Современные проблемы и методы биотехнологии

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.10. Культура гаплоидных тканей

Недостатки отдаленной гибридизации можно превратить в достоинства и использовать их в позитивных целях, например, для получения гаплоидных тканей. Дело в том, что при отдаленной гибридизации очень часто образуется неполноценный (гаплоидный) потомок, поскольку генотип одной из родительских форм часто не сливается с другим родительским геномом и абортируется.

В результате этого образуется гаплоидная клетка, а развивающийся из нее зародыш оказывается щуплым, невыполненным, мало способным к формированию полноценного растения, что можно исправить с помощью культуры тканей.

Для ячменя успешно используется метод гаплопродукции на основе межвидовой гибридизации культурного ячменя (Н. vulgare) с луковичным –

Н. bulbosum.

Показаны преимущества этого метода в сравнении с культурой пыльников. Существенное влияние на эффективность гаплопродукции оказывает ряд факторов: генотип исходных форм, степень дифференцировки незрелых гибридных зародышей, обработка гибридных колосьев растворами физиологически активных веществ, сроки посева и опыления исходных форм, состав питательных сред для доращивания зародышей способы колхицинирования и др.

Для получения гаплоидов пшеницы материнскими формами служат сорта и линии яровой и озимой пшеницы, в качестве опылителей используют

Т. timopheevi, T. militinae, Т. tuigidum, Т. dicoccum, овес Ae. ovata, Ae. triaristata, рожь Памирская и др. – источники комплексной устойчивости к болезням и абиотическим стрессам, высокобелковости. В зависимости от комбинации завязываемость зерен варьирует от 0 до 66,4 %. In vitro прорастает от 5 до 100 % зародышей, регенерация зеленых растений составляет от 5 до 93,8 %. Использование таких подходов – действенный инструмент обогащения генофонда культурных растений и создания новых сортов.

Дигаплоиды столового картофеля получают путем опыления сортов пыльцой примитивных культурных диплоидных видов, способных индуцировать гаплопартеногенез. Из пыльцы полученных дигаплоидов в культуре микроспор отбирают формы со спонтанно удвоенными наборами хромосом и выраженными благоприятными генами, которые затем попарно скрещивают между собой. Слитые протопласты гибридов, сочетающие благоприятные гены, дают тетраплоиды с заданным генотипом.

Установлены некоторые причины нежизнеспособности гибридных семян. Удачным развитием этих работ стало использование метода эмбриокультуры для повышения эффективности отдаленной гибридизации.

Для получения в культуре гаплоидных тканей фертильных растенийрегенерантов вводится дополнительный этап – удвоение хромосом.

Для удвоения числа хромосом гаплоидов (диплоидизации) используют колхицин, антибиотики, декапитацию (срезание) верхушек; нередко самоудвоение наблюдают в культуре каллуса при эндомитозе. Образующиеся диплоидные клетки «забивают» гаплоидные и анеуплоидные ввиду более энергичного деления и роста. Растения, регенерировавшие из таких клеток и тка-

ней, называют дигаплоидами.

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

221

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.10.Культура гаплоидных тканей

4.10.3.Возможностигаплоидныхтехнологий

Гаплоидные растения представляют интерес для генетики и селекции, так как каждый ген у гаплоида представлен единственным аллелем и рецессивные аллели у таких растений проявляются наряду с доминантными. Фенотип гаплоида полностью отражает их генотип, поэтому среди таких растений удобно отбирать формы с ценными мутациями. Гаплоидная технология, отдаленная гибридизация с последующей эмбриокультурой, клеточная селекция, клональное микроразмножение, основанные на культивировании клеток, тканей и органов, уже вносят реальный вклад в селекцию растений.

Гаплоидные технологии значительно расширяют возможности селекции. Главное преимущество выращивания растений из пыльцы – быстрое создание чистых линий, что особенно важно для двудомных видов и облигатных перекрестников. Для планируемых скрещиваний селекционеры могут поддерживать родительские формы в культуре ткани вегетативно. В селекции на гетерозис создание линий не требует нескольких лет инбридинга.

Выращивание гаплоидов in vitro позволяет получать гомозиготные константные линии из гетерозисных гибридных популяций в короткие сроки и тем самым ускорять отбор положительных вариантов. Возможна оценка перспективных популяций на ранних этапах селекционного процесса.

К тому же гаплоидные клетки удобны для решения многих задач теоретического плана и для генно-инженерных манипуляций. От изучения гаплоидных клеточных линий генетики надеются получить более точные данные о природе генных мутаций и цитоплазматической наследственности.

4.11. Получениерастений, устойчивых кразличнымстрессовымфакторам

Культура растительных клеток и тканей представляет собой биологическую систему, в которой отсутствуют регуляторные механизмы, действующие на уровне целого организма. Исследования, проведенные на однородном клеточном материале, наряду с пониманием иерархии систем регуляции физиологических процессов позволяют получить более определенные результаты по анализу действия абиотических и биотических стрессовых факторов на растительную клетку. Это отвечает требованиям современного селекционного процесса, где неотъемлемым элементом является повышение устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды.

Традиционная селекция ведется на уровне организмов, но процесс эффективно ускоряется при использовании тканевых и клеточных культур.

В условиях in vitro можно задавать различные параметры, адекватные тем, в каких позже придется жить взрослым растениям, в том числе и экстремальные условия выращивания. В культивируемых in vitro клеточных популяциях обнаружена тенденция к высокой наследственной изменчивости ка-

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

222

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.11. Получение растений, устойчивых к различным стрессовым факторам

чественных и количественных свойств клеток. Особый интерес у исследователей вызывают работы по получению растений-регенерантов из каллусных и суспензионных культур, прошедших отбор в стрессовых условиях.

Отбор на селективных средах может быть прямой и непрямой. Прямая селекция заключается в том, что в питательную среду добавляют в качестве селективных агентов факторы, к которым необходимо получить устойчивые линии, – повышенное содержание солей – NaCl, Na2SO4, AlCl3, K2SO4; водный стресс, отсутствие O2; продукты метаболизма фитопатогенов и т.д. Непрямая селекция заключается в получении растений, синтезирующих защитные соединения при этих стрессовых факторах.

Предложена следующая схема получения устойчивых линий клеточных культур: воздействие стрессора на культуру клеток будет приводить к частичной гибели популяции, но часть клеток может выжить, причем тем меньшая часть, чем сильнее стрессовое действие. Выжившие клетки переносят на свежую питательную среду, и культура будет толерантной к этому стрессору.

4.11.1.Использованиетоксиновфитопатогенов

вотбореформрастений, устойчивыхкболезням

Традиционных методов селекции недостаточно, чтобы улучшить генофонд растений в направлении устойчивости к наиболее опасным патогенам; требуются новые подходы, которые в сочетании с классическими методами позволили бы добиваться дальнейших успехов в создании новых устойчивых к биотическим стрессам, особенно к болезням, сортов сельскохозяйственных культур. Один из таких подходов – использование клеток и тканей растений для создания исходного для селекции на устойчивость к инфекционному стрессу материала. Имеется много примеров реализации таких подходов.

Клеточную селекцию моркови проводили с использованием культурального фильтрата гриба Alternaria radicina, для чего применяли различные схемы селекции. Для формирования растений проростки переносили в пробирки на жидкую и агаризованную питательные среды. Растения-регенеранты контрольного варианта и полученные после клеточной селекции были проверены на устойчивость к патогену A. radicina. Для этого растения из пробирок были помещены на питательную среду, содержащую 95 %-й культуральный фильтрат гриба. Растения, полученные после клеточной селекции, обладали повышенной устойчивостью к метаболитам гриба А. radicina.

К настоящему времени созданы линии картофеля, томатов, пшеницы, моркови, риса, устойчивые, соответственно, к фитофторозу, альтернариозу, септориозу, ирукуляриозу и т.д., где в качестве селективного фактора используется культуральный фильтрат гриба.

Особую актуальность приобретают научные работы, посвященные селекции на устойчивость к корневым гнилям зерновых, из-за широкого распространения и высокой вредоносности данной болезни. В отборе форм ярового ячменя, устойчивых к корневым гнилям и перспективных для селекции на устойчивость к данному заболеванию в условиях Восточной Сибири, ис-

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

223

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.11. Получение растений, устойчивых к различным стрессовым факторам

пользовано однократное добавление токсических метаболитов корневых гнилей (20 %) в селективные среды на стадии пролиферации каллусных тканей. Выжившие каллусы обладали способностью к стеблегенезу и ризогенезу. Полученные на их основе растения регенеранты в своем большинстве отличались устойчивостью к поражению возбудителями корневой гнили.

4.11.2. Выделениесолеустойчивыхформрастений путемпрямойинепрямойселекциивкультуреткани

Одним из факторов внешней среды, которые приводят к значительному снижению урожайности многих сельскохозяйственных культур, является засоленность почв. В связи с общим ухудшением экологической обстановки в мире и широким применением искусственного орошения возрастает потребность в селекции солетолерантных форм растений. В частности, такая проблема весьма актуальна и для районов рисосеяния. Скрининг уже имеющихся в местных сортах и популяциях вариантов дает положительные результаты, но существует необходимость дальнейшего повышения солеустойчивости риса, которая в целом значительно ниже, чем у других зерновых, например пшеницы и ячменя.

Механизмы солетолерантности еще недостаточно изучены, несмотря на большое количество исследований. Затрудняет селекцию солетолерантных растений и значительная вариабельность типов засоленности. Большие возможности для изучения стрессоустойчивости (в том числе и солеустойчивости) дает применение культуры растительных клеток. Как правило, при прямом отборе солетолерантных клеточных линий используют питательные среды, содержащие в качестве селективных агентов какую-либо соль.

Уряда культур уже получены путем прямой селекции клеточные линии

ирастения-регенеранты, обладающие свойством солеустойчивости и сохраняющие его при регенерации и семенном размножении. Кроме прямого отбора возможны и непрямые методы селекции на устойчивость к стрессам (в том числе и к засолению). Хорошо известна, например, защитная роль пролина при воздействии на бактериальные и растительные клетки ряда неблагоприятных факторов внешней среды: холодового и теплового шока, водного стресса, повышенного содержания солей и др. В связи с этим представляет интерес получение клеточных линий растений, способных в ответ на стрессовые воздействия накапливать значительные количества пролина, обеспечивая таким образом неспецифическую защиту организма.

Процесс селекции устойчивых вариантов в культуре тканей растений обычно состоит из двух основных этапов: собственно отбора устойчивых клеточных линий на соответствующих селективных средах и регенерации растений из полученных клеточных вариантов.

Путем прямой селекции на среде, содержащей 1 % хлористого натрия, получена серия регенерантов. Для проведения селекции стрессоустойчивых вариантов риса непрямым путем, т.е. путем отбора устойчивых к аналогам пролина клеточных линий с последующей регенерацией растений, была изучена чувствительность каллусных культур риса дикого типа к двум его ана-

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

224

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.11. Получение растений, устойчивых к различным стрессовым факторам

логам. При этом обнаружена чрезвычайно высокая устойчивость исходных каллусных линий риса к обоим аналогам.

Удалось получить солетолерантные каллусные линии и растения риса путем прямой (отбор и регенерация на NaCl-содержащих средах) и непрямой (на средах с аналогами пролина) селекции в культуре ткани нескольких сортов риса, несмотря на обнаруженную чрезвычайно высокую естественную устойчивость каллусной культуры риса к аналогам пролина.

В Красноярском НИИСХ разработаны технологии создания регенерантов ячменя в культуре незрелых зародышей с использованием стадии каллусных тканей и селективных сред (высокие концентрации соли и низкие рН) и получены десятки линий-регенерантов, у которых подтверждена устойчивость к засолению и кислотности почв.

Однако применение селекции позволяет получать клеточные линии и растения, обладающие защитой от солевого стресса. Особенно перспективен этот подход к сортам, имеющим низкую солеустойчивость, так как такой метод повышает общую неспецифическую защиту клетки и значительно увеличивает ее устойчивость стрессам организма.

Одним из методов получения мутантов с повышенным синтезом аминокислот является отбор вариантов, устойчивых к соответствующим аналогам. Ранее путем селекции на устойчивость к одному из аналогов пролина – L-азетидин-2 карбоновой кислоте – были получены солетолерантные клеточные линии табака и сои. Выделенные регенеранты отвечали повышенным синтезом пролина при помещении в среды с NaCl и обладали повышенной осмостойкостью. Другим аналогом пролина является L-оксипролин, который также позволяет получить солеустойчивые растения [15].

Выработка у растений солеустойчивости важна не только в сельском хозяйстве, но и хозяйстве городском. Применение противогололедных реагентов, в частности, технической соли, на улицах городов неблагоприятно для роста и развития растений. Используя культуру in vitro на селективных средах можно в течение короткого времени провести скрининг больших популяций клеток овсяницы и полевицы – основных газонных трав на признак солеустойчивости. Отмечается наследование толерантности к NaCl и перекрестная устойчивость к бишофиту (MgCl2) – основной противогололедной соли [16].

Также применяются новые селективные среды с ионами Ва2+ для отбора солеустойчивых клеточных линий [17].

4.11.3.Отборхолодоустойчивыхформ

Внастоящее время актуальной проблемой является повышение устойчивости теплолюбивых растений к действию пониженных положительных температур (холодоустойчивости). Известно много работ, в которых показано повышение холодоустойчивости посредством химических или физических воздействий. Однако имеются лишь единичные работы, использующие методы и технологии in vitro в целях получения холодоустойчивых форм теплолюбивых растений. В условиях in vitro можно задавать различные пара-

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

225

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.11. Получение растений, устойчивых к различным стрессовым факторам

метры, адекватные тем, в каких позже придется жить растениям, в том числе и экстремальные условия выращивания, например пониженные температуры. Это также одна из реальных задач в сельском хозяйстве, так как ее решение позволит успешно культивировать растения в районах с частыми весенними заморозками. Таким способом созданы более холодоустойчивые линии табака, риса, томата.

Каллусные культуры получали из различных частей стерильных этиолированных растений огурца. Холодовое повреждение (жизнеспособность) клеток каллусных тканей определяли по восстановлению трифенилтетразолия хлорида, по прижизненному окрашиванию метиленовым синим с последующим подсчетом числа живых и мертвых клеток в гемоцитометре (камере Фукса – Розенталя) и по приросту каллусной ткани в течение 10 дней после охлаждения.

В качестве критерия жизнеспособности растительных клеток использовали состояние их митохондрий, оцениваемое по восстановлению ТТХ. Из каллусов первого пассажа, выдержанных в течение 24 ч при оптимальной (25 °С) и пониженной (3 °С) температуре, экстрагировали продукт восстановления ТТХ – формазан. Поскольку различные органы теплолюбивых растений обладают неодинаковой холодовой чувствительностью, предполагали, что и каллусные линии, полученные из этих органов и сохраняющие эпигенетические особенности, различаются по чувствительности к охлаждению.

Для оценки соотношения живых и мертвых клеток в клеточных культурах использовали также прижизненное окрашивание красителями с последующим подсчетом окрашенных и неокрашенных клеток.

Способность растительных клеток переносить действие стресса отражается в образовании новой каллусной ткани после переноса в оптимальные условия. Через 10 сут после сублетального охлаждения (3 °С, 24 ч) каллусов первого пассажа измеряли параметры роста линий различного происхождения. Каллусы, полученные из семядольных листьев, показали наибольший прирост линейных размеров. Наименьший прирост к исходному размеру наблюдали у охлажденных каллусных линий, полученных из гипокотиля. Это, вероятно, также связано с эпигенетическими особенностями клеток культур.

Измерения чувствительности к охлаждению каллусных линий в I–IV пассажах позволили выявить тенденцию к постепенному повышению холодоустойчивости. В результате систематически действующего стрессового фактора происходит адаптация клеточных культур к пониженным температурам и повышение жизнеспособности клеток после стрессового воздействия.

Все исследованные факторы (различные экспланты и условия выращивания) оказывают существенное влияние на холодоустойчивость каллусных линий.

Сравнивая устойчивость каллусов различного происхождения, можно заключить, что наиболее устойчивыми к пониженным температурам являются каллусные линии, полученные из семядольных листьев и апикальной зоны побега.

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

226

ГЛАВА 5 БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ:

БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.1. Освоениеэкологическичистыхматериалов– актуальноенаправлениекритическихтехнологийXXI века

Разработка и освоение новых, экологически чистых материалов, включающихся в биосферные круговоротные циклы, соответствует концепции экологически безопасного устойчивого промышленного развития. В «Повестке дня XXI века», принятой в 1991 г. на специальной конференции ООН по окружающей среде и развитию, акцентировано внимание на необходимость разработки и внедрения новых экологически безопасных технологий и материалов [1].

Связано это с тем, что охрана окружающей среды является неотъемлемым компонентом устойчивого развития. Помимо того, что в результате активной хозяйственной деятельности в настоящее время под угрозой находятся все биотические и абиотические компоненты окружающей среды, в Повестке дня отмечается, что на фоне увеличения населения планеты во все более широком масштабе возрастает производство и потребление химических веществ. В связи с этим неуклонно увеличивается количество проблем, связанных с охраной окружающей среды. Несмотря на все возрастающие усилия по предотвращению накопления отходов и содействию их рециркуляции, масштабы ущерба, причиняемого окружающей среде в результате чрезмерного потребления, количество образующихся отходов и степень неустойчивого землепользования по-прежнему увеличиваются.

Среди провозглашенных Повесткой дня приоритетов программы обозначена необходимость «… предотвращения, прекращения и обращения вспять процесса деградации окружающей среды с помощью соответствующих методов использования биотехнологии и других технологий при одновременном обеспечении процедур безопасности как одного из неотъемлемых компонентов настоящей программы». Конкретные цели предусматривают скорейшее осуществление конкретных программ, содержащих конкретные задачи:

1) применение производственных процессов, предусматривающих оптимальное использование природных ресурсов на основе рециркуляции биомассы, регенерации энергии и минимизации производства отходов;

2) поощрение применения биотехнологий с уделением особого внимания биологическому восстановлению земельных и водных ресурсов, обработке отходов, охране почв, лесовосстановлению, лесонасаждению и восстановлению земель;

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

227

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.1.Освоение экологически чистых материалов – актуальное направление критических технологий XXI века

3)использование биотехнологий и биотехнологической продукции для сохранения целостности окружающей среды с целью обеспечения долгосрочной экологической безопасности.

Для успеха реализации целей, намеченных «Повесткой дня XXI века», необходимо содействие и объединение усилий соответствующих международных и региональных организаций, частного сектора, неправительственных организаций, а также академических и научных учреждений, деятельность которых должна включать следующие направления:

–разрабатывать экологически безопасные альтернативные варианты производственной деятельности и совершенствовать производственные процессы, наносящие ущерб окружающей среде;

–разрабатывать практические методы минимизации спроса на экологически нерациональные синтетические химические вещества и максимального использования экологически устойчивой продукции, в том числе органической;

–изыскивать пути сокращения образования отходов, обработки отходов перед удалением и использование материалов, поддающихся биологическому распаду;

–разрабатывать методы удаления веществ, загрязняющих окружающую среду;

–поощрять применение новых биотехнологий в интересах экологически устойчивого освоения минеральных ресурсов.

Развитие науки и техники приводит к все более широкому внедрению высокомолекулярных полимерных соединений синтетического, а также природного происхождения. Разнообразие полимеров, варьирование в широких пределах их стереоконфигурации и молекулярной массы, возможность получения композитов в разнообразных сочетаниях с различными веществами, – все это является основой для получения широчайшего спектра новых материалов с новыми ценными свойствами. Полимерные материалы необходимы для различных сфер человеческой деятельности. Синтетические полимерные материалы стали неотъемлемой частью современной жизни; они заменяют сегодня сталь, древесину и стекло. По прогнозам, потребление этих материалов на душу населения увеличится к 2010 г. в США, Западной Европе и Японии с 24,5 кг до 37,0 кг. Все возрастающее использование человеком синтетических пластмасс стало глобальной экологической проблемой.

5.1.1. Полимеры: определение, виды, областиприменения

Термин «полимер» состоит из слов: «поли» – много и «мер» – единица, таким образом, полимер – это молекула, состоящая из множества единиц. По отношению к воздействию температуры полимеры подразделяются на два типа: термоотверждаемые и термопластичные. Термопластичные полиме-

ры могут быть использованы для получения изделий различной конфигура-

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

228

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.1. Освоение экологически чистых материалов – актуальное направление критических технологий XXI века

ции из расплавов путем формования, прессования, экструзии. Термопласты не имеют межмолекулярных связей и, как правило, состоят из линейных полимерных цепей. Термоотверждаемые полимеры полимеризуются, приняв свою окончательную форму и не могут быть переформованы с целью изменения формы в результате нагрева. Как правило, полимерные цепи в этом типе полимеров имеют ковалентные межмолекулярные связи.

В зависимости от способа получения, полимеры классифицируется как аддитивные (полимеры, полученные ступенчатой полимеризацией) и конденсационные. Аддитивные полимеры (полиэтилен, полиметилметакрилат) синтезируются в реакции присоединения свободного радикала из ненасыщенных мономеров, содержащих двойные углеродно-углеродные связи. Конденсационные полимеры образуются путем совместной реакции двух полимеров, в результате которой выделяется вещество с небольшим молекулярным весом, например вода. Примерами конденсационных полимеров являются полиамиды. Некоторые конденсационные полимеры могут подвергаться гидролизу в организме и разрушаться.

Термин «полимерные материалы» является обобщающим. Он объединяет три обширных группы синтетических пластиков, а именно: полимеры; пластмассы и их морфологическую разновидность – полимерные композиционные материалы (ПКМ) или, как их еще называют, армированные пластики. Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая, которая и определяет основные термодеформационные и технологические свойства материала. Полимерная составляющая представляет собой органическое высокомолекулярное вещество, полученное в результате химической реакции между молекулами исходных низкомолекулярных веществ – мономеров. Полимерами принято называть высокомолекулярные вещества.

Физически полимеры являются гомофазными материалами, они сохраняют все присущие гомополимерам физико-химические особенности. Пластмассами называются композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они располагаются в полимерной матрице. Физически пластмассы представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами.

Пластмассы могут быть разделены на две основные группы – термопластические и термореактивные. Термопластические пластмассы после формирования могут быть расплавлены и снова сформованы; термореактивные, сформованные раз, уже не плавятся и не могут принять другую форму под воздействием температуры и давления. Почти все пластмассы, используемые в упаковках, относятся к термопластическим, например, полиэтилен и полипропилен (члены семейства полиолефинов), полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, найлон (капрон), поликарбонат, поливинилацетат, поливиниловый спирт и др.

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

229

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.1. Освоение экологически чистых материалов – актуальное направление критических технологий XXI века

Наиболее распространенными полимерами углеводородной природы являются полиэтилен и полипропилен. Полиэтилен получают полимеризацией этилена; полипропилен – стереоспецифической полимеризацией пропилена (пропена). Полиолефины – это класс полимеров одинаковой химической природы (химическая формула – (СН2)-n) с разнообразным пространственным строением молекулярных цепей, включающий в себя полиэтилен и полипропилен. В мире ежегодно производится порядка 180 млн т полимеров, полиолефины составляют примерно 60 % от этого количества. В будущем полиолефины будут окружать нас в гораздо большей степени, чем сегодня. Комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раздиру, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий.

Около 60 % всех пластиков, используемых в настоящее время для упаковки – это полиэтилен, главным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его отличным свойствам для многих областей применения. Полиэтилен высокой плотности (ПЭНД – низкого давления) имеет самую простую структуру из всех пластиков, он состоит из повторяющихся звеньев этилена. -(CH2CH2)n- полиэтилен высокой плотности. Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД – высокого давления) имеет ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная. -(CH2CHR)n- полиэтилен низкой плотности, в котором R может быть -H, -(CH2)nCH3 или более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Самым крупным направлением переработки пластмасс является производство тары и упаковки. Удельный вес этого сегмента в РФ в объемах потребления пластмасс сопоставим с показателями в Европе (38 %) и США (29 %). Наибольшим спросом на внутреннем рынке пользуются тара и упаковка из полиэтилена и полиэтилентерефталата. Следом идут упаковочные материалы на основе полипропилена, полистирола и поливинилхлорида.

В России обеспечение спроса внутреннего рынка на тару и упаковку осуществляется в основном за счет отечественных производителей. Экспортная составляющая в суммарном спросе на продукт невелика. У рынка полимерной тары и упаковки есть дальнейшие перспективы развития, обусловленные как наращиванием объемов производства, так и улучшением качества продукции. Среднегодовые темпы роста внутреннего спроса на тароупаковочные материалы в РФ в перспективе до 2015 г. прогнозируются на уровне 4,5 %. Рынок промышленных изделий из пластмасс является быстроразвивающимся, среднегодовые темпы роста потребления изделий производственного назначения составляют 12 %.Эта тенденция относится нетолько к промышленной упаковке, но и к полиэтиленовым пакетам. Общая емкость рынка синтетической упаковочной пленки в России составляет свыше 100 тыс. т/год.

Области применения пластмасс широки и включают практически все сферы человеческой деятельности (сельское и коммунальное хозяйство, строительство, транспорт, медицину); основная область применения пласт-

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие

230