Введение к работе
Актуальность проблемы. Цианобактерии и, в частности, представители рода Spirulina (Arthrospira) являются распространенными объектами научных исследований (Гусев, Никитина, 1979) и одновременно широко культивируются в настоящее время как объекты фотобиотехнологии (Vonshak, 1987; Borowitzka et ah, 1999; Тамби-ев и др., 2006). Биомасса видов спирулины используется в производстве пищевого белка, лечебно-профилактических препаратов, высококачественных кормов, витаминов, пигментов, пищевых красителей и других полезных продуктов для медицины, животноводства, аквакультуры, косметологии и др. В биомассе спирулины отмечается высокое содержание белка - от 55 до 70%, присутствует широкий спектр витаминов группы В, значительное количество Р - каротина и других биологически активных соединений (Ciferri, 1983).
Нужно отметить, что обогащение биомассы исследуемых в данной работе видов рода Spirulina (Spirulina platensis, Spirulina maxima) различными необходимыми для человека (эссенциальными и условно-эссенциальными) микроэлементами придает ей дополнительно высокую полезность.
В литературе известны различные классификации микроэлементов, как по их содержанию в организме человека и животных, так и по степени их необходимости для протекания нормального метаболизма (Авцын и др., 1991; Скальный и др., 2004). В данной работе изучалось накопление в клетках цианобактерии рода Spirulina следующих микроэлементов.
Ванадий. За последние десятилетия значительно вырос интерес в изучении биологических эффектов соединений ванадия, который до этого считался микроэлементом с неопределенной биологической ролью, а в настоящее время находится в группе условно-эссенциальных элементов. Это объясняется потенциальной возможностью его использования при лечении диабета, показанной в большом количестве исследований. Многие эффекты инсулина в организме человека имитируются соединениями ванадия, они же способны увеличивать чувствительность человеческого организма к вводимым препаратам инсулина (Poucheret et al., 1998).
Литий - относится к группе условно-эссенциальных микроэлементов. В ряде исследований показано, что его дефицит может приводить к нарушениям жирового обмена, дисфункциям репродуктивной системы и аномалиям в поведении. Соли лития обладают психотропным действием и используются уже несколько десятилетий при
лечении различных психических отклонений. В настоящее время литий используется также при лечении онкологических заболеваний и в дерматологии (Anke et al, 1991).
Кобальт - является необходимым (эссенциальным) микроэлементом, входит в состав молекулы витамина В12 (цианокобаламина) и является кофактором ряда ферментов. Он необходим в первую очередь для кроветворных тканей костного мозга и нервной ткани, особенно после травм и кровопотерь, для стимуляции образования эритроцитов, а также при заболеваниях нервной системы и анемии, развивающейся при исключительно вегетарианской диете (Скальный, Рудаков, 2004).
В целом ряде работ показано, что органические соединения вышеуказанных элементов более безопасны и эффективны для человека по сравнению с неорганическими (Reul et al, 1999; Dean et al, 1999).
Изучение влияния ванадия, лития, кобальта, введенных в среду культивирования, на выход биомассы и накопление этих элементов клетками цианобактерий позволяет определить их оптимальные концентрации в среде для получения биомассы, обогащенной исследуемыми элементами в органической форме.
Значительное внимание уделялось нами изучению влияния различных концентраций ванадия, лития и кобальта в среде культивирования на изменение элементного состава клеток, который является важнейшей характеристикой биологического объекта. Для решения этих задач было необходимо правильно подобрать комплекс аналитических методов, позволяющих определять как макро- так и микроэлементный состав клеток цианобактерий. Эти же методы дали возможность определить количество исследованных микроэлементов, связанных с поверхностными структурами клеток и их распределение во фракциях клеточных компонентов.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось изучение условий максимального накопления эссенциальных и условно-эссенциальных элементов V, Li, Со в клетках культур цианобактерий Spirulina platensis и Spirulina maxima.
Задачи исследования:
Изучить влияние V, Li, Со на рост культур Spirulina platensis и Spirulina maxima и исследовать динамику накопления указанных элементов клетками обеих культур.
Определить оптимальные концентрации указанных элементов в среде культивирования для получения обогащенной биомассы культур S. platensis и S. maxima.
Изучить влияние различных концентраций V, Li и Со в среде культивирования на элементный состав клеток культур цианобактерий
Определить соотношение между адсорбированным поверхностными структурами клетки количеством микроэлементов и их внутриклеточным содержанием.
Изучить распределение перечисленных микроэлементов во фракциях клеточных компонентов.
Научная новизна работы. Впервые установлена возможность значительного накопления V, Li, Со клетками цианобактерий S. platensis, S. maxima и определены оптимальные концентрации вводимых в среду культивирования микроэлементов. Впервые показано, что накопление ванадия клетками цианобактерий зависело от степени его окисления (V , V ) при введении в среду культивирования. Коэффициент накопления исследованных микроэлементов в клетках был наибольшим для кобальта, значительно превосходя этот показатель для ванадия и лития. Выявлены изменения общего элементного состава клеток культур, вызванные введением ванадия, лития и кобальта в среду. Показано, что значительная часть V, Li, Со адсорбируется поверхностными структурами клеток. Изучено распределение указанных элементов между полярными, неполярными и амфифильными компонентами клеток.
Практическое значение работы. Результаты работы могут быть использованы для создания лечебно-профилактических препаратов на основе биомассы цианобактерий S. platensis и S. maxima, обогащенной V, Li, Со, являющимися полезными для человека микроэлементами.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на:
Международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, 2009, 2011; Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине», Санкт-Петербург, 2009; Международных конференциях «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии», Крым, Гурзуф, 2010, 2011; Съезде аналитиков России «Аналитическая химия - новые методы и возможности», Москва, 2010.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов исследования и использованных методов, результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 99 страницах и включает 22 рисунка и 6 таблиц. Список литературы содержит ссылки на 209 источников, из которых 170 -зарубежных.
