Микроорганизмы, обитающие в недрах Земли, широко используются в биогеотехнологии - добыче, превращении и переработке природных ископаемых, нефти и газа. Биогеотехнология получения металлов эксплуатирует способности отдельных микроорганизмов переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руды) Thiobacillus ferrooxydans выщелачивает железо, медь и другие металлы с помощью окисления серной кислоты, которую образуют эти микроорганизмы из сульфида. Chromobacterium violaceum способна растворять золото, реализуя процесс Au->-Au (CN)4. Получены высокоэффективные штаммы Pseudomonas и термофильной бактерии Sulfolobus для удаления серы из угля - одной из важнейших экологических проблем. Ведь, сгорая, уголь сильно загрязняет окружающую среду серой.
Для извлечения металлов из сточных вод перспективны штаммы Cilrobacter sp. и Zoogloea, способные накапливать уран, медь, кобальт. Получены мутанты Cilrobacter sp. с высоким уровнем фермента фосфатазы. Такие сверхпродуценты в 2,5 раза быстрее накапливают уран, чем родительский штамм. Это связано с осаждением металла на поверхности клеток в результате энзиматического освобождения неорганического фосфата.
Бактерии родов Rliodococcus и Nocardia sp. используют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Обещают стать ценными очистителями среды галобактерии. Некоторые из штаммов этих бактерий уже с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Наряду с природными бактериями перспективна деятельность генно-инженерных штаммов. Уже удалось перенести плазмиды с генами ферментов, расщепляющих октан, камфару, нафталин и ксилол, в Pseudomonas sp. Получен штамм, способный эффективно утилизировать сырую нефть. В ближайшее время он будет включен в арсенал средств биотехнологической очистки от загрязнений.
Мы видим, что биотехнология, уже внедрившаяся в промышленность, активно и эффективно включается в решение экологических проблем. Именно с ней связаны надежды, что удастся создать экологически чистые и экономически высокоэффективные производства, которые придут в XXI в. на смену нынешним.
Объекты биотехнологии многочисленны. Это представители основных групп живых организмов - микроорганизмы (бактерии, вирусы, дрожжи, одноклеточные организмы), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные компоненты. Биотехнология базируется на протекающих в этих живых системах физико-химических, биохимических, физиологических процессах, в результате которых происходят выделение энергии, синтез и деградация продуктов, формирование организованных структур. Из этого ясно, что в биотехнологии для решения насущных научных и производственных задач имеется в готовом виде обширная материальная база. Ограничивают использование этой базы несовершенство знаний о живых объектах и протекающих в них процессах, отсутствие техники и методов оперирования ими и жесткие требования к уровню рентабельности используемых биотехнологий. Поэтому разные виды и группы живых организмов и их клетки вовлекают в сферу биотехнологии постепенно, но мере преодоления этих ограничивающих факторов.
Биотехнология решает не только конкретные задача науки и производства. У нее есть более глобальная методологическая задача - она расширяет и ускоряет с помощью достижений научно-технического прогресса масштабы воздействии человека на живую природу, я способствует приспособлению живых систем к условиям существования человека (ноосфере), выступая в роли нового мощного фактора антропогенной адаптивной эволюции. В прошлом влияние человека на живые организмы было ограничено главным образом искусственным отбором. В настоящее время искусственный отбор входит в формирующуюся биотехнологию как одна из ее исторических предпосылок. Этот глобальный (общебиологический) и конкретный (научно производственных взаимоотношений биотехнологии с живой природой тесно смыкаются и стимулируют друг друга. Они представляют собой единую систему, которая на верхнем уровне смыкается с эволюцией, а на нижнем все больше “сращивает” живую природу с социальной и производственной сферами жизни человека.
По своим потенциям биотехнология экологически достаточно чистый и практически неисчерпаемый высокоэкономичный производитель разнообразной продукции и поэтому все больше будет вытеснять несовершенные, ограниченные ресурсами и экологически вредные современные химические технологии. Однако для большего прогресса биотехнология нуждается в успехах фундаментальных наук и в более совершенных методах оперирования живыми системами.
Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью тех веществ, производство которых необходимо. Для биотехнологии нужны высокопродуктивные штаммы микроорганизмов. Их создают методами селекции - направленного отбора спонтанных или индуцированных (химическими мутагенами или радиацией) мутантов. Получение таких штаммов занимаются иногда многие годы. В результате селекции производительность продуцентов удается увеличить в сотни или тысячи раз. Например, в работе с Penicillium методами селекции выход пенициллина был увеличен в конце концов, примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.
Отбору высокопроизводительных штаммов предшествуют тонкие манипуляции селекционера с генетическим материалом исходных штаммов. При этом используют весь спектр естественных способов рекомбинирования генов, известных у бактерий: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) была успешно использована при создании штамма Pseudomonas putida, способного утилизовать углеводороды нефти. Очень часто прибегают к трансдукции (перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериальных вирусов - бактериофагов) и амплификации (увеличение числа копий нужного гена).
Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибиотиков или их регуляторы находятся не в основной хромосоме, а в плазмидах. Путем амплификации удается увеличить число этих плазмид в клетках и существенно повысить производство антибиотиков.
Еще один подход в генетико-селекционной работе - получение генетических рекомбинантов путем слияния разных штаммов бактерий, лишенных стенок (протопластов). Так, слиянием протопластов двух штаммов Streptomyces был сконструирован новый высокоэффективный штамм-продуцент рифампицина С: мутанты Nocardia mediterranei, в которых не синтезировался рифампицин, после слияния сформировали штаммы, продуцирующие три новых рифампицина. Слияние протопластов позволяет объединять генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются.
Химический и электрохимический способы получения водорода неэкономичны. Поэтому специалисты обратили внимание на микроорганизмы, способные выделять водород. Еще в начале 60-х годов установили, что хлоропласты шпината в присутствии бактериального экстракта, содержащего фермент гидрогеназу, продуцируют водород. Это способны делать хемотрофные бактерии, цианобактерии, некоторые водоросли и простейшие. Сейчас предложено несколько вариантов биотехнологических систем для производства водорода, однако пока ни одна из них неприемлема для практических целей.
Не одно поколение ученых бьется над проблемой повышения эффективности фотосинтеза у микроорганизмов и растений. Задача эта еще далека от решения. Однако в результате исследований в области биологии фотосинтеза (в частности, выделения и характеристики различных мутантов фотосинтезирующих микроорганизмов) работы вышли на уровень, когда они могут стать основой для решения прикладных задач. Так, некоторые фотосинтезирующие микроорганизмы способны продуцировать аммоний за счет биоконверсии солнечной энергии. Поскольку гербициды подавляют фотосинтез, получение мутантов, не чувствительных к гербицидам - путь к созданию гербицидустойчивых сортов растений. Предполагается, что фотосинтезирующие бактерии будут участвовать в очистке промышленных газов, биодеградации токсических веществ и отходов производства.
Биотехнологической биоэнергетике предстоит ответить на вопросы, связанные с созданием биотопливных элементов, способных превращать химическую энергию субстратов в другие виды энергии, главным образом в электрическую. Такие элементы используют в настоящее время при создании биологических датчиков-биосенсоров.
