معلومة

16.16: التكنولوجيا الحيوية الزراعية - علم الأحياء


يمكن للتكنولوجيا الحيوية في الزراعة أن تعزز مقاومة الأمراض والآفات والإجهاد البيئي ، وتحسن كل من غلة المحاصيل وجودتها.

الحيوانات المعدلة وراثيا

على الرغم من أن العديد من البروتينات المؤتلفة المستخدمة في الطب يتم إنتاجها بنجاح في البكتيريا ، إلا أن بعض البروتينات تتطلب مضيفًا حيوانيًا حقيقي النواة للمعالجة المناسبة. لهذا السبب ، يتم استنساخ الجينات المرغوبة والتعبير عنها في الحيوانات ، مثل الأغنام والماعز والدجاج والفئران. تسمى الحيوانات التي تم تعديلها للتعبير عن الحمض النووي المؤتلف حيوانات معدلة وراثيًا. يتم التعبير عن العديد من البروتينات البشرية في حليب الأغنام والماعز المعدلة وراثيًا ، ويتم التعبير عن بعضها في بيض الدجاج. تم استخدام الفئران على نطاق واسع للتعبير عن ودراسة آثار الجينات والطفرات المؤتلفة.

النباتات المعدلة وراثيا

ساعد التلاعب بالحمض النووي للنباتات (أي إنشاء كائنات معدلة وراثيًا) في خلق سمات مرغوبة ، مثل مقاومة الأمراض ومقاومة مبيدات الأعشاب ومبيدات الآفات وقيمة غذائية أفضل وعمر تخزين أفضل (الشكل 1). النباتات هي أهم مصدر للغذاء لسكان البشر. طور المزارعون طرقًا لاختيار أنواع نباتية ذات سمات مرغوبة قبل وقت طويل من تأسيس ممارسات التكنولوجيا الحيوية الحديثة.

النباتات التي تلقت الحمض النووي المؤتلف من الأنواع الأخرى تسمى النباتات المعدلة وراثيًا. نظرًا لأنها ليست طبيعية ، تتم مراقبة النباتات المعدلة وراثيًا والكائنات المعدلة وراثيًا الأخرى عن كثب من قبل الوكالات الحكومية للتأكد من أنها صالحة للاستهلاك البشري ولا تعرض الحياة النباتية والحيوانية الأخرى للخطر. نظرًا لأن الجينات الأجنبية يمكن أن تنتشر إلى أنواع أخرى في البيئة ، يلزم إجراء اختبارات مكثفة لضمان الاستقرار البيئي. كانت المواد الغذائية الأساسية مثل الذرة والبطاطس والطماطم أول نباتات المحاصيل التي تمت هندستها وراثيًا.

تحويل النباتات باستخدام أغروباكتريوم توميفاسيانز

يحدث نقل الجينات بشكل طبيعي بين الأنواع في التجمعات الميكروبية. تعمل العديد من الفيروسات التي تسبب الأمراض البشرية ، مثل السرطان ، عن طريق دمج حمضها النووي في الجينوم البشري. في النباتات ، الأورام التي تسببها البكتيريا أغروباكتريوم توميفاسيانز تحدث عن طريق نقل الحمض النووي من البكتيريا إلى النبات. على الرغم من أن الأورام لا تقتل النباتات ، إلا أنها تجعل النباتات متقزمة وأكثر عرضة للظروف البيئية القاسية. تتأثر العديد من النباتات ، مثل الجوز والعنب وأشجار الجوز والبنجر A. الورم. يعتبر الإدخال الاصطناعي للحمض النووي في الخلايا النباتية أكثر صعوبة منه في الخلايا الحيوانية بسبب جدار الخلية النباتية السميك.

استخدم الباحثون النقل الطبيعي للحمض النووي من أجروباكتريوم إلى مضيف نبات لإدخال أجزاء من الحمض النووي من اختيارهم إلى مضيفات النبات. في الطبيعة ، المسببة للأمراض A. الورم لديها مجموعة من البلازميدات ، تسمى بلازميدات Ti (بلازميدات محفزة للورم) ، تحتوي على جينات لإنتاج الأورام في النباتات. يتكامل الحمض النووي من بلازميد Ti في جينوم الخلية النباتية المصابة. يتلاعب الباحثون ببلازميدات Ti لإزالة الجينات المسببة للورم وإدخال جزء الحمض النووي المطلوب لنقله إلى جينوم النبات. تحمل بلازميدات Ti جينات مقاومة للمضادات الحيوية للمساعدة في الانتقاء ويمكن التكاثر فيها بكتريا قولونية الخلايا كذلك.

مبيد حشري عضوي Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis (Bt) هي بكتيريا تنتج بلورات بروتينية أثناء تكون الأبواغ تكون سامة للعديد من أنواع الحشرات التي تؤثر على النباتات. يجب تناول سم Bt بواسطة الحشرات لتنشيط السم. تتوقف الحشرات التي أكلت سم Bt عن التغذية على النباتات في غضون ساعات قليلة. بعد تنشيط السم في أمعاء الحشرات ، تحدث الوفاة في غضون يومين. سمحت التكنولوجيا الحيوية الحديثة للنباتات بتشفير سمها البلوري Bt الذي يعمل ضد الحشرات. تم استنساخ جينات السموم البلورية من Bt وإدخالها في النباتات. تم العثور على سم Bt ليكون آمنًا للبيئة ، وغير سام للإنسان والثدييات الأخرى ، وتمت الموافقة على استخدامه من قبل المزارعين العضويين كمبيد حشري طبيعي.

طماطم Flavr Savr

كان أول محصول معدل وراثيًا تم طرحه في السوق هو Flavr Savr Tomato الذي تم إنتاجه في عام 1994. تم استخدام تقنية RNA المضادة للحساسية لإبطاء عملية التليين والتعفن التي تسببها العدوى الفطرية ، مما أدى إلى زيادة العمر الافتراضي للطماطم المعدلة وراثيًا. أدى التعديل الجيني الإضافي إلى تحسين نكهة هذه الطماطم. لم تنجح طماطم Flavr Savr في البقاء في السوق بسبب مشاكل صيانة المحصول وشحنه. ومع ذلك ، منذ ذلك الوقت تم تطوير العديد من نباتات المحاصيل والموافقة عليها للبيع والاستهلاك. تم اعتماد الذرة وفول الصويا والقطن على وجه الخصوص على نطاق واسع من قبل المزارعين الأمريكيين.


الفرق بين التكنولوجيا الحيوية التقليدية والهندسة الوراثية

التربية التقليدية أو التكنولوجيا الحيوية التقليدية ينطوي على تهجين السلالات بطريقة غير خاضعة للرقابة. كما هو الحال في ، يمكن للمربي بالتأكيد التحكم في أي سلالتين يجب عبوره ولكن ما يحدث على المستوى الجيني خارج عن إرادته.

كل السمات مختلطة و بطريقة عشوائية ينتهي به الأمر في النسل مما يعني أنه مع الصفة المرغوبة ، يمكن أن يكون هناك عدد قليل من السمات غير المرغوب فيها. مثل النبات يمكن أن يكون له غلة عالية من المحاصيل ولكن في نفس الوقت ، مقاومة منخفضة للغاية للآفات والتي يمكن أن تكون مميتة.

تستغرق هذه الأساليب الكثير من الوقت والجهد للعمل. يتم استخدام جزء كبير من هذا في الحصول على السمات المرغوبة و إزالة السمات غير المرغوب فيها من الجينات.

على سبيل المثال ، يحتاج النبات إلى العبور مرارًا وتكرارًا على مدار عدة مواسم نمو لمدة 3 أشهر على الأقل لإزالة السمات غير المرغوب فيها التي تأتي في الجينات من خلال الخلط العشوائي. هذا في كثير من الأحيان غير مجدية اقتصاديًا للمزارع العائلية الصغيرة التي لا يمكنها المخاطرة.

الآن نحن & # 8217 سننتقل إلى المناقشة الهندسة الوراثية.

سمح لنا البحث العلمي المتقدم اليوم & # 8217s بتجزئة جزء من الحمض النووي الذي يرمز لجين السمة المرغوبة ونقله إلى الحمض النووي لكائن حي جديد معدّل وراثيًا. وبنفس الطريقة ، يمكنك إزالة سمة غير مرغوب فيها من التسلسل الجيني للكائن الحي أيضًا.

نحن & # 8217re على مستوى حيث تحرير الجينات إنه سهل مثل تحرير صورة على Photoshop!

يتيح لنا استخدام تقنية الحمض النووي المؤتلف تحقيق تغييرات أسرع بكثير من تقنيات التربية التقليدية.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك اختبار السمة التي تريدها في أي وقت أثناء التجربة للتحقق مما إذا كانت قد ظهرت. كل ما عليك فعله هو زرع الشتلات في صينية الدفيئة.

في كثير من الأحيان عندما تقرأ & # 8217re عن المحاصيل المعدلة وراثيًا ، تتساءل كيف يمكنك وضع يديك على المنتجات الزراعية المعدلة وراثيًا التي يتم إنتاجها نتيجة لذلك. إذن & # 8230 هل هم موجودون من حولنا؟

نعم! تشير الأبحاث إلى أنه في قسم المواد الغذائية في محلات السوبر ماركت ، على الأقل يمكن اشتقاق 60-70٪ من المنتجات الغذائية ، بالكامل أو جزئيًا ، من المحاصيل المطورة باستخدام تقنيات جديدة.

لقد تبنى المزارعون التغيير إلى الأساليب الجديدة جيدًا لدرجة أن ثلث الذرة بالإضافة إلى 3/4 فول الصويا والقطن المزروع في الولايات المتحدة يتم الحصول عليه الآن من خلال المحاصيل المعدلة وراثيًا.

المحاصيل المعدلة وراثيًا التي وافقت وزارة الزراعة الأمريكية على بيعها تجاريًا هي:

  1. حبوب ذرة
  2. البطاطس
  3. طماطم
  4. قطن
  5. فول الصويا
  6. بذور اللفت
  7. بابايا
  8. البنجر
  9. قرع
  10. أرز
  11. الكتان
  12. الهندباء

أعلى إنتاج للقطن & # 8216Bt & # 8217 الذرة وفول الصويا المقاوم للجليفوسات. ما حدث للقطن والذرة هو أن الحمض النووي لكائن طبيعي قاتل للحشرات ، Bacillus Thuringiensis تم إدخاله في حمضهم النووي.

هذا الكائن الحي (bacillus thuringiensis bt) يقتل معظم الآفات القاتلة التي تعض النبات ، لا سيما تلك الخطرة على المحاصيل التقليدية للقطن والذرة ، وإلا فإنها تجنيب الحشرات المفيدة للنبات.

أحدث هذا ثورة في قسم مكافحة الآفات للمزارعين.

Bt Cotton & # 8211 أحد تطبيقات التكنولوجيا الحيوية في الزراعة.

الجليفوسات هو مبيد أعشاب يقتل كل نبات تقريبًا يعترض طريقه ، لكن وجود الجين المقاوم للغليفوسات في الحمض النووي لفول الصويا يسمح للمزارعين برش الجليفوسات علنًا فوق الأراضي الزراعية دون أي ضرر للمحصول.

يشار أحيانًا إلى Bt الذرة والقطن ومقاومة الغليفوسات بالمحاصيل & # 8216 biotech & # 8217 أو & # 8216gm المحاصيل & # 8217.

كل منتج تكتشفه أو تقرأ عنه له مخاطره وفوائده الخاصة. عند الحديث عن الهندسة الوراثية ، هناك بعض الفوائد والمخاطر التي لم يتم إثباتها علميًا حتى اليوم.

وقبل أن أقول أي شيء آخر ، اسمحوا لي أن أتطرق مباشرة إلى موضوع كيف أن المزج بين التكنولوجيا الحيوية والزراعة مفيد لنا.


على الرغم من أن العديد من البروتينات المؤتلفة المستخدمة في الطب يتم إنتاجها بنجاح في البكتيريا ، إلا أن بعض البروتينات تتطلب مضيفًا حيوانيًا حقيقي النواة للمعالجة المناسبة. لهذا السبب ، يتم استنساخ الجينات المرغوبة والتعبير عنها في الحيوانات ، مثل الأغنام والماعز والدجاج والفئران. تسمى الحيوانات التي تم تعديلها للتعبير عن الحمض النووي المؤتلف حيوانات معدلة وراثيًا. يتم التعبير عن العديد من البروتينات البشرية في حليب الأغنام والماعز المعدلة وراثيًا ، ويتم التعبير عن بعضها في بيض الدجاج. تم استخدام الفئران على نطاق واسع للتعبير عن ودراسة آثار الجينات والطفرات المؤتلفة.

الشكل 1. الذرة هو محصول زراعي رئيسي يستخدم لإنتاج منتجات لمجموعة متنوعة من الصناعات ، وغالبًا ما يتم تعديله من خلال التكنولوجيا الحيوية النباتية. (الائتمان: كيث ويلر ، وزارة الزراعة الأمريكية)

ساعد التلاعب بالحمض النووي للنباتات (أي إنشاء كائنات معدلة وراثيًا) في خلق سمات مرغوبة ، مثل مقاومة الأمراض ومقاومة مبيدات الأعشاب ومبيدات الآفات وقيمة غذائية أفضل وعمر تخزين أفضل (الشكل 1). النباتات هي أهم مصدر للغذاء لسكان البشر. طور المزارعون طرقًا لاختيار أنواع نباتية ذات سمات مرغوبة قبل وقت طويل من تأسيس ممارسات التكنولوجيا الحيوية الحديثة.

النباتات التي تلقت الحمض النووي المؤتلف من الأنواع الأخرى تسمى النباتات المعدلة وراثيًا. نظرًا لأنها ليست طبيعية ، تتم مراقبة النباتات المعدلة وراثيًا والكائنات المعدلة وراثيًا الأخرى عن كثب من قبل الوكالات الحكومية للتأكد من أنها صالحة للاستهلاك البشري ولا تعرض الحياة النباتية والحيوانية الأخرى للخطر. نظرًا لأن الجينات الأجنبية يمكن أن تنتشر إلى أنواع أخرى في البيئة ، يلزم إجراء اختبارات مكثفة لضمان الاستقرار البيئي. كانت المواد الغذائية الأساسية مثل الذرة والبطاطس والطماطم أول نباتات المحاصيل التي تمت هندستها وراثيًا.

تحويل النباتات باستخدام أغروباكتريوم توميفاسيانز

يحدث نقل الجينات بشكل طبيعي بين الأنواع في التجمعات الميكروبية. تعمل العديد من الفيروسات التي تسبب الأمراض البشرية ، مثل السرطان ، عن طريق دمج حمضها النووي في الجينوم البشري. في النباتات ، الأورام التي تسببها البكتيريا أغروباكتريوم توميفاسيانز تحدث عن طريق نقل الحمض النووي من البكتيريا إلى النبات. على الرغم من أن الأورام لا تقتل النباتات ، إلا أنها تجعل النباتات متقزمة وأكثر عرضة للظروف البيئية القاسية. تتأثر العديد من النباتات ، مثل الجوز والعنب وأشجار الجوز والبنجر A. الورم. يعتبر الإدخال الاصطناعي للحمض النووي في الخلايا النباتية أكثر صعوبة منه في الخلايا الحيوانية بسبب جدار الخلية النباتية السميك.

استخدم الباحثون النقل الطبيعي للحمض النووي من أجروباكتريوم إلى مضيف نبات لإدخال أجزاء من الحمض النووي من اختيارهم إلى مضيفات النبات. في الطبيعة ، المسببة للأمراض A. الورم لديها مجموعة من البلازميدات ، تسمى بلازميدات Ti (بلازميدات محفزة للورم) ، تحتوي على جينات لإنتاج الأورام في النباتات. يتكامل الحمض النووي من بلازميد Ti في جينوم الخلية النباتية المصابة & # 8217s. يتلاعب الباحثون ببلازميدات Ti لإزالة الجينات المسببة للورم وإدخال جزء الحمض النووي المطلوب لنقله إلى جينوم النبات. تحمل بلازميدات Ti جينات مقاومة للمضادات الحيوية للمساعدة في الانتقاء ويمكن التكاثر فيها بكتريا قولونية الخلايا كذلك.


نطاق في التكنولوجيا الحيوية

هناك مهنة هائلة نطاق التكنولوجيا الحيوية حيث يمكنك العمل على المعدات والتقنيات الطبية الإبداعية الفعالة وابتكارات الرعاية الصحية والأبحاث الصيدلانية وغير ذلك الكثير. لبناء مستقبل مهني ناجح في مجال التكنولوجيا الحيوية ، ستعمل في طليعة الأبحاث في مجال استدامة الغذاء والزراعة والعلوم الطبية والرعاية الصحية. فيما يلي أكثر القطاعات شيوعًا حيث يمكنك ممارسة مهنة واعدة في مجال التكنولوجيا الحيوية:

  • إدارة المخلفات
  • الأبحاث الدوائية والصيدلانيةح
  • صناعات المعالجة الحيوية
  • العلوم الزراعية
  • مراقبة البيئة
  • المعامل الممولة من القطاع العام
  • إدارة الطاقة
  • تكنولوجيا الألبان

ما هي التكنولوجيا الحيوية الزراعية؟

التكنولوجيا الحيوية الزراعية هي استخدام الأساليب العلمية لتحسين النباتات والحيوانات. باستخدام التقنيات العلمية ، يمكن للعلماء تحسين وزيادة الإنتاجية الزراعية. على الرغم من أن التربية الخليطة النموذجية تؤدي إلى نتائج محدودة ، إلا أن التكنولوجيا الحيوية تأخذها خطوة إلى الأمام. حقيقة، تسمح التكنولوجيا الحيوية للعلماء بتحديد سمات معينة في الحمض النووي وتطبيقها على النباتات والحيوانات. ستمكن هذه التكنولوجيا العلماء من إجراء تحسينات لن تكون ممكنة في التهجين الطبيعي. وبالتالي ، إنشاء تحسينات في الزراعة يمكنها مواكبة المستهلكين.


تطبيقات التكنولوجيا الحيوية في الزراعة

مراسل شومبيي موزوندو
التكنولوجيا الحيوية هي أسرع تخصص علم الأحياء نموًا مدفوعًا بالطلب المتزايد باستمرار على الغذاء والوقود في بيئة أنظف وأكثر اخضرارًا.

بشكل عام ، تشمل التكنولوجيا الحيوية مجموعة واسعة من التقنيات التي تستخدم أنظمة حية لإنتاج منتجات وخدمات مفيدة.

يعد دمج التكنولوجيا الحيوية في النظام الزراعي أمرًا بالغ الأهمية لاستخدام الموارد المحدودة بشكل أفضل ، وزيادة المحاصيل الزراعية وتقليل الآثار الضارة لاستخدام المبيدات الحشرية والأسمدة الكيماوية.

التكنولوجيا الحيوية الزراعية هي أحد مجالات العلوم الزراعية التي تستخدم أدوات البيولوجيا الخلوية والجزيئية لتحسين التركيب الجيني والإدارة الزراعية للمحاصيل والحيوانات.

هناك العديد من تقنيات التكنولوجيا الحيوية التي يستخدمها العلماء والباحثون في هذا التخصص والتي تشمل الهندسة الوراثية ، والاختيار بمساعدة الواسم ، والتهجين ، وزراعة الأنسجة النباتية ، وتكنولوجيا التسميد الحيوي ، وتكنولوجيا التلقيح الاصطناعي ، وتشخيص أمراض النبات والماشية ، وكذلك إنتاج اللقاحات.

إن استخدام أدوات التكنولوجيا الحيوية هذه في زيمبابوي لديه القدرة على تحسين سبل عيش حوالي 7،6 مليون شخص يعيشون في المناطق الريفية ويعتمدون بشكل أساسي على الزراعة.

يتم تطبيق التكنولوجيا الحيوية على نبات الطماطم

تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف

هذه تقنية يمكن من خلالها للنبات أو الحيوان تلقي مادة وراثية (DNA) من كائن حي مختلف لتحسين خصائصه أو جعله يؤدي وظائف جديدة.

الكائنات المعدلة وراثيًا (GMOs) تشمل المحاصيل الزراعية التي تم تعديلها وراثيًا لمقاومة الآفات أو الأمراض أو الظروف البيئية. على سبيل المثال ، قطن Bt هو قطن معدل وراثيًا يشتمل على جين مشتق من بكتيريا Bacillus thuriengiensis. القطن Bt مقاوم للهجوم من قبل دودة اللوز الأمريكية ، وهي آفة رئيسية على القطن.

قد تستلزم الأساليب الأخرى منح مقاومة النبات للمعالجات الكيميائية (مثل مقاومة مبيدات الأعشاب).

وبدلاً من ذلك ، يمكن إجراء إنتاج مغذٍ معين أو منتج صيدلاني في كائن معدل وراثيًا معينًا.

على الرغم من وجود العديد من الفوائد ، إلا أن تطوير الكائنات المعدلة وراثيًا يواجه عددًا من العقبات بما في ذلك التكلفة العالية لإنشاء نوع واحد ، والمدة الطويلة للموافقة التنظيمية (عادةً 10 سنوات على الأقل) ومعارضة عامة واسعة النطاق.

لم تقم زمبابوي بعد بتسويق أي كائنات معدلة وراثيًا.

يتضمن التهجين الجمع بين صفات كائنين من سلالات أو أصناف أو أنواع أو أجناس مختلفة من خلال التكاثر الجنسي لإضفاء طابع جديد من شأنه زيادة إنتاجه. هناك عدد من الشركات في زيمبابوي التي تنتج وتوزع البذور المهجنة بما في ذلك بذور الذرة المهجنة وبذور القطن والقمح وفول الصويا والشعير والذرة الرفيعة وبذور الفول السوداني.

المخصبات الحيوية هي تركيبات حية جاهزة للاستخدام من الكائنات الحية الدقيقة المفيدة. إنها عضوية بنسبة 100 في المائة ويتم تطبيقها على البذور أو الجذر أو التربة.

يمكن أن تقلل الأسمدة الحيوية من الاستخدام المفرط للأسمدة الكيماوية ، وتثري التربة بتلك الكائنات الدقيقة التي تنتج مغذيات عضوية للتربة وتساعد في مكافحة الأمراض وكذلك تزود المزارعين بمصدر أرخص من الأسمدة.

الانتقاء بمساعدة الواسم / أو التربية الجزيئية

الاختيار بمساعدة العلامة هو تقنية متطورة بين شركات التكنولوجيا الحيوية النباتية اليوم. يمكن لمربي النباتات استخدام هذه التقنية لتحديد وتجميع السمات المرغوبة لتسريع عملية تطوير أنواع هجينة تجارية جديدة.

على عكس الكائنات المعدلة وراثيًا ، فإن أصناف المحاصيل الجديدة التي يتم إنتاجها عن طريق الانتقاء بمساعدة الواسمات يتم تجنبها من التجارب التنظيمية والمعارضة العامة بشكل أساسي بسبب عدم تجاوز الحدود الجينية الطبيعية للنبات.

استخدمت بعض بيوت البذور والمؤسسات البحثية في زيمبابوي هذه التقنية لتطوير أنواع محاصيل محسنة من الذرة والدخن والذرة الرفيعة والبقوليات يمكنها تحمل الآثار الضارة للتغير المناخي.

الحل المبتكر للإنتاجية المنخفضة لمزارعي الكسافا والبطاطا والبطاطا الحلوة في زيمبابوي هو تقنية زراعة الأنسجة. زراعة الأنسجة ، التي يشار إليها عادة باسم التكاثر الدقيق ، هي أداة تكاثر حيث ينمو المزارع الأنسجة أو الخلايا خارج النبات نفسه في بيئة اصطناعية.

يمكن أن تنتج ملايين النبتات الخالية من الأمراض من أصناف عالية الغلة. بدلاً من زراعة القطع المقطوعة من النباتات التقليدية الناضجة أو البذور المريضة ، يمكن للمزارعين زراعة نباتات خالية من الفيروسات وعالية النشاط من أصناف عالية الإنتاجية يتم إنتاجها باستخدام تقنية زراعة الأنسجة.

معهد هراري للتكنولوجيا (HIT) هو أحد المؤسسات التي تستخدم حاليًا تقنيات زراعة الأنسجة لإنتاج فطر المحار لأغراض تجارية. كما وسعت HIT خدماتها من خلال تقديم دورات تدريبية على الفطر.

تكنولوجيا التلقيح الصناعي

نمت تكنولوجيا التربية على قدم وساق على مدى العقود القليلة الماضية مع التلقيح الاصطناعي الذي أصبح أحد التقنيات التي اعتمدها العديد من مزارعي الألبان واللحوم لتربية الجيل القادم من حيوانات المزرعة مثل الأبقار والخنازير.

التلقيح الاصطناعي هو عملية جمع الحيوانات المنوية من ذكر الحيوان وإيداعها يدويًا في الجهاز التناسلي للأنثى. يوفر فرصة لاستخدام السائل المنوي من أفضل الثيران لبناء جودة الذبيحة وزيادة الوزن في الماشية.

يمكن للمزارعين المحليين ، بمساعدة مربي جيد أو مفتش واسع المعرفة ، استخدام هذه الأداة الرئيسية لتحسين الصادرات وخلق الثروة والتغذية للأسر.

تشخيص الأمراض واللقاحات

يقوم المزارعون في زيمبابوي بتربية الأبقار والماعز والدجاج والأغنام بشكل رئيسي. يمكن الوقاية من العديد من الأمراض التي تقلل من إنتاجية هؤلاء المزارعين من خلال مراعاة ممارسات النظافة والإدارة والتغذية الجيدة.

تعد تقنيات التكنولوجيا الحيوية لتشخيص الأمراض وإنتاج اللقاحات أدوات أساسية للإدارة الفعالة للمرض.

تتم مقارنة هذه التقنيات بالطرق المصلية (اختبارات الدم التي يمكنها تشخيص الأمراض المختلفة) بشكل أسرع ، وبدرجة أكبر من الدقة والدقة وتقليل متطلبات العمالة.

يمكن لبعض المعاهد البحثية المحلية تطوير لقاحات وتقديم خدمات التشخيص الجزيئي لإدارة فعالة للأمراض والتي تترجم بعد ذلك إلى إنتاج ماشية صحية.

هذا العرض هو مجرد لمحة عن مساهمات التكنولوجيا الحيوية الزراعية في مجتمعنا.

هناك الكثير من المنتجات والخدمات المعروضة بينما لا يزال بعضها قيد التطوير.

لمزيد من المعلومات ، لا تتردد في الاتصال بالمؤلف على [email & # 160protected] أو [email & # 160protected] Shumbeyi محاضر في قسم التكنولوجيا الحيوية في معهد هراري للتكنولوجيا


كيف تبدأ مهنة في مجال التكنولوجيا الحيوية؟

لمتابعة المسار الوظيفي لعالم التكنولوجيا الحيوية ، يجب أن تكون على دراية بالمؤهلات التعليمية والمهارات والتدريب المهني المطلوب لتصبح واحدًا. لذلك ، قمنا بتلخيص دليل خطوة بخطوة حول أن تصبح متخصصًا في التكنولوجيا الحيوية أدناه:

احصل على درجة البكالوريوس و # 8217s مثل BTech أو BSc في التكنولوجيا الحيوية
تتمثل الخطوة الأولى نحو متابعة مهنة في مجال التكنولوجيا الحيوية في الحصول على الفهم التأسيسي لهذا المجال بدرجة البكالوريوس في التكنولوجيا الحيوية ومع تخصصات متعددة التخصصات مثل التكنولوجيا الحيوية الجزيئية ، والتكنولوجيا الحيوية الكيميائية ، وهندسة التكنولوجيا الحيوية ، على سبيل المثال لا الحصر. علاوة على ذلك ، يمكنك أيضًا الحصول على درجة البكالوريوس # 8217s في أي من المجالات ذات الصلة مثل علم الأحياء والكيمياء والهندسة الطبية الحيوية وما إلى ذلك لتحقيق المفاهيم الأساسية لهذا التخصص.

اكتشف فرص التدريب
أثناء دراسة برنامج البكالوريوس في التكنولوجيا الحيوية ، من الضروري أيضًا استكشاف فرص التدريب والتدريب في معاهد البحث أو في قطاع العلوم أو التكنولوجيا الطبية. سيضيف التدريب والتدريب الداخلي أيضًا إلى سيرتك الذاتية ويظهر تعرضك المهني في هذا المجال ، مما يساعدك على ملاءمة الدور الوظيفي لعالم التكنولوجيا الحيوية بشكل أفضل.

احصل على تخصص بدرجة ماجستير & # 8217s
من المهم الحصول على مؤهل دراسات عليا بعد التخرج ويمكنك الحصول على درجة الماجستير في التكنولوجيا الحيوية أو التخصصات ذات الصلة مثل التكنولوجيا الحيوية التطبيقية والتكنولوجيا الحيوية الطبية والتكنولوجيا الحيوية الصناعية والبيئية لأنها ستمنحك أيضًا فرص البحث والمهارات اللازمة التي تحتاجها لمتابعة مهنة ناجحة في مجال التكنولوجيا الحيوية.

اكتشف الوظائف المناسبة في مجال التكنولوجيا الحيوية
إكمال درجة الماجستير & # 8217s في التكنولوجيا الحيوية ، ستكون مستعدًا لاستكشاف فرص العمل كخبير في التكنولوجيا الحيوية. فيما يلي مجالات التوظيف الرئيسية لخريجي التكنولوجيا الحيوية:

  • صناعات المعالجة الحيوية
  • الصناعات الكيماوية
  • معاهد البحوث والجامعات
  • الأدوية والبحوث الصيدلانية

إذا كنت تطمح للحصول على مهنة في البحث أو في الأوساط الأكاديمية ، يمكنك أيضًا الحصول على درجة الدكتوراه مثل دكتوراه في التكنولوجيا الحيوية .


أمثلة على التكنولوجيا الحيوية

منذ أن نجحت التكنولوجيا الحيوية في تطوير المنتجات والتقنيات لمكافحة قضايا مثل المخاطر البيئية ، والإفراط في استخدام موارد الطاقة ، وانتشار أمراض معديةوالجوع والصعوبات الصناعية وغيرها.

بعد الوصول إلى المسامير النحاسية ، وتحليل واكتشاف العلاجات من الموارد الطبيعية للغاية ، غيرت التكنولوجيا الحيوية احتمالات الإصابة بالأمراض الفتاكة في جميع أنحاء العالم. لقد أفاد العالم بالعديد من الأدوات المجهزة تجهيزًا عاليًا لاكتشاف المرض أو العدوى في مرحلة مبكرة جدًا.

مساهمة التكنولوجيا الحيوية في المجتمع هائلة. الوقود أمر حتمي للبقاء على قيد الحياة اليوم.

باستخدام عمليات مثل التخمير واستغلال المحفزات الحيوية مثل الميكروبات والإنزيمات والخميرة لإنشاء مصانع ذات قيمة ، فقد عزز هذا الفرع من العلم إنتاج الوقود والبدائل البيولوجية الأخرى على قدم وساق.


التكنولوجيا الحيوية البيئية: المعنى والتطبيقات وتفاصيل أخرى

التكنولوجيا الحيوية البيئية على وجه الخصوص هي تطبيق عمليات لحماية واستعادة جودة البيئة.

يمكن استخدام التكنولوجيا الحيوية البيئية لاكتشاف ومنع ومعالجة انبعاث الملوثات في البيئة بعدة طرق.

يمكن تعديل النفايات الصلبة والسائلة والغازية ، إما عن طريق إعادة التدوير لصنع منتجات جديدة ، أو عن طريق التنقية بحيث يكون المنتج النهائي أقل ضررًا بالبيئة. يمكن أن يؤدي استبدال المواد والعمليات الكيميائية بتقنيات بيولوجية إلى تقليل الأضرار البيئية.

بهذه الطريقة يمكن للتكنولوجيا الحيوية البيئية أن تقدم مساهمة كبيرة في التنمية المستدامة. تعد التكنولوجيا الحيوية البيئية أحد المجالات العلمية الأكثر نموًا والأكثر فائدة من الناحية العملية اليوم. يتم ترجمة الأبحاث في علم الوراثة والكيمياء الحيوية وعلم وظائف الأعضاء للكائنات الدقيقة القابلة للاستغلال بسرعة إلى تقنيات متاحة تجاريًا لعكس ومنع المزيد من التدهور في بيئة الأرض.

أهداف التكنولوجيا الحيوية البيئية (حسب جدول أعمال القرن 21):

تهدف التكنولوجيا الحيوية البيئية إلى منع التدهور البيئي ووقفه وعكس مساره من خلال الاستخدام المناسب للتكنولوجيا الحيوية جنبًا إلى جنب مع التقنيات الأخرى ، مع دعم إجراءات السلامة كعنصر أساسي في البرنامج.

الأهداف المحددة هي:

1. اعتماد عمليات الإنتاج التي تحقق الاستخدام الأمثل للموارد الطبيعية ، عن طريق إعادة تدوير الكتلة الحيوية ، واستعادة الطاقة وتقليل توليد النفايات.

2. تشجيع استخدام تقنيات التكنولوجيا الحيوية مع التركيز على المعالجة الحيوية للأراضي والمياه ، ومعالجة النفايات ، والحفاظ على التربة ، وإعادة التحريج ، والتشجير ، وإعادة تأهيل الأراضي.

3. تطبيق عمليات التكنولوجيا الحيوية ومنتجاتها لحماية سلامة البيئة بهدف تحقيق الأمن البيئي على المدى الطويل.

إن استخدام التكنولوجيا الحيوية لمعالجة مشاكل التلوث ليس فكرة جديدة. اعتمدت المجتمعات على مجموعات معقدة من الميكروبات التي تحدث بشكل طبيعي لمعالجة مياه الصرف الصحي لأكثر من قرن. كل كائن حي - الحيوانات والنباتات والبكتيريا وما إلى ذلك - يبتلع العناصر الغذائية للعيش وينتج النفايات كمنتج ثانوي. تحتاج الكائنات الحية المختلفة إلى أنواع مختلفة من العناصر الغذائية.

تتكاثر بكتيريا معينة على المكونات الكيميائية لمخلفات المنتجات. تتغذى بعض الكائنات الحية الدقيقة على مواد سامة للآخرين. تعتبر التكنولوجيا الحيوية البيئية المتعلقة بالبحوث حيوية في تطوير حلول فعالة للتخفيف من الأضرار البيئية ومنعها وعكس مسارها بمساعدة هذه الأشكال الحية. دفع القلق المتزايد بشأن الصحة العامة وتدهور جودة البيئة إلى تطوير مجموعة من الأجهزة التحليلية الجديدة والسريعة للكشف عن المركبات الخطرة في الهواء والماء والأرض. لقد وفرت تقنية الحمض النووي المؤتلف إمكانيات منع التلوث وتبشر بمزيد من التطوير للمعالجة الحيوية.

تطبيقات البيوتكنولوجيا البيئية:

حماية البيئة هي جزء لا يتجزأ من التنمية المستدامة. تتعرض البيئة كل يوم للتهديد من أنشطة الإنسان. مع الزيادة المستمرة في استخدام المواد الكيميائية والطاقة والموارد غير المتجددة من قبل عدد سكان العالم المتزايد ، تتزايد أيضًا المشاكل البيئية المرتبطة بها. على الرغم من الجهود المتصاعدة لمنع تراكم النفايات وتعزيز إعادة التدوير ، يبدو أن مقدار الضرر البيئي الناجم عن الاستهلاك المفرط وكميات النفايات المتولدة ودرجة الاستخدام غير المستدام للأراضي من المرجح أن تستمر في الازدياد.

يمكن تحقيق العلاج ، إلى حد ما ، من خلال تطبيق تقنيات البيوتكنولوجيا البيئية ، التي تستخدم الكائنات الحية في معالجة النفايات الخطرة ومكافحة التلوث. تشمل التكنولوجيا الحيوية البيئية مجموعة واسعة من التطبيقات مثل المعالجة الحيوية والوقاية والكشف والمراقبة والهندسة الوراثية من أجل التنمية المستدامة وتحسين نوعية المعيشة.

تشير المعالجة الحيوية إلى الاستخدام المنتج للكائنات الحية الدقيقة لإزالة الملوثات أو إزالتها من السموم ، وعادة ما تكون ملوثات للتربة أو الماء أو الرواسب التي تخيف صحة الإنسان. المعالجة الحيوية ، والاستصلاح الحيوي ، والاستعادة الحيوية هي المصطلحات الأخرى للمعالجة الحيوية. المعالجة البيولوجية ليست ممارسة جديدة. تم استخدام الكائنات الدقيقة لسنوات عديدة لإزالة المواد العضوية والمواد الكيميائية السامة من تصريف النفايات المنزلية والتصنيع.

ومع ذلك ، فإن التركيز في التكنولوجيا الحيوية البيئية لمكافحة التلوث المختلفة على المعالجة البيولوجية. تستخدم الغالبية العظمى من تطبيقات المعالجة الحيوية الكائنات الحية الدقيقة التي تحدث بشكل طبيعي لتحديد النفايات السامة وتصفيتها قبل إدخالها إلى البيئة أو لتنظيف مشاكل التلوث الموجودة.

يتم اختبار بعض الأنظمة الأكثر تقدمًا التي تستخدم الكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثيًا في معالجة النفايات والتحكم في التلوث لإزالة المواد التي يصعب تحللها. يمكن إجراء المعالجة الحيوية في الموقع أو في مفاعلات متخصصة (خارج الموقع). تحتاج المعالجة الحيوية بواسطة الكائنات الحية الدقيقة إلى بيئة مناسبة لتنظيف الموقع الملوث.

إضافة المغذيات ، متقبلات الإلكترون الطرفية (O2/لا2) ، قد تكون هناك حاجة إلى درجة الحرارة والرطوبة لتعزيز نمو كائن حي معين للنشاط الميكروبي في الموقع الملوث. يمكن إجراء عمليات المعالجة الحيوية إما في الموقع أو خارج الموقع ، في الموقع أو خارج الموقع. تتمتع المعالجة الحيوية بإمكانيات هائلة لتنظيف المياه والتربة الملوثة بمجموعة متنوعة من الملوثات الخطرة والنفايات المنزلية والنفايات المشعة وما إلى ذلك.

تستفيد إجراءات التنظيف البيولوجي من حقيقة أن معظم المواد الكيميائية العضوية تتعرض لهجوم إنزيمي من الكائنات الحية. الأسلوب الأكثر شيوعًا هو استخدام الإنزيمات كمحفزات كيميائية بديلة. يمكن تحقيق خفض كبير في المواد الكيميائية القاسية أو القضاء عليها تمامًا كما لوحظ في الجلود ومعالجة المنسوجات وصناعة اللب والورق.

يتم استبدال 1-2 جرام فقط من الهيميسليلوز بـ 10-15 كجم من الكلور لمعالجة 1 طن من اللب ، وبالتالي تقليل النفايات السائلة العضوية المكلورة بشكل كبير. تجمع حماية البيئة ومعالجتها حاليًا بين طرق التكنولوجيا الحيوية والكيميائية والفيزيائية والهندسية.

تتزايد الأهمية النسبية للتكنولوجيا الحيوية مع تحسن المعرفة والأساليب العلمية. إن انخفاض متطلباتها من الطاقة والمواد الكيميائية ، جنبًا إلى جنب مع انخفاض إنتاج النفايات الصغيرة ، يجعلها بديلاً مرغوبًا بشكل متزايد لطرق المعالجة الكيميائية والفيزيائية التقليدية. تطبيقات المعالجة الحيوية للحفاظ على البيئة عديدة. في هذا الفصل ، يتم التعامل مع القليل منها على أنها معالجة مياه الصرف الصحي والنفايات السائلة الصناعية ، ومعالجة التربة والأراضي ، وإدارة الهواء والغازات العادمة.

مياه الصرف والنفايات الصناعية السائلة:

يعد تلوث المياه مشكلة خطيرة في العديد من دول العالم. أدى التصنيع والتحضر السريعان إلى توليد كميات كبيرة من مياه الصرف الصحي مما أدى إلى تدهور موارد المياه السطحية واحتياطيات المياه الجوفية. تلوث الملوثات البيولوجية والعضوية وغير العضوية المسطحات المائية.

في كثير من الحالات ، أصبحت هذه المصادر غير آمنة للاستهلاك البشري وكذلك للأنشطة الأخرى مثل الري والاحتياجات الصناعية. يوضح هذا أن جودة المياه المتدهورة يمكن أن تسهم ، في الواقع ، في ندرة المياه لأنها تحد من توافرها للاستخدام البشري والنظام البيئي على حد سواء. تعتبر معالجة مياه الصرف الصحي قبل التخلص منها مصدر قلق عاجل في جميع أنحاء العالم.

تستخدم الكائنات الحية الدقيقة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي لإزالة الملوثات الأكثر شيوعًا من مياه الصرف الصحي قبل تصريفها في الأنهار أو البحر. أدى التلوث الصناعي والزراعي المتزايد إلى زيادة الحاجة إلى العمليات التي تزيل ملوثات معينة مثل مركبات النيتروجين والفوسفور والمعادن الثقيلة والمركبات المكلورة.

تشمل الأساليب العمليات الهوائية واللاهوائية والفيزيائية الكيميائية في المرشحات ذات القاعدة الثابتة وفي المفاعلات الحيوية التي يتم فيها تعليق المواد والميكروبات. إن مياه الصرف الصحي ومياه الصرف الصحي الأخرى ، إذا تركت دون معالجة ، ستخضع للتنقية الذاتية ولكن العملية تتطلب فترات تعرض طويلة. لتسريع هذه العملية يتم استخدام تدابير المعالجة الحيوية.

ومع ذلك ، يتم التعرف على خمس مراحل رئيسية في معالجة مياه الصرف الصحي:

أ) تتم إزالة المعالجة الأولية & # 8211 الحصى والمعادن الثقيلة والحطام العائم.

ب) تتم إزالة المعالجة الأولية & # 8211 الأمور المعلقة.

ج) المعالجة الثانوية & # 8211 المواد العضوية المؤكسدة بيولوجيا عن طريق أنشطة الكائنات الحية الدقيقة الهوائية واللاهوائية.

د) المعالجة الثلاثية & # 8211 إزالة الملوثات النوعية (الأمونيا والفوسفات).

e) Sludge treatment – solids are removed (final stage).

Aerobic Biological Treatment:

Trickling filters, rotating biological contactors or contact beds, usually consist of an inert material (rocks/ash/ wood/ metal) on which the microorganisms grow in the form of a complex biofilm. These have been used for more than 70 years for sewage and waste water treatment. In these processes the degradable organic matter is oxidized by the microorganisms to CO2 that can be vented to the atmosphere.

Activated Sludge Process:

This process is used for treatment and removal of dissolved and biodegradable wastes, such as organic chemicals, petroleum refining wastes textile wastes and municipal sewage. The microorganisms in activated sludge generally are composed of 70-90% organic and 10-30% inorganic matters.

The microorganisms found in this sludge are usually bacteria, fungi, protozoa and rotifers. Petroleum hydrocarbons are degraded by species of bacteria (Acinetobacter, Mycobacteria, Pseudomonas etc.), yeasts, Cladosporium and Scolecobasidium. Pesticides (aldrin, dieldrin, parathion, malathion) are detoxified by fungus Xylaria xylestrix. Pseudomonas (a predominant soil microrganism) can detoxify organic compounds like hydrocarbons, phenols, organophosphates, polychlorinated biphenyls and polycyclic aromatics.

Utilisation of immobilized cyanobacterium Phormidium laminosum in batch and continuous flow bioreactors for the removal of nitrate, nitrite and phosphate from water has been reported by Garbisu et al. (2003). Blanco et al. (2003) showed the biosorption of heavy metal by Phormidium laminosum immobilised in micro-porous polymeric matrices. Photo-bioreactors are currently used to grow algae and cyanobacteria under closely controlled environmental conditions, with a view to making high-value products (such as beta-carotene and gamma-linoleic acid), designing efficient effluent treatment processes, and providing new energy sources.

The costs of wastewater treatment can be reduced by the conversion of wastes into useful products. Sulphur metabolizing bacteria can remove heavy metals and sulphur compounds from waste streams of the galvanization industry and reused. Most anaerobic wastewater treatment systems produce useful biogas.

In some cases, the by-products of the pollution-fighting microorganisms are themselves useful. Methane, for example, can be derived from a form of bacteria that degrades sulphur liquor, a waste product of paper manufacturing.

Soil and Land Treatment:

As the human population grows, its demand for food from crops increases, making soil conservation crucial. Deforestation, over-development, and pollution from man-made chemicals are just a few of the consequences of human activity and carelessness. The increasing amounts of fertilizers and other agricultural chemicals applied to soils and industrial and domestic waste-disposal practices, led to the increasing concern of soil pollution. Pollution in soil is caused by persistent toxic compounds, chemicals, salts, radioactive materials, or disease-causing agents, which have adverse effects on plant growth and animal health.

Many species of fungi can be used for soil bioremediation. Lipomyces sp. can degrade herbicide paraquat. Rhodotorula sp. can convert benzaldehyde to benzyl alcohol. Candida sp. degrades formaldehyde in the soil. Aspergillus niger and Chaetomium cupreum are used to degrade tannins (found in tannery effluents) in the soil thereby helping in plant growth.

Phanerochaete chrysosporium has been used in bioremediation of soils polluted with different chemical compounds, usually recalcitrant and regarded as environmental pollutants. Decrease of PCP (Pentachlorophenol) between 88-91% within six weeks was observed in presence of Phanerochaete chrysosporium.

Bioremediation of contaminated soil has been used as a safe, reliable, cost-effective and environment friendly method for degradation of various pollutants. This can be effected in a number of ways, either in situ or by mechanically removing the soil for treatment elsewhere.

In situ treatments include adding nutrient solutions, introducing microorganisms and ventilation. Ex situ treatment involves excavating the soil and treating it above ground, either as compost, in soil banks, or in specialised slurry bioreactors. Bioremediation of land is often cheaper than physical methods and its products are largely harmless.

During biological treatment soil microorganisms convert organic pollutants to CO2, water and biomass. Degradation can take place under aerobic as well as under anaerobic conditions. Soil bioremediation can also be accomplished with the help of bioreactors. Degradation can take place under aerobic as well as under anaerobic conditions. Soil bioremediation can also be accomplished with the help of bioreactors. Liquids, vapours, or solids in a slurry phase are treated in a reactor. Microbes can be of natural origin, cultivated or even genetically engineered.

Research in the field of environmental biotechnology has made it possible to treat soil contaminated with mineral oils. Solid-phase technologies are used for petroleum-contaminated soils that are excavated, placed in a containment system through which water and nutrients percolate. Biological degradation of oils has proved commercially viable both on large and small scales, in situ and ex situ.

In situ soil bioremediation involve the stimulation of indigenous microbial populations (e.g. by adding nutrients or aeration). In this process the environmental conditions for the biological degradation of organic pollutants are optimized as far as possible. Oxygen has to be supplied by artificial aeration or by adding electron acceptors such as nitrates or oxygen releasing compounds. Ozone dissolved in water and H2ا2 are sometimes used which degrade the organic contaminants.

With the onset of human civilization, the air is one of the first and most polluted components of the atmosphere. Most air pollution comes from one human activity: burning fossil fuels—natural gas, coal, and oil—to power industrial processes and motor vehicles. When fuels are incompletely burned, various chemicals called volatile organic chemicals (VOCs) also enter the air. Pollutants also come from other sources.

For instance, decomposing garbage in landfills and solid waste disposal sites emits methane gas, and many household products give off VOCs. Expanding industrial activities have added more contaminants in the air.

The concept of biological air treatment at first seemed impossible. With the development of biological waste gas purification technology using bioreactors—which includes bio filters, bio trickling filters, bio scrubbers and membrane bioreactors—this problem is taken care of. The mode of operation of all these reactors is similar.

Air containing volatile compounds is passed through the bioreactors, where the volatile compounds are transferred from the gas phase into the liquid phase. Microbial community (mixture of different bacteria, fungi and protozoa) grow in this liquid phase and remove the compounds acquired from the air.

In the bio filters, the air is passed through a bed packed with organic materials that supplies the necessary nutrients for the growth of the microorganisms. This medium is kept damp by maintaining the humidity of the incoming air. Biological off-gas treatment is generally based on the absorption of the VOC in the waste gases into the aqueous phase followed by direct oxidation by a wide range of voracious bacteria, which include Nocardia sp. and Xanthomonas sp.

Sustainable development and quality living depends upon the rational, eco-friendly use of natural resources with economic growth. To comply with this trend, industrial development has to change to sustainable style from degradative type and for such a purpose cleaner technologies have to be adopted.

According to United Nations Environment Programme (1996) ‘the continuous application of an integrated preventive environmental strategy to processes, products and services to increase eco-efficiency and reduce risks to humans and the environment’ defines the eco-friendly concept. The application of preventive and clean concept can only be achieved by the 5R policies (Olguin et al, 2003).

Five Environmental Buzzwords are the 5Rs for Efficient Use of Energy and Better Control of Waste, Which Might Help in Sustainable Development and Quality Living:

1. Reduce (Reduction of waste)

2. Reuse (Efficient use of water, energy)

3. Recycle (Recycling of wastes)

4. Replace (Replacement of toxic/hazardous raw materials for more environment- friendly inputs)

5. Recover (useful non-toxic fractions from wastes)

Innovation and adoption of clean technologies is the target of research and development worldwide. Industrial companies are developing processes with reduced environmental impact responding to the international call for the development of a sustainable society. There is a pervading trend towards less harmful products and processes away from “end-of-pipe” treatment of waste streams. Environmental biotechnology, with its appropriate technologies, is suitable to contribute to this trend.

Enzymes are widely employed in industries for many years. Enzymes, non-toxic and biodegradable, are biological catalysts that are highly competent and have numerous advantages over non-biological catalysts. The use of enzyme by man, both directly and indirectly, have been for thousands of years.

In the recent years enzymes have played important roles in the production of drugs, fine chemicals, amino acids, antibiotics and steroids. Industrial processes can be made eco-friendly by the use of enzymes. Enzyme application in the textile, leather, food, pulp and paper industries help in significant reduction or complete elimination of severe chemicals and are also more economic in energy and resource consumption.

Biotechnological methods can produce food materials with improved nutritional value, functional characteristics, shelf stability. Plant cells grown in fermenters can produce flavours such as vanilla, reducing the need for extracting the compounds from vanilla beans. Food processing has benefited from biotechnologically produced chymosin which is used in cheese manufacture alpha-amylase, which is used in production of high-fructose corn syrup and dry beer and lactase, which is added to milk to reduce the lactose content for persons with lactose intolerance.

Genetically engineered enzymes are easier to produce than enzymes isolated from original sources and are favoured over chemically synthesized substances because they do not create by-products or off-flavours in foods.

Environmental Detection and Monitoring:

A wide range of biological methods are in use to detect pollution and for the continuous monitoring of pollutants. The techniques of biotechnology have novel methods for diagnosing environmental problems and assessing normal environmental conditions so that human beings can be better- informed of the surroundings. Applications of these methods are cheaper, faster and also portable.

Rather than gathering soil samples and sending them to a laboratory for analysis, scientists can measure the level of contamination on site and know the results immediately. Biological detection methods using biosensors and immunoassays have been developed and are now in the market. Microbes are used in biosensors contamination of metals or pollutants. Saccharomyces cerevisiae (yeast) is used to detect cyanide in river water while Selenastrum capricornatum (green alga) is used for heavy metal detection. Immunoassays use labelled antibodies (complex proteins produced in biological response to specific agents) and enzymes to measure pollutant levels. If a pollutant is present, the antibody attaches itself to it making it detectable either through colour change, fluorescence or radioactivity.

A biosensor is an analytical device that converts a biological response into an physical, chemical or electrical signal. The development of biosensors involves integration of a specific and sensitive biologically derived sensing elements (immobilized cells, enzymes or antibodies) are integrated with physico-chemical transducers (either electrochemical or optical). Immobilised on a substrate, their properties change in response to some environmental effect in a way that is electronically or optically detectable.

It is then possible to make quantitative measurements of pollutants with extreme precision or to very high sensitivities. The biological response of the biosensor is determined by the bio catalytic membrane, which accomplishes the conversion of reactant to product. Immobilised enzymes possess a number of advantageous features which makes them particularly applicable for use in such systems.

They may be re-used, which ensures that the same catalytic activity is present for a series of analyses. Biosensors are powerful tools, which rely on biochemical reactions to detect specific substances, which have brought benefits to a wide range of sectors, including the manufacturing, engineering, chemical, water, food and beverage industries. They are able to detect even small amounts of their particular target chemicals, quickly, easily and accurately.

For this character of biosensors they have been ardently adopted for a variety of process monitoring applications, principally in respect to pollution assessment and control. Biosensors for detection of carbohydrates, organic acids, glucosinolates, aromatic hydrocarbons, pesticides, pathogenic bacteria and others have already been developed.

The biosensors can be designed to be very selective, or sensitive to a broad range of compounds. For example, a wide range of herbicides can be detected in river water using algal-based biosensors the stresses inflicted on the organisms being measured as changes in the optical properties of the plant’s chlorophyll. Biosensors are of different types such as calorimetric biosensors, immunosensors, optical biosensors, BOD biosensors, gas biosensors.

The remarkable ability of microbes to break down chemicals is proving useful, not only in pollution remediation but also in pollutant detection. A group of scientists at Los Alamos National Laboratory work with bacteria that degrade a class of organic chemicals called phenols. When the bacteria ingest phenolic compounds, the phenols attach to a receptor.

The phenol-receptor complex then binds to DNA, activating the genes involved in degrading phenol. The Los Alamos scientists added a reporter gene that, when triggered by a phenol-receptor complex, produces an easily detectable protein, thus indicating the presence of phenolic compounds in the environment. Biosensors employing acetylcholine esterase can be used for the detection of organophosphorus compounds in water.

Biotechnology, which is expected to make a great contribution to the welfare of mankind, is an important technology that should be steadily developed. The application of DNA technology, among the different kinds of biotechnology, has the possibility to create new gene combinations that have not previously existed in nature.

Since its beginning, genetic engineering has claimed to be able to construct tailor-made microorganisms with improved degrading capabilities for toxic substances. With the development of GEM (genetically engineered microorganism) and their possible utilization in the treatment of contaminated soil and water, stability of plasmids is extremely desirable. Plasmids are circular strands of DNA that replicates as separate entities independent of the host chromosome. Plasmids can range in size from those that carry only a couple of genes to ones carrying much greater numbers. Small plasmids may be present as multiple copies. Exchange of genetic information via plasmids is achieved by the process of conjugation.

The use of restriction enzymes has enabled the isolation of particular DNA fragments that can be transferred to another organism lacking the same. Genes which code for metabolism of environmental pollutants such as PCB’s and other xenobiotic compounds are frequently, although not always, located on plasmids.

The possibility of genetic transfer in non-biodegradative microbes has opened a new outlook of bio treatment of wastes. The recombinant DNA has the ability to multiply and may also confer the specific derivative capacity to detoxify environmental contaminants.

Gene transfer among microbial communities has improved the derivative capacity in vitro. The first patent for a genetically modified organism (GMO) or GEM, filed in the USA by Professor A. M. Chakrabarty was for a bacterium Pseudomonas putida with hydrocarbon degrading abilities. Subsequent reports have noted the role of plasmids in degradation of alkanes, naphthalene, toluene, m— and p— xylenes.

Given the overwhelming diversity of species, biomolecules and metabolic pathways on this planet, genetic engineering can, in principle, be a very powerful tool in creating environmentally friendlier alternatives for products and processes that presently pollute the environment or exhaust its non-renewable resources.

Nowadays organisms can be supplemented with additional genetic properties for the biodegradation of specific pollutants if naturally occurring organisms are not able to do that job properly or not quickly enough. By combining different metabolic abilities in the same microorganism blockage in environmental cleanup may be circumvented.

In the USA some genetically modified bacteria have been approved for bioremediation purposes but large scale applications have not yet been reported. In Europe only controlled field tests have been authorized. Just as light, heat, and moisture can degrade many materials, biotechnology relies on naturally occurring, living bacteria to perform a similar function but the action is faster.

Some bacteria naturally feed on chemicals and other wastes, including some hazardous materials. They consume those materials, digest them, and excrete harmless substances in their place. Bioremediation uses natural as well as recombinant microorganisms to break down toxic and hazardous substances already present in the environment. Bio treatment can be used to detoxify waste streams at the source before they contaminate the environment – rather than at the point of disposal. This approach involves carefully selecting organisms, known as biocatalysts, which are enzymes that degrade specific compounds and accelerate the degradation process.

However, the application of GMOs/GEMs, in the environment for bioremediation may create problems in the ecosystem. These exclusively designed organisms do not get a chance to experience the various fluctuating environmental conditions which is faced by naturally occurring organisms during the evolutionary processes spaning millions of years.

As a result, the latter are well adapted to the changing environmental conditions such as changes in temperature, substrate or waste concentrations. But when exposed to the contaminated site, GMOs show a higher viability than naturally occurring bacteria, due to their tailored enzymatic equipment.

There are concerns about the negative effect of these GMOs on the complex and delicate microbial ecosystems by competition or the exchange of genetic material in the soils to which they are applied. Even more worrisome is their potential effect outside the treatment area. While recombinant strains may appear harmless in the laboratory, it is virtually impossible to assess their impact in the field.

Biotechnical methods are now used to produce many proteins for pharmaceutical and other specialized purposes. Human insulin, the first genetically engineered product to be produced commercially (1982) is made by nonvirulent strain of Escherichia coli bacteria, by introduction of a copy of the gene for human insulin.

When the gene is “amplified” the bacterial cells produce large quantities of human insulin that are purified and used to treat diabetes in human beings. A number of other genetically engineered products have been approved since then, including human growth hormone, alpha interferon, recombinant erythropoietin and tissue plasminogen activator.

Biotechnology techniques are being applied to plants to produce plant materials with improved composition, functional characteristics. Among the first commercially available whole food products was the slow-ripening tomato, the gene for polygalacturonase, the enzyme responsible for softening, is turned off in this tomato. Plants that are resistant to disease, pests, environmental conditions, or selected herbicides or pesticides are also being developed.

In 1995, the Environmental Protection Agency (EPA) gave clearance for development of transgenic corn seed, cotton seed, and seed potatoes that contain the genetic material to resist certain insects. The advantage of such products is that they allow the use of less toxic and more environmentally friendly herbicides and pesticides.

The first approved application of biotechnology to animal production was the use of recombinant bovine somatotropin (BST) in dairy cows. Bovine somatotropin, a protein hormone found naturally in cows, is necessary for milk production. When the recombinant BST is administered to dairy cows under ideal management conditions, milk production has been shown to increase by 10% to 25%.

Other uses of biotechnology in animal production include development of vaccines to protect animals from disease, production of several calves from one embryo (cloning), artificial insemination, improvement of growth rate and/or feed efficiency, and rapid disease detection.

Natural bio-pesticides are another development of biotechnology that help farmers reduce chemical use. They degrade rapidly, leave no residues, and are toxic only to target insects. Bacillus thuringiensis (B.t.), produces a protein that is naturally toxic to certain insects. Scientists have extracted the B.t. gene that expresses the insecticide and inserted it into common bacteria that can be grown in large quantities by the same fermentation techniques used to produce such everyday products as beer and antibiotics. Spread on cotton and other crops, these harmless bacteria control insects naturally.

Moreover, a wide range of crop plants have been genetically engineered to express the cry genes (found in B. t.) in their tissues, so the insects get killed as they feed on these crops. Pollution control by genetic engineering is likely to work best when pollutants are a known mixture of relatively concentrated organic compounds that are related to each other in structure, where conventional alternative organic nutrients are absent, and when there is no competition from indigenous microorganisms.

The spectacular metabolic versatility of bacteria and fungi is exploited in the area environmental bioremediation as in sewage and waste water treatment, degradation of xenobiotics and metal abatement. Genetic manipulation offers a way of engineering microorganisms to deal with a pollutant, or a family of closely related pollutants, that may be present in the waste stream from an industrial process.

The simplest approach is to extend the degradative capabilities of existing metabolic pathways within an organism either by introducing additional enzymes from other organisms or by modifying the specificity or catalytic mechanisms of enzymes already present.

A treatment plant at the Homestake Mine in Lead, South Dakota, purifies 4 million gallons of cyanide-containing wastewater a day by completely converting cyanide to nitrate. Pseudomonas sp. convert cyanide and thiocyanate to ammonia and bicarbonate and the nitrifying bacteria Nitrosomonas and Nitrobacter cooperate in converting ammonia to nitrate. Recombinant DNA technology has had amazing repercussion in the last few years in environmental protection and also in other fields for better quality of living.

Different Areas of Environmental Biotechnology:

Environmental Biotechnology and Metagenomics:

Environmental Biotechnology is Divided into Different Areas:

(i) Direct studies of the environment,

(ii) Research with a focus on applications to the environment and

(iii) Research that applies information from the environment to other venues.

Here, a brief account of a particular aspect of direct analysis of environment is given.

In addition to DNA inside living organisms, there is much free DNA in the environment that might also be a source of new genes. The field of environmental biotechnology has revolutionized the study of the life-forms which have not been studied earlier and DNA.

This approach is direct analyses of the environment and the natural biochemical processes that are present. A significant study in this aspect is metagenomics. Metagenomics is the study of the genomes of whole communities of microscopic life forms and it deals with a mixture of DNA from multiple organisms, viruses, viroids, plasmids and free DNA.

In other words, metagenomics, the genomic analysis of a population of microorganisms, is the method to gain access to the physiology and genetics of uncultured organisms.

Using metagenomics, researchers investigate, catalogue the current microbial diversity. New proteins, enzymes and biochemical pathways are identified. The knowledge garnered from metagenomics has the potential to affect the ways we use the environment. Metagenomic analyses involves isolating DNA from an environmental sample, cloning the DNA into a suitable vector, transforming the clones into a host bacterium and screening the resultant transformants.

The clones can be screened for phylogenetic markers such as 16S rRNA and rec A or for other conserved genes by hybridization or multiplex PCR or for expression of specific traits such as enzyme activity or antibiotic production or they can be sequenced randomly.

One very important method for metagenomic study is stable isotope probing (SIP). An environmental sample of water or soil is first mixed with a precursor such as methanol, phenol, carbonate or ammonia that has been labeled with a stable isotope such as 15 N, 13 C or 18 O. If the organisms in the sample metabolize the precursor substrate, the stable isotope is incorporated into their genome.

When the DNA from the sample is isolated and separated by centrifugation, the genomes that incorporated the labeled substrate will be heavier and can be separated from the other DNA in the sample. The heavier DNA will migrate further in a cesium chloride gradient during centrifugation. The DNA can be used directly or cloned into vectors to make a metagenomic library. This technique is useful to find new organisms that can degrade contaminants such as phenol.

Microorganisms are crucial participants in cleaning up a large variety of hazardous substances/chemicals by transforming them into forms that are harmless to people and environment. One very important example is given here. Gasoline is leaked into soil in every gas station in United States.

There is every possibility that gasoline will be mixed with ground water which is the prime source of drinking water. However, the dormant members of the soil microbial community are triggered to become active and degrade the harmful chemicals in gasoline.

Since gasoline is composed of hundreds of chemicals it takes a variety of microbes working together to degrade them all. When some bacteria cause a depletion of O2 in ground water near a gasoline spill, other types of bacteria that can use nitrate for energy begin biodegrading the gasoline. Bacteria that use iron, manganese and sulfate follow.

All these microbial communities work together in a pattern to transform leaking gasoline into CO2 and water. Metagenomic analysis may help us identify the particular community member and function needed to achieve the full chemical transformation that will keep our planet livable.


شاهد الفيديو: ندوة: أستخدام تقنيات التكنولوجيا الحيوية فى مجال الإنتاج الزراعى (كانون الثاني 2022).