достигнута между 6-м и 8-м днями после овуляции.

У овец и свиней пересадку эмбрионов проводят только хирургическим способом. У реципиентов используется аналогичный хирургический подход, как и у доноров. Эмбрионы пересаживают в яйцевод или матку в зависимости от стадии развития.

Эмбрионы овцы, извлеченные на 1—4-й день после охоты, пересаживают в яйцевод, а эмбрионы более старшего возраста — в матку. Приживляемость составляет 70—75 %.

У свиней приживляемость эмбрионов не снижается, если двухклеточные эмбрионы извлекают из яйцевода и пересаживают в матку реципиента на той же стадии развития. Эмбрионы свиньи рекомендуется пересаживать только в один рог матки, так как они мигрируют и распределяются в обоих рогах матки. После пересадки 2—5-дневных эмбрионов приживляемость составляет 60—70 %. Пересадка эмбрионов свиней на более поздних стадиях развития (7—8-дневных) сопровождается либо отсутствием беременности, либо значительным снижением приживляемостн (С. Полдж, 1982).

Хранение эмбрионов. Применение метода трансплантации эмбрионов потребовало разработки эффективных методов их хранения в период между извлечением и пересадкой. В производственных условиях эмбрионы обычно извлекают утром, а пересаживают в конце дня. Для хранения эмбрионов в течение этого времени используют фосфатный буфер с некоторыми модификациями при добавлении эмбриональной сыворотке крупного рогатого скота и при комнатной температуре или температуре 37°С.

Наблюдения показывают, что эмбрионы крупного рогатого скота можно культивировать in vitro до 24 ч без заметного снижения их последующей приживляемости.

Пересадка эмбрионов свиней, культивируемых 24 ч, сопровождается нормальной приживляемостью.

Выживаемость эмбрионов в определенной степени может быть увеличена охлаждением их ниже температуры тела. Чувствительность эмбрионов к охлаждению зависит от вида животного.

Эмбрионы свиней особенно чувствительны к охлаждению. Пока не удалось сохранить жизнеспособность эмбрионов свиней на ранних стадиях развития после охлаждения их ниже 10—15°С (С. Полдж, 1982).

Эмбрионы крупного рогатого скота на ранних стадиях развития также очень чувствительны к охлаждению до 0°С. Однако на более поздних стадиях развития, таких как морула или бластоциста, они хорошо выдерживают охлаждение.

Эмбрионы овец хорошо переносят охлаждение до 0°С на любых стадиях развития, от одно-, двухклеточной стадии до бластоцисты, Понижение температуры хранения эмбрионов от 37°С до 10° и 0°С угнетает или останавливает их развитие, но обменные процессы протекают на уровне, обеспечивающем хранение до 5—6 сут. Для длительного хранения эмбрионов необходимо не только затормозить их развитие, но и значительно снизить или полностью остановить обменные процессы. Такое состояние Эксперименты последних лет позволили определить оптимальные соотношения между скоростью охлаждения и оттаивания эмбрионов крупного рогатого скота. Установлено, что если эмбрионы охлаждают медленно (1°С/мин) до очень низкой температуры (ниже— 50°С) с последующим переносом в жидкий азот, то они требуют и медленного оттаивания (25°С/мин или медленнее). Быстрое оттаивание таких эмбрионов может вызвать осмотическую регидратацию и разрушение. Если эмбрионы замораживают медленно (1°С/мин) только до - 25 и 40°С с последующим креносом в жидкий азот, то их можно оттаивать очень быстро (300°С/мин). В этом случае остаточная вода при переносе в жидкий азот трансформируется в стекловидное состояние (С. Вилладсен, 1980).

замораживания и оттаивания эмбрионов крупного рогатого скота. В частности, оттаивают эмбрионы, как и сперму, в теплой воде при 35°С в течение 20 с непосредственно перед пересадкой без применения специального оборудования с заданной скоростью повышения температуры.

В последние годы установлено, что замороженные и оттаявшие эмбрионы могут быть успешно разбавлены одноступенчато в пайете, где они были заморожены. Сущность метода состоит в следующем. Замороженооттаянные эмбрионы переносят одноступенчато из раствора крио-протектора, в частности 1,5 М глицерина в фосфатном буфере, в котором они были заморожены, в среду, содержащую гипертонический раствор не проникающего в клетку соединения, каким является сахароза. Это обеспечивает постепенное удаление криопротектора из эмбриона без нарушения осмотического равновесия в 0,02 мл 1,5 М глицерина.

С помощью воздушных пузырьков пайету делят на три камеры: в первой - раствор криопротектора; во второй — эмбрион в растворе криопротектора; в третьей — растворитель (1,08 М раствор сахарозы). После замараживания и оттаивания содержимое пайеты перемешивают встряхиванием. Затем эмбрион может быть пересажен из пайеты нехирургическим способом реципиенту. Этот метод позволяет пересаживать замороженно-оттаянные эмбрионы по типу искусственного осеменения.

Сравнение методов одноступенчатого и многоступенчатого оттаивания эмбрионов показало, что оба они дают одинаковые результаты.

Успешное замораживание и оттаивание эмбрионов овец впервые проведено С. Вилладсен и др. (1974). Эмбрионы медленно охлаждали (от 0, до 2,0°С/мин) и медленно оттаивали (от 4 до 25°С/ мин). В качекриопротектора применяли ДМСО. Позднее установлено, что при использовании 1,5 М ДМСО в фосфатном буфере замораживание со скоростью 1°С/мин до - 120°С сопровождалось выживаемостью эмбрионов только в том случае, если применялось быстрое оттаивание (360°С/мин).

Однако при замораживании со скоростью 0,3°С/мин была сохранена выживаемость эмбрионов как при быстром, так и при медленном оттаиваг нии (10 или 4°С/мин). При дальнейшем уменьшении скорости замораживания до 0,1°С/мин в интервале температур между - 30 и -60°С медленное оттаивание было обязательным.

Первый жеребенок был получен после пересадки 11 замороженнооттаянных эмбрионов, извлеченных на 6-й день после овуляции. Сообщалось о получении двух жеребят после хирургической пересадки четырех шестидневных замороженных эмбрионов трем реципиентам.

Таким образом, установлено, что эмбрионы крупного рогатого скота в первые дни развития особенно чувствительны к охлаждению, но когда они достигают стадии бластоцисты, то устойчивы к охлаждению в более широком диапазоне стадий развития. У свиней ни на одной стадии развития эмбрионы не выживают после охлаждения их до температуры ниже 10—15°С.

Достигнуто успешное замораживание до - 196°С и оттаивание эмбрионов крупного рогатого скота, овец и лошадей на стадиях морулы и бластоцисты с получением живого потомства у всех трех видов животных. На практике этот прием используют пока при разведении крупного рогатого скота.

9.1.2 Получение трансгенных животных. Применение методов генетической инженерии живртноводстве открывает перспективу изменения ряда свойств организма: повышение продуктивности, резистентности к заболеваниям, увеличение скорости роста, улучшение качества продукции и др. Животных, несущих в своем геноме рекомбинантный (чужеродный) ген, принято называть трансгенными, а ген, интегрированный в геном реципиента, — трансгеном. Продукт этого гена (белок) является трансгенным. Благодаря переносу генов у трансгенных животных возникают новые качества, а дальнейшая селекция позволяет закрепить их в потомстве и создавать трансгенные линии.

Получение трансгенных животных предусматривает ряд этапов:

приготовление раствора ДНК для микроинъекции; извлечение эмбрионов из донорных организмов; микроинъекция ДНК и пересадка инъецированных эмбрионов в яйцеводы или после культивирования в матку синхронизированных реципиентов. У родившихся потомков исследуют экспрессию трансгена на уровне транскрипции и трансляции.

Трансгенное потомство получают путем использования традиционных методов разведения животных. Следует отметить, что от приготовления инъекционного раствора ДНК (его чистоты, концентрации) во многом зависит эффективность получения трансгенных животных. Обычно гены транспортируют на ранних стадиях развития животного (в большинстве случаев на стадии зиготы и двухклеточных эмбрионов). Для трансформации генов в геном животного используют следующие приемы:

микроинъекцию ДНК в пронуклеус зигот или в каждый бластомер у двухклеточного эмбриона;

введение ДНК с помощью ретровирусных векторов;

получение трансгенных химер из генетически трансформированных клеток и эмбрионов.

В настоящее время наиболее распространенный метод — микроинъекция ДНК. Ее осуществляют с помощью специальной пипетки (внутренний диаметр ее около 1 мкм), а количество инъецированного раствора ДНК составляет 1 — 2 пкл. После инъекции ДНК эмбрионы культивируют до момента пересадки реципиентам. После небольшого культивирования in vitro проинъецированные эмбрионы переносят в яйцеводы (хирургическим путем) реципиентов. Каждому реципиенту обычно пересаживают 20 — инъецированных зигот. Используя методы блот-анализа, дот-блот-анализа и ПЦР, можно получить вполне надежные доказательства интеграции и экспрессии ДНК у трансгенных животных. С этой целью используют ядросодержащие клетки тканей или внутренних жидкостей реципиента, из которых выделяют ДНК.

Для исследования у трансгенных животных выделяют РНК из тех тканей, в которых предполагается наиболее высокий уровень экспрессии.

Качественный и количественный анализы экзогенных белков позволяют судить об уровне трансляции инъецированного генного материала.

Генетический анализ родившихся трансгенных животных и полученного от них потомства показал, что, несмотря на инъекцию ДНК на ранних стадиях, в трансгенных линиях могут появляться так называемые мозаики. К мозаикам относят животных, происходящих из одной зиготы, но имеюших разные генотипы. Помимо клеточных линий, содержащих трансген, они имеют еще и нетрансгенные клеточные линии. Подсчитано, что около 30% первичных трансгенных животных, полученных методом микроинъекции ДНК, — мозаики, что затрудняет создание чистых трансгенных линий животных. Этим объясняется тот факт, что трансген не передается потомству с ожидаемой в соответствии с законами Менделя частотой 50 %. Часть мозаиков вообще не может дать начало трансгенным линиям, так как у них отсутствует передача трансгена по наследству.

Одна из важнейших задач сельскохозяйственной биотехнологии — выведение трансгенных животных с улучшенной продуктивностью и более высоким качеством продукции, резистентностью к болезням, а также создание так называемых животных-биореакторов — продуцентов ценных биологически активных веществ.

В конце XX в. на основе технологии рекомбинантной ДНК получили гормон роста микробного происхождения. Было показано, то ГР оказывает такое же стимулирующее действие на лактацию и рост животного, как и гипофизарный ГР. Гормон роста, полученный с помощью методов генетической инженерии, при крупномасштабном применении вызывал увеличение удоев на 23 — 31 % при дозе 13 мг в день.

. Ведутся работы по введению генных конструкций в организм трансгенных животных. вырабатывающих антитела, предотвращающие маститы.

Другая важная задача — выведение трансгенных животны устойчивых к заболеваниям. Потери в животноводстве, вызванные различными болезнями, достаточно велики, поэтому все более важное значение приобретает селекция животных по резистентности к болезням, вызываемых микроорганизмами, вирусами, паразитами и токсинами.

Пока результаты селекции на устойчивость животных к различным заболеваниям невелики, но обнадеживающие. В частности, созданы популяции крупного рогатого скота с примесью крови зебу, устойчивые к некоторым кровепаразитарным заболеваниям. Установлено, что защитные механизмы от инфекционных заболеваний обусловлены либо препятствием вторжению возбудителя, либо изменением рецепторов. Вторжению возбудителей, равно как и их размножению, препятствуют в основном иммунная система организма и экспрессия генов главного комплекса гистосовместимости.

Ведутся исследования в целях получения трансгенных животных, резистентных к маститу за счет повышения содержания белка лактоферина в тканях молочной железы.

Одна из важнейших задач стратегии использования трансгенных животных в медицине — получение биологически активных соединений за счет включения в клетки организма генов, вызывающих у них синтез новых белков.

Трансгенные животные как продуценты ценных биологически активных белков и гормонов имеют рад преимуществ перед микроорганизмами и клеточными системами. Важно, что новые белки, получаемые в линиях клеток трансгенных животных, могут быть модифицированы, их активность сравнима с активностью протеинов.

Для молочного производства представляет большой интерес получение целенаправленной трансгенной экспрессии в эпителиальные клетки молочной железы с целью выхода белков с молоком. Один из основных этапов получения трансгенных животных, продуцирующих гетерогенный белок с молоком, — идентификация промотора, направляющего экспрессию структурных генов в секреторный эпителий молочной железы.

9.2 Биотехнология в ветеринарии. Перед ветеринарной медициной стоят важные задачи по разработке и внедрению в производство эффективных методов борьбы с наиболее распространенными и опасными заболеваниями сельскохозяйственных животных на промышленных комплексах и в животноводческих хозяйствах и обеспечению производила безопасной для человека животноводческой продукции.

ветеринарными методами, так и с помощью новейших биотехнологий.

Изменения, произошедшие в нашей стране за последние два десятилетия, благополучия и усилении ветеринарного контроля в животноводстве;

охране людей от болезней, общих для человека и животных; производстве и наполнении рынка доброкачественными продуктами животного происхождения.

Обеспечение безопасности продукции животного происхождения в нетеринарно-санитарном отношении является одной из основных задач науки и производства, что предусмотрено Законом Республики Казахстан «О ветеринарии». В условиях рыночных отношений ироводимые мероприятия государственного санитарного надзора должны быть оперативными, эффективными и гарантировать потребителю безопасность продукции животного происхождения в ветеринарно-санитарном отношении.

Ослабление государственного контроля за проведением лечебнопрофилактических и санитарно-гигиенических мероприятий в хозяйствах, активизация международной торговли, туризма и других связей осложнили проблему защиты нашей страны от особо опасных в эпидемиологическом отношении болезней животных. Отдельные субъекты страны являются неблагополучными по некоторым инфекционным заболеваниям среди сельскохозяйственных и диких животных. В центральной части России ежегодно регистрируется случаи заболевания скота бешенством.

Бешенство относится к группе наиболее опасных зооантропонозных заболеваний, характеризующихся тяжелым поражением центральной нервной системы и заканчивающееся, как правило, гибелью и человека, и живтного.

Социально-экономические изменения в стране коренным образом отразились на сфере производственной деятельности ветеринарной службы, особенно в городах. Произошла переориентация ее сферы деятельности на обслуживание домашних и служебных животных, которые в нашей стране долгое время оставались на втором месте, в то время как в развитых зарубежных странах основная масса врачей занята именно в этой сфере. Переориентация производственной деятельности городской ветеринарной службы потребовала качественно новых подходов в вопросе совершенствования ветеринарного дела, что не могло не затронуть проблемы ее структурной реорганизации, усиления контроля при производстве и реализации продуктов животноводства, а также проблем диагностики, терапии и профилактики болезней домашних и служебных животных.

Многочисленный опыт клинической практики последних лет свидетельствует о весьма настораживающем факте, с которым практическая ветеринария сталкивается ежегодно, это увеличивающиеся случаи неэффективной терапии антибиотиками многочисленных заболеваний, в этиологии и патогенезе которых явное участие принимает условно-патогенная микрофлора. Ярким примером этому служит увеличение случаев заболевания кишечными инфекциями, занимающей основное место по распространенности, опережая все вместе взятые заразные болезни людей и животных. В клинической практике все чаще встречаются случаи, когда даже самые сильно действующие антибиотики не могут преодолеть лекарственную устойчивость микроорганизмов, что ставит перед ветеринарами трудную задачу выбора препаратов при тяжело поддающихся лечению заболеваниях инфекционной этиологии.

представляют проблемы, связанные с функционированием иммунной системы, в части диагностики и профилактики первичных и вторичных иммунодефицитов. Интерес к иммуностимулирующей терапии резко возрос в последние годы, ввиду явной проблемы-появления антибиотикорезистентных штаммов микроорганизмов и связан с решением задач, выдвигаемых инфекционной патологией.

Однако рост заболеваемости животных не всегда обусловлен одной или двумя причинами, как правило, это связано с большим числом неблагоприятных факторов, среди которых существенное место занимает качество импортируемой животноводческой продукции. Пищевые продукты и сырье животного происхождения, а также корма для пограничному государственному надзору. Его проводят пограничные железнодорожных станциях, в аэропортах, на автомобильных дорогах.

Казахстан является свободной от некоторых заболеваний, эпизоотии которых происходят в Европе. Одним из таких случаев является не до конца изученная, трудно диагностируемая при жизни эпизоотия крупного рогатого скота болезнь Шмаляргена.

Согласно ветеринарно-санитарным правилам, импортируемые в Казахстан корма и кормовые добавки для кормления животных должны изготавливаться на предприятиях, имеющих разрешение центральной государственной службы страны - экспортера о поставке продукции на экспорт и находящихся под ее постоянным контролем.

В борьбе с инфекционными болезнями особое место отводят своевременной диагностике, терапии и специфической профилактике. Для этих целей биологическая промышленность выпускает различные биологические препараты, которые готовят и выпускают на биофабриках (биокомбинатах).

диагностические, лечебные и профилактические.

9.2.1 Изготовление диагностических препаратов.

Антигены готовятся по принципу приготовления инактивированных вакцин. Антигены в своем составе содержат убитые целые микробные клетки или экстракты, полученные из соответствующих микроорганизмов. В ветеринарии при диагностике инфекционных болезней используют следующие антигены:

- единый бруцеллезный антиген для РА, РСК (РДСК). Для его приготовления на обогащенном печеночном агаре выращивают биомассу из вакцинного штамма 19. Затем готовят смыв бактериальной массы с концентрацию микробных клеток по оптическому стандарту до млрд./мл;

- бруцеллезный антиген для кольцевой реакции с молоком (КР) -взвесь убитых нагреваением бруцелл, окрашенных в синий цвет гематоксилином;

- стандартный сибиреязвенный антиген для РП - экстракт из убитых - сальмонеллезные антигены и другие.

Аллергены как диагностические препараты представляют собой применение при аллергической диагностике туберкулеза (туберкулин), паратуберкулеза (паратуберкулин), бруцеллеза (бруцеллин), сапа (маллеин), туляремии (туляремии), сибирской язвы (антраксин) и др.

Аллерген при туберкулезе готовят путем выращивания культур микобактерии туберкулеза бычьего и человеческого вида на мясо-пептонном глицериновом бульоне (6-8 недель), затем культуру стерилизуют в автоклаве, упаривают до 1/10 объема, отслаивают и фильтруют через бактериальны фильтры Зейтца, добавляют 50% глицерина. Контроль качества аллергена проводят путем установления стерильности и специфической активности. Специфическую активность проверяют на здоровых и реагирующих на аллерген животных параллельно со стандартным антигеном.

Туберкулин вводят крупному рогатому скоту внутрикожно в верхней трети шеи в дозе 0,1 мл. Положительная реакция на месте введения препарата у животных проявляется в виде разлитого отека тестоватои или мягкой консистенции, сопровождается местным повышением температуры, а иногда болезненностью.

получают путем гипериммунизации животных соответствующим антигеном.

В большинстве случаев продуцентами сывороток являются лабораторные животные (кролики, морские свинки), петухи и реже лошади. Готовые сыворотки проверяют на стерильность, активность и специфичность.

Диагностические сыворотки содержат специфические антитела, действие которых направлено на определенный антиген. Диагностические сыворотки применяют в серологических реакциях в следующих направлениях: при определении возбудителя болезни в патологическом материале; при определении вида (серогруппы, серотипа) возбудителей инфекции, выделенных в чистой культуре; в качестве заведомо положительного контроля при постановке любой серологической реакции.

Из диагностических сывороток готовят иммуноглобулины общепринятыми методами.

9.2.2 Изготовление лечебных препаратов. К лечебным препаратам относят: лечебные гипериммунные сыворотки, иммуноглобулины, бактериофаги, антибиотики, которые производятся биологической промышленностью.

В качестве продуцентов иммунных сывороток используют лошадей, мулов, ослов, волов, овец, свиней и других животных. Гипериммунизацию производственным схемам, отличающимся продолжительностью и интервалом между циклами иммунизации, устанавливаемыми в соответствие с природой антигена, его дозой и реакцией продуцента на последний. По окончании циклаиммунизации, когда в сыворотке крови продуцентов установлено максимальное количество специфических антител, у животных берут кровь. Чаще это делают на 10-14 день после введения продуценту последней дозы антигена. Количество забираемой крови зависит от массы животного-продуцента (до 16 мл/кг живой массы).

Из крови выделяют сыворотку общепринятыми методами и стерилизуют ее через бактериальные фильтры. В качестве консервантов используют 0,25растворы фенола или 0,01-0,03% растворы мертиолята. Контроль за качеством сывороток осуществляется на всех стадиях их изготовления.

Контроль бактериальной стерильности проводят по общепринятой методике высевами из препарата на специальные питательные среды (МПА, МПБ с глюкозой, М1ШБ и на агар Сабуро). Безвредность каждой серии сывороточных препаратов проверяют на морских свинках, которым подкожно вводят 10 мл сыворотки. Морские свинки должны оставаться здоровыми и не должны иметь заметной местной и общей реакции.

Специфическую активность сывороточных препаратов определяют с помощью реакции нейтрализации: чем меньше доза сыворотки, способная нейтрализовать действие определенной дозы инфекционного агента или токсина, тем выше ее активность.

На каждую проверенную серию сыворотки заполняют паспорт, в котором указывают основные показатели: биофабрику, изготовившую сыворотку, название препарата, номер серии, дату изготовления, метод консервирования, титры, сроки и методы хранения. На этикетке указывают лечебные и профилактические дозы в зависимости от вида и возраста животного. Вводят сыворотку обычно внутримышечно или внутривенно.

Гипериммунные сыворотки применяют в основном для лечебных целей, так как они создают лишь временный и пассивный иммунитет (2-3 недели).

Препараты иммуноглобулинов (белков сывороток крови), содержащие гамма- и бета-глобулиновые фракции, намного превосходят по своей профилактической и лечебной эффективности препараты, состоящие из нативной сыворотки. Принципы очистки сывороток основаны на выделении из них активных белковых фракций (иммуноглобулинов) и удалении балластных фракций методами очистки и концентрирования, В настоящее время применяют специфические иммуноглобулины против бешенства, столбняка, сибирской язвы и др. Иммуноглобулины вводят подкожно или внутримышечно в дозах 0,5-2,0 мл/кг массы тела.

Антитоксины — гипериммунные сыворотки, содержащие антитела, способные специфически связать и нейтрализовать токсины микробного, растительного и животного происхождения. Антитоксины применяют при профилактике и лечении столбняка, ботулизма и злокачественного отека;

сыворотки рекомендуется вводить в ранние сроки.

Сыворотка реконвалесцентов - сыворотка крови переболевших животных, содержащая специфические антитела.

Бактериофаги получают путем добавления в бульонные бактериальные культуры специального производственного фага, выдерживают при температуре 37°С одни сутки, затем фильтруют. Фильтрат проверяют на чистоту, стерильность, безвредность и активность. Учитывая высокую специфичность действия бактериофагов на гомологичные им микроорганизмы, для дифференцирования и индикации бактерийных культур с успехом применяют соответствующие фаги (сибиреязвенный, бруцеллезный, стафилококковые и т.д.).

Биосинтез антибиотиков. Антибиотики относятся к вторичным метаболитам. Биосинтез вторичных метаболитов фазоспецифичен и происходит по завершении стадии роста, в идиофазе, благодаря чему их еще называют идиолитами. Среди вторичных метаболитов антибиотики занимают ведущее место по объему производства.

Антибиотики - самый большой класс фармацевтических соединений, синтез которых осуществляется микробными клетками. Антибиотики (аntiпротив; bios-жизнь) - специфические продукты жизнедеятельности микроорганизмов, обладающие противомикробным действием. Некоторые антибиотики губительно действуют на гельминтов и простейших. Синтез микроорганизмами антибиотиков - одна из форм проявления микробного антагонизма, которое связано с определенным характером обмена веществ микроорганизма, возникшим и закрепленным в ходе его эволюции, т.е. это наследственная особенность, выражающаяся в образовании одного, строго специфичного для каждого вида антибиотического вещества. Воздействуя на постороннюю микробную клетку, антибиотик вызывает значительные нарушения в ее развитии. Некоторые из антибиотиков способны подавлять синтез оболочки бактериальной клетки в период размножения, другие воздействуют на ее цитоплазматическую мембрану, изменяя проницаемость, часть из них является ингибитором обмена веществ.

9.2.3 Изготовление профилактических препаратов.

Вакцинация - один из основополагающих способов борьбы с инфекционными заболеваниями. Путем поголовной вакцинации животных резко ограничено распространение бешенства, ящура и многих других заболеваний. Большое экономическое значение имеет своевременная разработка вакцин против болезней сельскохозяйственных животных и проводимая с их помощью профилактика. Традиционные вакцинные препараты изготовляют на основе ослабленных или инактивированных возбудителей болезней с использованием различных питательных сред по общепринятым или вновь разработанным технологиям Вакцины - это антигенные препараты, полученные из микробов или продуктов их жизнедеятельности, на введение которых организм формирует иммунитет к соответствующей инфекционной болезни. Вакцины как средства специфической профилактики, в свою очередь, делятся на: 1) живые 2) инактивированные 3) химические 4) анатоксины и др. Живые вакцины готовят из штаммов микроорганизмов с ослабленной вирулентностью. Главным требованием, предъявляемым к вакцинным штаммам, является наличие стойкой наследственно передающейся авирулентности. При введении таких штаммов микроорганизмов культура должна приживаться и размножаться, но не вызывать клинических проявлений болезни, что приводит к созданию иммунитета высокой напряженности и длительности. Вакцинные штаммы получают различными путями:

1) использованием аттенуированных штаммов, возникших в естественных условиях обитания возбудителей инфекционных болезней;

2) искусственным получением аттенуированных возбудителей в лабораторных условиях:

3) прямым воздействием на ген возбудителя мутагенами физической природы (проникающая радиация, ультрафиолетовое облучение, пониженная или повышенная температура или др.).

Для приготовления вакцин аттенуированные штаммы возбудителей культивируют на специальных питательных средах, куриных эмбрионах или культурах клеток и тканей. Получаемые биомассы очищают от балластов и после проверки на безвредность, микробную загрязненность и активность в соответствии с общепринятыми методами используют для иммунизации животных и птиц. Живые вакцины имеют ряд преимуществ перед вакцинами других типов. Главное из них - создание иммунитета высокой напряженности и длительности, приближающегося к постинфекционному, возможность однократной иммунизации. Среди недостатков живых вакцин следует отметить: 1) необходимость соблюдения мер предосторожности при их транспортировке и хранении; 2) возможность появления осложнений; 3) после вакцинации живыми бактерийными вакцинами животным не применяют в течение 7 дней антибактериальные препараты.

Для приготовления инактивированных вакцин в качестве вакцинного штамма используют высоковирулентные и иммуногенные штаммы микроорганизмов, которые выращивают в основном на жидких питательных средах в биореакторах. Для этой цели можно использовать плотные питательные среды, но при этом выход бактериальной массы незначительный. По истечении срока культивирования проводят сбор бактериальной массы и ее инактивирование. Последовательность этих операций определяется методом выращивания. Так, при использовании жидких питательных сред культура вначале инактивируется в том же реакторе, где производилось выращивание, а затем микробная масса отделяется от жидкой части культуры путем центрифугирования. Если применяются плотные питательные среды, то выросшая на них культура смывается физиологическим раствором в стерильные колбы, в которых культуру инактивируют. Для инактивации микроорганизмов используют различные физические факторы (нагревание) и химические вещества (формалин, фенол и др.) Количество добавляемого формалина должно быть небольшим (от 0,2 до 0,5%).Стандартизацию инактивированной взвеси культуры микроорганизмов проводят в результате сравнения с эталонами различной мутности, фотометрически подогнанными к мутности взвеси бактерий определенной концентрации. Приготовленную взвесь культуры подвергают проверке на стерильность, безвредность и активность.

Для повышения эффективности инактивированных вакцин и уменьшения кратности иммунизации применяют метод депонирования, при котором микробные тела адсорбируют на алюминиевых квасцах, на гидрате окиси алюминия, эмульгируют в минеральных маслах. Добавление депонирующих веществ к инактивированным культурам необходимо для возникновения раздражающего действия в организме животного на месте введения препарата (так называемое «депо»), что способствует длительному специфическому воздействию микробного антигена на организм животного и обуславливает накопление антител.

Все инактивированные препараты должны быть стерильными.

Контроль на стерильность проводится с использованием различных питательных сред, которые обеспечивают надежное выявление аэробных и анаэробных бактерий, а также грибов и дрожжей. При изменении питательных сред (выявление бактерии и др.) приготовленные препараты уничтожают. Важнейшим элементом контроля на безвредность является комиссионная проверка вакцины на тех животных, для которых планируется практическое ее применение. Обычно для этого берут от 3 до 5 голов сельскохозяйственных животных на каждую серию изготовленной партии.

Кроме того, проводят проверку на лабораторных животных. Вакцина считается безвредной, если у привитых животных она не вызывает никаких патологических симптомов, никаких ухудшений общего состояния и выделения специфического возбудителя, который может инфицировать непривитых животных и вызвать у них заболевание.

иммуногенность, которая определяется следующим образом: животных, обладающих чувствительностью к микробам, из которых приготовлены вакцины, иммунизируют этими препаратами. Через определенные промежутки времени (14-21 день) иммунным и контрольным животным вводят установленное количество культуры (50% смертельными дозами) и наблюдают за ними в течение определенных сроков (зависит от особенностей возбудителя). При заболевании (или гибели) контрольных животных иммунизированные животные должны оказаться устойчивыми к возбудителю инфекции и остаться живыми и здоровыми.

Химические вакцины представляют собой антигены или группы антигенов, извлеченные из микробных культур тем или иным способом и очищенные от балластных веществ. В отдельных случаях извлеченные антигены являются в основном бактериальными эндотоксинами, полученными в результате обработки культур различными способами.

Другие представляют собой «протективные антигены», продуцируемые некоторыми микробами в процессе жизнедеятельности в организме животных или в специальных питательных средах при соответствующих режимах культивирования (например, протективный антиген сибиреязвенных вакцин).

Все увеличивающееся количество различных вакцин, рассчитанных на профилактику одной какой-либо болезни, существенно затрудняет их применение в виде раздельной иммунизации (моновакцина). Это обстоятельство привело к необходимости создания ассоциированных (поливалентных) вакцин, позволяющих обеспечить одновременное формирование иммунитета против нескольких болезней.

Анатоксин (греч. ана - обратное, противоположное действие и токсин - яд) - токсин, утративший свою токсичность под действием химических или физических факторов, но сохранивший антигенные и иммуногеные свойства. Специфическая активная профилактика болезней, вызываемых токсинообразующими микроорганизмами, основана на применении биопрепаратов типа анатоксинов, изготавливаемых путем специфической обработки и обезвреживания экзотоксинов. Анатоксины, по существу, аналоги инактивированных вакцин - препараты обезвреженного токсина, очищенного от балластных веществ, сконцентрированного и адсорбированного (чаще на алюминиевых квасцах). Основной метод перевода экзотоксина в состояние анатоксина был удачно разработан французским ученым М. Районом (1923), который установил, что прибавление к токсину формалина в небольших количествах и выдерживание при 37°С в течение месяца лишает его токсичности с сохранением иммунизирующей активности.

9.3 Экологичская биотехнология. Специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких, как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии. Экологическая биотехнология — это новейший подход к охране и сохранению окружающей среды при совместном использовании достижений биохимии, микробиологии, генетической инженерии и химических технологий.

Круг проблем, решаемых экобиотехнологией, чрезвычайно широк — от разработки и совершенствования методологии комплексного химико-биологического исследования экосистем вблизи источников техногенных воздействий до разработки технологий и рекомендаций по рекультивации почвы, биологической очистке воды и воздуха и биосинтезу препаратов, компенсирующих вредное влияние изменения окружающей среды на людей и животных. В процессе круговорота микроорганизмы. Помимо использования деятельности микроорганизмов в пищевой, фармацевтической, химической промышленности и в переработки отходов жизнедеятельности человека. В связи с ростом экологические проблемы: загрязнение водоемов, накопление ядовитых веществ, в том числе канцерогенных, бытового мусора и отходов, усовершенствованных технологий.

микроорганизмов и специальные приборные устройства. Многие из созданных человеком химических веществ проявляют биологическую активность: обладают мутагенными, канцерогенными, тератогенными гексахлорбутадиен), производные дитиокарбаминовой кислоты ( цирам, цинеб, ТМТД), производные карбаминовой кислоты ( беномил, пиримор, бетанал), производные мочевины ( которан), другие ( хлорофос, фталофос, базудин, гетерофос, дихлофос, каптан, фолфет, каптофол).

Некоторые загрязняющие биосферу вещества по своему происхождению являются природными соединениями. Например, компонент древесины лигнин, образующийся в значительных количествах как отход целлюлозно-бумажной промышленности, — природного происхождения принадлежат и многие ароматические и галогенсодержащие углеводороды.

9.3.1 Биодеградация ксенобиотиков. В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важны несколько факторов:

устойчивость ксенобиотиков к различным воздействиям;

растворимость их в воде;

летучесть ксенобиотиков;

способность ксенобиотиков поступать в клетки микроорганизмов;

сходство ксенобиотиков и природных соединений, подвергающихся естественной биодеградации.

Для биодеградации ксенобиотиков лучше использовать ассоциации микроорганизмов, так как они более эффективны, чем отдельно взятые виды. При этом типы связей в подобной ассоциации могут быть различны.

Один вид микроорганизмов может непосредственно участвовать в разложении ксенобиотиков, а другой – поставлять недостающие питательные вещества. Это может быть метаболическая «атака» на субстрат, когда синтезируются разные компоненты ферментативного комплекса, или же цепочка ферментативных реакций (многосубстратные конверсии) и т.д.

Особенно трудно разлагаются такие биоциды, как детергенты, пластики и углеводороды. Самыми способными к борьбе с загрязнителями различного типа являются представители рода Pseudomonas – они практически «всеядны». Клетки этих микроорганизмов содержат оксидоредуктазы и гидроксилазы, способные разлагать большое число молекул углеводородов и ароматических соединений, таких как бензол, ксилол, толуол. Гены, кодирующие эти ферменты, находятся в составе плазмид. Например, плазмида OCT отвечает за разложение октана и гексана, XYL – ксилола и толуола, NAH – нафталина, CAM – камфары.

Плазмиды САМ и NAH обеспечивают собственный перенос, индуцируя скрещивание бактериальных клеток; остальные плазмиды могут быть перенесены только в том случае, если в бактерии введены другие плазмиды, обеспечивающие скрещивание.

В 1979 г. Чакрабарти (в то время совместно с компанией «Дженерал электрик») после успешных скрещиваний получил штамм, содержащий плазмиды XYL и NAH, а также гибридную плазмиду, полученную путем рекомбинации частей плазмид САМ и ОСТ (сами по себе они несовместимы, т. е. не могут сосуществовать как отдельные плазмиды в одной бактериальной клетке). Этот штамм способен быстро расти на неочищенной нефти, так как он метаболизирует углеводороды гораздо активнее, чем любой из штаммов, содержащих только одну плазмиду.

Штамм может быть особенно полезен в очистных водоемах для сточных вод, где можно контролировать температуру и другие внешние факторы.

Эти микроорганизмы удобно использовать для очистки нефтяных пятен на суше или море при различных авариях. Для большей эффективности создают микроэмульсию, содержащую бактериальные штаммы и капсулы со смесью основных питательных элементов - азота, фосфора и калия внутри. Добавление этих веществ стимулирует размножение бактриальных штаммов. Применение такого метода позволяет очистить от 70 до 90% загрязненной поверхности, за это же время очищается всего порядка 10-20% необработанной поверхности.

Преимущество бактериальной очистки по сравнению с химической в том, что она не вызывает появления нового загрязняющего агента в окружающей среде. Плотность фитопланктона после бактериальной очистки повышается.Некоторые микроорганизмы способны изменять молекулу ксенобиотика и делать ее доступной и привлекательной для других микроорганизмов («кометаболизм»). Примером может служить разложение инсектицида паратиона под действием двух штаммов Pseudomonas – P. aeruginosa и P. stuzeri.В некоторых случаях происходит неполное превращение молекулы ксенобиотика - фосфорилирование, метилирование, ацетилирование и т. д., результатом которого является утрата этим веществом токсичности.

(этилендиаминтетрауксусная кислота). Причина в том, что ЭДТА связывает тяжелые металлы, способствуя их накоплению в почве. Бактрии родов Pseudomonas и Bacillus способны за две недели разрушить все связи комплекса Fe-ЭДТА. Эти бактерии успешно применяются для очистки бытовых сточных вод, куда попадают детергенты моющих средств.Кроме Pseudomonas, биодеградацию ксенобиотиков могут осуществлять и представители родов Acinetobacter, Metviosinus.

Однако, в некоторых случаях внесение этих микроорганизмов в почву ограничивая время жизнедеятельности бактерий. Например, облучая штаммы ультрафиолетом, получили мутант, ауксотрофный по лейцину.

Бактерии размножают в питательной среде, содержащей лейцин.

Суспензией микроорганизмов в питательной среде пропитывают древесную стружку, которую разбрасывают по загрязненной территории.

Количество лейцина рассчитывается на время, достаточное для уничтожения вредных примесей, поэтому после очистки мутантные штаммы гибнут.

Еще эффективнее, чем бактерии, справляются с посвенными загрязнителями грибы. Они могут разрушать такие вещества, как пентахлорбензол, пентахлофенол. В одном из экспериментов грибами деревоперерабатывающего комплекса. В этой почве содержание пентахлорфенола достигало 700 мг/кг, но за год деятельности оно снизилось до 10 мг/кг, что является допустимой нормой. Бактерии смогли бы переработать эту почву лишь за 4-5 лет. Грибы активны и зимой, разрушают высокомолекулярные полиароматические углеводороды, действуют внеклеточно, выделяя неспецифические ферменты. Стоимость грибной и бактериальной очистки одинаковы, но применение грибов позволяет сокращать сроки деградации и существенно удешевляет ее.

9.3.2 Получение биогаза. Экологически чистую энергию можно получать путем преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных коллекторов, а также из биогаза и микробного этанола.

Биогаз — это смесь из 65 % метана, 30 % СО2, 1 % сероводорода и незначительных примесей азота, кислорода, водорода и угарного газа.

Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии: 16,8 м природного газа; 20,8 л нефти; 18,4 л дизельного топлива. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения, или биометаногенез — процесс превращения биомассы в энергию.

Биометаногенез — сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в аэробных условиях. Микробиологическому анаэробному разложению поддаются практически все соединения природного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы. 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. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы — бродильщики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты.

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. Деградация бутирата, пропионата, лактата с образованием ацетата происходит при совместном действии ацетогенных Н2-продуци-рующих и Н2-утилизирующих бактерий.

Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н2 и СО2, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превращения его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.

На заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления С0 2 молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии способны использовать в качестве субстрата формиат, СО2, метанол, метиламин и ароматические соединения.

Особое место в утилизации отходов занимает метановое сбраживание. Оно позволяет получать из местного сырья биогаз как локальный источник энергии, а также улучшать качество органического удобрения и защищать окружающую среду от загрязнений. Экологически чистые источники энергии не влияют отрицательно на окружающую среду. Современные источники энергии — ГЭС, ТЭС, АЭС — вызывают серьезные нарушения во внешней среде. ГЭС (гидроэлектростанции) служат причиной затопления территорий, изменения ландшафта, гибели биоценозов. ТЭС (теплоэлектростанции) загрязняют атмосферу, нарушают альголо-гический баланс, вызывают отчуждение земель. АЭС (атомные электростанции) создают угрозу радиационного загрязнения.

Сжигание нефти и газа вызывает повышение концентрации СО 2, образование смога и, кроме того, уменьшение ресурсов нефти и газа.

90 —95 % используемого углерода метанообразующие бактерии превращают в метан и лишь 5 — 10% углерода превращаются в метанообразующих бактерий в анаэробных условиях одновременно синтезировать и окислять метан.

В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо- и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий от 30 до 40 °С, а для термофильных от 50 до 60 °С. В целом термофильный процесс метаногенеза идет интенсивнее мезофильного, притом в этих условиях анаэробной переработки отходов субстрат обеззараживается от патогенной микрофлоры и гельминтов. При анаэробной переработке отходов животноводческих ферм микрофлора метантенков (анаэробных ферментеров) формируется преимущественно из микрофлоры желудочно-кишечного тракта данного вида животных и микрофлоры окружающей среды. Из наиболее часто встречающихся культур следует отметить Lactobacillus acidophilus, Bacteroides uniformis, Eubacterium aerofaciens.

микрофлоры жвачных относятся Bacteroides succinogenes. Из рубца и навоза жвачных были изолированы такие метанообразующие бактерии, как Metanobacterium mobile, Metanobacterium ruminantium. После определенного срока работы метантенка при установленном температурном режиме и на постоянном субстрате образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. В ходе изучения микрофлоры свиного навоза при метановом брожении выделено около 130 различных бактерий.

Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осуществляют бактерии из родов Clostridium, Bacteroides Ruminocjccus.

Главные продукты ферментации — ацетат, пропионат, сукцинат, Н2 и СО2.

Конечными продуктами ферментации целлюлозы и гемицеллюлозы под действием бактерий, выделенных из рубца жвачных и кишечника свиней, являются различные летучие жирные кислоты.

Бактерии второй, или ацетогенной, фазы, относящиеся к родам Syntrophobacter, Syntrophomonos и, Desulfovibrio, вызывают разложение пропионата, бутирата, лактата и пирувата до ацетата, Н 2 и СО2 — предшественников метана. Ряд микроорганизмов способны синтезировать ацетат из СО2 в термофильных условиях, к их числу принадлежат Clostridium, метановые бактерии из родов Metanobacterium.

Для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмалперерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды городов и спиртовых заводов. Процесс ведется при температуре 30 — 60 °С 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, хлопководства, пищевой, легкой, сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предварительной обработке.

получениябиогаза свидетельствует о том, что анаэроная конверсия органических отходов в метан – наиболее конкурентноспособная область биоэнергетики. Основное примущество биогаза состоит в производство будет также длительно, как существование жизни на Земле.

9.3.3 Производство этанола. Энергию можно получать из растений, богатых углеводами, превращая их в спирт (этанол). К ним относятся меласса, картофель, маниок, стебли кукурузы, злаки, топинамбур гидролизатов древесины лиственных пород или из сульфитных щелоков — отходов бумажных фабрик. Полученный спирт можно смешивать с бензином в соотношении 1:9 (или даже 1:4) и заправлять им машины.

Рост производства этанола связан с широтой его применения в химической промышленности. Он прекрасный растворитель, антифриз, экстрагент. Этанол служит также субстратом для синтеза многих растворителей, красителей, лекарственных препаратов, смазочных материалов, клеев, моющих средств, пластификаторов, взрывчатых используют в двигателях внутреннего сгорания либо в безводном виде, продуцирующих этиловый спирт, следует выделить маниок, злаки (особенно кукурузу) и топинамбур, у которого запасным углеводом является инулин. Используются также сахарный тростник, ананас, сахарная свекла, сорго, у которых основной углевод — сахароза. При переработке сахарного тростника его тщательно давят, целлюлозу (жом) отделяют от сладкого сока и сжигают, а сок концентрируют, стерилизуют и подвергают брожению. Этот раствор отделяют от твердых компонентов и далее из 8—10 %-го спиртового раствора путем перегонки получают этанол. Из оставшейся жидкости (стиллаж) после соответствующей переработки извлекают компоненты удобрений с выходом 2 —3 %. «Барду» (кубовой сельскохозяйственных животных. Крахмал при его переработке сначала гидролизуют в сбраживаемые сахара. Производство этанола из мелассы с использованием жома сахарного тростника в качестве топлива выгодно при современных ценах на сырую нефть.

Данное производство должно быть строго скоординировано со структурой сельскохозяйственных систем и энергопотребляющих секторов хозяйств. Прекрасным сырьем для получения этанола является маниок, способный расти и в полупустынных районах; он может использоваться круглогодично. Из 1 т маниока удается получить 80 л этанола, а из 1 т сахарного тростника — 60 — 65 л.

В США широко применяют смесь из 6 —9 г бензина и 1 г этанола (газохол). В 28 штатах ею заправляют около 800 станций, но для замены всего бензина, потребляемого в США, газохолом потребуется ежегодно производимое количество спирта, в том числе из злаков.

Среди других технических культур наибольшее предпочтение отдают топинамбуру, который имеет много ботвы, способной компенсировать энергозатраты на перегонку спирта. Инулин, содержащийся в клубнях, после гидролиза и брожения может обеспечить 30—50 гл ацетонобутаноловой смеси с 1 га. Во Франции впервые осуществлена замена 10 % чистого бензина смесью метанола и ацетонобутанола.

Перспективна также замена бензина этанолом, получаемым из отходов сахарной промышленности.

9.3.4 Очистка сточных вод. Важнейшая проблема экологической биотехнологии — очистка сточных вод. Потребность в воде в связи с ростом городов, бурным развитием промышленности, интенсификацией сельского хозяйства огромна. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300 — 3500 км3, при этом в сельском хозяйстве — 70 % всего водопотребления. Для производств химической, целлюлозно-бумажной, энергетической промышленности, черной и цветной металлургии и бытовых нужд населения требуется также значительное количество воды. Большая часть этой воды после ее использования возвращается в реки и озера в виде сточных вод.

рационального расхода водных ресурсов: более полное использование и расширение воспроизводства ресурсов пресных вод; разработка новых биотехнологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

Загрязнение поверхностных и подземных вод можно подразделить на несколько типов: механическое, сопровождающееся повышением содержания механических примесей и относящееся в основном к поверхностным видам загрязнений; химическое, обусловленное токсического и нетоксического действия; биологическое, связанное с наличием в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей; радиоактивное; тепловое.

Основные источники загрязнения и засорения водоемов — недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства при разработке рудных ископаемых (воды шахт, рудников);

сбросы водного и железнодорожного транспорта; пестициды и т.д.

Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, качественно изменяют их состав.

Сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд, содержащие кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов, меняют физические свойства воды (появление неприятных запахов, привкусов и т.д.). Сточные воды нефтеперерабатывающих, нефтехимических заводов, предприятий органического синтеза содержат различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вследствие окислительных процессов уменьшается содержание в воде кислорода, ухудшаются ее органические показатели.

Нефть и нефтепродукты — основные загрязнители внутренних водоемов, вод и морей Мирового океана — создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, осевшие на дно водоемов тяжелые фракции. Вода приобретает токсические свойства и представляет собой угрозу для всего живого: 12 г нефти делают непригодной для употребления 1 т воды. Вредным загрязнителем промышленных вод является фенол, содержащийся в сточных водах многих нефтехимических предприятий. На жизнь населения водоемов пагубно влияют сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности.

Окисление древесной массы сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность (100 кюри на 1 л и более), подлежат захоронению в подземные бессточные бассейны и специальные резервуары.

В значительной степени загрязняют водоемы моюшие синтетические средства, широко используемые в быту, промышленности и сельском хозяйстве и парализующие жизнедеятельность бактерий. Пестициды, попадая в водоемы, накапливаются в планктоне, бентосе, рыбе и по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом. Сточные воды, промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности, служат причиной органических загрязнений водоемов. Нагретые сточные воды тепловых электростанций вызывают тепловое загрязнение, которое резко изменяет термический режим, отрицательно влияет на флору и фауну водоемов. Возникают благоприятные условия для массового развития в водохранилищах синезеленых водорослей (так называемое «цветение воды»).

Методы очистки сточных вод (механические, химические, физикохимические и биологические). Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером и степенью вредности примесей.

1. Механические методы. Сущность этих методов состоит в том,что из ханические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, навозоуловителями, нефтеловушками и т.д. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60—75% нерастворимых примесей, а из промышленных — до 95 %, многие из которых как ценные примеси используются в производстве.

2. Химический метод. В сточные воды добавляют различные химические реагенты, 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 закономеностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Для очистки сточных вод используют биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки — огромные резервуары из железобетона, в которых микроскопических животных, которые бурно развиваются в этих сооружениях, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего с потоком подаваемого воздуха.

Бактерии, склеивающиеся в хлопья, выделяют в среду ферменты, разрушающие органические загрязнения. Ил с хлопьями оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, не слипшиеся в хлопья, тем самым омолаживают бактериальную массу ила.

Сточные воды сначала подвергают механической, а после химической очистке для удаления болезнетворных бактерий путем хлорирования жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также ультразвук, озонирование, электролиз и другие методы.

Биологический метод дает существенные результаты при очистке коммунально-бытовых стоков, а также отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности и производства искусственного волокна. Однако он разрушает только относительно простые органические и аммонийные соединения.

Отстой сточных вод и его использование. В зависимости от степени обработки отстой городских сточных вод обычно делят на первичный (необработанный), состоящий из твердых веществ; вторичный — твердые вещества, выделяющиеся после вторичного отстоя, или отстой с биофильтров очистных сооружений; третичный — результат третичного отстоя сточных вод (известь и глина); отстой, перегнивший в анаэробных условиях.

До осушки отстой содержит большое количество влаги (до 95 %).

После некоторой стабилизации отстоя, которая достигается путем его сбраживания, содержание твердых веществ составляет 30 %, Доля содержания органической части в городских сточных водах колеблется от 50 % в перегнившем отстое до 70 % в необработанном отстое. Химический состав типичных отстоев составляет: азот Ь) — до 2 %;

фосфор (Р2О5) — 4 %; калий — до 0,5 %. В небольших количествах необработанного отстоя составляет около 16 284 кДж/год. Однако практическое использование отстоя в качестве топлива связано с рядом трудностей: высокое содержание влаги не позволяет использовать отстой без высушивания, на которое расходуется фактически вся выделяемая в процессе его горения энергия. При очистке сточных вод применяют и метановое брожение, которое осуществляется в реакторах (метантенках) в основном двух типов: в реакторах без фиксации биомассы и в реакторах с прикрепленной (фиксированной) биомассой. В качестве подложки, к которой прикрепляется биомасса, используют мелкий песок, окись алюминия и другие носители. В последнее время анаэробное метановое брожение применяют и для детоксикации стоков. Анаэробные бактерии помимо деградации углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот способны разрушать и многие отходы нефтехимической промышленности, например бензойную кислоту.

Адаптированные ассоциации анаэробов деградируют ацетальдегид, ацетон, бутанол, этилацетат, этилакрилат, глицерол, нитробензол, фенол, пропанол, пропиленгликоль, кротоновую, фумаровую и валериановую кислоты, винилацетат, парафины, синтетические полимеры и многие другие вещества.

Вопросы для самопроверки 1.Трансплантация эмбрионов 2. Трансгенные животные 3. Изготовление диагностических препаратов 4. Изготовление диагностических препаратов 5 Ксенобиотики 6 Получение биогаза 7 Получение этанола 8 Очистка сточных вод Глава 10. Применение достижений биоинженерии 10.1 Биобезопасность обьектов биоинженерии. Биотехнология и ее фундаментальное, стратегическое ядро — биоинженерия, затрагивают коренные механизмы формирования важнейших свойств живых организмов — наследственность, изменчивость, энерго- и массообмен, адаптацию и устойчивость, продуктивность и качество. Искусственное вмешательство в генетические структуры, их модификация в целях совершенствования биологических объектов вызывают структурную и функциональную перестройки, последствия которых не всегда могут быть точно и своевременно спрогнозированы, что вызывает серьезное беспокойство людей во многих странах мира.

Главнейшим объектом безопасности является человек. Безопасность человека не может быть обеспечена без защиты среды его обитания и жизнедеятельности, без защиты общества, в котором он живет. Одним из основных принципов безопасности является взаимная ответственность человека, общества и государства. Достижение безопасности — это результат действия системы, предполагающей приведение в действие мер, адекватных угрозам жизненно важных интересов.

Безопасность может быть биологической, экологической, экономической, продовольственной, военной и другой — в зависимости от факторов, масштабы, направленность и степень воздействия которых угрожают деятельности, существованию и самой жизни объектов — человека, общества, государства, цивилизации в целом от внутренних и внешних угроз.

Проблемы биобезопасности существуют в мире давно, так как и в природе, и в производстве различных, необходимых человеку и обществу веществах — продуктах питания, гигиены, лекарствах и других нередко встречаются и продукты, содержащие опасные для здоровья и жизни человека соединения.

Во всех государствах мира разработаны различные методы контроля за технологическими процессами и качеством вновь вовлеченных в сферу использования человеком новых биологических объектов и веществ, их токсичностью, аллергенностью и общей безопасностью для здоровья людей и состояния окружающей среды.

Тридцать лет интенсивных работ в мире по новейшей биотехнологии генетической инженерии - подтвердили их безопасность.

В лабораториях, осуществляющих генно-инженерные исследования и получение трансгенных организмов, не связанных с созданием биологических средств поражения людей и природы, не зарегистрировано случаев получения опасных для здоровья и жизни человека, а также для окружающей среды генотипов растений и животных. Микробиологи целенаправленно ведут работы по усилению или ослаблению верулентных и других свойств бактерий, решая ряд важных проблем медицинской биобезопасности и защиты государств от бактериологического оружия и агрессии.

биобезопасности в биоинженерии. Ее можно объяснить следующими основными положениями.

1. Биоинженеры используют в своих работах природные гены, которые на протяжении всей эволюции участвовали и участвуют в рекомбиногенезе, подвергаются отбору и элиминации, вследствие чего выработались механизмы на всех уровнях организации биологических объектов, обеспечивающие устойчивый характер репарации процессов биосинтеза белков и их качества.

2. Во всех биоинженерных лабораториях разработаны и постоянно применяются эффективные методы мониторинга за качеством получаемых трансгенных организмов и, прежде всего, за качеством и свойствами белковых и других компонентов вновь созданных генотипов.

Это позволяет заблаговременно, на этапе создания ГМО в лаборатории, выявлять опасные для человека и окружающей среды генотипы и не допускать их выпуска из лаборатории для использования в производстве.

оснащенность мониторинга за созданием и использованием ГМО нуждается в дальнейшем совершенствовании. Должны быть разработаны новые методики для своевременного выявления токсичных и аллергенных веществ у трансгенных объектов, охватывающие группы и классы соединений низкомолекулярной природы.

Для создания генетически модифицированных организмов специалисты отбирают известные, проверенные природные гены и их регуляторные генетические структуры. Созданные на их основе векторы обеспечивают получение трансгенов с заданными свойствами. В конечном итоге это и обеспечивает создание безопасных для людей и окружающей среды новых генотипов, получающих разрешение на использование в производстве.

В целом ситуация с генно-инженерными исследованиями по трансгенозу должна оставаться под строжайшим контролем ученых и государства. Ученые биоинженерных центров - мировых и национальных должны активно развивать работы по совершенствованию техники, методов, технологий и критериев биобезопасности генетически модифицированных организмов (ГМО). И только на такой основе они смогут ускорять процесс создания принципиально новых генотипов растений, животных и микроорганизмов для повышения устойчивости и продуктивности агропромышленного производства, решения сложных проблем современной медицины, ветеринарии и других направлений науки и экономики.

10.2 Животноводство. Биотехнологические и биоинженерные методы применяются во многих отраслях науки и экономики. Их использование, особенно в генетической инженерии, может оказать существенное влияние на развитие агропромышленного комплекса Казахстана. С учетом реальных достижеий значимости указанных приоритетных направлений науки ведущие биотехнологи и экономисты мира прогнозируют увеличение масштабов реализации биотехнологической продукции на мировом рынке в ближайщие годы на 20—25 % от общего объема товарооборота.

Наиболее продвинутыми в области животноводства в мире являются в работы по трансплантации оплодотворенных яйцеклеток и материнской линии). Этот методов сегодня используется для создания высокопродуктивных стад крупного рогатого скота, овец, свиней и оплодотворенных яйцеклеток и эмбрионов в половые органы животных реципиентов, деления гаструл для получения однояйцевых двойн.

Многие фирмы и научные учреждения США, Англии, Германии, Франции, Австралии и других развитых стран проводят эту работу не только в своих государствах, но и во многих развивающихся странах, обеспечивая по дого- ворам и контрактам выполнение наукоемких трансплантации эмбрионов высокопродуктивных животных в нашей стране значительно отстают от объемов работ, которые выполняются в зарубежных государствах. Главными причинами такого отставания сокращение поголовья всех видов скота в 1,5—3,0 раза, рост падежа, снижение производства кормов и ухудшение их качества, значительное ухудшение племенной работы, быстрая деградация животноводческой отрасли в целом.

В этих условиях общественные, индивидуальные и частные сельскохозяйственные предприятия, абсолютное большинство которых в условиях проводимых в стране реформ оказались банкротами, не распологают необходимыми средствами для применения достижений биотехнологии и рекомендаций науки.