Biotechnologia drobnoustrojów w laboratorium i w praktyce. Teoria, ćwiczenia i pracownie specjalistyczne - ebook

Biotechnologia, w tym biotechnologia drobnoustrojów, jest nowoczesnym i dynamicznie rozwijającym się obszarem wiedzy, integrującym osiągnięcia wielu dyscyplin naukowych z ich zastosowaniem w praktyce, w różnych obszarach działalności człowieka. Prezentowana publikacja odzwierciedla te relacje. Impulsem do przygotowana tej pozycji wydawniczej były przede wszystkim dwie książki opracowane uprzednio pod redakcją naukową Jerzego Długońskiego: Biotechnologia mikrobiologiczna. Ćwiczenia i pracownie specjalistyczne (Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, 1997) oraz Microbial Biodegradation: From Omics to Function and Application (Caister Academic Press, 2016).

Oprócz zagadnień stanowiących podstawę biotechnologii drobnoustrojów, takich jak metody pozyskiwania i hodowli mikroorganizmów czy zastosowanie ich w przemyśle i ochronie środowiska, uwzględniono nowoczesne techniki analityczne określane ogólnym skrótem „omics”, a także techniki cyfrowe wykorzystywane do rejestrowania niekorzystnych zmian zachodzących w środowisku, w tym będących skutkiem szkodliwej działalności bakterii i grzybów. Dołączono też kolorowy atlas (rozdział 8) zawierający zdjęcia makroskopowe i mikroskopowe grzybów omawianych w poszczególnych rozdziałach.

Podręcznik został przygotowany z wykorzystaniem wieloletniego doświadczenia naukowego i dydaktycznego autorów, prowadzących zajęcia na różnych kierunkach i specjalnościach nauk przyrodniczych. Zaowocowało to interdyscyplinarnym charakterem publikacji i pozwala sądzić, że będzie ona przydatna nie tylko doktorantom i studentom kierunków biotechnologia i mikrobiologia, lecz także ochrona środowiska, biotechnologie ekologiczne, ekomiasto, biomonitoring, rewitalizacja miast, jak również wszystkim zainteresowanym możliwością zastosowania najnowszych osiągnięć tych obszarów nauki w praktyce.

Wprowadzenie (J. Długoński) / 11

Wstęp do wydania podręcznika Biotechnologia mikrobiologiczna. Ćwiczenia i pracownie specjalistyczne z 1997 roku (J. Długoński) / 15

1. Metody pozyskiwania, hodowli, doskonalenia i przechowywania drobnoustrojów o znaczeniu przemysłowym / 17

1.1. Ogólna charakterystyka drobnoustrojów wykorzystywanych w procesach biotechnologicznych (J. Długoński) / 19

1.2. Pozyskiwanie drobnoustrojów przydatnych w procesach mikrobiologicznych (J. Długoński, K. Lisowska, N. Wrońska, K. Zawadzka, A. Felczak) / 21

1.2.1. Przydatność różnych środowisk do izolacji drobnoustrojów wykorzystywanych w procesach przemysłowych / 21

1.2.2. Gleba jako źródło potencjalnych producentów związków biologicznie aktywnych / 23

1.2.3. Skrining drobnoustrojów / 25

1.2.4. Gleba środowisk zanieczyszczonych jako źródło drobnoustrojów wykorzystywanych w procesach ochrony środowiska / 28

1.3. Metody hodowli oraz stabilizacji drobnoustrojów w warunkach tlenowych (z uwzględnieniem bioreaktorów i immobilizacji w żelach) (J. Długoński, P. Bernat, K. Lisowska, S. Walisch) / 35

1.3.1. Hodowla okresowa / 36

1.3.2. Hodowla półciągła – okresowa z ciągłym dozowaniem pożywki do fermentora (ang. fed-batch culture) / 39

1.3.3. Hodowle ciągłe (ang. continous culture) / 39

1.3.4. Bioreaktory do hodowli wgłębnych / 42

1.3.5. Stabilizacja drobnoustrojów na drodze immobilizacji / 44

1.4. Hodowla drobnoustrojów w warunkach beztlenowych (M. Krupiński) / 49

1.5. Protoplasty grzybów: otrzymywanie, właściwości, zastosowanie (J. Długoński, K. Paraszkiewicz, M. Słaba, K. Milczarek) / 56

1.6. Doskonalenie szczepów – mutageneza, fuzja i elektroporacja protoplastów (J. Długoński, D. Wilmańska, S. Różalska, K. Lisowska, K. Milczarek) / 61

1.7. Sposoby przechowywania szczepów przemysłowych (K. Zawadzka, N. Wrońska, S. Walisch, K. Milczarek, D. Wilmańska) / 77

Literatura / 84

2. Podstawy nowoczesnych technik wykorzystywanych w biotechnologii mikrobiologicznej i naukach pokrewnych / 89

2.1. Mikroskopia konfokalna, fluorescencyjna i spektrofluorymetria (S. Różalska) / 91

2.1.1. Zjawisko fluorescencji / 91

2.1.2. Spektrofluorymetria / 93

2.1.3. Mikroskopia fluorescencyjna i konfokalna – porównanie / 93

2.1.4. Autofluorescencja i znaczniki fluorescencyjne / 95

2.1.5. Białka fluorescencyjne / 95

2.2. Techniki izotopowe (izotopy promieniotwórcze) (J. Długoński, S. Różalska) / 100

2.3. Chromatografia (R. Szewczyk) / 103

2.3.1. Podstawowe wielkości mierzone w chromatografii / 103

2.3.2. Chromatografia cieczowa / 108

2.3.3. Chromatografia gazowa / 114

2.4. Spektrometria mas (R. Szewczyk) / 116

2.4.1. Zasada działania spektrometru masowego / 117

2.4.2. Źródła jonów i rodzaje jonów w spektrometrii mas / 118

2.4.3. Analizatory masowe / 121

2.4.4. Podstawowe tryby skanowania / 124

2.4.5. Detekcja jonów / 126

2.4.6. Zastosowanie spektrometrii mas / 127

2.5. Absorpcyjna spektrometria atomowa (M. Słaba) / 127

2.6. Nowoczesne techniki cyfrowe stosowane do rejestrowania zmian zachodzących w środowisku (A. Długoński) / 132

2.6.1. Obrazowanie satelitarne w analizowaniu dawnego i obecnego zagospodarowania terenu / 134

2.6.2. Zasady pracy wybranych systemów teledetekcyjnych / 136

2.6.3. Skanowanie pokrycia terenu z wykorzystaniem samolotu / 138 Literatura / 141

3. Określanie przynależności taksonomicznej drobnoustrojów / 145

3.1. Genotypowe techniki różnicowania i identyfikacji bakterii (M. Krupiński) / 147

3.1.1. Izolacja z gleby i identyfikacja beztlenowców metodą multipleks PCR / 151

3.1.2. Określenie przynależności gatunkowej promieniowców z rodzaju Streptomyces

w oparciu o metodę PCR 16s rRNA / 157

3.2. Grzyby należące do Mucoromycota, Ascomycota i Basidiomycota – cechy morfologiczne, biochemiczne i analiza genetyczna (M. Słaba, S. Różalska) / 165

3.2.1. Mucoromycota / 170

3.2.2. Ascomycota (workowce) / 171

3.2.3. Basidiomycota (podstawczaki) / 174

3.2.4. Identyfikacja molekularna grzybów strzępkowych / 177

3.2.5. Drożdże / 181

3.3. Biotypowanie drobnoustrojów metodami LC-MS/MS i MALDI-TOF/TOF (R. Szewczyk) / 185

3.3.1. Biotypowanie LC-MS/MS na przykładzie szczepów Mycobacterium / 187

3.3.2. Biotypowanie MALDI-TOF i MALDI-TOF/TOF / 193 Literatura / 199

4. Przemysłowe wykorzystanie drobnoustrojów / 203

4.1. Procesy biosyntezy (J. Długoński) / 205

4.1.1. Otrzymywanie i wykorzystanie biomasy drobnoustrojów (P. Bernat) / 206

4.1.2. Biosurfaktanty – mikrobiologiczne związki powierzchniowo czynne. Skrining bakterii z rodzaju Bacillus, zdolnych do produkcji biosurfaktantów o budowie cyklicznych lipopeptydów (K. Paraszkiewicz, A. Walaszczyk) / 210

4.1.3. Mikrobiologiczna produkcja enzymów z grupy hydrolaz (J. Długoński, K. Paraszkiewicz, A. Jasińska, K. Milczarek) / 222

4.1.4. Biosynteza wielocukrów (J. Długoński, S. Różalska) / 233

4.1.5. Biosynteza antybiotyków na przykładzie tetracyklin (J. Długoński, P. Bernat) / 244

4.1.6. Otrzymywanie lipopeptydów bakteryjnych z użyciem bioreaktora (P. Bernat) / 251

4.1.7. Biosynteza kwasu cytrynowego (S. Walisch, P. Bernat, K. Paraszkiewicz) / 254

4.2. Procesy fermentacji (J. Długoński) / 259

4.2.1. Winiarstwo i browarnictwo (S. Walisch, P. Bernat, K. Paraszkiewicz) / 260

4.2.2. Praktyczne wykorzystanie bakterii fermentacji mlekowej (S. Walisch, P. Bernat, K. Paraszkiewicz) / 267

4.2.3. Wykorzystanie drobnoustrojów w przemyśle piekarniczym oraz do produkcji fermentowanych produktów mięsnych i warzywnych (K. Paraszkiewicz, A. Jasińska, A. Góralczyk-Bińkowska) / 273

4.2.4. Żywność azjatycka otrzymywana przy udziale drobnoustrojów (A. Jasińska, A. Góralczyk-Bińkowska, K. Paraszkiewicz) / 287

4.3. Procesy biotransformacji (J. Długoński) / 294

4.3.1. Biotransformacja etanolu i sorbitolu (J. Długoński, S. Walisch) / 295

4.3.2. Biotransformacja steroidów (J. Długoński) / 300 Literatura / 306

5. Drobnoustroje w ochronie środowiska i zdrowia człowieka / 315

5.1. Rewitalizacja zdegradowanych terenów zieleni miast (A. Długoński) / 317

5.1.1. Interdyscyplinarność badań w rewitalizacji miejskiej: etapy pracy / 318

5.1.2. Badania terenowe z zakresu architektury krajobrazu i dyscyplin pokrewnych / 320

5.1.3. Badania laboratoryjne z zakresu biotechnologii, mikrobiologii, chemii środowiskowej i dyscyplin pokrewnych / 322

5.1.4. Łączna ocena i podsumowanie badań / 324

5.2. Analiza mikrobiologiczna skażonych środowisk – sekwencjonowanie nowej generacji (S. Różalska) / 331

5.3. Biologiczne oczyszczanie ścieków / 338

5.3.1. Biologiczne metody oczyszczania ścieków w oczyszczalniach komunalnych (K. Lisowska, K. Zawadzka) / 340

5.3.2. Oczyszczanie ścieków komunalno-przemysłowych (A. Długoński) / 342

5.3.3. Oczyszczalnie ścieków w terenie o zabudowie rozproszonej – mała infrastruktura (A. Długoński) / 344

5.4. Kompostowanie odpadów (A. Długoński, K. Lisowska) / 347

5.4.1. Kompostowanie odpadów w kompostowniach zakładów komunalnych / 347

5.4.2. Lokalne wykorzystanie odpadów z terenów zieleni miejskiej / 349

5.5. Wykorzystanie odpadów zieleni miejskiej do produkcji energii w lokalnych biogazowniach i spalarniach oraz syntezy lakaz grzybowych (A. Długoński, A. Góralczyk-Bińkowska) / 352

5.5.1. Produkcja energii / 352

5.5.2. Wykorzystanie odpadów zieleni miejskiej do biosyntezy enzymów grzybowych na przykładzie lakaz / 354

5.6. Biodegradacja toksycznych ksenobiotyków (J. Długoński) / 357

5.6.1. Bisfenol A (A. Jasińska) / 359

5.6.2. Organiczne związki cyny (P. Bernat, A. Felczak, J. Długoński) / 364

5.6.3. Zastosowanie drobnoustrojów do eliminacji pestycydów (P. Bernat) / 368

5.6.4. Nonylofenol (J. Długoński, S. Różalska) / 372

5.6.5. Jednoczesna eliminacja zanieczyszczeń pochodzenia organicznego i nieorganicznego na przykładzie alachloru i cynku (M. Słaba, J. Długoński) / 373

5.6.6. Związki heterocykliczne (A. Felczak, N. Wrońska) / 377

5.6.7. Barwniki (A. Jasińska, A. Góralczyk-Bińkowska) / 381

5.7. Mikrobiologiczna eliminacja metali ciężkich ze środowiska (M. Słaba, J. Nykiel-Szymańska) / 386

5.8. Procesy detoksykacji skażonych środowisk. Testy toksykologiczne (M. Krupiński) / 397

5.9. Wykorzystanie odpadów przemysłowych w biotechnologii mikrobiologicznej (K. Paraszkiewicz, A. Góralczyk-Bińkowska, A. Jasińska) / 403

5.10. Biodeterioracja wywołana przez grzyby (S. Różalska, M. Słaba, A. Długoński) / 411

5.11. Charakterystyka i wykorzystanie enzymów ligninolitycznych produkowanych przez grzyby w ochronie środowiska, przemyśle i medycynie (A. Jasińska, A. Góralczyk-Bińkowska, A. Długoński) / 419

5.12. Określanie właściwości przeciwdrobnoustrojowych makromolekuł (dendrymery) i nowo syntetyzowanych związków srebra (A. Felczak, K. Zawadzka) / 426

5.13. Grzyby entomopatogenne i ich wykorzystanie w biokontroli (S. Różalska) / 431

5.14. Grzyby toksynotwórcze. Poszukiwanie i identyfikacja aflatoksyn (K. Paraszkiewicz, M. Słaba, R. Szewczyk) / 436 Literatura / 447

6. Omics w biotechnologii drobnoustrojów / 459

6.1. Proteomika w analizie mikrobiologicznej degradacji ksenobiotyków (R. Szewczyk) / 461

6.1.1. Izolacja i separacja białek / 462

6.1.2. Identyfikacja białek / 466

6.2. Analiza metabolomiczna jako narzędzie służące do wielopoziomowej charakterystyki procesu biodegradacji (R. Szewczyk) / 474

6.3. Zastosowanie lipidomiki w badaniu procesów detoksykacji u drobnoustrojów (P. Bernat) / 480

6.4. Poszukiwanie biomarkerów w przemyśle i medycynie (R. Szewczyk) / 487

6.4.1. Metody analityczne / 488

6.4.2. Charakterystyka i źródła biomarkerów / 489

6.5. Analiza ilościowa pestycydów – multimetody (R. Szewczyk) / 492

6.5.1. Multimetody / 492

6.5.2. Walidacja metody / 494 Literatura / 499

7. Podłoża, bufory (K. Milczarek, N. Wrońska, A. Felczak) / 501

7.1. Podłoża / 503

7.2. Bufory / 521 Literatura / 523

8. Zdjęcia makroskopowe i mikroskopowe szczepów grzybów stosowanych w badaniach i w dydaktyce Katedry Mikrobiologii Przemysłowej i Biotechnologii Uniwersytetu Łódzkiego / 525

8.1. Zdjęcia grzybów z hodowli prowadzonych w warunkach laboratoryjnych (K. Milczarek, S. Różalska) / 527

8.1.1. Aureobasidium pullulans / 527

8.1.2. Ashbya gossypii / 528

8.1.3. Aspergillus niger / 529

8.1.4. Aspergillus versicolor IM2161 / 530

8.1.5. Chaetomium globosum / 531

8.1.6. Cunninghamella echinulata IM1785 21Gp (poprzednia nazwa C. elegans) / 532

8.1.7. Curvularia lunata IM2901 / 535

8.1.8. Curvularia lunata IM4417 / 538

8.1.9. Exophiala sp. / 539

8.1.10. Kluyveromyces marxianus / 540

8.1.11. Metarhizium robertsii IM2358 / 541

8.1.12. Mucor ramosissimus IM6203 / 542

8.1.13. Myrothecium roridum IM6482 / 544

8.1.14. Nectriella pironii IM6443 / 545

8.1.15. Paecilomyces marquandii IM6003 (obecna nazwa Metarhizium marquandii) / 546

8.1.16. Phanerochaete chrysosporium DSM1556 / 548

8.1.17. Schizosacharomyces pombe / 549

8.1.18. Serpula himantioides DSM6419 / 551

8.1.19. Stachybotrys chartarum DSM2144 / 552

8.1.20. Trametes versicolor / 553

8.1.21. Trichoderma harzianum QF10 / 555

8.1.22. Trichoderma viride IM6325 / 556

8.1.23. Umbelopsis ramanniana IM833 / 557

8.2. Fotografie drzew i drewna porażonych przez grzyby ligninolityczne (A. Długoński) / 558

8.2.1. Pleurotus ostreatus (boczniak ostrygowaty) / 558

8.2.2. Trametes versicolor (wrośniak różnobarwny) / 559

8.2.3. Heterobasidion annosum (korzeniowiec sosnowy) / 559

8.2.4. Brunatna zgnilizna drewna / 560

8.2.5. Biała zgnilizna drewna / 562

8.2.6. Szara zgnilizna drewna / 563

8.2.7. Tremella mesenterica (trzęsak pomarańczowożółty) / 564

8.2.8. Phellinus pomaceus (czyreń śliwowy) / 566

8.2.9. Piptorus betulinus (białoporek brzozowy, biała huba brzozowa) / 567

8.2.10. Fomes fometorius (hubiak pospolity) / 568

8.2.11. Współdziałanie patogenów powodujących zgniliznę drzew / 569

8.2.12. Schizophyllum commune (rozszczepka pospolita) / 570 Literatura / 571

Autorzy / 573