От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии
Завод по производству высококачественного кормового белка из компонентов нефти (алканов) в г. Шведте (ГДР). В двух гигантских биореакторах при участии дрожжей рода Candida ежегодно производится 50 000 т белкового концентрата фермозина. Попавшая в центр фотографии заводская труба относится к сушильной установке, поскольку продукция завода — кормовой белок — поставляется в сельское хозяйство в сухом гранулированном виде в форме небольших цилиндриков.
Бактерии вида Methylophilus methylofrophus образуют из метанола, который получают дешёвым способом из угля или нефти, белковый корм (прутин).
В середине семидесятых годов в результате внезапного довольно сильного повышения цен на нефть страны, не имеющие собственной нефтедобычи, были вынуждены изыскивать другой, более дешёвый источник питательных веществ для белокпродуцирующих микробов. В качестве такового был предложен метиловый спирт (метанол). Его можно получать в очень чистом виде из каменного угля или нефти. В Англии на одной из установок для получения микробного белка из метанола «работает» Bacterium Methylophilus methylotrophus (при дословном переводе на русский язык это латинское наименование бактерии звучит так: «Бактерия, любящая метан и поедающая метан»); ежегодная «производительность» этой бактерии 50 000 т белкового корма прутин, используемого в основном при выращивании цыплят-бройлеров и откорме телят. Биореактор имеет 60 м в высоту, его вместимость 150 000 л абсолютно стерильного питательного раствора, в котором бактерии живут при 35 °С, потребляя исключительно метанол, аммиак и кислород воздуха. Бактерии непрерывно удаляются из биореактора; затем они обрабатываются горячим водяным паром (жизнедеятельность бактерий прекращается) и полученная в виде довольно крупных комков биомасса высушивается. В итоге получают зернистый продукт, имеющий цвет жжённого сахара; фирменное название этого продукта прутин.
Начиная с 1985 г. микробный белок используется также в пищевой промышленности для изготовления различных блюд и полуфабрикатов. В Англии специализированные магазины продают слоёные паштеты с начинкой, похожей по виду и вкусу на говяжью. В этом блюде даже можно ощутить «мясные волокна»! Новый биопродукт микопротеин (от греч. mykee — гриб, protein — белок) изготовляется из гриба фузариум. Он содержит 45 % белка и 13 % растительного жира, то есть не уступает по питательности многим сортам мяса. Грибные нити (мицелий) так «сплетаются» между собой, что появляется внешняя аналогия с мясными волокнами. А как известно, волокнистая пища чрезвычайно важна для хорошего пищеварения. Фузариум растёт на всех сахаристых веществах, например в Европе для этого используют отходы картофеля, а в Америке — корни кассавы [19], фрукты или сахарный тростник. Наряду с «говядиной» из фузариума изготавливается также «куриное мясо». В скором будущем в магазинах можно будет купить не менее 10 видов пирожков, рубленые котлеты, лакомства и салаты, приготовленные с добавлением микробного белка.
Белок, полученный из гриба рода Fusarium, подвергается дальнейшей переработке путём добавления вкусовых и красящих веществ. На фотографии приведенных образцов можно различить волокна, напоминающие мясные.
Из правого куска получают «говяжье», из левого — «куриное» мясо.
Грибной белок становится неузнаваемым после переработки в рубленые котлеты, паштеты, шоколад и салаты.
Дегустация «жаркого» микробного происхождения прошла вполне успешно. Это блюдо не только «как настоящее» на вкус, но к тому же богато белком и содержит мало жиров, то есть оно полезнее для здоровья по сравнению с натуральным (животным) продуктом.
В Финляндии при помощи низших грибов, растущих на ядовитых сточных водах целлюлозно-бумажных предприятий, ежегодно производят 10 000 т ценного кормового белка. Без проведения «микробной обработки» эти сточные воды вызывают массовую гибель рыб в озерах и реках. В этом случае биотехнология разрешает одновременно две проблемы — получение белка на беззатратных питательных растворах и защиту окружающей среды.
Советский Союз занимает первое место в мире по промышленному микробиологическому производству белка: более 1 млн т кормовых дрожжей ежегодно. Наряду с использованием алканов нефти и спирта источником питательных веществ служит также древесина. Но при этом не расщепляемая дрожжами целлюлоза древесины должна быть сначала разрушена с помощью кислот на строительные «блоки» — сахара. Такие отходы сельского хозяйства, как солома, хлопковые остатки, отходы картофеля, овощей и фруктов, содержащие не более 5 % белка, также могут быть превращены микробами в ценный корм.
Растения, которые сами себя удобряют
Азот наряду с углеродом, водородом и кислородом представляет собой важнейший маленький «кирпичик», входящий в состав соединений, встречающихся во всех живых существах, белках и наследственном материале. Воздух содержит 78 % (об.) азота, однако ни человек, ни животные не могут усваивать газообразный азот. То же самое относится и к большей части растений, которые способны усваивать только химически связанный азот в форме аммиачных солей, нитратов или мочевины.
Уже древние римляне знали, что при выращивании бобовых, например клевера, люпина, люцерны, фасоли и гороха, повышается плодородие почвы. Когда на каком-нибудь поле впервые начинали культивировать бобовые, то по нему предварительно рассеивали землю с полей, на которых уже росли растения этого семейства. Разумеется, римляне ещё не могли знать, что они обязаны своими сельскохозяйственными успехами азотфиксирующим клубеньковым бактериям, которые обитают на сплетениях корешков определённых видов бобовых. В тесном взаимодействии (симбиозе) с растением эти микробы образуют из азота воздуха аммиак — одно из питательных веществ, усваиваемых растением. Таким образом, бактерии поставляют в почву азотные удобрения; взамен они получают от растения другие питательные вещества.
Аммиак производится также в промышленности по так называемому способу Габер — Боша: атмосферный азот при 550 °С и давлении в несколько сотен атмосфер связывается с водородом с образованием аммиака, который потом в качестве «азотного удобрения» (солей аммония) вносится в почву. Химический способ получения аммиака требует колоссальных затрат энергии, а энергия всё больше дорожает, поэтому заметно выросли и цены на удобрения. В результате азотные удобрения становятся мало доступными для сельского хозяйства именно тех стран, где повышение урожайности — первоочередная задача для того, чтобы накормить полуголодное население.
К этому следует добавить, что, вообще говоря, растения усваивают лишь менее половины того количества удобрений, которое вносится человеком в почву. Большая часть удобрений вымывается из почвы дождевой водой и «перенасыщает» затем озёра и реки. Вследствие этого в водоёмах непомерно размножаются микроорганизмы, они полностью потребляют кислород, растворённый в воде, после чего огромные количества этих микроорганизмов отмирают. Вместе с бактериями гибнут рыба, раки и все остальные живые существа, нуждающиеся в кислороде.
Напротив, клубеньковые растения образуют аммиак при нормальных температуре и давлении. Например, красный клевер на 1 га посева продуцирует при помощи своих же бактерий 100—150 кг азотных «удобрений». В общей сложности благодаря микробам из воздуха ежегодно извлекается примерно 100 млн т аммиака против 40 млн т, получаемых промышленным способом при «адских» температурах и высоком давлении. Причём клубеньковые бактерии вновь демонстрируют преимущество биологических процессов: они являются энергосберегающими. Образование микробами «азотных удобрений» из воздуха имеет ещё одно преимущество: они не вымываются дождями — стало быть, полностью сохраняются для растений и не загрязняют водоёмы.
