От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии
Так называемая биологическая защита культурных растений направленно нацелена против вредных насекомых, характеризующихся массовым размножением. При этом не нарушается уравновешенное совместное обитание всего живого и, кроме того, в нашу природную среду не попадают ядовитые вещества.
«Противоморозобойные» бактерии
К большим потерям урожая помимо вредителей приводят также неожиданные ночные заморозки весной или ранней осенью. Но холод повреждает растения лишь в том случае, если на растениях и внутри их различных частей (корни, стебли, листья) образуются кристаллы льда.
Было обнаружено, что на растениях живут и выделяют белки миллиарды бактерий вида Pseudomonas syringae. Вокруг этих так называемых бактерий — «льдообразователей» и их белков при минусовых температурах формируются кристаллы льда. Эксперименты показали, что если избавиться от этих бактерий, то на растениях не образуется кристалликов льда вплоть до −8 °С. И напротив, в присутствии бактерий — «льдообразователей» на растениях уже при температурах, близких нулю, возникают кристаллы льда, повреждающие растительные ткани. Этим «вредным» бактериям найдено и полезное применение: их добавляют к воде в «снеговых пушках»; даже при небольшом охлаждении они способствуют образованию снега, необходимого для создания снеговых покрытий с целью обеспечения условий для занятия зимними видами спорта.
Однако более интересна другая идея: была сделана попытка трансформировать генно-инженерными методами бактерии — «льдообразователи», а именно направленно вырезать из бактериальной ДНК ген, контролирующий образование «ледового» белка. После этой «операции» бактерии уже не могли продуцировать «ледовый» белок. И действительно, вокруг этих изменённых бактерий уже не образовывались кристаллы льда! Для пробы эти бактерии были использованы для опрыскивания посадок земляники. Оказалось, что «противоморозобойные» бактерии подавили развитие бактерий — «льдообразователей» и предохранили растения от внезапных понижений температуры. В данном случае земляничные растения служили всего лишь в качестве экспериментальных растений, поскольку основная задача состоит в защите от заморозков апельсиновых, грейпфрутовых и лимонных деревьев. Не исключено, что в будущем эти растения, чувствительные к минусовым температурам, можно будет выращивать на территориях, находящихся на несколько сот километров севернее.
Эти возможности ещё проверяются. Дело в том, что некоторые исследователи опасаются, что новые микробы могут распространиться по всему миру и нарушить природное равновесие различных видов. В этой связи биотехнологи несут особую ответственность, ведь надо гарантировать, что новые микробы вполне безопасны, и не допускать нанесения ущерба природе и человеку.
Чистая вода благодаря работе микробов
В 1892 г., а это в общем-то не так уж и давно, жители Гамбурга полагали, что они могут брать воду для питья непосредственно из рек Эльба и Альстер. Но такие представления имели трагический конец — жителей Гамбурга «косила» холера. Вода многих рек давно уже перестала быть чистой; это была среда обитания микробов, в том числе и опаснейших возбудителей холеры. В больших городах очистка сточных вод стала обязательной. Сегодня каждый городской житель ежедневно «продуцирует» 150—200 л сточных вод. При производстве 1 т бумаги объём сточных вод примерно такой же, как объём бытовых сточных вод от 1000 человек, и нередко сток одного химического предприятия соответствует по объёму стокам города с миллионным населением.
Естественной самоочищающей способности рек, обусловленной деятельностью микроорганизмов, теперь уже не хватает, поэтому сточные воды приходится разлагать с помощью микроорганизмов в гигантских очистных сооружениях с тем, чтобы стоки можно было вновь спускать в реки и озера без ущерба для природной среды.
При очистке сточных вод микроорганизмы проделывают особенно трудную работу. Потребляя кислород в процессе дыхания, они с его помощью разлагают содержащиеся в сточных водах сахара, жиры и белки до углекислого газа и воды и на этой основе растут и строят свои новые клетки. Очистные установки предоставляют им наилучшие условия для развития, размножения и для деструктивной деятельности. Это гигантские «биофабрики», и их «биопродуктом» является чистая вода.
При очистке сточных вод прежде всего из них удаляются макрозагрязнения: бумага, куски дерева, обрывки материи. Тяжёлые частицы песка осаждаются в пескоуловителе. Лишь после этого более лёгкие взвешенные частицы концентрируются на дне отстойника в илоуловителе. Далее сточные воды поступают в аэротенк [21], где поддерживаются идеальные условия для жизнедеятельности микробов. В аэротенке бактерии, дрожжи и грибы образуют с веществами сточных вод большие хлопья («активный ил»), которые не распадаются благодаря слизи, выделяемой бактериями. Основная проблема этого биопроцесса связана со снабжением микробов кислородом. На расщепление 1 г сахара микробы расходуют более 1 г кислорода, а растворимость кислорода в воде при нормальной температуре составляет всего лишь 9 мг/л. Поэтому очень скоро после начала микробиологического процесса весь содержащийся кислород будет полностью израсходован микроорганизмами. Таким образом, для успеха дела сточные воды в аэротенке должны постоянно перемешиваться и обогащаться кислородом. Кстати, человек продуцирует за сутки столько сточной воды, что на её разложение микроорганизмы расходуют 54 г кислорода. Для обеспечения аэрации сточных вод аэротенк снабжён вращающимися щетками, лопастями, а также трубой, через которую в воду нагнетается воздух. Воздух постоянно «завихряет» хлопья активного ила, благодаря чему они не достигают слишком больших размеров, остаются взвешенными и хорошо обеспечиваются кислородом. Микробы хлопьев поглощают вещества сточных вод, разлагают их в процессе дыхания и при этом размножаются.
Часть микробных хлопьев осаждается затем во вторичных отстойниках в виде ила. Меньшую часть возвращают в аэротенк для того, чтобы иметь достаточное количество микробов для окисления вновь поступающих сточных вод. Весь осадок, собранный из первичного и вторичного отстойников разлагается в септиках или метантенках [22] метанобактериями до образования «биогаза» (метана). Этот газ может быть очень рационально использован путём сжигания для получения тепла. Остаточный «переброженный» ил высушивают и нередко применяют в качестве удобрения.
Резервуары очистных сооружений занимают большую площадь; это условие, однако, трудно выполнить в промышленных районах. Поэтому за последние годы биотехнологами для очистки сточных вод были разработаны «малогабаритные» башенные биореакторы высотой примерно 15—20 м.
Сточные воды промышленных предприятий нередко содержат трудноразлагаемые вещества и яды, например синильную кислоту и соединения ртути. Эти вещества не разлагаются «нормальными» микробами, они даже убивают многие микроорганизмы. Поэтому идут поиски новых высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, которые могли бы утилизировать и эти ядовитые примеси. Например, индийский биотехнолог профессор Ананда Чакрабарти выделил «супербактерии», способные расщеплять высокотоксичное средство 2,4,5‑Т [23], которое США применяли во время войны во Вьетнаме для того, чтобы вызвать «листопад» в больших массивах джунглей [24]. Профессор Чакрабарти выделил также подлинных «пожирателей» нефти. Эти бактерии с «жадностью» набрасываются на ядовитые нефтяные остатки. Они применяются для быстрого разложения нефти в случае катастроф с нефтяными танкерами, когда огромные площади моря находятся под угрозой загрязнения нефтепродуктами. Впоследствии микроорганизмы, размножившиеся в огромных количествах, поедаются другими морскими животными и благодаря этому быстро исчезают. Но катастрофы, происходящие с танкерами, это всего лишь малый процент нефтяных загрязнений. Ежегодно в моря попадает примерно 6 млн т нефти, четвёртая часть этого количества — в результате очистки порожних танкеров в открытом море, треть — со сточными водами, приносимыми реками. Кстати, «нефтееды» профессора Чакрабарти являются первыми в истории «новообразованными» живыми существами, на которые был выдан патент.