Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

KÖRNYEZET(VÉDELM)I BIOTECHNOLÓGIA Bevezető előadás.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "KÖRNYEZET(VÉDELM)I BIOTECHNOLÓGIA Bevezető előadás."— Előadás másolata:

1 KÖRNYEZET(VÉDELM)I BIOTECHNOLÓGIA Bevezető előadás

2  Környezeti biotechnológia Célja: a környezeti problémák gyors és hatékony kimutatása, megoldása biotechnológiai módszerekkel Mivel foglalkozik: bioremediáció, hulladékkezelés, víztisztítás, környezeti monitor, nyersanyag-, termék kinyerés, bioüzemanyagok  környezet A bennünket körülvevő élő és élettelen világ  biotechnológia biológiai anyagok, folyamatok ipari szintű ki/felhasználása  környezetvédelem környezetünk megóvása, rendbetétele ‘RRR’ ( reduce, reuse, recycle )

3 A természetes környezet fő elemei: Föld, víz, levegő, élővilág A környezet fogalma azonban az ember által mesterségesen létrehozott elemeket is tartalmazza kölcsönhatás A civilizáció terjedésének következménye az egyensúly felborulása környezet károsodása Számos, látványos környezeti katasztrófa kellett ahhoz, hogy az ember komolyan foglalkozzon környezete védelmével Környezetvédelem feladata: megelőzés, megszüntetés, újrahasznosítás, fejlesztés a természet egyensúlyának visszaállítása A környezet és védelme

4

5 A baj akkor kezdődött, amikor az ember többet termelt, mint amennyire szüksége volt, és az iparosodással rohamosan romlott a helyzet Fejlődő ipar felhalmozódó hulladék veszélyes anyagok szintetikus anyagok Két fő probléma: - hogyan és hova helyezzük - hogyan távolítsuk el A Föld mikroflórájának válasza az újonnan megjelenő anyagokra: adaptáció Miért van szükség a környezetvédelemre, a környezeti biotechnológiára?

6 Szervetlen, szerves, biológiai anyagok Gáznemű, oldott, szilárd Talaj, víz, légszennyezők Gyakran „öreg” szennyezésekről beszélünk, ha régóta jelen van a környezetben pl. bezárt gyárak területén, mezőgazdasági eredetű- peszticid, herbicid maradványok, vagy megbújó, sokáig nem felfedezett esetek Lehet „friss” szennyezés ipari, mezőgazdasági, kommunális tevékenységek során folyamatosan keletkeznek üzemi, kereskedelmi/transzfer balesetek során Manapság egyre több esetben a keletkező hulladék újrahasznosítható (clean technology = tiszta technológia) Környezeti szennyezések

7 szervetlen:fémek, radioaktív anyagok, nitrát, nitrit, foszfát, cianidok, azbeszt, stb… szerves:természetes eredetű (mezőgazd., kommunális hulladék), szintetikus (peszticidek, PAH, halogén tart-ú vegy.-k), petrokémiai (olaj származékok, BTEX), … biológiai:mikroorganizmusok (patogének, vírusok…) gáznemű anyagok: gázok (kén-dioxid, szén-dioxid, metán, nitrogén-oxidok…) illékonyak (VOCs, CFCs) lebegő részecskék

8 Mikor kell foglakozni a szennyezésekkel? Minden esetben, de –Amennyiben a természetes lebontási, átalakítási folyamat megindul, akkor csak figyelünk (monitor) –Ha nincs, vagy nagyon lassú a természetes út, akkor kell aktívan beavatkozni Xenobiotikumok = természetidegen vegyületek –Lebontásuk általában nehézkes Lebontásnak ellenálló vegyületek (recalcitrant) –Lehet természetes eredetű (pl. klórmetán, fluoracetát) vagy szintetikus

9 Xenobiotikum vagy sem? –Klórmetán: lebontása nem ismert illetve nagyon lassú, pedig természetben kb 5x10 9 kg/év (talaj gombák) szintetikus úton 2x10 7 kg/év –Fluoracetát: a legtoxikusabb (1  g/kg emlős letális dózis) ismert szerves vegyület, mégis 34 növényi faj (pl. Gastrolobium, Oxylobium) termeli, és találtak a természetben olyan baktériumokat, melyek bontani képesek A lebonthatóság vizsgálatához célszerű a vegyület alapszerkezetét, funkciós csoportjait megvizsgálni, és nem feltétlen azt elemezni, hogy xenobiotikum vagy sem példák

10 Környezeti biotechnológia A környezet megóvására nagyon régóta használunk bio- technológiai módszereket Több ágra osztható: –Bioremediáció –Megelőzés –Detektálás és monitorozás –Genetikai mérnökség Utóbbi években erőteljes kutatás-fejlesztés folyik a –Bioüzemanyagok előállítása –Nyersanyag kinyerése (pl. biobányászat) terén

11 Bioremediáció Remediáció = gyógyítás –A szennyezőanyagok környezet károsító hatásának csökkentése, vagy megszüntetése, a szennyezett talaj, vizek „meggyógyítása” Bioremediáció –olyan technológiai eljárás, mely biológiai rendszereket használ a környezet megtisztítására a (toxikus) szennyezőanyagoktól. Általában mikroorganizmusokat és növényeket használunk e célra. Hatékonyságát számos környezeti tényező befolyásolja –Biodegradáció a szennyezőanyagok biológiai úton történő lebontása, mely környezetvédelmi szempontból a legmegfelelőbb megoldás, ez esetben nem marad vissza káros mellék-, vagy végtermék

12 Megelőzés (tiszta technológiák fejlesztése) Modern világunkban a korszerű, környezetbarát technológiák jelennek meg az iparban –Előnye: kisebb a környezet terhelése, kevesebb veszélyes terméket állítunk elő, kevesebb a hulladék, toxikus melléktermék, stb. A cégeknek kármentesítésre kevesebbet kell költeni –Folyamatok fejlesztése pl. enzimek használata nem biológiai katalizátorok vagy korrozív vegyszerek helyett –Termék fejlesztés: pl. bioműanyagok bioüzemanyagok

13 Figyelni kell a szennyezések megjelenését, változásait. Monitorozzuk a mikrobiális aktivitást, az ökológiai hatásokat Számos kémiai módszer létezik In situ monitorozásra a legmegfelelőbb megoldás bioindikátorok, biomarkerek, bioszenzorok alkalmazása –A bioindikátorok ép szervezetek, melyek természetesen előfordulnak az adott környezetben, és a populációjukban történő változás ad információt a környezetet ért szennyezés hatásáról –A biomarkerek egy szervezet fiziológiai, biokémiai, vagy molekuláris jellemvonásai, melyekre hat a szennyezés –A bioszenzorok módosított, vagy specifikus enzimek, akár teljes (esetleg genetikailag módosított) katabolikus utak, melyek a környezetben megjelenő szennyezések, toxikus anyagok korai (kvantitatív) kimutatásában játszanak fontos szerepet Szennyezések kimutatása, monitorozása

14 Monitorozás A szennyezések kimutatása mellett, a kármentesítő folyamatokban résztvevő mikróbákat is figyelemmel kell kísérnünk, valamint az ökológiai hatásokat is meg kell vizsgálnunk –Mikroorganizmusok detektálása, monitorozása: gyakran alkalmazunk laborban felszaporított mikroorg-kat (bioaugmentáció), melyek (különösen, ha genetikailag módosított) jelenlétének, aktivitásának nyomonkövetése fontos a hatékonyság megállapítása érdekében. Gyakran a mikróbák jelölésével segítik a detektálást –Ökológiai hatások vizsgálata: a bioremediációs eljárás alkalmazható-e az adott környezetben, a technológia lépései, és a keletkező intermedierek nem veszélyesek-e az ökoszisztémára, az alkalmazandó mikróba nem termel-e a növények, a környezet számára toxikus anyagokat

15 Genetikai mérnökség A különböző szervezetek genomjának feltérképezése kapcsán olyan lehetőségek birtokába jutottunk, melyet felhasználva pl. környezeti hatásoknak ellenálló növényeket, aktívabb mikroorganizmusokat stb. tudunk létrehozni. Ennek előnye, hogy kevesebb vegyszert kell használnunk, rövidebb idő alatt megy végbe a bioremediáció…

16 Szennyezések eltávolítására megoldások Fizikai- Kémiai-módszerek Biológiai- Kombinált megoldások Miller Environmental Technologies Working For a Green Future

17 Bioinformatika szerepe a környezeti biotechnológiában az ismert reakciók csoportosítása, hipotetikus lebontási útvonalak felállítása a funkciós csoportok alapján, egy/több mikróba kiválasztása A kísérletes munkát segíti, rövidítheti A Minnesota Egyetemen létrehozott rendkívül hasznos internetes oldal: (Welcome to MetaRouter)

18

19 Dibenzothiophene Degradation Pathway [Compounds and Reactions] [BBD Main Menu]Compounds and ReactionsBBD Main Menu This pathway was started by Gulin Oz and completed by Dong Jun Oh, University of Minnesota. Dibenzothiophene (DBT) is representative of a group of sulfur-containing heterocyclic organic compounds. No organism has been shown to degrade DBT completely. Mormile and Atlas (1988) examined the degradation of 3-hydroxy-2-formylbenzothiophene and reported release of CO 2 from the ring structure of DBT under aerobic conditions. This study suggests that a succession of microbial organisms is neccesary to degrade 3-hydroxy-2- formylbenzothiophene further.Mormile and Atlas (1988) The exact names of the enzymes in the pathway are not cited in the literature, only the DOX operon which encodes them in its 9 open reading frames (ABDEFGHIJ). The pathway is very similar to the one of naphthalene and the corresponding names have been used for the enzymes. DOXnaphthalene This pathway can be contrasted to the Dibenzothiophene Desulfurization Pathway, which retains the full fuel value of the compound while eliminating the sulfur.Dibenzothiophene Desulfurization The following is a text-format dibenzothiophene degradation pathway map. An organism which can initiate the pathway is given, but other organisms may also carry out later steps. Follow the links for more information on compounds or reactions. This map is also available in graphic (13k) format.graphic (13k)

20

21 Metarouter represents data derived, with permission, from the University of Minnesota Biocatalysis/Biodegradation Database (UM-BBD, obtained on May, 2002.http://umbbd.ahc.umn.edu/

22

23 Biotechnológia (+ mikrobiológia, biokémia) alapok

24 Biológia Kémia Mérnöki tudományok Biokémia Bio- technológia Bio- mérnökség Kémiai mérnökség

25 A biotechnológia fogalma “biotechnologie - (EREKY Károly, 1917) all lines of work by which products are produced from raw materials with the aid of living things” - egy olyan munkafolyamat, melynek során keletkező terméket élő szervezetek segítségével állítjuk elő 1961 után (Carl Göran Hedén nevéhez fűződve) úgy fogalmazták meg: „the industrial production of goods and services by processes using biological organisms, systems, and processes.” – biológiai szervezetek, rendszerek, folyamatok használatával történő ipari termelés Ma: EFB (= Európai Biotechnológiai Egyesület) definiciója szerint: a biokémia, mikrobiológia és mérnöki tudományok integrált alkalmazása azért, hogy a mikroorganizmusok, állati-, növényi sejttenyészetek, vagy részeik képességét használni tudjuk az iparban, mezőgazdaságban, egészségügyben, és a környezetvédelemben OECD (= Szervezet a Gazdasági Együttműködésért és Fejlesztésért) definiciója: tudományos és mérnöki alapelvek alkalmazása az anyagok biológiai ágensekkel történő „megmunkálására” termék nyerése céljából

26 A biotechnológia 3 ága (és színe) Piros biotechnológia = humán egészségügyi biotechnológia –Gyógyszerek, terápiás szerek biotechnológiai megoldásokkal történő előállítása pl. inzulin, interferon, védőoltások Fehér biotechnológia = ipari biotechnológia –Termékek előállítása biotechnológiai módszerekkel pl. bioműanyagok, bioetanol, szerves savak, mosóporokba enzimek Zöld biotechnológia = növényi biotechnológia –A környezeti faktorokkal szemben ellenállóbb növények létrehozása biotechnológiai módszerek segítségével Bioműanyag lökhárító

27 A biotechnológia biológiai rendszereket használó technológia Bármely biológiai rendszer alapegysége a sejt Vad típusú vagy genetikailag módosított sejteket illetve a sejtalkotók valamelyikét alkalmazzuk céljainktól függően

28 Mikroorganizmusok és kimutatásuk algák, baktériumok, gombák, protozoák Fajok csoportosítása, sejtfelépítés, metabolikus folyamatok, enzimekmikrobiológia, biokémia Egyesek szabadon élnek, mások biofilmet képeznek, vagy kevert közösség tagjai. Előfordulnak a természetes környezetünkben a felszíni, felszín alatti vizekben, talajban, növényeken és a rizoszférában, sőt bennünk, emberekben is, pl. a béltraktus nélkülözhetetlen segítői. A környezetvédelem szempontjából nagyon fontos, hogy a mikroorganizmusok jelenlétét, a konzorciumok összetételét, változását nyomon tudjuk követni.

29 LPS (lipopoliszaharid) Prokarióta sejtköpeny A sejteket védő takaró a mikroorganizmusok szempontjából rendkívül fontos, különösen biotech- nológiai folyamatokban, bioremediációs eljárásokban

30 Gram festődés Bacillus cereus Eschericia coli Gram pozitív baktériumGram negatív baktérium

31 Inclusion bodies a sejtek anyagtárolására szolgáló képződmények, főleg tartalék tápanyag raktározására szolgálnak, –PHA = polihidroxi alkánsavak pl. polihidroxi-butirát (akkumulálódhat aerob, anaerob, heterotróf, autotróf baktériumok- ban is) –Egyéb: protein, glikogén granu- lumok, polifoszfát granulumok, … Ipari-, bioremediációs jelentőség Bacillus megaterium PHA inclusion-body kapcsolt fehérjéje = PhaP (zöld gyűrűk). A fehér granulumok az ‘inclusion body’-k (zárványtestek) a sejtekben

32 metabolizmus Alapvető fontosságú a sejtek metabolizmusának ismerete, ha sikeresen akarjuk használni biotechnológiai célokra Mi a metabolizmus: reakciók sorozata, mely során a sejtek energiát nyernek, és alapanyagokból felépítik sejtépítő elemeiket Az energia metabolizmus anabolikus és katabolikus reakciókkal kapcsolt Energianyerés szempontjából két osztály: fototrófok- energiájukat közvetlenül a napsugárzásból nyerik, kemotrófok redox reakciók segítségével nyernek energiát, melynek forrásai szerves anyagok A sejtekben a kémiai reakciók nem spontán következnek be, hanem enzimek (katalizátorok) segítségével

33 membrántranszport Egy-két kivételtől eltekintve (oxigén,széndioxid, víz, ammónium) a molekulák specifikus transzport segítségével jutnak be a sejtekbe, ebben a membrán proteinek fontos szerepet játszanak A makromolekulák transzportja történhet exo-, endocitózissal

34 Sejtek számának meghatározása A biotechnológiai eljárásokban fontos, hogy ismerjük az aktív/élő sejtek számát, melyek résztvesznek a biotechnológiai folyamatokban Sejtek számát meghatározhatjuk közvetlen mikroszkópikus számolással (össz- sejtszám, élő és holt együtt) vagy lemezelés módszerrel, mely során csak az élő, telepet képző sejteket detektáljuk, illetve az un. MPN (most probably number), mely a legvalószínűbb élő sejtszámot adja. De meghatározhatjuk a sejtek száraz súlyát, turbiditását (ált. 600 nm), esetleg összfehérje, specifikus enzimaktivitás meghatározással. Buerker számláló

35 CFU = colony forming unit Telepképző sejtszám

36 A Coulter számláló (Coulter Counter) A részecskék mennyisége, mérete meghatározható a kapillárison áthaladó sejtek kapcsán keletkező elektromos jelek alapján Rokona az áramlási citométer, mely festett sejteket érzékel (pl. fluoreszcens festés)

37 Ipari biotechnológia kulcslépései 3.Downstream processing: a kívánt termék tisztítása, kiszerelése Nyersanyag előkészítés Fermentáció, biotranszformáció Termék termék kinyerés, kiszerelés 1.Upstream processing: a nyersanyag előkészítése a fermentációra, vagy transzformációra 2.Fermentáció,transzformá- ció: bioreaktorokban sejtszaporítás, antibiotikum, fehérje, stb. előállítás

38 Az ipari biotechnológiai eljárásokban leggyakrabban használt mikroorganizmus csoportok Pseudomonas Sphingomonas Bacillus Rhodococcus Clostridium Streptomyces Methanotrófok Methanogének Tejsav baktériumok élesztők

39 Pseudomonas fajok jellemzése, jelentősége Proteobacteria – törzs –Gammaproteobacteria - osztály  Pseudomonadales – rend  Pseudomonadaceae – család Pseudomonas – nemzettség - A talajmikroorganizmusok legdominánsabb csoportja, többségük képes több xenobiotikus anyagot bontani (> 100 kül. szerves vegyület) -Gram negatív, aerob pálcák, főleg a mezofil körülményeket kedvelik - ált. a molekuláris oxigént használják, de néhány faj képes végső e - akceptorként a nitrát oxigénjét használni - Kemoorganotrófok (energianyerés szerves anyagokból) - Flagellum, főleg poláris - Pigment, két csoport: fluorescens ill. nem fluorescens - Felületaktív anyagok (rhamnolipidek) -fitohormonok – siderophore pl. pyoverdine (vas felvételben fontos szerep) - oxigenázok ill. hidrolitikus enzimek, pl.proteázok, lipázok

40 Biotechnológiai jelentőségük Plazmidok – számos fenotipikus tulajdonságért felelősek pl. rezisztencia, degradatív enzimeket kódoló gének PHA akkumuláció (tartalék tápanyagként) a nem fluorescens pseudomonasokban - biopolimerek előállításában fontos szerep (biodegradálható műanyagok) Bioremediáció, biodegradáció – xenobiotikumok bontása: aromás-, halogén tart. vegyületek, műanyagok, oldószerek… szerepük jelentős, részben, mert szaporításuk ált. egyszerű, nem finnyásak lebontásban oxigenázoknak kulcsszerep, ill. zsír- (lipázok, észterázok), cukorbontó (  -amiláz) enzimek Felületaktív anyagaikkal a hidrofób jellegű vegyületek hozzáférését segítik elő (szénhidrogének, halogén tartalmú vegyületek) Sejtfal felépítésben több faj esetén alginátot találunk – védő funkció

41 Növény-talaj-mikroorganizmus kapcsolat (rhizoszféra) Növények számára előnyös a pseudomonasok jelenléte, ezért, mint biokontroll ágens használják is a mezőgazdaságban (főleg a P. fluorescens-t), általuk kiválthatók lehetnek bizonyos gyom-, rovarírtó szerek –Egyes fajok képesek többféle másodlagos metabolitot termelni, pl. HCN, 2,4-diacetil-floroglucinol, indol-3-ecetsav, stb, melyek a növényeket támadó patogének ellen hatásosak –Siderophore-ok termelése, a vas-felvételben fontos szerep → pioverdinek – vízoldékony fluorescens, sárgászöld pigmentek, kiváló vas-komplexálók → ferrioxamin – hidroxamát típusú, a P. stutzeri termeli Mezőgazdasági jelentőségük

42 Jellemző képviselők P. fluorescens, P. putida, P. stutzeri, P. cepacia P. aeruginosa, P. mallei – ember-, állatpatogén P. syringae – növénypatogén P. putida és P. aeruginosa teljes genom szekvenciája ismert, ezeknek a fajoknak a bioremediációban vezető szerep jutott

43 Világító karaj Ausztráliában november :31 Sötétben világít a sertéssültem! - újságolta ijedten egy ausztrál férfi egy sydneyi rádióban, és mivel közlése meglehetősen széles körű riadalmat váltott ki, az élelmiszerbiztonsági hatóságok szükségesnek találták, hogy nyugtatólag hozzászóljanak a furcsa felfedezéshez. A szakemberek elmondták: a jelenséget a Pseudomonas fluorescens nevű világító baktériumok okozhatják, amelyek gyakran megtalálhatók a húsban és a halban. Fogyasztásuk - mármint megevésük - ártalmatlan. "Természetes meghökkentő, ha egy étel világít" - ismerte el szerdán George Davey, az egészségügyi szolgálat vezetője. Hozzátette azonban: "A fényt kibocsátó mikroorganizmusok nem okoznak ételmérgezést." Mint a továbbiakban elmondta, a közegészségügyi hatóságokhoz havonta átlagosan két telefonhívás érkezik riadt fogyasztóktól, akik azt jelentik, hogy a hűtőszekrényükben tartott hús világít. Davey teljesen megalapozatlannak nevezte azokat a feltevéseket, amelyek szerint ezt radioaktív sugárzás okozza. Arra azonban nyomatékosan felhívta a figyelmet, hogy amint a hús romlani kezd, az említett baktériumok rohamosan szaporodni kezdenek, és ilyen esetben a fénylő húst feltétlenül ki kell dobni.

44 A baktériumok szaporodás közben a cukrokat felhasználják, és így a kéregszövet, beleértve a kambiumot is, cukortartalma lecsökken. A kéregszövet alacsony cukortartalma fagyérzékennyé teszi a kajszifát. A baktériumfertőzött kajsziágak kérgében a cukorszint a nem fertőzött ágakhoz viszonyítva %-kal csökkent, ami elegendő volt a fertőzött szövetek fagykárosodásához. Mindezek ismeretében most már érthetőbbé válik a kajszi-gutaütés teljes kórfolyamata: A Pseudomonas syringae baktérium képes a csonthéjas gyümölcsfák kéregszövetében télen felszaporodni. Szaporodás közben a cukrokat hasznosítja, így a lecsökkent cukorszint miatt a jégkristályok keletkezése már gyengébb téli fagyok hatására is megindul, és ezáltal a fertőzött szövetek megfagynak. A betegség kórképe azonban csak tavasszal vagy nyáron realizálódik, amikor a törzsben és a vastagabb ágakban a víz- és tápanyagszállító szövetek a téli károsítás miatt már nem tudják feladatukat betölteni. Kajszibarack gutaütés betegségének hátterében egy Pseudomonas faj áll

45 Mesterséges hó nulla fok fölött Cikk dátuma: | Szerző: Stani Hol vannak már azok az ötvenes évek, amikor is az Egyesült Államokban feltalálták - egyébként teljesen véletlenül - a hóágyúzást, és néhány év múlva elkészültek az első hóágyúk. Az elmúlt fél évszázad alatt óriási fejlődésen ment keresztül a brancs; így napjainkban már az sem lehetetlen, hogy valamelyik pálmafás tengerparton készítsünk havat! P. syringae hasznos is lehet!

46 Plazmidok - Kettős szálú cirkuláris DNS molekulák, nem eszenciálisak - Önálló replikáció, de a gazdaszervet fehérjéire, enzimeire szüksége van kb (legkisebb 874 bp - hipertermofil mikroorganizmusból), léteznek megaplazmidok (500- kb) - Lineáris plazmidok is léteznek, pl. Streptomycesekben - Alacsony v. magas kopiaszám - Biodegradációs utak enzimeit kódoló gének kromoszómánplazmidon - Ismertebb „katabolikus plazmidok” pseudomonasokban: TOL (pWWO), NAH, SAL, CAM, …

47 A Sphingomonasok Proteobacteria – törzs –Alphaproteobacteria - osztály  Sphingomonadales – rend  Sphingomonadaceae – család Sphingomonas – nemzettség Gram negatív, aerob pálcák, szinte mindenhol megtalálhatók Kemoorganotrófok, rendkívüli metabolikus képesség Flagellum, egy poláris Pigment – nem fluorescens, karotinoid pigment = nostoxantin, jellegzetes sárga színt ad a sejteknek (egy-két faj kivétel) Egyedi membrán struktúra – glikoszfingolipideket tart., de a G-negatív fajokra jellemző lipopoliszaharidokat (LPS) nem. A sejtfelszín így savas karakterű, mely tul. az eukariótákra jell. Ez a tulajdonságuk fajmeghatározó bélyeg is – poláris lipid profil – az egyes fajokra nagyon jellemző, ami az azonosításban nagy segítség – zsírsav profil szintén jellegzetes exopoliszacharid (sejtfelszínen) : gellán – ipari jelentőség

48 Biodegradáció: – xenobiotikumok bontása pl. aromás-, szulfonált-, halogén tart. vegyületek, furánok, dibenzodioxin –Legtöbbször oxigenolitikus reakciókoxigenázok Ipari biotechnológia: –Gellán, exopoliszaharid, melyet elsősorban az élelmiszeripar hasznosít (sűrítő, emulgeáló szerként). Viszkózus, és rendkívül stabil (pH=2-10 tart.). A Sphingomonas elodea termeli, vízben oldható, az agar-agar helyett mikrobiológiai munkákhoz is alkalmazzák –alginát liáz (alginát polimer bontása) citoplazmatikus, endolitikus enzim. Az élelmiszer-, textiliparban használt alginát kémiai szerkezetének megismeréséhez, fizikai tulajdonságainak felderítéséhez használják, valamint egészségügyben az alginátot tartalmazó patogének ellen, azok vizsgálatához Jellemző képviselők: S. paucimobilis, S. capsulata, S. elodea, S. subarctica, S. diminuta, S. adhesiva Biotechnológiai jelentőségük

49 Van szája a Sphingomonasoknak?

50 Bacillus-ok Firmicutes – törzs –Bacilli - osztály Bacillales - rend  Bacillaceae – család Bacillus – nemzettség Gram- pozitív, aerob (fakultatív anaerob) pálcák néhány faj képes a NO 3 - -ot, mint végső e - akceptort haszn. Kemoorganotrófok, mezo-, termofilek, alkalofilek (pH > 8,0) Elterjedtek a környezetben hőstabil endospóra Extracelluláris enzimek: proteázok, lipázok, amilázok Toxinokat termelnek – baktériumok ellen – polymyxin B (B. polymyxa) pseudomonasok ellen – gombák ellen – gramicidin S (Brevibacillus brevis) – növények ellen – peptid tipusú toxin (B. cereus) – rovarok ellen –  -endotoxin, szúnyoglárvák fejlődését gátolja (B. thuringiensis) – ember, állat ellen – antrax (B. anthracis) B. licheniformis

51 Sporuláció endospóra Un. kitartóképlet (túlélési stratégia) Külső tényezők Spóra fala spec. dipikolinát tart. Az endospóra a baktérium sejtben lehet: -terminális -szubterminális -centrális helyzetű B. subtilis endospóra képzése

52 Ipar –Mosószer ipar: subtilisin (alkalikus proteáz, B. subtilis termeli), nagyon stabil magas hőmérsékeleten, lúgos körülmények között –Hús-, és baromfifeldolgozó iparban keratináz (B. licheniformis) – a keletkező keratin tartalmú szőr ill. toll hulladék feldolgozása/elbontása –Élelmiszeriparban, szesziparban  -amiláz ( több faj is termeli, pl. B. subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens) – keményítő bontása –gyógyszeripar, környezetvédelem – glükanotranszferáz (B. macerans) a keményítőből ciklodextrint képes előállítani, mely stabilizáló, csomagoló anyagként haszn. –Bacillus clausii különböző vitaminok, különösen a B-vitamin csoport termelésére képes. A készítmény alkalmazásával antitoxikus hatás érhető el. Mezőgazdaság –Elsősorban a B. megaterium-ot haszn., szervesanyagok lebontására, átalakítására: a növények számára felvehető formára hozzák azokat mono-, oligomerekre hasítják Bioremediáció –felületaktív anyagokhidrofób jellegű vegyületek bontása Ipari, mezőgazdasági, biotechnológiai jelentőségük

53 B. subtilis Alkalikus proteázok a mosószeriparban

54 B. licheniformis Toll biodegradáció

55 szunyogírtás Te jó ég, megjöttek a  -endotoxinos bacik Szegény csemetéink!!! B. thuringiensis

56 Ismertebb képviselői: B. megaterium, B. licheniformis, B. subtilis, B. clausii, B. stearothermophilus Rovarpatogén: B.thuringiensis Növénypatogén: B. cereus Ember, állatpatogén: B. anthracis Érdekességként megemlítjük, hogy bizonyos anyagok több funkcióval bírnak, pl. subtilisin, enzim és felületaktív anyagként is viselkedik. Több felületaktív anyag toxikus vegyületként hat más szervezetekre

57 Streptomyces-ek Actinobacteria – törzs –Actinobacteria - osztály Actinomycetales - rend  Streptomycetaceae – család Streptomyces – nemzettség Gram-pozitív, aerob, kemoorganotróf baktériumok Gombaszerű hifákat képeznek, spóráznak (de ez nem endospóra!!!!) Extracelluláris enzimek, főleg proteolitikus és szénhidrát bontó enzimek Antibiotikus-, gomba ellenes-, bioaktív anyagok - eddig mintegy féle antibiotikus tulajdonsággal bíró vegyületet írtak le, melyeket e fajok termelnek, pl. streptomycin, erythromycin, neomycin, puromycin, oxytetracycline, chloramphenicol… - antifungális anyagok, pl. nistatin, amphotericin - rákellenes anyagok, pl. migrastatin Bioremediáció: fehérje, szénhidrát, szénhidrogén bontás Képviselők: S. fradiae, S. griseus, S.albidoflavus, S. pactum, S. coelicolor, S. erythreus

58 Gram-pozitívak, aerobok, nem mozognak, elterjedtek a körny-ben Morfológiailag pálcák és coccus szerű formák, micéliumos szaporodás Sejtfal egyedi, mikolátot tartalmaz hidrofób jelleg Felületaktív anyagok: celluláris, extracelluláris Flokkulánsok: polipeptid és lipid rész Nagy lineáris plazmidok Bioremediációban: olajos szennyeződések komponenseinek bontása, főleg alifás szénhidrogéneket, deszulfurizáció Bioszenzorként is használják Képviselők: R. rhodochrous, R. erythropolis, R. globerulus, R. roseus, R. ruber Rhodococcus fajok Actinobacteria – törzs –Actinobacteria - osztály Actinomycetales - rend  Nocardiaceae – család Rhodococcus – nemzettség

59 Biotechnológiai jelentőség Bioremediáció –Alifás, aromás szénhidrogének bontása Felületaktív anyagok részvételével Oxigenáz enzimeik segítségével –Deszulfurizáció Szerves kötésben lévő kén eltávolítása a szerves vegyületekből (üzemanyagokban tiofének) Ipari jelentőség –Nitriláz enzim, fontos transzformációkat katalizál, pl akrilsavból akrilamid, segítségével amidok, antimikobakteriális ágensek, vitaminok előállíthatók Környezeti monitor –Bioszenzorként főleg szénhidrogén szennyezések detektálására Egyik törzs heroin észteráz enzimet képes termelni, ezzel a heroin detektálható Egy másik törzs fenilalanin dehidrogenáza segítségével a fenilketonuria (recesszíven öröklödő genetikai anyagcserezavar) betegség detektálható

60 Rhodococcusok hidrofób jellege Jelentősége: a sejtek hidrofób jellegét a sejtfalban található alifás mikolinsav láncok okozzák, melyek lehetővé teszik a hidrofób szennyeződésekhez való jobb hozzáférést Több típusú felületaktív anyagot is termelnek: –Celluláris – mikolinsavak (két fázis határán felületnövelés) –Extracelluláris – diszpergálják a hidrofób komponenseket Bioflokkuláns anyagokat is termelnek –A szuszpendált szilárd anyagok flokkulációja, polipeptid és lipid (főleg mikolát tartalmú glikolipidek) részből állnak –Habképzők, ez a bioreaktorokban gondot okozhat, a levegő diffúzióját gátolja

61 Metilotróf baktériumok Nagyon heterogén társaság „C 1 baktériumok” –nak is nevezzük őket, mert 1 vagy 2 szenet tartalmazó (legtöbbször metánt, vagy metanolt) vegyületeket hasznosítanak fő szén- és energiaforrásként Mikroaerofilok, olyan helyeken terjedtek el, ahol egyszerre találnak metánt és oxigént Képviselők: metanotrófok, metilotróf baktériumok (főleg G-),  Metilotróf élesztők pl. Pichia, Candida fajok – alkohol oxidáz enzim (alkoholból hidrogén-peroxidot képez)  Fakultatív metilotrófok, pl. Methylobacterium sp., metanol hasznosítók  Metanotrófok (metán oxidáció) pl.Methylosinus, Methylomonas  Monooxigenázok: sMMO, pMMO  Metanol dehidrogenáz metanolból formaldehid képzést katalizálja

62 Ipari biotechnológiai jelentőség Metanolgyártás CH 4 + O 2 CH 3 OH + H 2 O HCHO HCOOH CO 2 Bioremediáció: Metán hasznosítók, klórozott szénhidrogének (pl. TCE) bontása Egy sejt fehérje termelés (C 1 szubsztrát olcsó, így olcsó biomassza állítható elő) NADH+H + NAD + Metán monooxigenáz Metanol dehidrogenáz

63 Metanogének Euryarchaeota – törzs –Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales - rendek Felfedezésük: lángoló mocsár történet Archaea, obligát anaerobok, nikkel igény Sokféle megjelenés – pálca, kokkusz Előfordulnak metanogén környezetben pl. anaerob emésztők, üledékekben, szennyvíziszapban, talajban, de élő szervezetekben is (emésztő rdsz.) Közös ismertető, hogy a CO 2 -ot (esetleg metil csoport tartalmú vegy.-t) redukálják, ahol az e - donor H 2, formiát lehet, szénforrásként az acetátot kedvelik Pseudomurein tart. sejtfal (antibiotikum rezisztencia), sejt membrán is egyedi (nincs tipikus zsírsav észter) Szulfát, nitrát limitált környezetben Hidrogén termelő törzsekkel szintrófiában élnek Biogáz előállítás 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O CH 3 COOHCH 4 + CO 2 4 CH 3 OH3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O Volta (1776)

64 Clostridiumok Phylum: Firmicutes –Class: Clostridia Order: Clostridiales  Family: Clostridiaceae »Genus: Clostridium Nagyon heterogén nemzettség (több, mint 120 faj), mindenhol előford. Pálca formájúak, mozgékonyak –peritrich flagellumokkal Gram pozitív sejtfal struktúrával rendelkeznek Szigorúan anaerobok, tehát metabolizmusuk szigorúan fermentatív, és oxigénérzékenyek Hő rezisztens endospórával rendelkeznek Molekuláris biológiai vizsgálatok szerint nagyon heterogén társaság Néhány faj patogén – fehérje természetű exotoxin az idegi transzmitterek- kel interferál (C. botulinum, C. perfringens, C. histolyticum, C. tetani) Biotechnológiai jelentőségük nagy: fermentatív metabolizmus, oldószer termelés (ABE fermentáció), ammónia asszimiláció, poliszaharidok bontása (cellulóz) C. acetobutylicum, C. thermocellum, C. butyricum, C. sporogenes, C. kluyveri…

65 Tejsavbaktériumok Gram pozitív, nem spóra formáló, anaerob baktériumok, plazmidjaik vannak Tejsav – fő fermentációs termék, a fermentáció spontán lezajlik, ha a rendelkezésre álló állati és növényi szervesanyag tartalmaz elegendő mono-, és diszaharidokat Létfontosságú alkotói az emberi mikroflórának, de bárhol megtaláljuk őket bakteriocinek (nisin) termelése rokon és más baktériumok ellen, szelekciós előny Néhány faj patogén (haemolitikus streptococcusok; enterococcusok) Ipari jelentőség – tejipar, gyógyászat, már K. előtt 3-4 ezer évvel ismerték és haszn. a kovászt, ill. sajt előállító sumérok Pl. Lactococcus lactis, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus delbrueckii, Streptococcus thermophilus, Streptococcus pyogenes (streptokinase) Enterococcus faecalis, Bifidobacterium bifidum, Leuconostoc mesenteroides, Pediococcus sp. Phylum: Firmicutes –Class: Bacilli Order: Lactobacillales  Family: Lactobacillaceae Enterococcaceae Leuconostocaceae Streptococcaceae Lactobacillus acidophilusLactobacillus brevis

66 Ipari, biotechnológiai jelentőségük I Joghurt-gyártás: a Lactobacillus bulgaricus proteolitikus aktivitásának eredménye, peptidek, melyekből egy Streptococcus hangyasavat képez, ez stimulálja a Lactobacillust. A joghurtban a fő aromakomponens az acetaldehid, melynek termelődéséért a L. bulgaricus specifikus aldoláz enzime felelős, treoninból keletkezik. A folyamat 40-45°C-on zajlik Kefir-gyártás: a kefir ‘gomba’ élesztőt (Candida), Lactobacillus- okat, mezofil Lactococcus-okat és időnként ecetsav baktériumokat is tartalmaz. A Lactobacillus kefiranofaciens glikokalixot termel, ez tartja egybe a kefir’gombát’. Sajt-gyártás: klasszikus, kemény sajtokban: a sajtalapot fokra melegítik, melyet a termofil Lactobacillusok túlélnek, és a lehülés során fermentálják a sajtalapot. A sajt íze, minősége attól függ, milyen Lactobacillus van jelen.

67 káposzta savanyítás: szeletelt káposzta + NaCl, a fermentáció Lactobacillusokkal kezdődik Kovász készítés: az élesztő mellett homo-, és heterofermentatív Lactobacillusok is részt vesznek Takarmány silózás: aprított gabona, kukorica – először aerob mikroorganizmusok elhasználják a zárt térből az oxigént, majd anaerob környezetben tejsav baktériumok, tejsavat állítanak elő, egészen alacsony pH környezet kialakulhat, akár 2% tejsav konc. is lehet, melyet ezek a mikróbák túlélnek Ipari, biotechnológiai jelentőségük II

68 Élesztők Fungi (Gombák) –Ascomycota (tömlős gombák) (Saccharomycetales –Saccharomycetaceae »Saccharomyces cerevisiae) Eukarióták, gombák Szaprofita vagy parazita, (csak egy-két patogén), megtaláljuk őket bárhol, ahol szerves szénforrás biztosított Egyes fajok képesek un. killer toxinok termelésére más fajok ellen Savanyú környezetet kedvelik Metabolizmusuk: cukor fermentáció, alkohol és CO 2 keletkezik Több ezer éve ismerik, használják – kenyér, bor, sör előállítás Hasznosítás: élelmiszeripar, gyógyászatban is

69 Mikroorganizmusok szaporítása Labor méretipari méretek lombik m 3 fermentor Tápanyagok, oxigén ellátás, pH Folyadék kultúra szilárd fázisú fermentáció (SSF) Tápanyagok vízben oldottakszilárd mátrix: szerves: szervetlen: biopolimerekperlit, homok

70 A mikroorganizmusok kijuttatása a szennyezett területre Folyadék kultúra Szárított forma Immobilizált (hordozóhoz kötött) forma Vagy eleve ott vannak, csak a szaporodásukat segítjük elő


Letölteni ppt "KÖRNYEZET(VÉDELM)I BIOTECHNOLÓGIA Bevezető előadás."

Hasonló előadás


Google Hirdetések