Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

BIOTECHNOLOGICAL PROCESSING OF RENEWABLE RAW MATERIALS YAKUTIA

Anshakova V.V. 1 Stepanova A.V. 1
1 North-Eastern Federal University
В статье даны экологические характеристики лишайников рода Сladonia, произрастающих в Якутии, и предложена разработка экологически чистая, безотходная, ресурсосберегающая технология сбора и биотехнологическая переработка лишайникового сырья для получения порошкообразных биоматериалов медицинского и пищевого назначения. Доказано полное соответствие биоресурсов всем гигиеническим нормативам, также подтвержден тот факт, что применение ресурсосберегающей технологии промышленного сбора слоевищ лишайников рода Cladonia в таежных регионах Якутии способствует его максимально быстрому самовосстановлению. В настоящее время в СВФУ осуществляется запуск производства разработанных биопрепаратов. Универсальность «активного наполнителя» позволяет быстро перестраивать производство с получения одного продукта на другой, меняя только вводимый в механохимический передел источник соответствующего фармакона.
The review about biotechnological application and ecological cleanliness of renewed lichen raw materials is made. On the basis of the lichen raw materials of Yakutia, containing a complex of physiologically active substances, with application mechanochemical activation obtaining preparations of action. Creating mechanochemical bio-complexes based on the natural matrix of the lichen p-oligosaccharide leads to a prolongation of the pharmacon and increases its biological (including therapeutic) effect by a few times, while reducing the dose and toxicity. Currently, the production of new biologics is being launched in the North-Eastern Federal University. The universality of the "active filler" allows a quick restructuring of the production of one product to another, changing only the pharmacon which is introduced into the mechanochemical process.
биопрепараты.
механохимические нанобиотехнологии
слоевища лишайников
возобновляемое биологическое сырье

Наша республика благополучно обосновалась на Севере-Востоке страны, порождая удивительные растения с уникальными свойствами, которые позволяют выжить в суровой северной природе. Среди них ярко выделяются лишайники своими индивидуальными характеристиками, потому не раз привлекающие внимание ученых и обывателей. Всем известно, что лишайниковые сообщества используются в качестве кормовой базы северного оленеводства. Но многим будет интересно знать, что лишайники можно использовать в сельском хозяйстве, пищевой, химической, фармацевтической, парфюмерной промышленности, при оценке экологических характеристик окружающей среды.

Целью исследования является изучение экологической характеристики лишайников рода Сladonia, произрастающих в Якутии, и разработка экологически чистых, безотходных, ресурсосберегающих технологий сбора и биотехнологической переработки лишайникового сырья для получения высокоэффективных биопрепаратов широкого спектра действия.

Материалы и методы

Объектом исследования являлись слоевища лишайников рода Cladonia (ягель), произрастающие на территории Республики Саха (Якутия), продукт их механоактивации.

Механохимическую активацию проводили в воздушной среде в мельнице-активаторе проточного типа ЦЭМ 7-80.

Количество сырьевой фитомассы оценивали в соответствии с требованиями инструкции по сбору и сушке (ГОСТ 13727-68). Микробиологические, санитарно-гигиенические исследования по методикам ГОСТ.

Содержание токсичных элементов определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Для исследования радиоактивности образцов ягеля и биопродуктов на его основе использовали метод спектрометрии.

Результаты и обсуждение

В Якутии лишайники встречаются на почве в сосновых борах, среди растительности тундр, в различных растительных поясах таежной зоны региона. Наиболее распространенным видом является Кладония оленья – Cladonia rangiferina (L.) Web (ягель). Подеции сероватые или серовато-беловатые, до 20 см высотой, сильноразветвленные, особенно в верхней части, с поникающими в одну сторону конечными веточками, верхушки которых обычно окрашены в темно-коричневый цвет. Образует густые дерновинки.

В слоевище ягеля содержится до 70 % углеводов, близких по своей химической природе к целлюлозе (табл. 1) [4].

Таблица 1

Химический состав сухого ягеля, %

Показатели

ягель высушенный

Влага

14,10

Белки

4,19

Липиды

4,36

Минеральные вещества

3,40

Углеводы

73,3

Усниновая кислота

0,94

β-каротин, мг/100 г

1,2

Витамин С, мг/100 г

10,1

Кроме того, в составе слоевища ягеля обнаружены уникальные лишайниковые кислоты: усниновая, глюкуроновая кислоты, минеральные соли, витамины группы В.

Высокая чувствительность лишайников к чистоте атмосферного воздуха позволяет использовать их в качестве биоиндикаторов загрязнения окружающей среды. В условиях атмосферного загрязнения выявляются обеднение видового состава эпифитов, изменение спектра жизненных форм (уменьшение доли кустистых лишайников). Известно, что лишайники концентрируют радионуклиды из воздуха. Поэтому сбор лишайникового сырья необходимо выполнить в экологически чистой зоне. По результатам ежегодных измерений удельной активности техногенных радионуклидов цезия-137 и стронция-90 на универсальном спектрометрическом комплексе УСК «Гамма плюс» исследуемое биосырье признано соответствующим нормативам СанПиН 2.3.2.1078-01, что свидетельствует об экологичности зон сбора лишайникового сырья.

Слоевища кладонии заготавливались в летний период ближе к осени. При сборе слоевища отделяли от субстрата, очищали от посторонних примесей (сопутствующих лишайников, мхов, песка и пр.) и высушивали.

Характеристика сырьевой фитомассы указана в табл. 2, которую оценивали в соответствии с требованиями инструкции по сбору и сушке.

Таблица 2

Характеристика сырья C. rangiferina

Наименование показателя

Характеристика по ГОСТ 13727-68

Цвет

верхней поверхности серовато-белый, нижней – светло-серый, оснований слоевища красновато-коричневый.

Запах

Слабый, своеобразный

Вкус

Горьковатый, с ощущением слизистости

Содержание влаги, % не более

10,0

Органическая примесь, % не более

5,0

Минеральная примесь, % не более

0,5

Согласно полученным данным, в таежной зоне с одного гектара смешанных зарослей сбор составил 41,0 г/м2 лишайникового сырья при влажности 7,1 %.

Ресурсосберегающая технология сбора слоевищ лишайников рода Cladonia учитывает особенности восстановления ягельников и ареалы их произрастания, предполагает сбор на таежных территориях произрастания, где наименьший процент выпаса оленей, и срезание в ходе заготовки не более 1/3 подеция, в результате чего период восстановления исходной биомассы не превысит 8 лет.

Дальнейший передел лишайникового сырья происходит механохимической технологией, являющейся новой рациональной твердофазной технологией нанодиспергирования сухого природного биосырья. Механохимическую активацию проводили в воздушной среде в мельнице-активаторе проточного типа ЦЭМ 7-80, где воздействие гравитационного поля на рабочее тело (мелющие шары) заменено центробежной силой.

Использование данной технологии обработки веществ основывается на физико-химических эффектах, общих для прикладной механохимии – от активации твердых веществ, вследствие разупорядочения и образования дефектов, ускорения диффузионно-затруднённых стадий процессов в твердой фазе, до осуществления твердофазных химических реакций непосредственно в ходе обработки и образования супрамолекулярных наноразмерных частиц. Большая часть биологически активных веществ (БАВ) в растительном сырье связана в комплексы различными связями физической и химической природы, и лишь небольшая их часть может находиться в биодоступной форме. Ударно-истирающее воздействие, даже без добавок твердофазных химических реагентов (например, щелочей, солей), сопровождается наряду с разрушением клеточных стенок изменением химического состава компонентов растительного сырья в результате разрыва ряда химических связей (даже таких прочных, как β-гликозидных) и протекания химических реакций с участием образовавшихся активных частиц.

Кроме того, целесообразность применения механохимических технологий объясняется возможностью исключения экологически небезопасных и энергозатратных стадий при получении веществ из природного сырья (рис.1).

Рис.1. Преимущества механохимической технологии биосырья

Использование механохимической обработки лишайникового сырья в одну технологическую стадию приводит к повышению биодоступности некоторых биогенных элементов в водной вытяжке, таких как Se, Ca, Na [2].

С целью наиболее полного изучения потребительских характеристик лишайника были проведены микробиологические, санитарно-гигиенические исследования по методикам ГОСТ. По результатам определения микробиологической чистоты и антимикробных свойств лишайникового сырья и его продукта – нанодисперсного порошка, было установлено отсутствие патогенной микрофлоры во всех пробах, что свидетельствует о самой высокой степени микробиологической чистоты как сырья, так и биопродукции, также абсолютной его безопасности для человека.

Рассмотрена возможность использования таких показателей аккумулирующей способности лишайников, как накопления тяжелых металлов. Показано, что лишайниковое сырье и биопродукция на его основе являются экологически чистыми, т.к. содержание тяжелых металлов не превышает ПДК (табл. 3).

Таблица 3

Содержание токсичных элементов в мг/кг сухой массы

Определяемые показатели

Содержание, мг/кг

Гигиенические нормативы

НД на методы исследований

1

Свинец

0,97

Не более 6,0

МУК 4.1.986-00

2

Мышьяк

0,21

Не более 0,5

ГОСТ Р 51766-2001

3

Кадмий

0,007

Не более 1,0

МУК 4.1.986-00

4

Ртуть

0,002

Не более 0,1

ГОСТ 26927-86

Более того, методом атомно-абсорбционной спектрометрии доказано, что при механообработке содержание некоторых токсичных элементов, например, мышьяка, существенно уменьшается (в десятки раз). Вероятно, это связано с процессом комплексообразования во время механоактивации [1, 5, 3].

Заключение

Таким образом, анализ экологических характеристик исходного лишайникового сырья и его биопродукта, полученного экологически чистой, безотходной механохимической биотехнологией, доказал их полное соответствие всем гигиеническим нормативам, применение ресурсосберегающей технологии промышленного сбора слоевищ лишайников рода Cladonia в таежных регионах Якутии способствует его максимально быстрому самовосстановлению.

Рецензенты:

Борисова Наталья Владимировна, д-р мед. наук, зам. директора по учебной работе Медицинского института СВФУ, г. Якутск.

Кершенгольц Борис Моисеевич, д-р биол. наук, профессор, зам. директора по науке Института биологических проблем криолитозоны СО РАН, г. Якутск.