Экологическая биотехнологии в биодеградации ксенобиотиков

БИЛЕТ № 21

Мутабильные гены. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости.

Генные мутации встречаются у всех организмов, гены мутируют в различных направлениях, а также с различной частотой. Гены, которые редко мутируют называются – стабильные, а гены, которые часто мутируют называются – мутабельные.

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И.Вави­лова.

Мутирование происходит в самых различных направлениях, т.е. случайно. Однако эти случайности подчиняются закономерности, обна­руженной в 1920г. Вавиловым. Он сформулировал закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости.

"Виды и роды генетичес­ки близкие характеризуются сходными рядами наследственной измен­чивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одно­го вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов".

Этот закон позволяет предсказать наличие определённого признака у особей различных родов одного семейства. Так было предска­зано наличие в природе безалкалоидного люпина, т.к. в семействе бобовых есть роды бобов, гороха, фасоли, не содержащие алкалоиды.

В медицине закон Вавилова позволяет использовать животных, генетически близких человеку, в качестве генетических моделей. На них ставят эксперименты по изуче­нию генетических болезней. Например, катаракта изучается на мышах и собаках; гемофилия – на собаках, врождённая глухота – на мышах, морских свинках, собаках.

Закон Вавилова позволяет предвидеть появление индуцирован­ных мутаций, неизвестных науке, которые могут использоваться в се­лекции для создания ценных для человека форм растений.

Связи человека с социальной средой

Социальная среда - это прежде всего люди, объединённые в различные группы, с которыми каждый индивид находится в специфических отношениях, в сложной и разнообразной системе общения. Социальная среда, окружающая личность, обладает активностью, воздействует на человека, оказывает давление, регулирует, подчиняет социальному контролю, увлекает, «заражает соответствующими «моделями» поведения, побуждает, а нередко и принуждает к определённой направленности социального поведения.

Комплекс научных знаний, богатый жизненный опыт, мотивы своих поступков личность черпает из непосредственного источника, которым выступает социальная среда. На первый план выдвигаются те объективно существующие в обществе возможности, которые позволяют проявить себя индивидууму как личности. Содержание этого воздействия заключается в том, что реализация прав, свобод и обязанностей личности должна происходить на основе сочетания интересов всего общества в целом и каждой личности в отдельности. Это возможно только в том обществе, где свободное развитие каждого является условием свободного развития всех. Кроме государственно-общественной среды, социальной в широком смысле слова, следует выделить и микросреду, куда входят отношения, возникающие в малой социальной группе, в трудовом коллективе, членом которого является личность, совокупность межличностных отношений.

Нельзя считать, что под воздействием социальной среды в широком смысле слова происходит унификация представителей, что все они становятся совершенно одинаковыми. Каждая личность имеет свои специфические черты, отличающие её.

Экологическая биотехнологии в биодеградации ксенобиотиков.

Биодеградация[от гр. bios — жизнь и фр. degradation — ухудшение, вырождение] — изменение структуры, качества материалов или объектов под влиянием биологических агентов; обычно под Б. подразумевают потерю основных (полезных) свойств. Последняя стадия Биодеградации — образование углекислоты, аммиака, нитратов, т.е. минерализация органического вещества.

Биодеградация и разрушение биоорганических загрязнителей - бактерий, очевидно, может осуществляться с помощью растений, выделяющих фитонциды, т.е. вещества, убивающие микробов и широко использующиеся в лечебной практике.

Активизация биодеградации в нефтезагрязненных почвах и грунтовых водах достигается за счет внесения минеральных удобрений. Однако необходимо отметить, что реакция микроорганизмов сильно варьирует в зависимости как от конкретного загрязнителя, так и от свойств добавки.

Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде

Биодеградация органических соединений, загрязняющих окружающую среду, оправдана только в том случае, если в результате происходит их полная минерализация, разрушение и детоксикация; если же биохимическая модификация этих соединений приводит к повышению их токсичности или увеличивает время нахождения в среде, она становится не только нецелесообразной, но даже вредной. Детоксикация загрязняющих среду веществ может быть достигнута путем всего одной модификации структуры. Судьба ксенобиотика зависит от ряда сложным образом взаимосвязанных факторов как внутреннего характера (устойчивость ксенобиотика к различным воздействиям, растворимость его в воде, размер и заряд молекулы, летучесть), так и внешнего (рН, фотоокисление, выветривание). Все эти факторы будут определять скорость и глубину его превращения. Скорость биодеградации ксенобиотика данным сообществом микроорганизмов зависит от его способности проникать в клетки, а также от структурного сходства этого синтетического продукта и природного соединения, которое подвергается естественной биодеградации. В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важную роль играют различные механизмы метаболизма.

В большинстве случаев при исследовании биодеградации использовался традиционный подход, основанный на выделении и анализе свойств чистых изолятов из окружающей среды. С другой стороны, из-за гетерогенности среды в ней формируются местообитания для множества разных микроорганизмов с самыми разнообразными метаболическими свойствами. Эти местообитания не могут не быть взаимосвязанными друг с другом. Ксенобиотики подвергаются действию смешанных популяций микроорганизмов, т.е. сообществ, для которых характерны отношения кооперации, комменсализма и взаимопомощи.

Биодеградация нефтяных загрязнений

Рассмотрим процессы биодеградации сложных смесей углеводородов и их производных в средах, загрязненных нефтью. Речь пойдет как о сточных водах нефтяной промышленности, так и о загрязнении нефтью окружающей среды. Источники таких загрязнений могут быть самые разнообразные: промывка корабельных бункеров для горючего, аварии на танкерах в открытом море (основная причина нефтяных загрязнений окружающей среды), утечки в нефтехранилищах и сброс отработанных нефтепродуктов.

Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом после удаления большей части нефти физическими способами или с помощью коагулянтов. Токсическое воздействие компонентов таких сточных вод на системы активного ила можно свести к минимуму путем постепенной «акклиматизации» очистной системы к повышенной скорости поступления стоков и последующего поддержания скорости потока и его состава на одном уровне. Однако загрузка этих систем может значительно варьировать и, видимо, лучше использовать более совершенные технологии, например системы с илом, аэрированным чистым кислородом, или же колонные биореакторы.

Самые большие утечки нефти в окружающую среду происходят в море, где она затем подвергается различным физическим превращениям, известным как выветривание. В ходе этих абиотических процессов, включающих растворение, испарение и фотоокисление, разлагается ( в зависимости от качества нефти и от метеорологических условий) 25 - 40% нефти. На этой стадии разрушаются многие низкомолекулярные алканы. Степень микробиологической деградации выветрившихся нефтяных разливов определяется рядом факторов. Весьма важен состав нефти: относительное содержание насыщенных, ароматических, содержащих азот, серу и кислород соединений, а также асфальтенов в различных типах нефти различно. Определенную устойчивость нефти придают разветвленные алканы, серосодержащие ароматические соединения и асфальтены. Кроме того, скорость роста бактерий, а, следовательно, и скорость биодеградации определяются доступностью питательных веществ, в частности азота и фосфора. Оказалось, что добавление таких веществ увеличивает скорость биодеградации. Количество разных организмов, способных расти на компонентах нефти, зависит от степени загрязненности углеводородами. Например, больше всего их находят поблизости от крупных портов или нефтяных платформ, где среда постоянно загрязнена нефтью. Полная деградация нефти зачастую не происходит даже при участии богатых по видовому составу микробных сообществ. Наиболее биологически инертные компоненты, например асфальтены, содержатся в осадочных породах и нефтяных залежах. Основные физические факторы, влияющие на скорость разложения нефти, - это температура, концентрация кислорода, гидростатическое давление и степень дисперсности нефти. Наиболее эффективная биодеградация осуществляется тогда, когда нефть эмульгирована в воде.

Особую проблему представляют выбросы или случайные разливы нефти на поверхности почвы, поскольку они могут привести к загрязнению почвенных вод и источников питьевой воды. В почве содержится очень много микроорганизмов, способных разрушать углеводороды. Однако даже их активность не всегда достаточна, если образуются растворимые производные или поверхностно-активные соединения, увеличивающие распространение остаточной нефти.

БИЛЕТ № 22

Прикладное значение мутаций

Ученые, которые переоткрыли законы Менделя и заложили основы генетики, работали с хозяйственно полезными объектами: Бэтсон занимался выведением новых пород кур, Корренс - кукурузы, де Фриз - кукурузы, мака и др., а Чермак вообще работал в семеноводческих фирмах, занимаясь в основном скрещиванием разных культурных растений и селекцией цветов, бобовых, зерновых и овощных культур. В дальнейшем всякое новое достижение научной генетики тоже находило применение в практике.

Использование в практике генных мутаций. Когда в 1925 г. российские генетики Г.А.Надсон и Г.С.Филиппов занимались облучением дрожжей лучами радия, они решали не только научные задачи, их целью было получить и новые штаммы дрожжей, полезные для человека. Эта идея сыграла особенно важную роль после открытия антибиотиков. Некоторые грибы и бактерии вырабатывают вещества, убивающие их конкурентов - других бактерий. Эти вещества назвали антибиотиками. Однако организмы, обитающие в природе, выделяют очень мало антибиотиков.

В настоящее время все мировое производство антибиотиков основано на использовании мутантов, полученных под действием радиации или химических мутагенов. Микроорганизмы, вырабатывающие антибиотики, подвергали действию мутагенов, затем среди его потомков отбирали наиболее удачные формы, размножали их и снова подвергали действию мутагенов. Эта процедура называется ступенчатым отбором. В результате такого отбора продуктивность некоторых микроорганизмов удалось увеличить в 1000 раз.

Селекционеры всегда искали мутантов с какими-то полезными признаками, отбирали и размножали их. Однако спонтанные мутации возникают очень редко. Использование мутагенов позволило ускорить возникновение разнообразных мутантов в сотни раз. Это дает много нового материала для работы селекционера. Например, использование ионизирующих излучений в селекции сельскохозяйственных растений позволило получить новые сорта неполегающего ячменя, пшеницы, гороха, фасоли, томатов и др.

Использование хромосомных мутаций. Приведем только один (из многих возможных) пример использования хромосомных мутаций для практических целей. Известно, что коконы самцов тутового шелкопряда дают примерно на 30% больше шелка, чем коконы самок. Если можно было бы отобрать гусениц, из которых потом выведутся самцы, и выкармливать только их, то увеличилось бы получение шелка. Эта задача была решена В.А.Струнниковым. Яйца шелкопряда, из которых выводятся гусеницы и мужского и женского пола, имеют темный цвет. Был найден доминантный аллель белой окраски яиц. С помощью облучения Струнников добился того, что кусочек аутосомы с доминантным аллелем отделился от своей хромосомы. Этот обломок либо терялся при делениях клетки, либо приклеивался к какой-нибудь хромосоме. Струнников выбрал тех бабочек, у которых этот обломок приклеился к половой хромосоме W (напомним, что у самцов шелкопряда две половые хромосомы ZZ, а у самок - ZW). Таким образом, яйца, которые содержали хромосому W и из которых должны были выводиться самки, имели белый цвет, а яйца с хромосомами ZZ - темный. Это дало возможность отбирать яйца, из которых развивались гусеницы только мужского пола.

Использование геномных мутаций. Яркий пример использования химических мутагенов – создание полиплоидных сортов растений. Люди всегда старались разводить те растения, которые имели особо крупные плоды или давали большой урожай. В многих случаях такими свойствами обладают полиплоиды. Как оказалось, к ним относятся многие культурные растения: пшеница, овес, картофель, сахарный тростник, слива, вишня и др. Химические мутагены позволили получать полиплоиды искусственно. Так, например, В.В.Сахаров получил тетраплоидную гречиху, высокоурожайный сорт с крупными семенами.

Возможность получения полиплоидов важна еще потому, что позволяет осуществлять скрещивание растений, относящихся к разным видам и имеющим разное число хромосом. При скрещивании таких диплоидных растений не получается плодовитого потомства, так как при митозе хромосомы не имеют гомологичных, распределяются по дочерним клеткам случайно или вообще теряются. Если же растения имеют не два, а четыре набора хромосом, то в гаметах содержится диплоидный набор и каждая хромосома имеет гомолог.

В настоящее время в сельском хозяйстве используются полиплоиды, искусственно полученные более чем у 500 видов растений, в частности у сахарной свеклы, ржи, люцерны, клевера, арбуза, яблони, груши и др. Изучение мутаций позволило выяснить мутагенное действие разных видов радиации и химических веществ, разработать нормы допустимого содержания мутагенов в окружающей среде и вести целенаправленный поиск защитных средств от мутагенов. Кроме того, исследование мутаций позволило понять природу многих наследственных заболеваний.