KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA. Bevezető előadás 2016

Átírás

1 KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA Bevezető előadás 2016 Dr. Molnár Mónika, Dr. Feigl Viktória Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

2 Bevezető 1. Környezeti mikrobiológia - biotechnológia 2. A biotechnológia alkalmazási területei 3. Mikrobiológia történeti áttekintés 4. Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége 5. Tantárgy-tematika példákkal 6. Feladatok, követelmények 7. MOKKA adatbázis (egyéni feladat) 8. KÖRINFO adatbázis

3 Környezeti mikrobiológia Mikroorganizmusok a környezetben Mikrobiológiai folyamatok Mikrobiológiai folyamatok hasznosítása BIOTECHNOLÓGIA

4 BIOTECHNOLÓGIA Definíció: Ereky Károly Biotechnológia - (EREKY Károly, 1917) minden munka, amellyel alapanyagokból termékeket állítunk elő élő organizmusok segítségével.

5 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

6 Egy termelő fermentációs/biotechnológiai folyamat megvalósításának lépései 4.A. Keverés (anyagátadás) 2.A. Sterilezés 3. Reaktor ooooo 2. Tápanyagok Si 1. Oltóanyag Termelő törzs 5. Mérés (adatok) 6. Matematikai modell Szabályozás, vezérlés 4.B. Levegőztetés Anyagátadás 7. Termék feldolgozási műveletek Forrás: Sevella Béla: Biomérnöki műveletek és alapfolyamatok (2011) Egyetemi tananyag. -

7 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 m 3 ) Üzemi fermentor ( m 3 ) Forrás: Sevella Béla: Biomérnöki műveletek és alapfolyamatok (2011) Egyetemi tananyag. -

8 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 glükóz fruktóz penicillin 6-NH 2 -penicillánsav Multi-szubsztrát konverzió biológiai szennyvíztisztítás

9 Biotechnológia Mikroorganizmusok, állati és növényi sejtek/ szövetek vagy ezek részeinek (pl. enzimek) felhasználása Gyógyszeripar, élelmiszeripar, mezőgazdaság, biológiai ásványhasznosítás környezetvédelem

10 Tantárgy-tematika Mikrobiológia mérföldkövek Mikroorganizmusok jelentősége Mikroorganizmusok környezetünkben, mikrobiológiai módszerek (minőségi azonosítás, mennyiségi vizsgálat) Ökoszisztéma, biogeokémiai ciklusok (C, N, P, S- körforgalom) Talajtan, szennyezett talaj Kockázatcsökkentés, remediáció Biodegradáció talajban, biodegradáció jellemzése Bioremediáció Biotechnológiák toxikus fémekkel szennyezett talajokra Innovatív biotechnológiák, génmérnökség

11 A mikrobiológia mérföldkövei

12 A mikrobiológia története Zaccharias JANSSEN és Hans JANSSEN (holland, ) első mikroszkóp (1590) Robert HOOK (angol, ): Micrographia (1665) sejt (cellula) fogalma ker/copy_of_hooke_microscope.html e/024celltheory/cell_discovery.htm

13 A mikrobiológia története Antony van LEEUWENHOEK (holland kereskedő, ) A mikrobiológia atyja Egy lencséből álló mikroszkóp 270-szeres nagyítás Mikroorganizmusok első megfigyelője

14 A mikrobiológia története Louis PASTEUR ( ): MIKROBIOLÓGIA modern tudományos alapjait rakta le Ősnemzés -elmélet helytelenségének bizonyítása Kórokozó-elmélet igazolása Pasztőrözés Fermentálás Infektív mikroorganizmusok azonosítása Vakcina lépfene, baromfikolera veszettség (1885) ellen

15 A mikrobiológia története SEMMELWEIS Ignác ( ): fertőzések mikrobiális elmélete (gyermekágyi láz) LISTER, Joseph 1 st baron Lister ( ): karbolsav alkalmazása a műtőben sebészeti eszközökre és a műtéti területre is. (halálozási arány 50% 12%)

16 A mikrobiológia története Robert KOCH ( ) Bakteriológia megalapítója Egyszerű festés kidolgozása Izolálja a lépfene (Anthrax bacillus) és a tuberkolózis kórokozóját Szilárd táptalaj használata 1905 Fiziológiai Orvosi Nobel Díj Dmitri IWANOWSKY : Víruskutatás első eredménye: 1892-ben dohánymozaik vírus leírása.

17 A mikrobiológia története Charles LAVERANS (1907) - a véglények okozta betegségek kutatásáért - A protozoa mint a malária és az álomkór kórokozója Nobel-díj Alexander FLEMING, Ernst CHAIN, Howard FLOREY (1945) - a penicillin és fertőző betegségeket gyógyító hatásának felfedezése Nobel-díj

18 A mikrobiológia története - A DNS duplaspirál szerkezetének felismerése (James Watson és Francis Crick 1953) Restrikciós enzimek felfedezése (Arber 1962) Plazmid és az R-faktor felfedezése (Watanabe, Mitsuhashi 1965) Az általános érvényű genetikai kód felismerése (Marshall Nirenberg, Robert W. Holley és Har Gobind Khorana 1968) A Human Genome (HGP & Celera Nature & Science ) Géntechnológia

19 Környezeti mikrobiológia alapjai Martinus BEIJERINCK ( ) Mikróbák növényekben és talajban Elektív (dúsító) táptalaj N 2 -fixáló baktériumok Sergei WINOGRADSKY ( ) Talajbaktériumok N és S körforgásában mikróbák szerepe! Autrotrófia, kemolitotrófia &func=displayarticle&art_id=32

20 Mikroorganizusok környezetünkben A felszíni, felszín alatti vizekben, talajban, levegőben, növényeken és a rizoszférában, emberben is (pl. a béltraktusban). Szabadon, biofilmben, közösségekben Mikroorganizmusok vizsgálata kiemelt jelentőségű Környezetvédelem (bioremediáció, szennyvíztisztítás, hulladékkezelés ) Egészségügy Élelmiszeripar

21 Mikroorganizmusok MIKROORGANIZMUSOK SZEREPE, JELENTŐSÉGE

22 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)

23 Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége Együttélés magasabb rendű élőlényekkel Növények, állatok, ember egészségét befolyásolják A normál flóra és a kórokozók között pedig kompetíció.

24 Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége Tudatos gyakorlati felhasználás: élelmiszeripar (kenyér, bor, sör, sajt, szalámi stb.), gyógyszeripar (antibiotikumok, oltóanyagok) bioremediáció (biodegradáción alapuló remediáció) biológiai szennyvíztisztítás

25 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

26 MIKROORGANIZMUSOK Környezeti mikrobiológia, biotechnológiák TANTÁRGY TEMATIKA

27 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)

28 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.

29 Mikroorganizmusok - baktériumok Escherichia coli 1/labmanua/lab6/images/Ecoli01_scale.j pg biology/bi_bacteriology/cl_clos tridia/m_bi_cl_20small.jpg Bacillus faj h/bios312/labprocedures/gramposcoc ci.jpg

30 Mikroorganizmusok - gombák Gombák: erjesztők az élelmiszeriparban Szekunder metabolitok termelése a gyógyszeriparban (antibiotikumok, hormonok). Fonalasgombák Élesztőgombák Saccharomyces cerevisiae Penicillium roqueforti

31 Mikroorganizmusok - állati egysejtűek Állati jellegű protiszták (protozoon): heterotróf, egysejtű, nincs sejtfala, vizekben él, többségük nagy lebontó aktivitású szaprobionta. Paramecium caudatum Tetrahymena pyriformis

32 Mikroorganizmusok minőségi vizsgálata Makroszkópikus jellemzők Mikroszkópikus jellemzők

33 Mikroorganizmusok minőségi vizsgálata Festődésük Biokémiai változások

34 Mikrobiológia Mikroorganizmusok mennyiségi vizsgálata Mikroszkópos módszerek: mérés és számlálás Műszeres részecskeszámlálás Tenyésztéses technikák

35 Az ökoszisztéma ÖKOSZISZTÉMA = BIOLÓGIAI + ABIOTIKUS Az ökoszisztémák az élő és az élettelen koordinált együttműködését különböző fejlettségű és hatékonyságú rendszerekben oldják meg. 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.

36 Táplálkozási láncok napfény autotrófok növényevők húsevők I húsevők II lebontók légzési veszteség hulladékanyagok tápanyagfelvétel anyagcsere során

37 Szénkörforgalom a földi ökoszisztémában ATMOSZFÉRA Növény: 550 CO M M SZÁRAZFÖLD holt szag, humusz: szén, kőolaj, földgáz: karbonát: M TENGER oldott szag: ,5 üledék fitoplankton 5 C tartalom ill. tartalék * 10 9 t C áram nyilakon: * 10 9 t/év

38 Holt szerves anyagok sorsa a talajban, humifikáció Szalma CO 2 + H 2 O CO 2 + H 2 O felszín Holt szerves anyag C/N=30 Lignin tannin polifenol Szénhidrát, pektin, cellulóz, protein Ásványositás NH 4 Asszimiláció Ammonifikáció nitrogénzár R-NH 2 n Biomassza Hidroxi fenolok Viszonylag stabil maradékok NH 4, aminosav, aminocukor Nukleofil adició Kondenzáció polimerizáció Huminanyagok C/N=10-15 Kinoidális gyökök Demetilezés dekarboxilezés, béta oxidáció autooxidáció

39 Talajtan : a talaj komplex rendszere A talaj komplex élő, dinamikus rendszer: a talaj három fázisa + élőlények + szennyezőanyag.

40 Szerves szennyezőanyagok sorsa a talajban Biodegradálódhatnak Mineralizálódhatnak Kometabolizmus Perzisztencia Beépülés a biomasszába Beépülés a táphumuszba

41 A környezetirányítás eszköztára GAZDASÁG KÖRNYEZETPOLITIKA POLITIKA JOG KOCKÁZATMENDZSMENT MONITORING KOCKÁZAT FELMÉRÉSE 1. VESZÉLY AZONOSÍTÁSA 2. KOCKÁZAT FELMÉRÉSE Általános / helyspecifikus Kvalitatív/ kvantitatív Ökológiai / humán egészségi KOCKÁZAT CSÖKKENTÉSE 1. MEGELŐZÉS 2. KORLÁTOZÁSOK 3. REMEDIÁCIÓ Fizikai-kémiai technológiák Biotechnológiák, bioremediáció Ökológiai technológiák

42 Szennyezőanyag kémiai tulajdonsága Illékony Vízoldható Szorbeálódó Talaj szilárd fázisa Talajvíz Talajlevegő Bioremediáció Talajgőz kiszívása és felszíni kezelése Termikus deszorpció Bioremediáció Fitoremediáció Talajmosás Elektrokinetikai eljárások Bioremediáció Biológiai kioldás Fitoremediáció Extrakció Szemcseméret szerinti frakcionálás Termikus deszorpció Talajégetés/Pirolízis Vitrifikáció Elektrokinetikai eljárás Bioremediáció Sztrippelés Bioremediáció Fitoremediáció Talajvíz kiszívás & felszíni kezelés Aktív résfalak Biodegradáción alapuló remediáció Talajvíz kiszívás és felszíni kezelés Bioremediáció Talajgáz kiszívása és felszíni kezelése Bioremediáció Talajgőz kiszívása és felszíni kezelése Bioremediáció Talajgáz kiszívása és felszíni kezelése Szennyezőanyag mobilizálásán alapuló technológiák

43 In situ bioventillációs talajtisztítási technológia vázlata levegő szívócsövek (B) ventillátor C6 C 5 C 4 0 B3 B2 B1 1 Talajgáz tisztító berendezés Talajlevegő áramlási iránya C3 C2 C1 Levegő bevezető csövek ( C)

44 Az in situ komplex bioremediáció Rendszerellenőrző állomás Levegő- és vízbevezető kút Transzformátor Népligeti transzformátor állomás. A szennyezőanyag: TO40A transzformátorolaj a talajban és a talajvízben Kombinált kút Levegőelszívó

45 Fitostabilizáció Fitoextrakció Fitoremediáció

46 Innovatív biotechnológiák Ciklodextrinek a környezetvédelemben nanotechnológia - kockázatcsökkentés Zárványkomplex Gazdamolekula + Vendégmolekula gulfresearchinitiative.org Talajvédelem, talajfunkciók fenntartása, talajminőség javítása Hulladékok hasznosítása za/a-bioszen-kedvezo-hatasai/ Vörösiszap Bioszén (biochar) hulladékból Gumiőrlemény hasznosítás

47 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 Genetikailag módosított baktériumok a remediációban

48 A pglo plazmid Aequorea victoria medúzából Zöld fluoreszcens fehérje (Green Fluorescent Protein, GFP) 2008 kémiai Nobel-díj

49 Feladatok, követelmények ZH : kis-zh (30%) + nagy-zh (45%) kis-zh Nagy-ZH Előadások anyaga KÖRINFO adatbázis Egyéni feladat - adatlap feltöltés adatbázisba (25%) Részvétel az előadásokon (5%, nagy-zh jegyébe beleszámítva)

50 Egyéni feladat MOKKA adatbázis Bioremediációs/talajjavítási technológiai adatlap feltöltése a MOKKA adatbázisba (adatlap) Dinamikus, online épülő, adatlapos információs rendszer Modern mérnöki eszköztár Regisztráció

51 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

52 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!