Российские ученые получили стабильный ферментный препарат для применения в сельском хозяйстве
Фосфор — один из важнейших элементов для сельского хозяйства. Он нужен животным для роста костей и обмена веществ, а растениям для развития корней и созревания плодов. Но большая часть фосфора, уже присутствующего в почве и кормах, находится в недоступной для животных и растений форме. Это требует добавления специальных ферментов, которые помогают увеличить усвояемость данного элемента. Проблема в том, что сегодня препараты на основе таких ферментов быстро разрушаются при нагревании, теряют свои свойства, из-за чего многократное их использование невозможно. В результате фермерам приходится покупать больше добавок, что ведет к росту затрат на выращивание растений и содержание животных. Ученые Пермского Политеха и Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН впервые выделили фермент из бактерий, обитающих в среде содового шламохранилища. Его модифицированные формы проявляют 95–97% активности, а также работают в 1,5–2 раза дольше существующих аналогов. Разработка позволяет снизить затраты на дорогие минеральные добавки.
Статья опубликована в журнале «Прикладная биохимия и микробиология». Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
Среди множества минеральных элементов, используемых в сельском хозяйстве, особую роль играет фосфор. Он необходим животным, так как входит в состав костной ткани, участвует в энергетическом обмене, поддерживает работу нервной системы и процессы деления клеток. Не менее значим фосфор и для растений: он стимулирует развитие корней, ускоряет цветение и созревание плодов, повышает устойчивость к засухе и болезням.
Данный элемент уже присутствует и в почве, и в кормах для животных, но находится в биологически недоступной для них форме и не усваивается. Это приводит к тому, что животные чаще болеют, их иммунитет ослабевает, размягчаются кости, а также снижается продуктивность: куры дают меньше яиц, коровы — меньше молока. Дефицит сказывается и на растениях: они медленно растут, поздно цветут, плоды мельчают, а урожайность падает.
Чтобы высвободить этот «недоступный» фосфор, нужен особый фермент — фитаза. Это белок, который осуществляет биохимические реакции в организмах, а также расщепляет соли фитиновой кислоты, содержащиеся в зерне, семенах и кормах, делая фосфор доступным для животных и растений. Фитаза повышает усвояемость этого минерального элемента и позволяет снизить потребность в дорогостоящих добавках.
В промышленности этот фермент часто используют в свободной форме, то есть просто растворяют в жидкости. Это самый простой, однако неэффективный способ, поскольку природная форма фитазы чувствительна к внешним условиям. При нагревании, резких изменениях кислотности или даже при долгом хранении она быстро теряет свойства. В результате большая часть фермента разрушается до того, как успевает выполнить свою функцию, что делает его использование экономически невыгодным. Другой способ — иммобилизация, то есть закрепление на твердом носителе. При таком подходе фермент становится более устойчивым к воздействию высоких температур, менее подвержен разрушению, однако традиционные методы иммобилизации, применяющиеся исследователями, часто приводят к снижению его активности (до 50–70%).
Основной проблемой при производстве кормов на основе фитаз является их разрушение под действием высоких температур. Фермент значительно снижает свою активность, из-за чего дальнейшее его использование требуется уже в больших объемах, что приводит к увеличению затрат. Еще одной сложностью является способность фитаз работать в основном в кислой среде, характерной для желудка животных. В других же отделах пищеварительной системы активность фермента падает, что приводит к снижению усвояемости фосфора организмом и также требует использования добавок в большом количестве.
В связи с этим, для сельского хозяйства очень важен такой фермент, который бы выдерживал нагревание при производстве кормов, работал в изменяющихся внешних условиях, а также сохранял свои свойства после нескольких применений.
Ученые Пермского Политеха и Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН впервые выделили фитазу из бактерий, обитающих в среде содового шламохранилища. Фермент при нагреве разрушается медленнее, сохраняет активность при разной кислотности среды и работает в 1,5–2 раза дольше по сравнению с существующими аналогами.
Исследователи использовали в качестве среды для выделения именно содовый шлам, поскольку он отличается более агрессивными условиями – высокой щелочностью и высокой концентрацией солей. Там обитают микроорганизмы, устойчивые к неблагоприятным воздействиям окружающей среды. Это позволит применять их в условиях нагрева и перепадов кислотности.
Из выделенных бактерий ученые получили фитазу. Но сам по себе природный фермент — это растворенный белок, поэтому его необходимо было закрепить на твердом носителе.
— Мы попробовали два известных способа закрепления. Первый — физический: раствор фитазы добавили в гель из альгината – вещества, извлекаемого из бурых водорослей, и далее придали ему форму, получив маленькие шарики, внутри которых находился фермент. Второй способ — химический: фермент прикрепили к поверхности гранул из хитозана – вещества, которое получают из панцирей ракообразных. Нами были выбраны именно данные материалы, поскольку их нередко используют в биотехнологии: они не токсичные, дешевые и безопасные для животных и растений, — рассказала Ксения Иванова, студентка кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ.
Однако даже при использовании известных способоы иммобилизации для каждого конкретного образца необходимо изучить влияние закрепления на твердом носителе на конечные свойства. Ученые измеряли, сколько активности сохраняется при воздействии различных температур и кислотности среды, а также при многократном ее использовании.
— Полученные образцы мы сравнили с другими фитазами, которые уже используются в сельском хозяйстве. Результаты анализа показали, что при закреплении на носителе удалось сохранить 95–97% активности. У других препаратов при иммобилизации активность падает в среднем до 50–70%. Фермент также сохранял активность в очень широком диапазоне pH — от 3 до 12. У аналогов диапазон работы уже: большинство активны только в кислой среде (pH 4–6), а при повышении pH быстро теряют активность, — поделилась Юлия Максимова, заведующая лабораторией молекулярной биотехнологии Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН.
Наиболее значимый результат связан с длительностью использования фермента. После шести циклов работы подряд закрепленная фитаза сохраняла 70% своей исходной активности. Это означает, что один и тот же препарат можно использовать многократно, что значительно снижает затраты. Для сравнения: существующие фитазы после 4–5 циклов использования сохраняют не более 50–60% активности. У некоторых аналогов этот показатель падает до 38–43%. Таким образом, разработка пермских ученых работает в 1,5–2 раза дольше, чем известные ферменты.
Полученный препарат можно использовать в кормопроизводстве, чтобы повысить усвояемость фосфора. Это позволит снизить добавление дорогих и экологически опасных минеральных добавок. Кроме того, фитазу можно вносить непосредственно в почву. Фермент высвободит связанный фосфор из органических соединений, и растения смогут его усваивать. Это снизит потребность в удобрениях и позволит сделать сельское хозяйство более экологичным.