Екологічні характеристики культурних і дикорослих каротиноносних рослин - накопичувачів вірусів та ксенобіотиків і метод отримання з них каротину

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Екологічні характеристики культурних і дикорослих каротиноносних рослин - накопичувачів вірусів та ксенобіотиків і метод отримання з них каротину

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Посилення антропогенного впливу на оточуюче середовище характеризується підвищенням рівня забруднення довкілля різноманітними чинниками, зокрема техногенними сполуками та вірусами, багато з яких небезпечні для організмів та екосистем в цілому. В зв'язку з цим, дослідження поширення фітовірусів та ксенобіотиків в екосистемах, вивчення особливостей пристосувань популяцій різних видів до дії їх несприятливого впливу, розробка методів вилучення забруднювачів з кругообігу в біосфері та захисту живих організмів - один із головних напрямів сучасних біологічних досліджень. Зокрема, для вирішення цих проблем важливу роль грає пошук і підбір рослин із ремедитаційними властивостями та дикорослих рослин - резервантів фітовірусів з метою їх використання в галузях народного господарства для виробництва біологічно-активних препаратів.

Робота присвячена обстеженню багатих каротиноїдами рослин в агро - та біоценозах різних регіонів України на вірусоносійство та вміст ксенобіотиків, з'ясуванні ролі каротиноїдів, як однієї з ланок адаптаційно - захисних механізмів різних організмів до дії несприятливих факторів довкілля та розробці оригінального методу отримання масляного концентрату каротину (МКК) із забрудненої рослинної сировини для елімінації ксенобіотиків та вірусів з кругообігу в ценозах та захисту населення від їхньої шкідливої дії.

Для досліджень обрані морква посівна (Daucus carrota L.), ремедитаційні властивості якої по відношенню до деяких ксенобіотиків добре відомі, та резервант фітовірусів - кропива дводомна (Urtica dioica L.) (Бойко, 1990; Зацерковський, 1976).

Мета та задачі дослідження. Метою досліджень було з'ясування екологічних аспектів використання представників багатих каротиноїдами культурних та дикорослих рослин в умовах ксенобіотичного і вірусного навантажень та отримання масляного концентрату каротину із забрудненої рослинної сировини, як методу елімінації забруднювачів з кругообігу в ценозах.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі задачі:

- дослідити вміст хлорорганічних хімічних сполук (ХОХС), фосфорорганічних хімічних сполук (ФОХС) та нітратів у ґрунтах та коренеплодах моркви посівної (Daucus carrota L.), відібраних з різних екологічних регіонів України;

- провести обстеження на вірусоносійство дикорослих рослин на прикладі кропиви дводомної (Urtica dioica L.), в природних умовах з різним ступенем антропогенного навантаження;

- вивчити вплив деяких хімічних сполук та фітовірусів на вміст каротиноїдів в досліджуваних рослинах;

- розробити технологію отримання МКК із забрудненої рослинної сировини з метою елімінації ксенобіотиків та фітовірусів з кругообігу в ценозах.

Об'єкт дослідження - екологічні особливості рослин як фіторемедіаторів ксенобіотиків та резервантів фітовірусів з забруднених територій.

Предмет дослідження - розробка методу елімінації ксенобіотиків та фітовірусів з кругообігу в ценозах.

Методи дослідження - аналіз усіх доступних літературних джерел по проблеми дисертації; вивчення вмісту дихлордифенілтрихлоретану (ДДТ) та його метаболітів, фосфамідів та нітратів у ґрунтах і коренеплодах моркви, зібраних у регіонах України з різним ступенем антропогенного навантаження методами екстракції, хроматографії в тонкому шарі та спектрофотометрії. Наявність вірусів на кропиві дводомній виявляли методами імуноферментного аналізу та електронної мікроскопії. Вміст сухої речовини, каротиноїдів та б-токоферолу у рослинному матеріалі визначали за загальноприйнятими методиками (Донченко, 1969; Утєвська, 1958; ГОСТ 8756.22-80).

При відпрацюванні оптимальних технологічних режимів отримання МКК використовували методи знешкодження забруднювачів шляхом обробки лугом та гострим паром, обезводнювання та подрібнення сировини, екстракції органічними розчинниками та оліями, хроматографії в тонкому шарі, спектрофотометрії.

Наукова новизна отриманих результатів. Доведено наявність дихлордіфенілтрихлоретану, дихлордіфенілдихлоретану та дихлордифенілдихлоретилену, фосфамідів та нітратів у грунтах посадок та коренеплодах моркви посівної, відібраних з трьох регіонів України з різним ступенем антропогенного навантаження та встановлено фіторемедіаційні властивості цієї культури.

Встановлена роль кропиви дводомної як резерванта фітовірусів в агроценозах та природних місцезростаннях України. Доведено, що вміст фітовірусів у кропиві дводомній підвищується під впливом антропогенного навантаження. Показано, що під впливом ксенобіотиків та вірусних інфекцій в природних умовах вміст каротиноїдів в рослинах зростає в 1,1 - 1,67 рази. Теоретично обґрунтована роль каротиноїдів в реалізації адаптаційних механізмів природних та штучних популяцій певних видів рослин до дії песимальних доз екологічних факторів.

Практичне значення одержаних результатів. Встановлена закономірність накопичення ксенобіотиків коренеплодами моркви дозволяє рекомендувати цю культуру для висіву на забруднених територіях з метою їх очистки.

Проведені дослідження по впливу хімічних сполук та вірусів на вміст каротиноїдів у рослинах дають можливість значно розширити каротиновмісну сировинну базу за рахунок забруднених рослин для використання у переробній промисловості.

Розроблений метод елімінації забруднювачів з кругообігу в біосфері дозволяє використовувати рослини з ремедитаційними властивостями щодо ксенобіотиків та резервантів фітовірусів для очистки ценозів з метою збору їх для переробки на препарати протекторного призначення, зокрема масляного концентрату каротину. Запропонована технологія відрізняється від існуючих спрощеним та скороченим технологічним процесом, підвищеним виходом каротиноїдів (до 96%) і містить ряд нових технічних рішень. Зокрема, розроблено метод елімінації ксенобіотиків та фітовірусів з кругообігу в ценозах та технологію отримання МКК із забрудненої рослинної сировини, яка має переваги перед існуючими. Дослідно - промислову лінію по випуску МКК за нашою технологією впроваджено на заводах: Чернігівському овочесушильному (м. Чернігів) та Саливінковському цукровому (ДП «Джерело») Васильківського району Київської області. На дослідно-промислову партію МКК з рослинної сировини в установленому порядку розроблено та затверджено науково-технічну документацію.

Матеріали, отримані під час дослідження, використовують при викладанні спецкурсу «Екологія вірусів» та проведення практичних і семінарських занять на кафедрі вірусології Київського національного університету ім. Тараса Шевченка.

Особистий внесок здобувача. Напрямок досліджень запропонований науковим керівником, а виконання цілком належить здобувачу. Зокрема, самостійно здійснені інформаційний пошук та аналіз літературних даних, розроблені робочі гіпотези та обґрунтована методологія постановки експериментів, виконані експериментальні дослідження, узагальнення результатів та формулювання висновків. В опублікованих у співавторстві роботах біохімічні та вірусологічні дослідження виконані дисертантом особисто; частина технологічних розробок виконана у співавторстві; права співавторів не порушені.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у межах науково-дослідної роботи кафедри вірусології біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка за темами: «Дослідити закономірності патогенезу фітовірусних інфекцій з метою раціонального використання природних ресурсів», держбюджетна тема 97089 (номер державної реєстрації 0197U003157) та «Моніторинг збудників вірусних інфекцій з метою розробки наукових основ екологічно чистих технологій вирощування сільськогосподарських культур», держбюджетна тема 01БФ036-01 (номер державної реєстрації 0101U005076).

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення та висновки дисертації були представлені на ІІІ Міжнародній конференції «Біоресурси та віруси», (Київ, 2001); Міжнародній науково-практичній конференції «Новые технологии получения и применения биологически активных веществ», (Алушта, 2002); Всеукраїнській науково-практичній конференції молодих вчених «Перспективные направления развития сельскохозяйственной науки и производства в Украине», (Сімферополь, 2002) та науковому семінарі кафедри вірусології Київського національного університету імені Тараса Шевченка (2003).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 робіт, з яких 4 - статті у фахових наукових виданнях, 1 - патент, 3 - в матеріалах конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, огляду літератури, 2 розділів власних досліджень, узагальнення, висновків, списку літератури. Загальний обсяг - 120 сторінок, включаючи 15 таблиць і 15 рисунків (2 з них - фотографії). Список використаної літератури містить 184 джерела, з яких 60 - роботи іноземних авторів.

Основний зміст роботи

каротиноїд хімічний дикорослий екологічний

Огляд літератури

Ксенобіотики як екологічний фактор. Аналіз літературних даних свідчить, що ксенобіотики при потраплянні до природних екосистем та агроценозів мігрують по ланцюгам живлення, певним чином впливаючи на популяції різних видів (Мусіяка, 2001; Мусієнко, 2001). При цьому значна частина рослин забруднена різними небезпечними для здоров'я хімічними сполуками в дозах, які перевищують відповідні показники максимально допустимого рівня, і не може бути безпосередньо використана в харчовій та кормовій промисловостях. Тому дослідження, спрямовані на пошук рослин, що добре акумулюють ксенобіотики, з метою їх висіву на забруднених територіях та наступною переробкою на препарати та добавки лікувально-профілактичного та захисного призначення, мають важливе значення для забезпечення стабільності екосистем.

фітоценотичні особливості та ураженість вірусами каротиновмісних видів родини кропив'яних (Urticaceae) та звіробійних (Hypericaceae). Відомо, що адвентивні рослини з родин кропив'яних та звіробійних - носії збудників ряду вірусних захворювань, що визначає участь цих видів у циркуляції фітовірусів в екосистемах (Бойко, 1990). Вони становлять потенційну небезпеку як природні осередки збудників ряду небезпечних вірусних інфекцій культурних рослин.

Вплив ксенобіотиків та вірусних інфекцій на фізіологічні процеси в рослинних клітинах. Різними вченими (Schljsserova, 1992; Almasi, 1996; Oyama, 1999) встановлена участь каротиноїдів в процесах адаптації рослин до впливу екстремальних доз екологічних факторів, зокрема, ксенобіотиків та вірусних інфекцій. Проте фізіологічні механізми цього явища та їхній звязок із екологічними особливостями рослинного організму в цілому вивчені далеко не повністю.

Роль каротиноїдів у формуванні захисних реакцій організмів людини і тварин у відповідь на несприятливі дози еколоічних факторів. Відомо, що каротиноїди рослин мають екопротекторні властивості (Горчакова, 2000; Goodwin, 1984). Застосування їх препаратів з лікувально - профілактичною метою дасть можливість зменшити пестицидне та інше шкідливе навантаження екзогенних чинників на організми тварин і людей та сприятиме захисту генофонду природних популяцій, порід тварин та людських спільнот.

Матеріали і методи досліджень

Були використані стандартні реактиви для визначення накопичених в рослинах та ґрунті ксенобіотиків, вмісту каротиноїдів, імуноферментного аналізу вірусних антигенів та виготовлення препаратів для електронної мікроскопії.

Об'єктами досліджень були морква посівна (Daucus carota L.) сорту Шантане та кропива дводомна (Urtica dioica L.). Зразки листя кропиви дводомної з різним ступенем інфікованості вірусами, встановленим за зовнішніми симптомами відбирали в агро - та природних біоценозах Київської та Житомирської областей відповідно рекомендаціям (Мінарченко, 2002). Зразки моркви та ґрунтів під її посівами відбирали в трьох природних зонах. Добір зразків ґрунту та їхній аналіз здійснювали згідно відповідних норм (Кауричев, 1980).

Сумарний вміст у ґрунтах та коренеплодах моркви дихлордіфенілтрихлоретану, дихлордіфенілдихлоретану та дихлордифенілдихлоретилену визначали методом тонкошарової хроматографії, а хлорорганічні сполуки екстрагували за відомою методикою (Клисенко, 1983).

Ідентифікація вірусної інфекції проводили методами імуносорбентної електронної мікроскопії та імуноферментного аналізу (Миронов, 1994; Гнутова; 1993).

Вміст сухих речовин у коренеплодах моркви та листі кропиви дводомної визначали методом висушування наважки (Утєвська, 1958). Визначення каротиноїдів у рослинній сировині та МКК проводили спектрофотометрично за загальноприйнятими методиками (Донченко, 1969). Рослинну сировину зберігали у сухому темному місці при температурах + 4є С та кімнатній. МКК зберігали у сухому темному місці при температурі + 4є С.

Отримані експериментальні дані обробляли статистично (Лакин, 1980).

Результати досліджень

Екологічні характеристики культурних і дикорослих каротиноносних рослин як накопичувачів вірусів та ксенобіотиків.

В результаті проведених експериментальних досліджень були визначені ступені забрудненості грунтів ДДТ та його метаболітами, фосфамідами та нітратами під посівами моркви сорту Шантане в межах трьох природних зон України.

Вміст ксенобіотиків у коренеплодах моркви різних природних зон України.

Згідно отриманим даним по забрудненості ґрунтів трьох природних зон України під посівами моркви, проведені відбір зразків коренеплодів цієї культури з 12 агроценозів в межах цих зон та їхній аналіз на вміст ДДТ і його метаболітів, фосфамідів та нітратів. Зокрема встановлено, що морква добре адсорбує вказані хімічні сполуки з ґрунту, а їх вміст в коренеплодах коливається в досить широких межах. Слід відзначити, що на декількох територіях відразу виявлено всі досліджувані ксенобіотики.

Виявлення методом імуноферментного аналізу вірусних антигенів в рослинах кропиви дводомної. Найбільш поширеними виявились антигени до вірусів тютюнової мозаїки (Tobamovirus) - 82%, жовтяниці буряку (Closterovirus) - 50% та до У-віруса картоплі (Potyvirus) - 46%. Значно менше було виявлено рослин, які мали антигени до вірусу в'янення томатів (Tospovirus) - 35%. На діаграмах (рис. 3; 4) коефіцієнт перерахунку з відносних одиниць у відсотках складає 2,13, тобто, дані імуноферментного аналізу повністю співпали з такими імуносорбентної електронної мікроскопії.

Отримані дані свідчать про високу екстенсивність інфекції популяцій кропиви дводомної фітовірусами, що доводить резерваційні властивості цих рослин. Показано, що ступінь антропогенного навантаження позитивно корелює з показниками ураженості вірусними інфекціями дикорослих рослин.

Вплив ксенобіотиків та вірусної інфекції на вміст каротиноїдів у рослинній сировині. Результати аналізу вмісту нітратів, фосфамідів, ДДТ та його метаболітів у коренеплодах моркви сорту Шантане, яка була вирощена в подібних мікрокліматичних умовах і на одному типі грунтів в межах різних природних зон показали, що ДДТ та його метаболіти істотно впливають на деякі біохімічні показники коренеплодів моркви. Зокрема, в межах досліджених природних зон виявлене достовірне зниження вмісту сухої речовини та збільшення - каротиноїдів на 50 - 67%.

При збільшенні вмісту фосфамідів вище максимально-допустимого рівня у коренеплодах моркви зростає також частка каротиноїдів на 36 - 47%; нітратів - на 29 - 37%. Під впливом інфікованості вірусами кропиви дводомної вміст каротиноїдів в ній збільшується на 10-20%. У всіх випадках відмічене паралельне зниження частки сухої речовини в рослинах.

У листі кропиви, зібраному на добре освітленій ділянці, вміст каротиноїдів дещо вищий, ніж у рослин, зібраних у затінку. Цей ефект підтверджений літературними даними про інші види рослин (Guillot-Salomon, 1991; Quinn, 1983).

Нами встановлена закономірність, яка свідчить, що під впливом песимальних доз різноманітних екологічних факторів (температура, освітленість, недостатність вологи, ксенобіотики, інфікованість вірусами) пригнічуються біосинтетичні процеси, знижується вміст сухої речовини, та проявляються захисні реакції рослин, зокрема зростання вмісту каротиноїдів. Такий висновок відповідає літературним даним про подібні зміни відповідних показників інших видів рослин (Guillot-Salomon, 1991; Quinn, 1983; Ермаков, 1981).

Таким чином, обстежені коренеплоди моркви, забруднені певними хімічними сполуками на рівнях, що перевищують максимально допустимий рівень, та зелена маса кропиви дводомної, вражена вірусами, виявилися багатими джерелами каротиноїдів і можуть бути використаними у переробній промисловості для виробництва різноманітних препаратів останніх, зокрема МКК.

Вивчення стабільності вмісту каротиноїдів у забрудненій рослинній сировині в процесі її зберігання. В літературі практично відсутні дані по вивченню впливу ксенобіотиків та вірусів сільськогосподарських та дикорослих рослин на зниження вмісту каротиноїдів за час зберігання. Вміст каротиноїдів у сировині визначали відразу після її відбору та через 45, 90 та 270 діб зберігання (рис. 5; 6).

На підставі отриманих результатів можна зробити деякі практичні висновки. Рослинну сировину, призначену для промислової переробки на препарати каротиноїдів, слід зберігати у темному сухому місці при температурах не вище + 4є С. За цих умов коренеплоди моркви, що містять ксенобіотики, бажано використати протягом 90 днів, а висушені зелені частини інфікованої вірусами кропиви дводомної - 270 днів.

Розробка отримання масляного препарату каротину з рослинної сировини, забрудненої ксенобіотиками та враженої вірусами. Існуючі методи отримання МКК мають ряд суттєвих недоліків як у технологічному плані, так і в тому, що передбачають використання тільки незабрудненої сировини. Це значно звужує сировинну базу і підвищує собівартість кінцевого продукту. Тому нами розроблений оригінальний метод отримання МКК, який значною мірою усуває вказані вади. Основні етапи цього процесу (підготовка та інспекції сировини, обезвожування, екстракції та виділення кінцевого продукту) нами суттєво вдосконалені.

Етап підготовки та знешкодження забруднювачів у сировині. Нами після стадії подрібнення введено стадію попередньої обробки сировини гідроксидом натрію або калію у вигляді порошку з наступною дією гострого пару для звільнення сировини від хлорорганічних хімічних сполук, фосфорорганічних хімічних сполук та руйнування компонентів віріонів. Крім цього, попередня обробка подрібненої рослинної сировини порошком лугу руйнує протеїно - ліпідний комплекс, підвищує вихід каротиноїдів, скорочує час екстракції і частково обезвожує сировину, як це було застосовано при отриманні убіхінону з рибних відходів (Донченко, 1988).

Умови обезвожування сировини. Внаслідок порівняння різних методів обезвожування (два варіанти отримання коагуляту та висушування) нами встановлено, що найкращі результати дає метод висушування, який і використали в своїй роботі.

Підбір оптимальних умов екстракції каротиноїдів рослинною олією. Запропоновано тонке подрібнення сухої сировини до частинок розміром 30 - 100 мкн та значне підвищення швидкості руху екстрагенту. Для цього процеси екстракції та тонкого подрібнення висушеної рослинної сировини об'єднані в один етап гомогенізації. При інтенсивному перемішуванні матеріалу з екстрагентом відбувається безперервне видалення поверхневого шару частинок і, в цілому, значне прискорення (екстракція здійснюється практично миттєво) та спрощення технологічного циклу.

Відокремлення МКК від рослинного порошку. В результаті виконаних досліджень розроблений спосіб відокремлення МКК від жмихів, який складається з двох етапів:

1) пресування при кімнатній температурі на фільтр - пресі;

2) остаточне віджимання залишків каротинової олії із жмихів на термопресі.

Розроблений спосіб дозволяє скоротити технологічний цикл, збільшити концентрацію каротиноїдів у кінцевому продукті, підвищити їх вихід до 94 - 96%, отримати побічний продукт (порошок із вмістом рослинної олії не більше 4%), придатний для використання в різних галузях народного господарства, зокрема, харчовій та кормовій промисловостях та знизити собівартість МКК.

Оптимальні умови зберігання МКК. Нами встановлено, що в отриманих препаратах вміст каротиноїдів стабільний протягом перших 6 місяців зберігання, а на 9-му місяці виявлене незначне зниження їх вмісту в збіднених вітаміном Е зразках. Найтриваліший термін зберігання мають препарати з максимальним вмістом цього вітаміну. Тому для виробництва МКК можна рекомендувати нерафіновані олії, найкраща з яких - соєва. У цьому випадку гарантійне збереження МКК можливе протягом року.

Опис технологічного процесу отримання МКК із забрудненої рослинної сировини. Розроблено технологію отримання МКК з рослинної сировини, яка забруднена різними техногениими сполуками та вражена вірусами. Основні етапи технологічного процесу наведені на рис. 7.

Підсумовуючи отримані наукові результати необхідно зазначити, що неконтрольоване потрапляння різних сполук переважно техногенного походження в навколишнє середовище є важливою екологічною проблемою. Вони накопичуються в організмах, зокрема в дикорослих та культурних рослинах, та спричинюють різні переважно мало вивчені впливи на ці рослини та екосисеми в цілому. Багато із цих речовин токсичні для людини та свійських тварин, тому питання розробки технологій їх вилучення із рослинної сировини є першорядним завданням технічної екології. Все вище зазначене значною мірою стосується також різних вірусних захворювань рослин.

Аналіз літературних даних по акумуляції та колообігу різноманітних техногенних сполук і поширенню фітовірусів в біосфері показав загалом негативний вплив на екосистеми вказаних чинників (Барабой, 1991; Бойко, 2001; Чопик, 2002). Встановлено, що каротиноїдам належить важлива роль у виробленні механізмів резистентності та збереженні гомеостазу рослин до екстремальних доз екологічних факторів (Горчакова, 2000; Порошенко, 1995; Sebrell, 1987). З другого боку, дані про вплив техногенних сполук та вірусних інфекцій на вміст в рослинах каротиноїдів фрагментарні і суперечливі, а методи елімінації цих чинників з біогенного колообігу залишаються практично не розробленими (Безсонова, 2000; Schljsserova, 1992).

Дана робота присвячена обстеженню багатих каротиноїдами рослин в агро - та біоценозах різних регіонів України на вірусоносійство та вміст ксенобіотиків, з'ясуванню ролі каротиноїдів, як однієї з ланок адаптаційно-захисних механізмів різних організмів до дії екстремальних доз екологічних факторів та розробці оригінального методу отримання масляного концентрату каротину із забрудненої рослинної сировини для елімінації ксенобіотиків та вірусів з кругообігу в ценозах та захисту населення від їхньої шкідливої дії.

Проведено обстеження культурного (морква посівна) та дикорослого (кропива дводомна) видів рослин-каротиноносів в штучних та природних екосистемах. Досліджені агроценози під посівами моркви cорту Шантане в трьох природних зонах України (Полісся, Лісостеп, Степ) з різним ступенем антропогенного навантаження по різним забруднювачам - ДДТ та його метаболіти, фосфаміди і нітрати. Обстеження кропиви дводомної проводили в місцезростаннях з різним ступенем антропогенного навантаження.

Встановлено, що нерівномірність накопичення ксенобіотиків в грунтах та коренеплодах моркви залежить від ступеня промислового забруднення. Зокрема, морква інтенсивно вбирає з грунту ДДТ і його метаболіти, фосфаміди та нітрати, тому її можна рекомендувати для висіву на забруднених ксенобіотиками територіях з метою їх очистки. Фіторемедіаційні властивості моркви посівної також встановлені стосовно інших ксенобіотиків (Клисенко, 1983).

Кропива дводомна в агроценозах інфікована вірусами істотно вище, ніж в природних місцезростаннях, що свідчить про позитивну кореляцію ступеню антропогенного навантаження з цим показником.

Проведені дослідження свідчать про високий ступінь забруднення техногенними сполуками та інфікованості вірусами рослин агро - та біоценозів в різних регіонах України.

Аналіз літературних даних показав, що різноманітні екологічні фактори (температурний та водно-сольовий режими, акумуляція техногениих сполук та радіонуклідів, вірусні інфекції тощо) викликають зміни в кількісному складі каротиноїдів рослин. Єдиної думки щодо закономірностей змін кількості каротиноїдів у рослинах під впливом різних факторів довкілля не існує. Результати наших польових та лабораторних досліджень показали, що під впливом ДДТ і його метаболітів, фосфамідів, нітратів та вірусних інфекцій вміст каротиноїдів істотно зростає на фоні зниження відсотку сухої речовини у коренеплодах моркви та в листках кропиви дводомної. Встановлена закономірність має нелінійний характер, тобто при збільшенні концентрацій забруднювачів вміст каротиноїдів у рослинах зростає меншою мірою. Ймовірно, що в цих умовах на фоні пригнічення біосинтетичних процесів основних органічних сполук (зниження вмісту сухої речовини) біосинтез каротиноїдів продовжує відбуватися, але до певної межі, про що свідчить нелінійний характер цього процесу. Можна зробити припущення, що під впливом все більш високих доз ксенобіотичного та вірусного навантажень, вміст каротиноїдів у рослинах зрештою почне знижуватися. Ця думка підтверджується даними лабораторних досліджень, проведених іншими вченими, які довели, що під впливом високих доз фосфорорганічних хімічних сполук, хрому, вірусів вміст каротиноїдів у рослинах знижується (Мерзляк, 1988; Takagi, 1990). Отже, отримані нами дані підтверджують участь каротиноїдів в адаптаційно-захисних механізмах рослин до дій несприятливих доз екологічних факторів.

Встановлена наявність кількох механізмів впливів техногенних сполук та вірусних інфекцій на рослини, але загально визнано, що взаємодія рослина-фактор здійснюється в основному через клітинні мембрани. Ці чинники здатні змінювати структурно-функціональні особливості мембран, зокрема - ушкоджувати мембранні системи безпосередньо при фізико-хімічних взаємодіях чи опосередковано через блокування реакцій біосинтезу білків, ліпідів, пігментів тощо.

Захисні функції каротиноїдів у рослинній клітині пояснюють їхніми антиоксидантними та фотопротекторними властивостями, здатністю стабілізувати та оптимізувати рухомість мембранних структур. Про універсальність захисної функції каротиноїдів, яка притаманна клітинам усіх організмів, свідчить факт, що ці біологічно активні сполуки, крім рослин, в яких вони синтезуються, виконують подібну роль і в клітинах організму тварин і людей, для яких слугують незамінними компонентами живлення. Механізми здійснення захисних функцій каротиноїдів в клітинах усіх організмів практично однакові. Відомо, що в умовах дії несприятливих доз екологічних факторів у клітинах порушується гомеостатична рівновага, змінюється стан пероксидно-антиоксидантної системи мембран (Горчакова, 2000; Левицкий 1996). Рухома рівновага між пероксидним окисненням ліпідів та активністю антиоксидантної системи притаманна клітинам усіх організмів. Будь - яка зовнішня дія викликає посилення вільнорадикальних процесів та зсув рівноваги в бік активації пероксидного окиснення ліпідів в клітині. Вважають, що ця активація є однією з перших неспецифічних ланок загальної стрес-реакції та ініціює механізми захисту залежно від характеру конкретного екологічного фактора (Тарчевский, 1992; Мерзляк, 1988). Здійснення такої активації відбувається за участю каротиноїдів, антиоксидантні та мембраностабілізуючі функції яких загальновідомі. Тому зрозуміло, чому рослини під впливом ксенобіотичного та вірусного навантажень продовжують інтенсивно синтезувати каротиноїди на фоні пригнічення інших біосинтетичних процесів. Виходячи з цього, обгрунтовані рекомендації по збільшенню в 2 - 3 рази добових доз прийому препаратів каротиноїдів натурального походження для населення, що проживає в техногенно забрудненому середовищі (Букин, 1993; Levenson, 1999).

На підставі результатів власних досліджень по збільшенню вмісту каротиноїдів у рослинах під впливом техногенних сполук та вірусних інфекцій та аналізу даних літератури по розшифровці молекулярних механізмів їх антиоксидантних та екопротекторних властивостей в організмах людей і тварин можна зробити висновок про роль каротиноїдів, як однієї з ланок адаптаційно-захисних механізмів організмів до дії несприятливих факторів навколишнього середовища. Ця закономірність, сформульована і теоретично обгрунтована нами, є певним кроком у розвитку екологічних досліджень організмів та екосистем в умовах техногенних навантажень.

Для території України нами вперше встановлено, що морква посівна слугує фіторемедіатором певних техногенних сполук, а кропива дводомна - резервантом фітовірусів. Крім цього, обидві рослини є багатими джерелами каротиноїдів, вміст яких істотно зростає в умовах ксенобіотичного та вірусного навантажень. На основі цих фактів нами розроблений оригінальний метод елімінації техногенних сполук та вірусних інфекцій із біогенного колообігу. Він полягає у висіві культурних рослин із фіторемедитаційними властивостями на забруднених територіях з метою їх очистки та зборі дикорослих видів-резерваторів фітовірусів як сировини для промислового виробництва препаратів каротиноїдів. Нами розроблений дешевий і достатньо ефективний процес по знешкодженню широкого спектру забруднювачів у рослинній сировині та збереженню вмісту каротиноїдів при її довготривалому зберіганні. Після 2-х годинного обробітку подрібнених коренеплодів моркви 2%-ним порошком лугу з одночасною дією гострого пару (+ 100⁰ С) у всіх досліджуваних зразках сировини не виявлено жодної із накопичених техногенних сполук. За даними літератури високі температури, вібрація та лужна реакція середовища деструктуризують віріони. Тому, на наш погляд, запропонований метод достатній для знешкодження вірусів.

Розроблена технологія отримання масляного концентрату каротину є практично безвідходною та універсальною стосовно рослинної сировини. Вона містить ряд нових технічних рішень (Постоєнко, 2002). Дослідно-промислову лінію за цією технологією впроваджено на двох підприємствах України (ТУУ 18.185-94, 1994). Згідно технічних умов, масляний концентрат каротину рекомендований як харчова добавка лікувально-профілактичного призначення для населення, що проживає в екологічно несприятливих умовах довкілля.

Висновки

Вивчені властивості двох видів багатих каротиноїдами рослин (морква посівна та кропива дводомна) як накопичувачів ксенорбіонтів та фітовірусів в різних регіонах України, доведена можливість їх використання для очищення забруднених ксенобіотиками грунтів.

Кропива дводомна відіграє важливу роль як резервант фітовірусів в агроценозах та природних місцезростаннях України; вміст фітовірусів істотно зростає під впливом антропогенного навантаження.

Коренеплоди моркви інтенсивно накопичують хлорорганічні, фосфорорганічні сполуки та нітрати з грунтів, тому ця культура може бути використана для фіторемедіації забруднених цими ксенобіотиками грунтів. В умовах штучних місцезростань існує пряма залежність накопичення каротиноїдів у коренеплодах моркви від вмісту забруднювачів у грунті.

Досліджені хімічні сполуки та вірусні інфекції сприяють накопиченню каротиноїдів у рослинах, що визначає перспективу використання забрудненої каротиновмісної сировини у виробництві. Каротиноїди відіграють помітну роль в розвитку адаптацій моркви посівної та кропиви дводомної до змін навколишнього середовища.

Розроблена та впроваджена у виробництво оригінальна безвідходна технологія отримання масляного концентрату каротиноїдів, яка характеризується універсальністю стосовно рослинної сировини і вилученням широкого спектру забруднювачів із останньої.

Рекомендації у виробництво

Розроблена екологічно безпечна система трансформування каротиноїдів із забрудненої сировини до масляного концентрату.

Впроваджено дослідно-промислову лінію виробництва масляного концентрату каротиноїдів за оригінальною технологією на двох заводах: Чернігівському овочесушильному (м. Чернігів) та Саливінківському цукровому (ДП «Джерело», Київська область, Васильківський район).

Масляний концентрат каротину запропоновано як харчову добавку лікувально - профілактичного призначення для населення, що проживає в несприятливих умовах (згідно ТУ на МКК).

Список публікацій за темою дисертації

1. Постоєнко О.М. Визначення вмісту каротину у моркві, відібраній з різних екологічних регіонів України. // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Сер. Біол. - 2001. - №34. - С. 60-61.

2. Постоєнко О.М., Постоєнко В.О., Бойко А.Л. Технологія отримання препарату каротину з рослинної сировини, враженої вірусами. // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Сер. Біол. - 2001. - №35. - С. 5-6.

3. Постоєнко В.О., Постоєнко О.М., Бойко А.Л. Каротиноїди з кропиви // Захист рослин - 2002. - №9. - С. 17.

4. Постоєнко О.М., Постоєнко В.О. Спосіб одержання масляного концентрату каротиноїдів з моркви, яка забруднена ксенобіотиками. // Сб. науч. трудов Крымского аграрного университета - Симферополь: Таврия, 2002. - вып. 72. - С. 119-123.

5. Постоєнко В.О., Постоєнко О.М., Бойко А.Л., Кучеренко М.Є. Спосіб одержання масляного концентрату каротиноїдів з рослинної сировини. - Заявка на патент №2002108069-10.10.2002.

6. Постоєнко О.М., Постоєнко В.О. Технологія отримання препарату каротину рослинного походження та його антипатогенна дія // Мат.-ли ІІІ Міжн. конф. «Біоресурси та віруси», Київ, 2001. - С. 53.

7. Постоенко В.А., Постоенко Е.М., Бойко А.Л. Технология получения масляного экстракта каротиноидов из растительного сырья пораженного вирусами. // Тез. докл. Международ. науч.-практ. конф. «Новые технологии получения и применения биологически активных веществ». - Алушта, 2002. - С. 84.

Размещено на Allbest.ru