ЦИАНОБАКТЕРИЯ СПИРУЛИНА БИОМАССАСЫНЫҢ КҰРАМЫНДАҒЫ ПИГМЕНТТЕРДІ (КАРАТИНОИДТАР МЕН β -КАРОТИН) АНЫҚТАУ

Мазмұны

ЖҰМЫСТЫҢ ЖАЛПЫ СИПАТТАМАСЫ

Зерттеу тақырыбының өзектілігі: Биотехнологияны дамытудың басым бағыттарының бірі биологиялық белсенді заттардың жаңа дәстүрлі емес көздерін іздеу және зерттеу болып табылады. Цианобактериялар құнды биотехнологиялық өнімдер және олар оңай сіңетін ақуыздардан, липидтерден және полисахаридтерден басқа, А, С, Е, В дәрумендері, полиқанықпаған май қышқылдары (гамма-линолен қышқылы көп), каротиноидтар, хлорофилл, фикоцианин, сонымен қатар макро және микроэлементтер сияқты биологиялық белсенді қосылыстардың ерекше үйлесімімен сипатталады. Цианобактериялар биотехнологиялық өнеркәсіптің биоотын, био тыңайтқыштар, құс шаруашылығы мен мал шаруашылығына арналған жемшөп, сондай-ақ фармацевтикалық және косметикалық өнеркәсіпке арналған шикізат өндірісі сияқты салаларында қолданылады. Аталмыш өнеркәсіптер ішінде цианобактерияларды агротехнология саласында қолдану перспективасы ерекше қызығушылық тудырады.

«Спирулина цианобактерияларының суспензиясымен байытылған дәнді және бұршақты дақылдардың өнімділігін зерттеу: спирулина цианобактерияларының (каротиноидтар, В-каротин) биомассасының құрамындағы пигменттерді анықтау» тақырыбы бірнеше себептерге байланысты өзекті болып табылады:

Дәнді және бұршақты дақылдардың өнімділігін арттыру қажеттілігі. Әлем халқының өсуімен азық-түлікке деген қажеттілік артып келеді. Осы саладағы зерттеулер осы дақылдардың өнімділігін арттырудың жаңа әдістерін анықтауға көмектеседі.

Спирулина цианобактерияларының қоректік заттардың көзі ретіндегі маңызы. Спирулина цианобактерияларының құрамында ақуыздар, май қышқылдары мен дәрумендерді қоса алғанда, адамға пайдалы көптеген заттар бар. Дәнді және бұршақты дақылдарды осы заттармен байыту бойынша зерттеулер тағамның тағамдық құндылығын арттыруға ықпал етуі мүмкін.

Спирулина цианобактерияларының биомассасындағы пигменттерді зерттеудің маңыздылығы. Каротиноидтар мен в-каротин спирулина цианобактерияларында кездесетін негізгі пигменттер болып табылады. Спирулина цианобактерияларының биомассасындағы осы пигменттердің мазмұнын зерттеу оларды жақсарту және өндірісті оңтайландыру әдістерін жасауға көмектеседі.

Осылайша, спирулина цианобактерияларының суспензиясымен байытылған дәнді және бұршақты дақылдардың өнімділігін зерттеу, сондай-ақ спирулина цианобактерияларының биомассасының құрамындағы пигменттерді анықтау ауыл шаруашылығы мен тамақ өнеркәсібіндегі зерттеудің өзекті бағыты болып табылады.

Зерттеу жұмысының мақсаты цианобактерия спирулина суспензияларының дәнді және бұршақты дақылдардың өнімділігіне әсерін зерттеу, сондай-ақ олардың тағамдық құндылығы мен сапасын арттыру мақсатында спирулина цианобактерияларының биомассасындағы пигменттердің құрамын анықтау.

Осы мақсатқа жету үшін келесі міндеттер анықталды:

-зерттеу мәселесі бойынша әдеби дереккөздерді зерттеу;

-әр түрлі концентрациядағы цианобактериялардың спирулиналардың суспензияларын дайындау;

-цианобактерия спирулина суспензияларын қолдана отырып дәнді және бұршақты дақылдарды өсіру;

-дәнді және бұршақты дақылдардың өнімділігі мен тағамдық құндылығын анықтау;

-спирулина цианобактерияларының биомассасындағы каротиноидтар мен в-каротиннің құрамын анықтау.

Зерттеу пәні: цианобактерия спирулина суспензияларының дақылдардың өнімділігі мен цианобактерия биомассасының сапасына әсерін кешенді зерттеу процесі

Зерттеу нысаны өсімдік дақылдары мен топыраққа цианобактерия спирулина суспензияларының әсер етуінің кешенді процесі, сондай-ақ өнімнің өнімділігіне, сапасы мен қауіпсіздігіне әсер ететін параметрлерді талдау болып табылады.

Зерттеу жаңалығы: Бұл зерттеу келесі аспектілерде бірнеше жаңалықтарға ие:

Дәнді және бұршақ дақылдарының өнімділігін арттыру үшін спирулина цианобактерияларының суспензияларын қолдану. Қазіргі уақытта дақылдардың өнімділігін арттырудың әртүрлі әдістері бар, бірақ осы мақсат үшін спирулина цианобактерияларының суспензияларын қолдану әлі жақсы түсінілмеген және жаңа тәсілді білдіреді.

Спирулина цианобактерияларының биомассасындағы пигменттердің мазмұнын зерттеу. Бұл зерттеуде спирулина цианобактерияларының биомассасындағы каротиноидтар мен в-каротиннің құрамын анықтау жоспарлануда, бұл да зерттеудің жаңа аспектісі болып табылады.

Зерттеуге кешенді көзқарас. Бұл зерттеуде спирулина цианобактерияларының суспензияларын және спирулина цианобактерияларының биомассасындағы пигменттердің құрамын талдауды пайдалана отырып, дәнді және бұршақты дақылдарды өсіруді біріктіру жоспарлануда, бұл спирулина цианобактерияларының дақылдардың өнімділігіне және цианобактериялар биомассасының сапасына әсері туралы кешенді ақпарат алуға мүмкіндік береді.

Практикалық маңыздылығы. Бұл зерттеудің практикалық маңыздылығы келесідей:

Спирулина цианобактерияларының суспензияларын қолдану арқылы дәнді және бұршақ дақылдарының өнімділігін арттыру азық-түлік өндірісінің артуына және азық-түлік қауіпсіздігінің жақсаруына әкелуі мүмкін. Бұл әсіресе халық санының өсуі мен экологиялық жағдайдың нашарлауы жағдайында өте маңызды.

Каротиноидтар мен в-каротинге бай спирулина цианобактерияларының биомассасын қолдану тамақ және фармацевтика өнеркәсібінде пайдалы болуы мүмкін, мұнда бұл пигменттер тағамдық қоспалар мен дәрі-дәрмектер ретінде қолданылады. Спирулина цианобактерияларының биомассасындағы пигменттердің мазмұнын зерттеу оның каротиноидтардың көзі ретіндегі әлеуетін анықтайды.

Осы зерттеудің нәтижелерін ауыл шаруашылығында цианобактерия спирулинасына негізделген биологиялық препараттарды пайдалана отырып, дәнді және бұршақты дақылдардың өнімділігі мен сапасын арттырудың жаңа әдістерін әзірлеу үшін пайдалануға болады.

Осылайша, бұл зерттеу экономиканың және жалпы қоғамның әртүрлі салалары үшін кең практикалық маңыздылыққа ие болуы мүмкін.

І ӘДЕБИЕТКЕ ШОЛУ

1.1 Цианобактерия спируланың биотехнологиядағы маңыздылығы

Цианобактериялар-өсімдіктер сияқты фотосинтезге қабілетті микроскопиялық бактериялар тобы. Олар өздерінің пигменттерінің көк түсін қолдана отырып, фотосинтездеу қабілетіне байланысты өз аттарын алды.

Цианобактериялар туралы алғашқы деректер Қытай фармакопеясында 2000 жылдан астам уақыт бұрын табылған, онда олар дәрі ретінде қолданылған. 19 ғасырдың ортасында Генрик Қасқыр көлдер мен өзендерде табылған цианобактерияларға сілтеме жасау үшін "су гүлі" атауын ұсынды[1].

1920 жылдары Чарльз-Андре Жаннер цианобактериялардағы фотосинтезді зерттеп, олардың оттегін өндіруге, сондай-ақ жарық пен температураның төмен деңгейінде фотосинтез жүргізуге қабілетті екенін анықтады. 1960 жылдары Джон Витч пен Фрэнк Шнайдер цианобактериялардағы фотосинтезді зерттеп, олардың құрамында жарықты энергияға айналдыру үшін қолданылатын фотосинтетикалық пигменттер бар екенін анықтады[2].

Спирулина цианобактерияларын 1960 жылдары француз ғалымы Жан Леонард пен итальяндық ғалым Джорджио Мантуа ашты[3]. Олар спирулина цианобактерияларында ақуыздың жоғары мөлшері, сондай-ақ каротиноидтар, витаминдер және минералдар сияқты басқа да пайдалы компоненттер бар екенін анықтады. Цианобактерияларды XIX ғасырдың соңында неміс ғалымы Фридрих Уолтер фотосинтез жүргізуге қабілетті бактерияларды зерттеу барысында ашты. Уолтер бұл бактериялардың құрамында фикоцианиндер, спектрдің көк аймағында Жарық сіңіретін пигменттер болғандықтан көк түске ие екенін атап өтті. Әрі қарай бұл организмдер жер бетіндегі ең көне организмдердің бірі болып табылды және қатты құрғақшылық, жоғары температура және тұздылықтың жоғарылауы сияқты төтенше жағдайларда өмір сүре алады.

Спирулинаны 1940 жылдары француз ғалымы Жан Леонард балдырларды зерттеу барысында ашқан. Леонард спирулина жер бетіндегі ең ақуызға бай тағамдардың бірі екенін және оны адамдар мен жануарлардың диеталарындағы ақуыздың жетіспеушілігін жою үшін қолдануға болатынын атап өтті. Содан бері спирулина көптеген зерттеулердің тақырыбына айналды және өзінің ерекше қасиеттері мен әртүрлі салаларда әлеуетті қолданылуының арқасында ғалымдар мен өнеркәсіптің назарын үнемі аударып келеді[4].

Содан бері спирулина цианобактериялары көптеген зерттеулердің тақырыбы болды. 1970 жылдары Хирошуми Като және оның әріптестері спирулинаның иммундық жүйеге әсерін зерттеп, оның жануарлардағы иммундық жауапты жақсарта алатынын анықтады. Кейінгі жылдары оның Тамақ өнеркәсібінде ақуыздың қосымша көзі ретінде қолданылуы туралы зерттеулер жүргізілді.

Көптеген ресейлік ғалымдар цианобактерияларды және олардың биотехнологиядағы рөлін зерттеді. Мысалы, 1950 жылдары Андрей Константинович Покровский және оның әріптестері цианобактериялардағы фотосинтезді зерттеп, олардың жердегі оттегін шығара бастаған алғашқы организмдер екенін анықтады[5].

1970 жылдары Владимир Петрович Скорина зерттеу жүргізді, онда спирулина цианобактерияларында ақуыздың жоғары деңгейі бар және оларды мал азығында тағамдық қоспалар мен компоненттер ретінде пайдалануға болатындығы анықталды[6].

1990 жылдары Олег Михайлович Белов цианобактерияларды ластанған су объектілерін тазарту үшін қолдануға болатындығын анықтаған зерттеу жүргізді[6].

Бүгінгі күні көптеген ресейлік ғалымдар цианобактерияларды және олардың биотехнологияда ықтимал қолданылуын зерттеуді жалғастыруда.

Қазақстандық ғалымдардан да цианобактерияларды зерттеу және оларды биотехнологияда қолдану мәселесі бойынша көптеген зерттеулер жүргізілді. Мысалы, 2009 жылы Н.Т. Құттыбекова және оның әріптестері Қазақстан жағдайында ауыл шаруашылығы өсімдіктерінің өсуі мен дамуын жақсарту үшін Био тыңайтқыш ретінде цианобактерияларды пайдалану мүмкіндігін зерттеді[7,8,9].

Сондай-ақ, Қазақстанда ластанған су айдындарын тазарту үшін цианобактерияларды пайдалану бойынша зерттеулер жүргізілді. Мысалы, С. М. Қожахметов және оның әріптестері суды мұнай өнімдерінен тазарту үшін цианобактерияларды қолдану туралы зерттеу жүргізді[10,11].

Сонымен қатар, қазақстандық ғалымдар биоэнергия алу үшін цианобактериялардың биомассасын зерттеді. 2013 жылы А. А. Абдрахманова және оның әріптестері пиролиз әдісімен биоэнергия өндіру үшін цианобактериялардың биомассасын пайдалану туралы зерттеу жүргізді[12].

Цианобактериялардың биологиялық маңызы зор және биотехнологияда кеңінен қолданылады. Олар ақуыздарды, фармацевтикалық препараттарды, тыңайтқыштарды өндіре алады, сонымен қатар тамақ өндірісінде қолданылады.

Цианобактериялар спирулина цианобактериялардың ең танымал түрлерінің бірі болып табылады, олардың құрамында ақуыз мөлшері жоғары және басқа да көптеген пайдалы компоненттер мен каротиноидтар, в-каротин және фикоцианин сияқты пигменттердің едәуір мөлшері бар.

Биотехнологиядағы цианобактериялардың рөлі-оларды тағамдық және биологиялық белсенді заттардың көзі ретінде пайдалануға болады. Спирулина цианобактерияларының биомассасын тағамдық қоспаларды өндіру үшін, сондай-ақ мал азығындағы компонент ретінде пайдалануға болады. Сонымен қатар, цианобактерияларды топырақ пен суды биоремедиациялау үшін, экологиялық өзгерістердің көрсеткіштері ретінде, сондай-ақ биоотын мен биопластика өндірісі үшін пайдалануға болады

Спирулина цианобактерияларын агроөнеркәсіпте қолдану бірнеше бағытта болуы мүмкін. Цианобактерия спируласын келесі мақсаттарда қолдануға болады[13]:

Өсімдіктердің өсуі мен дамуын жақсартуға көмектесетін био тыңайтқыш ретінде. Спирулина цианобактерияларына негізделген био тыңайтқыштардың құрамында азот, фосфор, калий және басқалары сияқты көптеген пайдалы микроэлементтер бар, олар өнімділікті арттыруға және өнім сапасын жақсартуға көмектеседі.

Мал шаруашылығы үшін ақуыз және басқа қоректік заттардың көзі ретінде. Спирулина цианобактерияларында шамамен 60% ақуыз, сонымен қатар май қышқылдары, дәрумендер мен минералдар бар. Сондықтан жануарлардың жемінде спирулина цианобактерияларын қолдану олардың тағамдық құндылығын арттыруға және жануарлардың денсаулығын жақсартуға көмектеседі.

Тағамдық қоспалар мен тамақ өнімдерін өндіруге арналған ингредиенттердің көзі ретінде. Спирулина цианобактерияларында каротиноидтар мен фикоциандар сияқты көптеген тағамдық қоспалар бар, оларды тағамға табиғи бояғыштар мен антиоксиданттар ретінде қолдануға болады.

Сонымен қатар, спирулина цианобактерияларын косметика өнеркәсібі сияқты басқа салаларда косметика жасау үшін және медицинада диеталық қоспалар мен препараттарды өндіру үшін қолдануға болады.

Спирулина цианобактерияларын агроөнеркәсіпте қолданудың кейбір басқа аспектілері мыналарды қамтуы мүмкін:

-өсімдіктердің құрғақшылық, суық температура, топырақтың тұздылығының жоғарылауы және басқа факторлар сияқты стресстік жағдайларға төзімділігін жақсартуға көмектесетін биорегуляторлар ретінде пайдалану;

-топырақ пен суды ауыр металдар, пестицидтер, мұнай өнімдері және басқа да зиянды заттар сияқты әртүрлі ластаушы заттардан тазартуға көмектесетін биосорбенттер ретінде пайдалану.

-биогаз көзі ретінде пайдалану, өйткені цианобактериялар спирулиналар метан өндіру үшін пайдаланылуы мүмкін, оны электр энергиясын өндіруге және басқа мақсаттарға отын ретінде пайдалануға болады.

-биопластика, биоотын және басқа биоөнімдерді өндіру үшін пайдалануға болатын биомасса ретінде пайдалану.

Осылайша, спирулина цианобактерияларын қолдану агроөнеркәсіптің әртүрлі салаларында кең ауқымды қолданбаларға ие болуы мүмкін және одан әрі зерттеу мен дамыту үшін үлкен әлеуетке ие.

Осы бөлімді қорытындылау нәтижесінде спирулина цианобактерияларының суспензиясымен байытылған дәнді және бұршақты дақылдардың өнімділігін зерттеу дақылдардың өнімділігі мен сапасын арттыру қажеттілігіне байланысты үлкен өзектілікке ие деген қорытынды жасауға болады. Зерттеу топырақтың құнарлылығын жақсартудың, дәнді дақылдар мен бұршақ дақылдарының өнімділігін арттырудың және қоректік заттармен байытылған жаңа тағамдардың жаңа тиімді технологияларын жасауға әкелуі мүмкін. Аталмыш бөлімде биотехнологиядағы маңыздылығын, олардың ашылу және зерттеу тарихын және оларды әртүрлі салаларда, соның ішінде агроөнеркәсіпте пайдалануды қарастырады. Цианобактериялар мен спирулинаны, сондай-ақ осы организмдерді қолдануға байланысты патенттерді зерттеген шетелдік және отандық ғалымдардың жұмыстары қарастырылады.

1.2 Спирулина цианобактерияларының негізгі түрлері мен олардың қасиеттері

Цианобактериялар спирулина өзіне тән спираль тәрізді пішінге ие, ол белгілі бір жасушаішілік құрылымдардың - трихомалардың болуымен анықталады. Трихомалар-бұл гликокаликс деп аталатын жалпы сыртқы жабынмен біріктірілген жасушалар тізбегі. Гликокаликс цианобактерияларды қоршаған орта әсерінен қорғауды қамтамасыз етеді және әртүрлі беттерге бекіту процестеріне қатысады.

Спирулина цианобактерияларының жасушаларының ұзындығы 0,5-тен 1,5 мм-ге дейін және диаметрі 0,2-ден 0,5 мм-ге дейін. (1-сурет).

1-сурет. Спирулина цианобактерияларының пішіні

Спирулина цианобактерияларының құрылымы оны цианобактериялардың басқа түрлерінен ерекшелендіретін бірнеше ерекшеліктерге ие. Атап айтқанда, оның фикоцианобактерияларда жиі кездесетін фикобилипротеидтері жоқ. Оның орнына, Спирулин цианобактерияларында хлорофилл а көп мөлшерде болады, бұл олардың фотосинтезге жоғары қабілеттілігін қамтамасыз етеді(2-сурет).

2-сурет. Спирулина цианобактериясының құрылысы

Спирулина цианобактерияларының жалпы құрылымына трихомалар мен жасуша тоғысуларынан тұратын орталық кешен, сондай-ақ жасушалардың шетінде орналасқан пигментті антенналар кіреді. Сонымен қатар, Спирулин цианобактерияларында фотосинтез функцияларын орындайтын және энергияны сақтауды қамтамасыз ететін хроматофорлар сияқты органеллалар бар[14].

Жалпы, спирулина цианобактерияларының морфологиясы мен құрылымы олардың биологиялық қасиеттері мен биотехнологияда қолдану қабілетін анықтайтын негізгі факторлар болып табылады.

Цианобактериялардың көптеген түрлері бар, олардың әрқайсысының өзіндік морфологиялық және биохимиялық сипаттамалары бар. Цианобактериялардың ең танымал және зерттелетін түрлерінің бірі-спирулина (Спирулина), ол цианобактериялардың басқа түрлерінен келесі ерекшеліктерімен ерекшеленеді:

Пішін: Спирулина спираль немесе бұрылыс түрінде болады, сондықтан оның атауы пайда болады.

Өлшемі: спирулинаның диаметрі 0,2-ден 0,5 мм-ге дейін, ал ұзындығы 2-3 мм-ге жетуі мүмкін.

Түсі: Спирулина әдетте ашық жасыл немесе көк-жасыл түске ие.

Химиялық құрамы: Спирулина құрамында 65% - дан астам ақуыз, көптеген дәрумендер, минералдар және антиоксиданттар бар. Сонымен қатар, ол бета-каротин және ксантофилл сияқты каротиноидтарға бай.

Бұл ерекшеліктер Spirulina-ны тамақ өнеркәсібі, медицина және косметология сияқты әртүрлі салаларда зерттеу және қолдану үшін тартымды нысанға айналдырады.

Спирулинаның көптеген түрлері бар, бірақ ең танымал және кеңінен қолданылатын түрлері-Spirulina platensis, Spirulina maxima және Spirulina fusiformis болып табылады. Бұл түрлердің барлығы көк-жасыл балдырларға жатады және ұқсас морфологиясы мен химиялық құрамы болғанымен, бірақ кейбір оларға тән айырмашылықтар бар.

Спирулинаның әртүрлі түрлерінің сыртқы түрі мен морфологиясы әртүрлі болуы мүмкін, бірақ жалпы алғанда олар спираль тәрізді балдырлар, ұзындығы 0,1-ден 0,5 мм-ге дейін және диаметрі шамамен 0,003 ММ.спирулинаның өзіне тән көк-жасыл түс беретін хлорофилл а және фикобилипротеидтерді қоса алғанда, ерекше пигменттері бар.

Ұқсас көрініске қарамастан, спирулинаның әр түрінің өзіндік химиялық профилі бар. Spirulina platensis құрамында әдетте 60% - дан астам ақуыз, 20% көмірсу, 5% май және әртүрлі дәрумендер мен минералдар бар. Spirulina maxima құрамында 70% - дан астам ақуыз, 15% көмірсу, 8% май, сонымен қатар көптеген дәрумендер мен минералдар бар. Екінші жағынан, Spirulina fusiformis құрамында 50% - дан астам ақуыз, 20% көмірсу және 20% май, сонымен қатар дәрумендер мен минералдар бар[15].

Химиялық құрамдағы бұл айырмашылықтар спирулинаның әртүрлі түрлерінің тамақ және косметика өнеркәсібі, медициналық және ветеринарлық тәжірибе және т. б. сияқты әртүрлі салаларда қолдану қабілетіне әсер етуі мүмкін.

Spirulina platensis-спирулинаның ең көп таралған және ең көп зерттелген түрлерінің бірі. Оның көк-жасыл түсі, салыстырмалы түрде кішкентай өлшемі және спираль пішіні бар, бұл оған өз атын берді. Спирулинаның осы түрінің кейбір ерекшеліктері ретінде мыналар атаса болады:

Ақуыздың жоғары мөлшері: Spirulina platensis-өсімдік тектес тағамдардың ең бай ақуыз көздерінің бірі. Оның құрамында құрғақ салмағы бойынша 70% - ға дейін ақуыз бар, бұл оны тамақ өнеркәсібінде қолдануға және спортшылар мен вегетарианшыларға арналған тағамдық қоспалар ретінде тартымды етеді.

Қоректік заттардың бай көзі: Spirulina platensis құрамында май қышқылдары, каротиноидтар, дәрумендер мен минералдар бар көптеген қоректік заттар бар. Оның құрамында фикоцианин бар-күшті антиоксидант, ол оған ашық көк түс береді.

Биотехнологиядағы тиімділік: Spirulina platensis ақуыз, фикоцианин, каротиноидтар және биомассаны қоса алғанда, әртүрлі өнімдерді өндіру үшін пайдаланылуы мүмкін. Оны ластанған су ресурстарын тазарту үшін биоремедиация агенті ретінде де пайдалануға болады.

Әр түрлі жағдайларға жақсы бейімделу: Spirulina platensis көптеген жағдайла