Вступ
Біотехнологіяметалів [metal biotechnology] — технологія витягання металів з руд,концентратів, гірських порід і розчинів з використанням мікроорганізмів або їхметаболітів (продуктів обміну в живих клітинах). В області біогідрометалургіїнайбільш вивчені і освоєні процеси купчастого і підземного вилуговування міді,цинку, урану і інших металів з бідних (забалансових) руд. Собівартість міді, щоотримується цим способом, в 1,5-2 рази нижче за відомі технології. У процесахчанового вилуговування металів біотехнологія металів застосовується припереробці тих, що миш'яковистих Аї- і Sn-містящих Cu-Zn концентратів, якінеможливо переробляти традиційними способами. Біотехнологічні схеми замкнуті,що знижує або виключає забруднення довкілля.
До новихтенденцій в розвитку біотехнології металів слід віднести збагачення гірськихпорід і руд, напр, бокситів, сульфідизацію окислених руд, біосорбцію металів зрозчинів. Використання бактерійно-хімічних способів дозволяє розширитисировинні ресурси, забезпечити комплексність використання сировини безстворення складних гірничодобувних комплексів, автоматизувати процеси,підвищити продуктивність праці і культуру виробництва, вирішити багато проблемохорони довкілля.
1.Біонеметали і біометали
У біологічнихпроцесах бере участь велике число хімічних сполук, утворених різними елементамиперіодичної системи. Організми тварин і рослин складаються із складних речовин,що включають в свій склад як елементи-неметали, так і елементи з металевимивластивостями. З неметалів особливо важливу роль грають вуглець, водень,кисень, азот, фосфор, сірка, галогени. З металів до складу тварин і рослиннихорганізмів входять натрій, калій, кальцій, магній, залізо, цинк, кобальт, мідь,марганець, молібден і деякі інші.
Для того, щобоцінити співвідношення кількостей хімічних елементів, що входять до складуживих організмів, корисно розглянути вміст біоелементів в організмі «середньої»здорової людини (вага 70 кг). Встановлено, що на 70 кг маси людини доводиться45,5 кг кисню (тобто більше половини маси), вуглецю-12,6, водню — 7,0, азоту — 2,1 кг, приблизно стільки ж фосфору. Кальцію в людині 1,7 кг, калію — 0,25,натрію — 0,07 кг, магнію — 42 г, залоза — лише 5 г (хіміки жартують, що залізав людині вистачить лише на один цвях), цинку — 3 г. Останніх металів в сумі менше,чим 1 г. Зокрема, міді — 0,2 г, марганцю — 0,02 г. [4,c.12]
Цікаво, щовходження хімічних елементів до складу живих організмів не залежить яким-небудьпростим чином від їх розповсюдженості. Дійсно, хоча найбільш поширений на земліелемент — кисень — є найважливішою складовою частиною з’єднань, що складаютьрослинні і тваринні організми, такі розповсюджуванні елементи, як кремній іалюміній, в їх склад не входять, а відносно мало поширені кобальт, мідь імолібден виконують важливу біологічну роль. Слід зазначити також, що серед біоелементів,тобто елементів, що грають важливу роль в будівництві живого організму і впроцесах підтримки його життя (обмін речовин, метаболізм), знаходяться ті, щодуже сильно розрізняються по своїх хімічних властивостях, розмірах часток іелектронній будові метали і неметали. Наприклад, серед біометалів (їх частоназивають «металами життя») є елементи, створюючи іони з благородногазовоїелектронною «підкладкою», несхильні до проявлення змінної валентності (Na+, K+,Mg2+, Са2+). Разом з цим є серед біометалів і елементи з 18-електронною (Zn2+)або недобудованої 18-електронною «підкладкою» (Cu2+, Co2+, Fe2+, Fe3+, Мо(V),Мо(VI)). Останні схильні змінювати міру окислення в ході обміну речовин.
Середперерахованих біометалів є елементи, створюючі переважно іонні (Na, До) іковалентні зв'язки (Мо, Zn); сильні комплексообразователі, такі, як Fe3+, Co2+,Cu2+, Zn2+. Проте і менш міцні комплекси, утворені, наприклад, іонами Са2+,Mg2+, Mn2+, грають важливу біологічну роль, і навіть іони щелочних металів(Na+, К+) в метаболічних процесах залучаються до утворення комплексів (заучастю макроциклічних лігандів). Встановлено, що велике значення мають розміриіонів металів, що беруть участь в процесах метаболізму [1, c. 64].
Так, наприклад,не дуже велика різниця у величинах іонних радіусів Na+ (0,98 А) і К+ (1,33 А)обумовлює дуже велику різницю в радіусах гідратованих іонів. Це наводить до неоднаковоїролі іонів Na+ і К+ в процесі метаболізму: Na+ — позаклеточний, а К+-внутріклітиннііони. Саме розміри іонів, а також характерного для даного іона типа хімічногозв'язку визначають, на які іони може заміщатися той або інший іон в процесіметаболізму. Встановлено, що іони К+ можуть заміщатися в живих тканинах накрупні однозарядні катіони лужних металів (Rb+, Cs+), а також на схожі порозмірах іони NH4+ і Т1+. Навпаки, відносно маленький іон Na+ може заміщатисялише на Li+. Інтересно, що обмін на іони Cu+ не відбувається, мабуть, із-засхильності Cu+ до утворення ковалентних зв'язків, хоча розміри Cu+ і Na+ схожі.
Дуже поважно, щоіони Mg2+ і Са2+ в біосистемах не заміщають один одного. Це зв'язано, яквважають, з більшою ковалентністю зв'язку Mg2+ з лігандами в порівнянні з Са2+.Ще більш ковалентні зв'язки з лігандами утворює Zn2+, він не заміщається наMg2+, хоча близький до нього по величині іонного радіусу.
Згідно до Б.Яцимірському, оцінку іоності і ковалентності зв'язків іонів біметалів з лігандамидоцільно проводити слідкуючим чином. Іонність зв'язку пропорційна відношеннюквадрата заряду іона до величини іонного радіусу. Це відношення для більшостііонів знаходиться в межах від 1 до 5. Лише для берилію це відношення аномальновелике і складає 11,7. Саме з цим зв'язують високу токсичність іона Ве2+.
Ковалентністьзв'язку металл-лиганд, по Яцимірському, можна оцінити як відношення
/>
де Iм і Il — потенціали іонізації (валентних станів) металу і лиганда відповідно; Sml — інтеграл перекривання орбіталей, що взаємодіють при утворенні ковалентногозв'язку. Ковалентність біометалів, охарактеризована в такий спосіб, зазвичай зміняєтьсяв інтервалі 20-135. При малій ковалентності зв'язку найбільше стійкимивиявляються з'єднання іонів металів з кислородом. У міру зростанняковалентності усе більш стійкими з’являються з'єднання із зв'язком метал-азоті, особливо, із зв'язком метал-сера. Таку ж кореляцію дає класифікація Пірсону,згідно якої «жорстка» кислота з'єднується з «жорсткою» підставою,, а «м'яка»кислота — з «м'якою» підставою [2,c.24].
Біонеорганічнахімія розглядає не лише ті елементи і їх з'єднання, які присутні в нормальнофункціонуючому живому організмі, але і ті елементи (і їх з'єднання), які, небудучи складовою частиною здорового організму, можуть надавати на нього те абоінша дія, потрапляючи в організм ззовні. Йдеться про взаємодії живого організмуз отруйними речовинами, попавшими в організм випадково або що накопичилися внім, наприклад, в результаті неправильної роботи тих або інших органів (похіднісвинцю, кадмію, ртуті і ін.).
Требавраховувати, що дуже важливим є дозування різних елементів і їх з'єднань вживому організмі. Доведено, що один і той же елемент може позитивно впливати наорганізм в цілому і одночасно бути сильною отрутою в разі його передозування.Вже згадувалося, що цинк належить до найважливіших біометалів: іони Zn2+входять до складу декількох десятків ферментів, каталізуючих протікання життєвоважливих процесів. В той же час установлено, що при дуже високому вмісті Zn2+ втканинах він оказує канцерогенна дія.
Прикладом того жтипа може бути селен, який, взагалі говоря, не зараховують до біометалів. Протеостаннім часом установлено, що зменшення вмісту селену в їжі, споживанійлюдиною за день, з 0,3-0,5 міліграмом (Японія) до 0,1-0,2 міліграма (США, ФРН)наводить до різкого зростання числа ракових захворювань грудної залози у жінок(більш ніж в 5 разів). Вважають, що низький зміст селену в харчових продуктах,що виробляються в країнах з високорозвитою хімічною промисловістю, пов'язано звеликим змістом в атмосфері з'єднань сірки, що витісняють селен з природнихоб'єктів. У Японії брак селену в їжі менший, оскільки багато харчовихпродуктів, витягуваних з моря, містять велику кількість селену.
У завдання біонеорганическоїхімії входить вивчення будови і біологічної ролі неорганічних з'єднань. Цідослідження проводять різними фізико-хімічними методами, а також методамибіології і біохімії, що включають і математичне моделювання. Біонеорганічнідослідження мають першорядну вагу для вирішення завдань медицини, охоронидовкілля, неорганічної технології. Далі ми коротко розглянемо властивості ібудову деяких лигандів, що грають найважливішу роль в біології, зокремаз'єднання, закомплексовиваючі біометали, а потім перейдемо до характеристикивластивостей найважливіших біонеорганічних з'єднань і їх ролі в процесахжиттєдіяльності тварин і рослин./>
2. Напрямки розвитку біотехнології
Біоніка – цевикористання секретів живої природи з метою створення досконаліших технічнихпристроїв. У широкому сенсі біотехнологія – це використання живих організмів і біологічнихпроцесів у виробництві, тобто виробництво необхідних для людини речовин звикористанням досягнень мікробіології, біохімії і технології.
У біотехнології використовуютьсябактерії, мікроорганізми і клітки різних тканин. На мікробіологічних заводах мікроорганізмивирощуються у величезних кількостях в апаратах «ферментерах» – циліндр, судиназ неіржавіючої сталі. У ферментер подається стерильне живильне середовище, до якоговноситься культура мікроорганізму (наприклад, дріжджів). Вміст інтенсивно перемішується,в нього подається кисень, підтримується оптимальна температура для зростаннякліток. Спеціальні датчики дозволяють автоматам стежити за рН середовища,вмістом хімічних речовин, температурою і так далі Після закінчення процесуферментації клітки відділяють від рідини за допомогою апаратів і використовуютьїх для виділення необхідних речовин.
В даний часперіод розвитку біотехнології можна охарактеризувати наступними рисами:
1) Все частішевикористовуються не самі клітки мікроорганізмів, а виділені з них ферменти.
Наприклад,дисахарид лактоза – молочний цукор – для більшості людей корисний, але деякідорослі люди взагалі не можуть пити молоко через те, що лактоза, що міститься внім, не розщеплюється через відсутність ферменту — галактозідази. У Африці цієюнедугою страждають цілі племена.
Безлактозне молокоможна отримати за допомогою ферменту лактази. Виробництво такого молоканалагоджене, наприклад, з Італії.
2) Друга область– розширення діяльності біотехнології.
Заразбіотехнологічними методами виготовляють не лише харчові продукти, але івітаміни, антибіотики, гормони, ряд інших ліків, а також незамінні амінокислоти.Людина, наприклад, не може існувати без триптофану, фенилаланина, лізину, треонина,валіну, метіоніну, лейцину і ізолейцину. Дітям потрібний і аргінін.
Останніми рокамиз'явилося нове джерело їжі – білок одноклітинних, який отримують змікроорганізмів. Його можна використовувати на корм худобі замість продуктів.
Біотехнологія прониклау виробництво металів. У нашій країні розроблена технологія бактерійно-технічногоспособу витягання золото і срібло з бідних цими металами порід. Біометалургіяекономічно вигідна і виключає забруднення довкілля.
Особливий напрямбіотехнології – медицина. Наприклад, гормон зростання секретується передньою долеюгіпофіза. При недоліку гормону – карликовість. Раніше цей гормон отримували згіпофіза трупів, а зараз отримують з кишкової палички і по біологічнійактивності цей гормон не поступається гормону гіпофіза. З незавершених грибівотриманий препарат циклоспорін, який використовується при трансплантації органівдля придушення імунних реакцій (відторгнення тканин).
3) Третя область– генна інженерія.
Потрібні штамимікроорганізмів виходять не лише відбором випадково виникаючих мутацій, але івставкою плазмид з відповідними генами.
Біотехнологіядозволила отримувати бактерії з властивостями раніше не бувалими. Одне здосягнень генної інженерії – це перенесення генів, що кодують синтез інсуліну улюдини, в клітки бактерій. Раніше цей гормон отримували з підшлункової залози тварин,частіше за свиней. В даний час отриманий інсулін за допомогою кишкової палички –це 1-й генно-інженерний білок.
Також удалосяперенести в клітки бактерій ген інтерферону, який утворюється у відповідь навірусну інфекцію. Можливо, що замість бактерій можна використовувати дріжджі.
З 30-х роківдослідники стали займатися виділенням з бактерій і грибів природних речовин зантибіотичними властивостями, тобто здатних або пригнічувати зростання, абозовсім вбивати інші мікроби. Найбагатше джерело антибіотиків – організми, щоживуть в грунті. З грибів актиноміцетів можна отримати 1500 антибіотиків. Понад50 широко застосовується в практиці. До їх числа відносяться стрептоміцин,хлорамфенікол і антибіотики тетрациклінового ряду. У медицині використовуютьметод гібридизації кліток – зливання різних кліток в одну.
Наприклад, раковіклітки і лімфоцити. Гібрид здатний продукувати антитіла і швидкорозмножуватися. Використовують як сироватку в аналізах і лікуванні.
Генна інженерія.
Cукупністьметодів, що дозволяють в пробірці переносити генетичну інформацію з одногоорганізму в іншій. Перенесення генів дає можливість долати міжвидові бар'єри іпередавати окремі спадкові ознаки одних організмів іншим. МЕТА здобуття кліток,в промислових масштабах напрацьовувати деякі білки.
1.Плазміди.
Найбільшпоширеним методом генної інженерії є метод здобуття рекомбінантних (що містятьчужорідний ген) плазмід, які є кільцевими, дволанцюжковими молекулами ДНК, щоскладається з декількох пар нуклеотидів. Кожна бактерія окрім основної, непокидаючої клітку молекули ДНК (5*106 пар нуклеотидів), може містити декілька різнихплазмід, якими вона обмінюється з іншими бактеріями. Плазміди є автономними генетичнимиелементами, реплицирующимися в бактерійній клітці не в той же час, що основнамолекула ДНК. Плазміди несуть важливі для бактерії гени, як гени лікарської стійкості.Різні плазміди містять різні гени стійкості до антибактеріальних препаратів.
Велика частина такихпрепаратів (антибіотиків) використовується як ліки при лікуванні захворюваньлюдини і домашніх тварин.
Бактерія, що має різніплазміди, набуває стійкості до антибіотиків, солей важких металів. При дії певногоантибіотика на бактерійні клітки плазміди, що додають стійкість до нього,швидко поширюються серед бактерій, зберігаючи їм життя.
Потужнимелементом генної інженерії є відкриті в 1974 ферменти – рестрікціонні ендонуклеази,або рестріктази (обмеження).
Бактерійні кліткивиробляють рестріктази для руйнування чужорідної (фагової) ДНК, що необхідне дляобмеження вірусної інфекції.
Рестріктазивзнають певні послідовності нуклеотидів (сайти – ділянки пізнавання) і вносятьсиметричні, розташовані навскоси один від одного розриви в ланцюгах ДНК нарівних відстанях від центру сайту. В результаті на кінцях кожного фрагментарестріктированної ДНК утворюються короткі одноцепочні «хвости», які називаютьлипкими кінцями [2,c.112].
2. Методи генноїінженерії.
Для здобуття рекомбінантноїплазміди ДНК однією з плазмід розщеплюється вибраною рестріктазою. Ген, який потрібноввести в бактерійну клітку, розщеплюють з ДНК хромосом людини за допомогоюрестріктази, тому його «липкі» кінці є комплементом нуклеотідним послідовностямна кінцях плазмід. Ферментом лигазой «склеюють» обоє шматка ДНК в результаті виходитьрукомбінантна кольцева плазміда, яку вводять в бактерію E. coli. Всі нащадкицієї бактерії (клони) містять в плазмідах чужорідний ген. Весь цей процесназивають клонуванням.
Висновок
Таким чином,технологія витягання металів з руд, концентратів, гірських порід і розчинів звикористанням. В області біогідрометалургії найбільш вивчені і освоєні процесикупчастого і підземного вилуговування міді, цинку, урану і інших металів збідних (забалансових) руд. Собівартість міді, що отримується цим способом, в1,5-2 рази нижче за мідь, отриману з використанням відомих технологій. Упроцесах чанового вилуговування металів біотехнологія застосовується припереробці тих, що миш'яковистих Аu- і Sn-содержащих метаколлоїдних Cu-Znконцентратів, які неможливо переробляти традиційними способами. Біотехнологічнісхеми замкнуті, що істотно знижує або виключає забруднення довкілля.
До новихтенденцій в розвитку біотехнології металів відносяться збагачення гірськихпорід і руд (наприклад, бокситів), сульфидизацию окислених руд, біосорбціюметалів з розчинів. Використання бактеріологічно-хімічних способів дозволяєрозширити сировинні ресурси, забезпечити комплексність використання сировинибез створення складних гірничодобувних комплексів, автоматизувати процеси, підвищитипродуктивність праці і культуру виробництва, вирішити багато проблем охоронидовкілля.
Списоклітератури
1. Ленський А.С. Біофізична і біонеорганічнахімія: Навчальний посібник для вузів / А.С. Ленський, І.Ю. Белавін, С.Ю.Билінкин. — М.: Медичне інформаційне агентство, 2008. — 416 с.
2. Загальна хімія. Біофізичнахімія. Хімія біогенних елементів: підручник для вузів. / Ю.А. Ершов [і ін.]; підред. Ю.А. Ершова. — Ізд.2-е, испр. і доп. — М.: Вища школа., 2000. — 560 с.
3. Загальна хімія. Біофізичнахімія. Хімія біогенних елементів: підручник для вузів. / Ю.А. Ершов [і ін.];під ред. Ю.А. Ершова. — Ізд.4-е, испр. і доп. — М.: Вища школа., 2003. — 559 с.
4. Практикум по загальній хімії.Біофізична хімія. Хімія біогенних елементів: навчальний посібник для вузів / А.В.Бабков [і ін.]; під ред. С.А. Попкова, А.С. Бабкова. — Ізд.2-е, перераб.и доп.- М., 2001.- 236 с.
5. Практикум по загальній хімії.Біофізична хімія. Хімія біогенних елементів: навчальний посібник для вузів / А.В.Бабков [і ін.]; під ред. С.А. Попкова, А.С. Бабкова.- Ізд.3-е, перераб. — М.:Вища школа, 2006. — 239 с.
6. Яцимірський К.Б. Вступ в біонеорганічнухімію / До.Б. Яцимірський. – Київ.: Наукова думання, 1976. – 144 с.