От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии
В Институте биотехнологии в Лейпциге были выделены штаммы бактерий, поглощающие и откладывающие в своих клетках ртуть. Если этих «собирателей ртути» осадить на фильтре, то тем самым можно вновь уловить ртуть из сточных вод. Водоросли тоже обладают способностью накапливать в своих клетках ртуть, свинец и серебро и благодаря этому очищать сточные воды.
И всё-таки самый короткий и простой путь к тому, чтобы защитить водный бассейн нашей планеты, это разработка таких производственных процессов, которые вовсе не выделяют вредных продуктов в окружающую среду! Именно этой цели желают достичь биотехнологи.
Биосенсоры: о загрязнении сигнализируют микробы
Откуда же, собственно говоря, становится известно, насколько велико загрязнение сточных вод?
Сточные воды на содержание разлагаемых и токсичных веществ могут анализировать сами микробы. Для этого отбирают пробы сточных вод. Сначала в каждой пробе определяют концентрацию кислорода, затем в пробы вносят микробов, живущих в сточных водах, бутылки с пробами плотно закрывают и спустя 5 сут вновь определяют в каждом сосуде содержание кислорода в пробах. В пробах с высокой степенью загрязнения содержится много питательных веществ, следовательно, здесь микроорганизмы потребляют больше кислорода, чем в сосудах с «чистыми» сточными водами. Но 5 сут — это слишком продолжительный срок. За это время сильно загрязнённые сточные воды успевают поступить в реки в огромных количествах. Значит, нужен более ранний «предупредительный сигнал»!
В течение последних 10 лет были сконструированы «биосенсоры» — биологические измерительные зонды, которые в пределах нескольких минут показывают степень загрязнения сточных вод. Биосенсор — это электрод, соединённый с электронным табло, на котором появляются сведения о содержании кислорода в данной жидкости. На поверхность этого электрода наносится тонкий слой микробов, живущих в сточных водах, микробы удерживаются на электроде при помощи плотного фильтра. Погрузив такой биосенсор в жидкость, можно непосредственно «измерить» дыхание микробов. В том случае, когда биосенсор находится в чистой воде, микробы почти не дышат, поскольку слишком мало питательных веществ находится в их распоряжении, и биосенсор подаёт совсем слабый сигнал. Напротив, если биосенсор погружён в пробу сточных вод, содержащую много питательных веществ (то есть сильно загрязнённую), то микробы получают много «корма», они дышат более интенсивно, потребляют больше кислорода и биосенсор реагирует сигналом большей силы. При этом способе контроль сточных вод может быть осуществлён за одну минуту.
С помощью таких же биосенсоров можно определять и концентрацию питательных веществ в биореакторе. Существуют биосенсоры, работающие на основе ферментов, извлекаемых из микробов. Например, прибор с биосенсором, несущем на поверхности своего электрода фермент глюкозооксидазу, за 1 ч может с большой точностью определить более чем в 100 пробах крови или мочи, не содержится ли в них повышенное против нормы количество сахара, то есть диагностировать заболевание сахарным диабетом. Биосенсоры особенно пригодны для серийных анализов, с их помощью можно за короткий срок проверить здоровье тысяч людей.
Самые крупные промышленные биопредприятия в мире — это предприятия для очистки сточных вод. Их главный продукт — чистая питьевая вода. В качестве побочных продуктов могут вырабатываться биогаз (для энергетических целей) и удобрения.
Биосенсорная система ЕСА‑20, созданная в ГДР. В течение одного часа с помощью этой системы, работающей в автоматическом режиме, можно выполнить полный анализ на глюкозу в 150 пробах крови. Прибор снабжён микрокомпьютером; после погружения отростка пробоотборника в пробу крови результат анализа уже через 5 с появляется на электронном табло, а затем выдаётся в виде распечатки на диаграммной ленте.
«Мозгом» биосенсорного устройства является чувствительный электрод, на котором в тонком слое между полупроницаемыми мембранами находятся ферменты (например, фермент глюкозооксидаза для измерения количества глюкозы) или живые микробы (для определения степени загрязнения сточных вод). Электрод преобразует сигнал, полученный от ферментов или микробов, реагирующих селективно только на «свой» компонент испытуемой пробы, в электрический сигнал. Определяемые вещества (например, глюкоза) легко проникают через поры полупроницаемой мембраны, в то время как обладающие гораздо большей пространственной структурой ферменты или микробы удерживаются мембраной на электроде, благодаря чему небольшие количества ферментов или микробов могут быть тысячекратно весьма экономично использованы для новых измерений.
Возобновляемые источники энергии. Что это?
В Бразилии сотни тысяч автомашин работают на «новом горючем». Это горючее — этанол (этиловый спирт)! Толчком к внедрению спирта в качестве моторного топлива послужил энергетический кризис, разразившийся в семидесятых годах, когда цены на нефть на мировом рынке внезапно сильно поднялись. В Бразилии добывается мало нефти, поэтому импорт нефти вскоре стал тяжким бременем для этой страны. В поисках выхода для Бразилии было запланировано производство спирта из растительного сырья.
Автомобиль с двигателем, работающим на этаноле, на плантации сахарного тростника — сырья для производства этанола — горючего для автомобилей (Бразилия).
Благодаря значительной протяжённости и тропическому климату Бразилии разведение сахарного тростника на огромных площадях не представляет в этой стране никаких технических трудностей.
В этом крупнейшем в мире биотехнологическом проекте тростниковый сахар сбраживается с помощью дрожжей, образуя спирт. В 1985 г. было получено 10 млрд л спирта! Таким образом, Бразилия — самый крупный производитель спирта в мире.
Помимо сахарного тростника, который хорошо растёт только на плодородных почвах, предлагается также ввести в производство крахмалистое растение кассаву (маниок). В отличие от сахарного тростника картофелеподобные растения кассавы растут и на скудных почвах. Но у них сначала приходится расщеплять крахмал с помощью амилаз до сахаров, которые потом уже сбраживаются дрожжами до спирта.
До сих пор считалось, что бразильский вариант биотехнологического решения топливной проблемы был наилучшим. Однако получилось, что в Бразилии огромные площади пахотной земли засеяны «автомобильным кормом». Чтобы произвести количество спирта, достаточное для удовлетворения годичной потребности в горючем автомобиля с пробегом, равным 12 000 км, нужно собрать растения с 13 000 м2 пашни. Между тем для годового питания одного человека требуется всего 800 м2. Другими словами: один автомобиль отбирает пищу примерно у 18 жителей! А ведь в Бразилии миллионы людей страдают от недоедания! К этому добавляются и экологические проблемы: из экономических соображений промышленные стоки спиртовых заводов спускают в реки неочищенными, превращая их в мёртвые воды, на огромных территориях вырубаются тропические леса, то есть погоня за спиртом приводит к нарушению хрупкого природного равновесия.
Тем не менее основная идея об освоении биологических источников энергии, которые в противоположность нефти и каменному углю постоянно возобновляются, имеет большую будущность. Во многих странах рационально перерабатывают на спирт непригодные к иному употреблению отходы сельскохозяйственной продукции. При переработке сахарной свёклы и сахарного тростника они накапливаются в виде мелассы, при производстве творога и сыров — в виде сахаросодержащей сыворотки.
