XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Введение.

С развитием промышленности человек столкнулся с возникшими экологическими проблемами. И сейчас очень важно повышать экологическую осознанность населения, обращая внимание на проблемы современного мира потребления. Многие предметы быта изготавливают из не перерабатываемых материалов. Но я нашла решение данной проблемы. Это изготовление продуктов всеобщего пользования из органического материала, в моем случае бактериальная целлюлоза, полученная из микробиологических сообществ чайного гриба. Этот материал может быть использован в различных отраслях промышленности и медицине. Уже сейчас его используют в хирургии, кулинарии, промышленности, а дизайнеры мастерят из бактериальных тканей удивительные наряды. Таким образом, проблемой является: производство предметов всеобщего пользования из не перерабатываемых материалов.

Бактериальная целлюлоза - органический материал, синтезируемый некоторыми микроорганизмами. Этот материал может быть использован в различных отраслях промышленности и медицине. Бактериальная целлюлоза обладает рядом преимуществ по сравнению с ее растительным аналогом. Микробиологическую целлюлозу способны синтезировать представители родов Agrobacterium, Achromobacter, Aerobacter, Enterobacter, Sarcina, Rhizobium, Pseudomonas, Salmonella, Alcaligenes и Mycodema.

Актуальность : Одна из культур бактерий, продуцирующих БЦ, была выделена и описана учеными Сибирского федерального университета СФУ совместно с коллегами из Института Биофизики СО РАН. Исследовав микробиологические сообщества чайного гриба, они смогли получить и описать чистую культуру уксуснокислых бактерий, способных производить бактериальную целлюлозу. Получение бактериальной целлюлозы - сложный и длительный процесс. Главным критерием успешного протекания процесса является получение максимального выхода бактериальной целлюлозы. Несмотря на ряд полезных свойств, промышленное и полупромышленное производство БЦ В России отсутствует, поэтому исследования в области разработки методики получения БЦ являются актуальными.

Гипотеза: Получение бактериальной целлюлозы на основе чайного гриба возможно в домашних условиях, как и ее дальнейшее использование для создания предметов интерьера или элементов декора одежды.

Цель работы: Разработка методики использования бактериальной целлюлозы из микробиологических сообществ чайного гриба для создания предметов общего пользования.

Задачи:

1) Поиск и литературный анализ информации о микробиологических сообществах “чайного гриба”;

2) Поиск и анализ информации о практическом использовании бактериальной целлюлозы;

3) Разработка оптимальных домашних условий для роста и биосинтеза полимера бактериальной целлюлозы;

4) Производство бактериальной целлюлозы в домашних условиях из чайного гриба;

5) Оценка возможностей использования бактериальной целлюлозы в качестве материала для создания новых тканей;

6) Разработка проекта декоративных часов с использованием бактериальной целлюлозы;

7) Выполнение проекта по изготовлению часов с использованием бактериальной целлюлозы.

Объект исследования: Симбиотические сообщества чайного гриба

Теоретическая часть.

1. Бактериальная целлюлоза: материал будущего.

1.1. Продуцент бактериальной целлюлозы.

Целлюлоза - один из наиболее распространённых природных полисахаридов, который является составным компонентом большинства растительных материалов. Недостатком большинства растительных целлюлоз (кроме хлопковой) является наличие значительного количества примесей: лигнина, гемицеллюлоз, экстрактивных и минеральных веществ. В отличие от растительной целлюлозы бактериальная целлюлоза (БЦ) имеет ряд преимуществ: высокая чистота, более высокая механическая прочность, кристалличность и гидрофильность при наличии такой же структуры, как и у растительной целлюлозы. В настоящее время ведутся исследования свойств и поиски применения БЦ.

Одним из перспективных продуцентов БЦ являются уксуснокислые бактерии Acetobacter xylinum в составе симбиотических сообществ чайного гриба.

1.2. Описание чайного гриба.

Чайный гриб- симбиоз дрожжей и уксуснокислых бактерий.

Гриб представляет собой толстую слоистую слизистую плёнку, плавающую на поверхности жидкой питательной среды (сладкого чая, сока); состоит из культуры находящихся в симбиотических отношениях микроорганизмов: дрожжеподобных грибов (Saccharomyces ludwigii, Saccharomyces cerevisiae, Brettanomyces bruxellensis, Candida stellata, Schizosaccharomyces pombe, Torulaspora delbrueckii, Zygosaccharomyces bailii и других) и бактерий (Acetobacter xylinum или другие виды рода Acetobacter) , а также содержит некоторое количество( около 2,5%) этилового спирта [7]. Штаммы микроорганизмов, составляющие «тело гриба», могут варьироваться в зависимости от места происхождения. Все вместе они создают огромную колонию, напоминающую по своему очертанию медузу желтовато-коричневого цвета. Как и у медузы, верхняя часть этой колонии блестящая и довольно плотная. Нижняя представляет собой ростковую зону со множеством свисающих вниз нитей. Л. Курсанов, предложивший для чайного гриба название Medusomyces gisevi (позже было отменено как некорректное в виду признания чайного гриба симбиотическим сообществом, состоящим из разнообразных микроорганизмов), обнаружил в них дрожжи Torula (Candida utilis) и уксуснокислые бактерии (Вacterium xulinum /xulinoides).

Дрожжи сбраживают сахар с образованием спирта и углекислоты, а бактерии окисляют этиловый спирт в уксусную кислоту. Жидкость (обычно 4—9%-й раствор сахара в слабом чае) превращается в кисло-сладкий слегка газированный напиток — «чайный квас». Чайный гриб склонен заполнять всю свободную поверхность питательной среды. Поэтому в промышленных условиях он может достигать внушительных размеров и веса до 100 кг. [8]

1.3. Выращивание чайного гриба.

Для выращивания чайного гриба в домашних условиях необходимо поместить чайный гриб в раствор крепко заваренного черного чая с добавлением сахара и инкубировать культуру микроорганизмов при теплой комнатной температуре. Через трое суток поверхность жидкости начнет затягивать маслянистая пленка, Через 3-4 недели, пленка бактериальной целлюлозы, образованная бактериями, занимает всю доступную поверхность и образует слой 1-2см

Наиболее удобное место в городских условиях для приготовления «чайного кваса» из выращенного чайного гриба - это трехлитровая банка. В банку надо залить чай и засыпать сахаром. Через неделю напиток готов. Можно получить из настоя чайного гриба уксусную кислоту, которая синтезируется в настое постепенно. Для превращения в 5-6%-й уксус, чайный гриб необходимо настаивать 2 месяца, после чего настой надо прокипятить около часа, процедить и остудить.

1.4.Состав настоя чайного гриба.

Настой чайного гриба содержит глюконовую, лимонную, молочную, уксусную, яблочную кислоты, ферменты, этанол, витамины группы В, витамины C и PP, сахарозу, кофеин. Напиток напоминает лимонад, слегка шипящий, кисло-сладкий на вкус. [8]

Согласно данным ученого Хермана Сигварта (Hermann Siegwart) настой чайного гриба на меду содержит следы алкоголя, уксусной кислоты, большие количества глюконовой кислоты, холин и другие вещества. Напиток из чайного гриба содержит сахарозу, которая гидролизуется до глюкозы и фруктозы, винный спирт, , кислоты, а также растворенный углекислый газ и некоторые ароматические вещества. В некоторых образцах такого чая можно обнаружить микроорганизмы уксуснокислого брожения, способные превращать виноградный сахар в нелетучую глюконовую кислоту. Эта кислота при избытке солей кальция, соединяясь с сахаром, выкристаллизовывается на дне сосуда. [2]

1.5. Из истории чайного гриба.

Китайские письменные источники упоминают чайный гриб со времени династии Хань (около 250 лет до н. э.). Китайцы называли его «эликсиром здоровья и бессмертия», считали, что он балансирует энергию Ци и помогает пищеварению. В Европе чайный гриб стал известен под названием «Kombucha», потому что в начале двадцатого века название напитка из гриба было ошибочно спутано с напитком «комбу-тя» из водорослей «комбу». В Японии чайный гриб называется котя-киноко, что дословно и означает «чайный гриб».

В Европу чайный гриб привезли с Дальнего Востока мореходы, непосредственно в Россию - участники русско-японской войны 1904-1905 г. В Забайкалье чайный гриб попал из Китая и был известен еще в XIX веке как лечебное средство при некоторых заболеваниях.

Первоначально ученые полагали, что чайный гриб представляет совершенно новый вид грибов. Но затем отнесли его к уже известным науке дрожжевым грибам. Исследуя под микроскопом тело гриба, состоявшее из множества клеток, расположенных отдельными группами, исследователи обнаружили в мицелии скопление клеток других микроорганизмов. Ими оказалась уксусная палочка Acetobacter xylinum, выделяющая вещество, по своему составу похожее на клетчатку.

Этот вид палочки широко распространен в природе. Bacterium xulinum содержится в соке многих деревьев. За рубежом этот вид культивируют для приготовления уксуса в домашних условиях. Был обнаружен и третий компонент - глюконовая бактерия.

Хозяйки, которые используют чайный гриб, знают, что если длительное время не подсыпать в напиток сахар, то он становится очень кислым.

В 1964 г. Р. Скленер в Германии исследовал целебные свойства чайного гриба и ввёл чайный гриб в медицинское обращение, после чего он стал популярен в Европе. [4]

1.6. Применение настоя чайного гриба.

• В ходе экспериментов, проведенных в нескольких научных учреждениях, было показано, что настой чайного гриба проявляет антибактериальную и бактерицидную активность. Он способен ингибировать рост некоторых патогенных бактерий, а также инициировать гибель других микроорганизмов.

•Настой чайного гриба оказывает обезболивающее и противовоспалительное действие.

• Медики считают, что настой чайного гриба помогает при лечении ангин, острых катаров верхних дыхательных путей, гипертонии, заболеваний желудочно-кишечного тракта, печени, желчного пузыря, геморроя и других заболеваний. Рекомендуется пить настой чайного гриба за 1 час до еды 4—5 раз в день, а также полоскать горло.

• Хорошие результаты дает применение грибного настоя при дизентерии. При дизентерии чайный квас (7-8-дневной выдержки) следует употреблять по полстакана взрослым и по 10-20 мл. детям (обязательна консультация с педиатром) 3 раза в день за час до приема пищи.

Также для лечения дизентерии чайный гриб настаивают с использованием корня калгана, кровохлебки, кожуры граната, корневища раковых шеек. Гранат обладает противовоспалительным обезболивающим действием, кровохлебка – бактерицидным (особенно на микробы дизентерийной и паратифозной группы).

• При повышенной кислотности желудка рекомендуется пить настой чайного гриба с медом, приготовленный на основе чёрного чая. Мед нейтрализует воздействие кислотной составляющей напитка.

Токсикология и побочное действие чайного гриба:

• Диабетикам и людям, страдающим ожирением, не рекомендуется употреблять настой чайного гриба из-за большого количества сахара или меда.

• Чайный гриб не рекомендуется употреблять людям, страдающим грибковыми заболеваниями. Опять же из-за сахара, который при грибковых заболеваниях вреден в любых продуктах питания.

• Возможна аллергическая реакция в случаях индивидуальной непереносимости одного из составляющих напитка чайного гриба.

• В перестоявшем настое чайного гриба образуется уксусная кислота, которая всасываясь в кровь может вызывать развитие метаболического ацидоза (снижение pH крови), повреждение эритроцитов и последующим их гемолизом (разрушением эритроцитов крови с выделением гемоглобина), развитие острого гемоглобинурийного нефроза, обусловленного отложением гемоглобина в клетках почечных канальцев, токсическую коагулопатию (нарушение свертываемости крови). [6]

1.7. Альтернативные методы использования чайного гриба.

Большинство людей воспринимают чайный гриб как напиток, на поверхности которого находится толстая слизистая пленка. Однако это не так. Мы привыкли воспринимать многие вещества в том виде, в котором они нам знакомы, но мы даже не задумываемся, что из них можно сделать совершенно другое. В целом, люди считают чайный гриб полезным напитком, который хорошо утоляет жажду и лечит многие заболевания. Однако, сложно представить, что из этой толстой, слоистой пленки можно сделать искусственную кожу, из которой в последствии можно изготавливать одежду, предметы интерьера, различные промышленные товары.

В настоящее время большое число исследователей активно развивают идею производства одежды из чайного гриба. Конечно, такая одежда имеет ряд минусов и плюсов: основное достоинство одежды из«грибной» ткани заключается втом, что материал, изкоторого она сделана,— биоразлагаемый и возвращается впочву вкачестве питательного вещества. Однако унего имеется иряд недостатков: испытания показали, что одна изсамых больших проблем— это поглощение влаги извоздуха ипота человека, носящего жилет или обувь, сделанных из этого материала. Влага размягчает ткань иделает ееменее долговечной. Другая трудность заключается вскорости производства материала— взависимости оттемпературы икомнатных условий выращивание пленки может занимать оттрех дочетырех недель. Это осложняет массовое производство.
Йанг-А Ли(Young-A Lee), профессор изУниверситета штата Айова, создавала одежду изпобочного продукта приготовления напитка чайного гриба. Йанг уже успешно создала обувь и жилет из чайного гриба. (приложение 2 рис.1-2) [3]

Йанг-А Ли и ее команда на данный момент работают над сокращением срока выращивания пленки. Cradle-to-Cradle или C2C— концепция, основанная на идее безотходных систем производства, не наносящих вреда окружающей среде. Она предлагает промышленной сфере переход на безотходную деятельность, в рамках которой осуществлялось бы максимально эффективное использование природных и уже произведенных веществ и материалов, и поддерживалась бы непрерывность их цикла. Ранее корейский дизайнер Чже Рим Ли совместно с коллегой Майком Маразработалапогребальный костюм, который после смерти людей утилизирует их останки с помощью грибов.

Существуют даже официальные сайты http://www.kombuchacouture.com/ на которых любой человек может посмотреть одежду, изготовленную из БЦ. Кроме того, в интернете можно встретить и онлайн-магазины, на которых можно заказать серьги, подвески, кулоны из БЦ (см. Приложение 2). [5]

2 . Практическая часть

Этапы практической работы:

1) Подборка опытного экземпляра.

2) Создание оптимальных условий для выращивания чайного гриба.

3) Наблюдение за ростом чайного гриба.

4) Разработка проекта создания часов из бактериальной целлюлозы.

5) Изготовление часов из бактериальной целлюлозы.

1 этап. Приобрели молодой экземпляр чайного гриба диаметром 15 см и поместили его в емкость диаметром 30 см. (см. Приложение 1 рис. 1 – 2)

2 этап. Предложили протокол для выращивания БЦ в домашних условиях. Для этого взяли емкость, для выращивания БЦ, образец БЦ и приготовили жидкую среду для выращивания. Отобрали 5 л горячей воды, добавляли в нее 5 ч.л. черного чая. Затем в эту же емкость добавили 15 с.л. сахара (по 3 с.л. на 1 л.) и 1-2 ч.л. уксуса( 5%). Приготовленному раствору дали остыть до комнатной температуры. Затем перелили приготовленный раствор в емкость и опустили в нее чайный гриб, емкость сверху накрыли марлей, для предотвращения попадания посторонних микроорганизмов на БЦ. Температура помещения, в котором культивировалась БЦ - 25 градусов. При уменьшении температуры процесс замедляется. Поставили среду с растущей БЦ в темное место, чтобы исключить попадание прямых солнечных лучей на БЦ. Один раз в месяц промывали гриб проточной водой.

Чайный гриб склонен заполнять всю свободную поверхность питательной среды. Поэтому в промышленных условиях он может достигать массы 100 кг. В хороших условиях гриб плавает на поверхности питательной среды. Если это не так, то это может указывать на недостаток сахара в среде и как следствие слабое газообразование дрожжами. Так же гриб может некоторое время находиться ниже поверхности после обработки (мойки гриба и чистки банки). Слишком интенсивная мойка гриба и помещение его в чистую емкость со свежим питательным раствором может надолго нарушить жизнедеятельность гриба, поэтому полная замена среды противопоказана.

3 этап. а) Через 14 дней на грибе образовалась тонкая пленка, а сам гриб стал белого цвета (см. Приложение1 рис. 3).

б) Через месяц толщина гриба составляла уже около 0.5 мм (см. Приложение 1 рис. 4). Промыли гриб под водой, поменяли раствор, добавив в него немного прежней среды, и продолжили выращивать гриб (см. Приложение 1 рис. 5).

в) Спустя 2 месяца толщина гриба составляла уже около 2 см (см. Приложение 1 рис. 6).

г) Промыли гриб под водой и оставили для высыхания. Период сушки гриба составил примерно 2-3 дня (см. Приложение 1 рис. 7 - 8).

4 этап.

Полученную БЦ использовали в качестве основы для часов, объединив ее с часовым механизмом и добавив цифры (сделанные из дерева). Также сделали декор из бабочек, которые изготовили самостоятельно из БЦ, добавили бечёвку. Соединили все с помощью клеевого пистолета (см. Приложение 1 рис. 9).

5 этап.

Проверили работоспособность часов. Показали, что часы полностью в рабочем состоянии (см. Приложение 1 рис . 10)

Заключение:

Нами был проведен поиск и анализ информации о практическом использовании бактериальной целлюлозы, о микробиологических сообществах “чайного гриба”.

В процессе анализа изучаемой информации были определены этапы практической работы по созданию оптимальных домашних условий для роста и биосинтеза полимера бактериальной целлюлозы.

Мы пришли к выводу, что настоящее исследование дает возможность разработки методики использования бактериальной целлюлозы из микробиологических сообществ чайного гриба для создания предметов общего пользования. Данную методику мы оформили в виде брошюры.

А так же нами были определены достоинства и недостатки использования БЦ в быту.

Достоинства БЦ:

А) Имеет красивую текстуру, эстетически привлекательно выглядит.

Б) Легко поддается окраске и требует меньшее количество красителя в сравнении с другими тканями.

В) Легко принимает любую форму при высыхании.

Г) Хорошо предохраняет тело от солнечных лучей.

Д) Он вполне пригоден для изготовления одежды, используемой в длительных экспедициях, где мало воды для стирки белья, например, в космических полетах.

Е) Экологически безопасна. После использования утилизируется как биоразлагаемые отходы

Ж) Изготовление одежды из БЦ денежно не затратный процесс.

Недостатки:

А) Целлюлоза впитывает влагу и это не делает материал идеальным для прогулки в дождливый день. Ей требуется какая - либо изолирующая оболочка, чтобы предохранять от влаги.

Б) Длительное выращивание и изготовление изделий из БЦ

Используя полученный нами материал бактериальной целлюлозы изготовили модель часов с использованием бактериальной целлюлозы, что подтвердило нашу гипотезу.

Список литературы

1. И.А.Филиппова «Зооглеи - знакомые незнакомцы» / И.А.Филиппова [Электронный ресурс] // : [сайт]. — URL: http://www.pseudology.org/health/zoogleya.htm

2. Эбботт A., Бисмарк A. "Живые компоненты с бактериальной основой" / Эбботт A., Бисмарк A. [Электронный ресурс] // : [сайт]. — URL: http://www3.imperial.ac/2009/03/uk/people/a.bismarck/publications/

3. "Биомода: Английский дизайнер выращивает одежду из бактерий" / [Электронный ресурс] // : [сайт]. — URL: http://www.ecouterre.com/2011/07/u-k-designer-grows-an-entire-wardrobe-from-tea-fermenting-bacteria/

4. История чайного гриба: откуда берется, когда зародился, страна происхождения / [Электронный ресурс] // : [сайт]. — URL: https://plodorodie64.ru/article/10106000/index.php?p=0?=post?=10106240-istoriya-chajnogo-griba-otkuda-beretsya-kogda-zarodilsya-strana-proishozhdeniya/

5. Ли Сюзанна: - The Scientist – Журнал науки о жизни / [Электронный ресурс] // : [сайт]. — URL: http://rj3sp.blogspot.com/2010/09/bio-couture-growing-clothes-from.html/

6. Сокольский И. "Медузомицет или комбуча?" / Сокольский И. [Электронный ресурс] // : [сайт]. — URL: https://www.nkj.ru/archive/articles/39741/

7. Чайный гриб // Википедия URL: https://web.archive.org/web/20160610064106/https://ru.wikipedia.org/wiki/Чайный_гриб

8. Чайный гриб в банке // URL: https://fialka.tomsk.ru/forum/viewtopic.php?t=33249

Приложение 1

Рис. 1 Молодой экземпляр.

Рис. 2 Среда для выращивания и начало культивирования.

Рис.3 Внешний вид гриба после 14 дней культивирования.

Рис. 4. Длина гриба=30 см.

Рис. 5 Обратное помещение в среду для выращивания после обработки.

Рис. 6 Внешний вид после 2 месяцев культивирования.

Ширина – 20см Диаметр – 29см

Длина – 30см

Толщина – 2см

Отслаивание целлюлозы

Рис.7 Подготовка к высушиванию и высушивание.

Рис.8 Вид после высыхания.

Рис. 9 Процесс создания часов.

Рис. 10 Готовое изделие.

Приложение 2

Рис.1Обувь из полученной ткани

Рис. 2Прототип жилета из «грибного» материала

Платье из БЦ (http://www.kombuchacouture.com/)

Серьги из БЦ (https://www.etsy.com/shop/KombuchaCouture?ref=l2-shop-header-avatar)

Кулон из БЦ (https://www.etsy.com/shop/KombuchaCouture?ref=l2-shop-header-avatar)
Перчатки из БЦ

(http://scobytec.tumblr.com/post/119169008279/scobytec-glove-bacterialcellulose)