Биоутилизация органических остатков при помощи микроорганизмов Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 579.64

Биоутилизация органических остатков при помощи микроорганизмов

А.Э. Юницкий12

доктор философии транспорта

Т.И. Пятакова2 К.А. Бойко2 И.В. Налетов2

1 ООО «Астроинженерные технологии»,

г. Минск, Беларусь

2 ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь

ГГ

Представлены результаты эксперимента по биоутилизации органических отходов микроорганизмами (бактериями) для значительного облегчения переработки органического мусора в условиях существования замкнутой экосистемы - ЭкоКосмоДома (ЭКД). Лабораторные испытания позволили подобрать агрономически ценные микроорганизмы, с помощью которых проводился процесс биоутилизации. Описан опыт применения биоутилизированных остатков (жидкого компоста) в качестве органической подкормки для растений.

Ключевые слова:

биоутилизация, замкнутая экосистема, микроорганизмы, отходы, ЭкоКосмоДом (ЭКД).

UDC 579.64

Biorecycling of Organic Residues with the Help of Microorganisms

A. Unitsky12

Ph.D. in Information Technologies (Transport)

T. Pyatakova2

K. Boyko2

I. Naletov2

1 Astroengineering Technologies LLC, Minsk, Belarus

2 Unitsky String Technologies Inc., Minsk, Belarus

rr

The results of an experiment on the biorecycling of organic waste by microorganisms (bacteria) are presented to significantly facilitate the processing of organic garbage in the conditions of the enclosed ecosystem - EcoCosmoHouse (ECH). Laboratory tests made it possible to select agronomically valuable microorganisms with which the bioutilization process was carried out. The experience of using biorecycled residues (liquid compost) as an organic fertilizer for plants is described.

Keywords:

biorecycling, EcoCosmoHouse (ECH), enclosed ecosystem, microorganisms, waste.

Введение

В настоящее время во многих странах мира остро стоит вопрос утилизации органических отходов, а неправильное обращение с ними представляет опасность для природы и здоровья человека. Некоторые государства только начинают осваивать переработку мусора (в том числе твёрдых бытовых отходов), другие уже значительно продвинулись в данной сфере и стараются использовать каждый его вид [1]. Однако даже при успешно функционирующей системе утилизации проблема остаётся нерешённой.

По данным ООН, численность населения планеты Земля за последние 12 лет выросла с 7 до 8 млрд, что превышает показатель середины XX в. более чем в три раза [2]. Соответственно, увеличилось и потребление ресурсов. Объём твёрдых коммунальных отходов (ТКО) в Республике Беларусь приближается к 4 млн т/год, при этом раздельному сбору и переработке подвергается только 25 % [3]. Оставшаяся часть направляется на полигоны для захоронения, что отрицательно сказывается на экологической ситуации [4]. Отходы загрязняют водоёмы, снижают плодородие почв, накапливаются в больших количествах в окружающей среде. Их объём с каждым годом растёт, они начинают занимать обширные площади и поглощают всё больше пригодных для жизни земель. В период с 2022 по 2025 г. в Беларуси планируется построить полигоны для захоронения отходов в г. Минске, а также в Ба-рановичском, Брестском, Пинском, Кобринском, Оршанском, Полоцком, Гомельском, Волковысском, Лидском, Борисовском, Минском, Солигорском, Пуховичском, Моги-лёвском и Бобруйском районах. В настоящее время в столице действует один полигон - «Тростенецкий», площадь которого составляет 30 га, а глубина котлована - 11 м [5]. При переработке данных отходов возможно все находящиеся в них элементы и соединения вернуть в почву, повысив в ней содержание гумуса и сделав её более пригодной для последующего выращивания органической пищевой продукции. Таким образом, существует необходимость в поиске экологически чистых и безопасных способов утилизации [6].

В составе ТКО может находиться до 40 % органического вещества [7]. Один из методов, который используется для его переработки, - компостирование. Однако оно обладает серьёзным недостатком - значительной продолжительностью процесса (от четырёх до шести месяцев). В среднем пищевые отходы разлагаются около месяца, но, например, апельсиновая кожура - шесть месяцев, огрызок яблока - два месяца. Альтернативный способ

переработки - биоутилизация. Её механизм схож с компостированием, но при этом все процессы существенно интенсифицированы применением микробиологических инокулятов. Данный метод наиболее безопасный, биологически чистый и наименее длительный [8].

В работе рассмотрены результаты биоутилизации органических отходов с помощью ассоциаций микроорганизмов. Вместе с тем изучен потенциал использования полученного жидкого компоста в качестве экологически чистого удобрения в замкнутой системе ЭкоКосмоДома (ЭКД) [9].

Экспериментальная часть

С точки зрения микробиологии компостирование -это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации ассоциацией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. Микрофлора не только определяет качество и скорость созревания компоста, но также оказывает влияние на окружающую среду при последующем попадании микроорганизмов в почву.

В процессе компостирования в биомассе происходит окисление кислородом органических веществ: протеина, пептидов, аминокислот, аммониевых соединений, углеводов, простых Сахаров, органических кислот и др. Кроме того, образуются новые органические вещества, сопутствующие продуцированию воды, углекислого газа, аммиака и неприятно пахнущих газов с выделением теплоты. Значит, пищевые отходы могут быть задействованы в качестве полезных органических удобрений за счёт содержания в клетках минеральных компонентов, в том числе макро-, микро- и ультрамикроэлементов, необходимых для питания живых организмов.

В качестве органической массы в эксперименте использовались различные пищевые отходы, образованные в ООО «Фермерское подворье» (г. Марьина Горка, Беларусь) (таблица 1).

Пищевые отходы, по сути, являются жирами, белками и углеводами. Исходя из этого, подбор микроорганизмов осуществлялся по принципу совместимости и взаимодополняемости.

Для получения суспензии клеток (далее - инокулят) применялись агрономически ценные микроорганизмы (цел-люлозолитические и азотфиксирующие): Bacillus amylo-liquefaciens БИМ В-1236, Aeromonas sp., Citrobacter spp., Paeniclostridium sp., Azotobacter vinelandii БИМ B-75, выделенные отделом биотехнологий ЗАО «Струнные технологии» (г. Минск, Беларусь) из мирового Банка плодородных почв

и почвенных микроорганизмов (создан в Беларуси на территории Крестьянского (фермерского) хозяйства «Юницкого») и обладающие комплексом полезных свойств [10].

Таблица 1 - Состав пищевых отходов

Таблица 2 - Условные обозначения составов почвы, применяемых при постановке эксперимента

Компонент Содержание, %

Картофель (в том числе очистки) 60

Овощные отходы 15

Фруктовые отходы 5

Мясные отходы 3

Рыбные отходы 2

Кости 4

Хлеб 2

Молочные продукты 1

Яичная скорлупа 1

Посторонние примеси 4

Прочие отходы 3

На первом этапе эксперимента инокулят, состоящий только из целлюлозолитических микроорганизмов [Bacillus amyloliquefaciens БИМ В-1236, Aeromonas sp., Citrobacter spp., Paenlclostrldlum sp.), объёмом 50,100,150, 200 мл, а также 1 л (далее - контроль) добавлялся к пищевым отходам массой 100 г и оставлялся на семь суток в термостате при температуре (32,5 ± 2) °С до полного разложения.

На втором этапе (на седьмые сутки) к полученному путём разложения компосту добавляли азотфиксирующие культуры [Azotobacter vlnelandll БИМ В-75) и оставляли ещё на трое суток. Результаты регистрировались на седьмой и десятый день эксперимента. Учитывались такие показатели, как содержание азота и общее микробное число (ОМЧ).

На третьем этапе полученный жидкий компост использовали в качестве органической подкормки для салата-латука [Lactuca sativa L). В субстрат, предназначенный для посадки семян, вносили компост каждого из объёмов инокулята (50,100,150,200 мл и контроль) (таблица 2), а также добавляли минеральное удобрение с азотом, фосфором и калием (далее - NPK).

Соотношение компоста и субстрата Объём инокулята, мл Обозначение

50 Вариант 1

1:20 100 Вариант 3

150 Вариант 5

200 Вариант 7

50 Вариант 2

1:50 100 Вариант 4

150 Вариант 6

200 Вариант 8

Основные результаты эксперимента

На второй день после постановки первого этапа эксперимента в образцах наблюдалось значительное брожение и выделение газа по сравнению с первым днём (рисунок 1).

Рисунок 1 - Второй день биоутилизации пищевых отходов: а - 50 мл инокулята; б -100 мл инокулята; в -150 мл инокулята; г - 200 мл инокулята; д - контроль

Кроме брожения и газообразования, которые продолжались на протяжении семи дней, также отмечалось изменение цвета образцов. Количество органических остатков уменьшалось. Присутствовал резкий неприятный запах. Данные наблюдения свидетельствуют о правильно подобранных условиях для развития и питания микроорганизмов. Биодеструкция органических остатков протекала активно.

На десятый день эксперимента (через три дня после добавления азотфиксирующей культуры АгМоЬэаег v¡ne!and¡¡ЪШ В-75) произошло незначительное газообразование, а также изменение цвета всех образцов с тёмно-коричневого до бежевого (рисунок 2). Запах стал менее резким и неприятным.

д)

Рисунок 2 - Десятый день биоутилизации пищевых отходов: а - 50 мл инокулята; б -100 мл инокулята; в -150 мл инокулята; г - 200 мл инокулята; д - контроль

После окончания эксперимента образовавшийся жидкий компост исследован на содержание азота для сравнения его количества до добавления азотфиксирующих бактерий и после, а также на ОМЧ. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты биодеструкции органических остатков при помощи сообщества целлюлозолитических и азотфиксирующих микроорганизмов

Объём инокулята Содержание азота в осадке, мг/100 г ОМЧ, КОЕ/мл

7-й день 10-й день 7-й день 10-й день

50 мл 2494,2 2255,06 9 х Ю'3 1хЮ'3

100 мл 3228,2 3360,8 3 х Ю'3 5 х Ю8

150 мл 1172,4 4251,85 9 х Ю8 1хЮ8

200 мл 2252,7 3859,29 4 х Ю'3 4х108

Контроль 2575,6 5227,27 3 х Ю8 ЗхЮ7

Добавление Azotobacter vinelandii БИМ В-75 увеличило содержание азота в образцах в среднем на 30 % за три дня. Компост с объёмом инокулята 150 мл и контроль имели наилучший результат. Показатель ОМЧ во всех образцах снизился, но незначительно. Это может свидетельствовать о нехватке кислорода микроорганизмам вследствие выделения газа.

Микроорганизмы,

преобладающие при биоутилизации органических отходов

Помимо химического анализа проведена идентификация микроорганизмов. Данный процесс - один из самых важных и трудоёмких этапов биологических исследований. Он осуществлялся для сравнения микроорганизмов, содержащихся в исходном инокуляте и полученном компосте, а также для выявления новых бактерий, появившихся в процессе брожения.

Идентификация видовой и родовой принадлежности микроорганизмов после биоутилизации проводилась несколькими методами. Результат сформирован из совокупности данных. Морфология изучалась путём микроскопии мазков и окрашивания методом Грама. Культуральные свойства определялись высевом культуры на твёрдые агаризованные среды с учётом формы, контура края, размера, величины (диаметр), цвета колоний, их структуры и консистенции. Вместе с тем с помощью диффе-ренциально-диагностических сред исследовалась биохимическая активность культур, в том числе оксидазная и каталазная активность.

До постановки эксперимента проведена окраска методом Грама микроорганизмов [Azotobacter vinelandii БИМ В-75, Aeromonas sp., Citrobacter spp., Bacillus amylo-liquefaciens БИМ B-1236, Paeniclostridium sp.), которые планировалось использовать для инокулята (рисунок 3).

кМ HL* " .. ¡j

Рисунок 3 - Окрашенные культуры микроорганизмов

ПОД микроскопом: а - Azotobacter vinelandii БИМ В-75; б - Aeromonas sp.; в - Citrobacter spp.; г - Bacillus amyloliquefaciens БИМ B-1236; д - Paeniclostridium sp.

После первого и второго этапов биоутилизации при проведении идентификации обнаружены не только микроорганизмы, находившиеся в исходном инокуляте (Azotobacter vinelandii БИМ В-75, Aeromonas sp., Citrobacter spp., Bacillus amyloliquefaciens БИМ B-1236, Paeniclostridium sp.), но и грамотрицательные и грамположительные кокки (рисунок 4). Появление данных бактерий можно объяснить тем, что пищевые отходы подвержены естественному процессу гниения.

Рисунок 4 - Окрашенные культуры микроорганизмов под микроскопом после второго этапа биоутилизации: а - 50 мл инокулята; б -100 мл инокулята; в -150 мл инокулята; г - 200 мл инокулята; д - контроль

Использование биоутилизированной органики в качестве удобрения для растений

В лабораторных условиях поставлен эксперимент для определения пригодности ферментированного остатка в качестве органического удобрения с подобранными ассоциациями бактерий [11].

В соответствии с концепцией инженера А.Э. Юницкого [12] в ЭКД будет иметься необходимый набор инструментов, обеспечивающих рост культур, включая плодородный слой почвы и ассоциации агрономически ценных почвенных микроорганизмов. В эксперименте созданы условия, максимально похожие на характерные для ЭКД. Использовалась облегчённая почва объёмом 20 л, супесь с содержанием следующих микроэлементов (мг/кг почвы): N - 45, Р - 68, К - 80, Мд -12, Са -14, Ре - 0,04, Мп - 0,01. В неё добавлены органические остатки после биоутилизации в различной

вариации (таблица 4). Температура при росте и развитии культур составляла 25-28 °С.

Таблица 4 - Варианты смеси почвы при рН 6,8

Состав почвы Содержание минеральных компонентов, мг/кг почвы Добавление органической части,

N Р К Mg Ca г/кг почвы

Контроль без добавления компонентов 45 68 80 12 14 -

Контроль с добавлением 1МРК 50 80 140 12 20 -

Вариант 1 0,005

Вариант 2 0,002

Вариант 3 0,05

Вариант 4 45 12 14 0,02

Вариант 5 0,15

Вариант 6 0,1

Вариант 7 0,2

Вариант 8 0,25

Объект исследования - салат-латук (Lactuca sativa L.) -обладает высокой скоростью роста и быстрой отзывчивостью на различные элементы и компоненты, находящиеся в почве. В неё перед высевом культур вносились органические остатки согласно таблице 4; затем проводился физиологический анализ растений.

Содержащиеся в грунте бактерии не оказывали патогенной нагрузки на прорастание семян, но также не имели прямого воздействия на рост и развитие. На корневой системе ростков при визуальном осмотре не наблюдалось гнилей и дефектов. Листовые пластины при прорастании выглядели жизнеспособными и здоровыми. В процессе опыта проведены посевы на селективные среды для выявления на листьях салата патогенных микроорганизмов: Escherichia coli, Salmonella, семейства Enterobacter, Staphylococcus aureus Результаты показали отсутствие грибковых и бактериальных заболеваний.

Полученные в эксперименте данные представлены в таблице 5. Варианты почвы 4 и 5 имели лучший результат по сравнению с контролем с добавлением ЫРК. Хорошо проявили себя варианты 3,6 и 7: средний размер растений составил 27,5 см.

Таблица 5 - Ростовые характеристики салата

Состав почвы Средний размер салата с корнем, см Средний размер листовой пластины, смг

Вариант 1 24 13,7

Вариант 2 25 12,8

Вариант 3 27,5 15,4

Вариант 4 31 12,1

Вариант 5 30 13,3

Вариант 6 27,1 13,4

Вариант 7 28 12

Вариант 8 23,3 11,9

Контроль без добавления компонентов 25 10,8

Контроль с добавлением 1МРК 26 11,7

В дальнейшем вариант 3 показал быстрый рост салата по сравнению с контролем с ЫРК - в пять раз выше. Также себя проявили и растения в варианте 1, однако контроль они превзошли примерно в четыре раза (рисунок 5).

Количество листовых пластин во всех вариантах эксперимента не менялось, что свидетельствует о поэтапном развитии растений, предусмотренном генетической программой. Вместе с тем площадь листа отличалась в зависимости от объёма внесённого инокулята. Так, в варианте 3 она составила 15,4 смг (на 32 % больше, чем в контроле с ИРК), в варианте 1 -13,7 смг, а в варианте 6 -13,4 смг. Увеличение листовой пластины может быть связано с двумя основными факторами: усвоением нитратов и нитритов в свободной форме, находящихся в почве, и наличием внеклеточных ферментов бактерий, схожих по действию с фитогормона-ми или элиситорами, влияющими на ростостимулирующие показатели.

и) к)

Рисунок 5 - Демонстрация влияния биоутилизированной органики на рост и развитие салата по сравнению с контролем: а - вариант 1; б - вариант 3; в - вариант 5; г - вариант 7; д - вариант 2; е - вариант 4; ж - вариант 6; з - вариант 8; и - контроль без добавления компонентов; к - контроль с добавлением ЫРК

При повышении уровня гормонов у растений запускаются ростостимулирующие процессы, в связи с чем увеличиваются междоузлия и высота культур, однако подобного не зафиксировано в эксперименте.

Вкусовые качества Lactuca sativa L. оценивались по пятибалльной системе, где 1 - прогоркший, кислый вкус со слабовыраженным ароматом зелени; 2 - кислый вкус со слабовыраженным ароматом зелени; 3 - слабогорький

вкус с ароматом свежей зелени; 4 - слабовыраженный горький вкус с ароматом зелени; 5 - ярко выраженный вкус без горечи. Оценка проводилась дегустационной группой, в которую вошли 30 человек различной тендерной и возрастной принадлежности. Средний балл дегустации по всем вариантам продемонстрирован на рисунке 6.

Контроль без добавления компонентов Контроль

Рисунок 6 - Оценка вкусовых свойств салата, выращенного в различных грунтах

Вкусовые показатели салата в вариантах 1, 3 и 4 оказались лучше, чем в контроле с добавлением ЫРК. Во всех остальных вариантах растения не достигли показателей данного контроля.

Заключение

В замкнутой экосистеме земного типа требуется применение средств для поддержания автономности её существования. Для решения экологических проблем, связанных с образованием отходов, в ЭКД рекомендуется использовать микробиологическую утилизацию.

В ходе исследования подобраны агрономически ценные микроорганизмы, с помощью которых проводился процесс биоутилизации пищевых отходов. На четвёртый день эксперимента органические остатки почти полностью разложились. Продукты их ферментации вносились в качестве органического удобрения при высеве салата-латука. Результаты опыта показали, что в вариантах почв 1, 3 и 6

площадь листовой пластины в среднем на 2,5 смг больше, чем в контроле с ЫРК; в вариантах 4,5 и 7 размер салата с корнем в среднем на 3,7 см больше, чем у контроля с ЫРК.

Таким образом, переработка органических отходов, осуществлённая с помощью микроорганизмов, даст возможность не только снизить нагрузку на замкнутую систему ЭКД, но и произвести, применяя продукты ферментизации, эффективное, экологичное и экономичное биоорганическое удобрение, главным назначением которого является повышение урожая, ускорение роста и всхожести сельскохозяйственных культур. Кроме того, биоутилизация может стать методом, позволяющим очистить от органических загрязнений воду, землю и воздух замкнутой экосистемы ЭКД, а также использовать переработанные отходы в органическом сельском хозяйстве, полностью исключив внесение химических удобрений.

Список основных источников

1. Сопилко, Н.Ю. Переработка отходов: анализ мировых тенденций/Н.Ю. Сопилко//Твёрдые бытовые отходы. -2011. - № 11 [65]. - С. 42-44.

2. Народонаселение [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.un.org/ru/global-issues/population. -Дата доступа: 20.07.2023.

3. Об объёмах сбора вторичных материальных ресурсов и отходов товаров и упаковки, размерах расходования денежных средств, полученных от производителей и поставщиков в 2021 году [Электронный ресурс]/ Государственное учреждение «Оператор вторичных материальных ресурсов». - Минск, 2022. - Режим доступа: https://www.vtoroperator.by/upioad/iblock/e23/kfq436 cpp0u2r1ixltplveqd519trk6a/operator_2021_0.pdf. - Дата доступа: 20.07.2023.

4. Kostecka, J. Food Waste in the Organic Recycling System and Sustainable Development/J. Kostecka, M. Garczyhska, G. Pqczka // Problemy Ekorozwoju. -2018. - Vol. 13, No. 2. -P 157-164.

5. Новые свалки создадут в Минске и других городах [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://sputnik. by/20220603/novye-svalki-sozdadut-v-minske-i-drugikh-gorodakh-1063234084.html. - Дата доступа: 20.07.2023.

6. Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов: коллектив. монография/общ. ред. и сост. А.Н. Ножевниковой [и др.] - М.: Университет, кн., 2016. - 320 с.

7. Систер, В. Г. Выбор технологий обезвреживания отходов с учётом их состава и свойств/В.Г. Систер АН. Мирный// Твёрдые бытовые отходы. - 2009. - №1(31]. - С. 16-21.

8. Microbial Strategies for Bio-Transforming Food Waste into Resources /P. Sharma [et ai]//Bioresource Technology. -2020. - Vol. 299. - 122580.

9. Юницкий, A3. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.

10. Юницкий, А.Э. Почва и почвенные микроорганизмы в биосфере ЭкоКосмоДома /А.Э. Юницкий, F.A. Соловьёва, Н.С. Зыль // Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II между-нар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня2019г./ ООО «Астроинженерные технологии»; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 179-183.

11. Заяц, B.C. Протекторная способность экзогенных эли-ситоров из Ganoderma lucidum при индукции солевого стресса у кресс-салата /B.C. Заяц, И.В. Налетов, Г.А. Крюков // Настоящее и будущее биотехнологии растений: материалы междунар. науч. конф., Минск, 24-26 мая 2023 г. - Минск: И ВЦ Минфина, 2023. - С. 75.

12. Юницкий, A3. Локализация объектов промышленного назначения на круговой экваториальной околоземной орбите /А.Э. Юницкий, A.B. Кушниренко, E.H. Кулик//Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы III междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 12 сент. 2020г./ООО «Астроинженерные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. A3. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2021. -С. 230-245.