CC BY
33
УДК 561.284.579.61
Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 3. С. 275-278
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБОТКИ С ПОЛУЧЕНИЕМ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
П. В. Миронов, Е. В. Алаудинова, Р. Х. Эназаров, А. С. Саволайнен
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: alaudinovaev@yandex,ru
Наибольшую долю отходов на деревообработывающих предприятиях Красноярского края составляют опилки хвойных пород, объем которых достигает 20 % от объема обрабатываемого сырья. Основная масса опилок превращается в неутилизируемый отход, представляющий экологическую и пожарную опасность. Поэтому разработка способов утилизации отходов деревообработки (опилок хвойных пород) с получением ценных продуктов является актуальной задачей. Перспективным способом переработки следует считать прямую биоконверсию опилок дереворазрушающими грибами с получением органических удобрений.
Определяющим фактором при разработке технологии микробиологической конверсии сложных субстратов (в том числе и опилок хвойных пород) является подбор штаммов-продуцентов дереворазрушающих грибов (микро- и макромицетов).
В задачу настоящего исследования входил адекватный подбор продуцента для биоконверсии опилок сосны. На первом этапе в качестве штамма-дереворазрушителя выбран штамм Pleurotus djamor PD-3.2. После культивирования штамма на сосновых опилках в течение 20-ти суток степень биоконверсии опилок составила около 28 %. Выход готового продукта (органического удобрения) - около 72 % от исходного сырья. Содержание общего белка в удобрении составило около 7 %, против полного его отсутствия в исходных опилках. В сравнении с исходными опилками на 26 % снизилось содержание легко- и трудногидролизуемых полисахаридов, а также на 10 % - лигнина.
Увеличение времени биоконверсии опилок приведет к увеличению в продукте - органическом удобрении -содержания азота, сделает его ещё более доступным для почвенных микроорганизмов и сократит время гумификации. Таким образом, прямая биоконверсия сосновых опилок штаммом Pleurotus djamor PD-3.2 с получением органических удобрений для сельского хозяйства весьма перспективна.
Ключевые слова: сосновые опилки, дереворазрушающие грибы, Pleurotus djamor PD-3.2, микробиологическая конверсия, органические удобрения.
Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 3, P. 275-278
MICROBIOLOGICAL CONVERSION OF WOODWORKING WASTE WITH OBTAINING ORGANIC FERTILIZERS
P. V. Mironov, E. V. Alaudinova, R. H. Enazarov, A. S. Savolainen
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: alaudinovaev@yandex.ru
The greatest share of waste at the woodworking enterprises of the Krasnoyarsk Regions is sawdust of coniferous species, which volume reaches 20 % of the volume of processed raw materials. The bulk of the sawdust is converted into an unutilized waste, representing an ecological and fire hazard. Therefore, the development of methods for processing woodworking waste (sawdust of coniferous species) with obtaining valuable products is an urgent task. A promising method of processing should be considered direct bioconversion of sawdust with wood-destroying fungi to produce organic fertilizers.
The determining factor when developing the technology of microbiological conversion of complex substrates (sawdust of coniferous species) is the selection of strains producing wood-destroying fungi (micro- and macromycetes).
The task of the present study was to select an adequate producer for bioconversion of pine sawdust. In the first stage, the strain Pleurotus djamor PD-3.2 was selected as the strain-tree destructor. After cultivation of the strain on pine sawdust for 20 days, the degree of bioconversion of sawdust was about 28 %. The yield of the finished product (organic fertilizer) is about 72 % of the raw material. The total protein content in the fertilizer was about 7 %, against its total absence in the initial sawdust. In comparison with the initial sawdust, the content of easily and hardly hydrolysable polysaccharides decreased by 20 %, and also by 10 % - lignin.
Миронов П. В., Алаудинова Е. В., Эназаров Р. Х., Саволайнен А. С. Микробиологическая конверсия отходов ...
Increasing the time of bioconversion of sawdust will lead to an increase in the content of nitrogen in the product, organic fertilizer, which will make it even more accessible to soil microorganisms and will shorten the time for humification. Thus, direct bioconversion of pine sawdust with Pleurotus djamor PD-3.2 strain to produce organic fertilizers for agriculture is very promising.
Keywords: pine sawdust, wood-destroying fungi, Pleurotus djamor PD-3.2, microbiological conversion, organic fertilizers.
ВВЕДЕНИЕ
Большая часть лесов России (около 80 %) сосредоточена в азиатской части страны. Традиционно в состав основных лесопромышленных регионов входит Красноярский край, на территории которого доминируют хвойные древесные виды. Наибольшую долю отходов на предприятиях деревообработки Красноярского края составляют опилки хвойных пород, объем которых может достигать 20 % от объема обрабатываемого сырья.
Сегодня основная масса опилок складируется и превращается в неутилизируемые отходы производства, которые, помимо экологической, представляют еще и высокую пожарную опасность. Для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду необходимо сокращать долю неутилизированных отходов, широко вовлекая их глубокую переработку. В этой связи изыскание путей и создание способов утилизации отходов деревообработки следует считать одной из актуальных задач.
В древесных опилках структура исходной древесины значительно разрушена механическим воздействием: они представляют собой частицы размером не более 5 мм. Использование опилок в качестве сырья для глубокой переработки позволяет устранить стадию их первоначального измельчения, что упрощает технологический процесс и существенно сокращает производственные затраты.
Одним из многообещающих способов утилизации опилок, на наш взгляд, следует считать их прямую биоконверсию штаммами-продуцентами высших де-реворазрушающих грибов с получением органических и органо-минеральных удобрений для сельского хозяйства. По этой причине на кафедре Химической технологии древесины и биотехнологии СибГУ им. М. Ф. Решетнева с 2010 года ведутся исследования по подбору штаммов-продуцентов, подходящих для прямой конверсии лигноцеллюлозного растительного сырья.
Известно, что многие микроорганизмы не обладают необходимыми биологическими возможностями для утилизации лигноцеллюлозных субстратов [1; 2]. В этой связи задачей на стоящего исследования являлся подбор продуцента (микро- или макромицета) для культивирования, поскольку адекватный подбор микроорганизма для микробиологической конверсии сложного субстрата (древесных опилок), определяет успех дальнейшей разработки технологии глубокой переработки растительных древесных и недревесных отходов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Штамм Pleurotus djamor РБ-3.2, являющийся объектом исследования, выделен в виде чистой культуры
из коммерческих плодовых тел и хранится в коллекции кафедры Химической технологии древесины и биотехнологии СибГУ им. М. Ф. Решетнева.
Систематическое положение гриба, из которого выделен штамм Pleurotus djamor PD-3.2: надцарство эукариоты - Eucariota; домен грибы - Fungi, отдел ба-зидиомикота - Basidiomycota; класс агарикомицеты -Agaricomycetes; порядок агариковые - Agaricales; семейство вешенковые - Pleurotaceae; род вешенка -Pleurotus; вид вешенка розовая - Pleurotus djamor (P. djamor) [1].
Для оценки возможности применения штамма P. djamor PD-3.2 в качестве посевного материала для биоконверсии сосновых опилок методом глубинного культивирования была получена биомасса штамма по методике, приведенной ранее [2]. Содержание общего белка в засевной глубинной культуре и в продукте биоконверсии (органическом удобрении) определяли по методу Кьельдаля [3] и Бузуна с амидо-черным 10 В [4].
Степень биоконверсии сосновых опилок рассчитывали с учетом убыли массы опилок и содержания белка в засевной глубинной культуре. В работе приведены средние арифметические значения трёх аналитических повторностей экспериментов. Оценка значимости различий проведена методом сравнения средних значений по критерию Стьюдента при доверительной вероятности P = 0,95.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Биодеградация природных лигноцеллюлозных материалов реализуется различными путями, но во всех случаях ведущим механизмом биодеградации является действие сложного мультиферментного комплекса гриба. Известно, что вид Pleurotus djamor (P. djamor) обладает лигнинпероксидазной и лакказной активностью, продуцируя лакказу, арилалкогольоксидазу и др. ароматические оксидазы [5-7]. Это позволяет считать штамм P. djamor PD-3.2 перспективным агентом для получения органических удобрений способом биоконверсии древесных отходов. Поэтому на первом этапе исследования нами в качестве биологического агента-дереворазрушителя выбран штамм P. djamor PD-3.2.
Для увеличения степени доступности сырья действию штамма-продуцента и снижения инфицированно-сти посторонней микрофлорой сосновые опилки обрабатывали кипятком и охлаждали до температуры 28-30 оС. Затем вносили посевной материал (глубинную культуру P. djamor PD-3.2) с учетом влагоудержи-вающей способности сырья (примерно 10 % из расчета на сухую массу). Сырье перемешивали и загружали в сетчатые контейнеры. Для достаточной аэрации толщина слоя сырья составляла не более 7-8 см.
Характеристика лигноуглеводного комплекса сосновых опилок до и после биоконверсии
Наименование компонента Содержание, % от а. с. м.
до биоконверсии [8] после биоконверсии
Моносахариды 0,59±0,034 1,04±0,08
Легкогидролизуемые полисахариды 14,20±0,62 12,05±0,55
Трудногидролизуемые полисахариды 40,20±1,9 30,31±1,44
Лигнин 32,10±1,1 30,22±1,27
Влажность субстрата поддерживали на уровне 65-70 %, периодически орошая водой. Твердофазное культивирование опилок проводили в течение 20-ти суток при температуре 22-25 оС.
В качестве параметра для оценки эффективности процесса микробиологической переработки принята степень биоконверсии растительного субстрата. Полнота утилизации субстрата свидетельствует об активном метаболизме продуцента, а также о пригодности данного биологического агента для эффективной микробиологической переработки выбранного растительного субстрата.
Как показали наши исследования, в процессе биоконверсии химический состав субстрата (сосновых опилок) претерпевает значительные изменения. Степень биоконверсии растительного субстрата составила - 27,79 %, т. е. выход готового продукта - около 72 % от исходного сырья. Содержание общего белка в полученном продукте - органическом удобрении - составило около 7 %, против полного его отсутствия в исходных опилках.
Существенную трансформацию претерпел и лиг-ноуглеводный комплекс исходного сырья (см. таблицу).
После биоконверсии штаммом P. djamor PD-3.2 в полученном органическом удобрении по сравнению с исходными опилками содержание легкогидролизуе-мых полисахаридов снизилось на 2 %, трудногидро-лизуемых - на 10 % от а. с. м. продукта, что, с учетом убыли массы исходного сырья, составило уже 6 и 20 % соответственно.
Также активно в процессе биоконверсии протекала и утилизация лигнина - процесс вторичного метаболизма у Pleurotus. Расчет содержания негидроли-зуемого остатка (лигнина) с учетом убыли массы исходного сырья показывает, что его количество в продукте снизилось почти на 10 %. Следовательно, под действием ферментного комплекса используемого штамма-продуцента P. djamor PD-3.2 микробиологической деструкции подвергалась как углеводная часть сосновых опилок, так и негидролизуемый в обычных условиях остаток (лигнин).
ВЫВОДЫ
Таким образом, анализ литературных данных и результаты экспериментальных исследований позволяют утверждать, что прямая биоконверсия сосновых опилок штаммом-продуцентом P. djamor PD-3.2 с получением органических удобрений для сельского хозяйства весьма перспективна.
В настоящем эксперименте время биоконверсии было ограничено 20-ю сутками. В дальнейшем плани-
руется увеличение времени микробиологической конверсии, в ходе которой продукт будет дополнительно обогащаться азотсодержащим компонентом - белком, являющимся доступной формой азота для растений, а его лигноуглеводная часть подвергнется дальнейшей трансформации. Это приведет к увеличению в органическом удобрении (продукте биоконверсии) содержания предпочтительных для растений форм органического азота, сделает удобрение ещё более доступным для почвенных микроорганизмов и сократит время гумификации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Жизнь растений в шести томах. Т. 2. Грибы / под ред. М. В. Горленко. М. : Просвещение, 1976. 479 с.
2. Химический состав глубинной культуры ксило-трофных базидиомицетов рода Pleurotus / В. В. Тар-нопольская, Е. В. Алаудинова, А. С. Саволайнен [и др.] // Хвойные бореальной зоны, 2014. № 1-2. С. 78-80.
3. Филипивич Ю. Б., Егорова Т. А., Севастьянова Г. А. Практикум по общей биохимии : учеб. пособие / под общ. ред. Ю. Б. Филиповича. 2-е изд., перераб. М. : Просвещение, 1982. 311 с.
4. Бузун Г. А., Джемухадзе К. М., Мелешко Л. Ф. Определение белка в растениях с помощью амидо-черного // Физиология растений. М., 1982. С. 198-204.
5. Сравнительный анализ лигнолитического потенциала базидиальных грибов, принадлежащих к различным таксономическим и экологическим группам / Т. В. Федорова [и др.] // Прикладная биохимия и микробиология. М. : Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова, 2013. Т. 49, № 6. С. 570-579.
6. Pinedo-Rivilla C., Aleu J., Collado I .G. Pollutans-bioodegradation by Fungi // Curr. Org. Chem. 2009. Vol. 1378. P. 1194-1214.
7. Теоретические основы биотехнологии древесных композитов : в 2 кн. Кн. 1. Древесина и разрушающие ее грибы / под ред. М. Л. Рабинович. М. : Наука, 2001. 264 с.
8. Тарнопольская В. В. Технология микробиологической переработки растительного сырья с использованием культур Pleurotus для получения кормовых продуктов : дис. ... канд. техн. наук : 05.21.03 / Тар-нопольская Вероника Валентиновна. Красноярск, 2016. 157 с.
REFERENCES
1. Zhizn' rasteniy v shesti tomakh. T. 2. Griby / pod red. M. V. Gorlenko. M. : Prosveshcheniye, 1976. 479 s.
2. Khimicheskiy sostav glubinnoy kul'tury ksilotro-fnykh bazidiomitsetov roda Pleurotus / V. V. Tarnopol's-
Миронов П. В., Алаудинова Е. В., Эназаров Р. Х., Саволайнен А. С. Микробиологическая конверсия отходов
kaya, E. V. Alaudinova, A. S. Savolaynen [i dr.] // KHvoynyye boreal'noy zony, 2014. № 1-2. S. 78-80.
3. Filipivich Yu. B., Egorova T. A., Sevast'yanova G. A. Praktikum po obshchey biokhimii: ucheb. posobiye / pod obshch. red. Yu. B. Filipovicha. 2-e izd., pererab. M. : Prosveshcheniye, 1982. 311 s.
4. Buzun G. A., Dzhemukhadze K. M., Meleshko L. F. Opredeleniye belka v rasteniyakh s pomoshch'yu amidochernogo // Fiziologiya rasteniy. M., 1982. S. 198204.
5. Sravnitel'nyy analiz lignoliticheskogo potentsiala bazidial'nykh gribov, prinadlezhashchikh k razlichnym taksonomicheskim i ekologicheskim gruppam / T. V. Fe-dorova [i dr.] // Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya. M. : Mosk. gos. un-t im. M. V. Lomonosova, 2013. T. 49, № 6. S. 570-579.
6. Pinedo-Rivilla C., Aleu J., Collado I .G. Pollutans-bioodegradation by Fungi // Curr. Org. Chem. 2009. Vol. 1378. P. 1194-1214.
7. Teoreticheskiye osnovy biotekhnologii drevesnykh kompozitov : v 2 kn. Kn. 1. Drevesina i razrushayu-shchiye eye griby / pod red. M. L. Rabinovich. M. : Nauka, 2001. 264 s.
8. Tarnopol'skaya V. V. Tekhnologiya mikrobiologi-cheskoy pererabotki rastitel'nogo syr'ya s ispol'zova-niyem kul'tur Pleurotus dlya polucheniya kormovykh produktov : dis. ... kand. tekhn. nauk : 05.21.03 / Tarnopol'skaya Veronika Valentinovna. Krasnoyarsk, 2016. 157 s.
© Миронов П. В., Алаудинова Е. В., Эназаров Р. Х., Саволайнен А. С., 2018
Поступила в редакцию 14.03.2018 Принята к печати 28.06.2018
