Informatie

16.16: Landbouwbiotechnologie - Biologie


Biotechnologie in de landbouw kan de weerstand tegen ziekten, plagen en omgevingsstress vergroten en zowel de opbrengst als de kwaliteit van gewassen verbeteren.

Transgene dieren

Hoewel verschillende recombinante eiwitten die in de geneeskunde worden gebruikt, met succes in bacteriën worden geproduceerd, hebben sommige eiwitten een eukaryote dierlijke gastheer nodig voor een juiste verwerking. Om deze reden worden de gewenste genen gekloond en tot expressie gebracht in dieren, zoals schapen, geiten, kippen en muizen. Dieren die zijn gemodificeerd om recombinant DNA tot expressie te brengen, worden transgene dieren genoemd. Verschillende menselijke eiwitten komen tot expressie in de melk van transgene schapen en geiten, en sommige komen tot expressie in de eieren van kippen. Muizen zijn uitgebreid gebruikt voor het uitdrukken en bestuderen van de effecten van recombinante genen en mutaties.

Transgene planten

Het manipuleren van het DNA van planten (d.w.z. het creëren van GGO's) heeft geholpen om gewenste eigenschappen te creëren, zoals ziekteresistentie, resistentie tegen herbiciden en pesticiden, betere voedingswaarde en betere houdbaarheid (Figuur 1). Planten zijn de belangrijkste voedselbron voor de menselijke bevolking. Boeren ontwikkelden manieren om plantenrassen met gewenste eigenschappen te selecteren lang voordat de moderne biotechnologische praktijken werden ingevoerd.

Planten die recombinant DNA van andere soorten hebben gekregen, worden transgene planten genoemd. Omdat ze niet natuurlijk zijn, worden transgene planten en andere GGO's nauwlettend gevolgd door overheidsinstanties om ervoor te zorgen dat ze geschikt zijn voor menselijke consumptie en geen gevaar opleveren voor ander planten- en dierenleven. Omdat vreemde genen zich kunnen verspreiden naar andere soorten in het milieu, zijn uitgebreide tests nodig om ecologische stabiliteit te garanderen. Nietjes zoals maïs, aardappelen en tomaten waren de eerste gewassen die genetisch werden gemanipuleerd.

Transformatie van planten met behulp van: Agrobacterium tumefaciens

Genoverdracht vindt van nature plaats tussen soorten in microbiële populaties. Veel virussen die ziekten bij de mens veroorzaken, zoals kanker, werken door hun DNA in het menselijk genoom op te nemen. In planten, tumoren veroorzaakt door de bacterie Agrobacterium tumefaciens ontstaan ​​door overdracht van DNA van de bacterie naar de plant. Hoewel de tumoren de planten niet doden, maken ze de planten onvolgroeid en vatbaarder voor barre omgevingsomstandigheden. Veel planten, zoals walnoten, druiven, notenbomen en bieten, worden aangetast door: A. tumefaciens. De kunstmatige introductie van DNA in plantencellen is uitdagender dan in dierlijke cellen vanwege de dikke plantencelwand.

Onderzoekers gebruikten de natuurlijke overdracht van DNA van Agrobacterium naar een plantengastheer om DNA-fragmenten van hun keuze in plantengastheren te introduceren. In de natuur is de ziekteveroorzaker A. tumefaciens hebben een reeks plasmiden, de Ti-plasmiden (tumor-inducerende plasmiden), die genen bevatten voor de productie van tumoren in planten. DNA van het Ti-plasmide integreert in het genoom van de geïnfecteerde plantencel. Onderzoekers manipuleren de Ti-plasmiden om de tumorveroorzakende genen te verwijderen en het gewenste DNA-fragment in te voegen voor overdracht in het plantengenoom. De Ti-plasmiden dragen antibioticaresistentiegenen om de selectie te vergemakkelijken en kunnen worden vermeerderd in E coli cellen ook.

Organisch insecticide Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis (Bt) is een bacterie die tijdens sporulatie eiwitkristallen produceert die giftig zijn voor veel insectensoorten die planten aantasten. Bt-toxine moet door insecten worden opgenomen om het toxine te activeren. Insecten die Bt-toxine hebben gegeten, stoppen binnen enkele uren met het eten van de planten. Nadat het toxine in de darmen van de insecten is geactiveerd, treedt de dood binnen een paar dagen in. Dankzij moderne biotechnologie kunnen planten coderen voor hun eigen kristal-Bt-toxine dat inwerkt op insecten. De kristaltoxinegenen zijn uit Bt gekloond en in planten geïntroduceerd. Bt-toxine is veilig bevonden voor het milieu, niet giftig voor mensen en andere zoogdieren, en is goedgekeurd voor gebruik door biologische boeren als een natuurlijk insecticide.

Flavr Savr Tomaat

Het eerste gg-gewas dat op de markt kwam, was de Flavr Savr-tomaat die in 1994 werd geproduceerd. Antisense RNA-technologie werd gebruikt om het proces van zacht worden en rotten, veroorzaakt door schimmelinfecties, te vertragen, wat leidde tot een langere houdbaarheid van de GM-tomaten. Aanvullende genetische modificatie verbeterde de smaak van deze tomaat. De Flavr Savr-tomaat bleef niet succesvol op de markt vanwege problemen met het onderhoud en de verzending van het gewas. Sinds die tijd zijn er echter tal van gewassen ontwikkeld en goedgekeurd voor verkoop en consumptie. Vooral maïs, sojabonen en katoen zijn op grote schaal overgenomen door Amerikaanse boeren.


Verschil tussen traditionele biotechnologie en genetische manipulatie

Conventionele veredeling of Traditionele biotechnologie omvat het ongecontroleerd kruisen van rassen. Net als in, kan de fokker zeker bepalen welke twee rassen hij kruist, maar wat er op genetisch niveau gebeurt, is buiten zijn controle.

Alle eigenschappen zijn gemengd en willekeurig in het nageslacht terecht komen, wat betekent dat met de gewenste eigenschap, er een paar ongewenste eigenschappen kunnen zijn. Zoals een plant een hoge oogstopbrengst kan hebben, maar tegelijkertijd een zeer lage resistentie tegen ongedierte, wat dodelijk kan zijn.

Deze methoden kosten behoorlijk wat tijd en moeite om te werken. Een groot deel hiervan wordt gebruikt voor het verkrijgen van gewenste eigenschappen en ongewenste eigenschappen verwijderen uit de genen.

Een plant moet bijvoorbeeld gedurende vele groeiseizoenen van minimaal 3 maanden keer op keer worden gekruist om de ongewenste eigenschappen die door willekeurige vermenging in de genen komen te verwijderen. Dit is vaak economisch niet levensvatbaar voor kleine familiebedrijven die het risico niet kunnen nemen.

Nu gaan we verder met bespreken genetische manipulatie.

Het geavanceerde wetenschappelijke onderzoek van vandaag heeft ons in staat gesteld een deel van het DNA dat codeert voor het gen van een gewenste eigenschap te segmenteren en over te dragen naar het DNA van een nieuw transgeen organisme. En op dezelfde manier kun je ook een ongewenste eigenschap uit de gensequentie van een organisme verwijderen.

We zijn op het niveau waar genbewerking is net zo eenvoudig als het bewerken van een afbeelding in Photoshop!

Door het gebruik van recombinant-dna-technologie kunnen we veel sneller veranderingen bewerkstelligen dan met traditionele veredelingstechnieken.

Bovendien kunt u uw gewenste eigenschap op elk moment tijdens het experiment testen om te controleren of deze is verschenen. Het enige wat u hoeft te doen is de zaailingen in een kastray te planten.

Als je leest over genetisch gemanipuleerde gewassen of ggo's, vraag je je vaak af hoe je de genetisch gemodificeerde landbouwproducten die hierdoor worden geproduceerd in handen kunt krijgen. Dus zijn ze aanwezig om ons heen?

Ja! Uit onderzoek blijkt dat in het voedingsgedeelte van de supermarkten in ieder geval 60-70% van de voedingsproducten kan geheel of gedeeltelijk afkomstig zijn van gewassen die met nieuwe technieken zijn ontwikkeld.

Boeren hebben de overstap naar nieuwere methoden zo goed omarmd dat een derde van de maïs en 3/4 van de in de VS geteelde sojabonen en katoen nu afkomstig is van genetisch gemodificeerde gewassen.

De transgene gewassen die door USDA zijn goedgekeurd om commercieel te worden verkocht, zijn:

  1. maïs
  2. aardappel
  3. tomaat
  4. katoen
  5. sojabonen
  6. koolzaad
  7. papaja
  8. bieten
  9. Squash
  10. rijst
  11. vlas
  12. cichorei

De hoogste productie is van katoen, '8216Bt'8217 maïs en sojabonen die resistent zijn tegen glyfosaat. Wat er gebeurde met katoen en maïs was dat het DNA van een natuurlijk insectendodend organisme, Bacillus Thuringiensis, in hun DNA werd geïntroduceerd.

Dit organisme (bacillus thuringiensis bt) doodt de meeste dodelijke plagen die in de plant bijten, met name degenen die gevaarlijk zijn voor conventionele gewassen van katoen en maïs, en anders de insecten sparen die goed zijn voor de plant.

Dit zorgde voor een revolutie op het gebied van ongediertebestrijding voor de boeren.

Bt Cotton – Een toepassing van Biotech in de landbouw.

Glyfosaat is een herbicide dat bijna elke plant doodt die in de weg staat, maar door de aanwezigheid van het glyfosaatresistentiegen in het sojaboon-DNA kunnen de boeren glyfosaat openlijk over de landbouwgrond sproeien zonder schade aan het gewas toe te brengen.

Bt-maïs-, katoen- en glyfosaat-resistent worden soms ‘biotech crops'8217 of '8216gm crops' genoemd.

Elk product dat u ontdekt of leest, heeft zijn eigen risico's en voordelen. Als we het hebben over genetische manipulatie, zijn er nogal wat voordelen en enkele risico's die tot op heden niet wetenschappelijk zijn bewezen.

En voordat ik nog iets meer zeg, wil ik eerst even ingaan op het onderwerp hoe de vermenging van biotechnologie en landbouw gunstig voor ons is.


Hoewel verschillende recombinante eiwitten die in de geneeskunde worden gebruikt, met succes in bacteriën worden geproduceerd, hebben sommige eiwitten een eukaryote dierlijke gastheer nodig voor een juiste verwerking. Om deze reden worden de gewenste genen gekloond en tot expressie gebracht in dieren, zoals schapen, geiten, kippen en muizen. Dieren die zijn gemodificeerd om recombinant DNA tot expressie te brengen, worden transgene dieren genoemd. Verschillende menselijke eiwitten komen tot expressie in de melk van transgene schapen en geiten, en sommige komen tot expressie in de eieren van kippen. Muizen zijn uitgebreid gebruikt voor het uitdrukken en bestuderen van de effecten van recombinante genen en mutaties.

Figuur 1. Maïs, een belangrijk landbouwgewas dat wordt gebruikt om producten te maken voor verschillende industrieën, wordt vaak gewijzigd door middel van plantenbiotechnologie. (credit: Keith Weller, USDA)

Het manipuleren van het DNA van planten (d.w.z. het creëren van GGO's) heeft geholpen om gewenste eigenschappen te creëren, zoals ziekteresistentie, resistentie tegen herbiciden en pesticiden, betere voedingswaarde en betere houdbaarheid (Figuur 1). Planten zijn de belangrijkste voedselbron voor de menselijke bevolking. Boeren ontwikkelden manieren om plantenrassen met gewenste eigenschappen te selecteren lang voordat de moderne biotechnologische praktijken werden ingevoerd.

Planten die recombinant DNA van andere soorten hebben gekregen, worden transgene planten genoemd. Omdat ze niet natuurlijk zijn, worden transgene planten en andere GGO's nauwlettend gevolgd door overheidsinstanties om ervoor te zorgen dat ze geschikt zijn voor menselijke consumptie en geen gevaar opleveren voor ander planten- en dierenleven. Omdat vreemde genen zich kunnen verspreiden naar andere soorten in het milieu, zijn uitgebreide tests nodig om ecologische stabiliteit te garanderen. Nietjes zoals maïs, aardappelen en tomaten waren de eerste gewassen die genetisch werden gemanipuleerd.

Transformatie van planten met behulp van: Agrobacterium tumefaciens

Genoverdracht vindt van nature plaats tussen soorten in microbiële populaties. Veel virussen die ziekten bij de mens veroorzaken, zoals kanker, werken door hun DNA in het menselijk genoom op te nemen. In planten, tumoren veroorzaakt door de bacterie Agrobacterium tumefaciens ontstaan ​​door overdracht van DNA van de bacterie naar de plant. Hoewel de tumoren de planten niet doden, maken ze de planten onvolgroeid en vatbaarder voor barre omgevingsomstandigheden. Veel planten, zoals walnoten, druiven, notenbomen en bieten, worden aangetast door: A. tumefaciens. De kunstmatige introductie van DNA in plantencellen is uitdagender dan in dierlijke cellen vanwege de dikke plantencelwand.

Onderzoekers gebruikten de natuurlijke overdracht van DNA van Agrobacterium naar een plantengastheer om DNA-fragmenten van hun keuze in plantengastheren te introduceren. In de natuur is de ziekteveroorzaker A. tumefaciens hebben een reeks plasmiden, de Ti-plasmiden (tumor-inducerende plasmiden), die genen bevatten voor de productie van tumoren in planten. DNA van het Ti-plasmide integreert in het genoom van de geïnfecteerde plantencel. Onderzoekers manipuleren de Ti-plasmiden om de tumorveroorzakende genen te verwijderen en het gewenste DNA-fragment in te voegen voor overdracht in het plantengenoom. De Ti-plasmiden dragen antibioticaresistentiegenen om de selectie te vergemakkelijken en kunnen worden vermeerderd in E coli cellen ook.


Toepassingsgebied in de biotechnologie

Er is een immense carrière reikwijdte van de biotechnologie omdat je kunt werken aan creatieve efficiënte medische apparatuur en technologieën, innovaties in de gezondheidszorg, farmaceutisch onderzoek en nog veel meer. Als je een succesvolle carrière opbouwt in de biotechnologie, werk je in de voorhoede van onderzoek op het gebied van voedselduurzaamheid, landbouw, medische wetenschappen en gezondheidszorg. Dit zijn de meest populaire sectoren waar je een veelbelovende carrière in de biotechnologie kunt nastreven:

  • Afvalbeheer
  • Geneesmiddelen- en farmaceutisch onderzoekH
  • Bioverwerkende industrieën
  • Landbouwwetenschappen
  • Omgevingscontrole
  • Door de overheid gefinancierde laboratoria
  • Energiebeheer
  • Zuiveltechnologie

Wat is agrarische biotechnologie?

Landbouwbiotechnologie is het gebruik van wetenschappelijke methoden om planten en dieren te verbeteren. Met behulp van wetenschappelijke technieken, wetenschappers kunnen de landbouwproductiviteit verbeteren en verhogen. Hoewel typische kruisingen beperkende resultaten opleveren, gaat biotechnologie nog een stap verder. In feite, biotechnologie stelt wetenschappers in staat om bepaalde eigenschappen in DNA te lokaliseren en toe te passen op planten en dieren. Deze technologie stelt wetenschappers in staat verbeteringen aan te brengen die bij normale kruisingen niet mogelijk zouden zijn. Zo creëren we verbeteringen binnen de landbouw die de consument kunnen bijbenen.


Toepassingen van biotechnologie in de landbouw

Shumbeyi Muzondo-correspondent
Biotechnologie is de snelst groeiende discipline van de biologie, ingegeven door de steeds toenemende vraag naar voedsel en brandstof in een schonere en groenere omgeving.

Over het algemeen omvat biotechnologie een breed scala aan technologieën die levende systemen gebruiken om nuttige producten en diensten te produceren.

De integratie van biotechnologie in het landbouwsysteem is van cruciaal belang om de beperkte hulpbronnen beter te gebruiken, de landbouwopbrengsten te verhogen en de schadelijke effecten van het gebruik van pesticiden en kunstmest te verminderen.

Agrarische biotechnologie is een gebied van landbouwwetenschap dat cel- en moleculaire biologie-instrumenten gebruikt om de genetische samenstelling en het agronomische beheer van gewassen en dieren te verbeteren.

Er zijn veel biotechnologische technieken die door wetenschappers en onderzoekers in deze discipline worden gebruikt, waaronder genetische manipulatie, marker-ondersteunde selectie, hybridisatie, plantenweefselkweek, biofertiliser-technologie, kunstmatige inseminatietechnologie, diagnostiek van planten- en veeziekten en de productie van vaccins.

Het gebruik van deze biotechnologische hulpmiddelen in Zimbabwe heeft het potentieel om het levensonderhoud te verbeteren van ongeveer 7,6 miljoen mensen die op het platteland wonen en voornamelijk afhankelijk zijn van de landbouw.

Biotechnologie wordt toegepast op een tomatenplant

Recombinante DNA-technologie

Dit is een technologie waarbij een plant of dier genetisch materiaal (DNA) van een ander organisme kan ontvangen om zijn eigenschappen te verbeteren of nieuwe functies te laten vervullen.

Genetisch gemodificeerde organismen (GGO's) omvatten landbouwgewassen die genetisch gemodificeerd zijn voor resistentie tegen plagen, ziekten of omgevingsfactoren. Bt-katoen is bijvoorbeeld genetisch gemodificeerd katoen waarin een gen is verwerkt dat is afgeleid van een bacterie Bacillus thuriengiensis. Bt-katoen is bestand tegen aantasting door de Amerikaanse bollworm, een grote plaag op katoen.

Andere benaderingen kunnen inhouden dat een plant resistentie wordt verleend tegen chemische behandelingen (bijv. resistentie tegen herbiciden).

Als alternatief kan de productie van een specifieke voedingsstof of farmaceutisch product worden uitgevoerd in een bepaald GGO.

Ondanks de vele voordelen, stuit de ontwikkeling van ggo's op een aantal obstakels, waaronder de hoge kosten om één ras te creëren, de lange periode voor goedkeuring door de regelgevende instanties (meestal ten minste 10 jaar) en wijdverbreide publieke tegenstand.

Zimbabwe heeft nog geen GGO's op de markt gebracht.

Hybridisatie omvat het combineren van de kwaliteiten van twee organismen van verschillende rassen, variëteiten, soorten of geslachten door seksuele reproductie om een ​​nieuw karakter te geven dat de opbrengst zou verhogen. Er zijn een aantal bedrijven in Zimbabwe die hybride zaden produceren en distribueren, waaronder hybride maïszaad, katoenzaad, tarwe, sojabonen, gerst, sorghum en aardnootzaad.

Biomeststoffen zijn gebruiksklare, levende formuleringen van nuttige micro-organismen. Ze zijn 100 procent biologisch en worden aangebracht op het zaad, de wortel of de aarde.

Biomeststoffen kunnen het overmatige gebruik van kunstmest verminderen, de bodem verrijken met die micro-organismen die organische voedingsstoffen voor de bodem produceren en ziektes helpen bestrijden en de boeren een goedkopere bron van kunstmest bieden.

Marker-ondersteunde selectie/ of moleculaire veredeling

Marker-ondersteunde selectie is een geavanceerde technologie onder de huidige plantenbiotechnologiebedrijven. Plantenveredelaars kunnen deze techniek gebruiken om gewenste eigenschappen te lokaliseren en samen te stellen om het proces van het ontwikkelen van nieuwe commerciële hybriden te versnellen.

In tegenstelling tot GGO's, worden nieuwe gewasvariëteiten die worden geproduceerd door middel van marker-ondersteunde selectie gespaard van de regelgevende proeven en de publieke oppositie, voornamelijk omdat de natuurlijke genetische grenzen van de plant niet worden overschreden.

Sommige zaadhuizen en onderzoeksinstellingen in Zimbabwe hebben deze techniek gebruikt om verbeterde gewasvariëteiten van maïs, gierst, sorghum en peulvruchten te ontwikkelen die bestand zijn tegen de nadelige effecten van klimaatverandering.

De innovatieve oplossing voor lage opbrengsten voor telers van cassave, aardappelen en zoete aardappelen in Zimbabwe is weefselkweektechnologie. Weefselkweek, gewoonlijk microvermeerdering genoemd, is een vermeerderingsinstrument waarbij de kweker weefsel of cellen buiten de plant zelf kweekt in een kunstmatige omgeving.

Het kan miljoenen ziektevrije plantjes produceren van variëteiten met een hoge opbrengst. In plaats van de gesneden stukken van de traditioneel gerijpte planten of zieke zaden te planten, kunnen boeren virusvrije en krachtige plantjes planten van variëteiten met een hoge opbrengst die zijn geproduceerd met behulp van weefselkweektechnologie.

Harare Institute of Technology (HIT) is een van de instellingen die momenteel weefselkweektechnieken gebruikt om oesterzwambroed voor commerciële doeleinden te produceren. Ook HIT heeft haar dienstverlening uitgebreid met het aanbieden van champignontrainingen.

Kunstmatige inseminatietechnologie

De foktechnologie is de afgelopen decennia met sprongen vooruit gegaan, waarbij kunstmatige inseminatie een van de technologieën is geworden die door veel melkveehouders en vleesveehouders wordt toegepast voor het fokken van de volgende generatie landbouwhuisdieren zoals koeien en varkens.

Kunstmatige inseminatie is het proces waarbij zaadcellen van een mannelijk dier worden verzameld en handmatig in het voortplantingsstelsel van een vrouwtje worden gedeponeerd. Het biedt de mogelijkheid om sperma van de beste stieren te gebruiken om karkaskwaliteit en gewichtstoename bij runderen op te bouwen.

Lokale boeren kunnen, met de hulp van een goede fokker of deskundige inspecteur, dit belangrijke instrument gebruiken om de export, het scheppen van welvaart en de voeding voor gezinnen te verbeteren.

Ziekten Diagnostiek en Vaccins

Boeren in Zimbabwe houden voornamelijk koeien, geiten, kippen en schapen. Veel ziekten die de productiviteit van deze boeren verminderen, kunnen worden voorkomen door goede hygiëne, management en voedingspraktijken in acht te nemen.

Biotechnologische technieken voor ziektediagnostiek en vaccinproductie zijn belangrijke instrumenten voor effectief ziektebeheer.

Deze technieken worden in vergelijking met serologische methoden (bloedonderzoeken die verschillende ziekten kunnen diagnosticeren) sneller uitgevoerd, met een grotere mate van nauwkeurigheid, precisie en verminderde arbeidsbehoefte.

Sommige lokale onderzoeksinstituten kunnen vaccins ontwikkelen en moleculaire diagnostische diensten aanbieden voor effectief ziektebeheer, wat zich vervolgens vertaalt in het produceren van gezond vee.

Deze presentatie is slechts een glimp van de bijdragen van agrarische biotechnologie aan onze samenleving.

Er worden veel meer producten en diensten aangeboden, terwijl sommige nog in ontwikkeling zijn.

Aarzel niet om voor meer informatie contact op te nemen met de auteur via [email'160protected] of [email'160protected] Shumbeyi is docent op de afdeling Biotechnologie van het Harare Institute of Technology


Hoe start je een carrière in de biotechnologie?

Om het carrièrepad van een biotechnoloog te volgen, moet u bekend zijn met de onderwijskwalificaties, vaardigheden en professionele training die nodig zijn om er een te worden. Daarom hebben we hieronder een stapsgewijze handleiding samengevat om biotechnoloog te worden:

Volg een bachelordiploma zoals BTech of BSc in biotechnologie
De eerste stap naar het nastreven van een carrière in de biotechnologie is om het fundamentele begrip van dit veld te verwerven met een bachelordiploma in biotechnologie en met interdisciplinaire specialisaties zoals moleculaire biotechnologie, chemische biotechnologie, biotechnologie-engineering, om er maar een paar te noemen. Verder kun je ook een bachelordiploma behalen in een van de verwante gebieden, zoals biologie, scheikunde, biomedische technologie, enz. om de fundamentele concepten van deze discipline te bereiken.

Ontdek opleidings- en stagemogelijkheden
Tijdens het studeren van een bacheloropleiding in de biotechnologie is het ook essentieel om opleidings- en stagemogelijkheden bij onderzoeksinstituten of in de medische wetenschap of technologiesector te verkennen. Trainingen en stages zullen ook bijdragen aan je cv en je professionele bekendheid op dit gebied laten zien, waardoor je beter past bij de functie van biotechnoloog.

Een specialisatie behalen met een masterdiploma
Het is belangrijk om na je afstuderen een postdoctorale kwalificatie te behalen en je kunt een masteropleiding in biotechnologie of aanverwante specialisaties zoals toegepaste biotechnologie, medische biotechnologie, industriële en milieubiotechnologie volgen, omdat het je ook de nodige onderzoeksmogelijkheden en vaardigheden zal geven die je nodig hebt om een ​​succesvolle carrière in de biotechnologie na te streven.

Ontdek geschikte banen in de biotechnologie
Als je een masterdiploma in biotechnologie hebt behaald, ben je klaar om de kansen op werk als biotechnoloog te verkennen. Dit zijn de belangrijkste werkgelegenheidsgebieden voor afgestudeerden in de biotechnologie:

  • Bioverwerkende industrieën
  • Chemische Industrieën
  • Onderzoeksinstituten en universiteiten
  • Geneesmiddelen- en farmaceutisch onderzoek

Als je streeft naar een carrière in onderzoek of de academische wereld, dan kun je ook een doctoraat behalen zoals PhD in biotechnologie .


Voorbeelden van biotechnologie

Aangezien biotechnologie met succes producten en technologieën ontwikkelt om problemen zoals gevaren voor het milieu, overmatig gebruik van energiebronnen, de verspreiding van infectieziekten, honger, industriële moeilijkheden en andere.

Nadat ze tot het uiterste waren gegaan, remedies uit zeer natuurlijke hulpbronnen hebben geanalyseerd en ontdekt, heeft biotechnologie de kans op kwaadaardige, dodelijke ziekten over de hele wereld veranderd. De wereld heeft er baat bij gehad met tal van instrumenten die zeer goed zijn uitgerust om ziekten of infecties in een zeer vroeg stadium op te sporen.

De bijdrage van biotechnologie aan de samenleving is enorm. Brandstof is vandaag de dag noodzakelijk om te overleven.

Door processen zoals fermentatie en exploitatie van biokatalysatoren zoals microben, enzymen en gist in gebruik te nemen om waardevolle fabrieken te creëren, heeft deze tak van wetenschap de productie van brandstof en andere biologische alternatieven met grote sprongen opgevoerd.


Milieubiotechnologie: betekenis, toepassingen en andere details

Milieubiotechnologie is in het bijzonder de toepassing van processen voor de bescherming en het herstel van de kwaliteit van het milieu.

Milieubiotechnologie kan op verschillende manieren worden gebruikt om de uitstoot van verontreinigende stoffen in het milieu op te sporen, te voorkomen en te verhelpen.

Vast, vloeibaar en gasvormig afval kan worden aangepast, hetzij door recycling om nieuwe producten te maken, hetzij door te zuiveren zodat het eindproduct minder belastend is voor het milieu. Het vervangen van chemische materialen en processen door biologische technologieën kan milieuschade verminderen.

Op deze manier kan milieubiotechnologie een belangrijke bijdrage leveren aan duurzame ontwikkeling. Milieubiotechnologie is een van de snelstgroeiende en praktisch meest bruikbare wetenschappelijke gebieden van vandaag. Onderzoek naar de genetica, biochemie en fysiologie van exploiteerbare micro-organismen wordt snel vertaald naar commercieel beschikbare technologieën om verdere achteruitgang van het aardse milieu om te keren en te voorkomen.

Doelstellingen van milieubiotechnologie (volgens Agenda 21):

Het doel van milieubiotechnologie is het voorkomen, stoppen en omkeren van de aantasting van het milieu door het juiste gebruik van biotechnologie in combinatie met andere technologieën, terwijl het ondersteunen van veiligheidsprocedures als een primair onderdeel van het programma.

Specifieke doelstellingen zijn:

1. Productieprocessen toepassen die optimaal gebruik maken van natuurlijke hulpbronnen, door biomassa te recyclen, energie terug te winnen en afvalproductie te minimaliseren.

2. Het gebruik van biotechnologische technieken bevorderen met de nadruk op bioremediatie van land en water, afvalverwerking, bodembehoud, herbebossing, bebossing en landherstel.

3. Biotechnologische processen en hun producten toepassen om de milieu-integriteit te beschermen met het oog op ecologische veiligheid op lange termijn.

Het gebruik van biotechnologie om vervuilingsproblemen aan te pakken is geen nieuw idee. Gemeenschappen zijn al meer dan een eeuw afhankelijk van complexe populaties van natuurlijk voorkomende microben voor rioolwaterzuivering. Elk levend organisme - dieren, planten, bacteriën enzovoort - neemt voedingsstoffen op om te leven en produceert een afvalstof als bijproduct. Verschillende organismen hebben verschillende soorten voedingsstoffen nodig.

Bepaalde bacteriën gedijen op de chemische componenten van afvalproducten. Sommige micro-organismen voeden zich met materialen die giftig zijn voor anderen. Onderzoeksgerelateerde milieubiotechnologie is van vitaal belang bij het ontwikkelen van effectieve oplossingen voor het verminderen, voorkomen en ongedaan maken van milieuschade met behulp van deze levende vormen. De groeiende bezorgdheid over de volksgezondheid en de verslechterende kwaliteit van het milieu heeft geleid tot de ontwikkeling van een reeks nieuwe, snelle analytische apparaten voor de detectie van gevaarlijke stoffen in lucht, water en land. Recombinant-DNA-technologie heeft de mogelijkheden geboden voor het voorkomen van vervuiling en belooft een verdere ontwikkeling van bioremediatie.

Toepassingen van milieubiotechnologie:

Milieubescherming is een integraal onderdeel van duurzame ontwikkeling. Het milieu wordt elke dag bedreigd door de activiteiten van de mens. Met de voortdurende toename van het gebruik van chemicaliën, energie en niet-hernieuwbare hulpbronnen door een groeiende wereldbevolking, nemen ook de bijbehorende milieuproblemen toe. Ondanks toenemende inspanningen om afvalophoping te voorkomen en recycling te bevorderen, lijken de hoeveelheid milieuschade veroorzaakt door overconsumptie, de hoeveelheid geproduceerd afval en de mate van niet-duurzaam landgebruik waarschijnlijk te blijven groeien.

De remedie kan tot op zekere hoogte worden bereikt door de toepassing van biotechnologische milieutechnieken, waarbij levende organismen worden gebruikt bij de behandeling van gevaarlijk afval en de bestrijding van verontreiniging. Milieubiotechnologie omvat een breed scala aan toepassingen zoals bioremediatie, preventie, detectie en monitoring, genetische manipulatie voor duurzame ontwikkeling en een betere levenskwaliteit.

Bioremediatie verwijst naar het productieve gebruik van micro-organismen om verontreinigende stoffen te verwijderen of te ontgiften, meestal als verontreinigingen van bodem, water of sedimenten die anders de menselijke gezondheid intimideren. Biobehandeling, bioterugwinning en bioherstel zijn de andere terminologieën voor bioremediatie. Bioremediatie is geen nieuwe praktijk. Micro-organismen worden al vele jaren gebruikt om organisch materiaal en giftige chemicaliën te verwijderen uit de lozing van huishoudelijk en productieafval.

De focus in milieubiotechnologie voor het bestrijden van verschillende vervuilingen ligt echter op bioremediatie. De overgrote meerderheid van bioremediatietoepassingen maakt gebruik van natuurlijk voorkomende micro-organismen om giftig afval te identificeren en te filteren voordat het in het milieu wordt gebracht of om bestaande vervuilingsproblemen op te ruimen.

Sommige meer geavanceerde systemen die genetisch gemodificeerde micro-organismen gebruiken, worden getest bij afvalverwerking en verontreinigingsbeheersing om moeilijk afbreekbare materialen te verwijderen. Bioremediatie kan in situ of in gespecialiseerde reactoren (ex situ) worden uitgevoerd. Bioremediatie door micro-organismen heeft een geschikte omgeving nodig voor het opruimen van de vervuilde locatie.

Toevoeging van voedingsstoffen, terminale elektronenacceptoren (O2/NEE2), temperatuur, vocht om de groei van een bepaald organisme te bevorderen kan nodig zijn voor de microbiële activiteit op de vervuilde plaats. Bioremediatie-operaties kunnen zowel ter plaatse als off-site, in situ of ex situ worden uitgevoerd. Bioremediatie heeft een enorm potentieel voor het opruimen van water en bodem die verontreinigd zijn door een verscheidenheid aan gevaarlijke verontreinigende stoffen, huishoudelijk afval, radioactief afval enz.

Biologische reinigingsprocedures maken gebruik van het feit dat de meeste organische chemicaliën worden blootgesteld aan enzymatische aanvallen van levende organismen. De meest gebruikelijke benadering is het gebruik van enzymen als vervangende chemische katalysatoren. Aanzienlijke vermindering of volledige verwijdering van agressieve chemicaliën kan worden bereikt, zoals wordt waargenomen in de leer-, textielverwerkings- en pulp- en papierindustrie.

Slechts 1-2 g hemicellulose wordt vervangen door 10-15 kg chloor om 1 ton pulp te behandelen, waardoor het gechloreerde organische effluent aanzienlijk wordt verminderd. Milieubescherming en -sanering combineren momenteel biotechnologische, chemische, fysische en technische methoden.

Het relatieve belang van biotechnologie neemt toe naarmate wetenschappelijke kennis en methoden verbeteren. De lagere eisen aan energie en chemicaliën, gecombineerd met een lagere productie van kleine afvalstoffen, maken het een steeds wenselijker alternatief voor meer traditionele chemische en fysische saneringsmethoden. Er zijn verschillende toepassingen van bioremediatie voor het onderhoud van de omgeving. In dit hoofdstuk worden er een paar behandeld, zoals de behandeling van afvalwater en industrieel afvalwater, bodem- en landbehandeling, lucht- en afvalgassenbeheer.

Afvalwater en industrieel afvalwater:

Watervervuiling is een ernstig probleem in veel landen van de wereld. De snelle industrialisatie en verstedelijking hebben geleid tot grote hoeveelheden afvalwater die hebben geleid tot een verslechtering van de oppervlaktewatervoorraden en de grondwaterreserves. Biologische, organische en anorganische verontreinigende stoffen vervuilen de waterlichamen.

In veel gevallen zijn deze bronnen onveilig gemaakt voor menselijke consumptie en voor andere activiteiten zoals irrigatie en industriële behoeften. Dit illustreert dat een verslechterde waterkwaliteit in feite kan bijdragen aan waterschaarste, omdat het de beschikbaarheid ervan voor zowel menselijk gebruik als het ecosysteem beperkt. De behandeling van het afvalwater voordat het wordt afgevoerd, is wereldwijd een dringende zorg.

In rioolwaterzuiveringsinstallaties worden micro-organismen gebruikt om de meest voorkomende verontreinigende stoffen uit afvalwater te verwijderen voordat het in rivieren of de zee wordt geloosd. Toenemende industriële en agrarische vervuiling heeft geleid tot een grotere behoefte aan processen die specifieke verontreinigende stoffen zoals stikstof- en fosforverbindingen, zware metalen en gechloreerde verbindingen verwijderen.

Methoden zijn onder meer aërobe, anaërobe en fysisch-chemische processen in vastbedfilters en in bioreactoren waarin de materialen en microben in suspensie worden gehouden. Rioolwater en ander afvalwater zouden, indien onbehandeld, zelfzuivering ondergaan, maar het proces vereist lange blootstellingsperioden. Om dit proces te versnellen worden bioremediatiemaatregelen toegepast.

Er worden echter vijf belangrijke stadia erkend in afvalwaterzuivering:

a) Voorbehandeling – grit, zware metalen en drijvend vuil worden verwijderd.

b) Primaire behandeling – opgeschort zaken worden verwijderd.

c) Secundaire behandeling – bio-oxideren van organische materialen door activiteiten van aërobe en anaërobe micro-organismen.

d) Tertiaire zuivering – specifieke verontreinigende stoffen worden verwijderd (ammoniak en fosfaat).

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 H2O2 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.


Bekijk de video: Bioteknologi di Bidang Pertanian, Peternakan dan Lingkungan - Penerapan Bioteknologi Dalam Kehidupan (December 2021).