Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Дифференцировка каллусных тканей





После завершения дедифференцировки дальнейшее развитие каллусной клетки может идти в нескольких направлениях:

1) вторичная дифференцировка разной степени сложности;

2) в клетках может сформироваться состояние стойкой дедифференцировки («привыкание»);

3) каллусная клетка проходит свой путь развития, завершающийся ее старением и отмиранием.

Наиболее интересен первый путь (морфогенез). Морфогенез – возникновение организованных структур из неорганизованной массы клеток. Также могут образовываться отдельные ткани или органы (тогда это органогенез).

Все типы дифференцировки базируются на свойстве тотипотентности: любая растительная клетка содержит полный набор генов, характерный для того организма, из которого она была выделена.

Потенциальные возможности всех клеток растения одинаковы: каждая может дать в определенных условиях начало целому организму. На практике детерминируется одна из 400…1000 клеток.

Все каллусные клетки, готовые ко вторичной дифференцировке, то есть детерминированные, характеризуются общими чертами. Эти клетки образуют утолщенную клеточную стенку, обособляясь от остальных каллусных клеток. Для них характерно более крупное ядро, большее количество запасных веществ, меньшие размеры вакуолей.

 

Гистогенез (образование тканей)

Главную роль в преобразовании каллусных клеток в сосудистые элементы играют фитогормоны, в основном, ауксины. Например, гистогенез соблюдается при нанесении на куллус ауксина с сахарозой.

Органогенез

Работы Ф. Скуга и С. Миллера по влиянию ауксинов и открытого ими кинетина на органогенез в каллусах растений показали прямую зависимость этого процесса от соотношения фитогормонов. Преобладание концентрации ауксина над цитоксином вызывает дифференцировку клеток, приводящую к образованию корневой системы. В этом случае регенерация целого растения не происходит. При увеличении концентрации цитоксина и уменьшении ауксина начинается стеблевой органогенез и образование побега. Если его пересадить на свежую питательную среду с преобладанием ауксина, то наблюдается образование корней и регенерация целого растения.

Морфогенез можно получить только при условии подбора оптимальной питательной среды, определенных физических факторов, балансе фитогормонов, присутствии сигнальных белков и белков-акцепторов в клетках.

Установлено, что экспланты, выделенные из верхних междоузлий, могут образовывать каллус, способный к флоральному морфогенезу. Каллусы, полученные на эксплантах из нижних междоузлий, давали начало только вегетативным органам.

 

Соматический эмбриогенез

В этом процессе образуется зигота. Регенерант, образующийся из соматического зародыша, полностью сформирован, что устраняет лишние затраты по укоренению полученных при органогенезе побегов. Соматические зародыши представляют практический интерес, так как используются для получения искусственных семян.

Соматический эмбриогенез важен для фундаментальных наук, так как позволяет изучать механизмы эмбриогенеза. Установлено, что слабый постоянный электрический ток (2 мкА) может быть индуктором эмбриогенеза.

 

Изолированные протопласты, их получение,

Культивирование, применение

 

Протопласты можно выделить из клеток растительных тканей, культуры каллусов и суспензионной культуры. Оптимальные условия для изоляции протопластов из разных объектов подбираются индивидуально. Для получения жизнеспособных протопластов необходимо поместить их в осмотический раствор (с сахаром, раствором хлористого кальция, хлористого калия, однозамещенного ортофосфата натрия). В этом случае тормозятся метаболизм и регенерация клеточных стенок.

Изолированные протопласты можно культивировать. На питательной среде у протопласта образуется клеточная стенка, после чего он ведет себя как изолированная клетка и способен делиться и формировать клон клеток. Регенерация целых растений из изолированных протопластов сложна.

Помимо фундаментальных исследований метод культуры изолированных тканей широко используется в сельском хозяйстве и промышленном производстве. Примером может служить массовое клонарное микроразмножение плодоовощных и декоративных растений, а также их оздоровление от вирусных и других инфекций. С помощью культуры изолированных клеток in virto можно расширить возможности селекционной работы: получать клоны клеток, а затем и растения с запрограммированными свойствами. Благодаря способности клеток синтезировать в культуре вторичные метаболиты, возникла отрасль промышленности, осуществляющая биосинтез веществ, необходимых человеку. В настоящее время известно примерно 2•104 синтезируемых растениями веществ, которые используются человеком, и их количество постоянно растет.

 

Клональное микроразмножение и оздоровление

Растений

 

Клональным микроразмножением называют неполовое размножение растений с помощью метода культуры тканей, позволяющее получать растения, идентичные исходному. В основе метода лежит свойство тотипотентности. В настоящее время технология используется коммерчески.

В России работы по клональному микроразмножению были проведены в 60-х годах ХХ века под руководством Р.Г. Бутенко.

Преимуществами метода перед традиционными считаются следующие:

– высокий коэффициент размножения. Например, одно растение герберы за год при микроклональном размножении дает 1•106 новых растений, а при обычных условиях – от 50 до 100;

– получение генетически однородного посадочного материала;

– возможность оздоровления растений, освобождение их от вирусов благодаря клонированию меристематических тканей;

– возможность размножения растений, которые в естественных условиях репродуцируются с большим трудом;

– воспроизведение посадочного материала круглый год;

– сокращение продолжительности селекционной работы.

Обязательное условие клонального микроразмножения – использование объектов, сохраняющих генетическую стабильность на всех этапах процесса – от экспланта до растений в поле. Такому требованию соответствуют апексы и пазушные почки органов стеблевого происхождения, т.е. меристематические ткани (апекс – корень нарастания – верхушка побега и корня, обеспечивающая при росте формирование всех частей и первичных тканей).

Процесс клонального микроразмножения включает три этапа:

а) получение хорошо растущей стерильной культуры;

б) собственно размножение;

в) подготовку к высадке в поле (закаливание, повышение устойчивости к различным факторам среды и патогенным микроорганизмам).


ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

 

Экобиотехнология решает проблемы по охране окружающей среды, такие как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений.

В процессе круговорота загрязняющих веществ в экосистемах огромную роль играют микроорганизмы. Однако, многие из созданных человеком низкомолекулярных соединений (ядохимикаты, детергенты) и высокомолекулярных полимеров оказались устойчивыми и не разлагаются микроорганизмами, кроме того, они проявляют мутагенное, канцерогенное, тератогенное влияние, поэтому для их утилизации требуется разработка более совершенных технологий очистки.

Обычно для утилизации отходов применяют комплексы микроорганизмов и специальные приборные устройства.

Чужеродные вещества (ксенобиотики), попадая в организм человека и животных, претерпевают различную биотрансформацию: окисление, восстановление, гидролиз и другие превращения с участием ферментных систем.

В воде и почве биотрансформация ксенобиотиков протекает под воздействием ферментов и микроорганизмов. Изучение реакций в почвах затруднено гетерогенностью среды и адсорбцией ксенобиотиков, микроорганизмов и ферментов на частицах и коллоидах почв. Многие ксенобиотики в биосфере достаточно устойчивы, например, ДДТ не исчезает из почвы 30 лет, альдрин и хлордан – 15 лет, диэльдрин – 25 лет, гептахлор – 14 лет. Некоторые вещества при распаде образуют еще более устойчивые и токсичные соединения.

Одним из направлений экобиотехнологии является получение экологически чистой энергии. Экологически чистой считается энергия, получаемая путем преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных коллекторов, а также энергия биогаза и микробного этанола.

 

Получение биогаза

 

Биогаз – это смесь, состоящая из 65 % метана, 30 % углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительных примесей азота, кислорода, водорода и угарного газа. Энергия, заключенная в 1 м3 биогаза, эквивалентна энергии 0,6 м3 природного газа или 0,74 л нефти, или 0,66 л дизельного топлива. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения, или биометаногенез – процесс превращения биомассы в энергию.

Биометаногенез – сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается в анаэробных условиях до метана и диоксида углерода. Микробиологическому разложению поддаются практически все соединения природного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы.

Для получения биогаза можно использовать отходы животноводства, отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмалоперерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды городов.

Процесс ведут при температуре от 30 до 60 ºС и значения рН от 6 до 8. Получение биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. Чаще всего используют вторичные отходы (то есть отходы животноводства и сточные воды городов).

 
 

Рисунок 7 – Схема устройства реактора для обработки

сельскохозяйственных отходов

 

Подача навоза, остатков растениеводства (субстрата) и отбор отработанных (стоков) осуществляют в нижней части реактора. Режим его работы может быть как периодический, так и полунепрерывный. Реактор обычно имеет две (или более) секции для разделения стадий процесса. Биогаз сгорает с образованием углекислого газа и воды, а в реакторе остается естественное удобрение – сапропель. Он содержит азот, фосфор, соли калия, необходимые для роста растений. Использование сапропеля более целесообразно, чем использование навоза, поскольку навоз перегружает почву.

В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательных стадии, в которых участвуют свыше 190 различных микроорганизмов. На первой стадии ферментативному гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения: белки, липиды, полисахариды. На второй стадии идет образование ацетата, которое может протекать двумя путями:

а) ацетогенные микроорганизмы усваивают водород, углекислый газ и некоторые одноуглеродные соединения с образованием ацетата;

в) гомоацетатные микроорганизмы усваивают водород, углекислый газ и некоторые одноуглеродные соединения с образованием ацетата.

На третьей стадии образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления углекислого газа с молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии в качестве субстрата используют формиат, углекислый газ, метанол, метиламин и ароматические соединения.

В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо- и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий – от 30 до 40 ºС, для термофильных – от 50 до 60 ºС. В целом термофильный процесс метаногенеза идет интенсивнее мезофильного, причем субстрат обеззараживается от патогенной микрофлоры и гельминтов.

Микрофлора для метаногенеза формируется в основном микрофлорой желудочно-кишечного тракта животных:

Lactobacillus acidophilus,

Eubacterium aerofaciens,

Methanobacterium mobile,

Methanosarcina sp.,

Methanobrevibacterium ruminantium.

Метанобразующие бактерии от 90 до 95 % используемого углерода превращают в метан и лишь от 5 до 10 % углерода – в биомассу.

Анаэробная биоконверсия органических отходов в метан – наиболее конкурентоспособная область биоэнергетики. Она позволяет получать из местного сырья биогаз как локальный источник энергии. Экологически чистые источники энергии не влияют отрицательно на окружающую среду. Современные источники энергии – ГЭС, ТЭС, АЭС – вызывают серьезные нарушения во внешней среде. ГЭС служат причиной затопления территорий, изменения ландшафта, гибели биоценозов. ТЭС загрязняют атмосферу, вызывают отчуждение земель. АЭС создают угрозу радиационного загрязнения. Сжигание нефти и газа вызывает повышение концентрации углекислого газа, образование смога и, кроме того, уменьшение ресурсов нефти и газа.

Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. В природе в результате деятельности бактерий образуется ежегодно около 800 млн. тонн метана, примерно столько же добывается людьми.

 

Производство биоэтанола

 

С 1975 г. производство пищевого этилового спирта остается постоянным, а производство топливного этанола увеличилось в 10 раз.

Этанол может применяться как топливо самостоятельно или в смеси с бензином в количестве от 10 до 26 %, такую смесь в США называют газохол; или в смеси с дизельным топливом в количестве 3 %. Эти смеси могут быть использованы без изменений в конструкции двигателей внутреннего сгорания.

В качестве источника энергии спирт используется в Бразилии, США, странах ЕС, то есть в энергодефицитных зонах. Кроме того, спирт широко применяется в химической промышленности в качестве растворителя, экстрагента, антифриза.

Этанол преимущественно получают биотехнологическим путем сбраживания сахаров, содержащихся в растениях.

В мировом производстве первое место занимает производство спирта из сахарного тростника (Бразилия, США). При переработке сахарного тростника его тщательно давят, сок концентрируют и подвергают брожению. На втором месте находится маниок (кассава) – крахмалистое растение, способное расти на скудных почвах.

Считают, что бразильский вариант биотехнологического решения топливной проблемы – наилучший, однако получилось, что лучшие пахотные земли засевались сахарным тростником, при этом для одного автомобиля требуется примерно 13000 м2, в то время, как для одного человека 800 м2 в год. То есть один автомобиль отбирает пищу у 18 жителей. В то же время в Бразилии миллионы людей страдают от недоедания. Кроме того, стоки со спиртовых заводов загрязняют водоемы и нарушают экологическое равновесие.

Кроме сахарного тростника и маниока для производства спирта используют злаки, особенно кукурузу, топинамбур, ананас, сахарную свеклу, сорго.

При переработке крахмалосодержащего сырья необходимо его предварительное разваривание и обработка ферментами для превращения крахмала и других полисахаридов в усваиваемые микроорганизмами сахара.

Для производства спирта можно также использовать мелассу – остаток производства сахара из сахарной свеклы и сыворотку, остающуюся после производства сыров.

Производство спирта из сахарного тростника экономически неоправданно (Бразилия), из кукурузы (США) – субсидируется государством, чтобы цена на этанол была ниже, чем на нефтепродукты. В других регионах себестоимость биоэтанола еще выше, поскольку выше себестоимость сырья. Снижение себестоимости этанола может быть достигнуто заменой сырья или кардинальным изменением технологии ферментации.

Замена сырья заключается в том, что вместо зерна злаков для превращения в этанол используется биомасса целых растений, как травянистых, так и деревьев, а также твердые коммунальные отходы, то есть мусор.

Лигноцеллюлоза (древесина) состоит из трех полимеров: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Путем химического или ферментативного гидролиза эти полимеры расщепляются до мономеров с последующей ферментацией сахаров до этанола. Несмотря на неполный гидролиз (из-за сложности химического строения молекул полимеров) процесс экономически выгоден.

Кроме того, найдены виды дрожжей, способные сбраживать в спирт не только гексозу (глюкозу), но и ксилозу; использование таких дрожжей приводит к более полному использованию сахаров, а, следовательно, повышается выход спирта, и снижается его себестоимость.

Из гидролизатов древесины и сульфитных щелоков (отход в целлюлозно-бумажном производстве) в России получают технические спирты.

 

Очистка сточных вод

 

Важнейшая проблема экологической биотехнологии – очистка сточных вод. Потребность в воде в связи с ростом городов, бурным развитием промышленности, интенсификацией сельского хозяйства огромна. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет от 3300 до 3500 км3, при этом в сельском хозяйстве – 70 % всего водопотребления. Для производств химической, целлюлозно-бумажной, энергетической промышленности, черной и цветной металлургии и бытовых нужд населения требуется также значительное количество воды. Большая часть этой воды после ее использования возвращается в реки и озера в виде сточных вод.

На современном этапе выделяются следующие направления рационального расхода водных ресурсов: более полное использование и расширение воспроизводства ресурсов пресных вод; разработка новых биотехнологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

Загрязнение поверхностных и подземных вод можно подразделить на несколько типов: механическое, сопровождающееся повышением содержания механических примесей и относящееся, в основном, к поверхностным видам загрязнений; химическое, обусловленное присутствием в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия; биологическое, связанное с наличием в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей; радиоактивное; тепловое. Основные источники загрязнения и засорения водоемов – недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства при разработке рудных ископаемых (воды шахт, рудников); сбросы водного и железнодорожного транспорта; пестициды и т.д. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, качественно изменяют их состав.

Сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд, содержащие кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов, меняют физические свойства воды (появление неприятных запахов, привкусов и т.д.). Сточные воды нефтеперерабатывающих, нефтехимических заводов, предприятий органического синтеза содержат различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вследствие окислительных процессов уменьшается содержание в воде кислорода, ухудшаются ее органические показатели.

Нефть и нефтепродукты – основные загрязнители внутренних водоемов, вод и морей Мирового океана – создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, осевшие на дно водоемов тяжелые фракции. Вода приобретает токсические свойства и представляет собой угрозу для всего живого: 12 г нефти делают непригодной для употребления одну тонну воды. Вредным загрязнителем промышленных вод является фенол, содержащийся в сточных водах многих нефтехимических предприятий. На жизнь населения водоемов пагубно влияют сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности. Окисление древесной массы сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность (100 кюри на 1 л и более), подлежат захоронению в подземные бессточные бассейны и специальные резервуары.

В значительной степени загрязняют водоемы моющие синтетические средства, широко используемые в быту, промышленности и сельском хозяйстве и парализующие жизнедеятельность бактерий. Пестициды, попадая в водоемы, накапливаются в планктоне, бентосе, рыбе и по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно, как на отдельные органы, так и на организм в целом. Сточные воды, содержащие отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности, служат причиной органических загрязнений водоемов. Нагретые сточные воды тепловых электростанций вызывают тепловое загрязнение, которое резко изменяет термический режим, отрицательно влияет на флору и фауну водоемов. Возникают благоприятные условия для массового развития в водохранилищах сине-зеленых водорослей (так называемое «цветение воды»).

 

Методы очистки сточных вод

Применение того или иного метода (механического, химического, физико-химического и биологического) в каждом конкретном случае определяется характером и степенью вредности примесей.

 

Механические методы

Сущность этих методов состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляют механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, навозоуловителями, нефтеловушками и т.д. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60…75 % нерастворимых примесей, а из промышленных – до 95 %, многие из которых как ценные примеси используются в производстве.

 

 

Химические методы

В сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химическая очистка уменьшает количество нерастворимых примесей до 95 %, а растворимых – до 25 %.

 

Физико-химические методы

Эти методы используют для удаления тонкодисперсных и растворенных неорганических примесей, а также для разрушения органических и плохо окисляемых веществ. В арсенал этих методов входят электролиз, окисление, сорбция, экстракция, ионообменная хроматография, ультразвук, высокое давление и др.

 

Биологический метод

Этот методоснован на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Для очистки сточных вод используют биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки – огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила из бактерий и микроскопических животных, которые бурно развиваются в этих сооружениях, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего с потоком подаваемого воздуха. Бактерии, склеивающиеся в хлопья, выделяют в среду ферменты, разрушающие органические загрязнения. Ил с хлопьями оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, не слипшиеся в хлопья, тем самым омолаживают бактериальную массу ила. Сточные воды сначала подвергают механической, а после химической очистке для удаления болезнетворных бактерий путем хлорирования жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также ультразвук, озонирование, электролиз и другие методы.

Биологический метод дает существенные результаты при очистке коммунально-бытовых стоков, а также отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности и производства искусственного волокна.







Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.