Характеристика и культивирование водорослей кладофора

Однако, несмотря на доказанное сходство водорослевой целлюлозы с целлюлозой высших растений по строению и свойствам, при использовании в качестве целлюлозосодержащего сырья сухих бурых водорослей известные способы получения целлюлозы оказываются неэффективными и обнаруживают невозможность воспроизведения с достаточно убедительным результатом. Причиной этого является присутствие в водорослевой клетчатке трудно удаляемых лигниноподобных веществ, которые прочно связаны с ней, а также остаточного количества альгиновой кислоты, склонной в определенных условиях к гелеобразованию, и в некоторых случаях наличие хлорофилла.В преимущественном случае осуществления способа используют бурые водоросли рода фукус.Способ получения осуществляют следующим образом.Очищенные от крупных посторонних примесей сухие бурые водоросли, преимущественно рода фукус, измельчают путем помола и просеивают. К просеянной мелкодисперсной фракции добавляют 4-6% раствор серной кислоты H2SO4 при гидромодуле 1:45-55 и нагревают при температуре кипения смеси (100-105°C) в течение 5-10 мин с использованием обратного холодильника при непрерывном механическом перемешивании.Прореагировавшую и остывшую смесь фильтруют. Осевшую на фильтре массу промывают горячей (60-70°C) водой до нейтральной реакции и подсушивают до постоянного веса. Затем к полученному твердому остатку добавляют сначала 5-10% раствор щелочи КОН, затем горячую (60-70°C) дистиллированную воду в равных количествах из расчета, чтобы обеспечить гидромодуль 1:50-60 при концентрации щелочного раствора 2,5-5,0%, и нагревают при температуре кипения смеси в течение 5-10 мин при непрерывном механическом перемешивании. Остывшую смесь фильтруют с промыванием водой. После полной фильтрации твердый остаток в фильтре, представляющий собой целевой продукт, промывают и сушат на воздухе. После высушивания получают порошок бурого цвета, который обнаруживает характерные для целлюлозы реакции: растворяется в реактиве Швейцера и образует студенистую массу целлюлозы при добавлении разбавленной кислоты к полученному раствору. Остаточное содержание лигниноподобных и других органических веществ в полученном продукте составляет не более 5-8 масс.%.Таким образом, технологические параметры предлагаемого способа обеспечивают эффективную переработку специфического водорослевого сырья с получением продукта на основе целлюлозы, содержащего остаточные количества лигнина (лигниноподобных веществ) и следовые содержания других органических веществ. Проводимые в течение 11 месяцев натурные испытания показали, что полученный целлюлозный полуфабрикат действует как эффективный наполнитель композитных полимерных материалов, служащий питательной средой для микроорганизмов, разрушающих высокомолекулярную основу, и с успехом может быть использован при производстве биоразрушаемых материалов, в частности, различного вида упаковок и тары с ограниченным сроком службы.Для более полной утилизации водорослевой массы и повышения рентабельности способа кислый и щелочной фильтраты используют для получения ценного компонента удобрения, для чего их смешивают, отделяют образовавшуюся оседающую хлопьевидную фракцию, которую промывают водой до нейтральной реакции и сушат.Немаловажным достоинством предлагаемого способа является возможность улучшения санитарного состояния захламленных залежами выброшенных на берег сухих водорослей участков морского побережья и экологической обстановки в целом[16].5.Получение нано-целлюлозыПолучения нано-целлюлозыотносится к способу получения нано-фибриллярных целлюлозных волокон из растительного сырья различного происхождения. Полученное вещество имеет широкое применение в непищевой промышленности.Нано-целлюлоза, известная также как нано-фибриллярная или нано-кристаллическая целлюлоза, или нано-фибриллярные целлюлозные волокна, используется в качестве регулятора реологии и структурообразователя (армирующего компонента) в непищевой промышленности.Известен способ получения нано-кристаллической целлюлозы, включающий первичную модификацию целлюлозного материала, в процессе которой волокна целлюлозы обрабатывают водным электролитсодержащим раствором амфотерных производных целлюлозы при температуре не менее 50°С, корректируют уровень рН в пределах 6-12, проводят обработку полученного материала в измельчителе (гомогенизаторе). В результате получают нано-целлюлозные волокна. В описанном способе используют лигнинсодержащее сырье, что затрудняет процесс очистки целлюлозных волокон, а также деионизированную воду, что требует дополнительных затрат.В качестве сырья в предложенном способе используют растительное сырье различного происхождения.Исходное сырье измельчают до получения фракции 0,1-1,5 мм, предпочтительно 0,2-1,2 мм, оптимально 0,2-1,0 мм. При размере фракции менее 0,1 мм происходит предварительное гелирование пульпы, что может привести к потере качества продукта, при размере фракции более 1,0 мм происходит неоднородная обработка пульпы из-за большого размера частиц.Технология производства включает 6 этапов: (1) Запаривание фракции с трехкратной отмывкой.Этап запаривания фракции необходим для удаления посторонних примесей, остаточных сахаров, протеинов, водорастворимых органических кислот и других органических продуктов, входящих в состав растительного сырья. Качественное запаривание обеспечивает достижение технологического результата на последующих этапах производства.(2) Первый кислотный гидролиз с трехкратной отмывкой.В процессе первого кислотного гидролиза происходит удаление пектина, протопектина и других сопутствующих веществ, подвергающихся кислотному гидролизу.Для проведения первого кислотного гидролиза используют щавелевую, соляную, азотную, серную и другие неорганические и органические кислоты, предпочтительно щавелевую кислоту, поскольку она двуосновная, обеспечивает максимальное удаление пектинов и предотвращает преждевременное разрушение волокон, а также не содержит ионов Cl-, которые при низком рН вызывают коррозию трубопроводов и оборудования, образуя проникающую водорастворимую соль.(3) Щелочной гидролиз с трехкратной отмывкой.Щелочной гидролиз необходим в основном для удаления гемицеллюлоз.При проведении щелочного гидролиза в качестве щелочного реагента используют гидроксид калия, гидроксид натрия или водный аммиак, предпочтительно гидроксид натрия по причине его низкой стоимости и высокой молекулярной активности.(4) Второй кислотный гидролиз с трехкратной отмывкой.Второй кислотный гидролиз необходим для окончательного удаления трудногидролизуемых пектинов и протопектинов.Для проведения второго кислотного гидролиза используют щавелевую, соляную, азотную, серную или другие кислоты, предпочтительно соляную кислоту, поскольку на этом этапе необходима минимизация деструктурирования практически готового продукта.(5) Первая отбелка с трехкратной отмывкой. Первая отбелка необходима для удаления красящих пигментов, окончательного удаления оставшихся гемицеллюлоз.При отбелке в качестве отбеливающего реагента используют перекись водорода, в качестве щелочного реагента - гидроксид натрия, гидроксид калия или водный аммиак, предпочтительно водный аммиак, поскольку он летуч, а это повышает степень реакционной способности перекиси водорода.(6) Вторая отбелка с четырехкратной отмывкой.Вторая отбелка необходима для обеспечения чистоты получения окончательно структурированного продукта в виде волокон.Что касается нано-целлюлозы, то она от простой целлюлозы отличается универсальностью. В обычных условиях он принимает вид жидкости и превращается в вязкий материал, что позволяет придавать ей формы суперпрочных и суперлёгких изделий. До изобретения американских учёных его распространение было сильно ограничено из-за сложности производства и высокой себестоимости[17].Профессор биологии Малькольм Браун из Техасского университета в городе Остин назвал открытие, сделанное его группой одной из самых важных за всю историю ботаники.Чтобы изготовить такое вещество в домашних условиях нужно очень много сахара, питательные вещества и бродильные чаны. Хотя исследователи нашли другой – нано-бактериальный способ, а заключается он в применении обычных водорослей зелёного цвета, воды и солнечного света, в результате генетических изменений морских водорослей, они независимо начинают выработку продуктов питания. В результате водоросли способны поглощать углекислый газ в атмосфере, уменьшая таким образом парниковый газ, очищая атмосферу и предотвращая таким образом парниковый эффект[18].ЗаключениеВодоросли являются основными генераторами органического вещества в водоемах. По мнению ученых, вклад водорослей в общее производство органического углерода на планете составляет около 80%.Таким образом, по данным работы можно сделать выводы о том, что практическая роль кладофоров в основном отрицательна. Будучи в основном прикрепленными организмами, кладофоровые сильно обрастают различные гидравлические структуры, ухудшая их показатели эффективности. Интенсивное развитие кладофоровых и других нитевидных водорослей влияет на эксплуатацию арыков, зауров, каналов и других оросительных систем.Массовое развитие видов Cladophora оказывает катастрофическое воздействие на рыболовство. Таким образом, нитевидные водоросли иногда образуют естественные слои толщиной 20-50 см. Они заглушают рост полезной мягкой растительности, и молодые рыбы запутываются в ковре этих нитей [5].Положительная роль в природе кладофоров также имеет важное значение. Представители родов Cladophora, Rhizoclonium и других выполняют важные функции в нижних биоценозах. Они служат кормом для многочисленных беспозвоночных и ценных рыб. Их роль в обогащении кислородом воды и очистка ее от различных видов загрязнения велика. Cladophorafraeta (Vahl.) Kütz были наиболее подходящими из кладофоров для биологической очистки воды и Rhizocloniumhieroglyphicum (Ag.) Kütz. Эти водоросли хорошо развиваются в условиях культивирования, они характеризуются интенсивным ростом, высокой фотосинтетической активностью и поглощающей способностью по отношению к биогенным и органическим веществам, не прирастают к стенкам биопоглотителя, они чаще всего расположены в поверхностных слоях воды и, при необходимости, их можно легко удалить из биопоглотителя[3].Использование водорослей в качестве источника промышленного сырья имеет наибольшее значение для органических веществ, экстрагированных из морских водорослей, представлено фикоколлоидами (агар, агароид, агароза, каррагенин, нори, агаропектин), альгиновая кислота и ее соли - альгинаты.Фикоколлоиды, содержащиеся в красных водорослях (Phyllophora, Anfeltsia, Gracilia, Gelidium и др.), широко используются в пищевой, кондитерской, фармацевтической, химической, микробиологической, текстильной, бумажной, косметической и других отраслях промышленности [2].Благодаря малым размерам и наивысшей воспроизводительной способности микроскопические водоросли активно используются в генной и клеточной инженерии.Способ переработки водорослей находит применение для получения наполнителей в синтетические полимеры, обеспечивающих биологическую разрушаемость полимерных композиций и необходимых при производстве материалов с регулируемым сроком службы, а также для получения целлюлозных полуфабрикатов, используемых в качестве сырья для химической промышленности, при изготовлении бумаги, картона. Таким образом, использование «залежней» водорослей для переработки является возможностью улучшения санитарного состояния участков морского побережья и экологической обстановки в целом[16].Принимая во внимание растущий интерес со стороны ученых и практиков к водорослям, в ближайшем будущем можно ожидать открытия новых уникальных органических соединений с полезными свойствами для людей и открытия новых аспектов их использования в различных отраслях народного хозяйства и медицины.В области водорослей необходимо активизировать различные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы для преодоления различных технологических барьеров, поскольку водоросли имеют потенциал для создания новых химических веществ и биологически активных соединений[22].Кроме того, применение водорослей в биотехнологическом секторе безгранично. Существует большая потребность в использовании богатого разнообразия водорослей для различных бесполезных применений. С точки зрения их применимости на рынке, водоросли являются перспективными источниками биотоплива, высокоценных молекул, нутрицевтиков и различных биоактивных метаболитов для выкапывания новых лекарств. При их эксплуатации существует потребность в общем использовании биомассы водорослей и необходимости разведки для различных потенциальных применений[21].Список литературыАвакова О.Г., Боголицын К.Г. Растительная клетчатка: структура, свойства, применение // ИВУЗ. «Лесной журнал». 2004. - №4, С.122-129.Вассер С.П., Кондратьева Н.В., Масюк Н.П. Водоросли. Справочник - Киев: Наукова думка, 1989. - 608 с.Величко И.М. Экологическая физиология зеленых нитчатых водорослей. - Киев: Наукова думка, 1982. - 196 с.Виноградова К.Л. Определитель водорослей дальневосточных морей СССР. Зеленые водоросли. - Ленинград: «НАУКА» Ленинградское отделение, 1979. – 147 с.Воронихин Н.Н. Растительный мир континентальных водоемов. - Л.: Изд-во АН СССР, 1953. - 410 с.Физиология растений / Н. Д. Алехина, Ю. В. Балнокин, В. Ф. Гавриленко и др. / Под ред. И. П. Ермакова.– Москва: «Academia», 2005. - 640 с. Зеров Д.К. Очерк филогении бессосудистых растений. - Киев: Наукова думка, 1972. - 315 с.Масюк Н.П. Морфология, систематика, экология, географическое распространение рода DunaliellaTeod. - Киев: Науковадумка, 1973. - 244 с.Топачевский А.В. Вопросы цитологии, морфологии, биологии и филогении водорослей. - Киев: Изд-во АН УССР, 1962. - 236 с.Bohlin K. Utkast till de gronaAlgernasochArkegoniaternasfylogeni. - Upsala, 1901. - 43 p.Blackman F.F., Tansley A.G. A revision of the classification of the green algae // New Phytol. - 1902. - 1, N 17. - P. 1-10.Choo K.S., Nilsson J., Peders M., Snoeijs P. Photosynthesis, carbon uptake and antioxidant defence in two coexisting filamentous green algae under different stress conditions // Marine ecology progress series May 12, 2005. – URL: [Электронныйресурс] http://www.int-res.com/abstracts/meps/v292/p127-138/(датаобращения– 26.04.2018).Christensen T. Alger // SystematiksBotanik / Eds by T. W. Bocher, M. Lange, T. Sorensen - Kopenhagen: Munksgaard, 1962. - Vol. 2, N 2. - 178 p.Fritsch F.E. Present-day classification of Algae // Bot. Rev. - 1944. - 10. - P. 233-277.Hibberd D.J., Norris R.E. Cytology and ultrastructure of Chlorarachnionreptons (Chlorarachniophytadivisio nova, Chlorarachniophyceae classis nova) // J. Phycol. - 1984. - 20, N 2. - P. 310-330.Патент № RU 2556115. Способ получения целлюлозы из бурых морских водорослей / Чадова Т.В., Здор О.А. - URL: [Электронный ресурс]http://www.findpatent.ru/patent/255/2556115.html (дата обращения - 27.04.2018).Патент № RU 2505545. Способ получения нано-целлюлозы / Левин М.Н., Левана А.М., Белозерских М.И. // ЗАО «ИЦ «Бирюч»». - URL: [Электронный ресурс]http://www.findpatent.ru/patent/250/2505545.html (дата обращения – 27.04.2018).Супер-материал из водорослей / instech.ru - Инновационные технологии. - URL: [Электронный ресурс]http://instech.ru/texnologii/2014/01/09/cuper-material-iz-vodoroslej/ (дата обращения – 27.04.2018).Wan-Loy Chu. Biotechnological applications of microalgae. - URL: [Электронныйресурс]http://seacolors.eu/images/Biotechnological_applications_of_microalgae.pdf (датаобращения 22.06.2018).Мейер К. И. О филогении зеленых водорослей (Chlorophycophyta) // Ботан. журн. - 1961. - 46, № 8. - С. 1073-1086.Промысловые водоросли и их использование. - М., 1981. - 112 с.Промышленное культивирование микроводорослей. - М.: Наука, 1985. - 155 с.