Войнов Н.А., Волова Т.Г., Зобова Н.В. Современные проблемы и методы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.10. Культура гаплоидных тканей

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 221

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 роди-

тельских форм часто не сливается с другим родительским геномом и аборти-

руется.

В результате этого образуется гаплоидная клетка, а развивающийся из

нее зародыш оказывается щуплым, невыполненным, мало способным к фор-

мированию полноценного растения, что можно исправить с помощью куль-

туры 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 пыль-

ников. Существенное влияние на эффективность гаплопродукции оказывает

ряд факторов: генотип исходных форм, степень дифференцировки незрелых

гибридных зародышей, обработка гибридных колосьев растворами физиоло-

гически 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. triarista-

ta, 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 %. Ис-

пользование таких подходов – действенный инструмент обогащения гено-

фонда культурных растений и создания новых сортов.

Дигаплоиды столового картофеля получают путем опыления сортов

пыльцой примитивных культурных диплоидных видов, способных индуци-

ровать 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 ге-

ны, дают тетраплоиды с заданным генотипом.

Установлены некоторые причины нежизнеспособности гибридных се-

мян. Удачным развитием этих работ стало использование метода эмбрио-

культуры для повышения эффективности отдаленной гибридизации.

Для получения в культуре гаплоидных тканей фертильных растений-

регенерантов вводится дополнительный этап – удвоение хромосом.

Для удвоения числа хромосом гаплоидов (диплоидизации) используют

колхицин, антибиотики, декапитацию (срезание) верхушек; нередко самоуд-

воение наблюдают в культуре каллуса при эндомитозе. Образующиеся дип-

лоидные клетки «забивают» гаплоидные и анеуплоидные ввиду более энер-

гичного деления и роста. Растения, регенерировавшие из таких клеток и тка-

ней, называют дигаплоидами.

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.10. Культура гаплоидных тканей

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 222

Гаплоидные растения представляют интерес для генетики и селекции,

так как каждый ген у гаплоида представлен единственным аллелем и рецес-

сивные аллели у таких растений проявляются наряду с доминантными. Фе-

нотип гаплоида полностью отражает их генотип, поэтому среди таких расте-

ний удобно отбирать формы с ценными мутациями. Гаплоидная технология,

отдаленная гибридизация с последующей эмбриокультурой, клеточная се-

лекция, клональное микроразмножение, основанные на культивировании

клеток, тканей и органов, уже вносят реальный вклад в селекцию растений.

Гаплоидные технологии значительно расширяют возможности селек-

ции. Главное преимущество выращивания растений из пыльцы – быстрое

создание чистых линий, что особенно важно для двудомных видов и обли-

гатных перекрестников. Для планируемых скрещиваний селекционеры могут

поддерживать родительские формы в культуре ткани вегетативно. В селек-

ции 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 тео-

ретического плана и для генно-инженерных манипуляций. От изучения гап-

лоидных клеточных линий генетики надеются получить более точные данные

о природе генных мутаций и цитоплазматической наследственности.

Культура растительных клеток и тканей представляет собой биологи-

ческую систему, в которой отсутствуют регуляторные механизмы, дейст-

вующие на уровне целого организма. Исследования, проведенные на одно-

родном клеточном материале, наряду с пониманием иерархии систем регуля-

ции 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 эф-

фективно 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 экстре-

мальные условия выращивания. В культивируемых in vitro клеточных попу-

ляциях обнаружена тенденция к высокой наследственной изменчивости ка-

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.11. Получение растений, устойчивых к различным стрессовым факторам

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 223

чественных и количественных свойств клеток. Особый интерес у исследова-

телей 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, Na

, AlCl

, K

; вод-

ный стресс, отсутствие O

; продукты метаболизма фитопатогенов и т.д.

Непрямая селекция заключается в получении растений, синтезирующих за-

щитные соединения при этих стрессовых факторах.

Предложена следующая схема получения устойчивых линий клеточ-

ных 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 перено-

сят на свежую питательную среду, и культура будет толерантной к этому

стрессору.

Традиционных методов селекции недостаточно, чтобы улучшить гено-

фонд 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 культу-

рального 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 кон-

трольного варианта и полученные после клеточной селекции были провере-

ны 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 ис-

пользуется культуральный фильтрат гриба.

Особую актуальность приобретают научные работы, посвященные се-

лекции на устойчивость к корневым гнилям зерновых, из-за широкого рас-

пространения и высокой вредоносности данной болезни. В отборе форм яро-

вого ячменя, устойчивых к корневым гнилям и перспективных для селекции

на устойчивость к данному заболеванию в условиях Восточной Сибири, ис-

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.11. Получение растений, устойчивых к различным стрессовым факторам

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 224

пользовано однократное добавление токсических метаболитов корневых

гнилей (20 %) в селективные среды на стадии пролиферации каллусных тка-

ней. Выжившие каллусы обладали способностью к стеблегенезу и ризогене-

зу. Полученные на их основе растения регенеранты в своем большинстве от-

личались устойчивостью к поражению возбудителями корневой гнили.

Одним из факторов внешней среды, которые приводят к значительному

снижению урожайности многих сельскохозяйственных культур, является за-

соленность почв. В связи с общим ухудшением экологической обстановки в

мире и широким применением искусственного орошения возрастает потреб-

ность в селекции солетолерантных форм растений. В частности, такая про-

блема весьма актуальна и для районов рисосеяния. Скрининг уже имеющих-

ся в местных сортах и популяциях вариантов дает положительные результа-

ты, но существует необходимость дальнейшего повышения солеустойчиво-

сти риса, которая в целом значительно ниже, чем у других зерновых, напри-

мер пшеницы и ячменя.

Механизмы солетолерантности еще недостаточно изучены, несмотря

на большое количество исследований. Затрудняет селекцию солетолерант-

ных растений и значительная вариабельность типов засоленности. Большие

возможности для изучения стрессоустойчивости (в том числе и солеустойчи-

вости) дает применение культуры растительных клеток. Как правило, при

прямом отборе солетолерантных клеточных линий используют питательные

среды, содержащие в качестве селективных агентов какую-либо соль.

У ряда культур уже получены путем прямой селекции клеточные линии

и растения-регенеранты, обладающие свойством солеустойчивости и сохра-

няющие его при регенерации и семенном размножении. Кроме прямого от-

бора 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 не-

благоприятных факторов внешней среды: холодового и теплового шока, вод-

ного стресса, повышенного содержания солей и др. В связи с этим представ-

ляет 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 изу-

чена чувствительность каллусных культур риса дикого типа к двум его ана-

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.11. Получение растений, устойчивых к различным стрессовым факторам

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 225

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 сор-

тов риса, несмотря на обнаруженную чрезвычайно высокую естественную

устойчивость каллусной культуры риса к аналогам пролина.

В Красноярском НИИСХ разработаны технологии создания регенеран-

тов ячменя в культуре незрелых зародышей с использованием стадии кал-

лусных тканей и селективных сред (высокие концентрации соли и низкие рН)

и получены десятки линий-регенерантов, у которых подтверждена устойчи-

вость 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 ме-

тод повышает общую неспецифическую защиту клетки и значительно увели-

чивает ее устойчивость стрессам организма.

Одним из методов получения мутантов с повышенным синтезом ами-

нокислот является отбор вариантов, устойчивых к соответствующим анало-

гам. Ранее путем селекции на устойчивость к одному из аналогов пролина –

L-азетидин-2 карбоновой кислоте – были получены солетолерантные клеточ-

ные 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 реа-

гентов, 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 по-

пуляций клеток овсяницы и полевицы – основных газонных трав на признак

солеустойчивости. Отмечается наследование толерантности к NaCl и пере-

крестная устойчивость к бишофиту (MgCl

) – основной противогололедной

соли [16

Также применяются новые селективные среды с ионами Ва

для отбо-

ра солеустойчивых клеточных линий [17

В настоящее время актуальной проблемой является повышение устой-

чивости теплолюбивых растений к действию пониженных положительных

температур (холодоустойчивости). Известно много работ, в которых показа-

но повышение холодоустойчивости посредством химических или физиче-

ских воздействий. Однако имеются лишь единичные работы, использующие

методы и технологии in vitro в целях получения холодоустойчивых форм те-

плолюбивых растений. В условиях in vitro можно задавать различные пара-

ГЛАВА 4. КУЛЬТУРА РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

4.11. Получение растений, устойчивых к различным стрессовым факторам

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 226

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 таба-

ка, риса, томата.

Каллусные культуры получали из различных частей стерильных этио-

лированных растений огурца. Холодовое повреждение (жизнеспособность)

клеток каллусных тканей определяли по восстановлению трифенилтетразо-

лия хлорида, по прижизненному окрашиванию метиленовым синим с после-

дующим 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 использо-

вали 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 восста-

новления ТТХ – формазан. Поскольку различные органы теплолюбивых рас-

тений обладают неодинаковой холодовой чувствительностью, предполагали,

что и каллусные линии, полученные из этих органов и сохраняющие эпиге-

нетические особенности, различаются по чувствительности к охлаждению.

Для оценки соотношения живых и мертвых клеток в клеточных куль-

турах использовали также прижизненное окрашивание красителями с после-

дующим подсчетом окрашенных и неокрашенных клеток.

Способность растительных клеток переносить действие стресса отра-

жается 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 происхожде-

ния. Каллусы, полученные из семядольных листьев, показали наибольший

прирост линейных размеров. Наименьший прирост к исходному размеру на-

блюдали 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 холо-

доустойчивости. В результате систематически действующего стрессового

фактора происходит адаптация клеточных культур к пониженным температу-

рам и повышение жизнеспособности клеток после стрессового воздействия.

Все исследованные факторы (различные экспланты и условия выращи-

вания) оказывают существенное влияние на холодоустойчивость каллусных

линий.

Сравнивая устойчивость каллусов различного происхождения, можно

заключить, что наиболее устойчивыми к пониженным температурам являют-

ся каллусные линии, полученные из семядольных листьев и апикальной зоны

побега.

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 227

–

Разработка и освоение новых, экологически чистых материалов, вклю-

чающихся в биосферные круговоротные циклы, соответствует концепции

экологически безопасного устойчивого промышленного развития. В «Пове-

стке дня XXI века», принятой в 1991 г. на специальной конференции ООН

по окружающей среде и развитию, акцентировано внимание на необходи-

мость разработки и внедрения новых экологически безопасных технологий и

материалов [1

Связано это с тем, что охрана окружающей среды является неотъемле-

мым компонентом устойчивого развития. Помимо того, что в результате ак-

тивной хозяйственной деятельности в настоящее время под угрозой находят-

ся все биотические и абиотические компоненты окружающей среды, в Пове-

стке дня отмечается, что на фоне увеличения населения планеты во все более

широком масштабе возрастает производство и потребление химических ве-

ществ. В связи с этим неуклонно увеличивается количество проблем, связан-

ных с охраной окружающей среды. Несмотря на все возрастающие усилия по

предотвращению накопления отходов и содействию их рециркуляции, мас-

штабы ущерба, причиняемого окружающей среде в результате чрезмерного

потребления, количество образующихся отходов и степень неустойчивого

землепользования по-прежнему увеличиваются.

Среди провозглашенных Повесткой дня приоритетов программы обо-

значена необходимость «… предотвращения, прекращения и обращения

вспять процесса деградации окружающей среды с помощью соответствую-

щих методов использования биотехнологии и других технологий при одно-

временном 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 оп-

тимальное использование природных ресурсов на основе рециркуляции био-

массы, регенерации энергии и минимизации производства отходов;

2) поощрение применения биотехнологий с уделением особого внима-

ния биологическому восстановлению земельных и водных ресурсов, обра-

ботке отходов, охране почв, лесовосстановлению, лесонасаждению и восста-

новлению земель;

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

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

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 228

3) использование биотехнологий и биотехнологической продукции для

сохранения целостности окружающей среды с целью обеспечения долго-

срочной экологической безопасности.

Для успеха реализации целей, намеченных «Повесткой дня XXI века»,

необходимо содействие и объединение усилий соответствующих междуна-

родных и региональных организаций, частного сектора, неправительствен-

ных организаций, а также академических и научных учреждений, деятель-

ность которых должна включать следующие направления:

– разрабатывать экологически безопасные альтернативные варианты

производственной деятельности и совершенствовать производственные про-

цессы, наносящие ущерб окружающей среде;

– разрабатывать практические методы минимизации спроса на эколо-

гически нерациональные синтетические химические вещества и максималь-

ного использования экологически устойчивой продукции, в том числе орга-

нической;

– изыскивать пути сокращения образования отходов, обработки отхо-

дов перед удалением и использование материалов, поддающихся биологиче-

скому распаду;

– разрабатывать методы удаления веществ, загрязняющих окружаю-

щую среду;

– поощрять применение новых биотехнологий в интересах экологиче-

ски устойчивого освоения минеральных ресурсов.

Развитие науки и техники приводит к все более широкому внедрению

высокомолекулярных полимерных соединений синтетического, а также при-

родного происхождения. Разнообразие полимеров, варьирование в широких

пределах их стереоконфигурации и молекулярной массы, возможность полу-

чения композитов в разнообразных сочетаниях с различными веществами, –

все это является основой для получения широчайшего спектра новых мате-

риалов 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 материа-

лов на душу населения увеличится к 2010 г. в США, Западной Европе и Япо-

нии с 24,5 кг до 37,0 кг. Все возрастающее использование человеком синте-

тических пластмасс стало глобальной экологической проблемой.

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-

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

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

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 229

ции из расплавов путем формования, прессования, экструзии. Термопласты

не имеют межмолекулярных связей и, как правило, состоят из линейных по-

лимерных цепей. Термоотверждаемые полимеры полимеризуются, приняв

свою окончательную форму и не могут быть переформованы с целью изме-

нения формы в результате нагрева. Как правило, полимерные цепи в этом ти-

пе полимеров имеют ковалентные межмолекулярные связи.

В зависимости от способа получения, полимеры классифицируется как

аддитивные (полимеры, полученные ступенчатой полимеризацией) и кон-

денсационные. Аддитивные полимеры (полиэтилен, полиметилметакрилат)

синтезируются в реакции присоединения свободного радикала из ненасы-

щенных мономеров, содержащих двойные углеродно-углеродные связи.

Конденсационные полимеры образуются путем совместной реакции двух по-

лимеров, в результате которой выделяется вещество с небольшим молеку-

лярным весом, например вода. Примерами конденсационных полимеров яв-

ляются полиамиды. Некоторые конденсационные полимеры могут подвер-

гаться гидролизу в организме и разрушаться.

Термин «полимерные материалы» является обобщающим. Он объеди-

няет три обширных группы синтетических пластиков, а именно: полимеры;

пластмассы и их морфологическую разновидность – полимерные композици-

онные материалы (ПКМ) или, как их еще называют, армированные пласти-

ки. Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является

полимерная составляющая, которая и определяет основные термодеформа-

ционные и технологические свойства материала. Полимерная составляющая

представляет собой органическое высокомолекулярное вещество, полученное

в результате химической реакции между молекулами исходных низкомоле-

кулярных веществ – мономеров. Полимерами принято называть высокомоле-

кулярные вещества.

Физически полимеры являются гомофазными материалами, они сохра-

няют все присущие гомополимерам физико-химические особенности. Пласт-

массами называются композиционные материалы на основе полимеров, со-

держащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и

иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы.

Они располагаются в полимерной матрице. Физически пластмассы представ-

ляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех

направлениях) физическими макросвойствами.

Пластмассы могут быть разделены на две основные группы – термо-

пластические и термореактивные. Термопластические пластмассы после

формирования могут быть расплавлены и снова сформованы; термореактив-

ные, сформованные раз, уже не плавятся и не могут принять другую форму

под воздействием температуры и давления. Почти все пластмассы, исполь-

зуемые в упаковках, относятся к термопластическим, например, полиэтилен

и полипропилен (члены семейства полиолефинов), полистирол, поливинил-

хлорид, полиэтилентерефталат, найлон (капрон), поликарбонат, поливинил-

ацетат, поливиниловый спирт и др.

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

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

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 230

Наиболее распространенными полимерами углеводородной природы

являются полиэтилен и полипропилен. Полиэтилен получают полимеризаци-

ей этилена; полипропилен – стереоспецифической полимеризацией пропиле-

на (пропена). Полиолефины – это класс полимеров одинаковой химической

природы (химическая формула – (СН

)-n) с разнообразным пространствен-

ным строением молекулярных цепей, включающий в себя полиэтилен и по-

липропилен. 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 ультра-

фиолету, окислителям, к разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раз-

диру, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориента-

ционной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и

изделий.

Около 60 % всех пластиков, используемых в настоящее время для упа-

ковки – это полиэтилен, главным образом благодаря его низкой стоимости,

но также благодаря его отличным свойствам для многих областей примене-

ния. Полиэтилен высокой плотности (ПЭНД – низкого давления) имеет са-

мую простую структуру из всех пластиков, он состоит из повторяющихся

звеньев этилена. -(CH

)

- полиэтилен высокой плотности. Полиэтилен

низкой плотности (ПЭВД – высокого давления) имеет ту же химическую

формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная. -(CH

CHR)

полиэтилен низкой плотности, в котором R может быть -H, -(CH

)

или

более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Самым крупным направлением переработки пластмасс является произ-

водство тары и упаковки. Удельный вес этого сегмента в РФ в объемах по-

требления пластмасс сопоставим с показателями в Европе (38 %) и США

(29 %). Наибольшим спросом на внутреннем рынке пользуются тара и упа-

ковка из полиэтилена и полиэтилентерефталата. Следом идут упаковочные

материалы на основе полипропилена, полистирола и поливинилхлорида.

В России обеспечение спроса внутреннего рынка на тару и упаковку осуще-

ствляется в основном за счет отечественных производителей. Экспортная со-

ставляющая 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 продук-

ции. 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 быстроразвивающим-

ся, среднегодовые темпы роста потребления изделий производственного на-

значения составляют 12 %. Эта тенденция относится не только к промышлен-

ной упаковке, но и к полиэтиленовым пакетам. Общая емкость рынка синтети-

ческой 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-