Biotechnologia to nauka interdyscyplinarna, która łączy wiedzę oraz umiejętności z zakresu biologii, chemii, fizyki, matematyki i informatyki. Umożliwia wykorzystanie organizmów, ich części lub metabolitów do procesów diagnostycznych i produkcyjnych.

Biotechnologia tradycyjna opiera się na wykorzystaniu organizmów dzikich szczepów, czyli organizmów, które naturalnie występują w przyrodzie. Pozyskuje się je do procesów produkcyjnych na drodze selekcji sztucznej.

Najstarszą metodą hodowli roślin i zwierząt jest selekcja, zwana również procedurą przesiewową, i krzyżowanie.

Metoda selektywnej hodowli i krzyżowania polega na rozmnażaniu osobników rodzicielskich o określonych cechach. Na podstawie fenotypufenotypfenotypu dokonuje się sztucznej selekcji uzyskanego potomstwa. Osobniki charakteryzujące się pożądanymi cechami są włączane do dalszej hodowli.

W wyniku krzyżowania mogą powstawać mieszańcemieszaniec, hybrydamieszańce w obrębie jednego gatunku (np. między rasami, odmianami), międzygatunkowemieszaniec międzygatunkowymiędzygatunkowe lub międzyrodzajowemieszaniec międzyrodzajowymiędzyrodzajowe.

Do rodzajów hodowli selektywnej zalicza się:

• hodowlę liniową, w której krzyżuje się dwie linie rodzicielskie, uzupełniające się wzajemnie w zakresie pożądanych cech; z organizmów potomnych rozwijane są linie roślin homozygotycznych, np. kukurydzy, pszenicy, owsa, grochu;

• hodowlę mieszańców, w której krzyżuje się dwie genetycznie odmienne linie rodzicielskie.

Pożądanymi cechami u roślin są: odporność na choroby, duża plenność oraz duża zawartość składników odżywczych w jadalnych częściach. Celem hodowli roślin jest uzyskanie nasion jak najlepszej jakości.

Selekcja to najstarsza forma hodowli roślin. Ponad 12 tys. lat temu pierwsi rolnicy zaczęli wysiewać ziarno dziko rosnących zbóż. Celowo zachowywali nasiona największych i najbardziej plennych roślin, które wysiewali w kolejnym roku. Pozwoliło to na utrwalanie się pożądanych cech roślin w czasie.

Proces selekcji powtarzany wielokrotnie doprowadził to powstania roślin homozygotycznych pod względem wybranych cech. Nie znając zasad genetyki, pierwsi rolnicy potrafili prowadzić hodowlę selektywną dzięki dokładnym obserwacjom i doświadczeniu.

RPal3PfjCymoe

Ilustracja przedstawia selekcję (procedurę przesiewową). Po lewej stronie narysowana jest rosnąca duża roślina z zielonymi liśćmi. Pod jej rysunkiem znajduje się strzałka prowadząca w dół, a pod nią duży znak x. Pod tym znakiem duża przerwa, a następnie dwie małe rośliny. Pod ich rysunkiem znajduje się strzałka prowadząca w dół, a pod nią duży znak x. Po prawej stronie narysowana jest identyczna rosnąca duża roślina z zielonymi liśćmi. Pod jej rysunkiem znajduje się strzałka prowadząca w dół, a pod nią kilkanaście kulistych, zielonych nasion. Pod nasionami znajduje się strzałka prowadzącą w dół do dwóch roślin, jednej małej i jednej dużej. Poniżej nich kolejna strzałka prowadząca w dół do dużej rośliny. Pod nią kolejna strzałka prowadząca w dół, a pod nią kilkanaście kulistych, zielonych nasion. Pod nasionami znajduje się strzałka prowadzącą w dół do dwóch dużych roślin.

Aby połączyć wszystkie pożądane cechy w jednej odmianie, krzyżuje się ze sobą odpowiednie organizmy. Prowadzi to do powstania pokolenia, które dziedziczy pozytywne cechy obojga rodziców. W kolejnym etapie hodowcy krzyżują uzyskane w ten sposób rośliny potomne z innymi roślinami o pożądanych cechach. Po kilku kolejnych etapach krzyżowania zostaje utworzona nowa linia, która ostatecznie łączy w sobie wszystkie korzystne cechy i może być zarejestrowana jako nowa odmiana. Ten proces jest czasochłonny i pracochłonny, dlatego musi być starannie zaplanowany i wdrażany przez kilka lat.

R1a0JrgOhsENb

Ilustracja przedstawia proces krzyżowania roślin. Hodowca krzyżuje rośliny rodzicielskie: roślinę o żółtozielonych liściach i roślinę o jasnofioletowych liściach. Uzyskuje w jej wyniku cztery rośliny o jasnobeżowych liściach. Rozmnażając je uzyskuje roślinę o beżowych liściach. Następnie hodowca krzyżuje rośliny potomne z innymi roślinami o pożądanych cechach. Powstają cztery rośliny o jasnozielonych liściach, a z nich roślina o błękitnych liściach. Hodowca ponownie krzyżuje rośliny potomne z innymi roślinami o pożądanych cechach. Powstają cztery rośliny o chabrowych liściach, a z nich roślina o jasnofioletowych liściach. Hodowca ponownie krzyżuje rośliny potomne i powstaje roślina o pożądanych cechach: intensywnie fioletowych liściach.

W wyniku krzyżowania ze sobą dwóch różnych genetycznie form rodzicielskich powstają mieszańce, do których zalicza się mieszańce międzygatunkowe i międzyrodzajowe.

Mieszańce międzygatunkowe powstają w obrębie jednego rodzaju przez skrzyżowanie ze sobą dwóch różnych gatunków.

Mieszańce międzyrodzajowe powstają przez skrzyżowanie przedstawicieli dwóch różnych rodzajów.

Celem selektywnej hodowli i krzyżowania zwierząt gospodarskich jest uzyskanie osobników lepiej przystosowanych do niekorzystnych warunków środowiska, charakteryzujących się wysoką mlecznością i zawartością składników odżywczych w mleku, mających dużą masę mięśniową, dobrze zaznaczone cechy wełniste oraz większe możliwości rozpłodowe.

W wyniku stosowania selektywnego krzyżowania powstało wiele ras zwierząt gospodarskich. Postęp hodowlany uzyskano dzięki zastosowaniu inseminacjisztuczna inseminacjainseminacji i mrożeniu nasienia, co pozwoliło na uzyskiwanie osobników o pożądanym fenotypie.

Bakterie i grzyby odpowiadają za mineralizację materii organicznej oraz rozkład i detoksykację toksycznych związków. Aktywność metaboliczna tych drobnoustrojów jest głównym źródłem dwutlenku węgla w glebie i hamuje rozwój szkodników oraz patogenów roślin, dzięki czemu stymuluje ich wzrost i plonowanie.

Nie zawsze poziom aktywności mikroorganizmów jest na poziomie, który zagwarantowałby odpowiednie warunki dla rozwoju roślin. Szczególnie widoczne jest to na obszarach rolnych, wymagających ciągłego nawożenia i ograniczania działalności patogenów roślin. Dlatego stosuje się różnorodne zabiegi biotechnologiczne, które mają na celu poprawę kondycji gleby i uprawianych na niej roślin. W tym celu wykorzystuje się dwa typy biopreparatów: środki ochrony roślin i stymulatory wzrostu i plonowania roślin.

Środki ochrony roślin – biopestycydybiopestycydybiopestycydy – zawierają organizmy takie jak bakterie, grzyby, wirusy i nicienie, które wykorzystywane są do zwalczania szkodników i pasożytów roślin: owadów, chwastów i fitopatogenówfitopatogenyfitopatogenów (np. grzybów).

Pośród dostępnych komercyjnie biopestycydów znaczącą grupę stanowią preparaty bakteryjne. Najczęściej stosuje się gatunki bakterii z rodzaju Bacillus, ponieważ są one wysoce skuteczne i uznane za bezpieczne.

Biopestycydy zawierające Bacillus thuringiensis są dostępne na rynku od lat 60. ubiegłego wieku i stosowane do dziś.

Szczepy Bacillus thuringiensis podczas sporulacjisporulacjasporulacji wytwarzają kryształy białkowe, ciała parasporowe złożone z podjednostek białka Cry lub białka Cyt, będących protoksynami. Kiedy białka te dostają się do przewodu pokarmowego larw owadów, są hydrolizowane w zasadowym pH jelita przez proteazy, a następnie zostają przekształcone w toksynę. Toksyna wiąże się ze specyficznymi receptorami komórek nabłonkowych jelita larwy i indukuje powstanie w nich porów. Prowadzi to do śmierci larwy.

Obecnie wykorzystuje się także szczepy Bacillus spaericus, który jest specyficzny względem komarów i motyli, oraz Bacillus popilliae, który oddziałuje na chrząszcze.

Do produkcji biopestydyców wykorzystywane są również szczepy Agrobacterium radiobacter, Pseudomonas solanacearum i Pseudomonas syringae, które antagonistycznie działają przeciwko bakteriom fitopatogennym, a także Bacillus subtilis, Pseudomonas cepacia i Pseudomonas chlororaphis, których aktywność jest ukierunkowana przeciwko patogennym grzybom.

Właściwy rozwój systemu korzeniowego i odpowiednia struktura oraz aktywność ekosystemu glebowego są niezwykle ważne dla prawidłowego rozwoju roślin.

Prawidłowe funkcjonowanie ekosystemów ryzosferowych zapewniają bakterie ryzosferowe i symbiotyczne grzyby mikoryzowe, które pomagają wykorzystywać dostępne substraty odżywcze, chronią przed fitopatogenami oraz wytwarzają związki stymulujące wzrost i plonowanie roślin.

Do stymulatorów wzrostu i plonowania roślin należą:

• bakterie Azotobacter, Bacillus subtilis, Rhizobium, Pantoea agglomerans, które są zdolne do produkcji cytokinincytokininycytokinin i giberelingiberelinygiberelin – fitohormonówfitohormonyfitohormonów odpowiedzialnych za regulację wzrostu i rozwoju roślin;

• bakterie Pseudomonas putida, Bradyrhizobium elkanii, które są zdolne do produkcji kwasu indolilooctowegokwas indolilooctowykwasu indolilooctowego – fitohormonu odpowiedzialnego za podział i różnicowanie komórek rośliny, stymulację kiełkowania nasion, przyspieszenie tworzenia systemu korzeniowego, produkcję pigmentów, biosyntezę różnych metabolitów;

• bakterie Achromobacter i Azospirillum, które są zdolne do obniżenia poziomu etylenuetylenetylenu – fitohormonu odpowiedzialnego za starzenie się roślin;

• bakterie Azospirillum i Azotobacter, które wiążą azot atmosferyczny i dostarczają go roślinom w formie aminokwasów syntetyzowanych z amoniaku.

Mikroorganizmy są jednym z podstawowych narzędzi stosowanych w biotechnologii środowiskowej, ze względu na ich rozmiary, właściwości metaboliczne i zdolność do adaptacji do różnych warunków środowiska.

Bakterie i grzyby znalazły zastosowanie w bioremediacji (metodzie biotechnologicznej), ponieważ są zdolne do transformacji związków nieorganicznych, tj. metali ciężkich, związków fosforu i azotu, oraz biodegradacji substratów organicznych.

Właściwości mikroorganizmów są wykorzystywane również do oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych.

Różne gałęzie przemysłu generują zanieczyszczenia i toksyny, do których zalicza się m.in.: metale ciężkie, pestycydy i izotopy promieniotwórcze. Trafiają one do powietrza, wody i gleby. Naturalny rozkład tych substancji jest czasochłonny, dlatego wykorzystuje się bakterie, archeony, grzyby, protisty roślinopodobne i rośliny, które potrafią wykorzystać szkodliwe substancje.

Pierwszym krokiem w każdej interwencji środowiskowej jest przetestowanie potencjału bioremediacyjnegobioremediacjabioremediacyjnego mikroorganizmów autochtonicznych, które występują na zanieczyszczonym obszarze. Testy polegają na określeniu liczebności oraz aktywności poszczególnych grup metabolicznych mikroorganizmów i symulacji tempa procesów samooczyszczania. Sprawdzana jest zdolność mikroorganizmów do:

• transformacji zanieczyszczeń;

• pozyskiwania oraz utylizacji substratów odżywczych;

• wykorzystywania końcowych akceptorów elektronów.

Jeśli mikroorganizmy mają odpowiednią aktywność i usuwają zanieczyszczenia w zadowalającym tempie, mówi się o naturalnej atenuacji monitorowanej. Natomiast kiedy tempo powstawania i rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń jest wyższe od tempa ich usuwania przez mikroorganizmy, należy wprowadzić zabiegi wspomagające, takie jak:

• biostymulacja;

• bioaugumentacja.

Biostymulacja to zwiększenie tempa metabolizmu i namnażania wybranych grup mikroorganizmów. Przeprowadza się ją poprzez dodanie substratów odżywczych, witamin i wody.

Najczęstszy zabieg biostymulacji to napowietrzanie zanieczyszczonego środowiska, które ma na celu stymulację mikroorganizmów tlenowych.

Innym zabiegiem biostymulacji jest dostarczanie nawozów mineralnych zawierających związki azotu i fosforu, których niedobory występują w zanieczyszczonych środowiskach.

Bioaugumentacja polega na wprowadzeniu do zanieczyszczonego środowiska wyspecjalizowanych szczepów drobnoustrojów. Stosuje się:

• szczepionki autochtoniczne, w skład których wchodzą szczepy pochodzące z miejsca zanieczyszczenia;

• szczepionki allochtoniczne, w skład których wchodzą mikroorganizmy wyizolowane z innego środowiska, które jest zanieczyszczone podobnym typem związków.

Biologiczne oczyszczanie ścieków obejmuje mineralizację substancji organicznych do dwutlenku węgla, wody i amoniaku oraz usuwanie związków biogennych – azotu i fosforu.

Do metod biologicznego oczyszczania ścieków należą:

• komory z osadem czynnym i biocenozą pływającą;

• złoża biologiczne z biocenozą osiadłą w formie błony biologicznej.

W większości biologicznych oczyszczalni ścieków znajdują się komory napowietrzania z osadem czynnym – gęstą zawiesiną drobnoustrojów występujących w formie kłaczków. W kłaczkach osadu czynnego znajdują się przedstawiciele rodzajów Achromobacter, Azotobacter, Bacillus, Chromobacterium, Flavobacterium, Micrococcus, Nitrosomonas, Pseudomonas, Spirillum.

Zanieczyszczenia organiczne są absorbowane na powierzchni kłaczków, gdzie pod wpływem aktywności mikroorganizmów tlenowych ulegają procesowi mineralizacji do dwutlenku węgla i wody.

W małych oczyszczalniach ścieków, w których ilość ścieków nie przekracza
5000 mIndeks górny 3³/dzień, stosowane są złoża biologiczne. Na powierzchni nośnika rozwija się błona biologiczna wytworzona przez mikroorganizmy. Na złożach dominują bakterie Zooglea ramigera, Sphaerotilus natans, bakterie siarkowe z rodzaju Chromatinum i pierwotniaki: Euglena viridis, Bodo, Urostyla, Oxytricha, Paramecium. Oczyszczanie ma na celu zmniejszenie związków organicznych oraz usunięcie związków azotu i fosforu, ponieważ uwalnianie tych pierwiastków do zbiorników wodnych wpływa na eutrofizacjęeutrofizacjaeutrofizację wód.

Usuwanie związków azotu odbywa się w procesach nitryfikacjinitryfikacjanitryfikacji, denitryfikacjidenitryfikacjadenitryfikacji i anamoksanamoksanamoks.

Związki fosforu usuwane są zwykle metodami chemicznymi, takimi jak strącanie glinem i żelazem. Coraz częściej jednak stosuje się biologiczną defosfatację, polegającą na pochłanianiu i akumulowaniu fosforu w biomasie bakterii.

Biomonitoring środowiska to metoda oceny stanu środowiska, regularne, czasowe i przestrzenne obserwacje w celu gromadzenia danych o zmianach zachodzących w środowisku, najczęściej do określenia rozmiarów i nasilenia zanieczyszczeń.

Obserwując reakcje niektórych organizmów, można ocenić stan środowiska, w którym żyją, np. poziom zanieczyszczenia konkretnymi substancjami. Organizmy szczególnie wrażliwe na zmiany określonych parametrów środowiska nazywa się bioindykatorami.

Do bioindykatorów zalicza się mikroorganizmy. Jednymi z najbardziej znanych bioindykatorów są sinice, które w warunkach zanieczyszczenia wód obficie się rozmnażają, zabarwiając wodę na zielononiebiesko i tworząc na niej lepką, pieniącą się powłokę.

Paliwa kopalne, takie jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, wyczerpują się, a ich wykorzystanie wiąże się ze wzrostem zanieczyszczenia środowiska, przede wszystkim przez emisję gazów cieplarnianych. Dlatego coraz większego znaczenia nabierają odnawialne źródła energii, do których należą biopaliwa pochodzące ze współczesnych surowców biologicznych. Do źródeł biomasy przerabianej na biopaliwa należą substraty, które pochodzą z:

• przemysłu rolniczego: słoma zbóż, słoma roślin oleistych, trzcina, buraki cukrowe, odchody zwierząt;

• przemysłu spożywczego: melasa, wywary gorzelniane;

• przemysłu papierniczego;

• osadów ściekowych;

• odpadów stałych.

Część z tych substratów zużywana jest w postaci stałej, np. biomasa roślinna. Pozostałe są transformowane do postaci gazowej, np. do biometanu i biowodoru, lub ciekłej, np. bioetanolu, biobutanolu.

Biopaliwa ciekłe i gazowe powstają w wyniku aktywności metabolicznej mikroorganizmów: archeonów, bakterii i grzybów, np. bioetanol produkowany jest przez drożdże Saccharomyces cerevisiae, a biobutanol przez bakterie Clostridium acetobutylicum.

Wysokometanowy biogaz produkowany jest w oczyszczalniach ścieków i na wysypiskach śmieci. Powstaje on w wyniku szeregu reakcji chemicznych przetwarzania biomasy przez drobnoustroje w warunkach beztlenowych. Zawartość metanu w wysokometanowym biogazie waha się od 50 do 75%, a dwutlenku węgla od 25 do 45%. W skład biogazu wchodzą też siarkowodór i amoniak.

Gazy odlotowe to gazy uwalniane do atmosfery, zawierające substancje zanieczyszczające powietrze, emitowane przy spalaniu paliw lub podczas innych procesów technologicznych, tj.:

• produkcji tworzyw sztucznych;

• produkcji środków farmaceutycznych;

• produkcji chemii gospodarczej;

• produkcji żywności;

• produkcji wyrobów gumowych.

Niektóre substancje zawarte w gazach odlotowych mogą być skutecznie usuwane na drodze biodegradacji za pomocą mikroorganizmów, np.:

• aceton – Rhodococcus sp., Corynebacterium sp.

• amoniak – Pseudomonas sp., Arthrobacter sp., Nitrosomonas sp.;

• benzen – Pseudomonas putida, Phanerochaete chrysosporium;

• dichlorometan – Hyphomicrobium sp.;

• etanol – Candida guilliermondii, Saccharomyces cerevisiae;

• fenol – Pseudomonas putida;

• ksylen – Pseudomonas stutzeri, Bacillus firmus;

• siarczek dimetylu – Hyphomicrobium sp.;

• siarkowodór – Chlorobium limicola, Thiobacillus sp.;

• styren – Brevibacillus sp., Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens;

• toluen – Pseudomonas putida.

Mikroorganizmy utleniają związki organiczne do dwutlenku węgla i wody. Wytwarzana w tym procesie energia jest zużywana przez bakterie.

Słownik