АгроБиотехнология What do we know about them? prof. E.N.Ofitserov D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia Department of Organics & Pharmaceuticals Чебоксары 16 July 2010

2 Суть проблемы На чем должна базироваться национальная идея? Для России – это земля, культура, минеральные ресурсы, энергоносители

3 Особый путь развития России? Да, особый! Обусловлен объективными причинами: природно-климатические условия; запасы минеральных ресурсов, включая воду и энергоносители; запасы гуминовых веществ в почве.

4 Новые технологии и общество новые технологии Общество в целом, безусловно, заинтересовано во внедрении технологий рационального природопользования. На взгляд конкретного предприятия это далеко не всегда оправдано. Сбалансировать общественные и групповые и даже частные интересы обязано государство. Оно должно, с одной стороны максимально облегчить внедрение инновационных технологий в области рационального природопользования, с другой стороны понуждать предприятия к их использованию

5 Что происходит в мире … или их надо знать в лицо Ограниченный круг компаний последовательно приобретает необходимые им технологии для улучшения культурных растений и внедрения трансгенной продукции, включая соответствующие гербициды и инсектициды, а также для создания новых систем переработки и распределения. Их надо знать! «Монсанто» (59 компаний с марта 1996 по ноябрь 2001), «Доу Агро Сайенсис», «Дюпон», «Синжента» (Новартис и АстраЗенека), «Байер», «БАСФ» (14 компаний за гг) Эти ТНК контролируют 90% объемов производства и товарные цены на рынке агробиотехнологий. Россия: давайте поднимать малый бизнес!?

6 Что происходит в мире … или им верить не надо! 1. Идет потепление. Надо с ним бороться!!! 2. Тропические леса – легкие планеты. 3. Нефть в 2020 году кончится (Ванга 1986 г). 4. Все на биоэтанол и биодизель! 5. Американцы взяли Ирак, чтобы нефть была дешевой. 6. Национальные программы … или на кого работаем? 7. РАН выведет страну из кризиса! 8. Народ при царе жил мало (продолжительность жизни) 9. Структура российской экономики совершенствуется. 10. Уничтожение химического оружия или: «А тебе Аркадий это зачем надо?». 11. Караул! Цена нефти на бирже упала! Парадоксы нашего времени

7 Определение инноваций Инновация – это создание конкурентного преимущества для любого товарного продукта. Примеры: - китайские автомобили (низкая стоимость), - оригинальные фармпрепараты (защита патентом), - подсолнечное масло без холестерина (маркетинговый ход)

8 Добыча и производство сырья 1990 год, млн. м 3 лес нефть зерно Р удобрения СССР США Леса кругляка в 2000 году вывезли на 3 млрд. дол., а в 2008 – на 10.5 млрд. дол. США – 33% мировых энергоносителей

9 Расходы на оборону, $ млрд. Страна 2006 Доля, % Прирост США 528, GB 59, Франция 53, Китай 49, Япония 43,7 4 -0,5 Германия 37, Россия 34,7 3 3,4 Италия 29,9 3 -3,6 Саудовская Аравия ,6 Индия 23,

10 1. Природные энергетические ресурсы (нефть, газ) на гране исчезновения (Римский клуб, 1972). В Арктике находится 80 млр. барелей нефти и 30% мировых запасов газа + запасы гидрата метана 2. Цель политики США на осуществление контроля над крупнейшими производителями и экспортерами нефти состоит в снижении ее цены (Кувейт, Иран), Цель – удержать высокие цены 3. Цель Киотского протокола – сократить выбросы диоксида углерода («тропические леса – легкие планеты», хотя эти «легкие» находятся в другом месте), Легкие планеты находятся в РФ и Канаде. Нам должны платить по Киотскому протоколу. 4. Потепление климата на Земле – катастрофа, (Для России - благо) 4. Потепление климата на Земле – катастрофа, (Для России - благо) 5. Запад инвестирует развитие стран третьего мира («нам нужны инвестиции Запада»), Под шум про инвестиции из РФ за 20 лет вывезено около 3 трл. долларов. Каждого ограбили на 20 тыс. долларов. Такое же соотношение для стран Африки и Южной Америки. 6. Мир переживает кризис. Темпы прироста ВВП в Китае более 10%, чуть меньше в Индии и других странах, где экономику не контролирует Запад. а оказывается …

11 Роль нефти в США В настоящее время США используют: - около 1 млрд. т. или 7 млрд. баррелей нефти на общую сумму 600 млрд. долларов. Из общего количества нефти около 80 % перерабатываются в бензин с выходом 90%, т.е. получают около 720 млн. тонн бензина. При цене бензина 1 $ за литр общая выручка от продажи бензина составляет около 720 млрд $. налог с этой суммы составит 216 млрд. $. Кроме этого, государство получает налоги с транспортных компаний, с заводов, производящих бензин, отчисления в страховые фонды, налоги с зарплат работающих в нефтяном сектор. Суммарный объем платежей в госбюджет составляет около 300 млрд. $ млрд. $ от нефтехимии.

12 Возобновляемые источники Годы % Биоресурсы вынесены за рамки Киотского протокола 2015 г (США) – древесина – 15%

13 Биоэтанол Этанол т/га себестоимость, $/м 3 свекла тростник пшеница картофель топинамбур сорго ? ? синтез 540

14 Почему не более 30%? Если из 1 тонны биомассы можно получить 100 кг спирта, тогда для замены 630 млн. т бензина необходимо вырастить и переработать 6.3 млрд. тонн растительной биомассы. Если с одного га сейчас получают 30 т зеленой биомассы, тогда для выращивания такого количества биомассы необходимо задействовать 210 млн. га посевных площадей. Такого количества пашни в США просто нет.

15 Куда нам идти дешевая электроэнергия (0.1 руб. за квт/час) позволит реанимировать промышленную биотехнологию: микробиологическое производство белка для сельского хозяйства и экспорта, производство антибиотиков, производство экологически чистых микробных полисахаридов для пищевой промышленности, для увеличения нефтеотдачи, бурения, сельского хозяйства и т.д.

16 Куда нам идти Конкурентноспособная комплексная переработка сельскохозяйственного сырья, Нетрадиционные культуры и нетрадиционное растительное сырье, Назад к традициям предков (лапти на гвоздь, коноплю на поля) Повышение плодородия почвы – второй меганациональный проект

17 Особенности инновационного поля России на примере биотехнологии Особенности современного мира: - монополярность, - ограниченность ресурсов (нефть завтра закончится) - засилье виртуальности (торговля на бирже), - наличие массовых заблуждений, - массовый вывоз капитала из стран «третьего мира», - нехватка продовольствия (голодает 1 млрд. человек), - борьба с глобальным потеплением, - исчезновение лесов (тропические леса – легкие планеты), - борьба с ветряными мельницами (Афганистан), - рукотворность «экономических кризисов», - абсурдность введенных понятий (технология получения, нанотехнология которой нет, но есть технология нанообъектов, биотехнология – наука, а промышленность – биоиндустрия и т.д.)

18 Новая триада Экология Вода Пища

19 Эй, В.П.! и Биотехнология Новая триада Эй, Вэ.Пэ.! - как основной элемент стратегической политики правительства РЧ и - императив практической деятельности общества на основе Республиканской программы «Чувашия биорегион», построенной на платформе биотехнологии

20 Экология Экология окружающей среды Экология человека: - экология среды обитания, - экология органов, - экология культуры: физической, духовной, социальной

21 Экология человека Микрофлора человека микроорганизмы, обитающие на коже и слизистых оболочках, находящиеся в состоянии динамического равновесия друг с другом и с организмом человека. М.ч. важная метаболическая система, синтезирующая и разрушающая собственные и чужеродные субстанции, участвующие в адсорбции и переносе в организм человека как полезных, так и потенциально вредных агентов. М.ч. вносит значительный вклад в морфогенез тканей, метаболизм углеводов, азотистых соединений, стероидов, водно-солевой обмен, в детоксикацию различных веществ, образование мутагенов и антимутагенов, в иммунитет и т.д. Важнейшей функцией микрофлоры является ее участие в формировании колонизационной резистентности, под которой подразумевается совокупность механизмов, придающих стабильность нормальной микрофлоре и обеспечивающих предотвращение колонизации организма человека посторонними микроорганизмами.

22 Микрофлора человека Микрофлора делится на 2 группы : - постоянная (резидентная) – непатогенные бактерии на коже и в полостях тела; - факультативная (транзиторная) – непатогенные и патогенные. Микрофлора человека включает разнообразные виды микроорганизмов. Общее количество микроорганизмов, обнаруживаемых у взрослого человека, достигает 1014, что почти на порядок больше числа клеток всех тканей макроорганизма. Основу микрофлоры человека составляют облигатно- анаэробные бактерии. Даже на коже в ее глубоких слоях число анаэробов в 310 раз превышает количество аэробных бактерий. В полости рта, в толстой кишке соотношение может увеличиваться до 1000:1.

23 Микрофлора человека микроорганизмы полости рта Actinomyces, Arachnia, Bacteroides, Bifidobacterium, Candida, Centipeda, Eikenella, Eubacteriun, Fusobacterium, Haemophilus, Lactobacillus, Leptotrichia, Neisseria, Propionibacterium, Selenomonas, Simonsiella, Spirochaeia, Streptococcus, Veillonella, Wolinella, Rothia; микроорганизмы верхних дыхательных путей Bacteroides, Branhamella, Corynebacterium, Neisseria, Streptococcus; микроорганизмы тонкой кишки Bifidobacterium, Clostridium, Eubacterium, Lactobacillus, Peptostreptococcus, Veillonella; микроорганизмы уха – –Acinetobacter, Brevibacterium, Corynebacterium, Micrococcus, Propiombacterium, Sraphylococcus, Pityrosponim, Trichophyton;

24 Микрофлора человека микроорганизмы толстой кишки Acetovibrio, Acidaminococcus, Anaerovibrio, Bacillus, Bacteroides, Bifidobacterium, Butyrivibrio, Campylobacter, Clostridium, Coprococcus, Disulfomonas, Escherichia, Eubacterium, Fusobacterium, Gemmiger, Lactobacillus, Peptococcus, Peptostreptoccocus, Propionibacterium, Roseburia, Selenomonas, Spirochaeta, Succinomonas, Streptococcus, Veillonella, Wolinella; микроорганизмы кожи Acinetobacter, Brevibacterium, Corynebacterium, Micrococcus, Propiombacterium, Sraphylococcus, Pityrosponim, Trichophyton; микроорганизмы женских половых органов Bacteroides, Clostridium, Corynebacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Lactobacillus, Mobiluncus, Peptostreptococcus, Streptococcus, Spirochaeta, Veillonella.

25 Что делаем с родной микрофлорой? Уничтожаем!!! Зачем? Для того, чтобы поселилась вредная! Как уничтожаем? Средствами личной гигиены, антибиотиками, питанием, средой обитания, образом жизни.

26 К чему это приводит? Кожа - убираем синтез витамина D, который идет в эпидерме в жировом слое, получаем рахит, остеопороз, - получаем малассезиоз. В Москве в последнее время широкое распространение получает малассезиоз или Малассезиозный дерматит воспаление поверхностных слоев эпидермиса, вызванное паразитированием дрожжеподобного липофильного грибка Malassezia pachydermatis. Актуальность: на последней конференции микологов России "Всероссийская научно- практическая конференция по медицинской микологии ", ( июня 2010) в г Санкт-Петербурге была организована Секция "Малассезиоз" – сопредседатели Разнатовский К.И., Котрехова Л.П. –Почему такое внимание к малассезиозу в мире? Дело в том, что малассезиоз в большинстве случаев (до 80%) переходит в атопический дерматит, а последний в 20% случаем приводит к бронхиальной астме и другим заболеваниям. начинаем с красивого разрекламированного мыла, а заканчиваем бронхиальной астмой.

27 Что мы знаем? Учёные идентифицировали механизм, посредством которого стафилококки подавляют кожное воспаление: это происходит при посредничестве молекулы под названием LTA, действующей на кератиноциты - первичные типы клеток, встречающиеся на поверхности эпидермиса. Кроме того обнаружено, что активация рецепторов TLR3 необходима для нормального восстановления кожи после травм. Кератиноциты активируют TLR3, чтобы поддерживать нормальную воспалительную реакцию на повреждение, поэтому кожному эпителию необходимы такие рецепторы, а микрофлора кожи помогает регулировать такой иммунно-воспалительный ответ организма.

28 Что делать… Производить натуральное мыло: - твердое, - жидкое, - шампуни. Производить натуральную косметику: - натуральные масла, - натуральные экстракты растений, природных веществ, - эфирные масла Производить и принимать иммуномодуляторы, усиливающие выработку секреторных иммуноглобулинов или повышающие другие специфические и неспецифические механизмы защиты. Резюме: Необходимо разработать подпрограмму: « Создание новых биотехнологических производств продуктов индивидуальной гигиены и натуральной паракосметики на основе растительного сырья» Задачи глав: распределение областей и функций, контроль

29 микроорганизмы толстой кишки Микроорганизмы: Acetovibrio, Acidaminococcus, Anaerovibrio, Bacillus, Bacteroides, Bifidobacterium, Butyrivibrio, Campylobacter, Clostridium, Coprococcus, Disulfomonas, Escherichia, Eubacterium, Fusobacterium, Gemmiger, Lactobacillus, Peptococcus, Peptostreptoccocus, Propionibacterium, Roseburia, Selenomonas, Spirochaeta, Succinomonas, Streptococcus, Veillonella, Wolinella и их роль: - полезная, - нейтральная - вредная

30 К чему это приводит? Кишечная микрофлора

31 Изменение состава микрофлоры кишечника с возрастом

32 Состав микрофлоры – это … питание впервые эту проблему решил Великий российский император Павел I ( ) Рацион солдата: - хлеб ржаной г, - мясо (конина) – 425 г, - масло - 20 г, - сахар - 20 г, - котелок гречневой каши, - квас хлебный С этим рационом русские солдаты совершили переход через Альпы (1799 г)

33 Экологически чистая пищи Органической земледелие: Биотехнология продуктов питания, Переработка отходов производства и потребления на базе достижений биотехнологии, Законы

34 Условная градация пищевых продуктов по степени аллергизирующей активности Высокая степень Коровье молоко Рыба Яйцо Орехи (кешью, лесной,грецкий, арахис,фундук, фисташки) Грибы Мед Куриное мясо Морковь Цитрусовые Клубника, земляника Виноград, гранат Малина Дыня Ананасы Ананасы Шоколад, кофе, какао Горчица Томаты Свекла Пшеница, рожь Средняя степень Свинина Индейка Кролик Красная смородина Клюква Персики Абрикосы Картофель Горох Перец Зеленый Кукуруза Капуста Греча Рис Низкая степень Конина Баранина (нежирные сорта) Кабачки Патиссоны Репа Тыква светлой окраски Кисло-сладкие яблоки(зеленые) Бананы Белая смородина Крыжовник Слива Арбуз Миндаль Черешня белая Огурец зеленый

35 или что выращивать мясо: Конина, Баранина (нежирные сорта) овощи: Кабачки, Патиссоны, Репа, Тыква светлой окраски, Арбуз, Огурец фрукты: Яблоки (зеленые), Слива, Черешня белая, ягоды: Белая смородина, Крыжовник,

36 микроклонирование новый метод вегетативного размножения растений Процесс микроклонирования можно разделить на четыре этапа: 1) выбор безвирусного растения-донора; 2) собственно микроразмножение, когда получают максимальное количество клонов; 3) укоренение размноженных побегов с последующей адаптацией их к почве; 4) выращивание растений в теплице и подготовка их к продаже или посадке (1).

37 вторая фаза размножения

38 Как это исправить?

39 Роль бифидобактерий в организме

40 полифруктозан инулин

41 Обеспеченность инулином Потребность в инулине в сутки – г Обеспеченость: Зап. Европа г США г Roberfroid et al. (1996) Россия нет данных Чувашия нет данных По данным USDA (1999 ) инулина -2.6 г олигофруктозанов -2.5 г

42 Что такое «Актилайт»?

43 Влияние жирных кислот

44 Зависимость содержания бактерий от диеты

45 Зависимость состава жирных кислот от субстрата после 24 часов ферментации

46 схема получения инулина

47 Направления использования 1. Пищевая промышленность 2. Производство БАД 3. Производство продуктов функционального питания 4. Фармация 5. Non food

48 Синбиотики Одним из перспективных направлений использования инулина является производство следующего поколения новых функциональных продуктов, содержащих пробиотики и пребиотики, синбиотиков. Основным компонентом пребиотиков является инулин из топинамбура или цикория. Необходимо развивать два направления использования инулина – высокомолекулярного и низкомолекулярного или фруктоолигосахаридов.

49 Что делать для создания заданного микробиоценоза человека перорально применять определенные штаммы бактерий- антагонистов, отобранных из представителей микролоры человека, добавлять в рацион метаболиты анаэробных бактерий, вводить антиадгезивные антитела или лектины, блокирующие приживление посторонних микроорганизмов, принимать иммуномодуляторы, усиливающие выработку секреторных иммуноглобулинов или повышающие другие специфические и неспецифические механизмы защиты. назначение внутрь малоабсорбируемых препаратов, ингибирующих или элиминирующих рост условно (потенциально) патогенных аэробных бактерий и не влияющих на анаэробную часть микрофлоры человека.

50 Что делать… Производить низкоаллергеные продукты: - фрукты, - овощи, - ягоды, - мясо Производить продукты функционального питания: - натуральные масла, - натуральные экстракты растений, природных веществ, - пищевые волокна Производить и принимать иммуномодуляторы, усиливающие выработку секреторных иммуноглобулинов или повышающие другие специфические и неспецифические механизмы защиты. Резюме: Необходимо разработать подпрограмму: « Создание новых биотехнологических производств продуктов органического земледелия» Задачи глав: распределение областей и функций, контроль

51 БАД «Стевия» Состав - 1 капсула: Экстракт из листьев стевии (Stevia rebaudiana) 79 гр. Инулин (фруктоолигосахариды) гр Количество доз в упаковке Применение: В качестве добавки к пище взрослым принимать по 2 мерные ложечки 2 -3 раза в день во время еды, добавляя в чай, кофе и другие напитки. Хранить в сухом прохладном месте. Цена: 640 рублей.

52 Схема синтеза Олестры.

53 Олестра.

54 далее Переработка отходов производства и потребления на базе достижений биотехнологии,

55 новая подпрограмма Биоиндустрия почв на основе возобновляемого сырья и органических отходов производства и потребления как основа органического земледелия

56 цель проекта рекультивация и повышение качества почв как основы получения экологически чистой продукции и формирования благоприятной среды обитания за счет разработки и внедрения органо-минерального комплекса нового поколения

57 Задачи 1. Разработка Программы РЧ на принципах саморегулирования и восприятия гумуса как многофункциональной сложноорганизованной термодинамической системы. 2. Законодательная инициатива (экологически чистые регионы, экологически чистая продукция и др.) 3. Установление структуры гумуса на основе теории хаоса, фракталов и принципов синергетики. 4. Разработка биотехнологий гумуса. 5. Создание базовых хозяйств по производству удобрений нового поколения и почв для экспорта.

58 Гумус – was ist das? «Продукт эволюции веществ в биосфере, представляющий сложную гетерофазную, трансформирующуюся с затухающей скоростью структурно во времени и пространстве субстанцию непостоянного состава, ограниченную в существовании рамками природно- климатических условий, выполняющую субстратную, аккумулятивную, транс- портную, регуляторную, протекторную, физиологическую, детоксицирующую и термодинамическую функции и образо- ванную по законам детерминированного хаоса в условиях нелинейной термодинамики». Eugene Nutschinsky

59 Гумус – это: - плодородие почв, - экология среды, - понижение энтропии биосферы, - стратегический товар, - то, что можно передать потомкам, - национальное достояние, более ценное чем нефть и газ.

60 Что есть гумус почв и зачем он нужен? Корни термина "гумус" уходят вглубь веков к римлянам, которые употребляли его для того, чтобы описать почву в целом. Валлериус впервые обозначил гумус (1761 год) как ферментированное органическое вещество. Гумус - комплекс, формирующийся в почве из растительных остатков путем специального процесса называемого "гумификацией". Де Сауссур, в работе "Recherches Chimiques Sur La Vegetation" уделил большое внимание гумусу. Он писал, что гумус не является однородной субстанцией и состоит из большого количества комплексных веществ, Ю. Либих как о "коричневой субстанции разлагаемой в щелочи, при этом в воде она растворяется неохотно, а получается из растений под действием кислоты и щелочи". Ваксман определяет гумус как "…аморфный комплексный субстрат коричневого или черного цвета, который происхождением своим обязан разложению органических остатков растительного и животного происхождения, перерабатываемый м.о. в аэробных и анаэробных условиях".

61 Не все так очевидно! Госпожа Кононова (СССР) «сделала несколько очень экстравагантных утверждений о влиянии гуминовых кислот на почву». Она сообщила о времени, на протяжении которого гумус оказывает полезное влияние на плодородие почвы и рост растений, но проигнорировала работы, в которых ученые обнаружили вредный или просто не обнаружили полезного эффектов. Краткий обзор литературы показал противоречивые результаты. Практически на каждую ссылку об успехе гумуса можно найти ссылку на его провал. Очевидно, что из групп веществ, которые могут быть извлечены из гумуса при помощи щелочи (гуминовые кислоты), есть как те которые положительно влияют на плодородие так и те, которые не оказывают никакого влияния. Джекинсон и Тинсли показали, что лигно-протеины (гуминовый материал) из различных источников имеет различное излучение в инфракрасном излучении. Максимов и Ливски продемонстрировали различие реакций растений на гуминовые удобрения, в зависимости от методов их приготовления. Поэтому, очевидно, следует предполагать, что источник и способ получения будут особенно важны при решении вопроса искусственного производства гумуса.

62 Общепринятая трактовка гумуса

63

64

65

66 Гумус как объект нанобиотехнологии

67 Структура гумуса Kleinhempel, 1970

68 Гуминовые вещества humic substances = Гуминовые кислоты + + хитин и его производные + + меланины + + ортокремниевая кислота и ее производные суммарно – почвенная наночастица или элемент педа

69 Что дает биотехнология гумуса биогумус основа почвогрунтов стимуляторы роста регенерация почв биосредства защиты растений секвестрация диоксида углерода вермифармацевтика

70 Побочные продукты биотехнологии почв и их использование Rao в 1986 сообщил: энзимы из тканевых жидкостей червей могут растворять фибрин тромбов. Li еще в1988 показал ингибирующее влияние экстракта из червей на образование тромбов. Сравнивались 6 показателей, включая вязкость, время развития протромбоза, время образования характерного тромба, время растворения фибрина тромба, размер и вес тромба. Cheng (1989) изучал влияние различных экстрактов из червей на скорость разрушения тромба у кроликов, на коагуляцию цельной крови, на плазму крови с тромбоцитами и сгусток чистого фибрина у человека. Результаты опытов показали, что тотальный экстракт и белковые фракции дождевых червей обладали существенным положительным воздействием на растворение различного рода тромбов кролика и человека. Способность растворять тромбы была открыта в опытах при прямом гидролизе фибрина Выпускается в КНР препарат.

71 Другие направления Влияние на кардиоваскулярную систему. Влияние на респираторную систему. Влияние на гладкие мышщы матки. Сперматоцидные свойства дождевых червей Кислоты, находящиеся в тканях дождевых червей, могут агглютинировать и убивать сперматозоиды. Свойство сперматоцидности дождевых червей используется в Китае для планирования семьи (Zhang) Антираковые свойства. Новый вид противораковой медицины под названием «FU NAI KANG» (ФУНАЙКАН) успешно развивается в Китае (Wenkai, 1998). Лечение трахеальной и бронхиальной астмы. Лечение эпилепсии. Лечение гипертонии. Лечение экземы, крапивницы и анафилаксии. Лечение осложнений после энцефалита В. Лечение мочекаменной болезни.

72 Влияние на проростки рапса

73 Влияние на проростки овса

74 Петунии, выращенные на вермикомпосте

75 ВЛИЯНИЕ ВЕРМИКОМПОСТОВ НА ПОПУЛЯЦИИ ПОЧВЕННЫХ НЕМАТОД Виды, паразитирующие на растениях Виды, питающиеся грибами Виды, питающиеся бактериями

76 ПОПУЛЯЦИИ НЕМАТОД, ПАРАЗИТИРУЮЩИХ НА РАСТЕНИЯХ Все растения получали сбалансированное питание ТОМАТЫЗЕМЛЯНИКА ПЕРЕЦВИНОГРАД

77 ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ СЕКСУАЛЬНОЙ ЖИЗНИ У МУЖЧИН

78 Thanks' for your kind attention