BIOTECHNOLOGIA W OCHRONIE ŚRODOWISKA

1. BIOTECHNOLOGIA W OCHRONIE ŚRODOWISKA

2. Program wykładów • Przedmiot i zakres biotechnologii. Ogólna charakterystyka metod • biotechnologicznych wykorzystywanych w ochronie środowiska • Podstawy mikrobiologii środowiska. • Taksonomia drobnoustrojów wykorzystywanych w biotechnologii środowiska. • Morfologia komórek. Metody określania liczby komórek i ilości biomasy. Warunki • wzrostu drobnoustrojów i kinetyka wzrostu. • 3. Technologie rekombinacji DNA. • Informacja genetyczna i sposoby jej przekazywania. Konstrukcja organizmów • genetycznie modyfikowanych. GMO w środowisku. • 4. Metabolizm pierwotny i wtórny. Enzymy. Metabolizm ksenobiotyków • w komórkach drobnoustrojów i ssaków • Podstawowe reguły i mechanizmy regulacji metabolizmu. Działanie i właściwości • enzymów. Mechanizmy degradacji ksenobiotyków organicznych. Metabolizm • związków azotu: reakcje nitryfikacji i denitryfikacji. Wewnątrzkomórkowa • akumulacja polifosforanów. Mechanizmy biosorpcji, akumulacji i biotransformacji • jonów metali. Reakcje detoksyfikacji ksenobiotyków w organizmach ssaków.

3. 5. Biologiczne oczyszczanie ścieków Układy technologiczne oczyszczania ścieków z zastosowaniem osadu czynnego. Parametry technologiczne osadu czynnego. 6. Biotechnologiczne metody oczyszczania powietrza i gazów odlotowych Podstawy mikrobiologii gleby. Zanieczyszczenie środowiska ropą naftową i jej produktami. Mechanizmy biodegradacji węglowodorów. Metody oczyszczania gruntów z produktów ropopochodnych. 7. Fermentacyjne technologie wykorzystania odpadów przemysłowych Biologiczny rozkład polisacharydów. Biokonwersja materiałów ligninocelulozowych i skrobiowych. Biotechnologie wykorzystania odpadów przemysłu drzewnego i papierniczego do otrzymywania drożdży paszowych, etanolu i SCP (Single Cell Protein). 8. Mikrobiologiczne ługowanie metali z rud, odpadów przemysłowych i osadów ściekowych 9. Biotechnologie odsiarczania węgla i ropy naftowej

4. 10. Biotechnologiczne metody wytwarzania chemikaliów Biotechnologie wytwarzania prostych związków organicznych. Polimery wytwarzane przez drobnoustroje. Czyste technologie z zastosowaniem drobnoustrojów w procesach przemysłowych. 11. Biologiczne metody oceny stanu środowiska Biologiczne testy toksyczności, mutagenności i kancerogenności. Biomonitoring zanieczyszczeń atmosfery. Bioindykatory i bioczujniki. Immunoanaliza zanieczyszczeń środowiska. 12.Fermentacyjne technologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej Fermentacja metanowa. Technologie otrzymywania biogazu. Biopaliwa. 13. Biotechnologiczne metody ochrony upraw rolnych i zwiększenia wydajności produkcji roślinnej Mikrobiologiczne zwalczanie owadów, chwastów i chorób roślin. Rośliny transgeniczne. 14. Biotechnologia środowiska morskiego

5. Literatura uzupełniająca: E. Klimiuk, M. Łebkowska. Biotechnologia w ochronie środowiska, PWN W-wa, 2004 W. Wardencki (red.) Bioanalityka w ocenie zanieczyszczeń środowiska, praca zbiorowa, CEEAM, Gdańsk 2004 A. Scragg, Environmental Biotechnology, Oxford University Press, 2005 Przedmiot kończy się zaliczeniem w formie kolokwium pisemnego. Konsultacje: poniedziałki, godz. 12.05 – 13.00, p. 23.

6. Przedmiot i zakres biotechnologii Charakterystyka metod biotechnologicznych wykorzystywanych w ochronie środowiska

7. BIOTECHNOLOGIA Zintegrowane zastosowanie wiedzy z zakresu biochemii, mikrobiologii i nauk inżynierskich w celu racjonalnego wykorzystania możliwości drobnoustrojów, hodowanych komórek zwierzęcych i roślinnych lub ich części dla celów przemysłowych, w rolnictwie, ochronie zdrowia i w ochronie środowiska. Biotechnologia zielona – zastosowania metod biotechnologicznych w rolnictwie Biotechnologia czerwona – zastosowania metod biotechnologicznych w ochronie zdrowia Biotechnologia biała – wykorzystanie systemów biologicznych w produkcji przemysłowej i ochronie środowiska

9. Metody biotechnologiczne Ochrona środowiska Odnowa środowiska bioremediacja oczyszczanie ścieków unieszkodliwianie odpadów oczyszczanie gazów odlotowych biomonitoring środowiska procesy biohydrometalurgiczne produkcja biopolimerów wytwarzanie biopaliw „czyste” technologie

10. Biomonitoring Bioindykatory – organizmy używane jako wskaźniki stanu środowiska Biomarkery – składniki materii ożywionej (najczęściej biomakromolekuły) używane jako elementy układów analizujących stan środowiska Przykłady: 1. drobnoustroje zawierające gen kodujący GFP pod kontrolą genu, którego ekspresja jest zależna od stanu środowiska 2. Bakterie luminescencyjne jako elementy testów toksyczności i mutagenności Biosensory – wyizolowane biomarkery wbudowane w układy pomiarowe

11. Biologiczne oczyszczanie ścieków Zastosowanie drobnoustrojów do eliminacji ze ścieków związków organicznych, związków azotu (sole amonowe, azotany, azotyny), nieorganicznych związków fosforu. Oczyszczalnie działające technologią osadu czynnego

12. Oczyszczanie gazów odlotowych Używa się bioskrubery, biofiltry i reaktory membranowe z immobilizowaną biocenozą bakteryjno-grzybową Schemat procesu oczyszczania gazów z użyciem biofiltru zraszanego

13. Bioremediacja Procesy polegające na zastosowaniu drobnoustrojów aktywnie rozkładających zanieczyszczenia (głównie ropa naftowa i substancje ropopochodne) do przywracania właściwego stanu gleby i wód gruntowych Zdjęcie lotnicze terenu zanieczyszczonego w wyniku wycieku ropy z uszkodzonego rurociągu (Bemidji, Minnesota, USA)

14. Biotechnologiczne metody wytwarzania chemikaliów Związki proste wytwarzane przez drobnoustroje Biopolimery Polisacharydy • Etanol • Glicerol • Aceton • Butanol • 1,3-propandiol • Kwas mlekowy • Kwas cytrynowy • Kwas octowy • Kwas fumarowy • Akrylamid • biosurfaktanty • Kurdlan • Dekstran • Gellan • Pullan • Skleroglukan • Ksantan Biodegradowalne tworzywa plastyczne - polihydroksykwasy R = H lub alkil (C1 do C9)

15. Procesy biohydrometalurgiczne • pozyskiwanie metali z rud • odsiarczanie paliw • ługowanie metali z popiołów i odpadów przemysłowych • ługowanie metali z osadów ściekowych

16. Fermentacyjne technologie wykorzystywania odpadów przemysłowych ścieki odpady płynne osady ściekowe odpady komunalne odpady z przemysłu rolno-spożywczego ścieki oczyszczone osady ustabilizowane Fermentacja metanowa biogaz INSTALACJA DO WYTWARZANIA BIOGAZU Z ORGANICZNYCH ODPADÓW STAŁYCH (SALZBURG, AUSTRIA)

17. Czyste technologie z zastosowaniem drobnoustrojów i enzymów w procesach przemysłowych. • Odsiarczanie ropy naftowej i węgla. Usuwanie związków azotu z ropy • Zastosowanie enzymów to produkcji proszków do prania • Zastosowanie drobnoustrojów i enzymów do biotransformacji • związków organicznych • Zastosowanie drobnoustrojów i białek ekstremofilnych w przemyśle • spożywczym • Wykorzystanie enzymów proteolitycznych i hydrolaz polisacharydów • w przemyśle tekstylnym, papierniczym i skórzanym

18. Zastosowanie GMO w ochronie środowiska • wprowadzenie do organizmu genu nadającego mu nową cechę • Przykłady: • oporność roślin użytkowych na herbicydy; • zdolność drobnoustrojów do wykorzystywania • polisacharydów jako źródła węgla; • konstrukcja drobnoustrojów zdolnych • do metabolizmu ksenobiotyków • zmiana działania istniejącego genu w sposób, który zmienia cechy organizmu • Przykład: przedłużenie trwałości pomidorów metodą technologii antysensowej • (zmniejszenie aktywności genu kodującego poligalaktouronazę) • wprowadzenie genu w celu uzyskania możliwości wytwarzania nowego produktu • GMO jako bioreaktor • Przykład: produkcja białek terapeutycznych przez komórki drobnoustrojów, • roślin i zwierząt transgenicznych

19. Międzynarodowe akty prawne zawierające wytyczne dotyczące stanu środowiska ONZ Protokół montrealski (1987) – redukcja gazów cieplarnianych, eliminacja CFC Deklaracja z Rio (1992) – konwencja dotycząca bioróżnorodności i globalnych zmian klimatycznych Dyrektywa z Kyoto (1997) -- limity emisji CO2 i kary za ich przekroczenie UE Traktat z Maasricht (1991)