Инновации 5 декабря 2023

Резина из одуванчиков

Натуральный каучук из крупного одуванчика кок-сагыза, введенного в хозяйственный оборот в СССР еще в 1930-е годы, ожидает второе рождение: Сибирское отделение РАН заключило договор о создании технологий выращивания кок-сагыза в полевых и контролируемых условиях с компанией «Татнефть»
Резина из одуванчиков
Каратау. Здесь на небольшой территории природа создала около 1800 видов растений, 150 из которых - эндемики, больше они нигде не встречаются. Здесь и нашли кок-сагыз
Юрий Манаков

Б ыстрое развитие автомобильной и авиационной промышленности в мире в XX веке привело к буму производства резины. В поисках альтернативы бразильскому каучуконосу гевее советские ученые исследовали более тысячи растений и остановились на крупном одуванчике кок-сагызе, найденном вблизи Алма-Аты в ходе масштабных научных экспедиций 1930-х годов. Кок-сагыз обладал меньшим процентом выхода каучука, чем его родственник тау-сагыз (гигантский одуванчик), но оказался способен произрастать на черноземах, а не только на склонах гор, как тау-сагыз. И кок-сагыз начали выращивать на территории СССР повсеместно. Центральные газеты пестрели новостями об успехах в возделывании этой культуры. Но в 1950‒1960 годы каучук из кок-сагыза начал постепенно вытесняться синтетическим каучуком.

Сейчас мы находимся на пороге возврата культуры в сельскохозяйственный оборот. Синтетический каучук не во всем себя оправдал. Он не так эластичен, как натуральный, а кроме того, не так безопасен, что имеет первостепенное значение, когда речь идет о производстве медицинских изделий, детских сосок, игрушек, прорезывателей и всего ассортимента резинотехнических изделий, которые непосредственно соприкасаются с телом человека, например протезов или чехлов для телефонов. Спрос на натуральный каучук предъявляет производство автомобилей, особенно грузовых, а также самолетостроение, где высоки требования к долговечности и устойчивости колесных шин к сверхнагрузкам. В настоящее время доля натурального каучука в шинной промышленности составляет 50% от всех используемых видов каучука.

Однако бразильская гевея — первый в мире источник каучука — уже не вполне отвечает запросам промышленности. Это массивное дерево растет долго и может давать каучук только на седьмой год. Помимо этого гевейные плантации все чаще поражаются грибком, деревья погибают. Погибла уже половина плантаций. В связи с этим возникает необходимость разработки альтернативных источников натурального каучука.

А кок-сагыз — это травянистое растение. В природе многолетнее, на плантациях его выращивают с годичным или двух-трехгодичным циклом. И если раньше возделывание культуры было сопряжено с тяжелым ручным трудом, то современные технологии позволяют избежать этого как при полевом выращивании культуры, так и при использовании аэропонных и гидропонных установок. Кроме того, генетики ищут возможность увеличить выход каучука из корней кок-сагыза за счет выведения сортов с заданными свойствами.


КОК САГЫЗ И КОРЕНЬ.jpg
Дикорастущий кок-сагыз в природном ареале произрастания (слева). Каучуконосной частью кок-сагыза является корень, в нем содержится от 12 до 27% латекса, из которого делают каучук
Юрий Манаков / СФНЦ агробиотехнологий РАН

Индейские галоши и достижения химиков

Полезные для человека свойства растений-каучуконосов заметили южноамериканские индейцы. «Жители Южной Америки обмазывали себе ноги соком каучуконосов, делали одноразовые ботинки: индеец делал надрез на гевее, лежал, сок натекал на ноги, и у него получалось что-то вроде ботов или галош. Он бегал в них по джунглям — мягко, ноги не прокалывал», — рассказал в беседе со «Стимулом» Кирилл Голохваст, директор Сибирского федерального научного центра агробиотехнологий РАН, где разрабатываются технологии выращивания кок-сагыза в интересах ПАО «Татнефть».

Первым процесс изготовления каучуковых изделий описал французский астроном, геодезист и путешественник Шарль Мари де ла Кондамин в ходе экспедиции по дельте Амазонки, проходившей в 1736‒1743 годах.

Быстрый рост спроса на каучук в мире, отмечавшийся в конце XIX — начале XX века, вошел в историю как «каучуковая лихорадка». Вначале разрастались плантации гевеи бразильской в Южной Америке, затем центр возделывания культуры переместился в Индонезию и на Цейлон. Технология получения сырья мало отличалась от той, которой пользовались индейцы. На стволах делали надрезы для добычи латекса, из которого и получают каучук.

Параллельно с выращиванием сырья для получения натурального каучука на рубеже XIX‒XX веков химики занялись синтезом искусственного каучука. Активнее всего исследования шли в России и в Англии. В этом преуспели ученики Александра Бутлерова, создателя теории химического строения органических веществ, — Сергей Лебедев и Борис Бызов. Лебедеву удалось получить образец синтетического каучука в 1910 году, а в 1911-м Бызов в лаборатории завода «Треугольник» разработал технологию производства бутадиенового каучука, в 1913-м технологию запатентовали, а во время Первой мировой войны на «Треугольнике» развернули производство противогазов из синтетического каучука по технологии Бызова. В разгар индустриализации Высший совет народного хозяйства СССР объявил конкурс на получение премии в 100 тыс. рублей за изобретение промышленного способа получения искусственного каучука — с представлением образца весом два килограмма и по свойствам не хуже натурального. Был установлен срок выполнения задачи — два года. Премию получил профессор Сергей Лебедев за разработку технологии синтеза каучука полимеризацией бутадиена. Так СССР стал первой страной в мире, наладивший промышленное производство искусственного каучука. Уже к 1937 году 70% резины в стране было получено химическим способом. Однако и тогда всех потребностей промышленности производство не закрывало, а кроме того, оно было довольно дорогим.

Появление альтернативы

Введение дикорастущего казахстанского одуванчика кок-сагыза в число культурных растений стало плодом индустриализации. Позволить себе зависеть от импорта натурального каучука СССР не мог. Бурный рост автомобилестроения и авиации требовал постоянного роста производства резинотехнических изделий. «В 1930-е годы росла автомобильная и авиационная промышленность. Первые колеса самолетов были не резиновые, но вскоре стало понятно, что ничего, кроме резины, не подойдет. И с автомобилями было так же: первые шины не накачивались, это просто были пласты чего-то упругого на ободах», — рассказал «Стимулу» Кирилл Голохваст. И тогда на поиск каучуконосов на территории нашей страны была отправлена масштабная экспедиция, сформированная под руководством академика Николая Вавилова, директора Всероссийского института растениеводства (ВИР, сейчас — Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова).


ГОЛОХВАСТОВ.jpg
Кирилл Голохваст, директор Сибирского федерального научного центра агробиотехнологий РАН, где выполняются работы по созданию технологий выращивания кок-сагыза в интересах компании ПАО «Татнефть»
Личный архив Кирилла Голохваста

Поиски природного источника каучука и технологичного способа получения его синтетического варианта шли параллельными курсами. В начале 1930-х годов советские ученые в рекордно короткие сроки справились поиском источника природного сырья для получения натурального каучука на территории страны. Были изучены 1048 видов отечественной флоры и установлено, что 609 видов синтезируют каучук и каучукоподобные вещества. Среди них лучшими каучуконосами оказались кок-сагыз (Taraxacum kok-saghyz), тау-сагыз (Scorzonera tau-saghyz) и крым-сагыз (Taraxacum hybernum).

«Введение дикого одуванчика кок-сагыза в культуру — это триумф советской ботанической науки, — сказал “Стимулу” Юрий Манаков, ведущий научный сотрудник Института почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН, исследователь флоры Казахского мелкосопочника. — Всего за десять лет на территории огромной страны были найдены перспективные растения-каучуконосы, введены в культуру, получены семена линий и сортов, благодаря которым стало возможным выращивание каучукового растения в промышленном масштабе. В 1931 году на первой Всесоюзной конференции работников социалистической промышленности Сталин сказал: “У нас имеется в стране всё, кроме разве каучука. Но через год-два и каучук мы будем иметь в своем распоряжении”. И у него уже были основания так уверенно это заявлять — к тому времени ученые обнаружили в Средней Азии растения с высоким содержанием каучука. Первой удачной находкой стал полукустарник козелец тау-сагыз из гор Каратау (западный Тянь-Шань). Содержание каучука в сухой массе растений составляло в среднем 20 процентов — это очень хороший показатель, учитывая, что гевея содержит 35‒40 процентов каучука, а обычный одуванчик всего два процента».

magnifier.png Бразильская гевея уже не вполне отвечает запросам промышленности. Это массивное дерево растет долго и может давать каучук только на седьмой год. Помимо этого гевейные плантации в мире все чаще поражаются грибковыми болезнями, что ведет к гибели деревьев

Затем там же, на Тянь-Шане, но не на склонах гор, а в долине реки Кегень, недалеко от Алма-Аты (с 1997 года — Алматы) был обнаружен одуванчик кок-сагыз, в корнях которого содержание каучука от сухого веса достигало 12‒15% (максимально 27%). По качеству он не уступал каучуку из гевеи. Территория его распространения составляет всего 2000 кв. км. Ученые определили, что кок-сагыз хорошо поддается окультуриванию: семена давали дружные всходы, интенсивный рост растений уже в первый год выращивания позволял собирать урожай корней, а значит, получить бесценное сырье для производства резины.

Кок-сагыз, как новое для науки растение, был описан несколько позже, в 1931 году, Леонидом Родинымоветский ботаник, географ, геоботаник, сотрудник Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН). На следующий год к месту нахождения кок-сагыза отправилась большая экспедиция Всесоюзного научно-исследовательского института каучука и гуттаперчи во главе с Сергеем Липшицем (советский ботаник-систематик, историк науки, библиограф, составитель биографо-библиографического словаря «Русские ботаники»).


МАНАКОВ.jpg
Ведущий научный сотрудник Института почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН, исследователь флоры Казахского мелкосопочника Юрий Манаков
А. Куприянов

Именно эти два растения из семейства астровые, или сложноцветные, — одуванчик кок-сагыз и скорзонера тау-сагыз — прошли первые интродукционные испытания в ВИРе. В результате приоритет был отдан кок-сагызу, так как он был легче в возделывании и открывал перспективу плантационного выращивания.

Первые сельскохозяйственные опытные станции создавали в Казахстане, вблизи природных ареалов кок-сагыза. Одну из таких станций возглавлял Карим Мынбаев, ученик Николая Вавилова, впоследствии ставший крупным ученым: он первым в Казахской ССР защитил докторскую диссертацию и стал членом-корреспондентом первого состава Академии наук этой союзной республики.

magnifier.png Поиск природного источника каучука и поиск технологичного способа получения его синтетического варианта шли параллельными курсами

Введением кок-сагыза в сельхозоборот занимались ученые ВИРа. «Наша коллекция кок-сагыза начала формироваться в 1930-е годы. В результате нескольких экспедиций в Казахстане был собран материал. Кок-сагыз — это эндемик Казахстана, растение в природе больше нигде не встречается. Сейчас в нашей коллекции более ста образцов кок-сагыза», — говорит Нина Конькова, куратор коллекции кок-сагыза, научный сотрудник ВИРа.

Вскоре выяснилось, что кок-сагыз великолепно растет на черноземах в условиях нормальной влажности и продуцирует гораздо большую корневую массу, чем в природных местообитаниях Казахстана. Согласно сохранившимся документам и публикациям в журнале «Советский каучук», территория его выращивания распространялась от Украины до Красноярского края. В годы войны одним из ведущих регионов страны по выращиванию этой ценной технической культуры стала Башкирия. Ценой невероятных трудовых затрат с одного гектара собирали примерно 60 центнеров корней одуванчика, при этом выход каучука составлял всего около 180 кг.


ПРАВДА.jpg
Летом 1943 года центральные газеты пестрели новостями о сборе кок-сагыза в разные регионах страны
Наталия Михальченко

Вернуть в природу

В казахстанском Кегене (село в Алматинской области Казахстана) в 1930-е годы были созданы пункты приема корня и семян кок-сагыза. «По некоторым данным. было собрано четыре тонны семян одуванчика. Можете себе это представить?! И огромная масса корней. Это подорвало природные ресурсы популяции кок-сагыза», — отмечает Юрий Манаков.

С 1930-х по 1950-е годы заготовки семян и корня кок-сагыза осуществлялись на территории его естественного ареала в Казахстане. Первый сбор семян в естественных зарослях был организован в 1932 году. Тогда было собрано 1837 кг семян. Второй сбор в 1933 году дал 2410 кг. Этими семянками, собранными в зарослях, был начат посев кок-сагыза на плантациях с осени 1932 года на площади 790 га. Об этом говорится в работе Д. Е. Филиппова «Культура кок-сагыза», опубликованной в сборнике «Каучук и каучуконосы», который был издан Академией наук в 1953 году.

Известен и такой факт: еще во время войны СССР рассчитывался с США по ленд-лизу в том числе семенами кок-сагыза. После этого в мировой литературе кок-сагыз стали называть «русским одуванчиком». По сути, так оно и есть: растущий в горах Казахстана дикий одуванчик кок-сагыз приобрел вторую родину в России в качестве культурного растения, где его ареал составлял миллионы гектаров, располагаясь в европейской части, на Урале и в Сибири.

Сейчас в Казахстане кок-сагыз — краснокнижное растение и национальное достояние. Местные ученые с 2011 года реализуют программы интродукции, предусматривающие возвращение растения в дикую природу.

Ведущий научный сотрудник лаборатории микроклонального размножения растений Казахстанского национального аграрного исследовательского университета Габит Бари рассказал «Стимулу», что проект начался с размножения семян. «Мы высадили их в трех родных регионах, которые находятся в 250, 280 и 300 километрах от Алматы. Это три основных ареала популяции кок-сагыза, два из них расположены вблизи поселков Кегень и Сарыжас и один — вблизи Соленого озера, — говорит Габит Бари. — Основная цель программы — поддержание популяции, предотвращение исчезновения вида». По его словам, приживаемость растений в этом году составила в среднем 93%, это очень высокий показатель фертильности семян. После посадки растения однократно полили, и они начали успешно развиваться. На вопрос «Стимула», можно ли добиться полного восстановления дикой популяции кок-сагыза, чтобы растение можно было не включать в Красную книгу в дальнейшем, ученый ответил, что есть риск повторного уничтожения популяции в том случае, если не будет организована строгая охрана местообитаний. До сих пор здесь не создана особо охраняемая природная территория, хотя по всем международным стандартам это давно следовало бы сделать. Ведь места произрастания кок-сагыза активно используются под пастбища, поэтому он находится под угрозой полного исчезновения.


ГАБИТ БАРИ.jpg
Габит Бари, ведущий научный сотрудник лаборатории микроклонального размножения растений Казахстанского национального аграрного исследовательского университета ведет работу по интродукции кок-сагыза в места его обитания в природе
Личный архив Габита Бари

В споре с синтетикой

После войны производство каучука из кок-сагыза стало снижаться благодаря росту объемов производства и удешевлению технологии получения синтетического каучука. Производство природного каучука на основе гевеи не прекращалось. Когда южноамериканские плантации поредели, эстафету по выращиванию культуры приняли страны Юго-Восточной Азии — Вьетнам, Малайзия. К концу XX века неиссякаемость источника природного каучука оказалась под вопросом вследствие гибели плантаций гевеи бразильской в Юго-Восточной Азии — Индонезии, Малайзии, Таиланде, Индии, Вьетнаме и других странах региона. Дело в том, что млечный сок (латекс) получают из гевеи, как и 400 лет назад, подсечным методом. Для этого по коре дерева нарезают канавки, по ним сок стекает в емкость.

Однако к началу XXI века обозначилась проблема. Гевейные деревья, как уже было сказано, стали все больше страдать от поражения грибком.

magnifier.png Если патенты 1930-х и1940-х годов на промышленное возделывание кок-сагыза были в основном советские и они были связаны с агротехнологией полевого выращивания культуры, то сейчас преобладают исследования ученых из США, Китая и Евросоюза

«Дерево гевеи растет десять лет. И после того, как из него начинают выкачивать сок, оно еще может прожить три-пять лет, а потом погибает», — рассказал «Стимулу» Сергей Варфоломеев, заведующий кафедрой химической энзимологии МГУ, член-корреспондент РАН. Второй проблемой, по его словам, стало то, что плантации гевеи поражены различными растительными вирусами. По данным Международного каучукового консорциума, к настоящему времени пострадало около 382 тыс. гектаров — это около 50% каучуковых плантаций. Поэтому дефицит каучука в мире очень большой, и он нарастает.

В связи с этим возникает необходимость разработки альтернативных источников натурального каучука. И во всем мире снова вспомнили про кок-сагыз. Тем более что запрос на натуральный каучук растет, а предложение падает и, следовательно, растут цены. Некоторые производители шин доводят долю натурального каучука до 59 и даже 65%, запрос на натуральный каучук все больше предъявляют медики и производители товаров для детей.

И ученые реагируют на этот запрос. Но если патенты 1930‒1940-х годов на промышленное возделывание кок-сагыза были в основном советские и они были связаны с агротехнологией полевого выращивания культуры, то сейчас превалирует искусственное выращивание — в климатических камерах, в гидропонных установках. Это работы не только российских и казахстанских ученых, но и американских, европейских, китайских. Ученые ставят перед собой задачу увеличить продуктивность, массу, выход каучука.

Габит Бари рассказал о работах, которые он вместе с коллегами ведет в области молекулярной генетики и агробактериальной трансформации растений в лабораторных условиях. Пока это только эксперименты, не предназначенные для тиражирования.


ГЕРБАРИЙ.jpg
Гербарный лист с растением кок-сагыза из собрания БИН РАН им. В.Л.Комарова
А. Куприянов

В России реанимировать технологию получения натурального каучука из кок-сагыза взялся Институт биохимический физики им. Н. М. Эмануэля РАН (создан на базе отдела кинетики химических и биологических процессов Института химической физики им. Н. Н. Семенова и Института пищевых веществ РАН). «Примерно пять лет назад я предложил “Татнефти”, которая каждый год покупает 20 тысяч тонн натурального каучука для своих шинные заводов, реанимировать идею получения каучука из материала, который хорошо всем известен — это ближайший родственник одуванчика, — рассказал Сергей Варфоломеев. — И мы разработали принципиально новую технологию выращивания этих растений не в почве, а в режиме аэропоники. Эта технология позволяет без почвы и без воды выращивать любые классы растений, используя туман — аэрозоль минеральных солей, которая распыляется в районе корней. Технология довольно новая, но применима для всех растений, включая семенной картофель. В парке “Зарядье” в Москве мы создали целую галерею растений различных классов, которые выращиваются аэропонным способом: свисают корни, сверху светит искусственный свет и периодически, раз в три-пять минут, эти корни орошаются водяной пылью, которая содержит минеральные удобрения».

В процессе разработки технологии ученые исследовали геном и научились увеличивать выход каучука. Как уточнил Сергей Варфоломеев, он составляет 17‒20 процентов сухой массы. Из выращиваемого аэропонным способом кок-сагыза также получают инулин — вещество, используемое при производстве заменителя сахара для людей, страдающих сахарным диабетом. Выход инулина составляет 20‒23%.

Разработка технологии выращивания кок-сагыза аэропонным способом заняла три года. «Мы с “Татнефтью” заключили контракт, который выполнили. Сейчас технология масштабируется в Сибирском отделении РАН, чтобы довести ее до промышленности», — рассказал Сергей Варфоломеев. По его оценке, это очень перспективный метод: «Без экспорта мы можем выращивать кок-сагыз где угодно, и это становится экономически приемлемо, так как цены на каучук высокие и продолжают расти, — говорит ученый. — Наша технология потенциально способна решить проблему независимости страны от импорта натурального каучука».

magnifier.png «Проект по кок-сагызу является уникальным примером комплексного интеграционного научного проекта, инициированным Сибирским отделением РАН. В проекте задействовано сразу пять разнопрофильных академических организаций»

С 2021 года Сибирское отделение РАН и «Татнефть» работают над междисциплинарной темой — разработкой технологий выращивания кок-сагыза в полевых и контролируемых условиях. Вице-президент РАН и председатель СО РАН академик Валентин Пармон отметил, что «проект по кок-сагызу является уникальным примером комплексного интеграционного научного проекта, инициированного Сибирским отделением РАН. В проекте задействовано сразу пять разнопрофильных академических организаций».

В проекте участвует целое созвездие научных институтов — Сибирский федеральный научный центр агробиотехнологий РАН, Институт цитологии и генетики (применение генетических технологий для повышения содержании искомого сырья в кок-сагызе), Институт катализа СО РАН (выделение и очистка каучука из кок-сагыза для промышленного производства) и Центральный Сибирский ботанический сад (сотрудники продолжают поиск в природе вариантов продуктивных каучуконосов). По словам Кирилла Голохваста, сейчас участники проекта хотят получить ответ на вопрос, какой из вариантов возделывания кок-сагыза эффективнее — полевой или в контролируемых условиях. При этом наиболее вероятно сочетание обоих способов в разных соотношениях. И если при полевом выращивании акцент делается на удобство уборки корней, то при выращивании с использованием гидропоники или аэропоники корни открыты, их просто срезают. Здесь акцент делается на массу корней и снижение количества цветов в пользу корневой системы.

Темы: Инновации

Еще по теме:
20.06.2024
В России создали установку, с помощью которой можно экологичным способом получать различные виды топлива из пластиковых ...
31.05.2024
Рынок экзоскелетов для медицины и промышленности бурно растет. Десятки команд и компаний предлагают пока скорее прототип...
27.05.2024
Компания — национальный чемпион «Герофарм», лидер на российском рынке инсулинов, начинает клинические исследования новог...
20.05.2024
Британо-шведская фармкомпания AstraZeneca отозвала свою вакцину от COVID-19 из-за риска тромбоза. Но компания уже успела...
Наверх