Біоконверсія

Визначення і загальна характеристика

БІОКОНВЕ́РСІЯ (від біо… і конверсія) — процес пере­творе­н­ня речовин і енергії під впливом живих організмів або ж у їхніх клітинах. Б. притаман­на будь-якій біо­логічній системі, оскільки пере­творе­н­ня речовин і енергії від­бувається в реакціях метаболізму та в процесах обміну речовинами й енергією між живими організмами та довкі­л­лям. Під дією мікроб. клітин пере­творюються метаболіти у структурно споріднені сполуки. Тим самим мікроорганізми можуть впливати лише на окремі стадії складних і важливих процесів хім. синтезу. Один із найдавніших видів Б. — пере­творе­н­ня етилового спирту в оцтову кислоту, що від­бувається при одержан­ні оцту. Викори­ста­н­ня цього процесу, який здійснюють Gluconobacter suboxidans, можна простежити ще від часів Стародав. Вавилону. За­стосува­н­ня методів, заснованих на Б., найповніше ілюструє історія синтезу стероїд. гормонів. На поч. 1930-х рр. Е. Кендалл з Фонду Мейо і Т. Райхштайн із Базел. університету виділили з надниркових залоз кортизон. Десятилі­т­тям пізніше Ф. Генч із того ж Фонду Мейо встановив, що кортизон ефективний при лікуван­ні ревматоїд. артриту. Хім. синтез кортизону складається з 37-ми стадій. Одна з ключових стадій синтезу полягає в уведен­ні атома кисню в положе­н­ня 11-го стероїд. ядра, ця стадія необхідна для створе­н­ня фізіологічно активної молекули. 1952 Петерс­сон і Дж. Мюр­рей з «Апджон Ко» виявили, що штам Rhizopus arrhizus здатен гідроксилювати прогестерон і тим самим уводити атом кисню в положе­н­ня 11. Прогестерон — ран­ній проміж. продукт синтезу кортизону, й за допомогою мікроб. гідроксилюва­н­ня (яке здійснюється в промисловості мікроорганізмами, близько спорідненими з R. arrhizus, напр., R. nigricans) синтез кортизону скоротився до 11-ти стадій замість 37-ми. Інші пере­ваги мікробної конверсії полягали в тому, що броді­н­ня від­бувалося за 37 °С у вод. середовищі й при атмо­сфер. тискові, тоді як хім. синтез кортизону потребував екс­трем. т-р і тиску. Мікроорганізми необхідні також при виготовлен­ні сировини для отрима­н­ня стероїдів. Такою сировиною є стерини, осн. джерелами їх слугують діосгенін із корі­н­ня діо­скореї, стигмостерин і ситостерин, що екс­трагуються зі шроту соєвих бобів, при цьому необхідно від­щепити боковий ланцюг молекули рослин­них стеринів. Виявили, що для цього економічно вигідно викори­стати мікобактерії. Деякі мутантні штами мікобактерій не здатні завершити роз­клад молекули стерину, вони й викликають на­громадже­н­ня проміжних продуктів, зручних для синтезу стероїдних гормонів. Усі ці вдосконале­н­ня, особливо ті, що повʼязані з викори­ста­н­ням мікроорганізмів, зумовили по­стійне зро­ста­н­ня пром. виробництва стероїдів, що має задовольнити попит на них, який зро­стає у звʼязку з появою нових сфер за­стосува­н­ня (як протизаплід. засобів, для лікува­н­ня гормонал. недо­статностей, шкір. захворювань, алергій і запал. процесів). 1978 у світі виготовляли 4 осн. стероїди (альдостерон, кортизон, преднізол і преднізолон).

Однією з галузей за­стосува­н­ня Б. є екологія — утилізація с.-г., пром. і побут. від­ходів, біо­де­градація речовин, що важко роз­кладаються, й токсич. речовин (пестицидів, гербіцидів, нафти), створе­н­ня за­мкнених технол. циклів, виробництво не­шкідливих пестицидів, полімерів, що легко руйнуються.

За­звичай Б. повʼязують з власне метаболізмом, тому під поня­т­тям Б. ро­зуміють викори­ста­н­ня організмів для роз­кла­да­н­ня від­ходів різної природи (побут., тех., с.-г.) з метою їх зне­шкодже­н­ня. Більшість від­ходів у формі орган. сполук під­лягає бактеріал. роз­кла­дан­ню. Щоб уникнути на­громадже­н­ня великої кількості від­ходів, за­проваджують т. зв. без­від­ходні технології — при їх за­стосуван­ні як проміжні продукти роз­глядаються ті від­ходи, котрі в певних технол. процесах виникають як кінцевий продукт. Такі від­ходи під­даються по­втор. пере­робці, внаслідок чого утворюється продукт, який можна використовувати у від­повід. галузях господарства. Цей процес ді­став назву реутилізації, основою якої найчастіше є Б. Одним із найпоширеніших процесів, заснованих на Б., є компостува­н­ня орган. решток, які закладають у спец. компостні ями, додаючи торф, гній, мінерал. добрива та ін. матеріали. Через кілька місяців, коли закінчиться процес роз­кла­да­н­ня всіх компонентів, отримують цінне орган. добриво, готове для внесе­н­ня в ґрунт. При Б. орган. решток унаслідок їх без­кисн. ферментації (т. зв. метанового броді­н­ня) виникає ще й біо­газ — суміш, гол. чином метану і двоокису вуглецю. Для цього використовують спец. при­строї — біо­конвертори. Б. також за­стосовують для отрима­н­ня білк. речовин з орган. решток і нафти. В гірн.-добув. промисловості Б. знаходить своє за­стосува­н­ня в процесах вилуче­н­ня з мінералів металів, напр., золота, шляхом викори­ста­н­ня бактерій, здатних пере­водити метал у форми, з яких його можна простіше ви­окремлювати. Важливе значе­н­ня має природна Б. речовин — за­бруднювачів довкі­л­ля, серед яких нафта, інші паливно-мастил. речовини, а також різні полімерні матеріали, частка яких у від­ходах дедалі зро­стає. Для ефектив. Б. таких речовин добирають спец. групи мікроорганізмів. Методи генет. інженерії остан­нім часом уможливлюють створе­н­ня нових форм мікроорганізмів, здатних роз­кладати різноманітні матеріали. Водночас синтез нових речовин і матеріалів, які можуть за­бруднювати довкі­л­ля, необхідно проводити з без­умовним урахува­н­ням того, щоб їхні залишки, потрапивши в довкі­л­ля, під­падали під ефективну Б. Зокрема це стосується полімерних пакувал. матеріалів.

В Україні методи Б. опрацьовують в багатьох н.-д. установах, серед яких Ін­ститут мікробіо­логії та вірусології НАНУ, Ін­ститут біо­колоїд. хімії НАНУ та ін.

Літ.: Сас­сон А. Биотехнология: свершения и надежды / Пер. с англ. Москва, 1987; Попова Т. Е. Развитие биотехнологии в СССР. Москва, 1988; Шевченко В. І., Пі­вень Л. З. Енергетика України, який шлях обрати. К., 1999.

Д. М. Гродзинський

Завантажити статтю