вода производственной мощностью 200 тыс. т в год кормового белкового концентрата для замены рыбной и соевой муки в животноводстве.
В Узбекистане в открытых установках культивируют хлореллу, урожай которой составляет 30–60 т сухого вещества с гектара в год.
Развитие способов культивирования микроводорослей ведется
вдвух направлениях: экстенсивное культивирование в открытых водоемах и интенсивное культивирование в закрытых установках в полностью контролируемых условиях. При массовом культивировании используют или обычные минеральные среды, или специально сбалансированные, учитывающие расходование основных компонентов
впроцессе роста биомассы.
Выделив альгологически чистую культуру сине-зеленых водорослей рода Phormidium из альгобактериальных сообществ НижнеПаратунских горячих источников, ее можно использовать для производства водорослевой биомассы как источника кормового белка. Целесообразно культивировать сине-зеленые водоросли на Камчатке в реакторах закрытого типа, используя в качестве субстрата искусственную среду и применяя энергию термальных источников для поддержания оптимальных условий культивирования.
При решении этой задачи станет возможным решение проблемы дефицита кормового белка для камчатского животноводства.
При производстве белка из биомассы одноклеточных водорослей первостепенное значение имеет процесс их культивирования.
7.1.3.1. Культивирование микроводорослей в открытых системах
Экстенсивное культивирование микроводорослей в открытых водоемах ведется в основном для получения биомассы, а также для очистки сточных вод. Для получения биомассы используют простые и недорогие устройства.
Чаще всего это круглые, овальные или прямоугольные бассейны небольшой глубины, реже – цементированные или выстланные пленкой траншеи, различной формы лотки, цистерны. Поскольку регулирование температурных условий в открытых водоемах мало осуществимо, такое культивирование микроводорослей обычно проводят в районах, где мало облачных и дождливых дней, невелики суточные перепады температур – в тропиках и субтропиках. В некоторых случаях в холодное время применяют искусственный подогрев. Примером простейшего вида экстенсивного культивирования микроводорослей является выращивание сине-зеленой водоросли спирулины на озере Текскоко в Мексике. Площадь поверхности озера составляет 900 га. Сбор биомассы спирулины производится круглые сутки. Удвоение биомассы микроводоросли
67
в озере происходит каждые 3–4 суток. После фильтрации суспензия высушивается горячим воздухом и измельчается в муку. Готовый продукт используется в качестве источника белка в диетическом питании.
Открытые установки в виде круглых бассейнов диаметром до 25 м, глубиной 0,2 м эксплуатируются в Японии (рис. 8).
Рис. 8. Схема открытой установки для культивирования микроводорослей:
1– резервуар; 2 – водорослевая суспензия; 3 – сегнерово колесо; 4 – насос; 5 – впуск смеси воздуха с углекислым газом; 6 – выгрузка суспензии
Взвесь водорослей циркулирует в бассейне при помощи насоса. Лопатки сегнерова колеса имеют отверстия, и воздух с углекислотой барботируется через эти отверстия. Лопатки приводятся во вращение реактивным движением и перемешивают взвешенные водоросли. Четыре установки обычно соединяют в батарею. После выгрузки взвесь водорослей центрифугируют и сушат в распылительной сушилке при температуре 100ºС.
На таких установках в Японии культивируют зеленую микроводоросль хлореллу для производства концентрата, применяемого для замены рыбной и соевой муки в животноводстве.
ВУзбекистане в установках открытого типа культивируют хлореллу, урожай которой составляет 30–60 т сухого вещества с гектара в год. Лимитирующим фактором культивирования там является сравнительно низкая зимняя температура (2–5ºС).
ВТржебоне (Чехия) действует установка каскадного типа (рис. 9) для культивирования зеленой водоросли сценедесмус.
Установка состоит из панелей переменной площади, собранных из пластиковых желобов. Сечение желобов влияет на оседание водорослей на дне желоба. Панели защищены прозрачным покрытием, позволяющим сохранять тепло при уменьшении освещенности. Панели можно ориентировать на солнце. Стационарные панели установлены на крышах зданий, сооружений.
68
Рис. 9. Схема открытой установки каскадного типа:
1 – насос; 2, 4 – резервуар со взвесью водорослей; 3 – желоба; 5 – баллон с углекислотой
В Болгарии подобная установка размещена на поверхности грунта. При строительстве были учтены возможности использования местных природных ресурсов, обеспечивающих наряду с хорошей инсоляцией применение природных источников углекислоты и регулирование температуры за счет воды горячих источников.
Лабораторные испытания биомассы сине-зеленых водорослей, обитающих в Нижне-Паратунских источниках Камчатки, показали, что содержание белка в ней составляет около 50% органического вещества. Эти водоросли можно культивировать для получения кормового белка. Но продуктивность биомассы зависит от сезонных перепадов температуры. Кроме того, биомасса сине-зеленых водорослей природных источников Камчатки накапливает тяжелые металлы, соли которых содержатся в водах гидротерм. Так, по данным А.А. Ефимова и М.В. Ефимовой, в биомассе сине-зеленой водоросли рода фордимиум, отобранной в горячих источниках Паратунки, содержание меди и цинка составило 0,3 и 1,28 мг/кг сухого вещества соответственно. В биомассе водорослей горячих источников Паужетки содержание меди составило 17,5, цинка – 113,5, кадмия – 1,89, свинца – 156,0 мг/кг сухого вещества.
Основным недостатком получения белка при культивировании микроводорослей в открытых установках является зависимость от погодных условий, из-за чего невозможно длительное, стабильное снятие урожая. Другими серьезными недостатками являются подверженность инфекциям (бактерии, личинки комаров, различные виды водорослей), влияние химического состава среды на химический состав биомассы, как в случае с сине-зелеными водорослями камчатских гидротермальных источников.
69
7.1.3.2. Культивирование микроводорослей в закрытых системах
Условия культивирования микроводорослей можно улучшить путем использования закрытых установок с естественным освещением. В этом случае микроводоросли выращивают в прозрачных трубах или специально сконструированных культиваторах, в которых предусмотрено поддержание оптимальных условий культивирования. Установки закрытого типа позволяют в 1,5–2 раза увеличить урожай водоросли с единицы объема среды и снизить себестоимость биомассы.
Для повышения скорости роста биомассы в закрытых установках через среду продувают воздух, обогащенный диоксидом углерода. Газовую смесь вводят в культуру с помощью компрессора через перфорированные трубки или с током суспензии клеток через центробежный насос.
При массовом культивировании в закрытых системах используются или обычные минеральные питательные среды, или специально сбалансированные, учитывающие расходование основных компонентов в процессе роста биомассы.
Иногда в целях снижения стоимости получаемой биомассы для приготовления питательных сред применяют минеральные удобрения или естественную минеральную воду. Возможно ведение процесса в миксотрофных условиях при добавлении к минеральной среде органических веществ. Это позволяет получить большую биомассу при относительно низкой интенсивности света. Экономически выгодным оказалось использование сточных вод некоторых производств, в частности сахарных и гидролизных заводов.
В Южной Италии построена фабрика, где выращивается спирулина на площади 2 га в закрытой системе – трубчатом реакторе (рис. 10). Трубы одновременно служат солнечным коллектором и тем самым позволяют продлить продуктивный сезон. Эксперименты во Флоренции показали, что если размножение спирулины в прудах, озерах продолжается с июля по сентябрь, в трубах реактора оно начинается в апреле и заканчивается в середине октября. При этом урожай биомассы спирулины в 10 раз превышал урожай пшеницы, а выход белка был в 10 раз выше, чем у соевых бобов.
Реактор состоит из 50-метровой прозрачной стеклянной трубки диаметром 1 см. Культура микроводоросли подвергается рециклированию под действием насоса. Сообщество представлено одной водорослью и тремя бактериями; оно является устойчивым к заражению. В состав среды входит аммиак, минеральные соли, углекислота. В процессе культивирования выделяется чистый кислород. В полученной биомассе содержится до 50% белка, липиды, крахмал, глицерин.
Такой реактор называют фотореактором, так как он позволяет решить задачу контроля роста биомассы за счет использования солнечной
70
энергии и углекислоты, т. е. прирост биомассы микроводоросли происходит за счет фотосинтеза.
Рис. 10. Схема трубчатой закрытой установки для культивирования спирулины
Внастоящее время разработаны установки и аппараты интенсивного управляемого культивирования фотосинтезирующих микроводорослей в полностью контролируемых условиях с автоматической стабилизацией оптимальных условий и непрерывной автоматической регистрацией физиологических функций культуры: скорости роста, интенсивности фотосинтеза и др.
Взависимости от конструкции установок ведут периодическое, проточное или комбинированное выращивание биомассы; процесс может быть одноили многоступенчатым. Наиболее совершенным считается проточное выращивание микроводорослей, при котором по сигналам, поступающим от самой культуры, осуществляется автоматический отбор прирастающих клеток, подача свежей питательной среды и стабилизация оптической плотности культуры.
Для культивирования используют высокопродуктивные штаммы микроводорослей, полученные в результате селекции или под действием мутагенов. Чаще всего в качестве продуцентов используют термофи-
лы – светолюбивые формы, сохраняющие высокую скорость роста в плотных популяциях.
При интенсивном культивировании микроводорослей продуктивность достигает 80–100 г сухой биомассы с 1 м2 освещаемой поверхности в сутки. Максимальная продуктивность культуры является главным
71
преимуществом этого метода. Однако в связи с большими затратами электроэнергии стоимость продукции высока. По этой причине интенсивное культивирование не используется для производства белка одноклеточных организмов в промышленных масштабах.
Для производства белка микроорганизмов разработаны технологии, различающиеся видом и назначением готового продукта, видом продуцента, исходным материалом, типом процесса. Выбор технологии производства белка одноклеточных организмов во многом определяется экономикой процессов. Произведенный готовый продукт должен успешно конкурировать с другими источниками белка. Например, продажная цена кормового белка одноклеточных организмов в 1979 г. составляла 0,39–0,50 долл. США за 1 кг; продажная цена 1 кг соевой муки составляла 0,2–0,22 долл.; 1 кг мясо-костной муки – 0,24–0,25 долл. США.
Сравнение кормового белка одноклеточных организмов с основными белковыми кормовыми продуктами показывает, что кормовой микробный белок неконкурентоспособен по цене.
Основные затраты при производстве белка одноклеточных организмов связаны со стоимостью субстрата (этанола, метанола, н-алканов, гидролизатов и т. д.). Они составляют 43,6–77,0% всех затрат; 12,0–36,6% составляют затраты на тепло- и энергоснабжение.
В связи с этим производство кормового белка из биомассы микроводорослей представляет особый интерес. Для этих организмов не требуется специфический субстрат. Источником углерода для фототрофных микроорганизмов является углекислый газ атмосферы. Некоторым из них не требуются питательные азотсодержащие добавки, так как они являются азотфиксирующими организмами. При этом значительно снижается основная статья расходов.
Итак, культивирование микроводорослей для производства белка одноклеточных организмов является особенно перспективным в тех случаях, когда:
–возникают значительные транспортные расходы при доставке кормов к местам потребления;
–нет сырья (парафины, гидролизаты древесины) для производства белка одноклеточных организмов другими способами;
–климатические условия не позволяют выращивать традиционные кормовые культуры;
–имеются природные условия, подходящие для культивирования микроводорослей.
При культивировании сине-зеленых водорослей гидротерм Камчатки отпадет необходимость в закупке и доставке субстрата. Вода гидротерм может являться источником необходимых минеральных веществ, микроэлементов. Предельно уменьшается потребность в топливе, так как для обеспечения производства теплом, энергией можно
72
использовать энергию термальных источников. Возможна организация круглогодичного производства. Высокие температуры (60–75,7ºС) и использование термофильных сине-зеленых водорослей позволит вести процесс в нестерильных условиях. Учитывая все недостатки культивирования микроводорослей в открытых водоемах, можно организовать массовое культивирование в закрытой системе. Это не потребует высоких капитальных затрат при использовании для обогрева закрытых реакторов энергии горячих источников.
7.2. ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛКОВО-УГЛЕВОДНОГО КОМПЛЕКСА ИЗ ХЛОРЕЛЛЫ
Потребление природной биомассы хлореллы без химической обработки исключено из-за наличия в ней токсичных и аллергенных веществ
влипидной фракции. Одним из перспективных методов удаления этих веществ является перекисное окисление липидов с последующей экстракцией продуктов окисления органическими растворителями (ацетоном, этиловым спиртом).
Хлорелла – зеленая микроводоросль – богатый источник жирорастворимых витаминов, которые извлекаются органическими растворителями, но под действием пероксида водорода теряют свою биологическую активность. Для сохранения этих веществ проводят предварительную экстракцию пастообразной биомассы с содержанием влаги до 80% органическими растворителями.
Для получения белково-углеводного комплекса используют биомассу хлореллы в виде пасты после фильтрации и в виде порошка влажностью 6–8% после сушки в муфельной печи.
Впроцессе обработки продукт обогащается белком, выход которого составляет 75% исходного количества белка хлореллы. Липиды удаляются почти полностью, содержание нуклеиновых кислот снижается
в2 раза.
Белково-углеводный комплекс содержит все незаменимые аминокислоты. Исключение составляет триптофан, который в процессе обработки разлагается. По аминокислотному составу и содержанию растворимых белков полученный из хлореллы белково-углеводный комплекс занимает промежуточное положение между белками говяжьего мяса и белками пшеницы. При добавлении к 1 кг белково-углеводного комплекса 5 г триптофана можно получить сбалансированный белковый продукт.
Жирные кислоты представлены в белково-углеводном комплексе в основном пальмитиновой кислотой.
73
Основной частью экстрактов являются биологически активные вещества. Содержание каротина в экстрактах ниже его содержания в свежей хлорелле.
Окисление хлореллы с предварительной экстракцией органическим растворителем обладает рядом преимуществ перед обработкой без предварительной экстракции: сокращается продолжительность окисления и расход пероксида водорода; исключается возможность воздействия пероксида на ценные биологически активные вещества, что создает условия для более полного и эффективного использования биомассы хлореллы.
7.3.ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛКА ДРОЖЖЕЙ
7.3.1.Технология производства белка дрожжей на растительном субстрате
Вкачестве продуцентов белка используются штаммы кормовых дрожжей видов Candida skotti и Candida tropicalis. Основным субстра-
том являются гидролизаты растительного сырья, сульфитные щелоки. Технологическая схема производства белка дрожжей имеет вид:
ПОЛУЧЕНИЕ ПОСЕВНОГО |
ПРИГОТОВЛЕНИЕ |
МАТЕРИАЛА |
ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ |
ФЕРМЕНТАЦИЯ
↓
ФЛОТАЦИЯ
↓
СЕПАРИРОВАНИЕ
↓
ПЛАЗМОЛИЗ
↓
УПАРИВАНИЕ
↓
СУШКА
↓
УПАКОВКА ГОТОВОГО ПРОДУКТА
Первоначально проводят посев чистой культуры в лаборатории. При достижении содержания дрожжей 15–20 г на 1 дм3 среды проводят отбор засевных дрожжей в производственный аппарат.
74
Для приготовления питательной среды полисахариды растительного сырья гидролизуют; при подготовке сульфитного щелока проводят инверсию олигосахаридов, нейтрализацию. В углеводсодержащие субстраты добавляют источники азота, фосфора, калия.
Для проведения ферментации с целью получения наибольшего выхода дрожжей применяют одночленный ферментатор, двухчленную батарею с последовательным потоком, двухчленную батарею с парал- лельно-последовательным потоком. В ферментаторах обеспечивается непрерывная подача питательной среды, отбор суспензии, интенсивная аэрация, оптимальная температура и pH среды. Расход воздуха довольно высокий – 20–50 м3 на 1 кг сухих дрожжей. Это связано с плохой растворимостью кислорода в воде. Температура питательной среды поддерживается в пределах 32–38ºС; pH среды – 3,5–5,5. В процессе размножения дрожжей pH среды снижается, и для поддержания оптимальных условий среду подщелачивают.
В 1 дм3 дрожжевой суспензии содержится от 20 до 40 г дрожжей влажностью 75%. Влажность готового продукта должна быть не более 10%. Для уменьшения содержания влаги применяют процесс концентрирования. На большинстве предприятий получила распространение следующая схема концентрирования суспензии: флотация, сепарирование, упаривание и сушка. Схема может быть изменена в зависимости от технических возможностей каждого метода и экономической целесообразности.
Флотацию проводят на одноили двухступенчатом флотаторе до достижения концентрации дрожжей 90–120 г/дм3.
Сепарирование проводят в сепараторах с частотой вращения 4500–6000 об /мин до достижения концентрации дрожжей в суспензии
600–650 г/дм3 .
Затем суспензию подвергают плазмолизу глухим паром температурой 75–80ºС в теплообменнике в течение 30–40 мин.
Такой концентрат направляют для сгущения в вакуум-выпарной аппарат. При выпаривании температура пара поддерживается 103–105ºС, температура дрожжей – 90–100ºС.
Сушку проводят в вальцовых или распылительных сушилках до достижения содержания влаги в продукте 8–10%. Более высокое качество продукта обеспечивает использование распылительных сушилок, но они громоздкие, неэкономичные, сложные и небезопасные в эксплуатации.
Сухие дрожжи выпускают в порошкообразном виде или в гранулированном, более удобном для хранения, транспортировки и дозирования. Фасование осуществляют в бумажные мешки.
75
7.3.2. Технология производства белка дрожжей на углеводородном сырье
Основной культурой для промышленного получения белка дрожжей на углеводородном субстрате являются дрожжи вида Candida guilliermondii. В качестве основного субстрата используют жидкие н- парафины с числом углеродных атомов в цепи от 10 до 27. Технологическая схема состоит из таких же операций, что и схема производства микробного белка на растительном сырье, но исключается стадия подготовки сырья, так как предприятия, выпускающие белковый концентрат, получают с нефтеперерабатывающих заводов жидкие н-парафины, не требующие дополнительной подготовки перед подачей на биосинтез. Отсутствует процесс флотации: дрожжевая суспензия сгущается сепарированием и упариванием.
Для осуществления процесса ферментации требуется в 2–3 раза больше кислорода, чем при выращивании дрожжей на растительном субстрате, так как молекулы парафинов не содержат кислород. Жидкие н-парафины не растворимы в воде, поэтому их тонко диспергируют в культуральной жидкости путем интенсивной аэрации и перемешивания. Для выращивания дрожжей применяют ферментаторы непрерывного действия большого объема с турбоэжекторными перемешивающими устройствами. При ферментации поддерживается температура 33–38ºС, pH среды 4,0–4,5. В результате жизнедеятельности дрожжей pH среды снижается, поэтому в ферментатор подается аммиачная вода, которая одновременно служит источником азота.
По окончании ферментации дрожжевая суспензия с содержанием сухого вещества 1,4–1,7% откачивается на сепарирование. Сепарирование проводится в две стадии. В сепараторах первой группы суспензия сгущается до достижения содержания сухих веществ 4,0–6,0%. В сепараторах второй группы суспензию сгущают до достижения содержания сухих веществ 8,0–12,0%.
После сепарирования суспензию нагревают до температуры 90–95ºС и выдерживают в плазмолизаторах в течение 1 ч. Затем суспензию упаривают в вакуум-выпарном аппарате до достижения содержания сухих веществ 18–22%.
Сушку проводят в распылительных сушилках до достижения влажности готового продукта 8%.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Почему возникла необходимость изыскивать нетрадиционные источники пищевого и кормового белка?
76
2.Какие микроорганизмы используют для производства белка?
3.Каковы особенности метаболизма микроводорослей?
4.Как интенсивность освещения влияет на развитие микроводо-
рослей?
5.Какие белковые вещества накапливают в своих клетках синезеленые водоросли? Зеленые водоросли?
6.Охарактеризуйте способы выделения чистой культуры синезеленых водорослей.
7.Охарактеризуйте процесс культивирования микроводорослей в открытых установках.
8.Охарактеризуйте процесс культивирования микроводорослей в установках закрытого типа.
9.Приведите сравнительную характеристику процессов культивирования микроводорослей в установках открытого и закрытого типа.
10.Каковы возможности использования водорослевых ресурсов гидротерм Камчатки для получения кормового белка?
11.Охарактеризуйте процесс получения белка дрожжей на гидролизатах растительного сырья.
12.Охарактеризуйте процесс получения белка дрожжей на углеводородном сырье.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.Промышленная микробиология / З.А. Аркадьева и др. – М.: Высшая школа, 1989. – 380 с.
2.Баснаньян Н.А. Культивирование микроорганизмов с заданными свойствами. – М.: Наука, 1989. – 267 с.
3.Бекер М.Е, Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология. – М.:
Агропромиздат, 1990. – 335 с.
4.Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия / И.М. Грачева и др. – М.: Колос, 1992. – 375 с.
5.Жизнь растений / Под ред. Ал. А. Федорова. Т. 3. – М.: Просве-
щение, 1977. – 488 с.
6.Зайцев В.П., Ажгихин И.С., Гандель В.Г. Комплексное исполь-
зование морских организмов. – М.: Пищ. пром-сть, 1989. – 280 с.
7.Казьмин В.Д. Морская нива. – Владивосток: Дальневост. книж.
изд-во, 1980. – 136 с .
8.Непрерывное культивирование микроорганизмов / Под ред. М. Малека. – М.: Пищ. пром-сть, 1969. – 462 с.
9.Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. – М.: Мир, 1987. – 247 с.
77
8. ПРОИЗВОДСТВО ТОКСИНОВ СИНЕ-ЗЕЛЕНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ
Давно известно, что продукты метаболизма некоторых видов синезеленых водорослей могут оказывать вредное влияние на запах и качество воды и делают ее ядовитой для животных и рыб. В настоящее время доказана токсичность сине-зеленых водорослей таких родов, как Microcystic, Aphanizomenon, Anabaena, Gloeotricha, Rivularia, Nadularia.
Вопрос о токсичности сине-зеленых водорослей приобрел особую актуальность в связи с их массовым развитием в пресных водоемах и морях.
Сообщения о случаях отравления сельскохозяйственных животных массовыми скоплениями сине-зеленых водорослей появились в печати еще в конце 19 в. Первое описание подобного случая было сделано в 1878 г. и относится к оз. Александрина в Австралии, где при температуре 24–40ºС наблюдалось массовое развитие сине-зеленых водорослей Nodularia spumigena. При водопое наблюдалась быстрая гибель скота. В 1945 г. эти явления в том же озере повторились. Аналогичные случаи происходили в США в штате Миннесота, в Южной Африке.
После массовой гибели скота на водохранилище Вальдам профессор фармакологии Университета в Претории Штейн доказал токсичность развившихся в водохранилище сине-зеленых водорослей экспериментами на коровах и овцах. Он показал, что токсичны свежие, растущие водоросли. При гибели водорослей токсин выделяется в воду; при разложении массы водорослей в воде токсичность снижается.
Некоторые ученые считают, что с интоксикацией воды синезелеными водорослями могут быть связаны желудочно-кишечные расстройства, вспышка которых в 1930–1931 гг. распространялась вниз по течению рек Огайо и Потомака (США) соответственно продвижению «цветения» воды.
По литературным данным, обитающие в горячих водах Камчатки термофильные виды сине-зеленых водорослей родов Mastigocladus и Phormidium не являются токсичными.
Однако при токсикологических исследованиях природной биомассы вполне «съедобной» спирулины в ней был обнаружен токсический фактор. В литературе имеются указания на возможность детоксикации сине-зеленых водорослей с помощью тепловой обработки. Так, достаточно обработки биомассы спирулины при температуре 100ºС в течение 10 мин, чтобы она не оказывала токсического воздействия на животных.
Н.И. Кирпенко предлагает использование прибора АФ-1 для количественного определения токсинов сине-зеленых водорослей. Сущность предлагаемого им метода заключается в установлении степени угнете-
78
ния активности фермента холинэстеразы токсином водорослей. В зависимости от степени угнетения фермент с различной силой действует на субстрат – ацетилхолин, в результате гидролиза которого в инкубационную среду поступает различное количество уксусной кислоты. На конечном этапе проводят косвенное определение количества гидролизованного субстрата по выделившейся уксусной кислоте. Это определение проводится при помощи фотоэлектроколориметра по изменению цвета индикатора бромтимолового синего в среде или при помощи рН-метра по изменению рН инкубационной смеси. Для этой цели и применяют анализатор ферментативной активности АФ-1, принцип действия которого основан на измерении электропроводности инкубационной смеси, изменяющейся в процессе разложения субстрата ферментом.
Токсины некоторых сине-зеленых водорослей применяют в медицинской практике в качестве анестетиков благодаря их свойству блокировать болевые ощущения.
8.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТОКСИНОВ И СПОСОБЫ ИХ ВЫДЕЛЕНИЯ
8.1.1. Токсин Microcystis aeruginosa
Токсичность Microcystis aeruginosa изучалась канадскими исследователями Бишопом и Корхамом. По Бишопу, токсин микроцистин является нелетучей кислотой, имеющей карбоксильные группы; имеет пептидную природу. Токсин содержит 10 аминокислотных остатков таких кислот, как аспарагиновая, глутаминовая, D-серин, валин, орнитин, аланин, лейцин. В процессе дальнейших исследований Марти и Капиндаль показали, что в токсичный комплекс входят еще семь аминокислот, а именно: тирозин, треонин, пролин, глицин, аргинин, изолейцин, фенилаланин. Микроцистин хорошо растворим в воде, этиловом, бутиловом, метиловом спирте.
Марти и Капиндалем разработан метод получения микроцистина. Для его получения лиофильно высушенные клетки экстрагируют при температуре 0ºС раствором карбоната натрия и дважды – раствором бикарбоната натрия. Прозрачные, окрашенные супернатанты, полученные после центрифугирования, объединяют и вновь подвергают лиофилизации. Полученный материал многократно экстрагируют холодным н-бутанолом. Экстракты бутанола делят на 10 равных частей и каждую фракцию сгущают под вакуумом до удаления растворителя. Смолистый остаток разбавляют небольшими порциями воды и вновь центрифугируют для удаления нетоксичного коричневого не растворимого в воде остатка. Супернатант подвергают диализу через коллоидные пленки.
79
Затем диализат доводят разбавленной соляной кислотой до рН 3,0 и выпаривают в вакууме. Полученный остаток вновь экстрагируют н-бутанолом. Объединенные экстракты сгущают под вакуумом. Остаток растворяют в растворе бикарбоната аммония. Токсичную фракцию лиофилизируют до получения белого порошка.
Микроцистин оказывает сильное токсичное действие на мышей с LD500,47 мг/кг живой массы.
8.1.2. Токсин Coelosphaerium kutzingianum
Для выделения токсина целосфериевых вначале получают водный экстракт, выдерживая густую взвесь водорослей около 2 ч в термостате при температуре 50–60ºС. Затем взвесь фильтруют через складчатые фильтры, получая фильтрат густо-синего цвета в результате перехода в раствор белков фикобилинов. Полученная жидкость проявляет токсичность для молоди рыб.
8.1.3. Токсин Anabaena
Впервые токсичное действие Anabaena на животных было описано Димом и Торпом в 1939 г., затем подтверждено Олсоном в 1960 г. Альготоксин Anabaena оказался очень быстро действующим. Белые мыши, цыплята, кролики и морские свинки гибнут в течение 2, 5, 8 и 20 мин соответственно. Интоксикация животных сопровождается дрожью, слабыми конвульсиями, параличом, после чего наступает смерть.
Токсин, выделенный из Anabaena, имеет общие свойства с токсином, выделенным из Microcystis. Но токсичные начала у этих водорослей неидентичны.
Симптомы отравления, вызываемые анабенином, сходны с симптомами отравления ядом ботулизма. Анабенин – алкалоид с молекулярным весом менее 300. Он растворим в воде и этиловом спирте, не растворяется в хлороформе, ацетоне, эфире.
8.1.4. Токсин Aphanizomenon flos-aquae
Работы по выявлению токсичности Aphanizomenon flos-aquae были проведены сотрудниками Национальной морской лаборатории в США.
Было обнаружено, что токсичность водоросли повышается с увеличением возраста и плотности культуры. Значительное влияние на образование токсина оказывает температура и освещенность. Опыты показа-
80
ли, что токсин афанизоменин сохраняется внутри здоровых клеток и высвобождается только после их лизиса.
Для получения афанизоменина биомассу концентрируют центрифугированием и лиофилизируют. Затем проводят экстракцию при различных значениях рН: 2, 7, 11 при температуре 5ºС. Очистка токсина проводится путем проведения последовательных экстракций лиофилизированных клеток ацетоном, а затем этиловым спиртом.
Характерными симптомами отравления мышей афанизоменином являются прерывистое дыхание, спастические судороги, зевота, потеря координации, сильная дрожь и смерть в результате нарушения дыхания.
Афанизоменин является очень активным блокирующим агентом для нервной и мышечной ткани.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Что понимают под термином «цветение» воды?
2.Почему нередко в период «цветения» воды наблюдается гибель обитателей «цветущего» водоема?
3.Что такое альготоксины?
4.Какие виды сине-зеленых водорослей являются токсичными?
5.Охарактеризуйте сущность метода количественного определения токсинов сине-зеленых водорослей.
6.Гдевозможноиспользованиетоксиновсине-зеленыхводорослей?
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.Барашков Г.К. Сравнительная биохимия водорослей. – М.:
Пищ. пром-сть, 1972. – 336с.
2.Горюнова С.В., Демина Н.С. Водоросли – продуценты токсических веществ. – М.: Наука, 1974. – 256 с.
3.Метелев В.В., Канаев А.И., Дзасохова Н.Г. Водная токсиколо-
гия. – М.: Колос, 1971. – 247 с.
9. БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ
Человеческое общество с момента своего возникновения нарушало равновесие в окружающей среде. С развитием цивилизации стали более ощутимы пределы естественной продуктивности биосферы – истощаются природные ресурсы, источники энергии, ощущается недостаток
81
пищи, чистой воды. Загрязнение окружающей среды во многих регионах достигает критического предела. Эти проблемы во многом порождены научно-техническим прогрессом и должны решаться с использованием новейших его достижений.
Рост населения Земли требует увеличения ресурсов продовольствия. Стремление увеличить ресурсы питания приводит к быстрому ухудшению экологической ситуации в сфере сельскохозяйственного производства. Происходит истощение почвы, ее уплотнение и засорение минеральными веществами, ядохимикатами, загрязнение водоемов, продуктов питания. В результате недостатка в почве органических удобрений в последнее время наблюдается существенное снижение гумуса. На фоне недостатка гумуса в почвах снижается эффективность применения минеральных удобрений.
Создание больших животноводческих комплексов привело к загрязнению атмосферы веществами с неприятным запахом и патогенными микроорганизмами, почвы – сорняками, водоемов – патогенными микроорганизмами и гельминтами.
Индустриализация народного хозяйства связана с увеличением потребления энергии, превращением сельскохозяйственных угодий в дороги, строительные площадки, созданием крупных заводов, выбрасывающих в атмосферу и водоемы вредные вещества. Уменьшение лесных массивов в результате вырубки леса отрицательно влияет на водный режим, приводит к изменению ландшафта, уничтожению многих видов фауны и флоры, особенно в субтропических зонах, ухудшает газообмен в атмосфере и очистку воздуха. Загрязнение атмосферы диоксидом серы приводит к «кислотным дождям», атомная энергия опасна радиоактивным заражением среды в случае аварий. Строительство гидроэлектростанций связано с затоплением сельскохозяйственных угодий, уменьшением рыбных ресурсов, ухудшением самоочищения воды и рядом других последствий.
Вкрупных городах большую экологическую проблему представляют твердые и жидкие отходы. Ежедневно каждый городской житель в среднем выбрасывает 2–3 кг различных отходов, половина которых – бумага и упаковочные материалы. В Москве на свалку ежегодно вывозят 6–7 млн. т отходов, в том числе 4,5 млн. т коммунальных. Для размещения этой массы отходов в Подмосковье имеется 145 свалок; их площадь ежегодно увеличивается на 40 га, так как вокруг свалки создают санитарную зону шириной 500 м. На улицах Нью-Йорка ежегодно собирают 8 млн. т отходов, Токио – 4,5 млн. т, Лондона – 3 млн. т. Во многих приморских городах коммунальные отходы загружают в контейнеры и сбрасывают в море.
Впоследнее время в связи с химизацией сельского хозяйства в водоемы попадают в больших количествах пестициды, гербициды, дефо-
82