Водное растение ряска Lemna minor как возможный компонент фототрофного звена в системах жизнеобеспечения

Введение. Биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО) являются перспективными проектами для освоения космоса. Наиболее известными примерами являются БИОС-3 (Россия), MELiSSA (Бельгия, франция, Испания, Канада), CELSS (США) и Лунный дворец (Китай) [1–3]. Системы жизнеобеспечения, работающие на основе биологических процессов, в которых центральную роль играют автотрофы, способны обеспечить экипаж съедобной биомассой, водой и кислородом, перерабатывая при этом продукты жизнедеятельности человека, тем самым обеспечивая замкнутость и автономность системы [3]. Помимо этого, данная технология может использоваться в местах с суровым климатом, таких как, например, пустынные зоны, Арктическая и Антарктическая зоны и районы Крайнего Севера [4, 5].

Подобная система БИОС-3 была реализована в Красноярске в Институте биофизики СО РАН в 1972 г. В данной системе удалось добиться полного замыкания по воде и кислороду, а продукты жизнедеятельности человека выводились из системы. В настоящее время в институте продолжаются поиски решений по переработке и использованию отходов жизнедеятельности человека.

При выборе растений, которые будут выращиваться в космосе, приоритет отдается прежде всего питательной ценности и простоте выращивания [2]. Наряду с традиционными наземными культурами, значительный интерес представляют съедобные водные растения (водяной шпинат, кресс-салат, лотос), традиционно употребляемые в пищу во многих странах Восточной Азии [3, 6]. Среди них представители семейства Lemnaceae, в частности Lemna minor , выделяются высокой скоростью роста от 10 до 30 г м^-2сут^-1 и способностью к круглогодичному культивированию в контролируемых условиях, что делает их перспективными кандидатами для БСЖО [1, 7–9].

В отличие от многих высших растений, формирующих значительную долю несъедобной биомассы, вся биомасса L. minor пригодна к употреблению [3], что существенно повышает эффективность использования ресурсов в условиях БСЖО. Другой важной особенностью L. minor является способность к биоремедиации.

Помимо этого разрабатываются технологические схемы использования L. minor для переработки органических отходов человека с последующим использованием ее биомассы в качестве пищевой добавки для человека или кор- ма для рыб, или других животных – кандидатов для включения в БСЖО, что также повысит замкнутость и устойчивость системы [3].

Цель исследования – комплексный анализ потенциала L. minor как ключевого компонента БСЖО с фокусом на ее нутритивную ценность и способность к замкнутому циклу регенерации отходов.

Задачи: провести анализ биохимического и минерального состава биомассы L. minor на основании данных из научной литературы для оценки потенциала ее использования в БСЖО в качестве корма добавки для животных и компонента пищевых добавок для человека; оценить возможности применения L. minor для очистки сточно-бытовых вод и поддержания экологического баланса в аквакультурных модулях БСЖО на основе данных, представленных в научных публикациях; оценить перспективы и возмож- ности использования L. minor в БСЖО космического назначения на основе результатов научных исследований.

Объекты и методы. Был произведен поиск научных статей отечественных и иностранных авторов в таких электронных базах публикаций, как Scopus, Web of Science, Elibrary, ScienceDi-rect, SpringerLink, Wiley online Library, PubMed и других с последующим анализом информации.

Результаты и их обсуждение

Питательная ценность ряски. L. minor обладает высоким питательным потенциалом. Содержание питательных веществ продемонстрировано в таблице 1. Кроме этого, в нее входит большое количество витаминов (витамины группы B, витанины C, D3, P, K1 и E), минералов, пигментов (β-каротин, α-токоферол, хлорофилл α и β, лютеин и зеаксантин), фенольных соединений.

Таблица 1

Нутриент	Содержание, г/100 г
Вода	91–95
Белки	1–4
Углеводы	1–3
Пищевые волокна	0,5–3
Зола	1–2
Жиры	0,2–0,6

Нутриентный профиль [10, 11]

Nutrient profile [10, 11]

Белки. Виды ряски, в частности L. minor , имеют высокий потенциал как источник белка, содержание которого варьируется от 35 до 45 % в пересчете на сухую массу [6]. Содержание белка у рясковых сильно варьируется в зависимости от условий выращивания, например от интенсивности света, длительности облучения и температуры. Меняя их, можно значительно регулировать соотношение белков, жиров и углеводов (БЖУ) ряски [7]. Также выход биомассы ряски и скорость роста зависят от состава питательной среды. Особую роль в этом играет содержание N и P. Хафиз Улла и другие в своей работе доказали, что с увеличением концентрации N и P в среде увеличивается выход биомассы примерно в полтора раза в сравнении с контролем, и количество БЖУ также увеличилось [12].

Помимо этого, содержание белка зависит от метода экстракции и сушки растения. Важное преимущество рясковых перед традиционными источниками белка (такими как соя) – отсутствие лектинов, которые нарушают всасывание питательных веществ, и их удаление требует термической обработки. Для ряски, включая L. minor, такая обработка не обязательна при использовании в пищу человеком, что снижает энергопотребление и стоимость подготовки [13]. В ряске отсутствуют фитиновая кислота и ингибиторы трипсина в отличие от злаковых и бобовых, которые могут снижать усвоение питательных веществ и их перевариваемость [8].

Белки рясковых, включая L. minor , содержат полный спектр аминокислот, необходимых человеку. Они включают все девять незаменимых аминокислот (НЗА) и соответствуют рекомендациям ВОЗ по аминокислотному составу. Содержание отдельных НЗА, таких как лейцин, фенилаланин и валин (табл. 2), у L. minor значительно превышает референсные значения ФАО

(Продовольственная и сельскохозяйственная тионина, в ряске в целом превосходит их уроорганизация Объединенных Наций). Более того, вень в нуте, кукурузе, чечевице, рисе, сое и содержание НЗА, особенно триптофана и ме- пшенице [13].

Содержание аминокислот в L. minor [14]

Amino acid content in L. minor

Таблица 2

Аминокислота	Концентрация, г/100 г
Незаменимые
Валин (Val)	2,664
Изолейцин (Ile)	2,043
Гистидин (His)	0,894
Лейцин (Lue)	4,132
Лизин (Lys)	2,683
Метионин (Met)	0,859
Треонин (Thr)	1,924
Триптофан (Trp)	0,365
Фенилаланин (Phe)	2,571
Заменимые
Аланин (Ala)	2,88
Аргинин (Arg)	3,06
Аспартат (Asp)	3,71
Глицин (Gly)	2,861
Глутаминовая кислота (Glu)	6,427
Пролин (Pro)	1,248
Серин (Ser)	2,348
Тирозин (Tyr)	1,905
Цистеин (Cys)	0,381

Углеводы. Представители семейства Lem-naceae синтезируют крахмал, целлюлозу, пектин. Также были обнаружены следовые количества гемицеллюлозы и других соединений, при этом углеводный состав может варьироваться в зависимости от видов. Общее содержание углеводов внутри вида может сильно варьироваться в зависимости от условий выращивания [13, 15]. Многочисленные исследования демонстрируют значительную вариабельность в накоплении крахмала в семействе Lem-naceae – от 20 до 46–50 % сухой массы в зависимости от условий выращивания [15, 17, 18], а в некоторых исследованиях содержание доходило до 79,5 % [19]. В углеводном составе L. minor идентифицированы глюкоза, фруктоза, арабиноза, фукоза, манноза, апиоза, ксилоза, уроновые кислоты, пектиновые сахара, такие как рамноза и галактоза. Также в очень малом количестве присутствовала сахароза. Помимо этого было обнаружено, что ряска имеет низкое фукозилирование [15, 20].

Содержание целлюлозы в L. minor около 10 % от сухой массы, а лигнин не был обнаружен, что выгодно отличает ряску от многих наземных растений с высоким содержанием лигноцеллюлозы, упрощая ее переработку [13]. Содержание клетчатки составляет 17–23 % [21].

Липиды. Жиры являются важным источником энергии. Профиль жирных кислот (ЖК) в пище критически важен для здоровья человека, так как разные типы ЖК могут как защищать от сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ), так и способствовать их развитию [13].

Общей характеристикой семейства Lemna-ceae является преобладание полиненасыщен-ных жирных кислот (ПНЖК) (табл. 3) [14]. И ключевое преимущество – благоприятное соотношение омега-6/омега-3 ЖК, которое составляет менее 1,0 [13]. У L. minor оно составляет 0,4 [9]. Хотя оптимальным соотношением данных ЖК для употребления считается 6 : 1 [22] или 5 : 1 [23], диета с преобладанием омега-3 кислот способствует профилактике сердечно-сосудистых заболеваний, рака и остеопороза [24]. И, напротив, при употреблении пищи с преобладанием омега-6 кислот риски возникновения данных заболеваний возрастают [25].

Среди омега-6 кислот в L. minor преобладает линолевая кислота (C18 : 2n–6). Кроме нее данный вид ряски содержит небольшое количество эйкозадиеновой кислоты и дигомо-Y-линоленовой кислоты. Омега-3 кислота представлена только альфа-линоленовой кислотой [9].

Среди насыщенных жирных кислот (НЖК) в L. minor доминирующей является пальмитиновая кислота (C16 : 0). Также были обнаружены миристиновая, пентадециловая, стеариновая, арахино-вая, бегеновая и тетракозановая кислоты [9].

Основной мононенасыщенной жирной кислотой (МНЖК) является олеиновая кислота (C18 : 1n-9). В небольших количествах в L. minor также обнаружены пальмитолеиновая кислота (C16 : 1п-9 и C16 : 1n-7), гадолеиновая (C20 : 1п-90) и нервоновая кислота (C24 : 1) [9].

Таблица 3

Жир	Концентрация,%
НЖК	27,99
МНЖК	4,63
ПНЖК	67,38

Содержание липидов [9]

Lipid content [9]

L. minor содержит группы фитостеролов: Y- и в-ситостерины, кампестерол и стигмастерол [26, 27] . Y- и в-ситостерин известны своими про-тиводиабетическими свойствами и имеют свойство снижать уровень холестерина. Кроме этого, в-ситостерин обладает противовоспалительными, противораковыми, гепатопротекторными, антиоксидантными, кардиопротекторными свойствами [26, 28-30]. Стигмастерол является промежуточным продуктом в биосинтезе витамина D 3 , эстрогена, андрогенов и кортикоидов. Кампе-стерол и стигмастерол обладают противораковым и противовоспалительным свойствами [26].

Биологически активные вещества. Иммуносупрессия, индуцированная космическими факторами, например ионизирующим излучением и микрогравитацией, требует диетической коррекции [2, 31]. Рационы космонавтов должны включать не только макронутриенты, но и биологически активные соединения (БАВ): антиоксиданты, каротиноиды, фитостеролы и фенолы. В этом контексте L. minor представляет особый интерес как концентрированный источник БАВ.

• L. minor является ценным источником каротиноидов. Каротиноиды, содержащиеся в L. minor и других представителях семейства Lemna-ceae , играют критическую роль в защите здоровья человека в экстремальных условиях космических миссий. в-каротин (провитамин А) необходим для зрительной адаптации, что особенно

актуально при работе с приборами в условиях переменной освещенности. Лютеин и зеаксан-тин защищают сетчатку от фотоокислительного повреждения и поддерживают ночное зрение, а также снижают риск нейровоспалительных процессов и когнитивных нарушений. К тому же данный вид ряски имеет большое количество витамина E и фенольных соединений [32]. В. Петрова-Ткачева и ее команда обнаружили следующие фенольные соединения: фраксетин, эскулетин, хлорогеновую кислоту, кофейную кислоту, 2,3–дигидроксибензойную кислоту, ванильную кислоту [33]. Фенолы оказывают комплексное биологическое действие: противомик-робное, антимутагенное, противовоспалительное, антиоксидантное, противораковое и другие виды активности. Каротиноиды и фенолы в комплексе могут способствовать поддержанию микробиома кишечника [32, 34].

Помимо вышеперечисленных соединений в L. minor были обнаружены лолиолид, аскорбиновая кислота, кампестерол, обладающие антиоксидантными свойствами. Фитол также обладает антирадикальными свойствами. Эскулин обладает широким спектром действий: антиоксидантным, антибактериальным, противовоспалительным, антигистаминным, витамин P-подобным и антиканцерогенным [33].

Содержащийся в ряске сквален играет важную роль в организме человека, поскольку он обладает противоопухолевой и антиоксидантной активностью [26].

L. minor также содержит витамины B 12 , B 6 , K 1 [10, 35]. Также Rodriguez J.H.V. et al. обнаружили в ней танины в количестве, безопасном для употребления человеком и животными [36].

Минеральные элементы. Содержание минеральных компонентов в L. minor зависит от минерального состава питательной среды и уровня pH. В биомассе ряски были обнаружены необходимые для человека минеральные элементы [10, 12, 13, 37]. Примерное содержание некоторых минеральных элементов представлено в таблице 4.

Таблица 4

Элемент	Содержание, мг/100 г
Ca	15–32
Na	0,75–0,6
K	52
Mg	34,3–25
Fe	48,6–26
Mn	1,79–0,7
Zn	0,09–0,04
B	< 1,5
Cu	< 0,25
Cr	< 0,1
As	0,32
Cd	0,1
Pb	3
Al	15,1–13,4

Содержание минеральных элементов [10, 12, 37–39] Mineral content

Антинутриенты. В L. minor присутствуют соединения, которые могут препятствовать усвояемости и перевариванию питательных веществ: щавелевая кислота, фитиновая кислота и дубильные соединения [8]. С другой стороны, было доказано, что фитиновая кислота и дубильные вещества могут быть полезны для здоровья человека, так как они обладают антиоксидантными свойствами, пребиотическим эффектом и способны снижать риск ССЗ [25, 40].

Использование в пищу для животных. Интерес к использованию L. minor и ее экстрактов в кормопроизводстве существенно возрастает на фоне глобальной потребности в возобновляемых и дешевых источниках белка, способных снизить антропогенную нагрузку на земельные ресурсы. Данная стратегия соответствует принципам устойчивого развития и особенно актуальна для биорегенеративных систем космического назначения, где ресурсная эффективность является критическим параметром. Исследования демонстрируют перспективность включения свежей или сушеной биомассы ряски в рационы различных организмов – от сельскохозяйственных животных до рыб [41–43].

В ряде исследований с различными видами животных и различными видами Lemnaceae была продемонстрирована высокая усвояемость белка. Для рыб она составляла от 80 до 94 %. Для наземных домашних животных диапазон был более широкий, что, скорее всего, зависело от вида животного. Для птиц показатель усвояемости варьируется от 40 до 83 %. Для свиней в большинстве исследований приводятся значения усвояемости белка в диапазоне от 63 до 73 %, а для жвачных животных – в диапазоне от 60 до 80 % [25].

В природе различные виды рыб употребляют ряску. Во многих исследованиях L. minor демонстрирует высокий потенциал как кормовая добавка для рыб. Биомассой ряски можно замещать от 15 до 50 % корма в зависимости от вида рыбы. При этом наблюдалось увеличение скорости роста рыб на 15–25 %, прирост массы, а также повышение содержания белка (≥ 30 %) и омега-3 ПНЖК в тканях [10, 41].

L. minor также хорошо показала себя в качестве добавки или частичной замены традиционных кормовых компонентов. И при соблюдении определенных пропорций, примерно до 25 % от массы корма, оптимизируется продуктивность птицы. Скармливание такого корма птице увеличивает прирост веса, увеличивает качество мяса и яиц [10, 44].

Применение L. minor в свиноводстве демонстрирует улучшение качества продукции: снижение жировой прослойки при увеличении выхода мяса и кожи, хотя конверсия корма сопоставима с соевым шротом и рыбной мукой. Также L. minor продемонстрировала хорошие показатели при ее употреблении жвачными животными, не влияя при этом на состояние здоровья животных и улучшая в некоторой степени их производительность [10, 45].

Таким образом, эти результаты указывают на потенциал L. minor как универсального кормового ресурса в БСЖО для животных.

Использование в пищу для человека. Как уже говорилось выше, ряску употребляют в пищу в некоторых странах Азии, где ее добавляют в такие блюда, как салаты, супы, карри или лепешки. Особенно это характерно для таких стран, как Лаос, Таиланд и Мьянма. Однако в западных странах ее не используют в рационе [9, 46].

Высокое содержание нутриентов и биологически активных соединений в L. minor делает ее перспективным компонентом рациона космонавтов для профилактики заболеваний, ассоциированных с космическим полетом: иммунных дисфункций, нейродегенеративных расстройств и нарушений циркадных ритмов [2, 32, 47]. Более того, ряску можно использовать в качестве некоторой альтернативы животному белку [9]. С другой стороны, согласно немногочисленным исследованиям, касающимся усвояемости белка ряски человеком, которые начали проводиться в последние годы, белок ряски в сравнении с молочным или гороховым усваивается хуже. Однако Т. Мюллер в своей обзорной статье отмечал, что не хватает работ, в которых бы сравнивалась усвояемость белка при различных способах обработки ряски, например свежей, сушеной или с извлеченными белками, которые были получены различными методами, а также работ, в которых бы более подробно исследовали механизмы, препятствующие усвояемости белка ряски, хотя уже были проведены некоторые исследования. Интересно, что в од- ном из этих исследований было обнаружено, что после употребления в качестве пищи L. minor в крови человека был снижен уровень глюкозы и инсулина. Отсюда следует, что L. minor способствует контролю уровня сахара в крови [25, 48].

Было доказано, что ряска не вызывает аллергической реакции [9]. Однако недавние исследования являются достаточно спорными относительно влияния ряски на здоровье человека. Мюллер Т. приводит исследования, в которых отмечалось, что ряска при употреблении в пищу может вызывать метеоризм и запоры, хотя в других исследованиях этого не было выявлено, также различались реакции на чувство насыщения [25, 48–50].

При опрашивании потребителей о приемлемости употребления ряски в пищу было выявлено, что на нее прежде всего влияет, в каких блюдах она подается, и сенсорные характеристики [10, 25, 49, 51].

Примечательно, что интерес к ряске проявляют не только научные учреждения, но и коммерческие, в которых используют сухую и свежую ряску и ее изоляты белка в различных пищевых продуктах, тем самым повышая питательную ценность блюд. Например, ее используют такие компании, как ADGrëen, LemnaNature Aquafarms, Eat Mankai (Hinoman), GreenOnyx и Sustainable Planet [25].

Переработка отходов или фиторемедиация. Фиторемедиация «(от греч. phyto – растение и remedium – очищающий) – это естественное и прямое использование зеленых растений для поглощения загрязняющих веществ корнями и их перемещения в верхнюю часть растения» [52]. В качестве загрязнителей могут выступать органические и неорганические вещества, которые растения извлекают из среды. Растения, способные накапливать большие концентрации загрязняющих веществ, в т. ч. и тяжелых металлов от 100 до 1000 раз, называют гипераккумуляторами. Один из методов фиторемедиации – это фитофильтрация, где водные растения используются для очистки воды [52, 53].

L. minor является одним из растений гипераккумуляторов, которое часто используется для очистки сточных вод. В разных исследованиях она показала, что с большой эффективностью способна поглощать органические вещества и накапливать их в питательной биомассе [41]. Например, в исследовании Моэдано Родриго

L. minor продемонстрировала успешное удаление в среднем 98,0 % общего азота по Кьельдалю и 98,8 % общего фосфора из сточных вод, загрязненных свиными отходами. При этом уровень кислорода в воде увеличился с 0,0 до 3,0 мг/л, и было произведено 68 т/га в год сухой биомассы с содержанием сырого протеина 35 % [54].

В Институте биофизики СО РАН были проведены эксперименты по оценке эффективности применения ряски для обработки мочи человека. В ходе исследования выяснилось, что удельная скорость роста L. minor , выращенной на обработанной перекисью водорода моче, была сопоставима с урожайностью в контроле (среда Кнопа) и составляла 0,25 сут^-1 [55].

Помимо этого L. minor способна накапливать различные металлы, в т. ч. тяжелые и редкоземельные, радионуклиды, промышленные ксенобиотики, что делает ее перспективной для очистки воды, но опасной для употребления. Она доказала свою эффективность в удалении отходов сельскохозяйственной промышленности, промышленности по изготовлению фармацевтических препаратов и средств личной гигиены, а также красителей и некоторых токсинов. В некоторой степени L. minor способна удалять наночастицы из среды, однако эффективность зависит от концентрации и видов металлов, содержащихся в частицах [56].

L. minor имеет сопутствующую микробиоту, часть из которой является патогенной для человека, например Escherichia coli , Clostridium botulinum , Salmonella spp. , микромицеты и паразитические простейшие [26, 57, 58].

Ряска в космосе. Благодаря своим питательным свойствам и способности перерабатывать отходы виды семейства Lemnaceae , особенно из рода Lemna и Wolffia , не раз рассматривались в качестве кандидата в БСЖО. В экспериментах по тестированию автономной биологической системы (АБС) L. minor и Wolffia sp . совместно с некоторыми видами беспозвоночных несколько раз летали на Shuttle-1996 (STS-77), Mir-1997 (NASA 3), Mir-1998 (NASA 6) и продемонстрировали успешную выживаемость [59, 60]. Также исследование Yuan et al. [1] с Lemna aequinoctialis и Wolffia globosa показало, что в условиях имитационной микрогравитации не угнетают рост, а в ряде случаев даже стимулируют его (увеличивая относительную скорость роста), одновременно способствуя накоплению крахмала в некоторых видах семейства

Lemnaceae . Однако в исследовании Eichhorn M. Lemna trisulca в открытом космосе на борту космического корабля Endeavour (STS-67) [61] показала противоположную тенденцию в накоплении крахмала, при этом наблюдалось увеличение осмиофильных частиц в сравнении с земным контролем. Это свидетельствует о хорошем адаптационном потенциале видов данного семейства.

Заключение. L. minor имеет большое количество белка, достигающего 45 % сухой биомассы, с высоким содержанием НЗА, таких как лейцин, фенилаланин и валин, количество которых значительно превышает референсные значения ФАО. Содержание углеводов варьируется от 1 до 3 % сырой биомассы, а липидов – от 0,2 до 0,6 % с преобладанием ПНЖК. L. minor богата витаминами и минералами. В различных исследованиях было показано, что при добавлении L. minor в рацион животных она не только хорошо усваивается, но и улучшает производственные характеристики и положительно влияет на здоровье животного. В ряде исследований было показано, что биомасса ряски полностью съедобна и гипоаллергенна для человека. Однако некоторые вопросы, связанные с употреблением и влиянием на здоровье, остаются открытыми.

Благодаря способности удалять из среды различного рода загрязнения, L. minor может использоваться для ремедиации аквакультур. Также она является растением-гипераккумулятором и демонстрирует высокую эффективность поглощения органических и неорганических веществ, преобразуя их в питательную биомассу, которую рыбы могут употреблять в пищу.

Эксперименты по выращиванию в условиях космоса L. minor и других представителей семейства Lemnaceae подтвердили их успешную выживаемость .

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что ряска является перспективным кандидатом в биологические системы жизнеобеспечения (БСЖО). Благодаря, своей способности конвертировать продукты метаболизма человека в питательную биомассу, а также уменьшать содержание CO 2 в воздухе, она может повысить замкнутость системы жизнеобеспечения. Питательную биомассу можно использовать в качестве добавки для человека или корма для животных, которые будут выращиваться в БСЖО.

В Институте биофизики СО РАН разрабатываются экспериментальные модели систем жизнеобеспечения космического и земного назначения. Важное направление, которому уделяется внимание, – это переработка отходов жизнедеятельности человека для их включения в замкнутый цикл в БСЖО. Одним из вариантов рассматривается использование аквакультуры. После переработки отходы жизнедеятельности человека вносятся в почвоподобный субстрат как жидкие удобрения для растений. Дренажная вода из-под растений направляется в модуль с аквакультурой L . minor и рыбами (гуппи). Ее избыток поступает в водоем Dunallia salina и

Artemia salina , где концентрируются элементы питательной среды и происходит накопление NaCl. В последующем биомассу водорослей и гетеротрофных организмов планируется использовать в качестве корма для животных и пищевых добавок для человека. И, помимо этого, накопленную NaCl из водоема с Dunallia salina можно извлекать и добавлять в рацион человека. Таким образом, аквакультура дает возможность перерабатывать продукты жизнедеятельности в полноценный животный белок и другие эссенциальные нутриенты, а также осуществлять круговорот соли NaCl в БСЖО.