Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Биологическая активность природных минералов 6
1.2. Взаимодействие минералов с микроорганизмами 14
1.3. Минералы и микроэлементы в спиртовом производстве ... 20
1.4. Заключение по литературному обзору 24
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Объекты 27
2.2. Методы 27
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Влияние природных цеолитов на физиологические характеристики Saccharomyces cerevisiae 34
3.2. Влияние природных цеолитов на морфологические характеристики Saccharomyces cerevisiae 50
3.3. Адсорбция Saccharomyces cerevisiae на природном цеолите .. 66
3.4. Разработка метода получения иммобилизованных дрожжевых клеток на природном цеолите 73
3.5. Применение природных цеолитов в бродильных производствах 79
3.6. Обсуждение результатов 83
ВЫВОДЫ 100
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 101
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Биологическая активность природных минералов
- Объекты
- Влияние природных цеолитов на физиологические характеристики Saccharomyces cerevisiae
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из задач, поставленньж перед сельским хозяйством, а в зоне радиационно-неблагополучной в особенности, является поиск резервов повышения урожайности зерновьж культур, в частности пшеницы без прессинга пестицидов. Донные отложения и поймы бассейнов рек Исеть и Теча имеют высокое содержание радиоизотопов, которые с подземными водами мигрируют,'попадают в колодцы, распространяются с кормами и навозом на поля. Здесь содержание Sr и Cs довольно высокое и на таком фоне расположено землепользование СПК «Заря» Далматовского района.
Интенсификация растениеводства в свое время вызвала негативные изменения не только в технологии возделывания, но и в окружающей среде. Немаловажным фактором, диктующим необходимость экологизации технологий/является чрезмерное насыщение севооборотов в основном злаковыми культурами и монокультура, внедрение различных приемов минимальной обработки почвы, применение большого количества удобрений и пестицидов, что привело к значительным изменениям в распространенности и вредоносности патогенных организмов, без борьбы с которыми вырастить хороший урожай сегодня стало практически невозможно. В связи с этим здесь нужна альтернатива химическому методу - беспестицид-ные технологии.
Цель исследований. Основной целью исследований являлась разработка организационных и агротехнических методов защиты пшеницы от заболеваний зерна и корневой гнили в реабилитационной зоне Курганской области, поскольку этот вопрос в настоящее время слабо изучен.
Задачи исследований. 1. Изучить особенности патологического процесса в зоне реабилитации и изыскать эффективные и безопасные организационные методы борьбы с чернотой зародыша; 2. Изучить географическое распределение видов грибов-возбудителей заболевания семян; 3. Выяснить и практически использовать дифференцирующую роль несовершенных грибов с целью улучшений качества семенного материала; 4. Разработать новые методы картирования фитосанитарной обстановки на конкретном поле с целью внедрения эффективных и адресных ремонтньж мероприятий; 5. Усовершенствовать агротехнические методы борьбы с болезнями семян.
На защиту выносятся следующие положения: 1) Изучение географического распределения видов грибов - возбудителей заболевания семян; 2)Использование дифференцирующей роли несовершенных грибов-возбудителей чернозародышевости и корневой гнили; 3) Разработка новьж методов картирования фитосанитарной обстановки на поле с целью проведения экономически и энергетически эффективных адресных ремонтньж мероприятий; 4) Совершенствование агротехнических методов улучшения качества семян.
Научная новизна. В этиологическом и диагностическом плане впервые выявлепы существенные различия в морфологии спороношения в зоне радионуклидного загрязнения.
В изучаемом регионе до сего времени не проводилось исследование дифференцирующей роли несовершенных грибов из pp. Altemaria и Bipolaris с целью улучшения качества семян, повышения энергетической и экономической эффективности мероприятия, что является приоритетом.
Изучены новые подходы к географическому способу распределения видов грибов - возбудителей заболевапия семян, что делается впервые.
Разработаны новые методы картирования фитосанитарной обстановки поля с целью проведения адресных ремонтньж мероприятий.
Усовершенствованы агротехнические методы улучшения качества семян.
Выявлено значение ориентации колоса в пространстве в отношении распределения черно-зародышевых семян в колосках, что имеет определенное научное значение при изучении этиологии заболевания зерна пшеницы.
Практическая ценность работы. Результаты исследований дифференцирующей роли возбудителей заболеваний, картирования фитосанитарной ситуация на конкретном поле, улучшения качества семенного материала, ориентации колоса в пространстве (декстральности) могут быть использованы в системе реабилитационных мер в йзд|ішйо1шб41С0л<и Шіулучиой
зоне с исключением применения пестицидов в целях получения экологически чистой продукции. Оценка фигосанитарного состояния поля смоделирована в условиях СПК «Заря» Далматовского района в 2003-2004 гг., а результаты ее можно применять повсеместно. Результаты исследований можно использовать в учебном процессе при преподавании курса «Селекция и семеноводство», что нашло отображение в составленных автором диссертации методических указаниях для студентов старших курсов агрономического факультета.
Рекомендован производству новый вариант микологической экспертизы, позволяет в любых условиях существенно улучшить качество семенного материала.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований были доложены Региональной научно - практической конференции, посвященной 50-летию Курганского областного краеведческого музея в ноябре 2001 года; Всероссийской научно - практической конференции, посвященной 60-летию со дня образования Курганской области и 90-летию сельскохозяйственной науки Зауралья в августе 2002 года, Международной конференции в Башкортостане в 2003 году, Региональной конференции в г. Челябинске (2004 год); VIII Всероссийской научно-практической конференции в Пензе (2004 г.).
Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ общим объемом 5,9 печатных листов, в том числе две брошюры по вопросам, связанным с темой исследований.
Личный вклад соискателя. Работа выполнена на базе Курганской государственной сельскохозяйственной академии (КГСХА), СПК «Заря» Далматовского района (зона реабилитации) в 1999-2004 гг. полевые опыты, лабораторные анализы, математическая обработка результатов проводились непосредственно автором диссертационной работы в рамках плана НИР кафедры семеноводства и ТХПР, номер госрегистрации 01.99.0 08778.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 157 страницах. Работа состоит из введения, 5 глав, 20 разделов, 2 подразделов, заключения, выводов и рекомендаций производству, иллюстрирована 34 таблицами и 34 рисунками, содержит, 15 приложений. Список литературы содержит 226 источников, в том числе 9 иностранных авторов.
Биологическая активность природных минералов
На протяжении последних десятилетий в науке отмечается нарастание интереса к проблеме взаимодействия мира минералов с живыми организмами. Этот интерес обусловлен рядом исторически сложившихся представлений о возникновении жизни на нашей планете. В XX в. в кругу биогеохимиков получила распространение идея о спонтанном зарождении и последующей эволюции жизни в некоем атмосферном «супе».
Основоположники этих взглядов А. И. Опарин /91,92/ и J.B.S. Haldane /147/ высказывали предположения о том, что в первичном океане живая материя образовалась в неживой природе абиогенным путем. В подобном процессе наилучшими катализаторами в синтезе первых олигонуклеотидов Дж. Бернал считал минерально-кристаллические матрицы /16,17/. Он предполагал, что в них могли протекать самопроизвольные процессы хроматографи-ческого разделения молекул, из которых сформировалась жизнь.
Возможность реализации данных гипотез частично подтверждается получением заметных количеств цитозина, урацила, мочевины, циануровой кислоты и ее аминопроизводных при взаимодействии простейших соединений (NH3, СОг и НгО) на поверхности дисперсных минералов (каолинитов, цеолитов) в течение 15 дней при температуре 80С /148,164,172/. Этот процесс значительно ускоряется при облучении таких гетерогенных систем в присутствии силикагеля, при этом отмечается увеличение суммарного выхода аминокислот, превосходящего контрольный в отсутствии адсорбента /66/. Суммарный выход аминокислот при их радиационном синтезе изменяется сим-батно с изменением количества = Si - ОН - групп на поверхности силикагеля, которые в процессе радиолиза способны генерировать в зону реакции активные атомы водорода и радикалы = SiO /83/. Этот факт позволяет рассмат 7 ривать цеолитсодержащие породы (алюмосиликаты) в качестве катализаторов биологических систем.
Оригинальное моделирование реакций образования биополимеров в кремнистых породах предлагают российские ученые. По предположению авторов, основой при возникновении примитивных клеточных организмов были образующиеся биополимеры, мигрирующие вдоль полостей, каналов в древних цеолитах и полевых шпатах. При этом первичной защитной оболочкой — мембраной - таких клеток были внутренние минеральные поверхности, которые использовались клеткой при ее выходе в богатый питательными веществами мировой «бульон» /130/.
Универсальное биологическое действие минералов с общей направленностью на нормализацию работы систем жизнеобеспечения организмов указывает на длительность контакта живых систем с ними. Возраст древнейших остатков ископаемых одноклеточных микроорганизмов оценивается в 3,1 млрд. лет/163/, многоклеточных - в 2-2,5 млрд. лет назад /151/.
Эволюция жизни на Земле практически с момента своего зарождения развивалась в условиях тесного контакта с миром минералов. Минералы являются не только источником необходимых химических элементов, но и системой, обеспечивающей нейтрализацию токсичных продуктов метаболизма и обладающей мощной буферной емкостью, что позволяет установить ионную (кислотно-щелочную) стабильность условий обитания жизни /96/.
Исследования, направленные на изучение вопросов возможности использования природных цеолитов в отраслях промышленности, сельском хозяйстве и охране окружающей среды, поддерживаются рядом программ, в частности «Цеолиты России».
Природные цеолиты — алюмосиликаты - содержат до 80 % кристаллической фазы и имеют суммарный объем пор до 0,6 см3/г, высокую пористость (до 59%), твердость до 35%, истираемость 60%, рН разрушения 1, температуру разрушения 600-800 С /171/. Анализы состава природных цеолитов показывают, что в них входят практически все химические элементы, включая редкоземельные. На содержание микроэлементов в природных цеолитах влияют особенности исходного вулканогенного материала и в значительной мере геохимические условия его преобразования, состав взаимодействующих с ним поровых растворов. Высокая селективность адсорбции и ионного обмена на цеолитах может приводить к накоплению в них рассеянных элементов уже после образования минералов/171/.
В представленной работе были использованы цеолитовые туфы Холинского месторождения, находящиеся на границе Бурятии и Читинской области. Цеолиты этого месторождения относятся к каркасным алюмосиликатам — минералам клиноптилолитового ряда.
Объекты
В данной работе в качестве объектов исследования были использованы:
- хлебопекарные дрожжи Saccharomyces cerevisiae, штамм ВКМ Y-542;
- природные цеолиты Холинского месторождения;
- водная вытяжка из природного цеолита Холинского месторождения. Природные цеолиты Холинского месторождения относятся к каркасным алюмосиликатам с содержанием цеолита - клиноптилолита - 50-60 % (ТУ 2163-002-1276 3074-97 «Цеолит природный Холинского месторождения -фильтрующий и сорбирующий материал для очистки природных и сточных вод»). Природные цеолиты предварительно измельчали, мешировали; перед внесением в питательную среду подвергали термической обработке при 160 С в течение 30 мин.
Водную вытяжку из природного цеолита получали настаиванием цеолита в бидистиллированной воде (50 г природного цеолита на 100 мл воды) при комнатной температуре (22±2С) в течение 3 сут. Для удаления микропримеси в вытяжке ее пропускали через фильтр диаметром пор 0,2 мкм (Carning, Германия).
Влияние природных цеолитов на физиологические характеристики Saccharomyces cerevisiae
Цеолиты - название большой группы природных минералов — алюмосиликатов, представляющих собой индивидуальные кристаллические соединения /12/. В данной работе используются термины: «цеолит», «природный цеолит» и «цеолитсодержащий туф», под которыми отождествляется цеолитсодержащая порода (туф). Цеолитсодержащая порода является смесью многих минералов: цеолитов, глин, гидрослюд, полевых шпатов, кварца, карбонатов, гидроокислов железа и др. Цеолитсодержащий туф Холинского месторождения большей частью состоит из цеолита (50-70%) клиноптилолито-вого ряда, остальное - смесь минералов.
Исследования влияния природных цеолитов на Saccharomyces cerevisiae ВКМ Y-542 вели в двух направлениях: как при непосредственном внесении цеолита в питательную среду, так и путем использования водной вытяжки из него.
На первых этапах исследования ставилась следующая задача: установить интенсивность роста дрожжевых клеток в зависимости от дозы внесения природного цеолита в питательную среду и степени его измельчения. Рассматривали влияние цеолита с размерами фракций 0,01-0,5 мм; 0,5-1 мм; 1-2 мм; 2-3 мм при внесении 1-, 5-, 10-, 15 %-ных доз.
