От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии
Биотехнология помогает в борьбе с голодом и дефицитом энергии и сырья
Микробы съедобны?!
Сегодня на нашей Земле полмиллиарда человек не имеют в достатке пищи. В первую очередь ощущается нехватка продуктов — поставщиков белков, таких, как мясо, рыба, яйца, молоко и бобовые (фасоль, горох, соя). Проблема усугубляется тем, что население Земли возрастает примерно на 70 млн человек ежегодно; для того чтобы покрыть только дополнительную потребность в 2 млн т белка, обусловленную приростом населения, следовало бы выращивать богатую белком сою на площади 40 млн га. Как раз в регионах, где налицо нехватка белковых пищевых продуктов, отмечаются и наиболее высокие темпы прироста населения при слабом развитии сельского хозяйства и промышленности. Для того чтобы производить достаточные количества растительного белка, из которого сельскохозяйственные животные создают полноценный животный белок, сельскому хозяйству требуются большие количества азотных удобрений, выпускаемых промышленностью. Для получения 1 кг животного белка требуется 5—10 кг растительного белка. Таким образом, уже на этом этапе как бы «пропадает» («теряется») часть белка и это дополнительно к тем колоссальным потерям продуктов, которые имеют своими причинами «работу» вредителей сельского хозяйства, неаккуратность при уборке, транспортировке и хранении.
Микроорганизмы могли бы эффективно помочь решению продовольственных проблем человечества. Они ведь не только продуцируют лечебные средства, вино и сыр — они ещё и съедобны! В них содержатся полноценные белки, жиры, сахара и витамины.
Уже в 1521 г., после завоевания Мексики, испанец Бернал Диаз дель Кастильо сообщал, что ацтеки употребляли в пищу диковинные маленькие «пирожки», похожие на сыр. Сегодня нам известно, что эти «пирожки» были приготовлены из одноклеточных водорослей, живущих в мексиканских озерах. Удалённые на тысячи километров от Мексики, проживающие в Африке на берегах озера Чад туземцы племени канембу с незапамятных времен тоже потребляли в пищу одноклеточную синезелёную водоросль рода Spirulina. Эта водоросль в огромных количествах растет в оз. Чад, её вылавливают, высушивают и едят как овощи. В самом деле, водоросли — хорошие продуценты белка. Они удваивают свою массу всего лишь за шесть часов. Злакам для этого требуются две, цыплятам — четыре, поросятам — шесть недель, а телятам — два месяца. Поэтому во многих странах наука прилагает немалые усилия, чтобы создать «водорослевые фермы». Для этого требуются довольно обширные водные плоскости, то есть бассейны с большой площадью водной поверхности, в которых водоросли могут в достаточной степени облучаться солнечным светом, с помощью которого они образуют из углекислого газа, воды и питательных минеральных веществ сначала сахар, а потом белок. Потребление света и воздуха не требует никаких финансовых затрат; для побуждения водорослей к обильному росту необходимы лишь дешёвые минеральные добавки. На равновеликих площадях водоросль Spirulina образует в 10 раз больше белковой массы, чем пшеница, и к тому же с более высоким содержанием белка. При сборе урожая водоросли попросту «отцеживают» с помощью сетки, затем их сушат на воздухе и добавляют к ним вещества, улучшающие вкус; после этого продукт готов к потреблению и поступает в продажу. Почему же в районах, где население голодает, до сих пор не созданы подобные крупномасштабные фермы? Да только потому, что там отсутствует даже такая простейшая технология; к тому же во многих регионах крайне скудны запасы воды, которая очень дорога.
Виды водорослей, имеющие важное значение для биотехнологии: хлорелла — зелёная водоросль, которую для пищевых целей культивируют на специальных фермах. Синезелёную водоросль спирулину, также съедобную, нередко относят к бактериям (цианобактерии). Синезелёная водоросль анабена связывает азот воздуха и поставляет его водному папоротнику Azolla, растущему на восточно-азиатских рисовых полях (благодаря чему экономятся искусственные азотные удобрения).
«Жаркое по-домашнему» из микробов
Ещё быстрее, чем водоросли, растут бактерии, дрожжи и другие низшие грибы. Бактерии удваивают свою массу за время от 20 мин до двух часов, причём бактериальная масса может на 70 % состоять из белка.
Уже говорилось о том, что водоросли синтезируют белок в 100 000 раз быстрее, чем корова. При этом корова отдаёт нам в форме мяса примерно десятую часть питательных веществ, потребляемых ею в виде растительного корма; 0,9 корма коровы для питания людей пропадает! У бактерий, дрожжей и грибов почти вся масса питательных веществ преобразуется в белки, сахара и жиры, пригодные для использования человеком и животными.
Современная история микробиологического производства белка началась во время первой мировой войны в Германии, где с этой целью использовались дрожжи. Из-за нехватки продуктов питания пекарские дрожжи выращивали в промышленных масштабах и «начиняли» ими преимущественно колбасу и супы. Дрожжи имели то большое преимущество, что они питаются дешёвыми, обычно не используемыми сахаросодержащими растворами, преобразуя при этом сахар в высокоценный белок. Во время второй мировой войны с помощью дрожжевых «хлопьев» удалось спасти от голодной смерти тысячи людей. Но трудные времена прошли, а эта вынужденная мера была предана забвению.
Лишь в шестидесятых годах снова начали сооружать установки по производству белка с помощью микробов. Человечество нуждалось во всё больших количествах белка. Со временем было обнаружено, что микроорганизмы способны питаться не только сахаросодержащими питательными растворами, но и усваивать компоненты нефти — алканы [17]. Несъедобные для человека и животных твёрдые алканы — парафины — только микробы в состоянии утилизировать и преобразовать в ценный белок. В Советском Союзе осуществляется программа по изысканию наилучших «пожирателей» алканов. Уже в 1963 г. начали работать первые опытные установки. На предварительно очищенных пробах нефти росли штаммы дрожжей рода Candida, которые питались алканами и при этом очень быстро размножались и образовывали белок. Из 1 т нефти получалось около 1 т дрожжей, содержащих 600 кг белка. Мало того! Из уже не содержащей алканов остаточной нефти получалось гораздо более высококачественное дизельное топливо!
В самом начале производства дрожжей из алканов многие врачи и ветеринары выражали опасения, не окажется ли получаемый из алканов белок токсичным для высших млекопитающих. Однако многолетние в высшей степени добросовестные эксперименты показали, что дрожжевой белок безвреден. Кстати, благодаря многолетним исследованиям он теперь относится к наиболее изученным пищевым и кормовым средствам [18].
Дрожжевой белок превосходит все кормовые растения по содержанию в нём питательных веществ. Опыты показали, что 1 т дрожжей способна заменить 7—8 т кормовых злаков. Первое большое предприятие по производству дрожжей на основе алканов начало функционировать в Советском Союзе в 1973 г. с производительностью 70 000 т в год. Сегодня в СССР действует восемь гигантских заводов по производству «алкановых» дрожжей. Такие же предприятия, где ценный белок производится из алканов нефти, функционируют в ГДР в г. Шведте (конечный пункт нефтепровода «Дружба»), а также в Румынии. В Китайской Народной Республике (нефтяные месторождения этой страны характеризуются высоким содержанием алканов) в настоящее время также сооружаются подобные «фабрики белка». Даже арабские страны — экспортеры нефти сейчас проявляют большую заинтересованность в этой биотехнологии, поскольку производить кормовой белок из собственной нефти при её колоссальных запасах экономически выгодно; ведь тогда не надо окультуривать земельные массивы в пустынях, которые занимают основную территорию этих стран. При налаженном биотехнологическом производстве отпала бы и потребность в дорогом импорте зерна, бобов, сои или рыбной муки.
