CC BY
142
УДК 677.01
А. И. Бугаева, С. В. Илюшина, И. В. Красина, М. В. Антонова
ПРИМЕНЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЙ В МОДИФИКАЦИИ ХЛОПКА
Ключевые слова: биотехнологии, хлопок, модификация, текстильная промышленность.
В статье приведен краткий обзор способов применения биотехнологий для модификации хлопка. Рассмотрены проблемы выращивания хлопчатника и возможные пути их решения. Установлено, что применение биотехнологии в модификации хлопка позволяет улучшить технологию производства и снизить использование химических реагентов, отрицательно влияющих на окружающую среду.
Keywords: biotechnology, cotton, modification, textile industry.
The article gives a brief overview of how the application of biotechnology for the modification of cotton. The problems of cotton growing and possible solutions to them. The use of biotechnology in modification of cotton allows to improve technology ofproduction and reduce the use of chemicals that adversely affect the environment.
Текстильная промышленность сталкивается со сложными условиями в области качества и производительности из-за глобализации мирового рынка. Конкурентная атмосфера и экологические показатели становятся все более жесткими, благодаря чему главной задачей текстильной промышленности становится создание
качественного и экологически чистого продукта. Применение биотехнологий является одним из лучших методов экологически благоприятной обработки текстильной продукции.
Хлопок продолжает доминировать на рынке натуральных волокон. Он имеет наибольший технический и экономический потенциал для модифицирования с помощью технологических средств. Генетические инженерные исследования на хлопковом производстве в настоящее время направлены на двухсторонний подход, решающий основные проблемы, связанные с выращиванием хлопчатника, а именно повышение устойчивости к насекомым, болезням и гербицидам, что приведет к повышению качества и повышению урожайности. Это долгосрочный подход к разработке хлопкового волокна с модифицированными свойствами, такими как повышенная прочность, длина, внешний вид, зрелость и цвет [1].
В мире под хлопок отведено всего 2,4 % посевных площадей, но именно на них приходится 11 % всех, производимых в мире, пестицидов, в том числе 24 % всех инсектицидов. Это особенно актуально для хлопчатника, так как это монокультура, а монокультуры больше всего страдают от вредителей.
Чрезмерное использование пестицидов представляет серьезную угрозу для хлопка. Проблему пестицидов должен был решить генетически модифицированный Bt-хлопок. В середине 1990-х годов ученые из американской биотехнологической компании «Monsanto Company» внедрили гены бактерии Bacillus thuringiensis (Bt) в семена хлопчатника. Гены этой бактерии кодируют белки, токсичные для насекомых-вредителей. В результате этого эксперимента растение начало самостоятельно вырабатывать яд, который убивает гусениц совки хлопковой.
Меньше пестицидов, более высокая урожайность — эти многообещающие характеристики немедленно сделали семена Bt-хлопка «бестселлером». С тех пор, как в 1996 году «Monsanto Company» представила на рынке первый генетически модифицированный сорт, эти семена хлопка распространились повсеместно. Теперь ими засевают более двух третей всех хлопковых полей в мире.
В 1990 году в мире было произведено 19 миллионов тонн хлопка, что примерно соответствовало половине объема всего рынка волокон. И хотя сегодня его производство достигло 26 миллионов тонн в год, это составляет всего лишь 30 % мирового рынка. Хлопок все меньше удовлетворяет колоссальные мировые потребности в текстиле [2].
Выращивание органического хлопка даст возможность прокормиться мелким фермерам из бедных стран. Цены на него стабильно высоки. Кроме того не нужно тратить деньги на дорогую химию — тот, кто выращивает экологически чистый хлопок, удобряет свои поля компостом и навозом. В этом случае окупается даже небольшой урожай.
Однако, пока биоволокно составляет менее одного процента от объема всего хлопка, выращиваемого в мире [2].
Биотехнология - это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов [3]. В 1981 году, Европейской Федерацией биотехнологии было дано определение, как интегрированное использование биохимии, микробиологии и химической технологии для достижения технологического применения способностей микроорганизмов и культивируемых клеток ткани. Выделить область биотехнологии нелегко, потому что она совпадает с несколькими отраслями промышленности, такими как химическая и пищевая промышленность, но также биотехнология нашла широкое применение в текстильной промышленности, в частности в текстильной переработке и утилизации отходов [3].
Биотехнология основывается на использовании ферментов (энзимов), представляющих собой
катализаторы белковой природы (биокатализаторы), которые обладают способностью многократно ускорять химические реакции и отличающиеся избирательностью воздействия [3].
Ферменты, как правило, представляют собой глобулярные белки и, как и другие белки, состоят из длинных линейных цепочек аминокислот, которые складываются для получения трехмерного продукта. Каждая уникальная аминокислотная
последовательность создает специфическую структуру, которая обладает уникальными свойствами. Отдельные белковые цепи могут группироваться вместе, образуя белковый комплекс [4,5].
Ферменты являются биокатализаторами, и благодаря их присутствию ускоряются химические процессы, которые в противном случае выполнялись бы очень медленно. Можно выделить следующие отличия между ферментами и химическими катализаторами:
- катализируемые ферментом реакции, по крайней мере, на несколько порядков быстрее, чем химически катализированные реакции. По сравнению с соответствующими не катализируемыми реакциями, ферменты повышают скорость реакции в 106-1103 раз [6];
- ферменты имеют большую специфичность реакции, чем химически катализированные реакции, и они редко образуют побочные продукты;
- ферменты катализируют реакции в сравнительно мягких условиях: температура ниже 100 °С, низкое атмосферное давление и нейтральной рН. И, наоборот, для химического катализа требуются высокие температуры и давления, экстремальные значения [7,8].
Помимо обеспечения возможностей для разработки абсолютно нового полимерного материала, биотехнология может сыграть решающую роль в производстве натуральных волокон с улучшенными и модифицированными свойствами.
Ниже приводятся основные области применения биотехнологии в текстильной промышленности:
- улучшение сортов растений, используемых при производстве текстильных волокон;
- новые волокна из биополимеров и генетически модифицированных микроорганизмов;
- замена жесткой и энергоемкой химической обработки ферментами в текстильной обработке;
- разработка детергентов на основе маломощных ферментов;
- новые диагностические средства для выявления фальсификации и контроля качества текстильных изделий;
- управление отходами производства [9].
Развитие волокон, содержащих желаемые
оттенки в глубоких и насыщенных цветах, может привести к изменению принципа работы всей обрабатывающей промышленности текстильной отрасли.
Цветной хлопок производится не только по традиционной генетической селекции, но и по прямому воздействию на ДНК. Однако остается
проблема получения большого разнообразия синих тонов. Синий цвет пользуется большим спросом в текстильной промышленности, особенно для производства джинсовых тканей, для которых применяются синтетические красители. Однако ингредиенты таких красителей часто опасны, а их отходы загрязняют окружающую среду. К тому же для закрепления красителей в структуре ткани требуется время. Природный синий хлопок не имеет этих недостатков и, следовательно, имеет большой рыночный потенциал [10].
Другим крупным прорывом является выращивание хлопковых волокон, содержащих внутри их полого сердечника природный полиэфир, такой как полигидроксибутират (ПГБ), тем самым создается естественное полиэфирно-хлопковое волокно. Достигнуто содержание полиэфира в 1%, что привело к увеличению удерживания тепла тканями из этих волокон на 8-9%. Другие биополимеры, включая белки, также могут быть введены в хлопковое ядро аналогичным образом.
Ведутся исследования по разработке волокон, способных адаптироваться к потребностям текстильной промышленности, таким как: большая прочность волокна; улучшенная окрашиваемость; улучшенная стабильность размеров; уменьшенная тенденцию к усадке, смятию [11].
Применение биотехнологий для
модифицирования хлопка позволит получать хлопковые волокна с требуемыми свойствами без использования химических реагентов, отрицательно влияющих на окружающую среду.
Литература
1. Как выращивают и собирают хлопок в разных странах мира [Электронный ресурс] LIVEJOURNAL //16 окт, 2013 - Режим доступа: http://zinfira.livejournal.com/30323.html, свободный.
2. Жизненно важный материал [Электронный ресурс] GEO Неопознанный мир: Земля // 08 окт, 2013 - Режим доступа: http://www.geo.ru/puteshestviya/zhiznenno-vazhnyi-material, свободный.
3. Алексеев, А.А. о необходимости государственной поддержки биотехнологий в Российской Федерации. [Электронный ресурс] — Электрон. дан. // Вестник Курганской ГСХА. — 2012. — № 2. — С. 8-11. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/journal/issue/292237
— Загл. с экрана.
4. Современные проблемы модификации природных и синтетических волокнистых и других полимерных материалов:теория и практика. [Электронный ресурс] : учеб. пособие — Электрон. дан. — СПб. : НОТ, 2012. — 446 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/4287
— Загл. с экрана.
5. Гамаюрова, В.С. Ферменты. [Электронный ресурс] : учеб. пособие / В.С. Гамаюрова, М.Е. Зиновьева. — Электрон. дан. — Казань : КНИТУ, 2010. — 278 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/13347 — Загл. с экрана.
6. Разговоров, П.Б. Биохимические процессы. Белки, ферменты. [Электронный ресурс] : учеб. пособие / П.Б. Разговоров, С.В. Макаров. — Электрон. дан. — Иваново : ИГХТУ, 2009. — 72 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/4482 — Загл. с экрана.
7. Ягдарова, О.А. Изменение активности антиоксидантных ферментов в онтогенезе бархатцев прямостоячих в
условиях городской среды. [Электронный ресурс] / О.А. Ягдарова, О.Л. Воскресенская. — Электрон. дан. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2013. — № 1. — С. 198-201. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/journal/issue/288931 — Загл. с экрана.
8. Чешкова, А.В. Ферменты и технологии для текстиля, моющих средств, кожи, меха. [Электронный ресурс] : учеб. пособие — Электрон. дан. — Иваново: ИГХТУ, 2007. — 282 с. — Режим доступа: http://elanbook.com/book/4498 — Загл. с экрана.
9. Eco-friendly textiles through application of bio-technology [Электронный ресурс] FIBRE2FASHION. COM, WORLD OF GARMENT TEXTILE FASHION // Режим доступа:
http://www.fibre2fashion.com/industry-article/2906/eco-friendly-textiles-through-application ?page=5, свободный.
10. Revolution of Biotechnology in Textile Finishing Sector [Электронный ресурс] Textile Learner, One stop solution for textiles // Режим доступа: http://textilelearner.blogspot.ru/2013/04/revolution-of-biotechnology-in-textile.html5, свободный.
11. White Biotechnology And Modern Textile Processing [Электронный ресурс] Textile World, May 1, 2006 // Режим доступа: http://www.textileworld.com/textile-world/ dyeing-printing-finishing-2/2006/05/white-biotechnology-and-modern-textile-processing/, свободный.
© А. И. Бугаева - магистрант ФГБОУ ВО КНИТУ; С. В. Илюшина - к.т.н., доцент кафедры технологии химических, натуральных волокон и изделий, ФГБОУ ВО КНИТУ, strelfy@mail.ru; И. В. Красина - д.т.н., зав. кафедрой технологии химических, натуральных волокон и изделий, ФГБОУ ВО КНИТУ; М. В. Антонова - к.т.н., доцент кафедры технологии химических, натуральных волокон и изделий, ФГБОУ ВО КНИТУ.
© A. 1 Bugaeva - undergraduate of Federal State Educational Institution of Higher Education Kazan National Research Technological University; S. V. Ilyushina - candidate of engineering sciences, associate professor of department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Education Kazan National Research Technological University, strelfy@mail.ru; I V. Krasina - Ph.D., head the Department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Education Kazan National Research Technological University; M. V. Antonova - candidate of engineering sciences, associate professor of department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Education Kazan National Research Technological University.
