В.Г. СМЕЛОВА,
учитель биологии МОСШ No 7,
г. Ноябрьск, ЯНАО, Тюменская обл.

Микроскопические грибы как объект биотехнологии

Этим уроком завершается изучение темы «Основы биотехнологии», которая самостоятельным разделом входит в тему «Основы селекции» в 11-м классе с углубленным изучением биологии.

Цель урока: усвоение учащимися знаний об использовании микроскопических грибов в пищевой, фармацевтической промышленности, сельском хозяйстве, при утилизации бытовых отходов, в качестве объекта биотехнологических исследований, направленных на оптимизацию существующих и создание новых производств.

Оборудование: таблички с терминами, прикрепляющиеся на металлическую доску с помощью магнитов, таблица «Микробные методы рециклизации» (на каждой парте), тесты для контроля знаний, костюмы для инсценировки.

ХОД УРОКА

Активизация познавательной деятельности

Восстановление в памяти изученного ранее материала.

– Какую тему мы изучаем? (Основы биотехнологии.)
– Что такое биотехнология? (Использование живых организмов и биологических процессов в производствах.)
– С какими объектами биотехнологии мы познакомились на предыдущих уроках? (С бактериями.)
– Как называется наука, изучающая грибы? (Микология.)

Изучение нового материала

Учитель формулирует основные задачи урока.

А. Краткая характеристика грибов.
Краткое повторение материала, изученного в 7-м классе по теме «Грибы». Запись в тетради вывода: «Грибы – это эукариотные гетеротрофные организмы, которым свойственны слабо дифференцированные ткани, особый химический состав клеточных стенок, а также образование спор как покоящихся структур, служащих для переживания неблагоприятных условий и распространения».
В настоящее время известно около 100 тыс. видов грибов. По образу жизни их делят на две группы:
1) сапробионты (сапротрофы, сапрофиты) – получают необходимые для питания органические соединения из органических остатков отмерших организмов;
2) биотрофы (симбионты, паразиты) – для питания используют своих партнеров или хозяев – растения, животных, водоросли, простейших, бактерии или другие грибы.

Б. Просмотр инсценировки «Микроскопические грибы» (см. «Биология», № 5/1997).

В. Обсуждение спектакля. (По ходу обсуждения на доске вычерчивается схема.)

1. Дрожжи как наиболее изученный объект биотехнологических исследований

(выступление учащегося, сыгравшего в спектакле Дрожжевую клетку)

Дрожжи – сборная группа грибов, не имеющих типичного мицелия и существующих в виде отдельных почкующихся или делящихся клеток.
Известно около 500 видов дрожжей. Все дрожжи – гетеротрофы с окислительным (дыхание) или бродильным (брожение) типом обмена веществ. Дрожжи синтезируют белки, липиды, внеклеточные полисахариды, витамины группы В. Вызывают болезни: молочницу (криптококкоз, кандидоз) и другие микозы.
Использование человеком: пивоварение, виноделие, спиртовая промышленность, хлебопечение, микробиологическая промышленность (кормовой белок, ферменты), а также как объект исследований в биоэнергетике, радиобиологии, генетике.
Большинство из используемых человеком видов относятся к роду сахаромицеты (Saccharomyces) из класса аскомицетов (Ascomycota), которые активно сбраживают простые углеводы до этилового спирта. Спиртовое брожение впервые было подробно изучено Луи Пастером.

Схема окисления углеводов до этанола:

сахар ---> пируват ---> СO₂ + ацетальдегид ---> этанол.

Наиболее детально изучена генетика пекарских дрожжей S.cerevisiae. Методами генной инженерии в хромосомы клеток дрожжей встраивают и клонируют («размножают» при репликации хромосомальной ДНК) гены, ответственные за синтез гормонов и других ценных соединений.
Свойства дрожжей, ценные для биотехнологии: быстро растут, безопасны для человека, растут на дешевой среде (парафин, меласса, метиловый спирт). Недостаток – сложно получать внутриклеточные продукты, т.к. клетки покрыты очень прочной оболочкой. Наиболее часто применяемый способ получения внутриклеточных соединений – автолиз, т.е. разрушение клетки под действием ее собственных ферментов.

Хлебопечение. Раньше в хлебопечении повсеместно использовалось дрожжевое опарное тесто. Его и сейчас широко используют для выпечки ржаного хлеба, а также в домашнем хозяйстве. Для получения такого теста используют опару – небольшую порцию теста, оставленную от предыдущего замеса или замешанную заранее, до основного замеса. В опаре содержатся и размножаются дрожжи и молочнокислые бактерии, придающие черному хлебу приятную кислинку и аромат. Дрожжевой белый хлеб выпекают безопарным способом – дрожжи помещают вместе с мукой и др. компонентами сразу в основной замес. Непосредственно перед выпечкой содержащаяся в опаре смешанная популяция стимулируется к размножению добавлением молока, воды, сахара, муки. Полученное тесто «подходит», увеличиваясь в объеме за счет интенсивного выделения СО₂ при быстром размножении дрожжей, сбраживающих углеводы.

Виноделие. На поверхности и внутри ягод живут разнообразные микроорганизмы, среди которых много дрожжей. Поэтому отжатый сок – сусло – начинает бродить без дополнительного добавления дрожжей. На этом основано кустарное виноделие.
Процессу брожения могут помешать прежде всего уксусно- и молочнокислые бактерии, нежелательные дрожжи, дрожжеподобные грибы. Чтобы исключить риск порчи виноматериала при промышленном производстве вина в виноградное сусло вводят заранее выращенные и активированные винные дрожжи. Применяемые расы дрожжей, чаще всего относящиеся к сахаромицетам, и ход процесса брожения определяют тип вина. Так, например, при изготовлении хереса используют специальные хересные дрожжи и бочки с вином не заполняют доверху (что недопустимо при изготовлении других вин).
Процессы, используемые в виноделии, подробно изучил Луи Пастер. Дрожжи сбраживают сахара, содержащиеся в виноградном соке (см. схему выше). Брожение продолжается до тех пор, пока дрожжи не израсходуют весь сахар. Дрожжи образуют спирт лишь в отсутствие кислорода или при его недостатке. Если кислорода много, дрожжи окисляют сахар полностью до углекислого газа и воды. Пока брожение протекает бурно, выделяющийся углекислый газ предохраняет поверхность сусла от взаимодействия с кислородом воздуха. Когда брожение прекращается, бочку с молодым вином надо запечатать. Если этого не сделать, уксуснокислые бактерии, используя кислород, превратят спирт в уксусную кислоту. Именно таким образом получают винный (или яблочный) уксус. На основании результатов своих исследований Пастер рекомендовал виноделам Франции соблюдать микробиологическую чистоту при приготовлении вина: тщательно мыть бочки и окуривать вино сернистым ангидридом.

Пивоварение. Пивоварение, как и винокурение, – традиционное производство во многих странах мира. Как правило, оно индустриализировано сильнее, чем виноделие, и дрожжевой компонент имеет здесь еще большее значение. Применяемые штаммы – специальные виды сахаромицетов. Сбраживающие ячменное сусло дрожжевые клетки за короткий срок доводят содержание в нем спирта до 3–5%. Чтобы замедлить слишком интенсивное размножение дрожжей и накопить продукты, придающие пиву его вкус (альдегиды, кетоны, многоатомные спирты), ферментацию проводят при низких температурах – 2–8 °С. В этих условиях дальнейшее окисление альдегидов и спиртов почти не происходит.
Многие пивоварни и сейчас оснащены открытыми бродильными чанами, и лишь крупные заводы имеют гepмeтичные емкости. Крупные дрожжевые клетки в готовом пиве отмирают и оседают, небольшая их доля остается во взвеси, и продолжающееся брожение пива в емкостях для хранения обуславливает насыщение его углекислым газом.

2. Пенициллы

(сообщение учащегося)

Род Пенициллиум (Penicillium) относится к порядку гифомицетов (Hyphomycetales) из класса несовершенных грибов (Deuteromycota). Естественное местообитание этих грибов – почва, они часто обнаруживаются на самых разных субстратах, главным образом растительного происхождения.
Еще в XV–XVI вв. в народной медицине при лечении гнойных ран использовалась зеленая плесень. В 1928 г. английский микробиолог Александр Флеминг заметил, что пеницилиум, случайно попавший в культуру стафилококка, полностью подавил рост бактерий. Эти наблюдения Флеминга легли в основу учения об антибиозе (антагонизме между отдельными видами микроорганизмов). В развитии исследований микробного антагонизма значительную роль сыграли Л.Пастер, И.И. Мечников.
Противомикробное действие зеленой плесени обусловлено особым веществом – пенициллином, выделяемым этим грибом в окружающую среду. В 1940 г. пенициллин был получен в чистом виде английскими исследователями Г.Флори и Э.Чейном, а в 1942 г., независимо от них, советскими учеными З.В. Ермольевой и Т.И. Балезиной. Во время второй мировой войны пенициллин спас жизни сотен тысяч раненых. Спрос на пенициллин был так велик, что его производство увеличилось с нескольких миллионов единиц в 1942 г. до 700 млрд единиц в 1945 г.
Пенициллин применяют при пневмонии, сепсисе, гнойничковых заболеваниях кожи, ангине, скарлатине, дифтерии, ревматизме, сифилисе, гонорее и других заболеваниях, вызванных грамположительными бактериями.
Открытие пенициллина положило начало поиску новых антибиотиков и источников их получения. С открытием антибиотиков появилась возможность успешного лечения почти всех инфекционных заболеваний, вызываемых микробами.
Но зеленые плесени успешно применяются не только в медицине. Большое значение имеют пенициллы вида P.roqueforti. В природе они обитают в почве. Мы хорошо знакомы с ними по группе сыров, характеризующихся «мраморностью»: «Рокфор», родиной которого является Франция, сыр «Горгонцола» из Северной Италии, сыр «Стилон» из Англии и др. Всем этим сырам свойственны рыхлая структура, специфический «плесневелый» вид (прожилки и пятна голубовато-зеленого цвета) и характерный аромат. P.roqueforti нуждается в малом количестве кислорода, выносит высокие концентрации углекислого газа.
При приготовлении мягких французских сыров «Камамбер», «Бри» и некоторых других используются P.camamberti и P.caseicolum, которые образуют на поверхности сыра характерный белый «войлочный» налет. под воздействием ферментов этих грибов сыр приобретает сочность, маслянистость, специфические вкус и аромат.

3. Аспергиллы

(сообщение учащегося)

Аспергиллы, так же как и пенициллы, относятся к классу несовершенных грибов. Естественное их местообитание – верхние горизонты почв, особенно в южных широтах, где их чаще всего обнаруживают на различных субстратах, главным образом растительного происхождения. Большинство представителей этого рода – сапрофиты, но встречаются и условные патогены человека и животных, которые, например, у людей с ослабленным иммунитетом могут вызывать заболевания – аспергиллезы.
Грибы видов A.flavus и A.oryzae – главные компоненты сообщества плесневых грибов, развивающихся на зерне и семенах, главным образом на рисе, горохе, соевых бобах, арахисе. Они продуцируют ферменты: амилазы, липазы, протеиназы, пектиназы, целлюлазы и др. Именно поэтому A.oryzae и родственные ему виды используются на Востоке для пищевых целей в течение многих столетий. Спиртовая промышленность Японии и других стран Востока, в которых для изготовления рисовой водки сакэ требуется сначала осахарить крахмал риса, целиком основана на ферментативных свойствах грибов этой группы. Традиционный соевый соус «сэю», соево-рисовый соус «тыонг» (Вьетнам), суповая заправка на основе соевых бобов «мисо» (Япония, Китай, Филиппины) и другие продукты питания изготавливают с использованием аспергиллов.
Широкое применение в биотехнологии получила способность A.niger и других видов этой группы к образованию лимонной, щавелевой, глюконовой, фумаровой кислот. Кроме органических кислот аспергиллы, и в частности A.niger, cпocoбны cинтeзиpoвaть витамины: биотин, тиамин, рибофлавин и др. Это их свойство находит промышленное применение.

4. Хищные и паразитические грибы в борьбе с вредителями сельскохозяйственных культур

(сообщение учащихся)

Хищные грибы – наиболее специализированные представители царства грибов. К ним относятся, например, представители родов Stylopage и Arthrobotris из порядка гифомицетов. Одним из первых изучением хищных грибов занимался И.И. Мечников. В процессе эволюции у хищных грибов развился целый ряд приспособлений для захвата мелких животных, которых они используют в пищу. По механизму действия эти приспособления могут быть трех типов: в виде липких сетей гифов, маленьких головок или петель гифов. Хищные грибы способны поймать и использовать в пищу нематод, коловраток, простейших или мелких насекомых.
Хищные грибы обитают в почве, где их мицелий развивается на растительных остатках и других органических субстратах, но часть питания они получают из тканей своих жертв. Тело жертвы является для них, как и для хищных животных, только пищей, а не средой обитания, как для паразитов. Захват жертвы хищником (в данном случае грибом) представляет собой единичный акт, а не процесс совместного существования, как при паразитизме.
Артроботрис – первый описанный в литературе хищный гриб. Жертвы гриба – обычные сапрозойные нематоды или свободноживущие личинки нематод, патогенные для растений, животных и человека. Реже грибы ловят амеб или других мелких корненожек, а некоторые – мелких насекомых, причем могут удерживать животных, значительно превосходящих их по размерам.
Активное улавливание хищными грибами нематод, способность их существовать в почве, возможность выращивания в культуре в больших количествах давно привлекали внимание исследователей к этим грибам как к возможным средствам в биологической борьбе с нематодами. Однако обнадеживающие результаты, полученные при проведении испытаний в теплицах, при более широкой апробации не подтвердились. Причина мoжeт крыться в недостаточном знании экологии хищных грибов, что не позволило предвидеть их поведение в почве и регулировать его.
Род септобазидиум насчитывает более 180 видов. Эти грибы растут на живых растениях, пораженных щитовкой. Их плодовые тела – широкораспростертые, пленчатые, – встречаются на ветвях и листьях растений, а под ними всегда можно найти щитовок, на которых гриб паразитирует, хотя некторые насекомые остаются непораженными.
Первые описания септобазидиума относятся к концу XVIII в. Но лишь в 1907 г. Генел и Литшауер обнаружили, что эти грибы всегда связаны со щитовками. Дальнейшие исследования показали, что гриб и насекомое связаны между собой сложными мутуалистическими отношениями. Особенности биологии этого рода были подробно изучены американским микологом Коучем на септобазидиуме Бурта (Septobasidium burtii).
Под защищающей пленкой гриба, в его сложном лабиринте, живут щитовки. Некоторые из них остаются здоровыми на протяжении всей жизни, другие заражаются грибом. Здоровые и зараженные насекомые хорошо различаются: больные меньше, у них отсутствует восковой щит и они никогда не размножаются. В мае наблюдается наиболее обильное спороношение гриба. В это же время от перезимовавших самок рождаются личинки щитовок первого поколения. Одни личинки остаются жить под грибом, где они родились, другие передвигаются в соседнюю колонию, а третьи выбирают себе место на коре, где нет гриба.
Именно эти личинки и обеспечивают размножение гриба, т.к., перемещаясь по растению, они уносят на себе споры гриба, которые в дальнейшем прорастают в полость тела насекомого. Через некоторое время гифы гриба образуют над телом насекомого покрывало. Для дальнейшего роста гриба необходимо, чтобы под ним нашли убежище новые личинки, зараженные спорами. Гриб привлекает их запахом, на который ползут насекомые (положительный хемотаксис). Пораженные грибом насекомые живут дольше, чем не пораженные. Таким образом, распространение и рост септобазидиума зависят исключительно от щитовок, но совместная жизнь выгодна и насекомому. Здоровые щитовки никогда не заражаются гифами гриба и находят под ним защиту от неблагоприятных климатических условий, а также от своих врагов – птиц и перепончатокрылых насекомых-паразитов.
Попытки использовать септобазидиум и другие хищные грибы для борьбы с вредителями иногда увенчивались успехом. Значительные трудности в расширенном использовании этого способа обусловлены особенностями роста патогена. Лишь в некоторых случаях удается получить достаточное количество хищных грибов для заражения популяции вредителей, т.к. для размножения грибов, как правило, требуется вначале массово размножить насекомых-вредителей.

5. Рециклизация – утилизация мусора

В мире ежегодно образуется огромное количество бытового мусора и отходов сельского и лесного хозяйства. Древесина и солома, а также бумажные отходы, которые составляют почти половину мусора, состоят из трех главных компонентов:

Избавляться от отходов следует, с одной стороны, как можно меньше загрязняя окружающую среду, а с другой – извлекая из них как можно больше энергии и углерода органических соединений. В настоящее же время отходы чаще всего сжигают или захоранивают необработанными, не получая в последнем случае даже тепловой энергии.

Однако возможны альтернативные подходы на основе использования грибов в сочетании с другими микроорганизмами. Один из путей рециклизации – разведение на древесных отходах съедобных грибов и кормовых дрожжей, но в общей сложности так перерабатывается не более 2% органических отходов.

Для разложения целлюлозы и лигнина предпочтительнее использовать именно грибы, т.к. активности содержащихся в них ферментов – целлюлаз и лигниназ – выше, чем у ферментов бактерий, особенно в кислой среде, которая свойственна древесным отходам (бактерии предпочитают слабощелочную среду).

Работа с табл. 1.

Таблица 1. Методы рециклизации с использованием грибов

6. Выводы по теме

Не бывает «хороших» и «плохих» грибов, все они – неотъемлемая часть микромира, обеспечивающего круговорот веществ в биосфере.

Таблица 2. Свойства грибов

Человек должен изучать грибы, чтобы уменьшить или предотвратить наносимый ими вред и с пользой применять в практике своего хозяйствования.

Закрепление изученного материала

Для закрепления изученного материала учащиеся выполняют два варианта тестовых заданий.

Тестовые задания

Вариант 1

Выпишите номера предложений, отметьте знаком «+» правильные.

1. Биотехнология изучает возможности использования живых организмов и биологических процессов в производствах.
2. Микология – это наука о бактериях.
3. По образу жизни различают три группы грибов – сапротрофы, паразиты и фотоавтотрофы.
4. Дрожжи – это многоклеточные грибы.
5. В хлебопечении и виноделии используют дрожжи рода сахаромицетов.
6. Кустарное виноделие основано на том, что на плодах всегда имеются дрожжи.
7. Плесневые грибы вырабатывают антибиотики для того, чтобы приносить пользу человеку.
8. Ферментативная активность грибов при разложении древесины выше ферментативной активности бактерий.
9. К группе хищных грибов относятся артроботрис, метаризиум и аспергилл.
10. И.И. Мечников одним из первых начал изучать хищные грибы.

Вариант 2

Выпишите номера вопросов и рядом запишите буквы правильных ответов.

1. Наука, изучающая возможности использования живых организмов и биологических процессов в производстве, называется:
а) микология; б) биотехнология; в) микробиология.

2. Биотехнологическим процессом можно считать:
а) сыроварение; б) виноделие; в) хлебопечение; г) все перечисленное.

3. Сборная группа одноклеточных грибов называется:
а) бактерии; б) архебактерии; в) дрожжи; г) слизевики.

4. К хищным грибам относится:
а) пеницилл; б) аспергилл; в)дрожжи; г) артроботрис.

5. Грибы играют важную роль в рециклизации мусора, бытовых отходов и отходов сельского хозяйства:
а) да; б) нет.

6. Первым антибиотиком, полученным при помощи плесневых грибов, был:
а) пенициллин; б) тетрациклин; в) левомицитин; г) стрептомицин.

7. Микроскопические грибы используются при производстве:
а) ферментов, б) антибиотиков; в) органических кислот; г) все ответы верны.

Ответы:

1-й вариант. 1+, 2–, 3–, 4–, 5+, 6+, 7–, 8+, 9–, 10+.

2-й вариант. 1б, 2г, 3в, 4г, 5а, 6а, 7г.

3адание на дом

Изучить записи, подготовиться к зачету по теме «Биотехнология».