СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РК

АЛМАТИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

АРАЛБАЕВА А. Н., ЖАПАРКУЛОВА Н. И., СЕЙДАХМЕТОВА З. Ж., КАТАШЕВА А. Ч.

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ

Алматы, 2019

УДК

ББК

Рецензенты

Махатов Б. М. - д. с-х. н, профессор, академик АСХН РК

Есенбаев М. Н. - к. с. х. н.

Абдрешов С. Н. . - к. б. н, асс. профессор

Обсуждено и рекомендовано на заседании НМК факультета Пищевых производств, АТУ (протокол № от )

ISBN

Учебное пособие «Сельскохозяйственная биотехнология» предназначен для изучения прикладных аспектов биотехнологий в сельском хозяйстве. В данном издании освещены вопросы по применению биотехнологий в растениеводстве, животноводстве, земледелии, рассмотрены проблемы плодородия почвы, утилизации отходов сельского хозяйства, а также затронуты перспективы клеточной и генной инженерии в животноводстве и селекции новых сортов и пород, проблемы безопасности сельскохозяйственного сырья. Данное издание рекомендовано для студентов обучающихся по образовательной программе - Биотехнология.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ, ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Сельскохозяйственная биотехнология - наука о взаимодействии растений и удобрений в процессе выращивания сельскохозяйственных культур, о круговороте веществ в земледелии и использование удобрений для увеличения урожая, улучшения его качества и повышения урожая. Так же, сельскохозяйственная биотехнология - это отрасль биотехнологии, которая занимается клонированием, генетической инженерией животных, основами культивирования микроорганизмов, классификацией вакцин и технологией их приготовления, методами выделения, концентрирования и высушивания микроорганизмов и продуктов микробного синтеза, новыми направления в создании вакцин.

Современная сельскохозяйственная биотехнология - теоретическая, биологическая, и химическая дисциплина, имеющая прямые выходы в практику сельскохозяйственного производства.

Главная задача сельскохозяйственной биотехнологии - управление круговоротом и балансом химических элементов в системе почва - растение. Применение удобрений - главным образом вмешательства человека в этот круговорот. Внесение минеральных удобрений позволяет вводить новые количества элементов питания растений, а навоза и других отходов животноводчества и растениеводства, также повторное использование питательных веществ уже входящих в состав предыдущих урожаев. Применение удобрений дает возможность восполнять вынос урожаем питательных веществ и непроизводительные потери их из почвы, вследствие ветровой и водной эрозии, выщелачивание, улетучивание в атмосферу и т. д. Таким образом, не только может поддерживать, но и повышать плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур.

Сельскохозяйственная биотехнология играет важную роль в интенсивных технологических возделываниях сельскохозяйственных культур, в создании оптимальных уровней всех факторов участвующих в формировании урожая, в их наиболее благоприятном сочетании. Получения максимального экономически выгодного урожая базируется на использовании лучших сортов, обеспечении необходимых физических и химических свойств почв, комплексов применения средств химизации в период вегетации растений, своевременном и качественном выполнении всех агротехнических работ.

Она вскрывает общие закономерности процессов взаимодействия факторов среды на урожай конкретных культур. Зная эти принципиальные закономерности специалист может предвидеть в ход их течения в конкретной обстановке при различных сочетаниях факторов среды.

Основой, обеспечивающей благоприятную ситуацию для бурного развития биотехнологии, явились революционизирующие открытия и разработки:

• доказательства роли нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации в биологических системах (имеются в виду индивидуальные клетки и отдельные организмы, а не их популяции) ;

• расшифровка универсального для всех живых организмов генетического кода; • раскрытие механизмов регуляции функционирования генов в процессе жизни одного поколения организмов;

• совершенствование существовавших и разработка новых технологий культивирования микроорганизмов, клеток растений и животных;

• как логическое следствие из вышесказанного, явилось создание (возникновение) и бурное развитие методов генетической и клеточной инженерии, с помощью которых искусственно создаются новые высокопродуктивные формы организмов, пригодные для использования в промышленных масштабах.

Абсолютно новым направлением является так называемая инженерная энзимология, возникшая вследствие развития современных методов изучения структуры и синтеза белков-ферментов и выяснения механизмов функционирования и регуляции активности этих соединений (важных элементов клетки) . Достижения в этой области позволяют направленно модифицировать белки различной сложности и специфичности функционирования, разрабатывать создание мощных катализаторов промышленно ценных реакций с помощью высоко стабилизированных иммобилизованных ферментов. Все эти достижения вывели биотехнологию на новый уровень ее развития, позволяющий сознательно и целенаправленно управлять сложными клеточными процессами. Данная новая область биологических знаний и ее последние достижения уже стали крайне важными для здоровья и благополучия человека.

Понятие биотехнология может быть представлено многими определениями:

• использование биологических объектов, систем или процессов для производства необходимых продуктов или для нужд сервисной индустрии;

• комплексное применение биохимических, микробиологических и инженерных знаний с целью промышленного использования потенциальных возможностей микроорганизмов, культур клеток и отдельных их компонентов или систем; • технологическое использование биологических явлений для воспроизводства и получения (изготовления) различных типов полезных продуктов;

• приложение научных и инженерных принципов для обработки материалов биологическими агентами с целью получения необходимых продуктов или создания сервисных технологий. Биотехнология на самом деле не что иное, как название, данное набору технических приемов (подходов) и процессов, основанных на использовании для этих целей биологических объектов.

Таким образом, как это явствует из приведенных определений, биотехнология по существу сводится к использованию микроорганизмов, животных и растительных клеток или же их ферментов для синтеза, разрушения или трансформации (превращения) различных материалов с целью получения полезных продуктов для различных нужд человека. Биотехнологические направления имеют своей целью создание и практическое внедрение (т. е. практическое использование) :

• новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, используемых в здравоохранении для диагностики, профилактики и лечения различных заболеваний;

• биологических средств защиты сельскохозяйственных растений от возбудителей заболеваний и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений и животных; новых сортов растений, устойчивых к разного рода неблагоприятным воздействиям (факторам внешней среды) ; новых пород животных с полезными свойствами (трансгенные животные) ;

• ценных кормовых добавок для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных (кормового белка, аминокислот, витаминов, ферментов, способствующих повышению усвояемости кормов, и т. п. ) ;

• новых биоинженерных методов для получения высокоэффективных препаратов различного назначения, используемых в сельском хозяйстве и ветеринарии; • новых технологий создания и получения хозяйственно ценных продуктов для пищевой, химической и микробиологической промышленности;

• эффективных технологий переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов для получения продуктов, которые могут использоваться в других отраслях хозяйственной деятельности человека (например, биогаза, удобрений, топлива для автомобилей и т. п. ) . Само собой разумеется, что такие комплексные задачи требуют интеграции различных отраслей научных и технических знаний и характеризуют биотехнологию как ряд перспективных технологий, которые найдут применение в самых разнообразных индустриальных направлениях. Интеграция биологии, химии и инженерных приемов в биотехнологии осуществляется таким путем, чтобы обеспечить максимальное использование потенциальных возможностей всех входящих в нее областей знаний.

Биотехнология - междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических знаний и призванная к созданию новых биотехнологических процессов, которые в большинстве случаев будут осуществляться при низких температурах, требовать небольшого (меньшего) количества энергии и будут базироваться преимущественно на дешевых субстратах, используемых в качестве первичного сырья. Однако следует отдавать себе отчет в том, что биотехнология не является чем-то новым, ранее не известным, а представляет собой развитие и расширение набора технологических приемов, корни которых появились тысячи лет тому назад.

Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки, биотехнология - это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Однако этот термин в те годы не получил широкого распространения. Только в 1961 г. к нему вновь вернулись после того как шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" (Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на "Biotechnology and Bioengineering" (Биотехнология и биоинженерия) . С этого момента биотехнология оказалась четко и необратимо связана с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов».

Если говорить об этапах развития биотехнологии, то до последней трети XIX века длился первый эмпирических этап, при котором главную роль играл многовековой опыт биотехнологического производства. В конце XIX века, благодаря трудам Л. Пастера, были созданы предпосылки для развития микробиологии, что также сказалось и на прогрессе биотехнологии. Пастер установил, что микробы играют основную роль в процессах брожения и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют их конкретные виды. Его исследования позволили оптимизировать процессы получения вина, пива и послужили основой развития в конце XIX и начале XX века бродильного производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола и изапропанола) и других химических веществ, где использовались микроорганизмы, осуществлявшие превращения углеводов в процессе брожения. Были предприняты первые попытки наладить производство пищевых концентратов из дрожжей. В ХIX веке было также установлено, что вместо живых организмов можно использовать продукты их жизнедеятельности - ферменты. Еще в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника) . В 1891 году японский биохимик Такамине получил первый патент в США на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов. Такой важный раздел как разработка и производство вакцин и сывороток для предупреждения инфекционных заболеваний человека и животных начал развиваться после эпохальных открытий Л. Пастера, Р. Коха и Э. А. Беринга, сделанных в конце XIX века. Во время первой мировой войны в Германии в промышленных масштабах выращивали дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые добавляли в колбасу и супы, компенсируя 60% довоенного импорта пищевых продуктов. Важным этапом в развитии биотехнологии получения ценных веществ была организация промышленного производства антибиотиков. Отправной точкой здесь было открытие Флеминга, которое было подкреплено работами Х. Флори и Э. Б. Чейна по промышленному получению пенициллина (1940 г) . Нельзя не сказать об использовании микроорганизмов для минерализации различных отходов. Процесс минерализации органических отбросов, основанный на использовании активного ила был разработан в 1914 г. С тех пор он был существенно модернизирован и используется во всём мире для переработки стоков. При современной переработке стоков в анаэробных условиях смешенной микрофлоры, попутно получают биогаз (состоит, в основном, из метана и углекислого газа) . Микроорганизмы стали использоваться в получении металлов, путем выщелачивания руд. В медицине - стали применять лечебные ферменты, стероиды, новые антибиотики. Биотехнология - наукоемкая отрасль. Целью биотехнологических исследований является максимальное повышение эффективности каждого из этапов биотехнологического производства и поиск микроорганизмов, с помощью которых можно получить нужные вещества. В 60-70е гг. прошлого века все эти исследования касались только исходной обработки сырья, устройства биореакторов и получения конечного продукта. Благодаря этому был усовершенствован инструментальный контроль процесса ферментации и значительно расширены возможности крупномасштабного культивирования, что позволило повысить эффективность производства. До 70-х годов традиционная биотехнология, как научная дисциплина, была не слишком известна и представлялась скорее, как инженерная химия с микробиологическим уклоном. Т. е. в то время биотехнология занималась производством коммерческих продуктов, образуемых микроорганизмами в результате их жизнедеятельности. Тогда же было дано формальное определение биотехнологии, как «Наука о научных и инженерных принципах переработки материалов живыми организмами с целью создания товаров и услуг» или еще более точное определение: «биотехнология - наука о промышленном производстве товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов». В настоящее время идет этап молекулярно-биотехнологической революции. Формально началом можно считать 15 октября 1980 г.

Рождение сельскохозяйственной биотехнологии относится к периоду семидесятых годов прошлого столетия и связано с выдающимися мировыми открытиями в науке, кризисным положением в сельском хозяйстве многих стран, в том числе СССР, и исчерпанием использования традиционных энергетических ресурсов и резервов роста аграрного сектора экономики в США и других развитых странах. В Советском Союзе была создана «Продовольственная программа», которая по большинству показателей была выполнена.

В США в сельском хозяйстве и продовольственном обеспечении страны кризиса нет. Но Президент США поставил перед учеными страны задачу: осуществить новый этап в фундаментальных исследованиях, позволяющий более полно использовать биологические резервы науки в области фотосинтеза, биоэнергетики, селекции и трансформации растений, животных и микроорганизмов. Выполнение этого поручения базировалось на новейших мировых открытиях.

Большое значение для формирования нового стратегического направления в современной биологии имели также основополагающие работы выдающихся биологов мира Г. Бойера, С. Коена, Д. Морра, А. Баева, А. Белозерского, О. Ейвери, Г. Гамова, К. Кораны, Ф. Жакоба, Ж. Моно, Дж. Беквиста, Ю. Овчинникова, А. Спирина, решивших ряд крупнейших проблем по расшифровке генетического кода, идентификации и экспрессии генов, структуры и функций биоинженерных ферментов, биосинтеза белка у прокариот и эукариот. В пятидесятые годы в биотехнологии возникло еще одно важное направление - клеточная инженерия, основателями которого были П. Уайт и Р. Готре. В России это направление получило успешное развитие благодаря масштабным исследованиям Р. Бутенко, ее учеников и последователей.

Состояние и достижения современных сельскохозяйственных биотехнологий

Применение современных биотехнологических методов в сельском хозяйстве предвосхищает будущую сельскохозяйственную революцию, которая будет способна, как прогнозируют многие специалисты, стабилизировать сельскохозяйственное производство. Считается, что сельскохозяйственная биотехнология позволит решить продовольственную проблему для растущего населения планеты, получить продукты питания улучшенного качества и большей экологической чистоты. Биотехнология предоставляет возможность получить новые виды сельскохозяйственных культур устойчивые к болезням, с высокой урожайностью, а также новые специальные продукты, которые рынок может запросить в самом ближайшем будущем.

Таким образом, биотехнология стала весомым и перспективным фактором развития производства. Новые прогрессивные методы, прежде всего в биотехнологии, позволили фермерам ряда промышленно развитых стран, в первую очередь США и Канаде, упрочить свои лидирующие позиции в производстве и реализации сельскохозяйственной продукции. На сегодняшний день стало очевидно, что для усиления конкурентоспособности сельского хозяйства на мировом рынке необходимо усиление научных и технологических разработок в аграрном секторе. Внедрение достижений и продуктов биотехнологии позволяет решить многие проблемы энерго-, ресурсо- и финансовоёмкого производства продукции сельского хозяйства, поэтому сегодня это направление научных и практических исследований для сельскохозяйственных нужд развивается в промышленных странах особенно быстрыми темпами.

Работы по генетической модификации растений начались в 80‑е гг. прошлого века в США. В начале 90-х первые трансгенные культуры появились на американском рынке и быстро завоевали популярность у сельхозпроизводителей благодаря своей дешевизне, быстрому росту, устойчивости к всевозможным заболеваниям и высокой урожайности. Хотя первые ГМ культуры начали коммерчески выращивать в 1994 году (томаты), только в 1996 году культуры, содержащие новые признаки, стали занимать значительные площади (1, 66 млн га) . С тех пор площади ГМ культур существенно увеличились, и к 2005/2006 году они достигли 87, 2 млн га. В 2013 году общая площадь под генетически модифицированными культурами в мире превысила 175 млн га. Если говорить о доле основных коммерциализованных культур с новыми признаками (соя, кукуруза, хлопчатник и рапс), ГМО занимают 29% мировых посевов этих четырех культур. Объем рынка ГМ растений в США достигает 20 млрд. долл., а к 2020 г. возрастет до 75 млрд.

---

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.

• Информатика
• Банковское дело
• Оценка бизнеса
• Бухгалтерское дело
• Валеология
• География
• Геология, Геофизика, Геодезия
• Религия
• Общая история
• Журналистика
• Таможенное дело
• История Казахстана
• Финансы
• Законодательство и Право, Криминалистика
• Маркетинг
• Культурология
• Медицина
• Менеджмент
• Нефть, Газ
• Искуство, музыка
• Педагогика
• Психология
• Страхование
• Налоги
• Политология
• Сертификация, стандартизация
• Социология, Демография
• Статистика
• Туризм
• Физика
• Философия
• Химия
• Делопроизводсто
• Экология, Охрана природы, Природопользование
• Экономика
• Литература
• Биология
• Мясо, молочно, вино-водочные продукты
• Земельный кадастр, Недвижимость
• Математика, Геометрия
• Государственное управление
• Архивное дело
• Полиграфия
• Горное дело
• Языковедение, Филология
• Исторические личности
• Автоматизация, Техника
• Экономическая география
• Международные отношения
• ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда