KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA Bevezető előadás
Dr. Molnár Mónika, Dr. Feigl Viktória
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék
Bevezető 1. Környezeti mikrobiológia - biotechnológia 2. A biotechnológia alkalmazási területei 3. Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége 4. Tantárgy-tematika példákkal 5. Feladatok, követelmények 6. MOKKA adatbázis (egyéni feladat) 7. KÖRINFO adatbázis
Környezeti mikrobiológia • Mikroorganizmusok a környezetben • Mikrobiológiai folyamatok • Mikrobiológiai folyamatok hasznosítása
BIOTECHNOLÓGIA
BIOTECHNOLÓGIA
• Definíció: Ereky Károly “Biotechnológia - (EREKY Károly, 1917) minden munka, amellyel alapanyagokból termékeket állítunk elő élő organizmusok segítségével.”
Biotechnológia • Felhasználási cél: humán- vagy állategészségügyi, mezőgazdasági, vagy ipari • Kezdet: sumérok sörfőzése?
• Iparág kezdete: a rekombináns DNS technika megjelenésétől (1970-es évek végétől) – 1983: humán inzulin előállítása rekombináns DNS technikával Genentech megalakulása
Biotechnológia
Mikroorganizmusok, állati és növényi sejtek/ szövetek vagy ezek részeinek (pl. enzimek) felhasználása
Gyógyszeripar, élelmiszeripar, mezőgazdaság, biológiai ásványhasznosítás…környezetvédelem
Tantárgy-tematika • Környezeti mikrobiológia, biotechnológiák • Mikroorganizmusok környezetünkben, mikrobiológiai módszerek (minőségi azonosítás, mennyiségi vizsgálat) • Ökoszisztéma, biogeokémiai ciklusok (C, N, P, Skörforgalom) • Talajtan, szennyezett talaj • Kockázatcsökkentés, remediáció • Biodegradáció talajban, biodegradáció jellemzése • Bioremediáció • Biotechnológiák toxikus fémekkel szennyezett talajokra • Innovatív biotechnológiák (ciklodextrin, bioszén…) • Génmérnökség, géntechnikák, génklónozás
Mikroorganizmusok
MIKROORGANIZMUSOK KÖRNYEZETÜNKBEN
Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége • Biogeokémiai ciklusok és a bioszféra állandósult állapotának fenntartása • Lebontó folyamatok: az elhalt állatok és növények szerves anyagainak lebontása (szén körforgása) + szennyezőanyagok lebontása (biodegradáció) • A levegő nitrogénjének hasznosítása (növények és állatok számára nem hasznosítható): baktériumok képesek annak fixálására (nitrogén körforgása)
Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége • Együttélés magasabb rendű élőlényekkel • Növények, állatok, ember egészségét befolyásolják • A normál flóra és a kórokozók között pedig kompetíció.
Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége • • • •
Tudatos gyakorlati felhasználás: élelmiszeripar (kenyér, bor, sör, sajt, szalámi stb.), gyógyszeripar (antibiotikumok, oltóanyagok) bioremediáció (biodegradáción alapuló remediáció) biológiai szennyvíztisztítás…
Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége • Modell- és tesztorganizmusok tudományos kutatásokban (biokémia, genetika, toxikológia molekuláris biológia) • Egyszerűen, gyorsan szaporíthatók, nagy méretű populációk • Viszonylag olcsó és jól reprodukálható kísérletek
Mikroorganizmusok
Organizmusok, melyek nem jutottak el a szövetes differenciálódásig, és életciklusuk jelentős részében szabad szemmel nem láthatók. Név megadása: nemzetség és faj
•Vírusok •Baktériumok •Gombák •Protiszták •Növényi egysejtűek •Állati egysejtűek (protozoonok)
Az ipari jelentőségű mikroorganizmusok Baktériumok: méret 0,5-5 µm; gömb, pálca vagy spirális osztódással szaporodnak, egyesek spóraképzők Sugárgombák: (aktinomiceták): fonalas szerkezet (micélium), hosszirányú növekedés, spóraképzők (szaporító képlet) Élesztők: ovális alakú, 5-20 µm, szaporodás főleg sarjadzással, a leánysejtek együtt maradnak 1-10 sejtig. Penészek: 4-20 µm fonalas szerkezet (hifa), szaporodásuknál az ivaros és vegetatív szakaszok váltakoznak, jellegzetes spóratartókat fejlesztenek.
Mikroorganizmusok - baktériumok
Escherichia coli
http://faculty.ccbcmd.edu/courses/bio14 1/labmanua/lab6/images/Ecoli01_scale.j pg http://www.path.cam.ac.uk/Micro biology/BI_Bacteriology/CL_Clos tridia/M_BI_CL_20small.jpg
Bacillus faj
http://homepages.wmich.edu/~rossbac h/bios312/LabProcedures/Gramposcoc ci.jpg
Mikroorganizmusok - gombák
Gombák: erjesztők az élelmiszeriparban Szekunder metabolitok termelése a gyógyszeriparban (antibiotikumok, hormonok). Fonalasgombák Élesztőgombák
Saccharomyces cerevisiae
Penicillium roqueforti
Mikroorganizmusok - állati egysejtűek
Állati jellegű protiszták (protozoon): heterotróf, egysejtű, nincs sejtfala, vizekben él, többségük nagy lebontó aktivitású szaprobionta.
Paramecium caudatum Tetrahymena pyriformis
A mikroorganizmusok fejlődését, növekedését befolyásoló tényezők Tápanyagok Víz (baktériumok: ~20%, gombák: ~12%) Makrotápelemek Mikrotápelemek Növekedési faktorok, vitaminok
Oxigén Aerob, anaerob…
Hőmérséklet Pszichrofil, mezofil és termofil
pH …
Mikroorganizmusok minőségi vizsgálata • Makroszkópikus jellemzők
• Mikroszkópikus jellemzők
Mikroorganizmusok minőségi vizsgálata • Festődésük
• Biokémiai változások
A mikroorganizmusok növekedése (szaporodása) x 108
C
104 A B
D
E F t
A tenyészet fejlődésének szakaszai: A. Lappangási (lag) szakasz B. Gyorsuló növekedés szakasza C. Exponenciális növekedés szakasza, korlátlan, kiegyensúlyozott növekedés. D. Lassuló, limitált vagy korlátozott szaporodás E. Stacionárius, stagnáló szakasz F. Hanyatló szakasz
tg – generációs idő (két egymást követő osztódás között eltelt idő)
A fermentációs (biotechnológiai) eljárások céljai/lehetőségei Sejttömeg termelés — pékélesztő, SCP Sejtkomponensek előállítása — intracelluláris enzimek, poliszacharidok, nukleinsavak…
Metabolit termelés — primer: etanol, tejsav… szekunder: antibiotikumok
Egyszerű szubsztrát konverzió — glükózfruktóz penicillin 6-NH2-penicillánsav
Multi-szubsztrát konverzió — biológiai szennyvíztisztítás
Egy termelő fermentációs folyamat megvalósításának lépései 4.A. Keverés (anyagátadás)
2.A. Sterilezés
3. Reaktor
2. Tápanyagok Si
5. Mérés (adatok) ooooo
4.B. Levegőztetés Anyagátadás
1. Oltóanyag Termelő törzs 6. Matematikai modell
Szabályozás, vezérlés
7. Termék feldolgozási műveletek Forrás: Sevella Béla: Biomérnöki műveletek és alapfolyamatok (2011) Egyetemi tananyag. - www.tankonyvtar.hu
Fermentációs folyamat – oltótenyészet útja Sűrített levegő
Kémcső tenyészet (10 ml)
Rázott lombikos tenyészet (100 ml)
Labor fermentoros tenyészet (10 l)
Inokulum fermentoros tenyészet (2-3 m3)
Forrás: Sevella Béla: Biomérnöki műveletek és alapfolyamatok (2011) Egyetemi tananyag. - www.tankonyvtar.hu
Üzemi fermentor (50-150 m3)
A mikroorganizmusok elterjedtsége Körülmény
Extrém környezeti paraméterek
Mikroorganizmus
Hőmérséklet Tengermélyi kitörések (110-115 oC) Forróvízű források (85 oC) Forró kénes források (75 oC)
Methanopyrus kandleri Pyrodictium abyssi Thermus, Sulfolobus Thermotrix thiopara
Ozmózisnyomás
14-15 % NaCl 25 % NaCl
Clamydomonas Halobacterium Halococcus
Savas pH
pH 3,0 alatt pH 1,0 körül
Saccharomyces Thiobacillus
Lúgos pH
pH 10,0 és felette
Bacillus sp.
Kis vízaktivitás
aw= 0,6–0,65
Torulopsis sp. Candida sp.
85 oC, pH 1,0 Magas hőmérséklet + alacsony pH
Cyanidium Sulfolobus acidocaldarum
Az ökoszisztéma ÖKOSZISZTÉMA = BIOLÓGIAI + ABIOTIKUS Az ökoszisztémák az élő együttműködését különböző rendszerekben oldják meg.
és az élettelen koordinált fejlettségű és hatékonyságú
•Mikroméretű ökológiai rendszernek tekinthetőek néhány mikroorganizmus közösségét jelentő élőhelyek, például egy mikrobiológiai úton korrodeálódó vasfelület, a biológiai szennyvíztisztító biofilmje. •Nagyobb léptékű ökoszisztémák a felszíni vizek és azok üledéke, vagy a szárazföldi ökoszisztémák, melyek középpontjában a talaj organominerális komplexumában élő biota jelenti az ökológiai rendszert.
Táplálkozási láncok napfény
autotrófok
növényevők
húsevők I
húsevők II
lebontók légzési veszteség hulladékanyagok
tápanyagfelvétel
anyagcsere során
Szénkörforgalom a földi ökoszisztémában
ATMOSZFÉRA 725 120
105 60
60 102
M fitoplankton
Növény: 550
M
M
SZÁRAZFÖLD holt szag, humusz: 2 000 szén, kőolaj, földgáz: 5-10 000 karbonát: 20 000 000
C tartalom ill. tartalék * 109 t
5
CO2 38 000
TENGER oldott szag: 1 000 0,5 üledék
C áram nyilakon: * 109 t/év
5
Holt szerves anyagok sorsa a talajban, humifikáció Szalma
CO2 + H2O Szénhidrát, pektin, cellulóz, protein
Viszonylag stabil maradékok NH4, aminosav, aminocukor
Ásványositás NH4
Holt szerves anyag C/N=30
Asszimiláció Ammonifikáció
Huminanyagok C/N=10-15
nitrogénzár
Nukleofil adició Kondenzáció polimerizáció
R-NH2 Lignin tannin polifenol Demetilezés
felszín
CO2 + H2O
n Biomassza Hidroxi fenolok dekarboxilezés, béta oxidáció
Kinoidális gyökök autooxidáció
Talajtan : a talaj komplex rendszere
A talaj komplex élő, dinamikus rendszer: a talaj három fázisa + élőlények + szennyezőanyag.
Szerves szennyezőanyagok sorsa a talajban •Biodegradálódhatnak •Mineralizálódhatnak •Kometabolizmus •Perzisztencia •Beépülés a biomasszába •Beépülés a táphumuszba •…
A környezetirányítás eszköztára GAZDASÁG
KÖRNYEZETPOLITIKA
JOG
KOCKÁZATMENDZSMENT
KOCKÁZAT FELMÉRÉSE
1. VESZÉLY AZONOSÍTÁSA 2. KOCKÁZAT FELMÉRÉSE Általános / helyspecifikus Kvalitatív/ kvantitatív Ökológiai / humán egészségi
POLITIKA MONITORING
KOCKÁZAT CSÖKKENTÉSE 1. MEGELŐZÉS 2 . KORLÁTOZÁSOK 3. REMEDIÁCIÓ Fizikai-kémiai technológiák
Biotechnológiák, bioremediáció Ökológiai technológiák
Szennyezőanyag kémiai tulajdonsága
Illékony
Vízoldható
Szorbeálódó
Talaj szilárd fázisa
Talajvíz
Talajlevegő
Bioremediáció Talajgőz kiszívása és felszíni kezelése Termikus deszorpció
Bioremediáció Sztrippelés
Bioremediáció Talajgáz kiszívása és felszíni kezelése
Bioremediáció Fitoremediáció Talajmosás Elektrokinetikai eljárások
Bioremediáció Fitoremediáció Talajvíz kiszívás & felszíni kezelés Aktív résfalak
Bioremediáció Talajgőz kiszívása és felszíni kezelése
Bioremediáció Biológiai kioldás Fitoremediáció Extrakció Szemcseméret szerinti frakcionálás Termikus deszorpció Talajégetés/Pirolízis Vitrifikáció Elektrokinetikai eljárás
Biodegradáción alapuló remediáció Talajvíz kiszívás és felszíni kezelés
Bioremediáció Talajgáz kiszívása és felszíni kezelése
Szennyezőanyag mobilizálásán alapuló technológiák
In situ bioventillációs talajtisztítási technológia vázlata levegő szívócsövek (B) ventillátor
C 5
C6 B3
B2
C 4 B1
0 1
Talajgáz tisztító berendezés
2 3 Talajlevegő áramlási iránya
4 5
C3
C2
C1
Levegő bevezető csövek ( C)
Az in situ bioremediáció (CDT)
Levegő- és vízbevezető kút
Rendszerellenőrző állomás
Transzformátor
Népligeti transzformátor állomás. A szennyezőanyag: TO40A transzformátorolaj a talajban és a talajvízben
Kombinált kút
Levegőelszívó kút
Fitoremediáció Fitostabilizáció Fitoextrakció…
Innovatív biotechnológiák • Ciklodextrinek a környezetvédelemben nanotechnológia – légszennyezéscsökkentés, – víztisztítás, – talajtisztítás… Gazdamolekula
+
Vendégmolekula
Zárványkomplex
• Talajvédelem, talajfunkciók fenntartása, talajminőség javítása • Hulladékok hasznosítása • CO2 csökkentés • Bioszén (biochar) hulladékból Biomassza oxigénmentes, magas hőmérsékleten történő elégetése során visszamaradt stabil anyag
http://www.energiacentrum.com/biomassza/ a-bioszen-kedvezo-hatasai/
Génsebészet – DNS klónozás •Génsebészet: in vitro technikák, melyek a génkészlet nagymértékű megváltoztatását, célzott keveredését teszik lehetővé. •A genetikai információ mesterséges átvitele (állat, növény, mikroorganizmus) •„Genetikai mérnöki tevékenység” : DNSfragmentumok tervezett és tudatos összeépítése •DNS-klónozás
A pGLO plazmid Aequorea victoria medúzából
Zöld fluoreszcens fehérje (Green Fluorescent Protein, GFP) 2008 kémiai Nobel-díj
Feladatok, követelmények • ZH : kis-ZH (30%) + nagy-ZH (45%) – kis-ZH – Nagy-ZH
• Előadások anyaga KÖRINFO adatbázis www.körinfo.hu , http://www.enfo.hu/drupal/hallgatok • Egyéni feladat - adatlap feltöltés adatbázisba (25%) • Részvétel az előadásokon (5%, nagy-ZH jegyébe beleszámítva)
Egyéni feladat – MOKKA adatbázis • Bioremediációs/talajjavítási technológiai adatlap feltöltése a MOKKA adatbázisba (adatlap) www.mokkka.hu • Dinamikus, online épülő, adatlapos információs rendszer • Modern mérnöki eszköztár • Regisztráció
KÖRINFO adatbázis • Lexikon: a szakkifejezések értelmezéséhez, a környezetvédelem jogi, tudományos és technikai hátteréhez. • Adatbázis: hagyományos és innovatív módszerek, melyek segítségével mérhető a környezet állapota, károsodása vagy olyan technológiákkal, melyek segítenek a környezetet egészséges állapotban tartani vagy ha szükséges "meggyógyítani". • Térképek és a képtárak gyors és szemléletes információ a KÖRINFO területeiről. • Döntéstámogatás (DST) egy problémakör jogi hátterének vagy tudományos alapjainak megismeréséhez szükséges útvonal.
• E-tanfolyam: résztvevők megismerhetik a modern környezetmérnöki munka tudományos és gyakorlati alapjait. • Regisztráció www.körinfo.hu
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!
