Химия. Экология. Биотехнология – 2015

объекту для создания новых материалов, преимущественно биомедицинского назначения. Бактериальная целлюлоза, синтезируемая бактериями, отличается от растительной целлюлозы высокой чистотой, пористостью и кристалличностью. Волокна бактериальной целлюлозы тоньше волокон растительной целлюлозы, что позволяет получать на основе бактериальной целлюлозы наноразмерные волокна и другие наноразмерные материалы.

Несмотря на перспективность использования бактериальной целлюлозы в различных сферах, в России до сих пор нет ее производства вследствие отсутствия эффективных продуцентов и разработок биотехнологии бактериальной целлюлозы на их основе.

Цель данной работы состоит в изучении условий получения бактериальной целлюлозы и их оптимизации. Для получения бактериальной целлюлозы нами была выделена культура уксуснокислых бактерий на основе «чайного кваса». С помощью данной культуры на различных питательных средах были получены образцы бактериальной целлюлозы в виде гель-пленки и хлопьеобразного материала. Как и все бактерии, синтезирующие экзополисахариды, продуценты бактериальной целлюлозы образуют целлюлозный матрикс, вероятно, для защиты и поддержания клеток на поверхности среды для контакта с воздушной средой. Мы наблюдали, что форма и размеры получаемых гель-пленок зависели от формы и размера ванны (реакцонной емкости), а толщина пленки зависела от продолжительности биосинтеза и состава питательной среды. С целью получения чистого целлюлозного материала в работе изучены способы очистки бактериальной целлюлозы от микробных клеток. Установлено, что для получения гель-пленок бактериальной целлюлозы культивирование бактерий необходимо проводить в поверхностных условиях, а для получения хлопьеобразного целлюлозного материала культивирование лучше проводить в глубинных условиях. Культивирование микроорганизмов в глубинных условиях показало, что выход целлюлозы зависит от скорости перемешивания субстрата и от расхода воздуха, подаваемого в среду культивирования. Предварительное изучение физико-химических

31

свойств полученных образцов бактериальной целлюлозы показало высокую прочность и пористость пленок, а также высокую сорбционную способность. Изучение свойств получаемой бактериальной целлюлозы продолжается. С целью снижения затратности процесса биосинтеза бактериальной целлюлозы нами продолжаются исследования по выделению продуцента бактериальной целлюлозы, по разработке оптимальных условий биосинтеза бактериальной целлюлозы на более доступных и дешевых источниках углерода – гидролизатах и щелоках предприятий ЦБК.

УДК 661.728

М.В. Постникова, И.А. Исакова

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФЕРМЕНТИВНОГО ГИДРОЛИЗА

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Наиболее распространенным природным биополимером является целлюлоза, синтезируемая высшими растениями, водорослями и некоторыми видами бактерий. Благодаря ряду ценных свойств (высокая прочность, биосовместимость и нетоксичность, биоразлагаемость, доступность) качественная целлюлоза – востребованный продукт многоцелевого назначения и стартовая основа для получения широкого спектра новых материалов, включая наноматериалы, для использования в различных областях науки и промышленности. В настоящее время вопросы изготовления разных видов наночастиц целлюлозы, их модификации и использования весьма актуальны. Уникальные свойства нанокристаллической целлюлозы, такие как большая площадь поверхности, низкая плотность, делают ее привлекательной для использования в полимерных композитах.

32

Целлюлоза является природным наноструктурированным полимером, состоящим из нанокристаллитов и некристалических (аморфных) доменов. Некристалические домены целлюлозы являются наиболее доступными при действии кислот, окислителей

инекоторых других реагентов. Благодаря наноструктуре и способности некристаллических областей легко расщепляться под действием некоторых химических реагентов создается основа для разработки технологии получения свободных наночастиц целлюлозы

иих использования в качестве наноносителя.

Интерес к изучению различных форм порошковой целлюлозы возрос в связи с получением так называемой нанофибриллярной или наноцеллюлозы, которая является разновидностью порошковой целлюлозы (ПЦ) или микрокристаллической целлюлозы (МКЦ). По сравнению со всеми известными целлюлозными материалами МКЦ имеет максимальную степень кристалличности и плотности. Наноцеллюлоза имеет сходство с обычной целлюлозой, но превосходит ее по своим универсальным качествам . Наноцеллюлоза – материал, представляющий собой набор наноразмерных волокон целлюлозы с высоким отношением сторон (длины к ширине). Типичная ширина такого волокна – 5–20 нм, а продольный размер варьируется от 10 нм до нескольких микрон. Материал обладает свойством псевдопластичности, т.е. является вязким при обычных условиях и ведет себя как жидкость при физическом взаимодействии (тряске, взбалтывании и т.п.). Его удивительные свойства позволяют создавать на его основе сверхлегкие и сверхпрочные материалы, такие, например, как аэрогель.

Наночастицы целлюлозы могут быть нанокристаллическими (нитевидные бездефектные монокристаллы – «усы») и нанофибриллярными (нитевидные частицы с чередующимися кристаллическими и разупорядоченными участками).

На наноуровне кристаллы целлюлозы являются бездефектными, вследствие чего обладают чрезвычайно высокой прочностью. Поверхность этих наночастиц химически активна и может быть модифицирована для придания им желаемых свойств, что опреде-

33

ляет широкий спектр возможных применений наноцелюлозы. Микрокристаллическую целлюлозу в промышленности (есть несколько предприятий в нашей стране) получают из хлопковой целлюлозы путем гидролитической деструкции . Известны также способы получения микрокристаллической целлюлозы из древесной беленой и облагораженной целлюлозы. Данные способы основаны на использовании дорогого сырья. Поэтому одной из главных задач исследований, направленных на разработку способов получения наноцеллюлозы, в настоящее время является отработка технологии получения наноцеллюлозы из дешевого древесного сырья. Структура и свойства и ПЦ, и КМЦ, а также получаемой из них наноцеллюлозы зависят от природного происхождения целлюлозы, из которой они получены, и условий получения.

В данной работе по получению наночастиц целлюлозы в качестве сырья использовались древесные опилки хвойных и лиственных пород. В настоящее время авторами изучается процесс получения наноцеллюлозы из древесного сырья с применением ферментативного гидролиза. Перед ферментативным гидролизом проводится предобработка сырья путем ультразвукового или механического диспергирования. Для ферментативного гидролиза выделены микроорганизмы, разлагающие целлюлозу. Дальнейшие исследования будут направлены на отработку и оптимизацию режимов ферментативного гидролиза и режимов предподготовки, а также на изучение свойств полученной наноцеллюлозы.

34

УДК 579.68

А.С. Ежова, А.В. Виноградова

БИОИНДИКАЦИЯ И БИОТЕСТИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Любая экосистема, находясь в равновесии с факторами окружающей среды, имеет сложную систему подвижных биологических связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Высокий уровень индустриализации и урбанизации имеет свои недостатки, которые отрицательно сказываются на состоянии окружающей среды. Проблема окружающей среды в настоящее время превратилась в широко распространенную идею, которая постоянно обсуждается во всем мире. В связи с этим сравнительно недавно возникло новое направление науки и прикладной биотехнологии – экобиотехнология, которая ставит перед собой задачи биомониторинга и практического решения проблем охраны окружающей среды.

Биомониторинг включает в себя такие процессы, как биотестирование и биоиндикация. Биоиндикация – это оценка качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию биоты в природных условиях. В наиболее простой форме она сводится к сравнению видового богатства, разнообразия, численности и биомассы населения в загрязненной и контрольной зонах.

Биотестирование – это метод, при котором о качестве среды, факторах, действующих на окружающую среду, судят по выживаемости и (или) продуктивности, физиолого-биохимическим или поведенческим показателям специально помещенных в эту среду организмов – тест-объектов.

35

Наиболее полно методы биотестирования разработаны для гидробионтов. Они используются для оценки загрязненности природных вод, контроля их токсичности, для решения целого ряда экологических задач. Тест-объектами оценки плодородия и загрязненности почв могут служить растения, микроорганизмы, почвенные простейшие; показатели качества почвы оцениваются также по всхожести семян, ферментативной активности и т.д.

Задачами первого этапа наших исследований являются подбор, освоение и апробация методик биотестирования проб воды и почвы, загрязненных нефтепродуктами и тяжелыми металлами, с использованием различных тест-объектов с целью разработки

вдальнейшем способа и схемы очистки этих сред.

Внастоящее время выделена и доведена до чистого состояния культура бактерий рода Azotobakter, традиционно используемая как индикатор химического загрязнения почвы.

Также освоен метод определения токсичности сред на приборе экологического контроля «Биотокс-10М». Принцип действия прибора основан на регистрации слабых световых потоков биосенсора «Эколюм» (фотобактерии) с помощью фотоэлектронного умножителя, работающего в режиме счета анодных импульсов.

Планируется начать освоение метода биотестирования с использованием планктонных ракообразных Daphnia в качестве тестобъекта.

36

УДК 544.723.2

К.А. Ощепкова, А.В. Виноградова, Е.А. Фарберова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ НА СОДЕРЖАНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭДТА С МЕДЬЮ В ВОДНОЙ СРЕДЕ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Впроцессе деятельности промышленных предприятий в России в течение суток образуется до 500 л сточных вод на душу городского населения, в связи с чем их очистка является одной из актуальнейших проблем наступившего века. Наибольшую перспективу имеют естественные и дешевые биологические методы, представляющие собой разложение органических соединений микроорганизмами. Одним из трудноудаляемым из воды загрязнителей является ЭДТА.

Вмире производится примерно до 100 000 т ЭДТА в год. Этидендиаминтетраацетат натрия применяют во многих технологических процессах для удаления (связывания) солей кальция и магния

вочень прочные комплексные соединения, например, в производстве некоторых химических реактивов, лекарственных препаратов, красителей. В результате всех этих процессов ЭДТА полностью переходит в сточные воды, где в основном находится в виде комплексных соединений и редко в свободном состоянии. Накопление ЭДТА в воде способствует переходу в растворенное состояние ионов металлов, в том числе тяжелых и токсичных. Большая часть этих комплексов проникает в грунтовые воды и водоемы, являющиеся источниками питьевой воды. ЭДТА и его комплексные соли с ионами тяжелых металлов относятся к биологически трудноокисляемым веществам, ухудшают качество питьевой воды, угрожая здоровью человека.

37

Целями настоящего исследования являются изучение деструкции микроорганизмами комплексных солей ЭДТА с медью в водной среде, определение оптимальных условий их биоразложения и исследование аккумуляции ионов меди микробными клетками.

Методом накопительных культур с последующим доведением их до «чистой» из разных источников выделены три штамма бактерий, отличающиеся наиболее активным ростом. Путем последовательного культивирования на жидкой и плотной среде Чапека с добавлением ЭДТА проведена их адаптация к данному поллютанту.

Изучение влияния ЭДТА на поведение клеток выделенных штаммов микроорганизмов проводили путем введения в жидкую культуральную среду раствора ЭДТА с концентрацией 0,1 н в различных соотношениях. Показано, что присутствие в среде 25 и 50 % ЭДТА резко замедляет или полностью ингибирует рост культур. При содержании в среде 5 и 10 % раствора ЭДТА наблюдается ингибирование в большей степени штаммов Э-2 и Э-3. При этом штамм Э-1 менее подвержен отрицательному влиянию ЭДТА в среде.

Показатели роста культур на средах с ЭДТА

Изучено влияние комплексной соли ЭДТА с ионами меди на жизнедеятельность микроорганизмов с использованием сред, содержащих различные соотношения глюкозы и комплексной соли.

В дальнейшем исследования будут проводиться в направлении изучения влияния концентраций комплексной соли ЭДТА с ионами меди на поведение микроорганизмов и изучения распределения ионов меди между очищаемой жидкостью и биомассой.

38

УДК 37.033

Ю.С. Горбунова, А.О. Лыскова, М.М. Комбарова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАРОВ ЛЕСА

ВОЗДОРОВИТЕЛЬНЫХ, ОБЩЕУКРЕПЛЯЮЩИХ

ИКОСМЕТИЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ

Средняя общеобразовательная школа № 12 г. Перми Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Растительный мир подарил человеку огромное богатство – лекарственные растения, которые всегда были источником жизни, пищи и здоровья. В сравнительно недалеком прошлом растения были почти единственным источником для приготовления лекарственных и бытовых средств.

Мы – подростки, поэтому нам необходимы оздоровительные средства как уязвимой возрастной группе. Но лекарства, производимые путем химического синтеза, имеют негативные побочные эффекты и они дорогие для большинства населения. Когда же мы сами готовим средства «зеленой аптеки», мы уверены в их качестве и безопасности.

Чтобы заготовить качественное растительное сырье и правильно выполнить средства из него, мы освоили и строго соблюдали методики работы. Предварительно мы изучили описание выбранных растений и их охраняемый статус, особенности развития, способы культивирования, сбора, обработки и хранения. Это позволило рационально и безопасно использовать сырье и сохранить численность популяции в природе.

Нами было собрано и обработано растительное сырье двадцати видов растений: соцветия, листья, молодые побеги, филлоплана. Нами было приготовлено двадцать одно средство (таблица).

39

Растения и средства, полученные из них