Бактерии. Культивирование микроорганизмов

Размещено на http://www.allbest.ru

Алтайский Государственный Аграрный Университет

Кафедра генетики и разведения селькохозяйственных животных

Контрольная работа по дисциплине Биотехнология

Выполнил Гасс М.

6 курс

ФБТМ, зоотехния

2013

Строение, размножение и питание бактерий

Строение. По особенностям морфологии выделяют следующие группы бактерий: кокки (более или менее сферические), бациллы (палочки или цилиндры с закругленными концами), спириллы (жесткие спирали) и спирохеты (тонкие и гибкие волосовидные формы). Некоторые авторы склонны объединять две последние группы в одну - спириллы.

Прокариоты отличаются от эукариот главным образом отсутствием оформленного ядра и наличием в типичном случае всего одной хромосомы - очень длинной кольцевой молекулы ДНК, прикрепленной в одной точке к клеточной мембране. У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных органелл, называемых митохондриями и хлоропластами. У эукариот митохондрии вырабатывают энергию в процессе дыхания, а в хлоропластах идет фотосинтез. У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь - клеточная мембрана) берет на себя функцию митохондрии, а у фотосинтезирующих форм - заодно и хлоропласта. Как и у эукариот, внутри бактерии находятся мелкие нуклеопротеиновые структуры - рибосомы, необходимые для синтеза белка, но они не связаны с какими-либо мембранами. За очень немногими исключениями, бактерии не способны синтезировать стеролы - важные компоненты мембран эукариотической клетки.

Снаружи от клеточной мембраны большинство бактерий одето клеточной стенкой, несколько напоминающей целлюлозную стенку растительных клеток, но состоящей из других полимеров (в их состав входят не только углеводы, но и аминокислоты и специфические для бактерий вещества). Эта оболочка не дает бактериальной клетке лопнуть, когда в нее за счет осмоса поступает вода. Поверх клеточной стенки часто находится защитная слизистая капсула. Многие бактерии снабжены жгутиками, с помощью которых они активно плавают. Жгутики бактерий устроены проще и несколько иначе, чем аналогичные структуры эукариот.

Сенсорные функции и поведение. Многие бактерии обладают химическими рецепторами, которые регистрируют изменения кислотности среды и концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и диоксида углерода. Для каждого вещества существует свой тип таких «вкусовых» рецепторов, и утрата какого-то из них в результате мутации приводит к частичной «вкусовой слепоте». Многие подвижные бактерии реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды - на изменения освещенности. Некоторые бактерии воспринимают направление силовых линий магнитного поля, в том числе магнитного поля Земли, с помощью присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного железняка - Fe3O4). В воде бактерии используют эту свою способность для того, чтобы плыть вдоль силовых линий в поисках благоприятной среды.

Условные рефлексы у бактерий неизвестны, но определенного рода примитивная память у них есть. Плавая, они сравнивают воспринимаемую интенсивность стимула с ее прежним значением, т.е. определяют, стала она больше или меньше, и, исходя из этого, сохраняют направление движения или изменяют его.

Размножение и генетика. Бактерии размножаются бесполым путем: ДНК в их клетке реплицируется (удваивается), клетка делится надвое, и каждая дочерняя клетка получает по одной копии родительской ДНК. Бактериальная ДНК может передаваться и между неделящимися клетками. При этом их слияния (как у эукариот) не происходит, число особей не увеличивается, и обычно в другую клетку переносится лишь небольшая часть генома (полного набора генов), в отличие от «настоящего» полового процесса, при котором потомок получает по полному комплекту генов от каждого родителя.

Такой перенос ДНК может осуществляться тремя путями. При трансформации бактерия поглощает из окружающей среды «голую» ДНК, попавшую туда при разрушении других бактерий или сознательно «подсунутую» экспериментатором. Процесс называется трансформацией, поскольку на ранних стадиях его изучения основное внимание уделялось превращению (трансформации) таким путем безвредных организмов в вирулентные. Фрагменты ДНК могут также переноситься от бактерии к бактерии особыми вирусами - бактериофагами. Это называется трансдукцией. Известен также процесс, напоминающий оплодотворение и называемый конъюгацией: бактерии соединяются друг с другом временными трубчатыми выростами (копуляционными фимбриями), через которые ДНК переходит из «мужской» клетки в «женскую».

Иногда в бактерии присутствуют очень мелкие добавочные хромосомы - плазмиды, которые также могут переноситься от особи к особи. Если при этом плазмиды содержат гены, обусловливающие резистентность к антибиотикам, говорят об инфекционной резистентности. Она важна с медицинской точки зрения, поскольку может распространяться между различными видами и даже родами бактерий, в результате чего вся бактериальная флора, скажем кишечника, становится устойчивой к действию определенных лекарственных препаратов.

Метаболизм

Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма гораздо выше, чем у эукариот. При самых благоприятных условиях некоторые бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20 мин. Это объясняется тем, что ряд их важнейших ферментных систем функционирует с очень высокой скоростью. Так, кролику для синтеза белковой молекулы требуются считанные минуты, а бактерии - секунды. Однако в естественной среде, например в почве, большинство бактерий находится «на голодном пайке», поэтому если их клетки и делятся, то не каждые 20 мин, а раз в несколько дней.

Питание. Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофами. Автотрофы («сами себя питающие») не нуждаются в веществах, произведенных другими организмами. В качестве главного или единственного источника углерода они используют его диоксид (CO2). Включая CO2 и другие неорганические вещества, в частности аммиак (NH3), нитраты (NO-3) и различные соединения серы, в сложные химические реакции, они синтезируют все необходимые им биохимические продукты.

Гетеротрофы («питающиеся другим») используют в качестве основного источника углерода (некоторым видам нужен и CO2) органические (углеродсодержащие) вещества, синтезированные другими организмами, в частности сахара. Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы, необходимые для роста и жизнедеятельности клеток. В этом смысле гетеротрофные бактерии, к которым относится подавляющее большинство прокариот, сходны с человеком.

Главные источники энергии. Если для образования (синтеза) клеточных компонентов используется в основном световая энергия (фотоны), то процесс называется фотосинтезом, а способные к нему виды - фототрофами. Фототрофные бактерии делятся на фотогетеротрофов и фотоавтотрофов в зависимости от того, какие соединения - органические или неорганические - служат для них главным источником углерода.

Фотоавтотрофные цианобактерии (сине-зеленые водоросли), как и зеленые растения, за счет световой энергии расщепляют молекулы воды (H2O). При этом выделяется свободный кислород (1/2O2) и образуется водород (2H+), который, можно сказать, превращает диоксид углерода (CO2) в углеводы. У зеленых и пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не воды, а других неорганических молекул, например сероводорода (H2S). В результате также образуется водород, восстанавливающий диоксид углерода, но кислород не выделяется. Такой фотосинтез называется аноксигенным.

Фотогетеротрофные бактерии, например пурпурные несерные, используют световую энергию для получения водорода из органических веществ, в частности изопропанола, но его источником у них может служить и газообразный H2.

Если основной источник энергии в клетке - окисление химических веществ, бактерии называются хемогетеротрофами или хемоавтотрофами в зависимости от того, какие молекулы служат главным источником углерода - органические или неорганические. У первых органика дает как энергию, так и углерод. Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических веществ, например водорода (до воды: 2H4 + O2 ? 2H2O), железа (Fe2+ ? Fe3+) или серы (2S + 3O2 + 2H2O ? 2SO42- + 4H+), а углерод - из СO2. Эти организмы называют также хемолитотрофами, подчеркивая тем самым, что они «питаются» горными породами.

Дыхание. Клеточное дыхание - процесс высвобождения химической энергии, запасенной в «пищевых» молекулах, для ее дальнейшего использования в жизненно необходимых реакциях. Дыхание может быть аэробным и анаэробным. В первом случае для него необходим кислород. Он нужен для работы т.н. электронотранспортной системы: электроны переходят от одной молекулы к другой (при этом выделяется энергия) и в конечном итоге присоединяются к кислороду вместе с ионами водорода - образуется воды.

Анаэробным организмам кислород не нужен, а для некоторых видов этой группы он даже ядовит. Высвобождающиеся в ходе дыхания электроны присоединяются к другим неорганическим акцепторам, например нитрату, сульфату или карбонату, или (при одной из форм такого дыхания - брожении) к определенной органической молекуле, в частности к глюкоз

Суть метода трансплантации эмбрионов и влияние его на селекционный процесс

Биотехнология в воспроизводстве и селекции крупного рогатого скота имеет особое значение. Крупный рогатый скот относится к одноплодным видам млекопитающих. Поэтому от одной коровы можно получить в лучшем случае одного теленка в год, в то время, как в её яичнике содержатся сотни тысяч незрелых половых клеток (ооцитов), представляющих огромный генетический резерв. Кардинальное решение проблемы ускоренного воспроизводства скота состоит в том, чтобы перейти к нетрадиционным способам увеличения плодовитости. Для этого применяется целый ряд биотехнических методов, разработанных на основе углубленных исследований репродуктивной функции, её регуляции, а также на совершенствование приемов манипуляции с эмбрионами, половыми и соматическими клетками. В перспективе биотехнология рассматривается как основа ускоренного воспроизводства высокопродуктивных животных и целых популяций.

В последнее время приобрела практическое значение трансплантация эмбрионов, которая рассматривается как эффективный метод биотехнологии ускоренного размножения высокоценных племенных животных.

Создание банков глубокозамороженной спермы и разработка методов искусственного осеменения позволили существенно увеличить интенсивность отбора быков и повысить точность оценки их племенной ценности. На базе интенсивного использования генетически ценных быков-производителей с применением искусственного осеменения коров глубокозамороженной спермой темпы селекции в популяции по сравнению с обычными увеличиваются в 2-3 раза.

В то же время генетический вклад в прогресс селекции матерей быков почти в два раза ниже вклада отцов быков. Это объясняется низкой интенсивностью селекции матерей быков и ненадежной оценкой их племенной ценности из-за получения небольшого числа потомков. Эти ограничения и призвана частично снять трансплантация эмбрионов. В настоящее время при использовании трансплантации эмбрионов от одной генетически ценной коровы можно получать двадцать телят, используя малоценных реципиентов.

Однако нередко возникает вопрос о влиянии реципиента на эмбриональное и постэмбриональное развитие трансплантата. Прямое генетическое влияние на эмбрион реципиент не оказывает, так как пересаженная зигота представляет сформированный генотип, состоящий из гаплоидных наборов хромосом истинных родителей. Отсутствие прямого генетического влияния реципиента на эмбрион подтверждают межпородные и межвидовые пересадки зигот, а также иммуногенетические исследования. В то же время, могут быть вызваны модификации трансплантата, т.е. ненаследственные изменения признаков, обусловленные влиянием организма реципиента во время стельности. В отличие от мутаций, модификации по наследству не передаются. При этом нужно иметь в виду, что характер и степень фенотипических изменений определяются генотипом эмбриона.

Масштабирование и оптимизация процессов культивирования микроорганизмов

Сложность определения условий масштабного перехода, с одной стороны, и важность изучения этих условий -- с другой, приводят к необходимости применения системного подхода, суть которого в данном случае состоит в том, что вся информация, получаемая на лабораторных, опытных и промышленных установках, последовательно накапливается и обогащается в процессе разработки полной математической модели биореактора. Построенная таким образом математическая модель позволяет наиболее достоверно осуществлять масштабный переход и решать задачи оптимального проектирования биороеакторов.

Непосредственный перенос опытных данных, полученных для данной системы глубинного культивирования с одного биореактора на другой (масштабирование), осуществляется в три этапа:

выбор лучшего штамма посевного материала и среды пс основным биотехнологическим показателям;

сравнительная оценка ростовых свойств питательной среды и штамма в лабораторной посуде (пробирка, колба и т.д.);

оценка гидродинамических параметров процесса культивирования и их оптимизация в условиях использования лабораторной пилотной установки (от 1 до 10 л), снабженной системами автоматического контроля и управления;

- перенос полученного оптимального режима культивирования в промышленные объемы (собственно масштабирование).

Эффективная работа биореактора во многом определяет технико-экономические показатели всего производства. При этом существует тесная взаимосвязь вопросов аппаратурного и технологического оформления процессов биосинтеза, в частности, рассмотрение вопросов гидродинамики и массопередачи являются определяющими при реализации процессов в крупнотоннажных аппаратах.

Наиболее перспективным в настоящее время следует признать применение для целей масштабирования сочетания двух и более критериев.

Так как в процессах биосинтеза скорость роста микроорганизмов и накопление целевого продукта могут лимитироваться гидродинамическим режимом работы биореактора и условиями массообмена, естественно предположить, что для возможности получения в биореакторах различных емкостей одинаковых показателей следует учитывать влияние большинства факторов, которые могут воздействовать на процессы жизнедеятельности, с учетом меняющихся по ходу биосинтеза реологических свойств системы. При культивировании микроорганизмов в производственных условиях обычно можно говорить о следующих основных параметрах -температура, рН, парциальное давление растворенного кислорода (рОг), растворенного углекислого газа (рССЬ) и окислительно-восстановительного потенциала (еН), достаточно полно характеризующих потребности микроорганизмов, по которым можно контролировать и управлять процессом в биореакторах различной емкости. При переходе к аппаратам больших емкостей неизбежно меняется гидродинамическая обстановка и масштабировать ее один к одному праї гически не представляется возможным. Следовательно, необходимо знание физических, биологических, биофизических данных, определяющих течение биосинтеза, и с помощью определенных условий аэрации, перемешивания, массообменаподдерживать оптимальные для биосинтеза параметры по жизненно важным для микроорганизма факторам.

Воспроизводимость процессов биосинтеза в биореакторах различного объема значительно облегчается, если предварительно исследовано влияние на биосинтез следующих основных факторов, определяющих эффективность условий аэрации и перемешивания, условий массообмена в системах газ -жидкость и жидкость - микроорганизм.

Однако следует также учитывать, что масштабный переход в настоящее время не может осуществляться только на основе постоянства каких-либо гидродинамических критериев, так как в процессе биосинтеза меняются реологические свойства культуральных жидкостей, что требует изменения условий аэрации и перемешивания, т. е. управления ими. Именно поэтому необходим весь объем исследовательских работ по изучению всего комплекса проблем культивирования в биореакторах без чего в дальнейшем невозможен обоснованный масштабный перенос процессов культиви ювания от лабораторных биореакторов в промышленные объемы.

Выпишите и дайте определения всем терминам встретившимся вам при выполнении контрольной работы

Размножение - репродукция, присущая всем организмам, способность воспроизведения себе подобных (потомства), обеспечивающая непрерывность жизни вида и преемственность поколений.

Микробиологический синтез, синтез структурных элементов или продуктов обмена веществ микроорганизмов за счёт присущих микробной клетке ферментных систем.

Биотехноломгия -- дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач.

Ферменты (лат. fermentum брожение, бродильное начало; синоним энзимы) специфические вещества белковой природы, присутствующие в тканях и клетках всех живых организмов и способные во много раз ускорять протекающие в них химические реакции.

Ген- материальный носитель наследственности, единица наследственной информации, способная к воспроизведению и расположенная в определенном локусе хромосомы. Обеспечивает преемственность в поколениях того или иного признака или свойства организма.

Репликация- редупликация, ауторепликация, процесс самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых к т, обеспечивающий точное копирование генетич. информации и передачу её от поколения к поколению.

Список использованной литературы

бактерия культивирование микроорганизм трансплантация эмбрион

Бутенко, Р.Г. Биотехнология / Р.Г. Бутенко, М.В. Гусев, А.Ф. Киркин. - М.: Высшая школа, 1987.- 215 с.

Бекер, М.Е. Биотехнология / М.Е. Бекер, Г.К. Лиепиньш, Е.П. Райпулис. - М.: Агропромиздат; 1990.- 185 с.

Елинов, Н.П. Основы биотехнологии / П.Н. Елинов, - СПб.: Наука, 1995. 314 с.

Красота, В.Ф. Биотехнология в животноводстве. / В.Ф. Красота, Б.П. Завертяев, Е.К. Меркурьева. - М. : Колос, 1994. - 128 с.

Лобанок, А.Г. Биотехнология - сельскому хозяйству. / А.Г. Лобанок, М.В. Залашко, Н.И. Анисимова. - Минск: Ураджай, 1988. - 234 с.

Хиггинс, И. Биотехнология. Принципы и применение. / И. Хиггинс, Д. Бест, Дж. Джонс. - М.: Мир, 1988. 150 с.

Шевелуха, В.С. Сельскохозяйственная биотехнология. / В.С. Шевелуха, Е.А. Калашникова, С.В. Дегтярев. - М.: Высшая школа, 1998. 158 С.

Размещено на Allbest.ru