Областта на синтетичната биология е в разцвет през последното десетилетие, оказвайки голямо влияние върху области като метаболитно инженерство, протеиново инженерство, дигитална биология и инженерство на целия геном.

Биосензори и биочип технологии: Принос към бъдещия устойчив живот

Областта на синтетичната биология е в разцвет през последното десетилетие, оказвайки голямо влияние върху области като метаболитно инженерство, протеиново инженерство, дигитална биология и инженерство на целия геном. В рамките на итеративните цикли на развитие „дизайн-изграждане-тест“ се е осъществила значителна част от иновациите в синтетичната биология. В областта на синтетичната биология напредъкът може да бъде свързан с иновации във всеки от процесите на „дизайн“, „изграждане“ и „тестване“. Например, имаше голям натиск за стандартизиране на елементите в рамките на синтетичната биология, като значително внимание се отделя на модулността и компонентите „включи и играй“. Тази модулация, заедно с ускорения напредък в системната биология, позволи на етапа „дизайн“ да стане по-малко отнемащ време и по-малко зависим от напредналите знания. През последните години разходите за ДНК секвениране и синтез също драстично намаляха, което позволи да се синтезират евтини големи конструкции. Във фазата „изграждане“ това улесни бързо подобрение, като помогна на изследователите да изследват по-голям процент от пространството на биологичния разтвор. И накрая, в рамките на „тестовата“ фаза на синтетичната биология, високопроизводителният скрининг също се превърна във фокусна точка. Увеличеният потенциал за „дизайн“ и „изграждане“ допринесе за повишено търсене на успех в оценката на изобилието от нови проекти. На свой ред това беше направено чрез включване на роботи и анализи с висока производителност в лабораторните условия, при които новите модели могат да бъдат оценени до ниво, което не е постижимо за човешки изследователи.

Биосензорите представляват новаторска развиваща се технология за високопроизводителен скрининг, която може да бъде лесно внедрена в практиката. Най-точно те са класифицирани като аналитичен инструмент, състоящ се от биологични компоненти, използвани за откриване и генериране на сигнал за наличието на целеви лиганд. Синтетичната биология е в челните редици на биосензорите, както като инструмент за високопроизводителен скрининг, така и като пряк резултат от развитието в областта на самата синтетична биология. В допълнение, поради несравнимата специфичност и чувствителност, която биологичните части предоставят по отношение на конвенционалните аналитични методи, биосензорите придобиха разширен интерес като алтернатива на традиционните анализи.

Дизайнът и изграждането на биосензори е мултидисциплинарно начинание и може да включва опит в области като протеиново инженерство, молекулярна биология, афинитетна химия, молекулярна динамика на нуклеинова киселина, материалознание и нанотехнологии. Биосензорите се свързват с целевия лиганд на най-простия им етап, претърпяват някакъв вид модификация и извеждат сигнал. Има голямо разнообразие от потенциални конфигурации във всички части на този процес. Таргетните лиганди варират от единични атоми като калций до цели протеини като тромбин през цялото време. Различни процеси като ензимна активност, флуоресценция, генериране на електрически ток и транскрипционна активност представляват изходни сигнали. Механизмите, които превръщат разпознаването на лиганди във функционални сигнали, са също толкова разнообразни.

В областта на анализа биосензорите представляват значителна стъпка напред. За да се отдалечи анализа от чисто физически или химически базирани рамки, започна интеграцията на биологичните компоненти в сензорната диагностика. Това позволи на аналитичните функции, които не са добре адаптирани към конвенционалните методи, да провеждат голямо разнообразие и специфичност на биологичните компоненти. Теоретичните и демонстрирани биосензорни приложения обхващат значителен кръг от човешкото общество и дейност. Приложенията за биосензори са групирани в три широки категории, в зависимост от скалата им за измерване.

• Групова диагностика: екологични, селскостопански и промишлени приложения
• Диагностика на точка на употреба: Медицински приложения и приложения за сигурност
• Едноклетъчна диагностика: Метаболитно инженерство и приложения за синтетична биология

Настоящото производство на храни е изправено пред огромни предизвикателства от нарастващото човешко население, поддържането на чисти ресурси и качеството на храните и опазването на околната среда и климата. Устойчивостта на храните е основно съвместно усилие, което води до развитието на технологии, финансирани както от правителства, така и от компании. Подкрепени са няколко опита за преодоляване на предизвикателствата и подобряване на двигателите в производството на храни. Чрез своите приложения биосензорите и биосензорните технологии се използват широко за решаване на основните предизвикателства на производството на храни и тяхната устойчивост. В резултат на това нараства нуждата от биосензорна технология в областта на устойчивостта на храните. Една такава технологична система, съчетаваща няколко технологии е микрофлуидиката. Наноматериалите, с тяхната биосензорна технология, са известни като най-иновативният инструмент, подпомагащи световното население при справяне със здравните, енергийните и екологичните проблеми. Необходимостта от технология за точково обслужване (POC) в тази област се фокусира върху аналитични инструменти, които са бързи, прости, прецизни, компактни и евтини.

За нашето съществуване и живот храната с нейната производствена индустрия е от съществено значение, както и нейната устойчивост има важна  роля за непрекъснатия човешки растеж на планетата. Настоящото производство на храни е изправено пред огромни трудности от увеличаването на човешкото население, поддържането на чисти ресурси и качество на храните, както и опазването на околната среда и климата. Някои от тези въпроси произтичат от самото производство на храни, а други произтичат от други индустрии, свързани с производството на храни. Оплакванията от храни например нанасят сериозни щети на доверието и престижа на различните марки, с прогноза от 15 милиона долара на инцидент през последните няколко години. 48 милиона случаи на заболявания са отговорни за 3000 смъртни случая годишно поради патогени, пренасяни с храна.

Безопасността на храните е до голяма степен съвместни усилия, произтичащи както от правителствата, така и от компаниите в технологичното развитие. За да поставят нови предизвикателства по въпросите за безопасността на храните, информационните технологии като „blockchain“ технологията могат да ускорят комуникацията между институциите, отговорни за качеството на храните, медиите и потребителите. Пет предизвикателства могат да бъдат обобщени като основни за устойчивостта на производството на храни: предизвикателство за производството на безопасни и сигурни храни; предизвикателство за качество на разнообразието и качество на храните; икономическо предизвикателство във водещата хранителна система, включително нейната опаковка и верига на доставки; екологично предизвикателство, включително преработката на хранителни отпадъци и инженерно предизвикателство при създаването и генерирането на нова храна.

По принцип биосензорът е аналитичен инструмент, използван за измерване на интересуваща ни молекула в дадена проба (мишена). Като цяло се използва уникален за мишената фактор за биоразпознаване (аптамер, антитяло, ензим и др.). Физиохимичен или биологичен сигнал се предизвиква от събитията на молекулно разпознаване между разпознаващия елемент и целевото съединение, което се трансформира в измеримо количество от преобразувателя. Сигналите се показват или в оптичен (колориметричен, флуоресцентен, хемилуминесцентен и плазмонен повърхностен резонанс), електрически (волтаметрия, импеданс и капацитет) или в друг избран формат (Фигура 3).

Фигура 3 – Класификация на биосензорите въз основа на преобразуватели и елементи за биоразпознаване, използвани при анализа на храните

Като една от основните цели на анализа на храните, безопасността на храните е основен здравен проблем както за животните, така и при човека. Напредъкът на аналитичната технология за безопасност на храните означава, че тя процъфтява в съответствие с нарастващия интерес и акцент върху проблемите на безопасността на доставките на храни. В анализа на безопасността на храните традиционните подходи са трудоемки, отнемат много време и се нуждаят от обучени техници. Прилагането на микрофлуиди в анализа на безопасността на храните дава нова наскока за това как ефективно и бързо да се открият хранителни токсини, алергени, патогени, опасни вещества, тежки метали и други замърсители. Характеристиките на микрофлуидиката, като например способността за миниатюризиране, компактните и редуцируеми количества проби и реактиви, го правят перфектна технология за развитие на устойчивостта на храните. Сложното приготвяне на хранителна матрица и трудните етапи на производство са настоящите предизвикателства при прилагането на микрофлуиди към определяне устойчивостта на храните. Тези предизвикателства могат да бъдат решени чрез използване на физични свойства в зависимост от конкретни целеви цели, проектиране на сложни микрофлуидни платформи за анализ на реални храни и включване в микрофлуидни системи на биомолекули като хранителни протеини и ДНК.

Наноматериали в биосензорната технология

Със своята биосензорна технология наноматериалите са най-обещаващият инструмент за справяне със здравните, енергийните и екологичните проблеми, свързани с населението по света. Частици, по-малки от 100 nm, са известни като наноматериали. Тези наноматериали са биокомпозитни полимери на базата на метал, метален оксид и въглерод и са установени различни видове наночастици, като магнитно желязо, алуминий, злато, сребро, мед, силициев диоксид, цинк, цинков оксид, цериев оксид и наночастици от титанов диоксид и единични/многостенни въглеродни нанотръби (CNTs). Нанотехнологиите и тяхното селскостопанско приложение бяха значително разширени в различни области. Тези области включват производство на храни, растителна защита, откриване на патогени и токсини, пречистване на води, пакетиране на храни, изхвърляне на отпадъчни води и възстановяване на околната среда. Подобряването на продуктивността и производителността на приложенията е приоритет на тези селскостопански области.

В областта на безопасността и защитата на храните са разработени биосензорни технологии за откриване на хранителни вещества, патогени и токсини, както е изброено по-долу.

Откриване на хранителни вещества

Мерките за защита на храните могат да бъдат разделени на две категории: загуба след прибиране на реколтата и биосигурност на храните. Биосигурността на храните означава замърсяване и разграждане на храните, което е разгледано в по-късните раздели чрез екологична, политическа, несправедлива икономическа печалба, война или отмъщение. Загубата след прибиране на реколтата, от друга страна, предполага хранителните вещества и ядивните условия в храните, които трябва да се поддържат между периода на прибиране на реколтата и момента на консумация. Тъй като времето се различава от минути до години, за поддържане и намаляване на загубите, технологиите, фокусирани върху намаляване на загубите след прибиране на реколтата, са важни.

За да се поддържа качеството на храната и да се избегнат загубите след прибиране на реколтата, могат да се използват нови технологии като биосензорите. Такива са разработени например за откриване и анализ на количества подсладители в храни, като могат да се използват за откриване както на естествени, така и на изкуствени подсладители. Подсладителите се използват широко в производството и преработката на храни, но наскоро бяха идентифицирани при хората като причиняващи здравословни проблеми. Разработен е многоканален биосензор за използване на електро-физиологично наблюдение от вкусовия епител за откриване и анализ както на естествени, така и на изкуствени подсладители. За откриване на дългосрочни сигнали съответно от захароза, глюкоза, цикламат и захарин, сигналите се изследват чрез пространствено-времеви техники. Биосензорът може да прави разлика между различни концентрации с дозозависими повишени реакции на вкусовия епител от различни подсладители. Той също така може да прави разлика между два естествени подсладителя: захароза и глюкоза, с два сигнала. За глюкозата обхватът на откриване е 50-150 mM, а за захарозата 5-15 mM.

Откриване на патогени

Поради намаленият си формат, биосензори, предназначени за откриване на патогени, като бактерии (Таблица 1) и гъби (Таблица 2), бяха разработени преди повече от две десетилетия – едно устройство за справяне с множество проблеми и откриване на сигнал от няколко панела. Мотивът на лиганда е решаващ елемент в дизайна на биосензора за откриване на патогени, тъй като определя чувствителността и ефективността на устройството. Целта е да се създаде бърза, специфична и чувствителна платформа за откриване в проби от храни за наличието или отсъствието на патогени. Открито е, че няма идеален лиганд, а различните лиганди имат различни предимства. Комбинацията от биорецептори за откриване на голямо разнообразие от микроорганизми в различни проби поставя настоящи предизвикателства при разработването на биосензори за патогени; нов дизайн на синтетичен лиганд като аптамери, малки молекули и пептиди, както и включването на различни лиганди в преносимо устройство за постигане на бърза, ефективна и евтина детекция.

Откриване на токсини

Основно направление в развитието на безопасността на храните са електрохимичните биосензори за бързо откриване и оценка на хранителни токсини. Разработени са множество платформи, които позволяват на персонализирани и индивидуализирани устройства да отговарят на определени екологични и организационни изисквания и да достигнат нивата на лимитите на детекция от nM до fM. Например, за да се насърчат уникалните профили на свързване, биорецепторните масиви се насочват към отделни електроди, функционализирани с различни биорецептори. В допълнение към електрохимичното биологично изследване, откриването на токсини и химикали в производството на храни е постигнато и с друг тип биосензори като оптично и пиезоелектрично измерване (Фигура 4). За да се установят токсините, флуоресцентни наночастици се свързват с храните, което може да се осъществи на повърхността и вътре в храните.

Фигура 4 – Преобладаващи замърсители на храните и целевите аналити в хранително-вкусовата промишленост [56] Екстракцията на токсини от сложни хранителни проби е една от основните пречки при създаването на напълно автоматизиран детектор на токсини. За да се оценят автоматично техните вредни нива от проби от храни и вода, се очаква потенциалните системи да извличат, обработват и измерват токсините. При идентифицирането, дискриминирането и количественото определяне на химичните токсини в хранителните матрици, се съчетават сложни стратегии за разделяне с повърхностно усилено раманово разсейване (SERS). Освен това, въпреки че обикновено са в по-ниски количества, химическите замърсители от преработката на храни могат да бъдат предизвикателство. По-ниската стабилност, селективност и чувствителност са друго предизвикателство при откриването на токсини в храните, където молекулярно отпечатаните полимери (MIPs) могат да бъдат решение за осигуряване на стабилни и евтини алтернативи.

Тежките метали като Ag⁺, As³⁺, Cd²⁺, Hg²⁺, Pb²⁺ и Zn²⁺ са известни като химически замърсители, които образуват стабилни окислени състояния и пречат на метаболитните пътища, което води до здравословни проблеми. Биосензорите на базата на аптамер и ДНК могат да откриват тежки метали както на наноразмерни, така и на много мащабни нива, които са подходящи за скрининг и мониторинг на безопасността на храните. За да се открие арсенат в храната, биосензорът за откриване на тежки метали се основава на генетично модифицирани бактериални клетки и зелен, флуоресцентен усилвател на сигнал. С обхват на откриване от 5-140 μg/L арсен, неговото установяване продължава само един час и може да бъде интегрирано с оптична изходна мощност. Други технологии за биосензор, като аптамери, наночастици и графенови електроди, са успешно приложени за идентифициране и оценка на арсен, с потенциал да бъдат произведени като бързи, прости, лесни за използване и евтини устройства.

Нанотехнологиите са адаптирани към две отделни области на селскостопанските хранителни пестициди: като пестициден вектор за доставка на пестициди за управление на пестициди и като детектор за следи от пестициди. В първото направление наночастиците са в състояние бавно да насочват пестицидите към инсектите-вредители, което помага за предотвратяване на замърсяването на подземните води и горния слой на почвата, намаляване на нивата на пестициди и подобряване на ефективността. Във втората област, био- или биомиметично базирани нанотехнологии, като антитела, ензими, аптамери и MIP-подобни макромолекули, подобряват стабилността, селективността, чувствителността и скоростта на откриване на остатъчни концентрации от тях. Освен това, бактериалните, гъбните, водорасловите и клетките на бозайници са биосензори на клетъчна основа, използвани при откриването на пестициди и хербициди, помагайки за създаването на бързи, надеждни и рентабилни инструменти в реално време за процедури за обеззаразяване и превантивни мерки при инциденти.

Канцерогените, миризмите и морските замърсители са други токсини, които са значителни при производството на храни. Канцерогените са сложна група от токсини в следови концентрации, като пестициди, тежки метали, микотоксини и акриламид, при които трудността при идентифицирането е предизвикателство. Прилагането на аптамери, нанотехнологии и биочувствителни материали са оптимистични подходи с обещаваща бъдеща употреба. Чувствителни и разтворими молекули, ефективни при откриване на миризми, са свързващи миризмата протеини. В тази насока е разработен наносензор, съчетаващ локализиран повърхностен плазмонен резонанс (SPR) и малки свързващи аромати протеини от пчели, чйито обхватът е 10 nM – 1 mM. За наблюдение и запазване на стабилна среда за морските хранителни системи се налага откриване и на морски замърсители. Поради тяхната висока чувствителност, миниатюрни размери, безжична комуникация и малки мрежи, биосензорите могат да бъдат приложени към безопасността на морските храни, за да бъдат утвърдени като усъвършенствани инструменти за анализ и мониторинг.

Друг комплект за разработване на биосензори за безопасност на храните се фокусира върху откриването на генетично модифицирани организми (ГМО) в хранителните продукти. От 90-те години на миналият век ГМО във всички области на селскостопанските продукти се считат за биотехнологична революция. Понастоящем, повече от 45 % от соята в света, 40 % от царевицата и 50 % от памука са ГМ продукти и ГМ се използва и за фуражи за добитъка. Последните изследвания обаче показват, че ГМО продуктите могат да повлияят на човешките и животинските органи чрез стомашно-чревни проблеми, резистентност към антибиотици, алергенност, разновидност от разграждане на селскостопанските продукти и нежелан приток на гени към други видове. Биосензорите са предназначени за измерване на ГМО в храни и фуражи, използвайки изотермична амплификация на ДНК и бързо откриване на сигнали за идентифициране на гени за ГМ. Откриването на неидентифицирани ДНК гени, които могат да бъдат разрешени чрез високопроизводителна технология като комбинацията от биочувствителност и масиви, и разработването на бази данни за гени с ГМО са ключовите предизвикателства при детекцията на ГМО.

Биосензори и биочипове за мониторинг на околната среда

Поради силната връзка между замърсяването на околната среда и човешкото здраве/социално-икономическия прогрес, мониторингът на околната среда се превърна в един от приоритетите в европейски и световен мащаб. Биосензорите обикновено се използват като икономически ефективни, бързи, in situ и аналитични техники в реално време в тази област. Неотдавнашното развитие на биосензори с нови трансдукционни материали, получени от нанотехнологиите и за мултиплексно откриване на замърсители, включващи мултидисциплинарни експерти, обяснява необходимостта от компактни, бързи и интелигентни биосензорни устройства. Съществуват няколко скорошни разработки в мониторинга на замърсителите на въздуха, водата и почвата чрез биосензори при реални условия, които установяват наличието на пестициди, силно токсични компоненти и малки органични молекули, включително токсини и химикали, разрушаващи ендокринната система.

Биосензорите, използвани при мониторинга на околната среда, могат да бъдат категоризирани като оптични (включително оптични влакна и повърхностни плазмонни резонансни биосензори), електрохимични (включително амперометрични и импедансни биосензори) и пиезоелектрични (включително биосензори с кварцов кристал за микробаланс) въз основа на тяхната трансдукция или като имуносензори, аптасензори, геносензори и ензимни биосензори въз основа на техните разпознаващи елементи, съответно когато се използват антитела, аптамери, нуклеинови киселини и ензими. По-голямата част от биосензорите в мониторинга на околната среда са признати като имуносензори и ензимни биосензори, но развитието на аптасензорите напоследък се увеличава поради полезните характеристики на аптамерите, като лекота на модификация, термична стабилност, in vitro синтез и способността да се проектира тяхната структура, да се диференцират мишени с различни функционални групи и да се рехибридизира.

Проучването на дизайна на биосензори за мониторинг на органични замърсители, потенциално токсични елементи и патогени в околната среда ще доведе до устойчиво развитие на цивилизацията поради разрешаването на проблемите със замърсяването на околната среда, рефлектиращи върху човешкото здраве. Различните хроматографски техники (като газова хроматография и високоефективна течна хроматография, комбинирани с капилярна електрофореза или масспектрометрия) са конвенционални аналитични методи, използвани за мониторинг на замърсителите в околната среда, но изискват скъпи реактиви, отнемат време за предварителна обработка на пробите и скъпо оборудване. Следователно, за мониторинг на замърсителите, отговорни за неблагоприятното въздействие върху местообитанията и човешкото здраве, са отчаяно необходими по-чувствителни, рентабилни, бързи, лесни за работа и компактни биосензорни устройства за преодоляване на увеличаването на екологичните проблеми. В случай на случайно освобождаване на пестициди или остро отравяне, например, обичайните методи не са подходящи за измервания in situ, където се изисква бързо, миниатюризирано и преносимо оборудване като биосензори за мониторинг на околната среда. В тази връзка, ролята на нанотехнологиите в създаването на бързи и интелигентни биосензорни устройства е от решаващо значение за успеха на детекцията на замърсители на околната среда. Най-новите биосензори включват наноматериали и нови нанокомпозити в техните системи, които са полезни за подобряване на аналитичните показатели, като чувствителност и лимити на детекция.

За детекция и мониторинг на различни замърсители на околната среда, биосензори, включително имуносензори, аптасензори, геносензори и ензимни биосензори са документирани, като се използват антитела, аптамери, нуклеинови киселини и ензими като разпознаващи елементи.

Пестициди

Пестицидите са сред най-значимите екологични замърсители поради голямото им присъствие в околната среда. Органофосфорните инсектициди, например, обикновено се използват в селското стопанство и представляват група пестициди, които поради високата си токсичност са от огромно значение за околната среда. Следователно са необходими лесни, отзивчиви и миниатюрни методологии in situ, а именно биосензори, като аналитични стратегии за тяхното откриване и наблюдение, без да е необходимо цялостно предварително третиране на пробата.

Амперометрични ензимни (ацетилхолинестеразни) биосензори за еднократна употреба бяха предложени за детекция на фосфорорганични инсектициди, използвайки параоксон като шаблонен аналит, прилагащ самосглобен монослой от цистеамин върху златно-отпечатани електроди. Биосензорите за еднократна употреба показват линеен спектър до 40 ppb с лимит на детекция 2 ppb и чувствителност 113 μA mM cm^-2. Използвайки самосглобяемия монослой, добрият аналитичен резултат може да се дължи на силно ориентираната ензимна имобилизация. Съобщават се възпроизводимост от 97 ± 5 % (n = 3) след тестване в проби от речна вода, добавени с 10 ppb параоксон, което показва ефективността на такива ензимни биосензори. Освен това, използването на електроди за ситопечат за еднократна употреба води до елиминирането на отнемащи време методи като реактивиране на имобилизирани ензими, използващи, например, разтвор на обидоксим и пралидоксим йодид (PAM) или използването на възобновяема ензимна мембрана, необходима за повторното прилагане на биосензора.

Наночастици на основата на иридиев оксид са използвани в еднократния ензимен биосензор с тирозиназа на базата на евтини ситопечатни въглеродни електроди за детекция на хлорпирифос в проби от речна вода. Съобщава се за линеен биосензорен отговор (0,01-0,1 μM) и е отчетен нисък лимит на детекция (3 nM), което може да се дължи на високата проводимост на наночастиците на иридиевия оксид и ефективността на тирозиназата. Тестовете за възпроизводимост бяха проведени в проби от речна вода с добавяне на 0.1 μM хлорпирифос и бяха получени възпроизводимост от 90 ± 9.6 % с остатъчно стандартно отклонение (RSD) по-малко от 10 % (n = 3), за да се демонстрира приложимостта на биосензора.

Ацетамиприд е детектиран чрез колориметрични аптасензори във водни проби и чрез импедиметрични аптасензори в реални проби от околната среда, като проби от прясна повърхностна почва. Линейният диапазон от 75 nM до 7.5 μM и лимит на детекция от 5 nM бяха наблюдавани с колориметричния аптасензор, докато по-широк линеен диапазон (50 fM до 10 μM) и по-нисък лимит на детекция (17 fM) бяха наблюдавани с импедиметричния аптасензор. В този биосензор са използвани златни наночастици, многостенни въглеродни нанотръби (MWCNT) и редуцирани наноленти от графен оксид като композит за поддържане на повърхността на електрода ацетамиприд аптамер, който може да бъде отговорен за по-висок електронен пренос и подобрени аналитични показатели на биосензора. Подобен лимит на детекция (33 fM) се наблюдава от аптасензор на базата на сребърни наночастици, закотвени върху легиран с азот нанокомпозитен графенов оксид, конструиран за откриване на ацетамиприд в проби от отпадъчни води.

Патогени

Наличието на патогени в околната среда и особено във водите може да представлява сериозен риск за човешкото здраве и наскоро бяха предложени някои биосензори за мониторинг на околната среда. Например, за детекция на метаболитно активна Legionella pneumophila в комплексни водни проби от околната среда са предложени бързи и прецизни оптични биосензори, базирани на повърхностен плазмонен резонанс. В едно от проучванията принципът на детекция се основава на идентифицирането на бактериална РНК чрез имобилизираната РНК детекторна сонда върху златната повърхност на биочипа. За усилване на сигнала бяха използвани квантови точки, конюгирани със стрептавидин и периодът на детекция беше приблизително три часа, което показва жизнеспособността на биосензорното устройство за успешно откриване на бактерии в диапазона 10⁴-10⁸ CFU mL^-1.

Потенциално токсични елементи

Замърсяването с тежки метали и съответните йони на естествените водоеми може да представлява значителен риск за човешкото здраве, а компактните, евтини и бързи анализи на тежки метали са глобален приоритет. Като мишена за тестване на оптичен ДНК биосензор за детектиране на йони на тежки метали, които са изключително токсични и често срещани замърсители в околната среда, бяха използвани живачни йони (Hg²⁺). Биосензорът е компактен, евтин и бърз с in situ скрининг на Hg²⁺ в естествени води за по-малко от 10 минути. Принципът на детекция е фокусиран върху способността на определени метални йони да се свързват селективно с определени основи, за да образуват стабилни, метал-медиирани ДНК дуплекси; в случая на Hg²⁺, тиминовите бази могат да бъдат селективно координирани, за да образуват стабилни тимин-Hg²⁺-тиминови комплекси. В диапазонът на детекция между 0 и 1000 nM е достигнат лимит на детецкия от 1,2 nM, което е по-ниско от максималната стойност, поискана от Агенцията за опазване на околната среда на САЩ (10 nM).

За детектиране на Pb²⁺ във водни проби (проби от изкуствена и естествена езерна вода), използващи ДНК ензими/карбоксилирани магнитни перли и ДНК аптамери, наскоро бяха предложени два оптични биосензора на флуоресцентна основа. Лимитите на детекция съответно 5 nM и 61 nM бяха наблюдавани от биосензори на базата на ДНК ензими и ДНК аптамери, със съответния линеен диапазон на детекция от 0 до 50 nM и 100 до 1000 nM. Използвано на уникално багрило (SYBER Green I), което беше вмъкнато с двуверижна ДНК, показващо силен интензитет на флуоресценция, както се вижда на Фигура 5. Освен това, липсата на интензивност на флуоресценция на биосензор се наблюдава само с багрилото (крива a). С ДНК ензим + Pb²⁺ (крива b) интензитетът на флуоресценция се увеличава с добавянето на багрилото + ДНК ензим + Pb²⁺, илюстрирайки чувствителността на биосензора към Pb²⁺.

Фигура 5 – Спектри на флуоресцентни емисии, получени с биосензора с багрилото (крива a), с ДНК ензим и Pb²⁺ (крива b) и с багрилото, ДНК ензим/карбоксилирани магнитни перли и Pb²⁺ (крива c); λex = 490 nm и λem = 530 nm (Препечатано от [89] с любезно разрешение от Springer)

Токсини

Вредни токсини като бреветоксини и микроцистини се създават чрез еутрофикация на водните системи чрез цъфтежа на водораслите на цианобактерии и по този начин са необходими точни и рентабилни системи за ранна детекция на такива токсини. За чувствителното детектиране на бреветоксин-2, морски невротоксин, е използван електрохимичен аптасензор, съставен от златни електроди, функционализирани със самосглобени монослоеве от цистеамин. Постига се лимит на детекция от 106 pg mL^-1 и се наблюдава силна селективност за бреветоксин-2 спрямо други токсини от различни групи, като окадаинова киселина и микроцистин. Възможността на аптасензора за детекция на бреветоксин-2 в реални проби е постигната чрез анализ на миди и са докладвани силни възстановявания (102-110 %), което показва, че няма взаимодействие с отговора на аптасензора от структурата на черупчестите.

Разрушаващи ендокринната система химикали

Във водни проби чрез аптасензори на базата на флуоресцентния принцип с функционализирани аптамери (флуоресцеин амидит) и златни наночастици и на базата на оптично влакно е открит бисфенол А, който разрушава ендокринната система. Аптасензорът с оптични влакна е компактен и се оказава бърз, рентабилен, чувствителен и селективен за детекция на бисфенол А във водни проби, без да се изискват предварително концентриране или етапи на обработка. Освен това, аптасензорът може да се използва повторно за 90 s чрез регенериране с 0,5% разтвор на натриев додецил сулфат (SDS) и по-нататъшно измиване с фосфатно буфериран физиологичен разтвор (PBS) (рН 7,2) за над сто цикъла на анализ без забележима загуба на ефективност. Подобни лимити на детекция (0,1 и 0,45 ng mL^-1) са наблюдавани и в двата оптични биосензора, където ДНК сонда, която е с консенсусна последователност на малка фракция от бисфенол А аптамер, е адсорбирана чрез електростатично взаимодействие на повърхността на наночастиците от злато и ковалентно имобилизирани на повърхността на влакното. Напоследък за детектиране на бисфенол А в проби от речна вода, използвайки нанотръби от молибденов карбид, беше предложен друг аптасензор на флуоресцентна основа. С такъв евтин и лесен за използване аптасензор е получен нисък лимит на детекция от 0,23 ng mL^-1. Специфичността на аптасензора беше оценена чрез анализ на други молекули със структури, подобни на тази на бисфенол А (например, 4,4J-бифенол, бисфенол AF и 4,4J-сулфонилдифенол) и бяха идентифицирани само фонови сигнали, показващи висока специфичност за бисфенол А.

Електрохимичен имуносензор за еднократна употреба, базиран на полеви транзистор със SWCNT, наскоро беше използван в проби от морска вода за оценка на друг разрушаващ ендокринните вещества химикал – 4-нонилфенол. Имуносензорът има висока възпроизводимост (0,56 ± 0,08%), средна възпроизводимост от 97,8% до 104,6% и нисък лимит на детекция (5 μg L^-1), която е по-ниска от препоръчителната максимална концентрация от 7 μg L^-1 по съответните разпоредби. В проби от морска вода, като 4-нонилфенол, биосензорът може да се използва за детекция на опасни приоритетни вещества, дори при ниски концентрации и с лесна и евтина методология.

Други съединения на околната среда

Нови, бързи и точни аналитични подходи са необходими за ранната детекция и мониторинг на различни други опасни съединения, отделяни по време на цъфтежа на водорасли. Поради отличната чувствителност и специфичност на пробите за нуклеинови киселини към техните комплементарни свързващи партньори, са разработени биосензори за детекция на РНК на водорасли. За засилено селективно и чувствително детектиране на РНК от 13 вредни водорасли, наскоро беше докладван електрохимичен геносензор на базата на ситоотпечатан златен електрод; геносензорът може да различи РНК мишени от проби от околната среда (проби от морска вода с шипове), съдържащи 10⁵ клетки, считани за лимит на детекция.

Биотехнологиите са модерна развита технология, основана на научни дисциплини като молекулярна биология, биохимия, клетъчна биология.

Биотехнологиите са модерна развита технология, основана на научни дисциплини като молекулярна биология, биохимия, клетъчна биология. Те прилагат много нови методи, напр. култивиране на клетки и тъкани, фузия на клетки, рекомбинация на гени, микробна ферментация, както и дупликация и рекомбинация на организми на клетъчно, хромозомно и генно ниво. По този начин те могат да създават организми, отговарящи на човешките нужди, да произвеждат нови продукти и да отглеждат нови растения с нови характеристики с висока производителност и устойчивост към стрес. Съвременните биотехнологии се състоят от четири технологични системи. Това са генното, клетъчното, ензимното и ферментационното инженерство, от които генното и клетъчното инженерство са най-модерните.

Освен големите социални и икономически ползи от съвременните биотехнологии, съществува възможност те да навредят на човешкото здраве и околната среда. Това може да доведе до много социално-икономически проблеми, като например разрушаване на първоначалните социални и икономически модели, създаване на заплаха за биологичното разнообразие и традиционните сортове култури, нарушаване на социално-икономическото благосъстояние на държавите или общностите, потъпкване на традиционните етични, морални и религиозни ценности.

Съвременната биотехнологична практика при производството на влакна, фармацевтични продукти и храни претърпява мощно развитие в края на ХХ и началото на ХХІ век. Тези пробиващи си път технологии често се приемат като поредната технологична революция, притежаваща потенциала да промени фундаментално начина на обществена организация по отношение на производството и разпространението на стоки. Вече са направени значителни инвестиции в биотехнологични изследвания за разработване на нови продукти. В момента се очаква науката и технологиите да предоставят на потребителите голямо разнообразие от генетично модифицирани (ГМ) продукти. Освен това много ГМ продукти вече са влезли във веригите за дистрибуция на храни. Въпреки обещанието си да донесе значителни ползи за обществото, обществените нагласи относно приемливостта на съвременните биотехнологии са доста разнообразни в световен мащаб. За да се даде възможност на биотехнологиите да допринесат големи ползи за хората, международната общественост обръща сериозно внимание на биобезопасността на цялостното биотехнологично производство, за да насърчи по-доброто му приемане.

В днешни дни биотехнологиите са подразделят на няколко категории въз основа на своите приложения. Те са представени на Фиг. 1.

Като цяло биотехнологиите целят да подчертаят потенциалните ползи за обществото чрез намаляване на глада и недохранването, справяне със и излекуване на болести и повишаване на здравето и общото благосъстояние. От друга страна, има мнение, че генетично модифицираните (ГМ) продукти се използват като ненужна намеса в природата и могат да причинят неизвестни и потенциално пагубни последици. Същевременно в САЩ генетично модифицираните култури са навлезли във веригите за доставка на зърно, без да предизвикат сериозно обществено безпокойство. Освен това селскостопанските биотехнологии са изправени пред значително противопоставяне в Европа и много други развити страни. По отношение на очевидните обществени тревоги относно възприеманите рискове за хората и околната среда, Европейският съюз (ЕС) е приел доста ограничени разпоредби за всички трансгенни култури във всяка част от хранителната система на ЕС. На световно ниво ситуацията е още по-разнообразна: в Обединеното кралство опониращите движения хвърлят ГМ култури по различни поводи. Доскоро Бразилия и Индия отказваха да одобрят каквито и да било генетично модифицирани култури. Поради сходни опасения на потребителите, някои вериги за бързо хранене са решили да не използват ГМ картофи в своите продукти.

Аргументът срещу прилагането на генни технологии в селскостопанското производство се основава на факта, че някои хора и институции виждат рискове за хората и околната среда, докато други се противопоставят на това, като вземат под внимание морални, етични и социални проблеми. Биотехнологиите често губят позиции поради приложението на инструментите им при растения и животни, особено за трансфер на гени между видовете, въз основа на разбирането за „царствата Божи“ и нарушаването на „Природния закон“. Съществува и мнение, че тъй като гените са естествено срещащи се части, които са обект на откриване (не на изобретение), патентната собственост върху генетичните находки и процеси е морално и етично несъстоятелна.

Обществените дискусии относно биотехнологиите в селското стопанство също предизвикват някои социални и политически дебати. Говори се за прилагането на съвременни генетични технологии при производството на стоки в развитите страни, които в момента се внасят в развиващите се страни. Твърди се, че подобно развитие ще има значителни отрицателни ефекти върху положението с бедността в Третия свят и ще доведе до глобална нестабилност. В същото време други изследователи са на противоположно мнение. Друг източник на притеснения е възможността земеделските стопани да станат постоянно зависими от мултинационалните корпорации заради техните „средства за производство“, довеждайки до вредни икономически, социални и политически ефекти.

Значението на тази тема определя необходимостта от пълно разбиране на обществените интереси и опасения относно едно съгласие между частни и държавни решения, касаещи хранителните биотехнологии. Приемането на биотехнологиите от страна на потребителите е силно свързано не само с очакваните рискове и ползи, свързани с ГМ продуктите, но и с тяхното морално и етично измерение. Освен това обществените възгледи за мултинационалните корпорации, доверието в правителството, науката и развитието на технологиите също разкриват отношението им към биотехнологиите. Установено е, че когнитивните фактори на потребителите (например нива на избягване на риска, мнения за ГМ храни) са повлияли на приемането на ГМ хранителни продукти, докато социално-икономическите фактори не са оказали значителни ефекти. Така, обществените възприятия за биотехнологиите притежават много измерения и вероятно са засегнати от множество сили, предпочитания и събития. Например, положителните аспекти (като хранителни ползи от подобрени/нови продукти, ползи за околната среда чрез намалена употреба на пестициди и т.н.) могат да насърчат приемането на хранителните биотехнологии от страна на потребителите. От друга гледна точка, чувствителността относно рисковете за хората и околната среда се очаква да има неблагоприятно въздействие върху общественото приемане на ГМ продукти. По този начин дейностите по анализ и определяне на факторите, влияещи върху нагласите на потребителите спрямо биотехнологиите, трябва да следват процедурата, представена на Фиг. 2.

Обществено въздействие

За да се оцени въздействието на съвременните биотехнологии върху обществото, не е достатъчно то само да се измери чрез конкретни показатели. Когато акцентът е върху такива измерения като увеличаване на броя на патентите за генетично модифицирани организми (ГМО), това няма да показва динамичните сили, оформящи въздействието на биотехнологиите върху индустриалните и обществените структури. Анализът на въздействието съчетава комплексни проблеми и работи с разнообразни   изходни данни, които притежават както краткосрочни, така и дългосрочни ефекти и влияят на резултатите от проблема или използването на технологии по непочтен начин. От основно значение е да се осъзнае смисълът за естеството на връзките между общества, индивиди и баланса на силите между социалните групи, изправени пред новите технологии.

Изграждане и разпространение на знания

Отправна точка е резултатът от технологичното въздействие, което зависи от изграждането и разпространението на знания. Счита се за предпочитани ценности, социални практики и норми на поведение на участващите страни в развитието и използването на биотехнологиите. Знанията се простират отвъд събирането на информация за биотехнологиите, като техники, рискове и т.н. Те също така обхващат начина, по който те се показват и коментират от отделни лица. Рискът и безопасността за обществеността не могат да бъдат анализирани по същия начин, както се прави за научния риск. За да се отчетат тези различия, е необходимо да се обясни как се създава доверие между потребителите и производителите. Накратко, такова определение на знанието дава анализ на въздействието на биотехнологиите и в по-широк план – на политиките и практиките в областта на околната среда.

От концептуална гледна точка този подход може да се третира като дискурс, основан на знанието. Полезно е да се има предвид изразяването на биотехнологичното въздействие в смисъл на образователната, социалната и политическата среда. Вземат се предвид и екологичните дискурси на биотехнологичните знания и по-конкретно – как те се изграждат, приемат, и може би най-важното, разпространяват и поддържат в обществото.

Влияние на науката и технологиите (Н&Т) върху обществото

В ЕС се води дискусия относно биотехнологиите и по-специално относно генното инженерство и въздействията, произтичащи от тази технология. Този въпрос трябва да бъде решен в тясна връзка с резултата от социалните взаимодействия. Следователно начинът на реализация на тези динамични сили трябва да отчита взаимовръзките и формата на произтичащата от това сложност между участниците.

Друг момент, който трябва да се прецени, са две основни теми при изследване на потенциалните въздействия на дадена технология. Те са: 1) непосредственото въздействие от използването и развитието на технологията и 2) рисковете отвъд технологията. Това зависи от дългосрочното ѝ прилагане и от начините да се постигне и поддържа доминираща позиция в нейното въздействие върху обществото от образователна, политическа и социална гледна точка. Това би могло да бъде поддържано като цяло чрез по-голяма загриженост относно дългосрочните последици от дейностите на Н&Т, отбелязани по-долу:

– Публикуване на образователни усилия в обществото: Извършване на интензивни усилия за присъединяване на учени, ключови лидери на общественото мнение и медии в съществуващ дебат за биотехнологиите и особено за генното инженерство. Основната цел е да се избегне информационен вакуум, който може да улесни антибиотехнологичната дейност и да генерира негативизъм в структурите на знанието.

– Роля на регулаторната политика в обществото: Фокусиране върху ефективна комуникация за риска и разбиране на факта, че общественото възприятие за риска може да бъде много различно от това на научната общност.

Обществени възприятия относно приложенията на биотехнологиите

Три основни теми се идентифицират и градят около: 1) науката, етиката и пола при възприемането на биотехнологиите; 2) международната политическа икономия, търговията и околната среда; 3) сигурността на държавата и системата и войната чрез биотехнологиите. Тези общи теми произтичат от разглеждане на международните отношения при биотехнологиите. Те предполагат концепцията за власт в Международната политическа икономия (МПИ), за да рамкират различните дискурси и сложните въпроси на технологичните въздействия. Въз основа на тези теми се разглеждат няколко показателя (Фиг. 3):

Съвременните биотехнологии се разглеждат като комплексна нововъзникваща област, която демонстрира наука на високо ниво, съчетана с ограничени познания от част от обществото. Това е свързано с отношението към естествената среда, технологичния прогрес, религиозните и моралните схващания и други. Матрица от променливи, включваща интересите на държавните сфери, като наука и политика, оптимизъм относно технологиите, социалните и културните ценности, ангажираност с въпроса за биотехнологиите и доверие в индустрията, регулации и други групи от гражданското общество – всички тези фактори допринасят за начина на представяне пред обществото и мненията за биотехнологиите (Фиг. 4). Установено е, че основните характеристики, като пол, образование, възраст и религия, също влияят на нагласите на хората.

Сериозният дебат относно приемането на генното инженерство е придружен от много доказателства, които се противопоставят срещу фокусирането върху специфични приложения на технологията, отколкото срещу генното инженерство само по себе си. Изследванията показват, че нагласите на потребителите по отношение на генните трансфери се влияят от вида на трансферите. Обхватът на приемливост включва следното: 1) трансфер на гени от растения към растения; 2) прехвърляне от животно на животно; 3) животно–растение или човек–животно, като последното е най-малко приемливо.

Едно проучване на възприятието за приложенията на съвременните биотехнологии, проведено сред хора от различни страни/континенти, показва, че медицинските приложения (водещи до разработване на лекарства и ваксини и генетични тестове) са до голяма степен приемливи в сравнение с биотехнологичните приложения за храни или културни растения. Въпреки това, медицинските приложения, свързани с ксенотрансплантация или клониране на животни за производство на мляко, срещат сериозни проблеми. Азиатците, например, са по-слабо обезпокоени от медицинските генетично модифицирани продукти, отколкото от генетично модифицираните храни. Изследванията относно клонирането на човешки клетки и биоремедиацията сред европейците е поставено на междинно ниво, предполагаемо под генетичното тестване, но по-добре признато за приемливо от генетично модифицираните култури и храни.

Друго проучване съобщава, че генетичните тестове все още получават най-високата подкрепа сред европейското население, последвани от клонирането на човешки клетки, производството на генетично модифицирани ензими за екологично чисти сапуни и ксенотрансплантацията. В дъното на този диапазон попадат генетично модифицираните култури и храни. Също така, по-голяма подкрепа се дава на методите за манипулиране на бактерии за почистване на нефтени разливи, последвано от устойчиви на болести култури; след това – приложения за мазнините в месото и домати с по-добър вкус, а по-малко подкрепа получават технологиите за подобряване на производството на мляко при крави.

Потребителите в Малайзия са по-отворени към приложенията на съвременните биотехнологии, които не включват междувидови трансфери на гени, като производство на храни и генетично модифицирани култури, които засягат само трансфер на растителни гени. За тях генните модификации са по-приемливи в следния ред: 1) прехвърляне на гени от маслена палма, за да се намали съдържанието на мазнини (наситени), 2) прехвърляне на човешки гени в бактерии за производство на инсулин, 3) прехвърляне на бактериални гени в соя, за да стане устойчива на хербициди.

Отношението на един човек към дадена нова технология зависи от няколко свързани фактора, като например неговото/нейното възприемане на рисковете и ползите от нея, и социално комуникираните ценности и доверие в институциите, представляващи тези технологии. По отношение на общественото възприемане на биотехнологиите се спекулира, че отношението към генното инженерство се определя от стойността на предлаганите потенциални ползи, познанията за генното инженерство и научния мироглед, от който трябва да бъдат изключени възприетият риск (рационални притеснения) и тревогите или страховете (ирационални притеснения). Освен това трябва да се добавят различни второстепенни фактори, като например фонови фактори. Смята се, че основният ефект върху приемането изглежда се основава на нивото на знания, осъзнаване на ползите, увереност и доверие.

Изследванията на общественото отношение към биотехнологиите показват много сходства с проучванията за възприемане на риска. Някои автори са използвали психометричния подход, основан на когнитивната психология, и той е приет като най-зрялата и доминираща парадигма в изследванията за възприемане на риска. Тези психометрични методи са установени въз основа на следните възгледи:

• да представят „риска“ като субективна идея, а не като обективна;
• да включват технически/физически и социални/психологически възгледи в критериите за риск;
• да приемат мненията на „обществеността“ (т.е. на неспециалисти, а не експерти) като предмет на интерес.

По този начин общественото приемане на съвременните биотехнологии се основава на анализ на когнитивната структура на преценките за риска, като обикновено се използват многовариантни статистически процедури като факторен анализ, многоизмерно мащабиране и множествена регресия. Този психометричен подход предполага, че обществеността не възприема технологичния риск като породен от едно-единствено измерение, свързано с очакваните наранявания или смъртни случаи, близки до гледната точка на оценителя на риска, а интерпретира риска като многоизмерна концепция, свързана с по-широки качествени измерения.

Ключовите разновидности на изследването за възприемане на риска са възприеманата величина на риска или страха, приемането на риска, запознатостта с опасността и най-малко – ползата от фактора. Значението на едно друго измерение – „намесата в природата“ в проучванията за възприемане на риска в областта на генното инженерство, също е много важно.

Биотехнологиите са на границата на науката и етиката. Развитието на технологиите е свързано с етична визия, която от своя страна се формира от специфични спорни въпроси. Много биотехнологии могат да бъдат оценени по отношение на тяхната полза за човешкото общество. Но трябва да се има предвид, че биотехнологиите имат и опасна страна. Тя може да предизвика неочаквани последици, които могат да причинят вредни ефекти или да отнемат човешката същност на хората. Затова етичните въпроси на предложените ефекти трябва да бъдат внимателно проучени.

Етичната оценка на новите технологии, включително на биотехнологиите, изисква различен подход към етиката. Съществува необходимост от промени, тъй като дадена нова технология може да окаже по-дълбоко въздействие върху света поради: 1) ограничения на етичния подход, основан на правата; 2) важността и трудността на прогнозиране на последствията; 3) възможност за манипулиране на самите хора сега.

Етичните въпроси относно биотехнологиите са много различни. Поради потенциала за дълбоки промени в бъдещето на човечеството, тези въпроси трябва да бъдат внимателно обмислени. На първо място е необходимо да се формулират и предскажат отговорностите спрямо природата и другите, включително бъдещите поколения, а след това да се съсредоточи върху правата и свободите. Реалната сила и потенциал на биотехнологиите изискват силна предпазливост, за да се осигури етичен прогрес, тъй като биотехнологиите се приемат като значителна сила за подобряване на качеството на живота на хората през ХХІ век.

Биотехнологите са неразривно свързани с науката и научното познание. Но понякога се поражда допускане, че биотехнологиите са тясно свързани с етиката. И накрая, различните биотехнологични тенденции насърчават определена визия за живота, някои от които са добри за живота и заслужават да бъдат насърчавани или развивани, но други са вредни и трябва да бъдат премахнати. Тази визия влияе върху избора на хората и върху усещането им за етично подходящи биотехнологии.

Понякога връзката между биотехнологиите и етиката се описва като конфликтна точка. Веднъж се създава впечатление, че етиката е необходима само в случай че човек иска да каже на другите, че правят грешни неща. До известна степен това е ясно, тъй като обсъжданията, дебатите и споровете са общи части на консултациите по етика. Но етиката е също толкова важна в случай на консенсус, че избраният път е добър и правилен. Разбира се, няма нужда от етичен дебат, когато търсенето е лек за рак. По този начин решението за извършване на такова търсене се предвижда чрез общоприето разбиране, че за лечение на рак има етична причина. Усилията, ресурсите и творчеството, посветени на разработването на по-добри лечения, са етично приемливи и по-голямата част от тези постижения се дължат на биотехнологиите.

Обществената приемливост на ползите и рисковете, наложени от съвременните биотехнологични приложения, засяга:

• обществено обсъждане на ползите спрямо рисковете;
• приемане на риска като ключов елемент при възприемането на риска;
• инструменти за имерване на обществените нагласи относно рисковете и ползите: управление на риска.

Обществено обсъждане на ползите спрямо рисковете

За определяне на приемливостта на биотехнологичните приложения е много важно да се оценят възприеманите ползи и рискове. Диаграмата на Фиг. 5 ги обобщава.

Приемане на риска

Друга ключова променлива е приемането на риска, което е важно за измерване на възприемането на риска. Рядко обаче се използва при отношението към биотехнологичните изследвания. Изтъквайки тежката ситуация със съвременните технологии, те винаги са свързани с някакъв риск, който създава сериозни проблеми за обществата. Политиците разглеждат анализа на разходите и ползите като основа на методологията за вземане на решения за приемане на социалния риск. Основният въпрос, който трябва да бъде решен при анализа на съотношението риск/полза, е: дали този продукт (дейност, технология) е допустим като безопасност или доколко безопасен е достатъчно безопасен? Два са основните подходи за извършване на анализ на рисковете и ползите (Фиг. 6).

Управление на риска

Управлението на риска е процесът, който има за цел да намали ефекта и да балансира начина, по който хората реагират на него. Ако искаме да отблъснем всички рискове, това не е осъществима цел. Хората с готовност поемат рискове, изпълнявайки широк спектър от дейности. Следователно въпросът за приемливия риск не е изцяло технически; неговият отговор зависи от ценностите. Опростено казано, възможно е да се определи прост праг за приемлив риск, например – риск от един на милион през целия живот. Всички дейности, по-рискови от този праг, са „неприемливи“, както и всички по-малко рискови са „приемливи“.

Има обаче две причини, поради които този подход не работи. Първата е свързана с гореспоменатото възприемане на риска. Хората не реагират просто на риск; приемливостта на риска в съзнанието на обществеността не е просто въпрос на предполагаемите фатални неща, а включва и други елементи на дейността. Например, дали дейностите се предприемат доброволно; дали процесът, водещ до риск, е нов/стар или познат; дали процесът предизвиква интуитивна, емоционална реакция на страх или не. Ето защо, за да се дефинира приемлив риск, трябва да бъдат включени описаните по-горе процеси на съобщаване на риска и ангажираност. Във втория случай някои дейности са от съществено значение и трябва да бъдат изпълнени дори ако причиняват относително високи рискове.

Освен това може да има и други случаи, при които съществуват евтини алтернативи за извършване на по-малко рискови или модифицирани дейности. Тогава рискът може да бъде добре предвиден като неприемлив поради готовите алтернативи. Това е икономически въпрос, който се занимава с няколко ресурса, предназначени за намаляване на риска. Освен икономическите проблеми, рисковете е възможно да се разглеждат не по отношение на абсолютните стойности, а на вътрешните различия между алтернативите.

Много често обаче не е възможно напълно да се избегне рискът; по-скоро човек трябва да избира между различни рискове. Следователно не съществува определен приемлив праг на допустимия риск, както и няма единна удобна монетизирана стойност за намаляване на риска. Желанието на обществото да инвестира в намаляване на риска зависи от широк спектър от фактори, които управляват възприемането на риска, като страх, свързан с риска, неговия катастрофален потенциал и т.н.

Обществени ползи от съвременните биотехнологии

Биотехнологиите се използват широко в такива области като медицината и хигиената, селското стопанство, горското стопанство, развъждането, рибарството, енергийната и химическата промишленост, металургичната и минната промишленост, хранителната и леката промишленост, опазването на околната среда. Съвременните биотехнологии постепенно демонстрират огромния си потенциален принос към производителността, макар че имат кратко минало от само няколко десетилетия насам. Съвременните биотехнологии ще се превърнат в мощно средство за намаляване на световните ограничения в областта на храните, здравето, енергията, ресурсите и околната среда. Развитието и прилагането на съвременните биотехнологии ще засегнат в дълбочина хората и обществото за дълъг период от време.

Биотехнологичните индустрии вероятно ще се превърнат във водещите индустрии през ХХІ век. Например, сортове култури, произведени чрез биотехнологии, с нови признаци на висока производителност и устойчивост на стрес (засушаване, студ, засоляване и т.н.), се очаква не само да увеличат производството на зърно, но и да намалят използването на селскостопански химикали (като пестициди , хербициди и торове), което ще бъде полезно за околната среда. По отношение на медицината и хигиената, редица лекарства, като ДНК ваксини, медикаменти, създадени чрез протеиново инженерство, моноклонални антитела, лекарства на основата на антисенс РНК, са разработени от биотехнологиите. Трансгенните животни и растения, произвеждащи някои видове лекарства (като ваксини и хормони), могат да помогнат за намаляване на заболяванията в процеса на ежедневното хранене. Проектът за секвениране на човешкия геном (HGP) и изследването на някои гени, свързани с болести, ще разкрият генетичните причини за някои заболявания. В момента замърсяването на околната среда се влошава, но реакторите за биологична трансформация, създадени от биотехнологиите, обещават да абсорбират замърсители или отпадъци и да ги разлагат до материали с ниска или никаква токсичност.

Следователно, в днешното общество, характеризиращо се с наукоемки индустрии, държавите по целия свят, особено индустриализираните, приемат биотехнологиите сериозно. Големи количества работна ръка и финансови ресурси се разпределят за научни и развойни дейности в областта на биотехнологиите. Съставят се съответни стратегии и политики за развитие и се създават механизми за подкрепа, за да се стимулира развитието на биотехнологиите.

Въпреки че общественото отношение или възприятие относно биотехнологиите е изследвано много и някои учени са се опитвали да идентифицират фактори, предсказващи отношението, използвайки или регресия, или корелация, проучванията, които се опитват да конструират структурен модел, предвиждащ отношението към биотехнологиите, са ограничени.

Първият документиран модел е разработен от Kelley (1995), като предлага структуриран начин за одобрение на генното инженерство сред австралийците (Фиг. 7). По-късно Pardo et al. (2002) представят друг модел за обяснение на европейското отношение към биотехнологичните приложения. Кели установява, че одобрението на генното инженерство се предвижда главно от селскостопански и здравни цели (благоприятни аспекти). От друга страна, научните и генноинженерните познания не предвиждат одобрение. Демографските променливи също не повлияват пряко одобрението на генното инженерство (техните ефекти не са статистически достоверни). Установява, че полът влияе върху знанието и научния мироглед, докато възрастта влияе върху знанията, целта и научния мироглед, като по този начин оказва много слаб (косвен) ефект върху одобрението. Образованието оказва голям ефект върху знанията, но не и по отношение на нагласите. Професията и религията нямат никакъв ефект върху нито една от междинните променливи. Зелените поддръжници са по-слабо благосклонни по отношение на генното инженерство (отрицателен пряк ефект върху одобрението на генното инженерство) в сравнение със симпатизантите на Лейбъристката коалиция (политически).

Често се смята, че биотехнологиите са технологията за дълбока трансформация на икономиката и обществото. Следвайки тези становища, развитието и прилагането на биотехнологиите имат значителен потенциал за мащабни икономически, социални и екологични въздействия. Ето защо биотехнологиите са от стратегическо значение за икономиките, основани на знанието, и техните правителства. Нациите, които не съумяха да развият биотехнологични възможности, не успяват да осъзнаят икономическите въздействия.

Приложенията, свързани с биотехнологиите, са се разпрострели в няколко много различни индустриални сектора, например производство на храни, довършителни работи на текстил, целулоза и хартия, селско стопанство, производство на електроенергия, химикали и нефтохимикали и фармацевтични продукти. Продуктите, произведени от тези сектори, обикновено не отразяват разликата между алтернативните производствени процеси. По този начин за много продукти би било необходимо да се прави разграничение между биотехнологичните и конвенционалните (например химически) производствени процеси, както и въвеждането на някои нови. Освен това биотехнологиите са динамично поле и някои биотехнологични методи на производство вероятно скоро ще бъдат преразгледани и ще се появят напълно нови продукти. Текущата официална статистика и проучванията на съществуващите компании могат да предоставят специализирана информация за разпространението на биотехнологичните приложения и тяхното икономическо въздействие. Данните непрекъснато се обновяват и се извършват различни технико-икономически проучвания, за да се осигури бъдеща производствена прогноза и сценарии. Прилагайки комбинация от методи и източници, те често се фокусират върху експертна преценка, казуси и различни статистически данни.

Алтернатива на измерването на разпространението на биотехнологиите, използвани в големите производствени сектори, е концепцията за продажби, свързани с биотехнологиите (англ. biotechnology-related-sales, BRS). Проучванията до момента са използвали различни подходи за измерване (определяне на нивото на агрегация на биотехнологиите, изследвани сектори, предположения за сценарии и др.). Освен това, за да се оцени въздействието на разпространението на биотехнологиите, е въведен модел на входящо производство и съответни показатели за изследване на неговия ефект върху заетостта. Моделът изследва на сравнителен принцип как биотехнологиите влияят върху основните сектори на приложение. Той сравнява проникването на пазара през 2004 и 2020 г. чрез скоростите на разпространение, измерени с горни и долни граници. Този подход помага да не се надценява въздействието на биотехнологиите, като същевременно се улавят определени иновативни биотехнологични приложения. Данните от това проучване показват почти сходен модел на разпространение във фармацевтичните продукти, преработката на храни и селското стопанство. Очаква се разпространението да се увеличи значително във всички сектори до 2025 г., както се вижда от навлизането на определени групи продукти. Беше показано обаче, че има сериозно ниво на подозрение относно разпространението на биотехнологиите; очакванията за 2025 г. са много несигурни. Анализът на тази тенденция показва, че има пречки, възпрепятсващи разпространението, посочени на Фиг. 7.

Социално-икономически въздействия

Мотивирани да възприемат голяма икономическа печалба, много известни международни бизнес корпорации направиха значителни инвестиции на капитал в НИРД на биотехнологиите и по този начин променят предишните световни социални и икономически тенденции. Такъв пример е компанията Monsanto (по-рано намираща се в САЩ, а сега част от глобалния консорциум BASF). Традиционно работеща в химическата промишленост, след 1985 г. компанията направи сериозни пренареждания на бизнеса, инвестира в 3 биотехнологични сектора и се превърна в основен консорциум, занимаващ се с научноизследователска и развойна дейност в областта на биологията. След 1998 г. около 20 милиона хектара ниви по целия свят бяха засадени с ГМ семена на Monsanto. Скоро след това Monsanto направи напредък на международния пазар на семена за култури чрез напълно интегрирана система за търговия с ГМ семена и селскостопански химикали. По този начин Monsanto получи контрол върху голяма част от хранителната верига на човешкото население, като направи огромна печалба, хранейки го с ГМ култури. Ето пример за това как в съвременния глобализиран свят се появява възможност няколко мултинационални корпорации да вземат решение относно консумацията на храна от хората.

При употреба в млечни продукти на говежди растежен хормон (BGH), произведен чрез генно инженерство, млечността на млечната крава може да се увеличи с 30 %, което означава 10 % по-малко разход на фураж. Така че резултатът е много впечатляващ за млечната индустрия.

Голям брой лекарства, като ваксини за лечение на малария и холера, се предоставят на пациентите чрез нови антигени, синтезирани чрез съвременни биотехнологични методи. Те карат процентите на заболяванията и смъртността в много страни (особено в развиващите се) да намаляват бързо, което съвпада с темповете на растеж на населението. В този контекст възниква въпросът за въздействието върху и без това недостатъчната икономика и инфраструктура на посочените държави.

Въздействия върху биоразнообразието и устойчивото селско стопанство

Редица ГМ култури съдържат чужди гени от други растения, животни и микроби. Всички тези чужди гени могат да бъдат прехвърлени в други растения в природата чрез полените на генетично трансформирани растения и ще причинят замърсяване на естествения генофонд. Следователно, прогнозираната опасност за природните ресурси е сериозна, тъй като по-голямата част от трансгенните растения притежават икономически полезни характеристики, като висока производителност, устойчивост на болести-вредители, устойчивост на стрес, а фермерите са привлечени от икономически интереси да отглеждат тези растения, а не традиционните сортове култури. Също така, технологиите за отглеждане на монокултура от даден сорт в някои области могат да увеличат загубата на биологично разнообразие. Така че в дългосрочен план това влошаване на генетичната основа може да намали естествената устойчивост на растенията към болести и вредители от насекоми и това да доведе до намаляване на добивите на културите. По този начин може да се компрометира глобалното устойчиво развитие.

Bacillus thuringiensis (Bt) е почвена бактерия, която се използва за синтезиране на токсин срещу насекоми в самите растения. Използва се като микробен пестицид в продължение на много години, а гените, кодиращи тези инсектицидни токсини, могат да бъдат въведени в клетките на много култури, като памук, соя и рапица, за да се създадат растения, устойчиви на вредители. В този случай експертите по опазване на околната среда и организацията „Грийнпийс“ са обезпокоени от факта, че производството на токсини се осъществява в късния жизнен цикъл на трансгенните растения и има възможност за повишаване на обичайната устойчивост на вредителите към Bt токсините . Така че тази ситуация би довела до по-голямо използване на пестициди на базата на Bt поради загуба на тяхната ефикасност, и причиняване на големи икономически загуби.

Въздействия върху общественото благосъстояние

Експлоатацията на технологиите за генно инженерство у хората би могла да улесни диагностицирането и излекуването на някои заболявания с генетична основа, като някои видове рак, хемофилия и т.н. Но диагностицирането на такива гени може също да окаже противоположен ефект върху перспективите за заетост и брак на тези хора. Чрез генно инженерство, животни, растения и микроби могат да бъдат превърнати в био-фабрики за производство на различни видове химикали. По този начин те могат да бъдат третирани като постоянни биологични производители, а същевременно нарастващият потенциал за последствия от продуктите може да причини социално-икономически проблеми. Да приемем, че специфични микробни щамове са проектирани да произвеждат дадено ценно вещество в голям мащаб. В такъв случай е важно да се прогнозира въздействието на това производство върху големите световни производители на същото вещество. Ако това вещество допринася за значителен процент от дохода на дадена държава, какво би било влиянието и последиците от това биотехнологично производство върху селското стопанство и финансовата инфраструктура на страната?

Едно неподходящото приложение на биотехнологиите би създало много рискове, подобно на други модерни технологии. Например нововъведените гени в културните растения, създадени чрез генно инженерство, могат да предизвикат алергични реакции. Икономически важните характеристики на устойчивост към вредители, хербициди или към стрес, въведени в растенията, могат да отделят тези трансгенни гостоприемници от земеделските системи за отглеждане. Гените за устойчивост у трансгенни растения могат да бъдат прехвърлени на техни близкородствени плевели, а те от своя страна – да бъдат трансформирани до „супер“ плевели, борбата с които ще бъде много трудна. По този начин мащабните изпускания в околната среда на трансгенни култури, устойчиви на вредители, ще предизвикат сериозен еволюционен натиск за изграждане на устойчивост у целевите вредители.

Трансгенните устойчиви на вируси растения, които вече са трансформирани с чужди вирусни гени, притежават кодирани от вируси протеини, които могат да се рекомбинират с генетичния материал на други вируси, с което да се получат нови видове вируси с по-висока токсичност. Ако селективното унищожаване на целевите вредители и патогени не е възможно, трансгенните култури, устойчиви на вредители и болести, могат бързо да отровят други организми и също така да окажат вредно действие върху полезни микроорганизми, насекоми, птици и бозайници чрез хранителните вериги.

Освен това много биотехнологични продукти са живи организми и могат да се движат и възпроизвеждат сами. Веднъж изпуснати в околната среда и доказали се като токсични, тогава е почти невъзможно да се отстранят, а вредата, която създават, може да нарасне с времето, като става все по-сериозна. По този начин изпусканията на трансгенни растения в околната среда в големи количества могат да увредят естествения екологичен баланс в дългосрочен план.

Загрижеността за биологичната безопасност възпрепятства научноизследователската и развойната дейност на биотехнологиите. Обществото в много страни изразява негативното си мнение, чувство на отблъскване, дори страх по отношение на биотехнологични продукти. Това се проявява дори чрез демонстрации, стъпкване на полски култури, забраняване на вноса или изкупуване на биотехнологичните продукти. Така въпросите на биологичната безопасност се поставят на най-предна позиция в дневния ред на много страни и международни сдружения. В редица страни са формулирани закони и разпоредби относно биологичната безопасност, а проблемите на биобезопасността се разглеждат в много международни документи и договори, като Програма 21 и Конвенцията за биологичното разнообразие.

Биотехнологиите са на път да станат от сериозна важност за икономиката и могат да придобият доста голямо значение в няколко сектора на приложение през следващите 10–15 години. Въпреки това общите ефекти на съвременните биотехнологии върху икономиката са доста разнообразни. Например оценките на заетостта показват, че увеличаването на дела на биотехнологиите в секторите на приложение и връзката им с доставчиците показват тенденция за намаляване на заетостта поради ефектите върху производителността. Икономическото значение на биотехнологиите се увеличава поради навлизането им в напълно развити производствени сектори. Разпространението в тези основни сектори на приложение обаче може да повлияе само на малки части от общата заетост. Съществено въздействие върху цялата икономика може да се прояви само ако биотехнологиите се увеличат в други сектори.

Дълбочината на биотехнологичната трансформация на икономиката силно зависи от нейния потенциал да предложи създаването на нови продукти и да подобри ефективността при производството на съществуващи такива. Следователно се очаква биотехнологиите да позволят създаването на много продукти, но потенциалът за повишаване на производителността на труда да бъде ограничен. Един важен възглед е, че биотехнологиите могат да трансформират икономиката и обществото по различен начин, като се допълват с други технологии като ИКТ. Големи стимули за такъв икономически растеж могат да се появят в комбинация с други технологии или повишаване на ефективността, които увеличават производителността и покупателната способност, за да реализират плодовете на биотехнологиите.

Последни актуализации на законодателството относно възобновяемата енергия -> Директива (ЕС) 2018/2001 на Европейския парламент и на Съвета от 11 декември 2018 г.

Отпадъчни води

Фиг. 12. Наличие и употреба на сладка вода

Водата е ресурс, който трябва да бъде защитен. Вижте по-долу основните резервоари на сладка вода на земята и някои от причините те бавно да намаляват. Почти 70 % от водата днес се консумира за селското стопанство, около една четвърт е за търговска употреба, а приблизително 10 % се използват за битови нужди. Следователно, основният сектор, който използва вода, е селското стопанство/земеделието. Водата за селскостопански нужди се използва главно за напояване, както и за пестициди и торове и за животновъдство. Има три източника на селскостопански води: i) подземни води от подземни кладенци; ii) повърхностни води, получени от отворени канали, потоци, канавки за напояване и отклонения от резервоари; iii) дъждовна вода, която обикновено се събира в бъчви, вани и големи цистерни. Водата често се отравя. Основните причини за отравянето са: битова употреба на вода (органични вещества, повърхностно активни вещества …), селско стопанска и промишлена употреба на вода (торове и пестициди, вода, получена от промишлени процеси), атмосфера (замърсяване на дъждовната вода с токсични вещества, присъстващи в атмосферата, с произход от индустрия, самолети, двигатели на моторни превозни средства).

Директива 2000/60/ЕО на Европейския парламент определи рамка за действия на Общността в областта на водната политика. Това законодателство установява рамка за защита на повърхностни води във вътрешността на континентите, крайбрежните води и подземните води. Целите на директивата са:

– защитата срещу по-нататъшно влошаване;

– подобряване на състоянието на екосистемите;

– насърчаване на устойчивото потребление на вода;

– намаляване на замърсяването на подземните води;

– намаляване на изхвърлянията;

– смекчаване на последиците от наводнения и суши.

Очистването на отпадъчните води се осъшествява чрез различни пречиствания, които често се прилагат в последователност: първично, вторично (биологично), третично третиране, както е показано на схемата) (Фиг. 13 и 14).

Фигура 13 (горе ) и 14 (долу). Първично, вторично и третично третиране за биологично очистване на отпадъчните води

Фигура 15. Аерационен резервоар

Третирането с активна утайка е един от най-често използваните процеси за вторично пречистване на отпадъчни води с битов и промишлен произход. Това е процес на биологично пречистване със суспензионен растеж, използващ микробна култура с висока плътност в суспензия за биоразграждане на органичен материал при аеробни условия и спонтанно образуване на биологични флокули (наречени активна утайка). Дифузното или механично аериране поддържа аеробната среда в реактора. Типичните времена на задържане са 5-14 часа в конвенционалните танкове, като се увеличават до 24-72 в системите с ниска скорост. Процесът на третиране с активна утайка зависи от аеробното биологично действие (Фиг. 15). Микроорганизмите разграждат сложните органични съединения до прости молекули, включително вода и CO₂. Този процес води до отстраняване на разтворими и суспендирани органични вещества от отпадъчните води. Растежът на микроорганизми в присъствието на разтворен кислород премахва по-голямата част от замърсителите; от своя страна протозоите растат и се хранят с тези организми. Полученият баланс е от жива култура в суспензионна форма в активните утайки. Основните елементи на системата включват резервоар за аерация (вторично пречистване), в който отпадъчните води се смесват старателно с непрекъснато активирана утайка и кислород. От тук процесът преминава в резервоар за избистряне (вторично утаяване), където утаената утайка се отстранява от пречистената вода, за да се рециклира чрез възвратните помпи за активна утайка. За да работи тази система, трябва да бъдат изпълнени две изисквания: устройството за аерация трябва да може да пренася както кислород от атмосферата към течността, така и да разпределя този кислород през отпадъчните води към суспендирания жив микроорганизъм. Този тип система е подходяща за отпадъци с ниска якост, обикновено от порядъка на 50-200 mg L^-1 БПК. Може да се приложи и предварително или последващо пречистване на отпадъчните води. След аерационния резервоар сместа от микроорганизми и отпадъчни води (смесен разтвор) се влива в утаяващ се басейн или утаител, където утайката се оставя да се утаи. Част от обема на утайката непрекъснато рециркулира от утаителя като Върната Активна Утайка обратно в аерационния резервоар, за да се гарантира, че в резервоара за аерация се поддържат подходящи количества микроорганизми. Микроорганизмите отново се смесват с входящите отпадни води, където се реактивират, за да консумират органични хранителни вещества. След това процесът започва отново.

Процесът на третиране с активна утайка при подходящи условия е много ефективен. Той премахва 85 до 95 процента от твърдите вещества и намалява биохимичното потребление на кислород (БПК) за приблизително същото количество. Ефективността на тази система зависи от много фактори, включително климата и характеристиките на отпадъчните води. Токсичните отпадъци, които попадат в системата за пречистване, могат да нарушат биологичната активност. Отпадъци, съдържащи големи количества сапуни или детергенти могат да причинят прекомерно образуване на пяна и по този начин да създадат естетически проблеми. В райони, където се комбинират промишлени и отходни отпадъци, промишлените отпадъчни води често трябва да бъдат предварително пречиствани, за да се отстранят токсичните химични компоненти, преди да се заустят в процеса на третиране с активна утайка. Независимо от това, микробиологичното пречистване на отпадъчните води е най-естественият и ефективен процес за отстраняване на отпадъците от водата.

Микробни популации в активни утайки: Микробното съобщество, участващо в процеса на биологично пречистване, образува флокулни агломерати, които се наричат активни утайки. Активната утайка на вторична пречиствателна станция е микробна култура, която се развива около органични и неорганични частици и метаболизира органичното вещество, присъстващо в отпадъчните води. Флокулите с активна утайка са склонни да се утаяват във „вторичната“ фаза на утаяване поради гравитацията. Няколко групи микроорганизми са отговорни за процеса на прeчистване:

Бактериите са основно отговорни за отстраняването на органичните хранителни вещества от отпадъчните води. Те също така образуват лепкав слузест слой около клетъчната си стена, който им позволява да се слепват заедно, за да образуват био-твърди вещества или утайки, които след това се отделят от течната фаза. Успешното отстраняване на отпадъците от водата зависи от това колко ефективно бактериите консумират органичния материал и от способността на бактериите да се слепват, да образуват флокули и да се утаяват от течността. Способността за флокулиране (натрупване) на инактивираната утайка от микроорганизми им позволява да се натрупват, за да образуват твърди маси, достатъчно големи, за да се утаят на дъното на утаяващия се басейн.

ГЪБИТЕ също са хетеротрофни организми, подпомагащи разграждането на органичните вещества.

Протозоите играят решаваща роля в процеса на третиране, като премахват и усвояват свободно плуващи бактерии и други суспендирани частици. Това подобрява прозрачността на отпадъчните води. Подобно на бактериите, някои протозои се нуждаят от кислород, някои се нуждаят от много малко кислород, а някои могат да оцелеят без кислород. Типовете протозои са класифицирани, както следва:

Амеби à Слаб ефект върху третирането и отмиране с намаляване на количеството храна

Флагелати à Хранене предимно с разтворими органични хранителни вещества

Цилиати à Избистрят водата чрез отстраняване на суспендирани бактерии.

Ротиферите и нематодите са многоклетъчни организми, които са по-големи от повечето протозои и не отстраняват основно органичния материал от отпадъчните води. Въпреки че могат да се хранят с бактерии, те също се хранят с водорасли и протозои. Доминация на метазоите обикновено се среща в системи с по-продължително функциониране; а именно системите за пречистване на лагуни. Въпреки че техният принос в системата за третиране на активна утайка е малък, тяхното присъствие е индикатор за състоянието на системата за пречистване.

В допълнение към инсталациите за активна утайка има и други видове вторични процеси на пречистване на отпадъчни води. Някои от тях могат да бъдат ПРОЦЕСИ С ИМОБИЛИЗИРАНИ КЛЕТКИ, както е посочено на Фиг. 16.

Фигура 16. Технологии за експлоатация на отпадъчни води с имобилизирани клетки

Перколационните филтри са технология за биологично пречистване чрез микроорганизми, които се развиват в аеробна среда върху подходящи поддържащи материали, през които се просмукват канализационните води. Перколиращият филтърен резервоар се пълни с инертни, естествени или синтетични материали (например, камъни), през които се подават отпадъчните води от по-горе. ЕТАПИТЕ НА ПРЕЧИСТВАНЕ включват: 1) Първично третиране за предотвратяване на запушване на леглото; 2) Образуване на биофилма (с дебелина 3-4 мм); 3) Отделяне на клетки от биофилма и поставянето му обратно; 4) Крайна утайка. Основните предимства на тази технология са ниските разходи за настройка и поддръжка и факта, че те могат да понасят промяна в органичното натоварване на входящия поток. Основните недостатъци включват големите площи за настройка и проблема с лошите миризми. Биодисковете са модифицирана версия на перколиращите филтри, при които повърхностите, носещи биофилма, се въртят около оста си, наполовина потопени в течността, която ще се обработва; въртенето позволява окисляването на биомасата, залепнала върху диска. Анаеробните системи работят добре, когато входният дебит е нисък и органичният товар, постъпващ в системата, е достатъчно висок. Необходимата ефективност на пречистването не е висока (анаеробните микроорганизми се характеризират с по-ниска скорост на растеж и по-бавен метаболизъм в сравнение с аеробните, така че органичното вещество не се разгражда напълно). Тези условия са типични за някои промишлени отпадъчни води; анаеробните реактори не работят добре за пречистване на мащабни битови отпадъци.

Друга важна система за пречистване на отпадъчните води е фитодепурацията (Фиг. 17), която е: технология на пречистване, характеризираща се с биологично третиране, при което растенията, растящи в наситена с вода почва, играят ключова роля, подпомогната от директното действие на бактериите, които колонизират кореновата система и подложката. Тези третирания се разглеждат както като алтернатива, така и в подкрепа на традиционните системи, базирани на биологични процеси и химични и физични реакции. Терминът „влажни зони“ обозначава системите за „фитодепурация“ на отпадъчни води, предназначени да създават изкуствено същите екологични условия, които естествено се установяват във водни райони. Системите за „фитодепурация“, са проектирани и изградени за възпроизвеждане на естествени самопочистващи процеси в контролируема среда. В сравнение с естествените влажни зони, системите за фитодепурация позволяват избор на мястото, гъвкавост в размерите, контрол на хидравличните потоци и време на задържане. Функциите за фитодепурация могат да бъдат предпочитани и допълнително експлоатирани с подходящи стратегии, като избор на растителни видове и субстрат, и контрол на потока вода. Със системите за фитоочистване замърсителите се отстраняват чрез комбинация от химични, физични и биологични процеси. Най-ефективните процеси са утаяване, преципитация, адсорбция, асимилация от растенията и микробна активност. Технологията за фитодепурация добавя адсорбиращата способност на средата към традиционното биологично окисляващо пречистване (филтриращо действие от корените на растенията, което също осигурява голяма повърхност, подходяща за развитие на микробни маси, участващи в третирането) и премахване на хранителни вещества, поради растежа им. На Фиг. 18 са описани различни стратегии:

Фигура 17. Общи характеристики на фитодепурацията

Плаващите макрофити, в т.ч. водният зюмбюл (Eichhornia crassipes), са доминиращите инвазивни организми в тропическите водни системи и те могат да играят важна роля за промяна на газообмена между вода и атмосфера. Хидрофитите са растения, които живеят във вода и се приспособяват към заобикалящата ги среда. Те или остават напълно потопени във водата, или повечето от частите на тялото им остават под водата. На фигурата можете да видите няколко примера за възникваща хидрофитна система

Фигура 18. Различни стратегии за фитодепурация

Контаминирани почви

Какво представляват ксенобиотичните съединения (Фиг. 19)?

Фиг. 19. Определение за ксенобиотици

Каква съдба могат да имат в околната среда (Фиг. 20)?

Фигура 20. Съдба на ксенобиотиците в околната среда

Ксенобиотиците не са непременно външни за биосферата молекули, а могат да бъдат и естествени молекули, присъстващи в неестествени концентрации в околната среда. Те не са непременно токсични молекули, но като цяло са неподатливи на биоразграждането.

Антропогенните молекули могат да произлизат от различни източници:

1) Петрохимична промишленост: – горива (алифатни и ароматни въглеводородни смеси), – чисти химикали за химическа / фармацевтична промишленост (алкохоли, етери, естери, алдехиди, често заместени с Cl-, амино или нитро групи)

2) Целулозо-хартиена промишленост: използва дървесината като суровина и произвежда целулоза, хартия и други продукти на целулозна основа. – избелването на хартия с продукти на основата на хлор произвежда халогенирани молекули, включително хлоро-лигнин

3) Индустрия за синтетична пластмаса: стирен, винилхлорид, разтворители, омрежващи агенти за производство на полимери.

4) Пестицидна промишленост: бензолни и хетероциклични производни, карбамид, фосфорорганични съединения

5) Фармацевтична и козметична индустрия

6) Текстилна промишленост: реактиви за производство на синтетични влакна, детергенти за омекотяване на влакна и пестициди за борба с насекоми/молци

7) Бояджийска промишленост

8) Домашна употреба на химикали (продукти за лична хигиена, почистващи продукти, …)

Типичен пример за естествени молекули, присъстващи в неестествени концентрации са отпадъчните води от маслиновите мелници: те се получават от смилане на маслини за производство на маслиново масло, но имат високо ХПК (виж по-долу) и трябва да бъдат третирани, преди да бъдат изхвърлени в околната среда.

Необходими са отговори на няколко въпроса, преди да се реши дали замърсената почва може да бъде подложена на биоремедиационна обработка. Първият аспект, който трябва да се вземе предвид, е дали говорим за хронично замърсена почва или наскоро е настъпило внезапно замърсяване. В първия случай може да отнеме известно време, за да се реши какво да се предприеме, да се проучи задълбочено ситуацията, да се направят някои предварителни лабораторни тестове и да се предприеме най-добрата стратегия. Във втория случай трябва да се действа незабавно, следвайки опита, който е натрупан за едни и същи замърсители и почви.

Моля, прочетете въпросите, на които трябва да получите отговор, преди да РЕШИТЕ КОЯ СТРАТЕГИЯ ДА ПРИЛОЖИТЕ (Фиг. 21).

Фигура 21. Как да решим коя биоремедиационна стратегия и най-добрата за вашата контаминирана почва

Голям набор от технологии за биоремедиация може да се използва за обеззаразяване на замърсени места (Фиг. 22).

Фигура 22. In situ и ex situ биоремедиационни техники

IN SITU означава, че почвата не се отстранява от първоначалното си местоположение и се третира на същото място, където е настъпило замърсяването.

 ЕСТЕСТВЕНО АТЕНЮИРАНЕ: в този термин са включени „различни физични, химични или биологични процеси“. Тези процеси при благоприятни условия действат без човешка намеса за намаляване на концентрацията, токсичността и подвижността на замърсителите в почвата или подпочвените води. In situ процесите включват биоразграждане. Направен е точен мониторинг на процеса, за да се гарантира, че почвата е възстановена. Използването на естествено атенюиране често се предлага като лечебен разтвор от бензол, толуен, етилбензол и ксилен (BTEX) Съвсем наскоро беше предложено естествено атенюиране за хлорирани разтворители, нитроароматни съединения, тежки метали и други замърсители, за които научното разбиране и опит в областта са достатъчно стабилни. Естественото атенюиране се прилага, когато има солидни доказателства, че процесите му трансформират замърсителите към безвредни продукти.

БИОАУГМЕНТАЦИЯ: добавяне на микробни култури, за да се ускори скоростта на разграждане на замърсител. Микроорганизми, нормално присъстващи в замърсените зони, могат да разграждат замърсителите, но тяхното действие може да бъде неефективно и бавно. Биоаугментацията изисква изучаване на локалните сортове, присъстващи на мястото, за да се определи дали е възможна биостимулация. Същите местни бактериални култури могат да бъдат изолирани, култивирани и внедрени на мястото, за да се засили разграждането на замърсителите. Ако местните сортове нямат метаболитни способности да извършват процеса на ре медиация, могат да бъдат въведени екзогенни сортове с различни пътища на разграждане.

БИОСТИМУЛАЦИЯ: добавяне на хранителни добавки за местната микробиота за насърчаване на нейния метаболизъм. Обикновено се отнася до добавяне на ограничаващи скоростта хранителни вещества като фосфор, азот, кислород, донори на електрони към силно замърсени места, за да се стимулират съществуващите бактерии да разграждат опасните и токсични замърсители. Добавянето на тези хранителни вещества подобрява потенциала за разграждане на местните микроорганизми. Сред всички техники за биоремедиация, биостимулацията се счита за най-ефективния метод за ремедиация на въглеводороди, особено петролни продукти и неговите производни. Това се дължи най-вече на наличността на източника на въглерод, който е едно от ограничаващите скоростта хранителни вещества, необходими на местните микроорганизми за тяхната метаболитна активност от петролните замърсители. В допълнение към споменатите ограничаващи скоростта хранителни вещества, внедряването на други органични вещества, богати на хранителни вещества, също може да задейства процеса на ремедиация. В този контекст е показано, че добавянето на био-твърди вещества (богата на хранителни вещества органична материя), получени от пречистването на битови отпадъчни води и неорганични торове, богати на азот и фосфор, може да подобри и ускори скоростта на разграждане на петролните въглеводороди.

БИООБЕЗВЪЗДУШАВАНЕ: наричано още „Подобрено обезвъздушаване на почвата“ е in situ технология, базирана на естественото стимулиране на местната биологична активност с въвеждането на кислород чрез аерирана течност; успешно се прилага за всяко аеробно биоразградимо органично вещество, по-специално за ремедиация на места, замърсени с петролни деривати. Приемът на въздух е с ниска скорост на потока, тъй като е аранжиран само да осигурява кислород, необходим за поддържане на микробната активност. В замърсената зона токсичните съединения се отстраняват от въздушния поток, докато органичните съединения се биоразграждат аеробно. Въздухът се впръсква директно през една или повече дюзи, свързани с вакуумни помпи, което осигурява принудителната циркулация на въздуха в ненаситена замърсена почва. Прилагат се и пасивни системи за биовентилация, които използват естествения обмен на въздух за транспортиране на кислород, отгоре на външния вентилационен отвор е инсталиран еднопосочен вентил, който позволява навлизането на въздух само когато налягането в замърсената почва е по-високо от атмосферното.

Фигура 23. Фиторемедиационна технология

ФИТОРЕМЕДИАЦИЯ: третиране на замърсена почва с използване на растения за почистване на замърсена с опасни замърсители почва (Фиг. 23). По-правилна е дефиницията „използването на зелени растения и свързаните с тях микроорганизми, заедно с подходящи изменения на почвата и агротехнически техники за ограничаване, премахване или обезвреждане на токсичните замърсители на околната среда“, тъй като растенията действат в синергия с ризосферните микроорганизми, които много често си сътрудничат с растенията при реализирането на процеса. Фиторемедиацията е предложена като икономически ефективен подход на растителна основа за ремедиация на околната среда, който се възползва от способността на растенията да концентрират елементи и съединения от околната среда и да детоксикират различни съединения. Концентриращият ефект е резултат от способността на някои растения, наречени хиперакумулатори, да биоакумулират химикали. Ефектът на ремедиация е съвсем различен. Токсичните тежки метали не могат да се разграждат, но органичните замърсители могат да бъдат и обикновено са основните цели за фиторемедиацията. Няколко полеви изпитания потвърдиха възможността за използване на растения за почистване на околната среда.

EX SITU означава, че почвата се отстранява от първоначалното си място и се третира много близо до мястото, където е настъпило замърсяването (on site) или далеч (off site).

БИОЛОГИЧНО РЕКУЛТИВИРАНЕ: това е пълномащабна технология за биоремедиация, която изисква изкопни работи и поставяне на замърсените почви, седименти или активни утайки на място, където те могат да бъдат третирани; това обикновено е технология за ремедиация on site, използвана за подобряване на микробното разграждане на опасни съединения. Обикновено за контрол на излугването на замърсители под земята се използват подложки и пластмасови капаци, за да се избегне замърсяване на водоносните хоризонти. Почвените условия често се контролират, за да се оптимизира скоростта на разграждане на замърсителите, по-специално:

• Съдържание на влага (обикновено чрез напояване или пръскане).
• Аериране (чрез обработване на почвата с предварително определена честота, почвата се смесва и аерира).
• pH (буфериран близо до неутрално рН чрез добавяне на натрошен варовик или селскостопанска вар).
• Други изменения (напр. добавки за пълнене на почвата, хранителни вещества и др.).

Замърсената почва обикновено се третира в елеватори с дебелина до 1 метър. Когато се постигне желаното ниво на третиране, елеваторът се отстранява и се поставя нов. Много често се отстранява само горната част на ремедеирания елеватор, след което новият елеватор се конструира чрез добавяне на по-замърсена почва към останалия материал и се смесва. Това служи за инокулиране на прясно добавения материал с активно развиваща се микробна култура и може да намали времето за третиране. Тази техника се използва успешно от години при управлението и обезвреждането на мазни утайки и други отпадъци от петролните рафинерии. Като цяло, колкото по-високо е молекулното тегло на целевата молекула (т.е. колкото повече пръстени има полицикличния ароматен въглеводород), толкова по-бавна е скоростта на разграждане. Също така, колкото по-хлорирано или нитрирано е съединението, толкова по-трудно е да се разгради. Факторите, които могат да ограничат приложимостта и ефективността на процеса, включват: а) големи изисквания за пространство; б) не могат да бъдат постигнати благоприятни условия за биологично разграждане на замърсителите, което увеличава продължителността на времето за завършване на ремедиирането, особено за рекалцитрираните съединения; в) неорганичните замърсители не са биоразградени; г) потенциала на големи количества прахови частици, отделяни от операциите; и (д) присъствието на метални йони може да бъде токсично за микробите и може да се изтече от замърсената почва в земята. Биологичното рекултивиране, комбинирано с други биологични методи за пречистване, се използва широко и успешно се прилага при много видове отпадъци, особено за депониране на мазни утайки и други отпадъци от петролните рафинерии

КОМПОСТИРАНЕ: Компостирането е процес, който работи за ускоряване на естественото разпадане на органичния материал, като осигурява идеалните условия за бурно развитие на микроорганизмите (Фиг. 24). Крайният продукт на този концентриран процес на разлагане е продукт, богат на хранителни вещества (компост), който може да помогне на зърнените култури, градинските растения и дърветата да растат.

Фигура 24. Компостиране

Биоремедиацията на компоста се отнася до използването на биологична система от микроорганизми в зрял, втвърден компост, за да се секвестрират или разградят замърсителите във вода или почва. Микроорганизмите консумират замърсители в почви, подземни и повърхностни води и въздух. Замърсителите се усвояват, метаболизират и трансформират в хумус и инертни странични продукти, като въглероден диоксид, вода и соли. Биоремедиацията на компост се е доказала ефективна при разграждане или промяна на много видове замърсители, като хлорирани и нехлорирани въглеводороди, съхраняващи дървесина химикали, разтворители, тежки метали, пестициди, петролни продукти и експлозиви. Компостът, използван при биоремедиацията, се нарича „пригоден“ или „проектиран“ компост, тъй като е специално направен за третиране на специфични замърсители на конкретни места. Крайната цел във всеки проект за ремедиация е да се възстанови мястото в неговото състояние преди замърсяване, което често включва възстановяване за стабилизиране на третираната почва. В допълнение към намаляването на нивата на замърсителите, компостът постига тази цел като улеснява растежа на растенията. С тази роля компостът осигурява кондициониране на почвата и също така осигурява хранителни вещества за голямо разнообразие от растителност

БИОРЕАКТОРИ: третирането на замърсена почва в биореактор е най-добрата технология за ремедиация, въпреки че е най-скъпата (Фиг. 25).

Фиг. 25. Примери за третиране на почва в биореактор

Това е ex situ off site технология: почвата, след отстраняването й от първоначалната площадка, може да се третира далеч от първоначалното й местоположение. Почвата се обработва във фаза на суспензия в биореактор, изработен от различни материали (стъкло, стомана, бетон или други материали) и всички параметри на процеса на ремедиация се следят и контролират, за да направят процеса възможно най-ефективен (рН, редокс потенциал, температура, концентрация на замърсителя(ите), наличие на метаболити на разграждането). Следователно, микроорганизмите могат да работят в оптималните си условия. Пречистването на замърсената почва в биореактора обикновено се прилага за почви, замърсени от особено рекалцитрирани молекули, които трудно се отстраняват чрез други технологии за ремедиация (например, силно хлорирана молекула).

СИЛНИПСТРАНИ

– Намалени разходи по отношение на химическите и физическите стратегии (по-ниски разходи за енергия);

– Намалено въздействие върху околната среда: почвата може да се използва повторно in situ;

– Проблемът (т.е. замърсяването) е решен (замърсителите изчезват, те не се преместват просто от едно място на друго);

– Приемливост от общественото мнение.

 СЛАБИ СТРАНИ

– Проблеми за бионаличността на замърсители;

– Проблеми в случай, че замърсителите са повече от един;

– Проблеми с подходящи условия на околната среда (рН, температура, наличие на кислород).

Процесът на производство на биогаз вече е описан в раздела за основното ниво. В обобщение на вече описаното, в развиващите се страни се наблюдава повишен интерес към развитието на технологии за производство на възобновяеми енергийни източници.

Основни стъпки към съвременните биопластмаси

• Биопластмасите не са истинска иновация: естествените смоли се използват от древни времена (например кехлибар, шеллак и др.)
• От 1860 г. се произвеждат първите пластмаси, получени от целулоза (напр. целулоид, целофан)
• През 40-те години на миналия век, Хенри Форд е направил автомобил с пластмаси, получени от соя
• През 50-те години се появяват пластмаси, получени от петролни разливи
• Петролната криза през 70-те години: възобновява се интереса към биопластмасите.

Понастоящем се наблюдава увеличение на търсенето на биопластмаси, главно поради неотложните екологични проблеми (изчерпване на ресурсите, парниковия ефект, изхвърлянето на отпадъци и др.). Фиг. 5, 6 и 7 предлагат допълнителна информация за биопластмасите.

Фигура 5. Биопластмасите и европейското законодателство 

Пластмасата и каучука са полимерни материали, състоящи се от мономери. Те се произвеждат главно от петрол и основният материал е невъзобновяем. Около 4% от потреблението на петрол в света е като суровина в производството на пластмаси; подобно количество се използва като енергия в производствения процес. В допълнение към петрола, пластмасовото производство изисква използването на химически добавки като пластификатори, забавители на пламъка, топлинни и UV стабилизатори, биоциди, пигменти и удължители. Няколко добавки се класифицират като опасни, съгласно регламентите на ЕС (канцерогенни, мутагенни, вредни за репродуктивното здраве или за водния живот или с постоянни отрицателни въздействия върху околната среда).

През 60-те години на ХХ век, пластмасата се разглежда за първи път с тревога по отношение на замърсяването на моретата и океаните и негативните й въздействия върху здравето на хората и околната среда започват да се описват. Всъщност пластмасите освобождават токсични химикали през целия жизнен цикъл на продукта.

Рециклирането на пластмасите е възможно решение. То обаче, не е единственото решение, необходимо за ограничаване на отпадъците от пластмаса, които замърсяват околната среда. Пластмасовите изделия могат да варират от нерециклируеми само веднъж или два пъти, или определен брой пъти, но не завинаги. След това ограничение, пластмасата ще се окаже в депо. Освен това, много пластмасови потребители дори не позволяват на пластмасата им да има такъв дълъг живот. Възобновяемите пластмаси, което означава пластмаси, получени от възобновяеми източници и лесно биоразградими в околната среда, могат да предложат решение на проблема с биопластичното отравяне.

Fig. 6. Biobased and biodegradable

Фигура 7. Основни типове биопластмаси, произвеждани по света

Био-базиран е дефиниция в европейски стандарт EN 16575, която означава „получен от биомаса“. Биоразградими материали са материали, които могат да бъдат разрушени от микроорганизми като бактерии или гъби във вода, въглероден диоксид или метан и биомаса. Въпреки това, биоразградимостта зависи от условията на околната среда: наличие на микроорганизми, температура и наличност на кислород и вода. Компостиращите материали са материали, които се разрушават в условия на компостиране. Условията на индустриалното компостиране изискват повишена температура (55 °C – 60 °C), комбинирана с висока относителна влажност и наличието на кислород и те всъщност са оптимални в сравнение с други условия на разграждане в почвата, повърхностните води и морската вода. Съответствието с EN 13432 се счита за добра мярка за компостиране на опаковъчните материали. Според този стандарт пластмасовите опаковки могат да бъдат наречени компостируеми. Някои подробности за 3-те основни категории биопластмаси са дадени по-долу.

Пластмаси на основата на скорбяла

75% от всички органични материали на Земята присъстват под формата на полизахариди. Скорбялата е важен полизахарид. Растенията синтезират и съхраняват скорбяла в структурата си като енергиен резерв. Скорбялата се открива в семената, клубените или корените на растенията. Източници на скорбяла са царевица, пшеница, ориз, картофи, тапиока, грах и много други растителни ресурси. Повечето от скорбялата, произведена в световен мащаб, произхожда от царевица. Скорбялата обикновено се извлича от растителни ресурси чрез процеси на мокро смилане. Скорбялата се състои от два вида полимери на глюкозата: амилоза и амилопектин. Амилозата е по същество линеен полимер, при който глюкозните блокове се свързват предимно чрез α-D-(l, 4) глюкозидни връзки. Амилопектинът е разклонен полимер, съдържащ периодични разклонения, свързани с основната структура чрез α-D-(l, 6) глюкозидни връзки. Съдържанието на амилоза и амилопектин в скорбялата варира и зависи от нейния източник.

Фигура 8. Технология на основата на скорбяла на Novamont

Важен клас пластмаси е този, базиран на скорбяла. Започвайки в началото на 90-те години, развитието на научните изследвания и технологиите доведе до откриването на сложни естествени полимери като скорбяла (от царевица, картофи и др.) с биоразградими макромолекули (полимерни комплексо-образуващи вещества), за да се получат термопластични и биоразградими иновативни материали в индустриален мащаб. По-специално, базираната на скорбяла технология Novamont (Фиг. 8) използва условия за обработка, които могат почти напълно да унищожат кристалността на амилозата и амилопектина, в присъствието на макромолекули, които са в състояние да образуват комплекс с амилозата. Те могат да бъдат от естествен или синтетичен произход и са биоразградими. Комплексът, образуван от амилоза и комплексообразуващия агент, обикновено е кристален и се характеризира с единична спирала на амилозата около комплексообразуващия агент. За разлика от амилозата, амилопектинът не взаимодейства с комплексообразуващия агент и остава в аморфното си състояние. Източникът на скорбяла, т.е. съотношение между амилоза и амилопектин, условията на обработка и естеството на комплексните агенти позволяват конструиране на различни супрамолекулни структури с много различни свойства. През последните няколко години са направени много успешни усилия за увеличаване на количеството възобновяеми суровини за производство на биоразградими полиестери. Затова Novamont е един от най-важните играчи в биопластмасите на основата на скорбяла. В момента компанията работи в разработването на проект за биорафиниране, състоящ се от иновативен модел за разработване, способен да синтезира различни химически междинни съединения, използвайки възобновяеми суровини, култивирани с нисък разход и в пределни зони, вместо изкопаеми суровини.

Пластмаси от поли-млечна киселина

Синтетични биоразградими поли-лактони като поли-млечна киселина (PLA), поли-гликолова киселина (PGA) и поли-капролактон (РС1) са полимери, които се разграждат чрез проста хидролиза на естерните връзки. Хидролитичните продукти от този процес на разграждане след това се трансформират в нетоксични субпродукти (Фиг. 9).

Фигура 9. Жизнен цикъл на PLA

Пластмасите PLA се получават от ферментацията на селскостопански продукти, богати на нишесте вещества като царевица, пшеница или сладка и фуражна царевица. Процесът включва превръщане на царевицата или другите въглехидратни източници в глюкоза, последвано от ферментацията й в млечна киселина (Фиг. 9 и 10).

Фигура 10. PLA получаване от скорбяла

PLA, получен от млечна киселина, е термопластичен, биоразградим алифатен полиестер с голям потенциал за приложения за опаковане. Мономерите на млечната киселина са директно поликондензирани или претърпяват полимеризация с отваряне на пръстена на лактида, което води до образуване на PLA пелети. Свойствата на PLA като опаковъчен материал зависят от съотношението между двата оптични изомера на мономера на млечната киселина. Когато се използват 100% L-мономери, това води до много висока кристалност и точка на топене, докато 90/10% D / L съполимери отговарят на изискванията за насипни опаковки. PLA е първият биобазиран полимер комерсиализиран в голям мащаб и може да бъде оформен в инжекционни формулировки, филми и покрития. PLA замества полиетилена с висока плътност, полиетилена с ниска плътност (LDPE), полиетилен терефталата и PS като опаковъчен материал.

Основните свойства на PLA са: i) механичното съпротивление и топлинната чувствителност са подобни на традиционните пластмаси; ii) твърдостта, сковаността и степента на еластичност са подобни на PET, iii), той може да съдържа мазнини, масла, алкохолни и алифатни молекули, iv) оскъдна резистентност към киселини и бази, но добра устойчивост на UV радиация, v) може да се отпечатва и боядисани, vi) Може да се трансформира в стоки чрез стандартни машини, използвани за традиционните пластмаси, vii) фазата на последваща употреба може да включва компостиране в промишлените инсталации.

Полихидроксиалканоати

Полихидроксиалканоатите (Phas) са био-разградими полимери, които се натрупват от някои бактерии като резервно съединение под формата на вътреклетъчни гранули. PHA е един от биополимерите, които могат ефективно да заменят конвенционалните нефтохимически пластмаси с техните материални свойства, които са съизмерими. Дори и сега производството им в голям мащаб все още е ограничено от високите им производствени разходи в сравнение с конвенционалните пластмаси, основани на изкопаеми горива, като PHA цената, в зависимост от полимерния състав, варира от 2,2 до 5,0 €/kg, която е най-малко три пъти по-високи от основните петрохимични полимери, които струват по-малко от 1,0 €/kg (изчисления, направени през 2016 г.).

В по-голямата част от фирмите, произвеждащи PHAs, се използват предимно чисти култури. Проблемът с употребата на чисти култури е изискването за стерилност и рафинирани субстрати, ако не се използват растителни суровини, като по този начин се ограничава процеса на комерсиализация. Всички тези проблеми трябва да бъдат преодолени, като се използват смесени микробни култури (MMCs): те съчетават трансформацията на отпадъците в получаване на ценна продукция с добавена стойност. Биологично третиране на отпадъчните води и управлението на утайките за възстановяване на въглерода от отпадъчни води като PHAS е начин за трансформиране на инфраструктурата за опазване на околната среда в края на процеса по биорафиниране. Интеграционни стратегии за производството на MMC PHA в процесите на пречистване на отпадъчни води са предложени за отпадъчни води от промишлени процеси и обработка на общински отпадъчни води.

Един от най-добре характеризираните членове на семейството PHA е полихидроксибутирата (PHB), произвеждан от микроорганизми, които го натрупват в клетъчната цитоплазма. През 1926 г. първо се открива микробно производство на линеен полиестер на D (-) – 3 -хидроксимаслена киселина като вътреклетъчни гранули, както в Грам-положителни, така и в Грам-отрицателни бактерии при условия на глад (Фиг. 11).

Фигура 11. Полихидроксибутират

Цената е основният недостатък на производството на PHB по време на индустриализацията. Промишленото производство на PHB е по-скъпо от това на петропластите. Производството на големи количества PHB се оценява около 4.4 USD/kg, т.е. далеч по-скъпо от производствената цена на полипропилена, която е близо до 1 USD/kg. Финансовите затруднения са несъмнено свързани с производствените разходи, както нагоре, така и надолу по веригата. Приблизително 40% и 50% от общите производствени разходи за PHB са присъщи съответно на суровините и системите за разделяне/пречистване. В техники за биоекстракция, генетичното инженерство е най-често използвано за въвеждане на микроорганизми и те са способни ефективно да екскретират PHB от натрупващи PHB клетки. Има няколко подхода, които са изследвани, включително бактериофагова система, медииран лизис и бактерии-хищници, които са по-добри от конвенционалните подходи за екстракция, които произвеждат екологично вредни разтворители, с по-високи разходи за разграждане. По този начин, поради неприемливите неекологични и неикономически свойства на конвенционалните методи за екстракция, се отделя повече внимание на системите за биоекстрация.

Тази учебна единица е основно фокусирана върху технологиите, които позволяват изследването на микробиотата в почвата или сложните матрици. Основните технологии са изобразени по-долу (Фиг. 12).

Фигура 12: Техники за изучаване на сложността на микробиома

Култивационният подход е добре описан във видеото, което е произведено в рамките на Digit-Biotech. Този „класически метод“ предвижда идентифицирането на микроорганизми чрез изолиране на чисти култури, последвани от тестове, които анализират някои морфолого-физиологични и биохимични характеристики. Тези анализи често не са достатъчни за идентифициране на повечето видове микроорганизми и освен това се ограничават до култивируеми видове, които представляват много малък процент от всички видове, открити в природата. Тези тестове също имат сериозно ограничение че изискват значително време. Въпреки това, те имат голямо предимство при получаването чрез изолационния подход на целевите микроорганизми, които могат да бъдат използвани в биоредиационния подход.

През последните няколко десетилетия изследванията в областта на микробиологията са показали, че микробните общности играят функционална роля в контрола на екосистемите, които не се дължат на отделни видове, а за самите съобщества като „функционални единици“. Тази функционална дейност на микробните съобщества в много случаи е отговорна за важни процеси за хората, включително биоразграждането на оригиналните отпадъци в пречиствателните станции за отпадъчни води и депата, компостирането и като цяло всички процеси, при които се извършват химически трансформации на веществата. Денатурираща градиентна гел електрофореза (DGGE), PCR (или количествен PCR) и подхода на цял геном (високопроизводително секвениране и секвениране тип „пушка“) са основните технологии, използвани за изследване на микробните популации в околната среда.

DGGE: Това е техника на електрофоретично разделяне, използвана за разделяне и анализ на ДНК фрагменти, които се различават в нуклеотидната си последователност и по една базова двойка. В класическата електрофореза, проведена на агарозен или акриламиден гел, ДНК фрагментите се разделят на базата на молекулно тегло; Скоростта на движение намалява успоредно на увеличаването на дължината на фрагмента. Обратно, при DGGE фрагментите от ДНК с еднакво молекулно тегло се разделят съгласно типа денатурацията. Наличието на топлина или химически денатуриращи агенти позволява денатурирането на двете вериги на двойно-верижната ДНК (DSDNA) молекула. Температура и концентриране на денатуранта, към който се случва разделянето на двете вериги, силно зависят от последователността на самия фрагмент. По-специално, определящите фактори са: количеството водород, което са установено между допълнителните бази и вида взаимодействия, които са установени между базите в непосредствена близост на една и съща верига (взаимодействие с подреждане). Следователно, ДНК молекулата има области с характерни температури на топене или TM, определящи се от нуклеотидната последователност. ДНК фрагментите са почти идентични по молекулно тегло, но те също се различават по един нуклеотид, могат да се характеризират с ТМ, различни една от друга. Анализът чрез DGGE се провежда върху полиакриламиден гел, съдържащ денатуриращ градиент по такъв начин, че DSDNA да бъде обект, по време на увеличаване на условията на денатуриране с последващо разделяне при топилните домени. В горната част на гела, където има меки условия на денатуриране, топилните домени при по-ниски ТМ започват частично денатуриране, създавайки разклонени молекули с по-малка мобилност. Увеличаването на условията на денатуриране по полиакриламидния гел може да определи общото дисоциация на частично денатурираните фрагменти в едноверижна ДНК (SSDNA). Експериментално, пълното дисоциация на двете DSDNA нишките е възпрепятствано чрез въвеждане в края на всяка нишка, домейни, характеризиращи се с високо съдържание на G + C и High TM. G + C-богати региони са изкуствено създадени в единия край на DSDNA посредством включването на GC-скоба по време на амплификационни реакции. Включването на GC-скобата е възможно чрез използване на праймери, характеризиращи се с последователност от около 30-40 ^оC в 5 ‘края. Наличието на GC-скобата на една и съща последователност при крайника на всяка молекула причинява разликите между профилите на инсулт на анализираните фрагменти, които се определят главно чрез вариации в последователността на ниски топилни домейни. Тъй като TM се определя от нуклеотидната последователност, наличието на единична мутация е способно да генерира различен денатуриращ профил и следователно, различен електрофоретичен цикъл. Следователно, повтарянето на полиморфизмите в силно консервативни гени може да бъде анализирано от DGGE и може да предостави полезна информация за характеризиране на структурата на микробните общности. Всъщност, с денатурираща градиентна гел електрофореза, се получава електрофоретичен профил, образуван от серия от ленти, при който, като първо приближение, броят на лентите е пропорционален на броя на присъстващите видове и позицията на всяка лента е различна за всеки вид . Следователно, техниката на DGGE осигурява прост подход за получаване на профили на микробната общност, които могат да бъдат използвани за идентифициране на пространствени и времеви разлики в структурата на съобществото или за наблюдение на промените в структурата, които възникват в отговор на нарушения на околната среда.

PCR в реално време: Това е техника, която позволява да се амплифицира и в същото време да се определи количествено целевата ДНК последователност. Тя включва използването на флуоресцентни багрила, като например sybr зелено, което се интеркалира в малката примка на двойната спирала ДНК, или сонди със специфични последователности, състоящи се от олигонуклеотиди, маркирани с флуоресцентни багрила. Излъчената флуоресценция се измерва постоянно и осигурява информация в реално време за количеството произведен ампликон. От реакцията на амплификация се получава графика със сигмоидална крива; Тя започва възможно най-скоро при възможно по-голямо количество от началната ДНК и продължава да нараства с експоненциална тенденция, докато достигне максимална стойност (плато), в която реакцията ще се забави поради изчерпването на субстратите.

При изучаването на PCR графиката в реално време се определят три параметъра:

– флуоресцентна базова линия или базова линия;

– праговата линия, успоредна на основната линия;

– праговият цикъл или КТ, специфичен за всяка проба, идентифицира стойността на цикъла на PCR, в който кривата на експоненциалната фаза пресича праговата линия.

Повечето PCR инструменти в реално време са програмирани да четат дължини на вълните на SYBR зеления емисионен и възбуждащ спектър (съответно 495 nm и 537 nm). Тази боя е много чувствителна към светлина, тя се свързва само с двойно-верижна ДНК и следователно само до ново синтезирания ампликон. Пробите се определят количествено въз основа на калибровъчни криви, получени чрез използването на известни количества копия от 16 S rDNA гена. Сравнението между сигнала, излъчван от неизвестната проба с флуоресциращите стойности, използвани за конструирането на калибровъчната крива, позволява количествено определяне на специфични микробни видове. В допълнение към количественото измерване на целевите бактерии, интеркалаторите като SYBR зелени позволяват да се разграничат ампликоните с различна дължина и да се открият неспецифични амплификации, които могат да присъстват

Секвениране от ново поколение: Особеността на тази технология, въведена през 2006 г., се състои не само в способността да се посреща един ДНК фрагмент в даден момент, като се разширява този процес към милиони фрагменти едновременно, но също така и в способността за последователност на ДНК фрагменти в и двете посоки.

Първата стъпка включва едноверижни ДНК фрагменти в краищата на веригата наречени „индекс“, да се заредят върху поток от клетки, където те са прихванати на повърхността, съдържаща „олигонуклеотиди, все още комплементарни на индексите, върху които те са имобилизирани за подготовката на библиотеките. Хибридизацията между последните и ДНК фрагментите се появява чрез процеси на нагряване и охлаждане, последвано от инкубиране със специфични реагенти и изотермална полимераза. Чрез „мостова“ амплификация всеки фрагмент се усилва ясно от останалите, създавайки клъстер от клонове. Когато поколението на клъстера е завършено, генерираните модели, след подходяща денатурация, са готови за действително секвениране.

Illumina използва технология, базирана на верига, която завършва с флуоресцентни нуклеотиди с ОН при 3′ края; това гарантира, че се включена по една база за цикъл. Следва стъпка за снемане на изображения, за да се идентифицира нуклеотидът, включен във всеки клъстер и химическа стъпка за отстраняване на флуоресцентната група и терминалната OH група, за да се позволи включването на друга база в следващия цикъл.

В края на секвенирането, което отнема около 4 дни, последователността на всеки клъстер се подлага на процеси на подбор (подрязване), за да се елиминират ниско-качествените продукти. По време на анализа на данните фрагментите с различни дължини се подравняват и наслагат, като по този начин е възможно да се идентифицира последователността на изходната верига. В една стандартна процедура се анализират най-малко 40-50 милиона последователности.

Секвенирането тип пушка. Секвенирането тип пушка е последователно секвениране на всички геноми, присъстващи в сложна матрица, като например почвена проба. Следователно, секвенирането тип пушка е най-ефективният начин за секвениране на голяма част от ДНК. За това началната ДНК се разбива случайно на много по-малки парчета, нещо като обстрелване, като всяко от тези парчета след това се секвенира индивидуално. Получената последователност, генерирана от различните части, след това се анализира от компютърна програма, търсейки участъци от последователността от различните цикли, които са идентични един с друг. Когато се идентифицират идентични региони, те се припокриват помежду си, позволявайки двете последователности да се слепят заедно. Този компютърен процес се повтаря отново и отново, докато в крайна сметка не даде пълната последователност на началната част на ДНК. Първоначалното произволно фрагментиране и четене на ДНК даде на този подход името „секвениране тип пушка“.

Множество биотични и абиотични видове стрес, като масовото използване на пестициди в селското стопанство и изменението на климата, компрометират оцеляването на опрашващите насекоми, с потенциално вредни последици както за агроекосистемите, така и за природните системи. Всъщност, пчелите са отговорни за опрашването на 84% от културните растителни видове, 35% от които са от световно значение и на 78% от дивите. Достатъчно е да се каже, че само 70% от семенните култури (като моркови, лук, чесън и т.н.) са строго зависими от опрашването от насекоми, както и 80% от 264-те видове култури, представляващи интерес в Европа. От това следва, че дейността на опрашващите насекоми, включително пчелите, играе съществена икономическа роля, чиято парична оценка е около 15 милиарда евро годишно само в Европа, докато в световен мащаб оценката нараства до 153 милиарда евро годишно.

В допълнение към огромната стойност за поддържане на биологичното разнообразие и баланс, присъстващи в различните екосистеми, пчелите доставят мед, пчелен восък, прополис, цветен прашец и пчелно млечице: в Европа данните, събрани през 2010 г., показват производство от около 220 000 тона мед с цени от 1,50 до 40 евро/кг в зависимост от района на произход. В Австралия например, производството на мед и пчелен восък годишно се движи около търговска стойност от 90 милиона долара, подчертавайки отново значението, което пчеларският сектор играе в панорамата на световната икономика. Пчелните семейства намаляват бързо от 6 милиона през 1940-те година на ХХ век до около 2,6 милиона днес. Наблюдава се висока годишна загуба на пчелни семейства, която се превръща в норма за пчеларите. Здравето на червата играе важна роля за вродения имунен отговор на гостоприемника и адаптивността към множеството стресови фактори, с които пчелите се сблъскват днес.

Маточниците, засегнати от феномена „Колапс на пчелните семейства“ (CCD) или „Синдром на обезлюдяване на кошера“, също показват значителни признаци на дисбаланс. Причините за този синдром все още не са ясни, но се смята, че те могат да се дължат на промени във факторите на околната среда, недохранване, наличие на патогени и масовата употреба на инсектициди. Симптоматологията вижда наличието на маточници, които изоставят ларвите си въпреки наличието на кралица, и липса на апетит към запасите от цветен прашец и нектар, които не се консумират веднага (Фиг. 13).

Фигура. 13. Общ изглед на Колапс на пчелните семейства

Една от възможните причини за това отмиране може да бъде свързана с дисбиоза на чревната микробиота, като промяна по отношение на микробното количество и състав. С този термин определяме явление, което влияе отрицателно върху полезните функции на микробиотата и което е свързано със специфични метаболитни дисбаланси. Всъщност, тези недостатъци биха могли да създадат сериозни проблеми в развитието на младите възрастни, като повлияят на способността им да развиват гени на резистентност, включително тези за синтеза на вителогенин, и чрез инхибиране на функциите на имунната система, като се имат предвид доказателствата, че същата микробиота насърчава неговата ефективност (Фиг. 14).

Фигура 14. Последици от промяната в състава на чревните микроби при пчелите

Преди няколко години се опитахме да разберем кои фактори могат да дестабилизират микробиотата, стигайки до заключението, че дисбиозата се причинява както от биотични, така и от абиотични фактори. Като се има предвид биотичния стрес, беше установено, че диетата, наличието на специфични патогени и нарушения (например, CCD) и неблагоприятните условия на околната среда играят фундаментална роля. Липсата на хранителни вещества има разрушително въздействие върху нормалното развитие на чревната микрофлора, последствие от което е повишаване на смъртността на пчелите, както и повишаване на податливостта към болести и патогени. Освен това, аномалните температури предизвикват състояние на стрес у гостоприемниците, рефлектиращо в драматични последици върху симбионтите.

Като се имат предвид абиотичните стресови фактори, щетите се дължат почти изцяло на използването на инсектициди, фунгициди, акарициди и антибиотици. Всъщност, по време на фуражните операции пчелите рискуват да погълнат непряко и да срещнат активните съставки, както върху основните третирани култури, така и върху съседните, подложени на дрейф. Това може да причини сериозни проблеми и дисбаланс в метаболизма и имунната защита: съществува възможност излагането на определени вещества да попречи на способността на пчелите да регулират своята микробна чревна популация.

Поради тези причини, една от най-иновативните бъдещи перспективи има за цел да разбере задълбочената връзка между микроорганизмите и пчелите, за да подобри драматичния им живот и условия.

Дисбиоза на червата: пример

Предвид нарастващия интерес, който общественото мнение проявява към този продукт, първият обективен анализ пада върху ефекта на глифозат (N-фосфонометил-глицин). Това е неселективен системен хербицид след поникване, т.е. тотален хербицид. Механизмът му на действие прекъсва метаболитния път, отговорен за синтезата на фенилаланин, тирозин и триптофан, инхибирайки синтезата на 3-фосфошикимат-1-карбоксивинилтрансфераза (EPSP синтаза). Този хербицид винаги се е смятал за един от най-малко токсичните продукти за животните, тъй като те не притежават този метаболитен път. Въпреки това е доказано, че може да засегне нецелеви организми – проявява силно токсични ефекти върху земните червеи, микроводораслите, водните бактерии, ризосферата и ендофитите. Въздействайки върху бактериите, трябва да се подчертае, че ефектите са открити и при чревни микроорганизми и симбионти по фауната в съседство със земеделски площи, включително пчели.

По-конкретно, Motta et al. (2018) провеждат проучване, насочено към характеризиране на микробиотата на пчелите, изложени на глифозат, като заключава, че абсолютното изобилие от S. alvi, G. apicola, Lactobacillus sp. и Bifidobacterium sp. (Фиг. 15) е претърпяло значително намаляване.

Фигура 15. Анализ на чревната микробиота на пчелите

Продуктът компрометира бактериалната флора, като спира растежа й, без обаче да я убива директно; следователно предполага се, че ефектът е върху клетъчното делене през първите дни на колонизация. Пчелите, които срещат хербицида на полето, всъщност пренесат активната съставка в кошера, която, тъй като е много стабилна и неразтворима във вода, би могла да остане на повърхностите дълго време. По същия начин, дори на полето, постоянството означава, че замърсяването може да продължи дълго време. Следователно, вътре в кошера дифузията чрез трофалаксия и контакт с други пчели означава, че продуктът достига до младите ларви, хранени от възрастни, непоправимо променяйки развитието на полезните видове симбионти.

Как се придобива микробиотата?

Фигура 16. Жизненият цикъл на пчелите

Естествените бактерии, попадащи в пчелите от цветята, докато събират нектар и цветен прашец, се намират предимно в средната и задната част на медоносните пчели. Чревните бактерии, естествено открити в пчелите, са динамични. По време на развитието на ларвите (Фиг. 16) бактериалната популация се колебае. Ларвите получават някои бактерии от пчелите кърмачки, които ги хранят. По време на стадия какавида, лигавицата на червата се отделя, а червата на новопоявилата се възрастна пчела са стерилни. Червата бързо се колонизират повторно с характерна микробиота. Как става това? Основните пътища са орална трофалаксия, взаимодействие с кошерен материал и фекално-орално предаване. По-специално, характерната микробиота на възрастните пчели започва да се развива около четири дни след появата им.

Въпреки че факторите, позволяващи еволюцията на микробиотата за всяко живо същество, все още са неизвестни, доказано е, че социалните пчели притежават отличителна микрофлора в зависимост от семейството, към което принадлежат. Например, анализирайки микробиотата на различни родове еусоциални карбикулатни Apoidea като Bombus spp., Megachile spp. и Apis spp., основните бактериални родове са повтарящи се (Snodgrassella spp., Gilliamella spp., Bifidobacterium spp. и Lactobacillus spp.), но видовете варират по отношение на вида насекоми. Оттук произтича хипотезата, според която микробиотата е резултат от динамична съвместна еволюция на микроорганизми и гостоприемници, в зависимост от околната среда и от генотипните вариации, на които видът е бил подложен през вековете, чието богатство също е свързано с размера на отделни пчели и цели семейства. Всъщност, установяването на специфична за вида микрофлора е резултат от дълга селекция, при която са установени оптималните полезни съотношения както за микроорганизмите, така и за гостоприемниците.

Кои и къде са те?

Изчислено е, че в червата на възрастни пчели работнички има около 1 милиард бактериални клетки, 95% от които са разположени, по-специално в задната част на червата (Фиг. 17). Тук се отбелязва специфична диференциация между илеума и ректума; като в първия има три вида протеобактерии G. apicola, F. perrara и S. alvi, които образуват плътен биофилм в съответствие с малпигиевите тръби и който продължава по дължината на илеума. В ректума обаче, преобладава гъста бактериална общност, образувана от три класа грам-положителни бактерии, Firmicutes (Firm-4, Firm-5) и Bifidobacteria. Що се отнася до средното черво, установено е, че има главно Lactobacillus spp. и Acetobacteraceae, тоест онези таксони, които се срещат и в цветния прашец, нектар и по-общо в кошера. Следователно, може да се каже, че предварително адаптирана микробиота не съществува в средната част на червата и че тя варира в зависимост от околната среда и хранителните навици на индивида. В количествено отношение тук има много по-малко изобилна флора, отколкото в ректума. Средното черво също съдържа малко бактерии и тези присъствия са по-концентрирани в прокамерната област, съседна на задната част на червата.

Фигура 17. Основната микробиота на пчелите

Какви са функциите на чревната микробиота?

През последните няколко години научната общност започна да проявява все по-голям интерес към ролята, която микробиотата играе за благосъстоянието на пчелите (Фиг. 18). Многобройни проучвания и изследвания показват, че взаимодействията с гостоприемника имат поддържащи ефекти както на метаболитно и хранително ниво, така и по отношение на имунния отговор към патогени. Що се отнася до хранителната подкрепа, балансираната бактериална флора е необходима за правилното усвояване на хранителните вещества, тъй като благодарение на ензимната си активност, тя участва в разграждането на сложните захари. Освен че са отговорни за наличието на целулази, хемицелулази и лигнинолитични ензими в червата, полезни за процеса на храносмилане на поленови зърна, богатството на видовете е такова, че позволява съвместното съществуване на различни пътища на катализа на захарта (особено за Gammaproteobacteria, Firmicutes and Bifidobacteriaceae). Всъщност, изчислено е, че 91% от протеиновите транскрипти, свързани с храносмилането на растителни макромолекули и с ферментационните явления на мономерни субединици, се произвеждат от бактерии. Друг конкретен пример се отнася до пектин-лиази, способни да разграждат пектините, присъстващи в клетките на стената на поленовите зърна. Последното също е отличен показател за високата генетична вариабилност и адаптивност в рамките на един и същи вид микроорганизми. Всъщност се вижда, че само някои щамове на G. apicola ги притежават, докато други са напълно лишени от тях. Важността на по-големия храносмилателен капацитет и следователно, способността да се метаболизират хранителни вещества, които не могат да бъдат разрушени, е доказана в различни проучвания. Zheng et al. (2017), например, сравнявайки пчелите с нормална микробиота и други без чревна флора, подчертават значителни физиологични различия. В първите симбионтите повлияват положително размера на червата, теглото на индивидите, стойностите на вителогенин и инсулин и чувствителността към захари. След това тези открития предполагат, че микробиотата може да повлияе на апетита и растежа на тялото на пчелите чрез увеличаване на сигналите, свързани с наличието на инсулин.

В допълнение към хидролизата на сложни въглехидрати, чревните микроорганизми произвеждат полезни метаболитни субстрати, като витамин В и мастни киселини с къси вериги. Например, родовете Lactobacillus sp. и Bifidobacterium sp. участват в процесите на ферментация на цветен прашец и нектар, така че се считат за отговорни за витаминната стойност на меда. Феноменът на симбиоза с гостоприемника надхвърля хранителната и метаболитната подкрепа: микробиотата играе важна роля в поддържането на имунната система. Всъщност, на първо място, бактериите биха могли директно да стимулират производството на собствените защитни молекули на пчелата. След контакта между епителната повърхност и пептидогликана (основен компонент на клетъчната стена на грам-положителни бактерии), имунната система може да активира гените за производство на 6 антимикробни пептида като: абаецин, хименоптаецин, апидицин, дефензин-1 и дефензин -2. Следователно, производството на тези съединения се засилва от промените в самите микробни мембрани и може също да бъде предизвикано от излагане на някои патогенни и непатогенни микроорганизми. Например, Frischella perrara, симбионт, който колонизира илеума в задната част на червата, преди всичко стимулира производството на апидицин. Второ, микробиотата може да е пряко отговорна за производството на антимикробни съединения, което се потвърждава от многобройни изследвания. Saraiva et al. (2015), например, документира наличието на множество гени, участващи в биосинтезата на стрептомицин и на вторични метаболити, експресирани от симбионти и които могат да играят роля в поддържането на микробиотата.

Фигура 18. Функции на чревната микробиота на пчелите

Какво можем да направим?

Индивидуалният и общ опит показва, че при хора и животни, биотичният и абиотичният стрес биха могли да повлияят негативно на състава на чревната микробиота и следователно да предизвикат специфични промени в дейността на микроорганизмите на нивото на червата.

Трябва да се запитаме дали някакъв вид модулация на микробиотата, чрез прилагане на избрани щамове, може да възстанови това смущение, да намали смъртността на пчелите и/или да подобри здравето им.

Пробиотиците са „живи микроорганизми, които, когато се прилагат в адекватни количества, носят полза за здравето на гостоприемника, с изключение на биотерапевтичните средства и полезни микроорганизми, които не се използват в храната“ (FAO / WHO, 2001). Следователно, тяхното прилагане не трябва да бъде свързано с отрицателни ефекти върху организмите и околната среда. Начинът на действие на тези микроорганизми може да бъде обобщен в следните функции:

• ЗАЩИТНА ФУНКЦИЯ: дислокация на патогени, конкуренция за хранителни вещества, конкуренция с рецептори и производство на антимикробни молекули (напр., бактериоцини, органични киселини …);
• СТРУКТУРНА ФУНКЦИЯ: бариерен ефект, биофилм върху стената на чревните власинки, развитие на имунната система;
• МЕТАБОЛИЧНА ФУНКЦИЯ: диференциация и пролиферация на чревни епителни клетки, катализа на канцерогенни вещества, присъстващи в храната, синтеза на витамини, ферментация на несмилаеми захари, абсорбция на йони и пестене на енергия.

Изглежда обаче, че основният механизъм на действие на пробиотиците е стимулирането на имунната система: след кохезия с чревната стена те са в състояние да стимулират поредица от каскадни сигнали, които активират синтезата на антимикробни пептиди. На практика, те са в състояние да изпълняват така описаните задачи, които микробиотата на пчелата естествено изпълнява, което се оказва хипотетично оптимално средство за опазването и оптимизирането й, както и за подобряване на перспективите за живота на пчелата.

Както при храненето на хора и животни, основните бактерии, считани за способни да постигнат тези ползи, са Lactobacillus spp., Bifidobacterium spp., Bacillus spp.

В заключение, използването на пробиотиците наскоро започна да се оценява и в самия кошер. Всъщност, въпреки че пчелите предпочитат да консумират пресен прашец, при определени условия, като сезонност, те трябва да се снабдяват със съхранените запаси. Влажната среда (50-60% относителна влажност), която се създава след събирането на цветен прашец, увеличава риска от неконтролиран бактериален и преди всичко растеж на гъбички. Има ясна необходимост да се защитят запасите вътре в кошера, за да се избегнат инфекции, които биха могли да доведат до фатални резултати, като калцирани ларви, причинени от Ascosphaera apis, или чревни инфекции, дължащи се на Nosema spp.