Τι (ποιος) είναι МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ: ПРОМЫШЛЕННЫЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ - ορισμός

Промышленные микробиологические процессы можно разбить на 5 основных групп: 1) выращивание микробной биомассы; 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов; 3) получение ферментов микробного происхождения; 4) получение рекомбинантных продуктов; 5) биотрансформация веществ.

Микробная биомасса. Микробные клетки сами по себе могут служить конечным продуктом производственного процесса. В промышленном масштабе получают два основных типа микроорганизмов: дрожжи, необходимые для хлебопечения, и одноклеточные микроорганизмы, используемые как источник белков, которые можно добавлять в пищу человека и животных. Пекарские дрожжи выращивали в больших количествах с начала 20 в. и использовали в качестве пищевого продукта в Германии во время Первой мировой войны.

Однако технология производства микробной биомассы как источника пищевых белков была разработана только в начале 1960-х годов. Ряд европейских компаний обратили внимание на возможность выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для получения т.н. белка одноклеточных организмов (БОО). Технологическим триумфом было получение продукта, добавляемого в корм скоту и состоящего из высушенной микробной биомассы, выросшей на метаноле. Процесс шел в непрерывном режиме в ферментере с рабочим объемом 1,5 млн. л. Однако в связи с ростом цен на нефть и продукты ее переработки этот проект стал экономически невыгодным, уступив место производству соевой и рыбной муки. К концу 80-х годов заводы по получению БОО были демонтированы, что положило конец бурному, но короткому периоду развития этой отрасли микробиологической промышленности. Более перспективным оказался другой процесс - получение грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием в качестве субстрата углеводов.

Продукты метаболизма. После внесения культуры в питательную среду наблюдается лаг-фаза, когда видимого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рассматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно увеличивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненциальной, или логарифмической, фазой. Постепенно рост замедляется, и наступает т.н. стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.

Следуя описанной выше кинетике, можно проследить за образованием метаболитов на разных этапах. В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и т.д. Их называют первичными метаболитами.

Многие первичные метаболиты представляют значительную ценность. Так, глутаминовая кислота (точнее, ее натриевая соль) входит в состав многих пищевых продуктов; лизин используется как пищевая добавка; фенилаланин является предшественником заменителя сахара аспартама. Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей. Поэтому задача промышленных микробиологов состоит в создании мутантных форм микроорганизмов - сверхпродуцентов соответствующих веществ. В этой области достигнуты значительные успехи: например, удалось получить микроорганизмы, которые синтезируют аминокислоты вплоть до концентрации 100 г/л (для сравнения - организмы дикого типа накапливают аминокислоты в количествах, исчисляемых миллиграммами).

В фазе замедления роста и в стационарной фазе некоторые микроорганизмы синтезируют вещества, не образующиеся в логарифмической фазе и не играющие явной роли в метаболизме. Эти вещества называют вторичными метаболитами. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи - ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты. Вначале целью скрининга было получение новых антибиотиков, но вскоре обнаружилось, что микроорганизмы синтезируют и другие фармакологически активные вещества. В течение 1980-х годов было налажено производство четырех очень важных вторичных метаболитов. Это были: циклоспорин - иммунодепрессант, используемый в качестве средства, предотвращающего отторжение имплантированных органов; имипенем (одна из модификаций карбапенема) - вещество с самым широким спектром антимикробного действия из всех известных антибиотиков; ловастатин - препарат, снижающий уровень холестерина в крови; ивермектин - антигельминтное средство, используемое в медицине для лечения онхоцеркоза, или "речной слепоты", а также в ветеринарии.

Ферменты микробного происхождения. В промышленных масштабах ферменты получают из растений, животных и микроорганизмов. Использование последних имеет то преимущество, что позволяет производить ферменты в огромных количествах с помощью стандартных методик ферментации. Кроме того, повысить продуктивность микроорганизмов несравненно легче, чем растений или животных, а применение технологии рекомбинантных ДНК позволяет синтезировать животные ферменты в клетках микроорганизмов. Ферменты, полученные таким путем, используются главным образом в пищевой промышленности и смежных областях. Синтез ферментов в клетках контролируется генетически, и поэтому имеющиеся промышленные микроорганизмы-продуценты были получены в результате направленного изменения генетики микроорганизмов дикого типа.

Рекомбинантные продукты. Технология рекомбинантных ДНК, более известная под названием "генная инженерия", позволяет включать гены высших организмов в геном бактерий. В результате бактерии приобретают способность синтезировать "чужеродные" (рекомбинантные) продукты - соединения, которые прежде могли синтезировать только высшие организмы. На этой основе было создано множество новых биотехнологических процессов для производства человеческих или животных белков, ранее недоступных или применявшихся с большим риском для здоровья. Сам термин "биотехнология" получил распространение в 1970-х годах в связи с разработкой способов производства рекомбинантных продуктов. Однако это понятие гораздо шире и включает любой промышленный метод, основанный на использовании живых организмов и биологических процессов.

Первым рекомбинантным белком, полученным в промышленных масштабах, был человеческий гормон роста. Для лечения гемофилии используют один из белков системы свертывания крови, а именно фактор VIII. До того как были разработаны методы получения этого белка с помощью генной инженерии, его выделяли из крови человека; применение такого препарата было сопряжено с риском заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).

Долгое время сахарный диабет успешно лечили с помощью инсулина животных. Однако ученые полагали, что рекомбинантный продукт будет создавать меньше иммунологических проблем, если его удастся получать в чистом виде, без примесей других пептидов, вырабатываемых поджелудочной железой. Кроме того, ожидалось, что число больных диабетом будет со временем увеличиваться в связи с такими факторами, как изменения в характере питания, улучшение медицинской помощи беременным, страдающим диабетом (и как следствие - повышение частоты генетической предрасположенности к диабету), и, наконец, ожидаемое увеличение продолжительности жизни больных диабетом. Первый рекомбинантный инсулин поступил в продажу в 1982, а к концу 1980-х годов он практически вытеснил инсулин животных.

Многие другие белки синтезируются в организме человека в очень небольших количествах, и единственный способ получать их в масштабах, достаточных для использования в клинике, - технология рекомбинантных ДНК. К таким белкам относятся интерферон и эритропоэтин. Эритропоэтин совместно с миелоидным колониестимулирующим фактором регулирует процесс образования клеток крови у человека. Эритропоэтин используется для лечения анемии, связанной с почечной недостаточностью, и может найти применение как средство, способствующее повышению уровня тромбоцитов, при химиотерапии раковых заболеваний.

Биотрансформация веществ. Микроорганизмы можно использовать для превращения тех или иных соединений в структурно сходные, но более ценные вещества. Поскольку микроорганизмы могут проявлять свое каталитическое действие в отношении лишь каких-то определенных веществ, протекающие при их участии процессы более специфичны, чем чисто химические. Наиболее известный процесс биотрансформации - получение уксуса в результате превращения этанола в уксусную кислоту. Но среди продуктов, образующихся при биотрансформации, есть и такие высокоценные соединения, как стероидные гормоны, антибиотики, простагландины. См. также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
.

горнодобывающая промышленность, комплекс отраслей производства по разведке месторождении полезных ископаемых, их добыче из недр земли и первичной обработке - обогащению. Г. п. делится на след. основные группы: 1) топливодобывающую (нефтяная добыча природного газа, угольная, сланцевая, торфяная); 2) рудодобывающую (железорудная, марганцеворудная, добыча руд цветных, благородных и редких металлов, радиоактивных элементов); 3) промышленность неметаллических ископаемых и местных стройматериалов (добыча мрамора, гранита, асбеста, мела, доломита, кварцита, каолина, глины, гипса, мергеля, полевого шпата, известняка); 4) горнохимическую (добыча апатита, калийных солей, нефелина, селитры, серного колчедана, борных руд, фосфатного сырья); 5) гидроминеральную (минеральные подземные воды, вода для водоснабжения и др. целей).

Горное дело существует с древних времён. Г. п. получила быстрое развитие с конца 18 - начала 19 вв. В 1967 во всём мире было добыто ок. 7 млрд. т полезных ископаемых, общая стоимость которых оценивалась примерно в 80 млрд. долларов. Из общей стоимости добытого минерального сырья и топлива приходилось (1967) свыше 70\% на топливно-энергетическое сырьё (в т. ч. 48,8\% на нефть и 17,5\% на уголь), 7\% на железные руды.

СССР располагает огромными потенциальными ресурсами различных видов сырья и топлива, занимая 1-е место в мире по разведанным запасам угля, торфа, железной и марганцевой руд, бокситов, меди, свинца, никеля, вольфрама, большими запасами нефти, природного газа и др. полезных ископаемых.

За годы Советской власти резко изменилось размещение Г. п. СССР. Удельный вес всех восточных районов страны составил в 1969 по добыче угля 51,1\%, нефти 34,3\%, природного газа (включая попутный) 29,6\%, железной руды 30,6\%. Высокими темпами развивалась добыча полезных ископаемых (см. табл.).

Добыча важнейших полезных ископаемых в СССР, млн. т

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| | 1913 | 1928 | 1940 | 1945 | 1960 | 1970 |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Уголь | 29,2 | 35,5 | 165,9 | 149,3 | 509,5 | 624 |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Нефть | 10,3 | 11,6 | 31,1 | 19,4 | 147,9 | 353 |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Железная руда | 9,2 | 6,1 | 29,9 | 15,9 | 105,9 | 195 |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Природный газ (включая | | | | | | |

| попутный), млрд. м' | - | 0,3 | 3,2 | 3,3 | 45,3 | 197,9 |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

В 1969 на Г. п. СССР приходилось примерно 20\% мирового горного производства (добыча полезных ископаемых в ценностном выражении). В Г. п. СССР работало ок. 2,5 млн. рабочих и служащих (1969), что составляло примерно 8\% всего промышленно-производственного персонала, занятого в промышленности страны. Горная продукция занимает 1-е место в перевозках грузов железнодорожным транспортом СССР (перевозка каменного угля и кокса, нефтяных грузов, руд и минеральных строительных материалов железнодорожным транспортом в 1969 составила 65\% по тоннажу).

Подземная работа в Г. п. усложняет организацию производства, контроль и наблюдение за ходом технологического процесса, его механизацию и автоматизацию. Издержки производства на горнодобывающем предприятии не содержат стоимости сырья и основных материалов. Доля заработной платы в себестоимости подземной добычи составляет ок. 55\%, а при открытом способе ок. 30\%. Более половины стоимости промышленно-производственных основных фондов ряда отраслей Г. п. приходится на сооружения. Г. п. СССР характеризуется крупными бассейнами и месторождениями: Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский, Печорский угольные бассейны; Криворожский железорудный бассейн, Курская магнитная аномалия, железорудные месторождения Кустанайской области; нефтяные районы Урало-Поволжья, Западной Сибири, Туркмении, Северного Кавказа и Азербайджана. Г. п. СССР отличается высокой степенью концентрации и большими масштабами производства, позволяющими удешевлять стоимость добычи и применять совершенную технику. В угольной промышленности практически завершена механизация зарубки, отбойки и доставки угля в очистных забоях, откатки угля и породы, погрузки угля в железнодорожные вагоны. Важнейшим направлением технического прогресса на угольных шахтах является внедрение комплексов оборудования и агрегатных машин. На открытых разработках применяются крупные экскаваторы, электровозы, автосамосвалы и др. оборудование. В нефтяной промышленности широко применяются прогрессивные методы разработки месторождений (законтурное и внутриконтурное заводнение, закачка газа в пласт для поддержания пластового давления, гидравлический разрыв пласта, гидропескоструйная перфорация скважин), значительно увеличивающие добычу нефти.

Г. п. получила значительное развитие в ряде социалистических стран. В 1969 добыто в Болгарии 29 млн. т угля; в Венгрии 1,8 млн. т нефти, 22,4 млн. т бурого и 4,1 млн. т каменного угля, 500 тыс. т железной руды; в ГДР 254,6 млн. т бурого и 1,3 млн. т каменного угля; в Польше 135 млн. т каменного и 31 млн. т бурого угля; в Румынии 13,2 млн. т нефти, 24,1 млрд. м³ природного газа и 17 млн. т угля; в Чехословакии 27,2 млн. т каменного и 78,7 млн. т бурого угля; 1 млн. т железной руды; в Югославии 2,7 млн. т нефти, 700 тыс. т каменного и 25,8 млн. т бурого угля, 2,8 млн. т железной руды.

Среди капиталистических стран 1-е место по добыче угля, нефти, природного газа, медной руды, молибдена и другой продукции Г. п. занимают США. В 1969 в США добыто 455 млн. т нефти, 585 млрд. м³ природного газа, 514 млн. т угля, 87,5 млн. т железной руды; в Великобритании 19,6 млрд. м³ природного газа, 153 млн. т угля, 12,3 млн. т железной руды; во Франции 11,4 млрд. м³ природного газа, 43,5 млн. т угля, 56 млн. т железной руды; в ФРГ 11 млрд. м³ природного газа, 219 млн. т угля, 7,5 млн. т железной руды. См. также Газовая промышленность, Железорудная промышленность, Нефтяная промышленность. Угольная промышленность.

Лит.: Директивы XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971-1975 годы, М., 1971; Бреннер М. М., Экономика нефтяной и газовой промышленности СССР. М., 1968; Будницкий И. М., Горная промышленность в системе народного хозяйства СССР, М., 1965; Энергетические ресурсы СССР, т. 1 - Топливно-энергетические ресурсы, М., 1968; Рачковский С. Я., Экономика горнорудной промышленности, М., 1965; Фриденсбург Ф., Экономика горной промышленности мира..., пер. с нем., М., 1968.

И. М. Будницкий.