CC BY
243
УДК 621.384.52
UDC 621.384.52
ВЛИЯНИЕ ОЗОНОВОЗДУШНОИ СМЕСИ НА INFLUENCE OF OZON-AIR MIX ON THE
ВРЕДОНОСНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ, СОДЕРЖАЩИЕСЯ В СУБСТРАТАХ
Шевченко Андрей Андреевич доцент, [email protected]
Сапрунова Елена Анатольевна доцент, [email protected]
Денисенко Евгений Александрович ассистент, [email protected] Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
Статья посвящена обоснованию воздействия озоновоздушной смеси при стерилизации растительных субстратов и фуражного зерна в процессе биотехнологического производства
Ключевые слова: ОЗОНОВОЗДУШНАЯ СМЕСЬ, СТЕРИЛИЗАЦИЯ КОРМОПРОДУКТОВ, ГЕНЕРАТОР ОЗОНА
HARMFUL MICROORGANISMS CONTAINING IN SUBSTRATA
Shevchenko Andrey Andreevich associate professor, [email protected]
Saprunova Elena Anatolyevna
associate professor, [email protected]
Denisenko Evgeniy Aleksandrovich
assistant, [email protected]
Kuban state agrarian university, Krasnodar, Russia
Article is devoted to justification of influence of ozon-air mix at sterilization of vegetable substrata and fodder grain in the course of biotechnological production
Keywords: OZON-AIR MIX, STERILIZATION OF FOOD PRODUCTS, OZONE GENERATOR
При дезинфекции растительных субстратов нам необходимо максимально снизить количество вредоносных микроорганизмов, отрицательно влияющих на развитие полезной биомассы. К данным микроорганизмам относят бактерии, бациллы, а так же плесневые грибы и продукты их жизнедеятельности - токсины [7]. Рассмотрим воздействие озона на каждый вид вредоносной микрофлоры.
Бактерии - большая группа микроскопических, преимущественно одноклеточных организмов, обладающих клеточной стенкой, содержащих много дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), имеющих примитивное ядро, лишённое видимых хромосом и оболочки, не содержащих, как правило, хлорофилла и пластид, размножающихся поперечным делением (реже перетяжкой или почкованием). Подавляющее число видов бактерий имеет палочковидную форму. Однако к бактериям относят также микроорганизмы, имеющие шаровидную, нитевидную или извитую форму [3]. Бактерии разнообразны по своей физиологии, биохимически очень активны и распространены в почве, воде, грунте водоёмов и пр., что
характеризует их значительное присутствие на продуктах сельскохозяйственного производства [1].
Все бактерии имеют клеточную стенку (рисунок 1). Помимо этого у ряда бактерий стенка окружена слизистой капсулой. Данная оболочка защищает бактерию от внешних воздействий и препятствует разрушению клетки.
X л
19
Рисунок 1 - Схема строения бактериальной клетки: 1 - слизистый слой; 2 -клеточная оболочка (стенка): 3 - начало образования поперечных
перегородок; 4 - цитоплазматическая оболочка; 5 - ядро в начале деления, 6 - спора; 7 - мезосомы; 8 - частицы РНК; 9 - включения; 10 - жгутик
Существуют сотни различных видов бактерий, которые объединены в 2 основных типа:
1. Непатогенные организмы. Полезные или безопасные виды бактерий, которые выполняют много полезных функций - вроде разложения, которые помогают улучшать и многократно использовать почвенный слой. Безвредных бактерий гораздо больше, чем патогенных (опасных) бактерий (молочнокислые бактерии, пробиотики и др).
2. Патогенные организмы. Известны патогенные (инфицирующие) бактерии, или микробы, которых множество на коже, в воде и в воздухе. Болезнетворные бактерии хотя и находятся в меньшинстве,
но вызывают значительные нарушения, попадая внутрь растения или животного. Патогенные бактерии опасны, поскольку вызывают болезни. К таким бактериям относят:
• Кокки - организмы округлой формы, обнаруживаются одиночно или в группе (рисунок 2).
Рисунок 2 - Различные типы структур кокков: (а) стрептококки, (Ь) диплококки, (с) тетракокки, ^) сарцины, (е) стафилококки
• Бациллы - организмы палочковидной формы, короткие, относительно тонкие или толстые (рисунок 3). Самые распространенные бактерии. Вызывают такие болезни, как столбняк, грипп, тифозная лихорадка, туберкулез, сибирскую язву и дифтерию. Многие бациллы образуют споры.
Рисунок 3 - Фото различных бацилл
• Спириллы - организмы спиралевидной формы. Обитают в водоемах, спор не образуют (рисунок 4).
Рисунок 4 - Фото различных спирилл
На растительных субстратах наиболее распространены различные виды кокки и бациллы. Но наиболее опасными для человека и животных являются бациллы [6].
Бацилла - палочковидная бактерия, способная образовывать споры. Бациллы могут образовать парные соединения - диплобациллы и цепочки -стрептобациллы. Примером стрептобациллы, дающей характерные и очень длинные, в виде извитых нитей, цепочки, является сибироязвенная палочка.
Образование спор служит одним из существенных признаков для классификации микробов. В зависимости от положения споры в клетке изменяется форма бациллы. Это и у возбудителя столбняка Clostridiumtetani, у которого споры обычно находятся на концах клеток, придавая последним форму барабанных палочек. Такие формы бактерий называются клостридии.
У других форм, например у маслянокислых, споры образуются в средней части клеток, отчего последние получают веретенообразную форму - плектридии.
Бациллы являются аэробами или факультативными анаэробами, большинство представителей хемоорганогетеротрофы и растёт на простых питательных средах. Некоторые виды способны к нитратредукции. Крупные и среднего размера прямые или слабоизогнутые палочки, способные к образованию устойчивых к неблагоприятным воздействиям эндоспор (экстремальным температурам, высушиванию, ионизирующим излучениям, химическим агентам), большинство видов подвижно и обладают жгутиками расположенными перетрихиально.
В процессе жизнедеятельности клетки бактерий и бацилл осуществляют клеточное дыхание - это процесс высвобождения химической энергии, запасенной в «пищевых» молекулах, для ее дальнейшего использования в жизненно необходимых реакциях. Дыхание может быть аэробным и анаэробным. В первом случае для него необходим кислород. Он нужен для работы т.н. электронотранспортной системы: электроны переходят от одной молекулы к другой (при этом выделяется энергия) и в конечном итоге присоединяются к кислороду вместе с ионами водорода - образуется вода. Анаэробным организмам кислород не нужен, а для некоторых видов этой группы он даже ядовит. Высвобождающиеся в ходе дыхания электроны присоединяются к другим неорганическим акцепторам, например нитрату, сульфату или карбонату, или (при одной из форм такого дыхания - брожении) к определенной органической молекуле, в частности к глюкозе. Необходимость дыхания бактерий и бацилл способствует проникновению окружающих газов под их клеточную оболочку, что при обработке озоном позволит беспрепятственно доставить его внутрь клетки.
Озон, попадая внутрь клетки, разрушает ее клеточную оболочку, что приводит к ее гибели. Причиной нарушения целостности оболочек бактериальных клеток, является окисление фосфолипидов и липопротеидов
[4].
Липопротеиды - липидно-белковые комплексы. Отдельные представители этой большой группы веществ различаются по физическому и химическому строению. Все липопротеиды очень чувствительны к действию различных факторов: нагревание, замораживание, высушивание, реакция среды, действию окислителей, органических растворителей.
Характер связи между липидным и белковым компонентами может быть различным: в одних случаях липидные молекулы (жирные кислоты и др.) связаны с определенными функциональными группами белковой молекулы; в других - белок соединяется с целым комплексом липидных молекул, образующих мицеллярные агрегаты или пленочные структуры.
Озон - как один из сильнейших окислителей разрушает (расщепляет) сложные органические соединения на фрагменты. При воздействии даже кислорода воздуха (менее сильного окислителя, чем озон) макромолекулы липопротеидов разрушаются по месту связей липидной части и белковой, затем расщепление идет на более мелкие фрагменты[5]. Липидная часть окисляется до появления низкомолекулярных летучих веществ, образуются перекисные соединения, оксикислоты, альдегиды, кетоны. Фрагменты макромолекул - это среда для жизнедеятельности микроорганизмов. Разрушение структуры белка называется денатурацией.
Фосфолипиды (фосфатиды) - сложные липиды, являющиеся
сложными эфирами фосфорной кислоты и глицерина или сфингозина. В зависимости от природы спирта, лежащего в основе химической структуры того или иного фосфатида, различают глицерофосфатиды и сфингофосфатиды.
Молекула любого фосфатида состоит из 2 частей:
1) Гидрофильной «головы» - полярные остатки фосфорной кислоты
0
1 +
0=Р —о —X
О и азотистого основания или спирта.
2) Гидрофобного, липофильного «хвоста», образованного длинными алифотическими цепями остатков высших жирных кислот.
Фосфатиды легко образуют комплексы с белками.
Озон подавляет бактерии и вирусы, частично разрушая их оболочку. Прекращается процесс их размножения и нарушается способность соединяться с клетками организма. Грам-положительные бактерии более чувствительны к озону, чем Грам-отрицательные, что видимо связано с различием в строении их оболочек. Таким образом, можно сделать вывод, что озоновоздушная обработка оказывает отрицательное влияние на процессы жизнедеятельности бактерий и способствует их уничтожению.
Помимо бактерий на поверхности субстрата находятся споры плесневых грибов. Грибы составляют большую группу организмов, которые выделены в отдельный подвид Микота (Mycota). Грибы широко распространены в природе, они являются эукариотами. В подвид грибов входят микроскопические мицелиальные грибы (ранее их называли плесневыми грибами).
Представителями микроскопических мицелиальных грибов являются грибы родов Аспергиллус (Aspergillus), Пенициллиум (Penicillium), Мукор (Mucor), Фузариум (Fusarium) и другие, которые относятся к различным классам (рисунок 5).
Рисунок 5 - Фото плесневых грибов
Многие плесневые грибы вырабатывают вторичные метаболиты — антибиотики и токсины, угнетающе или токсично действующие на другие живые организмы.
О проблеме токсинов известно более 40 лет. Но уже многие сельхозтоваропроизводители убедились на практике, что токсины в кормах далеко не редкость и об этой проблеме уже не спорят, а принимают различные меры для профилактики вызываемых ими заболеваний и снижения экономического ущерба.
Токсины - это группа химических веществ, которые продуцируются некоторыми плесневыми грибами, в частности многими видами Aspergillus, Fusarium, Penicillium, Claviceps и Alternaria, реже другими. При этом надо указать, что образование грибами токсинов всегда является результатом сложных взаимодействий между влажностью, температурой, уровнем рН, концентрациями кислорода и углекислого газа, наличием насекомых, распространенностью грибов в объеме корма и длительности его хранения.
Микотоксины, образующиеся в кормах, являются вторичными метаболитами жизнедеятельности грибов и представляют довольно устойчивые вещества, которые обладают тератогенным, мутагенным и канцерогенным эффектами, способные нарушать белковый, липидный и минеральный обмен веществ и вызывать регрессию органов иммунной системы.
Микотоксикозы в зависимости от их природы, концентрации микотоксинов в рационе, вида животного, возраста, условий кормления и состояния иммунитета проявляются:
• снижением продуктивных параметров с/х животных и птиц;
• снижением эффективности использования кормов на производство продукции;
• нарушением репродуктивно-воспроизводительных функций;
• ослаблением иммунной системы организма;
• повышением восприимчивости к заболеваниям (кокцидиоз, колибактериоз и др.);
• увеличением материальных затрат на лечение и профилактические мероприятия;
• приводят к ослаблению действия вакцин и медикаментов.
Опасность микотоксинов, помимо снижения продуктивных качеств в
животноводстве и птицеводстве, заключается и в переходе их в биотрансформированном или неизменном виде в продукцию животноводства и птицеводства, что представляет собой опасность для здоровья людей.
В животноводстве наиболее ощутимое (видимое) негативное действие наблюдается от афлатоксинов и зеараленона (рисунок 6). Из четырех основных представителей афлатоксинов, а именно (В1, В2, 01,
02) наиболее токсичным и обнаруживаемом в кормах в наибольшем количестве является афлатоксин В1. Он же является самым токсичным из всех микотоксинов и вообще из ядовитых веществ в кормах.
сн3 сн3
Рисунок 6 - Химические структуры различныхафлатоксинов
Опасность афлатоксина В1 и зеараленона в животноводстве на сегодняшний день недооценена. В практике животноводства есть мнение о том, что жвачные животные менее восприимчивы к вредным действиям микотоксинов, из-за высокой активности микрофлоры рубца. Однако, анализ имеющейся научной литературы показывает, что метаболиты токсинов образующиеся в рубце, могут быть также или еще более ядовитыми, чем первоначальные токсины. Это позволяет утверждать, что жвачные животные не защищены эффективно от афлотоксинов, в том
числе и от B1. В первую очередь это связано с ограниченной деградацией афлатоксина В1 в рубце.
Афлатоксины продуцируются грибами Aspergillusflavus и A. parasiticus и являются производными кумарина и относятся к стерололактонам. Они являются одними из сильных гепатропных ядов (поражают печень, вызывая ее жировое перерождение, обладают выраженными канцерогенными свойствами, так же отмечены поражения и других органов - сердца, почек, селезенки). В связи с тем, что субстраты для биотехнологического производства получают из сельскохозяйственной продукции, они также заражены токсичными веществами.
Рассмотрим вопрос влияния озона на токсины образованные в процессе жизнедеятельности плесневых грибов Aspergillusflavus, Fusarium, Penicillium, Claviceps, Alternaria и др.
Был произведен анализ наиболее опасных афлотоксинов и мы обнаружили, что у всех них похожая химическая структура. Поэтому на примере афлотоксина В1 рассмотрим его взаимодействие с озоном и атомарным кислородом. На рисунке 7 видно, что при взаимодействии афлотоксина В1 с атомарным кислородом происходит разрушение химических связей с образованием молекулы воды.
О
О
Рисунок 7 - Окисление афлотоксина В1 атомарным кислородом
При взаимодействии афлотоксина В1 с более сильным окислителем -озоном, происходит также разрушение химических связей с образованием молекулы воды и молекулы кислорода [2] (рисунок 8).
При контакте афлотоксина с озоном или атомарным кислородом происходит разрушение функциональных групп, обуславливающих токсические свойства. Образующиеся при этом метаболиты
характеризуются высоким содержанием гидрофильных групп, вследствие чего легко вымываются из субстрата.
Рисунок 8 - Окисление афлотоксина В1 озоном
Проведенные теоретические исследования позволяют говорить о эффективности использования озона с целью дезинфекции биотехнологических субстратов кормовых добавок.
Для подтверждения теоретических исследований необходимо провести экспериментальное исследование влияния озона на вредоносную микрофлору субстратов. Помимо этого необходимо выявить параметры, влияющие на нагрев электроозонатора и определить пути снижения их влияния на температуру диэлектрических барьеров, что позволит увеличить срок службы генераторов озона.
О
+ Н 20 + О 2
О
Литература
1. Нормов Д.А. Обеззараживание зерна озонированием / Д. А. Нормов, А. А. Шевченко, Е.А. Федоренко // Комбикорма - М.: Фолиум, 2009. - № 4. - С. 44.
2. Нормов Д.А. Озон против микотоксикозов фуражного зерна / Д.А. Нормов, А. А. Шевченко, Е.А. Федоренко // Сельский механизатор. - М.: 2009. - № 4. - С. 24-25.
3. Нормов Д.А. Влияние озоновоздушной обработки на фитопатогенную микрофлору в овощехранилище / Д.А. Нормов, А.А. Шевченко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар: КубГАУ. - 2008. - № 13. - С. 208-210.
4. Нормов Д.А., Шевченко А.А., Шхалахов Р.С., Квитко А.В. Способ обработки яиц в инкубаторах / Патент на изобретение RUS 2343700. 08.10.2007
5. Потапенко И.А., Усков А.Е., Шевченко А.А., Квитко А.В. Устройство для предпосевной обработки семян / Патент на полезную модель RUS 97237. 13.10.2009
6. Шевченко А. А. Воздействие озоновоздушной смеси на популяцию плесневых грибов / А.А. Шевченко, Е. А. Денисенко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар: КубГАУ. - 2011. - Т. 1. № 29. - С. 191-195.
7. Шевченко А.А. Дезинфекция субстратов озоновоздушной смесью перед приготовлением биопрепаратов / А.А. Шевченко, Денисенко Е.А. // Научное обозрение. - М.: ООО «АПЕКС 94». - 2013. - № 1. - С. 102-106.
References
1. Normov D.A. Obezzarazhivanie zerna ozonirovaniem / D.A. Normov, A.A. Shevchenko, E.A. Fedorenko // Kombikorma - M.: Folium, 2009. - № 4. - S. 44.
2. Normov D.A. Ozon protiv mikotoksikozov furazhnogo zerna / D.A. Normov, A.A. Shevchenko, E.A. Fedorenko // Sel'skij mehanizator. - M.: 2009. - № 4. - S. 24-25.
3. Normov D.A. Vlijanie ozonovozdushnoj obrabotki na fitopatogennuju mikrofloru v ovoshhehranilishhe / D.A. Normov, A.A. Shevchenko // Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - Krasnodar: KubGAU. - 2008. - № 13. - S. 208210.
4. Normov D.A., Shevchenko A.A., Shhalahov R.S., Kvitko A.V. Sposob obrabotki jaic v inkubatorah / Patent na izobretenie RUS 2343700. 08.10.2007
5. Potapenko I.A., Uskov A.E., Shevchenko A.A., Kvitko A.V. Ustrojstvo dlja predposevnoj obrabotki semjan / Patent na poleznuju model' RUS 97237. 13.10.2009
6. Shevchenko A.A. Vozdejstvie ozonovozdushnoj smesi na populjaciju plesnevyh gribov / A.A. Shevchenko, E.A. Denisenko // Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - Krasnodar: KubGAU. - 2011. - T. 1. № 29. - S. 191-195.
7. Shevchenko A.A. Dezinfekcija substratov ozonovozdushnoj smes'ju pered prigotovleniem biopreparatov / A.A. Shevchenko, Denisenko E.A. // Nauchnoe obozrenie. -M.: OOO «APEKS 94». - 2013. - № 1. - S. 102-106.
