Практична робота №3. Трансгенез

Вступ

Полтава 2013

Методичні вказівки до практичних робіт із дисципліни «Основи біотехнології» для студентів напряму підготовки 6.040106 «Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування» освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр» усіх форм навчання – Полтава: ПолтНТУ, 2013. - 63c.

Укладач: доцент кафедри екології Р.В. Булавенко.

Відповідальний за випуск: завідувач кафедри екології Ю.С.Голік к.т.н.,професор

Рецензенти: Ілляш О.Е., к.т.н., доцент, Гармаш Т.П., к. с. − г. н., доцент.

Затверджено науково-методичною

радою університету

Протокол № від

Зміст

ВСТУП 4

ПРАКТИЧНА РОБОТА №1. Природні біотехнологічні процеси та

використання їх у практичній діяльності людини. 6

ПРАКТИЧНА РОБОТА №2. Приклади аспекти мікробної біотехнології. Застосування біотехнологічних процесів у різних галузях народного господарства 9 ПРАКТИЧНА РОБОТА №3. Трансгенез. 13

ПРАКТИЧНА РОБОТА №4. Генетично модифіковані організми. 16

ПРАКТИЧНА РОБОТА №5. Основні ризики використання ГМО. 21

ПРАКТИЧНА РОБОТА №6. Тканинна інженерія. 28

ПРАКТИЧНА РОБОТА №7. Виробництво генно-інженерного інтерферону та інсуліну 32

ПРАКТИЧНА РОБОТА №.8. Основи біотехнології. Застосування біотехнологічних процесів для вирішення проблеми навколишнього середовища 37

ПРАКТИЧНА РОБОТА №9. Біотехнологічна очистка стічних вод 44

СЛОВНИК ПОНЯТЬ І ТЕРМІНІВ 51

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 59

Біотехнологія — наука про використання живих організмів і біологічних процесів у виробництві. З розвитком біотехнології пов'язують вирішення глобальних проблем людства — ліквідацію недостачі продовольства, енергії, мінеральних ресурсів, поліпшення стану охорони здоров'я і якості навколишнього середовища.

Біотехнологія, яка включає промислову мікробіологію, базується на використанні знань і методів біохімії, мікробіології, генетики і хімічної технології, що дає змогу отримувати користь у технологічних процесах із властивостей мікроорганізмів та клітинних культур. Що стосується сучасніших біотехнологічних процесів, то вони базуються на методах рекомбінантних ДНК, а також на використанні іммобілізованих ферментів, клітин і клітинних органел.

Основні напрямки досліджень біотехнології:

• Розроблення наукових основ, створення нових біотехнологій за допомогою методів молекулярної біології, генетичної та клітинної інженерії.
• Одержання й використання біомаси мікроорганізмів і продуктів мікробіологічного синтезу.
• Вивчення фізико-хімічних та біохімічних основ біотехнологічних процесів.
• Використання вірусів для створення нових біотехнологій.

Об'єкти біотехнології дуже різноманітні й діапазон їх розповсюджується від організованих частин (вірусів) до людини.

(Схема 1).

Схема 1.

Практична робота №1. Природні біотехнологічні процеси та використання їх у практичній діяльності людини.

1. Одержання біогумусу за допомогою ЕМ − технологій.

2. Використання вермикультури для отримання біогумусу.

1. Одержання біогумусу за допомогою ЕМ − технологій.

Україна до цього часу володіє 8,7 % світових площ чорноземів. 100 років назад вони містили 4-5% гумусу, сьогодні в середньому – 3,2%. Якщо в грунті менше 2,5% гумусу, він уже не є чорноземом. За останні роки загальна площа українських чорноземів скоротилася з 68 до 60%.

Головна причина втрат гумусу – дефіцит добрив, перш за все органічних. Безальтернативним джерелом гумусу увесь час вважався гній, що складається з екскрементів тварин, в суміші з підстилочним матеріалом, який містить половину елементів таблиці Менделєєва. Але його не вистачає. Невелика ферма виробляє кілька тисяч тон гною в рік, а великі комплекси – сотні тисяч тон. Але, по мірі віддалення від ферми, затрати на його перевезення ростуть (уже за 5 км він стає економічно нерентабельним і переростає в екологічну проблему).

Разом з тим, гною є альтернатива. Це ЕМ-технології, що розшифровуються як ефективні мікроорганізми. Гній містить сотні видів корисних мікробів. Японські вчені посилили властивості різних корисних мікробів, підібравши унікальний набір видів, що здатні існувати разом у природному середовищі, і застосували їх у сільському господарстві.

Таким шляхом пішли і російські та українські технологи, створивши проект „Байкал ЄМ-1У” (У-Україна – харківський центр дослідницької техніки). Цей препарат при регулярному додаванні в грунт, посилює родючість та структурність грунту так, що віддача рослин на 30-50% вища.

Особливості препарату:

1.Прискорює зростання рослин.

2.Прискорює дозрівання плодів.

3.Перетворює органічні відходи в ефективне добриво у вигляді компосту.

4.Відновлює природну родючість грунту.

5.Різко знижує вміст токсичних елементів.

6.Одного літра ЕМ-препарату достатньо для отримання однієї тонни ЕМ-компосту, замінюючого п'ять тонн органічних добрив.

2. Використання вермикультури для отримання біогумусу.

В наш час біогумус – одне з найефективніших та екологічно чистих добрив. В останні 20 років значно зріс інтерес до дощових черв'яків як до унікального і поновлюваного природного «інструменту» для біопереробки органічних відходів, з метою отримання екологічно безпечного добрива, а також сировини для кормових, харчових білкових добавок і лікувально-профілактичних препаратів. Vermes – у перекладі з латині означає черв'як. Отже, слово вермикультура – це утримання і розведення дощових черв'яків.

50-ті роки стали початком зародження вермикультивування (промислового розведення черв'яків) як біотехнологічного напряму сільськогосподарської науки. У 1959 році американським лікарем Барретом був селекційований червоний каліфорнійський черв'як (ЧКЧ) на основі дощового черв'яка.

У наш час у багатьох країнах: Італії, Китаї, Угорщині, Польщі, Японії, США та на Кубі штучне розведення дощових черв'яків поставлено на промислову основу, з метою утилізації органічних відходів і одержання екологічного добрива.

Звичайні черви можуть перетворювати різноманітне сміття у біогумус. Кормом для цих безхребетних слугує майже все: гній, харчові відходи. Якщо запустити туди червів, то через пару місяців ми отримаємо біогумус − цінне добриво. Тона цієї речовини, по здатності відновлювати родючість ґрунту, заміняє 15 тон гною. Крім того, насіння бур’янів переробляється в кишечнику червів. А так як біогумус − антисептик, то в ньому немає збудників хвороб. Крім того, вміст нітратів в сільськогосподарській продукції при використанні біогумусу − менший.

Ще одна перевага вермикультури − її простота та дешевизна. Продукт життєдіяльності червів насичений макро- та мікроелементами, вітамінами, ростовими факторами.

Після використання червів у гнійних кучах чи інших резервуарах зі сміттям, коли вони надзвичайно розмножилися, їх можна вивозити на поля для відновлення родючості у природних умовах. Також з них можна виготовляти білкову муку для худоби.

Навчальні завдання.

1. Користуючись літературою ознайомтеся з вітчизняними та закордонними препаратами, що містять ефективні мікроорганізми.

2. Поясніть суть ЕМ-технологій.

3. Схарактеризуйте методи застосування червів для отримання біогумусу.

4. Приведіть технологічну схему виробництва сиру.

Питання для самоконтролю

1. Що таке ЕМ − технології?

2. Які препарати − біостимулятори росту рослин вам відомі?

3. Які недоліки та переваги вищезгаданих технологій виробництва біогумусу за рахунок вермікультури?

Література.[4],[5],[19],[25],[31],[36],[44],[46],[47],[53].

Практична робота №2. Прикладні аспекти мікробної біотехнології. Застосування біотехнологічних процесів у різних галузях народного господарства.

1. Одержання металів з бідних руд гірських порід за допомогою бактерій.

2. Біодинамічне виробництво (біотехнологічна переробка відходів).

3. Компостування твердих побутових відходів.

1. Одержання металів з бідних руд гірських порід з допомогою бактерій.

В зв’язку з інтенсивною розробкою родовищ корисних копалин все менше залишається руд з високим вмістом металів. Крім того, вони залягають на великій глибині і затрати на їх видобуток зростають.

Ще з ХVІІІ століття іспанці добували мідь з шахтової води, що її містить. В цьому процесі беруть участь мікроорганізми – вони здатні перетворювати важкорозчинну у воді мідь на легкорозчинні солі. Зараз за рахунок мікробів добувають 20% міді, особливо з гірських порід та відвалів з малим її вмістом.

Для добування сірки та заліза також використовують бактерії роду Thiobacillus (сіркобактерії), які живляться сіркою та залізом. Вони можуть розвиватися навіть в присутності сильних кислот і самі продукувати сірчану кислоту. При біологічному вилуговуванні руди, породу, яка містить небагато сірки, міді чи заліза, переправляють на збірні пункти. Їх зрошують і просочують водою, у якій містяться бактерії. По мірі проникнення води у породу, бактерії розмножуються, переводять слаборозчинні солі заліза у легкорозчинний сульфат заліза з наступним утворенням сірчаної кислоти. FeSO₄, з допомогою H₂SO₄, переводить нерозчинний у воді Cu₂S в розчинний Cu₂SO₄.

У підніжжя відвалів починає просочуватися голубий розчин мідного купоросу, який збирають і за допомогою технічних прийомів з нього отримують чисту мідь. Рідину, що залишилася знову розбризкують у відвали. Таким способом можна отримувати уран, цинк, свинець, нікель, кобальт.

Ще більш цінне рудне вилуговування під землею. Для цього породу не добувають, а штольню збризкують або заливають водою. Це вигідно і на старих копальнях.

Особливо цінне використання бактерій у боротьбі з метаном, що накопичується у штольнях. За 2-4 тижні бактерії переробляють метан у вуглекислий газ.

Для добування нафти із свердловини, з малим її тиском, роблять ще одну свердловину, в яку закачують воду і витискають залишок. Але вода дуже рідка і тому для в’язкості використовують бактерії роду ксантана.

2. Біодинамічне виробництво (біотехнологічна переробка відходів).

У світі всього десята частина використаних ресурсів іде на виробництво корисної продукції, а все інше – відходи.

В Україні велика кількість сміттєзвалищ, що займають значні площі. У Англії, Франції, США ця проблема вирішується за рахунок біотехнології. Сьогодні дуже перспективним є біотехнологічна переробка побутових відходів, відходів с/г і промислових виробництв, твердофазних мулових відкладів станцій очистки стічних та фекальних вод, мулу річок, озер, ставків. Цей новий напрямок називається біодинамікою і базується він на природних процесах, а не на генній інженерії.

Застосування у тваринництві інтенсивних технологій призвело до утворення великої кількості різноманітних відходів, що розміщуються на великих земельних площах.

3.Компостування твердих побутових відходів

Компостування (гниття) - біологічний процес розкладання органічних речовин за допомогою мікроорганізмів. Тепло, що виділяється при цьому, має дезинфікуючу властивість, завдяки чому утворюється цінне добриво для грунту. Органічні компоненти біотрансформуються в компост - продукт подібний до гумусу. Компостування проводять з використанням кисню, тобто в аеробних умовах. На відміну від анаеробного, аеробне компостування протікає швидше, при більш високих температурах і без утворення неприємного запаху. Воно відрізняється від природного гниття чи розкладання відходів. Компостування здійснюють, в основному, з використанням мезофільних і термофільних бактерій.

Джерелом енергії для бактерій служать органічні сполуки, що містяться в основному в харчових відходах (цукор, органічні кислоти, білки). У процесі їх життєдіяльності виділяється теплова енергія, що сприяє нагріванню компостованої маси до температур більш 50°С. У подальшому розвиваються термофільні бактерії, у результаті життєдіяльності яких збільшується виділення тепла, прискорюються процеси переробки відходів в компост (підвищення температури на кожні 10°С інтенсифікує мікробіологічні процеси в 2-3 рази). Потім відбувається повільний спад температури, що свідчить про вичерпання легко розкладальних органічних сполук. На цій стадії термофільна мікрофлора переходить у стан спор, частково відмираючи, а мезофільна - починає знову розмножуватися завдяки тому, що володіє більш різноманітною і могутньою ферментативною системою, за допомогою якої розкладаються більш стійкі органічні сполуки (клітковина і лігнін). При знешкодженні побутових відходів відбувається не тільки розпад органічної речовини, але і синтез гумінових сполук, що поліпшує якість органічного добрива. Мікрофлора, що необхідна для біотермічного процесу, є в необхідних кількостях у відходах. Активізацію її життєдіяльності забезпечують за рахунок перемішування відходів при обертанні біобарабанів і аерації компостованої маси.

Компост, одержуваний в такий спосіб, використовують як біопаливо для теплиць і як органічне добриво. Він поліпшує склад і структуру ґрунту і збільшує кількість у ньому поживних речовин, тому що являє собою пухкий продукт, у сухій речовині якого міститься: азоту - до 1%, фосфору - 0,6%, калію - 0,3%, кальцію - 2,5% і органічної речовини - до 60%. У результаті багатьох досліджень установлено, що компост безпечний для сільського господарства. Хвороботворні організми, що можуть надходити з відходами, при утворенні компосту під дією високих температур і антибіотиків гинуть. Однак, змішані міські відходи містять велику кількість мікродомішок металів, серед яких знаходяться сильно токсичні речовини, що впливають на здоров'я людей. Недоліком компосту є його сезонне використання і необхідність тривалого збереження, що вимагає великих земельних ділянок. Через невеликий вміст поживних речовин, транспортування компосту на великі відстані економічно недоцільно.

Навчальні завдання

1. Користуючись літературою, схарактеризуйте, які метали і як, можна отримувати з бідних руд гірських порід.

2. Поясніть, як відбувається біодинамічна переробка відходів.

3. Підготуйте доповідь, як переробляють відходи методами біотехнології у різних країнах.

Питання для самоконтролю

1. У чому полягає процес біотехнологічного добування сірки з бідних руд?

2. Як добувають мідь за допомогою мікроорганізмів?

3. Що таке біодинамічне виробництво?

Література. [1],[3],[6],[11],[19],[24],[27],[31],[37],[40],[44],[47],[48],[49], [51],[53].

Дата добавления: 2014-11-06