От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии

Микробы съедобны?!

Сегодня на нашей Земле полмиллиарда человек не имеют в достатке пищи. В первую очередь ощущается нехватка продуктов — поставщиков белков, таких, как мясо, рыба, яйца, молоко и бобовые (фасоль, горох, соя). Проблема усугубляется тем, что население Земли возрастает примерно на 70 млн человек ежегодно; для того чтобы покрыть только дополнительную потребность в 2 млн т белка, обусловленную приростом населения, следовало бы выращивать богатую белком сою на площади 40 млн га. Как раз в регионах, где налицо нехватка белковых пищевых продуктов, отмечаются и наиболее высокие темпы прироста населения при слабом развитии сельского хозяйства и промышленности. Для того чтобы производить достаточные количества растительного белка, из которого сельскохозяйственные животные создают полноценный животный белок, сельскому хозяйству требуются большие количества азотных удобрений, выпускаемых промышленностью. Для получения 1 кг животного белка требуется 5—10 кг растительного белка. Таким образом, уже на этом этапе как бы «пропадает» («теряется») часть белка и это дополнительно к тем колоссальным потерям продуктов, которые имеют своими причинами «работу» вредителей сельского хозяйства, неаккуратность при уборке, транспортировке и хранении.

Микроорганизмы могли бы эффективно помочь решению продовольственных проблем человечества. Они ведь не только продуцируют лечебные средства, вино и сыр — они ещё и съедобны! В них содержатся полноценные белки, жиры, сахара и витамины.

Уже в 1521 г., после завоевания Мексики, испанец Бернал Диаз дель Кастильо сообщал, что ацтеки употребляли в пищу диковинные маленькие «пирожки», похожие на сыр. Сегодня нам известно, что эти «пирожки» были приготовлены из одноклеточных водорослей, живущих в мексиканских озерах. Удалённые на тысячи километров от Мексики, проживающие в Африке на берегах озера Чад туземцы племени канембу с незапамятных времен тоже потребляли в пищу одноклеточную синезелёную водоросль рода Spirulina. Эта водоросль в огромных количествах растет в оз. Чад, её вылавливают, высушивают и едят как овощи. В самом деле, водоросли — хорошие продуценты белка. Они удваивают свою массу всего лишь за шесть часов. Злакам для этого требуются две, цыплятам — четыре, поросятам — шесть недель, а телятам — два месяца. Поэтому во многих странах наука прилагает немалые усилия, чтобы создать «водорослевые фермы». Для этого требуются довольно обширные водные плоскости, то есть бассейны с большой площадью водной поверхности, в которых водоросли могут в достаточной степени облучаться солнечным светом, с помощью которого они образуют из углекислого газа, воды и питательных минеральных веществ сначала сахар, а потом белок. Потребление света и воздуха не требует никаких финансовых затрат; для побуждения водорослей к обильному росту необходимы лишь дешёвые минеральные добавки. На равновеликих площадях водоросль Spirulina образует в 10 раз больше белковой массы, чем пшеница, и к тому же с более высоким содержанием белка. При сборе урожая водоросли попросту «отцеживают» с помощью сетки, затем их сушат на воздухе и добавляют к ним вещества, улучшающие вкус; после этого продукт готов к потреблению и поступает в продажу. Почему же в районах, где население голодает, до сих пор не созданы подобные крупномасштабные фермы? Да только потому, что там отсутствует даже такая простейшая технология; к тому же во многих регионах крайне скудны запасы воды, которая очень дорога.

Виды водорослей, имеющие важное значение для биотехнологии: хлорелла — зелёная водоросль, которую для пищевых целей культивируют на специальных фермах. Синезелёную водоросль спирулину, также съедобную, нередко относят к бактериям (цианобактерии). Синезелёная водоросль анабена связывает азот воздуха и поставляет его водному папоротнику Azolla, растущему на восточно-азиатских рисовых полях (благодаря чему экономятся искусственные азотные удобрения).

«Жаркое по-домашнему» из микробов

Ещё быстрее, чем водоросли, растут бактерии, дрожжи и другие низшие грибы. Бактерии удваивают свою массу за время от 20 мин до двух часов, причём бактериальная масса может на 70 % состоять из белка.

Уже говорилось о том, что водоросли синтезируют белок в 100 000 раз быстрее, чем корова. При этом корова отдаёт нам в форме мяса примерно десятую часть питательных веществ, потребляемых ею в виде растительного корма; 0,9 корма коровы для питания людей пропадает! У бактерий, дрожжей и грибов почти вся масса питательных веществ преобразуется в белки, сахара и жиры, пригодные для использования человеком и животными.

Современная история микробиологического производства белка началась во время первой мировой войны в Германии, где с этой целью использовались дрожжи. Из-за нехватки продуктов питания пекарские дрожжи выращивали в промышленных масштабах и «начиняли» ими преимущественно колбасу и супы. Дрожжи имели то большое преимущество, что они питаются дешёвыми, обычно не используемыми сахаросодержащими растворами, преобразуя при этом сахар в высокоценный белок. Во время второй мировой войны с помощью дрожжевых «хлопьев» удалось спасти от голодной смерти тысячи людей. Но трудные времена прошли, а эта вынужденная мера была предана забвению.

Лишь в шестидесятых годах снова начали сооружать установки по производству белка с помощью микробов. Человечество нуждалось во всё больших количествах белка. Со временем было обнаружено, что микроорганизмы способны питаться не только сахаросодержащими питательными растворами, но и усваивать компоненты нефти — алканы[17]. Несъедобные для человека и животных твёрдые алканы — парафины — только микробы в состоянии утилизировать и преобразовать в ценный белок. В Советском Союзе осуществляется программа по изысканию наилучших «пожирателей» алканов. Уже в 1963 г. начали работать первые опытные установки. На предварительно очищенных пробах нефти росли штаммы дрожжей рода Candida, которые питались алканами и при этом очень быстро размножались и образовывали белок. Из 1 т нефти получалось около 1 т дрожжей, содержащих 600 кг белка. Мало того! Из уже не содержащей алканов остаточной нефти получалось гораздо более высококачественное дизельное топливо!

В самом начале производства дрожжей из алканов многие врачи и ветеринары выражали опасения, не окажется ли получаемый из алканов белок токсичным для высших млекопитающих. Однако многолетние в высшей степени добросовестные эксперименты показали, что дрожжевой белок безвреден. Кстати, благодаря многолетним исследованиям он теперь относится к наиболее изученным пищевым и кормовым средствам[18].

Дрожжевой белок превосходит все кормовые растения по содержанию в нём питательных веществ. Опыты показали, что 1 т дрожжей способна заменить 7—8 т кормовых злаков. Первое большое предприятие по производству дрожжей на основе алканов начало функционировать в Советском Союзе в 1973 г. с производительностью 70 000 т в год. Сегодня в СССР действует восемь гигантских заводов по производству «алкановых» дрожжей. Такие же предприятия, где ценный белок производится из алканов нефти, функционируют в ГДР в г. Шведте (конечный пункт нефтепровода «Дружба»), а также в Румынии. В Китайской Народной Республике (нефтяные месторождения этой страны характеризуются высоким содержанием алканов) в настоящее время также сооружаются подобные «фабрики белка». Даже арабские страны — экспортеры нефти сейчас проявляют большую заинтересованность в этой биотехнологии, поскольку производить кормовой белок из собственной нефти при её колоссальных запасах экономически выгодно; ведь тогда не надо окультуривать земельные массивы в пустынях, которые занимают основную территорию этих стран. При налаженном биотехнологическом производстве отпала бы и потребность в дорогом импорте зерна, бобов, сои или рыбной муки.

Завод по производству высококачественного кормового белка из компонентов нефти (алканов) в г. Шведте (ГДР). В двух гигантских биореакторах при участии дрожжей рода Candida ежегодно производится 50 000 т белкового концентрата фермозина. Попавшая в центр фотографии заводская труба относится к сушильной установке, поскольку продукция завода — кормовой белок — поставляется в сельское хозяйство в сухом гранулированном виде в форме небольших цилиндриков.

Бактерии вида Methylophilus methylofrophus образуют из метанола, который получают дешёвым способом из угля или нефти, белковый корм (прутин).

В середине семидесятых годов в результате внезапного довольно сильного повышения цен на нефть страны, не имеющие собственной нефтедобычи, были вынуждены изыскивать другой, более дешёвый источник питательных веществ для белокпродуцирующих микробов. В качестве такового был предложен метиловый спирт (метанол). Его можно получать в очень чистом виде из каменного угля или нефти. В Англии на одной из установок для получения микробного белка из метанола «работает» Bacterium Methylophilus methylotrophus (при дословном переводе на русский язык это латинское наименование бактерии звучит так: «Бактерия, любящая метан и поедающая метан»); ежегодная «производительность» этой бактерии 50 000 т белкового корма прутин, используемого в основном при выращивании цыплят-бройлеров и откорме телят. Биореактор имеет 60 м в высоту, его вместимость 150 000 л абсолютно стерильного питательного раствора, в котором бактерии живут при 35 °С, потребляя исключительно метанол, аммиак и кислород воздуха. Бактерии непрерывно удаляются из биореактора; затем они обрабатываются горячим водяным паром (жизнедеятельность бактерий прекращается) и полученная в виде довольно крупных комков биомасса высушивается. В итоге получают зернистый продукт, имеющий цвет жжённого сахара; фирменное название этого продукта прутин.

Начиная с 1985 г. микробный белок используется также в пищевой промышленности для изготовления различных блюд и полуфабрикатов. В Англии специализированные магазины продают слоёные паштеты с начинкой, похожей по виду и вкусу на говяжью. В этом блюде даже можно ощутить «мясные волокна»! Новый биопродукт микопротеин (от греч. mykee — гриб, protein — белок) изготовляется из гриба фузариум. Он содержит 45 % белка и 13 % растительного жира, то есть не уступает по питательности многим сортам мяса. Грибные нити (мицелий) так «сплетаются» между собой, что появляется внешняя аналогия с мясными волокнами. А как известно, волокнистая пища чрезвычайно важна для хорошего пищеварения. Фузариум растёт на всех сахаристых веществах, например в Европе для этого используют отходы картофеля, а в Америке — корни кассавы[19], фрукты или сахарный тростник. Наряду с «говядиной» из фузариума изготавливается также «куриное мясо». В скором будущем в магазинах можно будет купить не менее 10 видов пирожков, рубленые котлеты, лакомства и салаты, приготовленные с добавлением микробного белка.

Белок, полученный из гриба рода Fusarium, подвергается дальнейшей переработке путём добавления вкусовых и красящих веществ. На фотографии приведенных образцов можно различить волокна, напоминающие мясные.

Из правого куска получают «говяжье», из левого — «куриное» мясо.

Грибной белок становится неузнаваемым после переработки в рубленые котлеты, паштеты, шоколад и салаты.

Дегустация «жаркого» микробного происхождения прошла вполне успешно. Это блюдо не только «как настоящее» на вкус, но к тому же богато белком и содержит мало жиров, то есть оно полезнее для здоровья по сравнению с натуральным (животным) продуктом.

В Финляндии при помощи низших грибов, растущих на ядовитых сточных водах целлюлозно-бумажных предприятий, ежегодно производят 10 000 т ценного кормового белка. Без проведения «микробной обработки» эти сточные воды вызывают массовую гибель рыб в озерах и реках. В этом случае биотехнология разрешает одновременно две проблемы — получение белка на беззатратных питательных растворах и защиту окружающей среды.

Советский Союз занимает первое место в мире по промышленному микробиологическому производству белка: более 1 млн т кормовых дрожжей ежегодно. Наряду с использованием алканов нефти и спирта источником питательных веществ служит также древесина. Но при этом не расщепляемая дрожжами целлюлоза древесины должна быть сначала разрушена с помощью кислот на строительные «блоки» — сахара. Такие отходы сельского хозяйства, как солома, хлопковые остатки, отходы картофеля, овощей и фруктов, содержащие не более 5 % белка, также могут быть превращены микробами в ценный корм.

Растения, которые сами себя удобряют

Азот наряду с углеродом, водородом и кислородом представляет собой важнейший маленький «кирпичик», входящий в состав соединений, встречающихся во всех живых существах, белках и наследственном материале. Воздух содержит 78 % (об.) азота, однако ни человек, ни животные не могут усваивать газообразный азот. То же самое относится и к большей части растений, которые способны усваивать только химически связанный азот в форме аммиачных солей, нитратов или мочевины.

Уже древние римляне знали, что при выращивании бобовых, например клевера, люпина, люцерны, фасоли и гороха, повышается плодородие почвы. Когда на каком-нибудь поле впервые начинали культивировать бобовые, то по нему предварительно рассеивали землю с полей, на которых уже росли растения этого семейства. Разумеется, римляне ещё не могли знать, что они обязаны своими сельскохозяйственными успехами азотфиксирующим клубеньковым бактериям, которые обитают на сплетениях корешков определённых видов бобовых. В тесном взаимодействии (симбиозе) с растением эти микробы образуют из азота воздуха аммиак — одно из питательных веществ, усваиваемых растением. Таким образом, бактерии поставляют в почву азотные удобрения; взамен они получают от растения другие питательные вещества.

Аммиак производится также в промышленности по так называемому способу Габер — Боша: атмосферный азот при 550 °С и давлении в несколько сотен атмосфер связывается с водородом с образованием аммиака, который потом в качестве «азотного удобрения» (солей аммония) вносится в почву. Химический способ получения аммиака требует колоссальных затрат энергии, а энергия всё больше дорожает, поэтому заметно выросли и цены на удобрения. В результате азотные удобрения становятся мало доступными для сельского хозяйства именно тех стран, где повышение урожайности — первоочередная задача для того, чтобы накормить полуголодное население.

К этому следует добавить, что, вообще говоря, растения усваивают лишь менее половины того количества удобрений, которое вносится человеком в почву. Большая часть удобрений вымывается из почвы дождевой водой и «перенасыщает» затем озёра и реки. Вследствие этого в водоёмах непомерно размножаются микроорганизмы, они полностью потребляют кислород, растворённый в воде, после чего огромные количества этих микроорганизмов отмирают. Вместе с бактериями гибнут рыба, раки и все остальные живые существа, нуждающиеся в кислороде.

Напротив, клубеньковые растения образуют аммиак при нормальных температуре и давлении. Например, красный клевер на 1 га посева продуцирует при помощи своих же бактерий 100—150 кг азотных «удобрений». В общей сложности благодаря микробам из воздуха ежегодно извлекается примерно 100 млн т аммиака против 40 млн т, получаемых промышленным способом при «адских» температурах и высоком давлении. Причём клубеньковые бактерии вновь демонстрируют преимущество биологических процессов: они являются энергосберегающими. Образование микробами «азотных удобрений» из воздуха имеет ещё одно преимущество: они не вымываются дождями — стало быть, полностью сохраняются для растений и не загрязняют водоёмы.

Во многих странах предпринимаются экспериментальные попытки заселить клубеньковыми бактериями также другие культурные растения, не относящиеся к семейству бобовых. Специалисты по генной инженерии пытаются даже перенести гены азотфиксирующих бактерий в клетки злаков.

Новые растения из пробирки

Прежде чем злаки «научатся» извлекать азот непосредственно из воздуха, предстоит провести ещё немало исследований. В то же время уже сегодня новые высокоурожайные сорта растений размножают в пробирке при помощи биотехнологических методов. Сначала учёные культивируют растительные клетки (принципиально это аналогично культивированию микробов) в питательных растворах. Затем с помощью ферментов осторожно растворяют клеточные стенки. Подобная «голая» одиночная клетка способна делиться и размножаться, образуя в питательном растворе скопление клеток (каллус). После добавления определённых питательных и ростовых веществ из этого клеточного скопления спустя некоторое время вновь возникают полноценные растения! Таким путём из 1 г растительных клеток в пробирке можно вырастить тысячи растений. Подобным образом уже были размножены земляника, спаржа, ананас, люцерна и декоративные растения. Теперь на 1 м² лабораторной площади можно за короткий срок вырастить 100 000 таких растеньиц, причём все из клеток одного «суперрастения». Получаемое потомство называют «клон» (от греч. clon — ветвь). Все они — как однояйцевые близнецы — имеют одинаковый наследственный материал. Например, путём «клонирования» удалось произвести 1000 молодых масличных пальм, которые были высажены в Юго-Восточной Малайзии. Эти пальмы — прямые потомки одной пальмы, оказавшейся необычайно устойчивой против болезней, а также дававшей на 20—30 % больше пальмового масла, чем обычно.

Клонирование растений.

На первом этапе (вверху слева) от растения, которое предполагается размножить, отрезается лист. В растворе, содержащем ферменты, разрушающие клеточные стенки, образуются тысячи одиночных «голых» клеток (протопластов), не имеющих стенок. В питательном растворе протопласты образуют новые клеточные стенки, клетки начинают делиться (внизу справа). Приблизительно через две недели из каждой отдельной клетки возникает скопление клеток (каллюс) (внизу слева). Каллюс помещают на особую питательную среду, где он развивается в полную силу и начинает образовывать побег (в центре слева). На другой питательной среде побег вырастает в маленькое растеньице с корнями, которое затем высаживают в землю (вверху слева). Так из одного-единственного листа в самое короткое время можно вырастить тысячи новых растений со свойствами материнского растения.

В культивационном сосуде крошечная роза, возникшая в результате клонирования.

Если растительные клетки удаётся, подобно микроорганизмам, культивировать в питательных растворах, то почему бы не попробовать также изменять их при помощи генно-инженерных методов? Растения, устойчивые против засухи и средств защиты растений (гербицидов), растущие даже на засолённых почвах и отличающиеся большим содержанием белка — таковы некоторые цели, намеченные специалистами по генной инженерии. К сожалению, в растительные клетки нельзя непосредственно ввести плазмиды, как это имело место у бактерий. Однако учёные и здесь отыскали «кукушку» для генов: широко распространенную почвенную бактерию Agrobacterium tumefaciens. Эта бактерия инфицирует растительные клетки и побуждает их к беспорядочному опухолеобразному росту и образованию «галлов»[20]. В галлах гены бактерий с помощью бактериальных плазмид проникают в клетки растений. Затем изменённые растительные клетки галлов клонируют в пробирке, как описано выше, и вновь выращивают из них целые растения. Таким образом, культурным растениям действительно можно передать такие свойства, как повышенная продуктивность белка или связывание азота воздуха, или устойчивость против засухи и вредителей.

Из чисто научного интереса была сделана попытка включить в растения табака гены светлячка. Подвергнутые подобным манипуляциям табачные растения испускали в темноте зеленовато-желтое сияние — доказательство того, что эксперимент удался.

Микробы против вредителей

В некоторых африканских странах насекомые или грызуны уничтожают около 60 % урожая. В Европе потери урожая составляют от 25 до 40 %. Кроме того, в тропических странах насекомые представляют опасность как переносчики малярии (комары рода Anopheles) или сонной болезни (муха цеце). Малярией впервые заболевают ежегодно 300 млн человек; по своим масштабам малярия занимает первое место в мире среди других болезней на Земле.

Для борьбы с насекомыми используются различные химические препараты, называемые инсектицидами; ежегодные затраты на эти средства составляют ~2,5 млрд долл. Однако при этом погибают не только вредители, но все другие насекомые, входящие в контакт с инсектицидами. Тем самым инсектициды нарушают совместную среду обитания животных и растений, происходит постепенное отравление насекомоядных животных, особенно птиц. Инсектициды в конце концов попадают и в воду, и в нашу пищу. Кроме того, примерно на 400 видов насекомых инсектициды уже не оказывают никакого воздействия, так как эти виды стали устойчивыми к применяемым препаратам. Для того чтобы бороться с этими устойчивыми видами, необходимо увеличивать дозировку яда, либо применять новые инсектициды. Поэтому во многих странах занимаются поиском безвредных для окружающей среды биологических методов борьбы с вредителями.

В настоящее время в Советском Союзе и США уже выращивают «поточным методом» миллионы крохотных (длина не более 1 мм) наездников-трихограмм и переносят их на поля, поражённые вредителями. Каждая трихограмма-самка прокалывает до 300 яиц других насекомых и откладывает в них свои яйца. Вышедшие из яиц-паразитов гусеницы-трихограммы пожирают содержимое яйца хозяина.

Бактерии, грибы и вирусы также используются для борьбы с вредителями. Так, Bacillus thuringiensis, которая стала известна в Тюрингии как истребитель личинок моли, прекрасно зарекомендовала себя и как «убийца» гусениц. Водными взвесями этих микробов опрыскивают поля, и гусеницы поедают их вместе с кормом. Микробы образуют ядовитые кристаллы белка, которые разрушают кишечник гусениц, вызывая их гибель. В настоящее время Bacillus thuringiensis выращивают в биореакторах. Одной тонны микробного препарата достаточно, чтобы очистить от вредителей 300 га леса, свекловичных полей, посевов хлопчатника или плантаций плодовых деревьев!

Удалось также передать ген, контролирующий образование ядовитых кристаллов белка от Bacillus thuringiensis, бактериям, заселяющим корни (Pseudomonas florescens). Теперь гусеницы озимой совки, повреждающие хлебные злаки посредством погрызов корней, погибают, если только поглотят вместе с пищей бактерии Pseudomonas, трансформированные генно-инженерными методами.

Было испробовано совместное применение наездников-трихограмм и бацилл против капустниц. При этом «наездники» снижают количество яиц бабочек, бациллы же убивают только что вылупившихся гусениц. Новые бактериальные штаммы действуют специально против колорадского жука. Насекомых, питающихся на лесных деревьях, например трубковерта дубового или различные виды шелкопрядов, можно ликвидировать так же направленно, как домашних мух, златогузок или комаров Anopheles, не затрагивая существования других насекомых, в частности пчёл. В Советском Союзе против непарного шелкопряда и монашенки, а в США против шиповатого червя успешно применяют вирусы. Для борьбы с колорадским жуком, яблонной плодожоркой и комарами используются микроскопические грибы.

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.

В Институте биотехнологии в Лейпциге были выделены штаммы бактерий, поглощающие и откладывающие в своих клетках ртуть. Если этих «собирателей ртути» осадить на фильтре, то тем самым можно вновь уловить ртуть из сточных вод. Водоросли тоже обладают способностью накапливать в своих клетках ртуть, свинец и серебро и благодаря этому очищать сточные воды.

И всё-таки самый короткий и простой путь к тому, чтобы защитить водный бассейн нашей планеты, это разработка таких производственных процессов, которые вовсе не выделяют вредных продуктов в окружающую среду! Именно этой цели желают достичь биотехнологи.

Биосенсоры: о загрязнении сигнализируют микробы

Откуда же, собственно говоря, становится известно, насколько велико загрязнение сточных вод?

Сточные воды на содержание разлагаемых и токсичных веществ могут анализировать сами микробы. Для этого отбирают пробы сточных вод. Сначала в каждой пробе определяют концентрацию кислорода, затем в пробы вносят микробов, живущих в сточных водах, бутылки с пробами плотно закрывают и спустя 5 сут вновь определяют в каждом сосуде содержание кислорода в пробах. В пробах с высокой степенью загрязнения содержится много питательных веществ, следовательно, здесь микроорганизмы потребляют больше кислорода, чем в сосудах с «чистыми» сточными водами. Но 5 сут — это слишком продолжительный срок. За это время сильно загрязнённые сточные воды успевают поступить в реки в огромных количествах. Значит, нужен более ранний «предупредительный сигнал»!

В течение последних 10 лет были сконструированы «биосенсоры» — биологические измерительные зонды, которые в пределах нескольких минут показывают степень загрязнения сточных вод. Биосенсор — это электрод, соединённый с электронным табло, на котором появляются сведения о содержании кислорода в данной жидкости. На поверхность этого электрода наносится тонкий слой микробов, живущих в сточных водах, микробы удерживаются на электроде при помощи плотного фильтра. Погрузив такой биосенсор в жидкость, можно непосредственно «измерить» дыхание микробов. В том случае, когда биосенсор находится в чистой воде, микробы почти не дышат, поскольку слишком мало питательных веществ находится в их распоряжении, и биосенсор подаёт совсем слабый сигнал. Напротив, если биосенсор погружён в пробу сточных вод, содержащую много питательных веществ (то есть сильно загрязнённую), то микробы получают много «корма», они дышат более интенсивно, потребляют больше кислорода и биосенсор реагирует сигналом большей силы. При этом способе контроль сточных вод может быть осуществлён за одну минуту.

С помощью таких же биосенсоров можно определять и концентрацию питательных веществ в биореакторе. Существуют биосенсоры, работающие на основе ферментов, извлекаемых из микробов. Например, прибор с биосенсором, несущем на поверхности своего электрода фермент глюкозооксидазу, за 1 ч может с большой точностью определить более чем в 100 пробах крови или мочи, не содержится ли в них повышенное против нормы количество сахара, то есть диагностировать заболевание сахарным диабетом. Биосенсоры особенно пригодны для серийных анализов, с их помощью можно за короткий срок проверить здоровье тысяч людей.

Самые крупные промышленные биопредприятия в мире — это предприятия для очистки сточных вод. Их главный продукт — чистая питьевая вода. В качестве побочных продуктов могут вырабатываться биогаз (для энергетических целей) и удобрения.

Биосенсорная система ЕСА‑20, созданная в ГДР. В течение одного часа с помощью этой системы, работающей в автоматическом режиме, можно выполнить полный анализ на глюкозу в 150 пробах крови. Прибор снабжён микрокомпьютером; после погружения отростка пробоотборника в пробу крови результат анализа уже через 5 с появляется на электронном табло, а затем выдаётся в виде распечатки на диаграммной ленте.

«Мозгом» биосенсорного устройства является чувствительный электрод, на котором в тонком слое между полупроницаемыми мембранами находятся ферменты (например, фермент глюкозооксидаза для измерения количества глюкозы) или живые микробы (для определения степени загрязнения сточных вод). Электрод преобразует сигнал, полученный от ферментов или микробов, реагирующих селективно только на «свой» компонент испытуемой пробы, в электрический сигнал. Определяемые вещества (например, глюкоза) легко проникают через поры полупроницаемой мембраны, в то время как обладающие гораздо большей пространственной структурой ферменты или микробы удерживаются мембраной на электроде, благодаря чему небольшие количества ферментов или микробов могут быть тысячекратно весьма экономично использованы для новых измерений.

Возобновляемые источники энергии. Что это?

В Бразилии сотни тысяч автомашин работают на «новом горючем». Это горючее — этанол (этиловый спирт)! Толчком к внедрению спирта в качестве моторного топлива послужил энергетический кризис, разразившийся в семидесятых годах, когда цены на нефть на мировом рынке внезапно сильно поднялись. В Бразилии добывается мало нефти, поэтому импорт нефти вскоре стал тяжким бременем для этой страны. В поисках выхода для Бразилии было запланировано производство спирта из растительного сырья.

Автомобиль с двигателем, работающим на этаноле, на плантации сахарного тростника — сырья для производства этанола — горючего для автомобилей (Бразилия).

Благодаря значительной протяжённости и тропическому климату Бразилии разведение сахарного тростника на огромных площадях не представляет в этой стране никаких технических трудностей.

В этом крупнейшем в мире биотехнологическом проекте тростниковый сахар сбраживается с помощью дрожжей, образуя спирт. В 1985 г. было получено 10 млрд л спирта! Таким образом, Бразилия — самый крупный производитель спирта в мире.

Помимо сахарного тростника, который хорошо растёт только на плодородных почвах, предлагается также ввести в производство крахмалистое растение кассаву (маниок). В отличие от сахарного тростника картофелеподобные растения кассавы растут и на скудных почвах. Но у них сначала приходится расщеплять крахмал с помощью амилаз до сахаров, которые потом уже сбраживаются дрожжами до спирта.

До сих пор считалось, что бразильский вариант биотехнологического решения топливной проблемы был наилучшим. Однако получилось, что в Бразилии огромные площади пахотной земли засеяны «автомобильным кормом». Чтобы произвести количество спирта, достаточное для удовлетворения годичной потребности в горючем автомобиля с пробегом, равным 12 000 км, нужно собрать растения с 13 000 м² пашни. Между тем для годового питания одного человека требуется всего 800 м². Другими словами: один автомобиль отбирает пищу примерно у 18 жителей! А ведь в Бразилии миллионы людей страдают от недоедания! К этому добавляются и экологические проблемы: из экономических соображений промышленные стоки спиртовых заводов спускают в реки неочищенными, превращая их в мёртвые воды, на огромных территориях вырубаются тропические леса, то есть погоня за спиртом приводит к нарушению хрупкого природного равновесия.

Тем не менее основная идея об освоении биологических источников энергии, которые в противоположность нефти и каменному углю постоянно возобновляются, имеет большую будущность. Во многих странах рационально перерабатывают на спирт непригодные к иному употреблению отходы сельскохозяйственной продукции. При переработке сахарной свёклы и сахарного тростника они накапливаются в виде мелассы, при производстве творога и сыров — в виде сахаросодержащей сыворотки.

Однако спирт служит не только для получения энергии, его используют также в промышленности в качестве растворителя и в качестве исходного материала для получения красителей, искусственных волокон, клеёв и косметических изделий.

Древесные отходы также могут быть расщеплены ферментами до сахаров. В некоторых странах, богатых лесом, закладывают даже «энергетические плантации». Это быстрорастущие породы деревьев, древесина которых каждые 3—5 лет регулярно «собирается» и перерабатывается в сахар, используемый в качестве источника питания для микроорганизмов. Правда, для многих развивающихся стран древесина стала таким же дефицитным товаром, как в иных регионах продукты питания. В некоторых засушливых районах Африки годовое потребление дров на душу населения только для приготовления пищи составляет всего 0,5 м³. Последние леса «сжигаются», пустыня продвигается всё дальше. Но чем же завтра будут люди отапливать свои очаги? Биотехнология и здесь предлагает выход: получение биогаза.

Биогаз спасает тропические леса

«Блуждающие огоньки», известные из сказок и саг, зажигались там ведьмами и кобольдами[25], чтобы заманить и погубить добрых странников; в основе народного эпоса лежат вполне реальные факты: в болотах при недостатке кислорода из отмерших частей растений при участии микроорганизмов образуется болотный газ — метан, который способен самовоспламеняться; тогда-то и возникает «блуждающий огонек». Если «взболтать» ил в какой-нибудь трясине, то можно почувствовать запах «биогаза».

Метанобактерии, продуцирующие биогаз, очень чувствительны к кислороду. Предполагают, что они жили уже в первичной атмосфере Земли. Тогда в атмосфере ещё не было кислорода, зато имелись углекислый газ, водород; атмосфера имела такую температуру, которая как раз и необходима для развития метанобактерии. Если в настоящее время для них где-нибудь в болотах или искусственно в биореакторе создаются такие же условия, то они точно так же продуцируют метан. Правда, при этом они зависят от подготовительной работы других бактерий, которые прежде при помощи своих ферментов разлагают древесину, крахмал, белки и жиры на составляющие их строительные «блоки» и сбраживают эти последние до уксусной или масляной кислоты, водорода или углекислого газа.

В природе в результате деятельности бактерий ежегодно образуется примерно 800 млн т метана, это приблизительно столько же, сколько природного газа добывается людьми. В Китайской Народной Республике сегодня уже 5 млн маленьких, по техническому выполнению очень простых установок поставляют биологически «добываемый» газ. Эти «биогазовые» установки представляют собой маленькие, герметически закрытые бачки, в которых встряхиваются экскременты животных и человека и растительные отходы. При нагревании баков бактерии образуют метан. Газ отводится и используется для варки пищи, отопления и производства электроэнергии. Биогаз — весьма ценное топливо. 1 м биогаза даёт столько же энергии, сколько получается при сгорании 1 л мазута. Оказалось, что вместо бестолкового сжигания сухого навоза, растительных остатков и лесной древесины можно получать энергию в виде биогаза из отходов! Производимый биогаз сгорает с образованием углекислого газа и воды, а в «биогазовом реакторе» остаётся естественное удобрение сапропель. Сапропель содержит крайне нужные растениям питательные вещества — азот, фосфор и калийные соли. Благодаря этому можно сократить импорт удобрений.

В Индии же всё ещё сжигают ежегодно 50 млн т коровьего навоза и 30 млн т других отходов, потому что многие крестьяне слишком бедны для того, чтобы самим приобрести биогазовую установку, и, кроме того, для получения достаточных количеств биогаза необходимо держать несколько коров. А вот в Китайской Народной Республике нередко коллективно эксплуатируются крестьянами всей деревни большие «биогазовые» установки. «Биогазовые реакторы» одновременно служат и охране здоровья: ведь в герметически замкнутых резервуарах возбудители болезней убиваются высокой температурой брожения.

Итак, «биогазовые» установки выгодны жителям небольших поселков и деревень, особенно в жарких странах. Они не только не отнимают у людей, как это имеет место при производстве спирта из растений, пищи и лучшей пахотной земли, но даже повышают доходы от сельского хозяйства. Их широкое внедрение может помочь спасти тропические леса, приостановить наступление пустыни и с помощью удобрений сделать плодоносными отдалённые территории.

В Европе «биогазовые реакторы» могут решить проблему отходов в больших животноводческих комплексах. Дело в том, что жидкие фекалии животных (навозная жижа) лишь частично могут быть применены в качестве удобрений, иначе они слишком перегрузят почву. Ведь за сутки от одной молочной коровы или 10 свиней скапливается до 45 л навозной жижи! Зато из этого количества можно получить 2 м³ биогаза! Например, «биогазовая» установка вблизи Лейпцига производит метан из фекалий более чем тысячи голов крупного рогатого скота. Полученной энергии хватает на то, чтобы круглый год отапливать коровники.

Ежедневно в племенном свиноводческом хозяйстве в Рипперсхаузене (округ Зуль, ГДР), где откармливается 34 000 свиней, скапливаются 300 м³ животноводческих стоков (фекалии и моча). До недавнего времени утилизация таких количеств полужидкого навоза вызывала большие затруднения. Теперь же с этой работой справляется 5 биореакторов, где навозная жижа разлагается микробами до биогаза, благодаря чему не происходит загрязнения окружающей среды. Ежедневная производительность этого биопредприятия 5500 м³ биогаза, который используется как топливо в самом хозяйстве, что даёт экономию 4000 т бурого угля.

Бесшумная разработка месторождений

В последние годы добыча меди велась так интенсивно, что рудные месторождения с высоким содержанием металла стали большой редкостью. Горные разработки перемещаются во всё более глубокие зоны. Энергетические затраты на разработку месторождений резко возрастают. Уже в ⅩⅧ в. испанцы добывали медь в своих рудниках близ Риотинто в значительной степени из шахтной воды, содержащей медь. Вода уже выщелочила медную соль из горной породы. Однако всего лишь 25 лет тому назад ещё никто не знал, что в этом процессе принимают участие бактерии: они способствуют превращению труднорастворимой в воде «меди» в водорастворимую солевую форму.

В настоящее время микробы целенаправленно применяются для выщелачивания руды и на их долю приходится уже 20 % всей мировой добычи меди, в первую очередь из горных пород вскрышных отвалов с низким содержанием меди.

Именно бактерии рода Thiobacillus (от греч. theion — сера) помогают извлечь металл из породы. Они питаются не сахаром, а серой и железом! Они развиваются даже в присутствии сильных кислот, более того, они сами продуцируют серную кислоту.

При биологическом выщелачивании руды сначала переправляют на сборные пункты миллионы тонн вскрышных пород[26], содержащих серу и медь. Эти вскрышные породы содержат небольшие количества ценной меди совместно с железом. Известны отвалы высотой свыше 400 м, содержащие 4 млрд т породы, которые ранее так и оставались бы неиспользованными. Их орошают и пропитывают тысячами кубометров воды. Отвалы вовсе не требуется предварительно заражать бактериями Thiobacillus, потому что эти бактерии присутствуют повсюду. В 1 г серосодержащей породы живёт более одного миллиона клеток Thiobacillus. По мере проникновения воды бактерии размножаются. Эти крохотные помощники прежде всего переводят труднорастворимые соли железа в легкорастворимую соль — сульфат железа с попутным образованием серной кислоты. Сульфат железа с помощью серной кислоты переводит содержащийся в горной породе нерастворимый в воде сульфид меди в растворимый сульфат меди. После этого у подножия отвала начинает просачиваться голубой раствор сульфата меди, который собирают в огромных сборниках. Теперь с помощью какого-нибудь технического приёма можно легко получить чистую медь. Остаточную, уже не содержащую медь, но содержащую серную кислоту и бактерии жидкость, образовавшуюся при выщелачивании руды, вновь разбрызгивают по отвалу.

Получение меди из вскрышных пород с низким содержанием меди с использованием работы бактерий.

Вполне возможно, что в будущем с помощью «биоразработки» месторождений можно будет получать также уран, цинк, свинец, никель и кобальт. По-видимому, и каменный уголь с высоким содержанием серы можно будет «обессеривать» путём воздействия серобактерий и тем самым делать его использование более безопасным для окружающей среды.

Ещё более многообещающим, чем выщелачивание отвалов горной породы, является рудное выщелачивание непосредственно под землей. Для этого горную породу вовсе не нужно сначала извлекать на поверхность. Штольню просто обрызгивают или заливают водой. «Биоразработка» месторождений выгодна и на старых, уже заброшенных рудниках.

По всей вероятности, бактерии могут оказать помощь также в том, чтобы сделать горные работы более безопасными. В каменноугольных шахтах постоянно происходят серьёзные катастрофы из-за устрашающего «рудничного газа»: газ метан, скапливающийся на дне выемок, воспламеняется в результате случайно проскочившей искры. В Советском Союзе в некоторых шахтных стволах и забоях были «распылены» бактерии, которые за 2—4 нед. почти полностью превращают метан в негорючий углекислый газ.

Вероятно, в будущем микробы могут оказаться полезными и при добыче нефти. К настоящему времени добыто лишь около трети общих запасов нефти нефтяных месторождений, так как нефть лишь очень редко образует большие подземные «озера» и часто прочно связана в порах горной породы. Поэтому уже сегодня рядом с настоящей буровой скважиной в нефтяные пласты закачивают воду с тем, чтобы выдавить остаточную нефть. Но вода слишком «жидкая», она легко протекает сквозь нефтеносные «россыпи» горной породы. Нужно было сделать воду более «вязкой», и для этого было найдено средство — сахаросодержащее вещество, выделяемое бактериями рода Xanthomonas, почему оно и названо «ксантаном». Но сначала воду смешивают с поверхностно-активным («мыльным») веществом и смесь закачивают в нефтеносные породы, для того чтобы высвободить нефть из пор. Причем подобное «мыло» могут образовывать и сами бактерии. Только после этого заканчивается ксантановая вода, которая посредством высокого давления выдавливает нефть из буровой скважины. Существуют также проекты «закачки» микроорганизмов непосредственно в нефтеносные пласты при условии обеспечения их кислородом; при участии этих бактерий будут вырабатываться газы, которые благодаря создаваемому ими давлению заставят нефтяные источники «фонтанировать» более энергично.

Ксантан относится к самым первым продуктам, полученным в биореакторе, которые прежде были неизвестны. Пока что молодая биотехнологическая промышленность поставляет лишь некоторые из подобных новых «биопродуктов». Но уже сегодня они демонстрируют грандиозные возможности биопромышленности будущего.