Биоконверсия вторичных продуктов агропромышленного комплекса

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ




серия основана в 1 996 г.




        О.Д. СИДОРЕНКО



БИОКОНВЕРСИЯ
ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО
КОМПЛЕКСА

        УЧЕБНИК


      Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 06.03.01«Биология», 35.03.04 «Агрономия» и специальностям биотехнологического (19.00.00) образования



Электронноznanium.com
Москва
ИНФРА-М
2023

УДК 636.087.2:579.64(075.8)
ББК 40.57я73 С34

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке   
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

       Рецензенты:
         В.П. Дегтярёв — д-р биол. наук, академик Российской академии сельскохозяйственных наук;
         Е.П. Дурынина — д-р биол. наук, профессор Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

       Сидоренко О.Д.
С34 Биоконверсия вторичных продуктов агропромышленного комплекса : учебник / О.Д. Сидоренко. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 296 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

       ISBN 978-5-16-010917-6 (print)
       ISBN 978-5-16-102801-8 (online)

         Это первый учебник о микробиологических основах переработки вторичных продуктов агропромышленного комплекса и перерабатывающих производств. Эффективность каталитического действия энзимов бактериальной клетки не имеет себе равных. В результате изменяется молекулярная структура трансформируемого субстрата, в неравновесных системах ферментируемых вторичных продуктов появляются структуры нового типа, новые динамические состояния материи.
         В учебнике рассматриваются современные пути снижения негативного влияния техногенных загрязнений на окружающую среду и механизмы преобразования вторичных продуктов в энергоемкие носители и необходимые человеку продукты. Инновационные технологии биоконверсии вторичных продуктов основаны на использовании микробных систем переработки, водорослевых систем очистки и осветления сточных вод.
         Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту высшего образования последнего поколения.
         Для студентов сельскохозяйственных вузов агрономического и технологического профилей и биологических специальностей университетов.

УДК 636.087.2:579.64(075.8)
ББК 40.57я73

ISBN 978-5-16-010917-6 (print)
ISBN 978-5-16-102801-8 (online)           © Сидоренко О.Д., 2013, 2016


Подписано в печать 16.09.2022.
Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 18,5. ППТ30. Заказ № 00000

ТК 356400-1908808-250515

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр.1
            Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
            E-mail: books@infra-m.ru          http://www.infra-m.ru


Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

        ОТ АВТОРА


                                      .. .во многом созидательная роль микроорганизмов на Земле состоит в постоянном разрушении.

SOD, 1939


   Это первый учебник о роли микроорганизмов в трансформации высокомолекулярных полимерных соединений, так называемых вторичных продуктов. Курс лекций «Биоконверсия вторичных продуктов производства» не может вместить в нужном объёме сведения о вторичных продуктах агропромышленного комплекса и перерабатывающих производств. В России не готовят специалистов-технологов по биоконверсии вторичных продуктов, а переработкой и утилизацией вторичных продуктов занимаются непрофессионалы. Глубокое понимание процессов биологической трансформации органических субстратов доступно грамотному технологу, использующему знания химии, физики, биологии и микробиологии.
   В основе модели биологического образования бакалавров агротехнологов должна лежать концепция формирования «биологического образа мышления» и убеждённости молодого специалиста, что «ни один живой вид не может существовать в среде, созданной из отбросов своей жизнедеятельности». Для этого потребуется изменение поведения человека, формирование новой системы нравов и ценностей, не свойственных современному обществу потребления.
   На дворе XXI в. - век стремительного развития новых прогрессивных биотехнологий, знание которых становится неотъемлемой частью средств управления и деловой активности, формирования нового образа жизни. По-новому необходимо решать экологические проблемы, создавать новые источники энергии, продукты питания. Современные информационные технологии активно влияют на содержание и качество биотехнологического образования. Обучающемуся молодому специалисту должно быть известно, что органические вторичные продукты промышленного, сельскохозяйственного или коммунального происхождения представляют собой смесь сахаров, белков, жиров, целлюлозы, гемицеллюлозы и неорганических солей в широком интервале концентраций. В них заложен значительный энергетический потенциал в виде биотоплива и вторичного сырья для производства целевых продуктов потребления.


3

   Биоконверсия вторичных продуктов - вполне самостоятельная наука, непрерывно расширяющая своё влияние на биологическое образование и совершенствующаяся за счёт физики, химии, молекулярной биологии, генетики, микробиологии и других наук.
   В основу учебника положены лекции, которые я читаю студентам, преподавателям и слушателям курсов повышения квалификации при МСХА имени К. А. Тимирязева. Для написания учебника были использованы материалы периодических изданий отечественных и зарубежных источников.
   Глубокая благодарность моим рецензентам: академику РАСХН В. П. Дегтярёву, профессору Е. П. Дурыниной за ценные практические замечания и моральную поддержку. Благодарен коллегам-профессорам Г. Д. Афанасьеву, В. В. Лавровскому, |А. А. Лисенкову,| А. С. Шуварикову за дальновидность и уверенность в востребованности науки биоконверсии отходов.

О.Д, Сидоренко

4

        ВВЕДЕНИЕ

   Вторичные продукты агропромышленного комплекса и перерабатывающей промышленности составляют сотни миллионов тонн в год. Это в основном углеродсодержащие соединения: целлюлоза - 25^1-0, гемицеллюлоза - 16-36, пектин - 4-9% от общей массы. Отдельные отрасли промышленности, такие как сахарная и пивоваренная, имеют вторичные продукты, содержание крахмала в которых превышает 2СМЮ%. Объёмы вторичных продуктов в стране растут в 2-3 раза быстрее, чем объёмы производства. При этом средний уровень их использования составляет, по различным оценкам, 17-25%. Вместе с тем они во всём мире являются сырьём для получения источников энергии (этанол, метанол, биогаз и др.), дрожжевого белкового корма, красителей, органических удобрений и т. п.
   Вторичные продукты являются наиболее показательными индикаторами несовершенства производственных схем предприятия. Проблема их не может быть окончательно решена даже чисто технологически, в основе проблемы лежит мышление человека. Она носит комплексный и сложный характер, непосредственно связана с особенностями мышления, с новой экологической этикой и экологической философией. Только на стыке духовной и материальной культуры может быть получен положительный ответ. Существует также экономический аспект проблемы: значительная часть вторичных продуктов является ценным сырьём для производства.
   Необходимы научно обоснованные системы современной промышленной переработки отходов и вторичного сырья, которые позволят переводить их в реальные материально-вещественные востребованные продукты. Причём «перевод» отхода в категорию вторичного сырья должен сопровождаться сертификацией качества. Отходы, помимо ухудшения или потери ряда технологических или потребительских свойств, приобретают новые свойства, не характерные или полностью отсутствующие у первичных аналогов. Паспортизация вторичных продуктов позволит рассматривать их как обычный сырьевой источник для получения определенных конечных продуктов и материалов.
   Обращение с вторичными продуктами преследует две главные цели: эффективное вторичное использование продуктов их переработки в земледелии и животноводстве и предохранение от загрязнения окружающей среды. Альтернативой сжиганию и захороне

5

нию отходов может и должна стать биоконверсия с использованием макро- и микроорганизмов.
   Микробиологические превращения вторичных продуктов беспредельны. Исследования показали, что микроорганизмы обитают в любых условиях планеты, их биомасса чрезвычайно велика, они осуществляют очень сложные химические процессы, подвергая деградации практически все органические соединения в природе. Древесина, торф, опилки, лигнин, жиры и т. д. в управляемых оптимальных условиях минерализуются в течение 2-4 дней до определённых промежуточных продуктов, которые, в свою очередь, используются в народном хозяйстве.
   Для разработки научных основ биоконверсии вторичных продуктов необходимы характеристики их составляющих, т. е. этих разнородных компонентов органической массы и её микробоценозов. Трофическая структура природного сообщества перерабатываемого органического субстрата подчиняется системным закономерностям. Микроорганизмы специализированы на конкретных субстратах, при минерализации которых образуются определённые конечные продукты. Сообщество организмов вторичных продуктов функционирует как единое целое с кооперативными трофическими связями, определяющими перспективу химических взаимодействий. Глубокое понимание процессов, протекающих при промышленной биологической переработке органических субстратов, невозможно без современного представления эволюции микроорганизмов, новых гипотез, возможностей осуществления необычных химических реакций. Краткий анализ их дан в определённых главах учебника.
   В сжатой форме представлены основные понятия и сведения общей микробиологии, органической химии, основ гигиены, генетики и других дисциплин. Каждую часть учебника и главу предваряет введение, в котором кратко описывается её содержание и приводятся факты и данные других дисциплин, известных студенту 1-го или 2-го курса. В конце каждой главы предлагаются контрольные вопросы, полезные для повторения изложенного материала и более углубленного изучения данного раздела.
   Перспективы биоконверсии приведены в соответствие с современным уровнем исследований и обсуждаются во втором разделе учебника. При отборе и компоновке материала хотелось по возможности больше дать технологических схем управления процессом ферментации вторичных продуктов и отходов и набора биореакторов или оборудования.

6

   Учебник содержит материалы, полученные авторами, непосредственно изучавшими процессы биоконверсии вторичных продуктов агропромышленного комплекса и перерабатывающих производств в нашей стране и за рубежом. Все главы учебника объединяет основной принцип биологической переработки отходов, их сбора, управления и перевода в категорию вторичного сырья определённого качества.
   Результаты конверсии вторичных продуктов и отходов, полученные на основе безопасных биотехнологических приёмов и изложенные в учебнике, это не только дань достижениям общей микробиологии, это лишь начало длинного пути экологизации сельского хозяйства, промышленности и национальной безопасности.

7

РАЗДЕЛ I. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОКОНВЕРСИИ ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ

ГЛАВА 1. БИОРАЗНООБРАЗИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ-ДЕСТРУКТОРОВ

        1.1. Физиолого-морфологические особенности прокариот

   Биоразнообразие основывается на классификации объектов живого мира на крупные таксоны, отличающиеся основными характеристиками живых существ: способом питания и типом строения (организации клетки и надклеточной организации).
   Благодаря успехам, достигнутым в физиологии, биохимии и генетике микроорганизмов, раскрыты метаболические сети и их регуляция, что способствует развитию различных направлений применения микроорганизмов в промышленности, сельском хозяйстве, охране окружающей среды. С успехом используются бактерии, влияющие на природные процессы с целью очистки бытовых и промышленных стоков и их обезвреживания. Эта область применения микробов представляет особый интерес, поскольку борьба с загрязнением окружающей среды приобретает всё большее значение.
   Свойства бактериальных ферментов, например их способность связывать специфические соединения, используются при создании биосенсоров. Более того, все реакции промежуточного обмена веществ, поставляющие строительный материал и энергию для образования новых и жизнедеятельности старых клеток бактерий, катализируются ферментами. Жизнь как самопроявляющееся, самовоспроизводящее, метастабильное состояние невозможна без ферментов.
   Все явления жизни, начиная от самых простейших реакций до сложных процессов человеческого сознания и мышления, могут быть описаны с помощью понятий, которые определяют химические и физические свойства атомов, ионов и молекул. Не менее замечателен тот факт, что в белках животных присутствуют те же 20 видов аминокислот, что у растений и у микроорганизмов.
   Все ферменты - белки, и в первом приближении все белки - ферменты. Так называемые «структурные» белки рибосом, митохондрий, мембран и хлоропластов обладают ферментативной активностью. Причём изменения активности ферментов путём ингибирования продуктом реакции и по типу обратной связи, а также путём определённого рода активации могут происходить в течение нескольких секунд.


8

   У бактерий появление многих ферментов зависит от присутствия субстрата в среде. Это появление фермента называют индукцией, в том случае, когда оно является результатом синтеза de novo. Гетеротрофные микроорганизмы выделяют в среду гидролитические ферменты -протеазу, целлюлазу, амилазу. Функция этих ферментов очевидна: она состоит в том, чтобы превращать нерастворимые вещества в доступные субстраты, используемые бактериями для роста. Следовательно, все микроорганизмы обладают возможностью изменять окружающие условия, выделяя во внешнюю среду гидролитические ферменты (экзоферменты).
   На основании структуры клетки выделяют два главных типа одноклеточных организмов: прокариотный и эукариотный. Микроорганизмы, имеющие истинное оформленное ядро, называют эукариотами (грибы, водоросли, простейшие). Прокариоты, или доядерные организмы, имеют «примитивную» клеточную организацию (бактерии, цианобактерии или синезеленые водоросли).
   В последние годы применяются классификации организмов на основании последовательности р-РНК, предложенная К. Воезом и О. Кандлером. Они ввели новую категорию - домен - самое высокое филогенетическое группирование. Согласно их классификации, все организмы принадлежат к одному из трёх доменов: прокариоты входят в домен «АгЬаеа» и «Bacteria» - бактерии и цианобактерии, а третий домен - «Eykaria» - состоит из эукариотических организмов, эукариотов - растений, животных, грибов, простейших. Археи занимают особые экологические ниши в природе. Архебактерии отличаются от всех других представителей мира микробов.
   Разное строение, размеры и типы питания предопределяют различия в экологических, биохимических функциях и местообитаниях живых существ и обеспечивают формирование из них сложных систем с многообразными типами связей и взаимоотношений. Микробные сообщества определяют как совокупность взаимодействующих между собой организмов; взаимодействие может быть основано на конкуренции за общие субстраты или на кооперации в их использовании. Они обитают в разнообразных биотопах и обладают адаптивной стратегией, позволяющей им распространяться повсеместно. Каждому виду организмов свойственны определённые условия, пределы значений внешней среды, местообитание, в которых он развивается. Каждому виду соответствует набор функциональных характеристик.

9

   Принципиальная граница между прокариотами и эукариотами обусловлена строением клетки. Основные различия между ними представлены в таблице 1.


Таблица 1

Различия клеток прокариот (зубактерий) и эукариот

       Признак               Эукариоты        Прокариоты             
       Размер               10-100 мкм               1-10 мкм        
 Анаэробное дыхание     Обычно отсутствует           Возможно        
   Фиксация азота           Невозможна               Возможна        
Мембранные структуры          Имеются               Отсутствуют      
   Аппарат Гольджи               +                      70S          
      Лизосомы                   +            (50S и 30S субъединицы)
 Рибосомы цитоплазмы           80S*              Рибосомы, свобод-   
    Место синтеза     (60S и 40S субъединицы)    но расположенные    
Генетический материал   Рибосомы в составе         в цитоплазме      
 Внехромосомная ДНК    шероховатой эндоплаз-    Кольцевая молекула   
       Гистоны            матической сети          Располагается     
     Тип деления             Хромосома              в плазмидах      
     Хемосинтез            Располагается            Отсутствуют      
     Хлоропласты          в митохондриях             Бинарный        
                              Имеются                 Имеется        
                           Мейотический             Отсутствуют      
                            Отсутствует                              
                            Отсутствуют                              

* S - единица осаждения Сведберга, характеризующая размеры рибосомы.

   Основной признак прокариотной организации клеток - отсутствие ядра, отграниченного от цитоплазмы двойной мембраной. Весь наследственный материал, или геном клетки, или нуклеоид (эквивалент ядра) сосредоточен у прокариот в одной бактериальной хромосоме, представленной в виде молекулы двуцепочечной ДНК. Длина ДНК в 500-1000 раз превышает длину клетки, в ней содержится 4-10⁶ нуклеотидных пар, она плотно замкнута в кольцо. В клетке может быть несколько копий ДНК.
   В клетке также могут находиться плазмиды, более короткие наследственные детерминанты, замкнутые в кольцо. Они автономны и передаются от клетки к клетке. Плазмиды определяют как внехро-мосомные самореплицирующиеся молекулы ДНК с молекулярной массой между 1,5-10⁶ и 200-10⁶ Да. Они кодируют многочисленные и различные клеточные функции, главным образом экологическо

10