Бактерии как объекты сельскохозяйственной биотехнологии

 

Содержание 

Введение …………………………………………………………………………3

1. Основные направления биотехнологии……………………………………….4

2. Биотехнология в сельском хозяйстве.

Энтомопатогенные препараты  на основе бактерий……………………………...5

Заключение …………………………………………………………………...8

Список литературы…………………………………………………………………9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Биотехнология — это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

Возможности биотехнологии  необычайно велики благодаря тому, что ее методы выгоднее обычных: они  используются при оптимальных условиях (температуре и давлении), более  производительны, экологически чисты  и не требуют химических реактивов, отравляющих среду и др.

Объектами биотехнологии служат многочисленные представители групп живых организмов — микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др., растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (органеллы).

Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление  продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов  клетки.

Главными направлениями  биотехнологии являются:

1.Производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок;

2.Применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.) и для защиты растений от вредителей и болезней;

3. Создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т. п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные направления биотехнологии.

 

Биологическая азотфиксация - процесс перевода азота, содержащегося в атмосфере в виде химически инертного N₂, в доступную для растений форму нитратов и аммония. Азот составляет 78% от общего объема атмосферного воздуха и абсолютно недоступен для растений в таком виде. Именно поэтому люди вынуждены вносить азотные удобрения для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Фиксации атмосферного азота осуществляется бактериями, живущими в симбиозе с представителями семейства бобовых (клубеньковые бактерии из рода Rhizobium) или свободноживущими азотфиксаторами, например, Azotobacter. Для ускорения заселения ризосферы обычно используют бактериальные удобрения, содержащие культуры азотфиксирующих микроорганизмов.

Бактериальные удобрения на основе клубеньковых бактерий вносят под бобовые  культуры, симбионтами которых они  являются. Методами генной инженерии  выведены мутанты клубеньковых бактерий с повышенной способностью к азотфиксации. Ведутся работы по созданию азотфиксирующих растений, способных к симбиозу со злаковыми. Есть и бактериальные препараты, улучшающие фосфорное питание растений.

Микробные инсектициды. В последнее  время все чаще появляются данные о мутагенном и канцерогенном  действии химических пестицидов, которые  плохо разрушаются и накапливаются  в окружающей среде.

Для получения микробных инсектицидов используются вирусы, грибы, простейшие, наиболее удобны - спорообразующие  бактерии. Микробные инсектициды  высоко специфичны и действуют только на определенные вредные насекомые, оставляя невредимыми полезные. Патогенность микроорганизмов вызвана действием определенных токсинов, поэтому выработки устойчивости к биопрепаратам у насекомых не происходит. Микробные пестициды (энтомопатогенные препараты на основе бактерий, грибов или вирусов) подвержены биодеградации.

Микроорганизмы могут  регулировать рост растений и животных, подавлять заболевания. Некоторые  бактерии изменяют кислотность и соленость почвы, другие продуцируют соединения, связывающие железо, третьи - вырабатывают регуляторы роста. Как правило, микроорганизмами инокулируют семена и или растения перед посадкой.

В животноводстве биотехнология  также находит применение. Это диагностика, профилактика, лечение заболеваний с использованием техники моноклональных антител, генетическое улучшение пород животных. Широко используются биотехнологические методы для искусственного осеменения.

Биотехнология применяется для  силосования кормов, позволяя повышать усвоение растительной биомассы, для  утилизации отходов животноводческих ферм и получения экологически чистых органических удобрения на основе переработки  отходов растениеводства и животноводства (http://www.webkursovik.ru/kartgotrab.asp?id=-101086).

2. Биотехнология в сельском хозяйстве.

Энтомопатогенные  препараты на основе бактерий.

 

Отечественное биотехнологическое производство выпускает 3 группы энтомопатогенных препаратов:

1. Бактериальные препараты  на основе Bacillus thuringiensis - энтобактерин-3, дендробациллин, инсектин, токсобактерин.

2. Грибной препарат боверин на основе гриба Beauveria bassiana.

3. Препараты на основе  вирусов ядерного полиэдра (вирин-ЭНШ, вирин-ЭКС и др.).

Все микробные патогены выпускаются в виде смачивающих порошков, паст, реже - гранул, эмульсии спор и кристаллов. При непосредственном применении предполагается использование различных добавок в виде растворителей, прилипателей, способствующих повышению их эффективности. Технология получения бактериальных энтомопатогенных препаратов. Наибольшее распространение среди промышленно выпускаемых микробных патогенов получили бактериальные препараты. Их отличительными особенностями являются высокая вирулентность по отношению к насекомым-вредителям, безопасность для окружающей флоры и фауны, достаточно высокая скорость воздействия на вредителей и др. В настоящее время производятся препараты против более 160 видов насекомых.

Из всех энтомопатогенных бактерий наиболее исследованы грамположительные  бактерии Bac.thuringiensis. Она не только разрушает насекомое, попадая внутрь, но и продуцирует ряд токсичных продуктов. Среди этих токсичных продуктов выделяют 4 компонента:

- α-экзотоксин, или фосфолипаза С, - продукт растущих клеток бактерий. Токсическое действие фермента связывают с индуцируемым им распадом незаменимых фосфолипидов в ткани насекомого, что приводит к гибели последнего.

- β-экзотоксин - накапливается в  культуральной жидкости при росте клеток. Считают, что молекула β-токсина состоит из нуклеотида, связанного через рибозу и глюкозу с аллослизевой кислотой. Его действие, видимо, обусловлено ингибированием нуклеотидазы и ДНК-зависимой РНК-полимеразы, связанных с АТФ, что приводит к прекращению синтеза РНК. По сравнению с другими токсинами действует медленнее, в основном при переходе от одного цикла развития к другому. По наблюдениям, β-экзотоксин - мутаген, поражающий генетический аппарат особей.

- γ-экзотоксин - малоизученный компонент,  неидентифицированный фермент (или группа ферментов).

- δ-эндотоксин - параспоральный кристаллический эндотоксин. Образуется в процессе споруляции бактерии в противоположной от формирующейся споры части бактерии. На завершающей стадии спорообразования токсин приобретает форму 8-гранного кристалла. Кристаллы состоят из белка, аминокислотный состав которого близок для различных штаммов. Доказано, что кристаллический белок в кишечнике восприимчивых насекомых распадается на молекулы протоксина. Протоксин под действием протеиназ распадается на токсические фрагменты. Различие в восприимчивости некоторых видов насекомых к действию кристалла, по-видимому, связано с присутствием специальных кишечных протеаз, осуществляющих гидролиз кристаллов in vivo. Такими протеазами обладают не все насекомые, отсюда и избирательность действия δ-токсина. Чтобы насекомое погибло, кристаллы должны попасть в его организм. После поглощения кристаллов гусеницы перестают питаться. Первичным местом действия δ-токсина является средний отдел кишечника.

В зависимости от реакции на кристаллы  насекомые делятся на три группы:

- характерен общий паралич;

- паралич среднего отдела кишечника;

- реакция на препарат в целом: гибель в результате прорастания спор и последующего размножения бактерий.

Бактерии Bac. thuringiensis антагонистичны к 130 видам насекомых. Наибольший эффект достигается при применении препаратов этой группы против листогрызущих вредителей. Наиболее распространенные препараты на основе различных вариаций Bac. thuringiensis: энтобактерин, инсектин, алестин, экзотоксин, токсобактерин, дендробациллин, битоксибациллин.

Промышленное производство энтомопатогенных бактерий заключается в глубоком культивировании. При этом ставится задача получения максимального  титра клеток в культуральной жидкости и накопления токсина. Требования к промышленным штаммам энтомопатогенных бактерий: принадлежность штамма к определенному серотипу, высокая вирулентность и продуктивность на промышленных средах, устойчивость к комплексу фагов и т.д. Технология производства включает все стадии, типичные для любого биотехнологического производства. Температуру культивирования на всех стадиях поддерживают постоянной (28-30^оС), продолжительность ферментации составляет 35-40 часов. Используют дрожже-полисахаридную среду, содержащую в процентах: кормовые дрожжи - 2-3; кукурузную муку - 1-1.5; кашалотовый жир - 1. Перед началом культивирования рН составляет около 6.3, к концу ферментации - повышается до 8.0 - 8.5, что может привести к разрушению кристаллов на более мелкие фрагменты и затруднить их выделение. Чтобы предотвратить это, культуральную жидкость перед переработкой подкисляют до 6.0 - 6.2. Культивирование заканчивают при степени споруляции 90-95% и титре спор не менее 10⁹ в 1 мл. После сепарации культуральной жидкости получают пасту влажностью 85% с выходом около 100 кг в 1 кубометре культуральной жидкости и титром порядка 20*10⁹ спор в 1 грамме. Фугат можно употребить для приготовления питательной среды, но не более 1-2 раз, так как в культуральной жидкости накапливаются вещества, ингибирующие развитие культуры. Фугат находит свое применение в качестве сырья при производстве кормовых дрожжей, что обеспечивает сокращение промышленных стоков и снижает расход воды. Пасту перемешивают в течение получаса для однородного распределения спор и кристаллов и отбирают пробы на проверку титра, влажности, вирулентности, наличия фага.

Конечный продукт - смачивающий  порошок или стабилизированная  паста. Первый получают путем высушивания  увлажненной пасты на распылительной сушке. Готовый препарат фасуют по 20 кг в четырехслойные крафт-мешки с полиэтиленовым вкладышем. Вторую - внесением в пату КМЦ. При смешении молекулы КМЦ сорбируют белковые кристаллы и споры, заряжая их отрицательно, что способствует равномерному распределению активного начала по всему объёму и увеличению срока хранения. Готовый препарат - вязкая жидкость кремового или светло-серого цвета, без запаха, не замерзающую при хранении. Препарат предназначен для борьбы с садово-огородными вредителями, эффективен против 60 видов насекомых. Применяют путем опрыскивания растений водной эмульсией в период активного роста вредителя. Основная масса вредителей погибает в течение 2-10 дней. На 1 га расходуют: для овощных культур 1-3 кг, садовых - 3-5 кг. (http://www.biotechnolog.ru/prombt/prombt9_1.htm).

Заключение

Развитие биотехнологических методов связано с разработкой  новых микробиологических препаратов, целенаправленно воздействующих на окружающую среду. Главная причина  повышенного внимания к развитию биотехнологии состоит в тенденции  к общей экологолизации природопользования, что обусловлено заботой человечества об охране окружающей среды и рациональном, более эффективном использовании природных ресурсов.

Разработка новых типов  биопрепаратов для сельского  хозяйства, обладающих комплексным  действием, сочетающим антагонистическую  активность по отношению к фитопатогенам с продукцией биологически активных веществ, является актуальной задачей.

Новые штампы бактерий родов  Pseudomonas и Azotobacter, проявляют антагонистическую активность к широкому спектру фитопатогенных грибов, вызывающих болезни зерновых и овощных культур. Следует отметить, что использование биопрепаратов на основе таких типичных представителей почвенной микробиоты, какими являются бактерии родов Pseudomonas и Azotobacter, не нарушает экологического равновесия в аборигенном сообществе почвенных организмов.

Список  литературы

1. Сайт: http://www.webkursovik.ru/kartgotrab.asp?id=-101086).
2. Сайт http://www.biotechnolog.ru.