CC BY
315РАСЕ\Л№Г
Потенциал использования целлюлозолитических микроорганизмов для биодеградации твёрдых бытовых отходов
Юницкий А.Э.
Беларусь, г. Минск, доктор философии транспорта,
ООО «Астроинженерные технологии» и ЗАО «Струнные технологии»
Соловьёва Е.А.
Беларусь, г. Минск,
бюро «Технологичные экосистемы»
управления перспективных разработок ЗАО «Струнные технологии»
Парфенчик М.М.
Беларусь, г. Минск,
бюро «Технологичные экосистемы»
управления перспективных разработок ЗАО «Струнные технологии»
434
УДК 579.66
99
Одна из первоочередных задач современного общества -сбор и утилизация отходов, поскольку их объём с каждым годом увеличивается. Небрежное обращение с ними приводит к загрязнению окружающей среды и негативно сказывается на здоровье человека. Традиционные способы обезвреживания твёрдых отходов, такие как захоронение или сжигание, не могут справиться с существующей проблемой, поэтому необходимо искать новые пути её решения. Использование экологически безопасного биологического разложения загрязнителей живыми организмами (бактериями, грибами, водорослями и др.) с возможностью получения ценных промышленных продуктов (биоудобрения, биогаза и др.) является актуальным и перспективным направлением биотехнологии. В рамках эксперимента авторами отобрана ассоциация целлюлозолитических микроорганизмов (№ 3), обладающая широким спектром деструктивной активности и большим потенциалом для биотрансформации твёрдых бытовых отходов в продукты с хозяйственно-ценными свойствами.
Ключевые слова:
биоразложение отходов, загрязнение окружающей среды, микроорганизмы-деструкторы.
Введение
Каждый год на нашей планете образуются миллионы тонн отходов, накопление которых приводит к загрязнению Земли и ухудшению здоровья населения. Значительную часть твёрдых бытовых отходов (ТБО) составляют трудно-разлагаемые целлюлозосодержащие (бумажные) отходы и изделия из пластика. Второе место занимают пищевые (органические) остатки [1]. На сегодняшний день наиболее распространённые способы утилизации ТБО - захоронение на полигонах, сжигание и раздельный сбор с последующими переработкой и вторичным использованием [2]. В процессе хранения ТБО на полигонах токсические вещества, входящие в их состав или формирующиеся при неконтролируемом разложении в естественных условиях, попадают в почву и грунтовые воды, нанося вред всему живому. Сжигание мусора также негативно влияет на окружающий мир [2, 3]. При горении возникает дым, насыщенный ядовитыми газами (диоксинами, фуранами, оксидами азота и углерода, др.). Раздельный сбор мусора с последующей переработкой отсортированных материалов зачастую бывает технически нецелесообразным и экономически невыгодным из-за высоких затрат материальных, транспортных, финансовых и человеческих ресурсов. Следовательно, для снижения антропогенной нагрузки на природную среду необходимо внедрять экологически безопасный метод уничтожения отходов цивилизации - биодеградацию (разложение загрязнителей живыми организмами - бактериями, грибами, водорослями и др.), содействующую получению ценных промышленных продуктов (биоудобрений, биогаза и др.) [3, 4].
В данной статье рассмотрены результаты скрининга микроорганизмов, способных к биодеградации труднораз-лагаемых субстратов (лигноцеллюлозного сырья, пластика). Кроме того, изучен потенциал их использования для трансформации бытового мусора в безвредные для биосферы планеты продукты в системе с замкнутыми циклами обмена веществ и энергии [5].
Представление концепции
Биологическое разложение отходов может происходить в аэробных и анаэробных условиях. Компостирование - это процесс разложения органических отходов и их превращения в гумус или компост; осуществляется ассоциацией аэробных микроорганизмов и приводит к уменьшению объёма отходов, их обеззараживанию, а также к получению биоудобрения с высоким содержанием питательных веществ. При анаэробном (бескислородном) разложении ТБО образуется биогаз - высококачественный источник энергии, популярность которого с каждым годом возрастает [3, 4].
Для биоразложения загрязнений необходимо наличие трёх ключевых элементов: микроорганизмов, селективно действующих на материалы; самих материалов; надлежащих условий окружающей среды. Если отсутствует один из этих факторов, то биоразложение не происходит.
На скорость данного процесса сильное влияние оказывают природные особенности (влажность, температура, наличие и доступность питательных веществ, аэрация,
Сборник материалов III международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ БЛИЖНЕГО КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
кислотность), определяющие жизнедеятельность микроорганизмов. Значительное изменение температуры относительно оптимального показателя приводит к падению активности микроорганизмов и переходу их в состояние анабиоза [6].
Применение ассоциаций микроорганизмов, включающих штаммы-деструкторы широкого спектра загрязнений, является актуальным и перспективным направлением экологической биотехнологии [7-9].
Объекты и методы
В лаборатории агротехнических исследований ЗАО «Струнные технологии» создан банк агрономически ценных групп микроорганизмов, где хранятся микробные культуры, выделенные из природных источников различных почвенно-климатических зон и обладающие комплексом полезных свойств [10]. Для изучения и оптимизации процесса биоразложения ТБО авторы использовали микробные ассоциации, представленные в данной коллекции микроорганизмов.
Перспективная ассоциация целлюлозолитических бактерий (№ 3), которая была получена из плодородной почвы, взятой в Минском районе (Беларусь), показала в ходе лабораторных экспериментов способность к росту на питательном субстрате [6], содержащем в качестве источника углерода широкий спектр лигноцеллюлозных соединений (карбоксиметилцеллюлозу), опилки, макулатуру или фильтровальную бумагу в концентрации 1 %), а также плёночный полиэтилен (в виде пакетов) (рисунок 1).
Для подтверждения деградационного потенциала отобранной микробной ассоциации в естественной среде
Рисунок 1 - Культивирование ассоциации целлюлозолитических бактерий (№ 3) на питательной среде, в которой в качестве источника углерода содержатся: 1 - макулатура; 2 - лиственные опилки; 3 - карбоксиметилцеллюлоза; 4 - фильтровальная бумага; 5 - полиэтиленовый пакет
проведён эксперимент по биоразложению бытового мусора (пищевых, целлюлозно-бумажных отходов, пластика, стекла), предварительно измельчённого на садовом электрическом измельчителе Champion SH250 (Китай) до размера частиц 1-5 см. Процесс биодеструкции ТБО изучался в осенний период в аэробных (при перемешивании материала) и анаэробных (без перемешивания) условиях в деревянном коробе с крышкой (45 * 70 * 25 см), заполненном измельчённым мусором, который обработан инокулятом исследуемых микроорганизмов (рисунок 2).
Короб состоял из трёх отделов. Во втором отделе мусор подвергался биоразложению в аэробных условиях, создаваемых путём его перемешивания и перекладывания из первого отдела во второй. В третьем отделе мусор не перемешивался, что позволило смоделировать среду, близкую к анаэробной. Укладка отходов происходила слоями.
Рисунок 2 - Конструкция деревянного короба для изучения процесса биоразложения ТБО
ПОТЕНЦИАЛ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИЧЕСКИХ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ БИОДЕГРАДАЦИИ ТВЁРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Юницкий А.Э., Соловьёва Е.А., Парфенчик М.М.
Нижний слой включал перемолотые сухие ветки, которые для отвода лишней влаги и улучшения аэрации обеспечивали дренаж, необходимый для проведения микробиологических процессов биоразложения. Следующий слой - измельчённые ТБО; самый верхний - зелёная масса разнотравья (рисунок 3).
Рисунок 3 - Заполнение отделов короба измельчёнными ТБО и зелёной массой разнотравья (б, в) в процессе эксперимента по биоразложению мусора
Результаты и анализ исследования
В эксперименте по биоразложению ТБО уже через две недели отмечено уплотнение и уменьшение мусора в объёме в ячейке с аэробными условиями процесса. Мусор подвергается активному разложению аборигенными и интро-дуцированными микроорганизмами.
К концу второго месяца с момента закладки опыта зафиксировано значительное сокращение отходов (в два раза) по сравнению с первоначальным объёмом, а также отсутствие запаха и полное разложение зелёной фито-массы, что свидетельствует об эффективности протекания изучаемого процесса (рисунок 4).
Рисунок 4 - Биоразложение мусора в аэробных (б) и анаэробных (в) условиях после двух месяцев эксперимента
В анаэробных условиях процесс биотрансформации отходов идёт медленнее. При этом слаборазложившиеся и неразложившиеся растительные и минеральные остатки участвуют в гумусообразовании, формируя труднорастворимые органоминеральные комплексы, характеризующиеся большой устойчивостью к разрушению. Однако, несмотря на сложность строения, гумусовые соединения со временем перерабатываются в той или иной степени микроорганизмами, обогащая субстрат питательными веществами, накопленными в составе гумуса, что позволяет в дальнейшем использовать его в качестве эффективного биоудобрения в ЭкоКосмоДоме (ЭКД) - замкнутой экосистеме [9]. Внесением в перерабатываемый материал измельчённого электрогидравлическим способом бурого угля можно добиться снижения концентрации токсичных веществ (тяжёлых металлов, ПАВов и др.), если они присутствовали в составе ТБО, и увеличения содержания питательных компонентов, тем самым активизируя микробиологические процессы.
Выводы
и дальнейшие направления исследования
Отобранная ассоциация целлюлозолитических микроорганизмов (№ 3), обладающая комплексом гидролитических ферментов, которые принимают участие в трансформации трудноразлагаемых лигноцеллюлозных и других субстратов, перспективна для ускорения разложения ТБО и их превращения в гумусоподобные компоненты, используемые в качестве биоудобрения для повышения почвенного плодородия. Предлагаемый микробиологический способ переработки ТБО по сравнению с традиционными методами (сжиганием, захоронением) позволит уменьшить объём отходов, снизить нагрузку на окружающий мир и получить эффективное биоудобрение.
В дальнейшем планируется оптимизировать условия протекания процесса микробиологической деструкции ТБО с учётом отобранной ассоциации микроорганизмов № 3 (количество и сроки внесения инокулята, различная степень измельчения ТБО, подбор параметров среды, перемешивание субстрата в процессе биоразложения и др.) и оценить эффективность применения биотрансформированного продукта при возделывании растений.
Литература
1. What a Waste: A Global Review of Solid Waste Management [Electronic resource]: [Urban Development Series;
а)
б)
в)
а)
б)
в)
Сборник материалов III международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ БЛИЖНЕГО КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
4.
Knowledge Papers No. 15 / World Bank.] - Washington, DC, 2012. - Mode of access: https://openknowledge.world-bank.org/handle/W986/17388. - Date of access: 04.07.2020. Рихванов, Е. Образование и утилизация твёрдых бытовых отходов [Электронный ресурс] / E. Рихванов -2000. - Режим доступа: https://www.waste.ru/modules/ section/item.php?itemid=78. - Дата доступа: 06.07.2020. Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов: коллективная монография/общ. ред. и сост. А.Н. Ножевниковой [и др.]. - М.: Университетская книга, 2016. - 320 с.
Tchobanoglous, G. Handbook of Solid Waste Management / G. Tchobanoglous, F. Kreith. - 2nd ed. - New York: McGraw-Hill, 2002. - P19-29.
Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание / АЭ. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.
Колешко, О.И. Экология микроорганизмов почвы: лаб. практикум / О.И. Колешко. - Минск: Вышэйшая школа, 1981. - 176 с.
1. Danso, D. Plastics: Environmental and Biotechnological Perspectives on Microbial Degradation /D. Danso, J. Chow, W.R. Streit//Applied Environmental Microbiology. - 2019. -No. 85 (19). - P 768-796.
8. Lynd, L.R. Microbial Cellulose Utilization: Fundamentals and Biotechnology / L.R. Lynd [et al.]//Microbiology and Molecular Biology Reviews. - 2002. - Vol. 66, No. 3. -P. 506-577.
9. Ветрова, А.А. Биодеструкция нефти отдельными штаммами и принципыI составления микробных консорциумов для очистки окружающей средыi от углеводородов нефти /А.А. Ветрова [и др.]//Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. - 2013. -Вып. 2, ч. 1. - С. 241-257.
10. Юницкий А.Э. Почва и почвенные микроорганизмыi в биосфере ЭкоКосмоДома /А.Э. Юницкий, Е.А. Соловьёва, Н.С. Зыль // Безракетная индустриализация космоса: проблемыI, идеи, проекты:: материалыi II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / Астро-инженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. -Минск: Парадокс, 2019. - С. 179-183.
ПОТЕНЦИАЛ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИЧЕСКИХ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ БИОДЕГРАДАЦИИ ТВЁРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Юницкий А.Э., Соловьёва Е.А., Парфенчик М.М.
