CC BY
32
УДК 579.695; 546.85; 502.55; 661.63
А.З. Миндубаев, С.Т. Минзанова, Л.Г. Миронова, Д.Г. Яхваров
Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦРАН, [email protected]
ВЛИЯНИЕ ЗЕЛЕНОЙ МАССЫ АМАРАНТА НА СКОРОСТЬ ДЕГРАДАЦИИ БЕЛОГО ФОСФОРА
Сельскохозяйственные растения рода АтагапЛж Ь. являются богатым источником белка, сбалансированного по аминокислотному составу, что и делает их ценным пищевым и кормовым сырьем. Цель исследования - изучение влияния фитомассы амаранта на переработку белого фосфора осадками сточных вод (ОСВ). Для сокращения лаг-фазы роста микрофлоры в ОСВ была добавлена биомасса амаранта багряного (А. степи Ь.), который является эффективным стимулятором метанового брожения. Присутствие в ОСВ фитомассы амаранта заметно ускоряло процесс адаптации микрофлоры к белому фосфору, что связано, в первую очередь, с его питательными свойствами. В варианте без добавления в ОСВ фитомассы амаранта присутствовала длительная лаг-фаза - активация газообразования наблюдалась только после 100 дней эксперимента.
Ключевые слова: биодеградация; детоксикация; белый фосфор; осадки сточных вод; метано-генез; АтагапЛж степи Ь.
Введение
Амарант является перспективной сельскохозяйственной культурой. Его особенность - большой прирост биомассы, что позволяет получать до 500-600 ц/га дешевого зеленого растительного сырья даже в условиях Нечерноземья и до 2000 ц с гектара на Кубани (Кононков и др., 1999). Помимо этого, сельскохозяйственные растения рода Атагап^ш Ь. (сем. АтагапШасеае) являются богатым источником белка, сбалансированного по аминокислотному составу (Кононков и др., 1999), что делает их ценным пищевым и кормовым сырьем. Известно, что употребление амаранта крупным рогатым скотом ведет к стимуляции активности метаногенной микрофлоры рубца (Миндубаев и др., 2010), что связано, вероятно, с высоким содержанием белка в данном растении и с его высокой питательностью. До сих пор это явление рассматривалось исключительно как негативное: крупный рогатый скот не рекомендуется кормить чистым амарантом во избежание разрыва рубца выделяющимся газом. Учитывая этот факт, в ИОФХ КазНЦ РАН впервые решили применить указанное растение для стимуляции анаэробной метаногенной микрофлоры. Процессы, протекающие в рубце жвачных животных, были смоделированы в лабораторных условиях (Миндубаев и др., 2009).
Цель исследования - изучение влияния зеленой массы амаранта багряного (АтагапШш сгиеПи L.) на переработку белого фосфора осадком сточных вод (ОСВ). Амарант, как показали наши более ранние исследования, является эффективным стимулятором метанового брожения
(Миндубаев и др., 2009). Присутствие в ОСВ зеленой массы амаранта заметно ускоряет процесс адаптации микрофлоры к белому фосфору, что связано, в первую очередь, с его питательными свойствами.
Материалы и методы исследования
В качестве сырья для выработки биогаза служил вторичный ОСВ, а стимулятором метаноге-неза явилась цельная фитомасса амаранта.
В эксперименте по исследованию влияния фи-томассы амаранта анаэробная переработка сырья осуществлялась в реакторах лабораторного масштаба объемом 200 мл, непрерывно термостати-ровавшихся в мезофильном (38°) режиме. Загрузка реактора составляла 150 г субстрата. Процесс переработки белого фосфора под действием ОСВ исследовался на протяжении 148 дней. Объем выделяющегося газа измерялся ежедневно сбором в мерный цилиндр. Качественный и количественный состав газа определялся еженедельно с помощью метода газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) на газовом хроматографе Хром 5 (ЧССР), на колонке Рогарак Q длиной 2.4 метра, детектор по теплопроводности, газ-носитель гелий. Температурный режим: колонка 85±5°С, испаритель 130±10°С, детектор 130±10°С. Каждая проба газа отбиралась дважды, полученные значения - средние из двух повторов.
Эксперименты с ОСВ без добавления фито-массы амаранта поставлены с целью изучения влияния белого фосфора на микрофлору в отсутствии подкормки. Использованная в эксперименте концентрация Р4 0.001%, как показали наши
предыдущие исследования (Миндубаев и др., 2015b; Миндубаев и др., 2016b,c), сравнительно безвредна для микрофлоры осадков.
В качестве субстрата использовались ОСВ с водоочистного сооружения МУП «Водоканал» г. Казань. Применялся уплотненный ОСВ с влажностью 98.8%, собранный из колодца, а также обезвоженный ОСВ с влажностью 80.7%, произведенный фильтрованием на фильтр-прессе. В трех сериях экспериментов использовался ОСВ одной партии, с идентичными показателями. Растительная биомасса, добавленная в субстраты в качестве дополнительного питания для микрофлоры - зеленая масса амаранта. Амарант багряный (A. cruentus L.), урожая 2008 г., был выращен на опытном поле в Пестречинском районе Республики Татарстан и собран в фазе цветения. Использована сухая (влажность 5.7 %) измельченная (размер частиц менее 0.5 мм) фитомасса.
В двух сериях эксперимента зеленая масса амаранта не добавлялась. Белый фосфор хранился под водой. Перед внесением в субстрат он был эмульгирован в воде при помощи ультразвуковой ванны «Сапфир» (рабочая частота 35 кГц, 30 мин) при температуре 50°С, при перемешивании на магнитной мешалке в инертной атмосфере (азот) до образования однородной молочно-белой суспензии со средним диаметром сферических частиц менее 0.1 мм.
Состав субстратов:
с амарантом: 37.5 г твердого (обезвоженного) ОСВ + 4.95 г амаранта + 0.0015 г Р4 в 1.5 мл дист. воды + жидкий (уплотненный) ОСВ до 150 мл, мезофильный режим (38°С);
без амаранта: 75 г обезвоженного ОСВ + 0.0015 г Р4 в 1.5 мл дист. воды + уплотненный ОСВ до 150 мл, мезофильный режим (38°С);
без амаранта и белого фосфора: 75 г обезвоженного ОСВ + уплотненный ОСВ до 150 мл, мезофильный режим (38°С).
Контрольные и опытные варианты выполнены в трех повторностях.
Полученный цифровой материал обработан статистически в программе Origin 7.0.
Результаты и их обсуждение
В сериях опытов без добавления в осадки сточных вод фитомассы амаранта присутствовала длительная лаг-фаза. Активация газообразования как в присутствии белого фосфора, так и без него наблюдалась только после 100 дней эксперимента (рис. 1). При этом без амаранта удельный выход газа за 148 дней эксперимента составил 7.6 мл газа мл субстрата, а в его присутствии за тот же самый период 16.0 мл газа/мл субстрата. В серии
без амаранта и белого фосфора удельный выход газа за 148 дней эксперимента составил 13.1 мл газа/мл субстрата. В серии с амарантом и белым фосфором лаг-фазы практически не было, падение активности выделения газа между 29 и 36 днями объясняется токсическим воздействием внесенного ксенобиотика. Преобладание метана СН4 над углекислым газом СО2 в отсутствии амаранта и с Р4 - показатель глубины анаэробной переработки субстрата - наблюдалось только после 126 дня эксперимента, в отсутствии амаранта и Р4 - после 119 дня, а в присутствии амаранта и белого фосфора - после 61 дня (рис. 1). Таким образом, в присутствии растительной биомассы как дополнительной подкормки микрофлора даже в условиях загрязнения белым фосфором растет быстрее, чем в осадке без Р4 и биомассы амаранта.
Для кинетики выделения газа осадками сточных вод в целом характерна хорошая сходимость значений удельной продуктивности и продолжительности фазы максимальной продуктивности газообразования, но сильны различия в продолжительности лаг-фазы (рис. 2). Это было показано в наших предыдущих работах (Миндубаев и др., 2015a,c; Миндубаев и др., 2016b). Например, в контроле у одного из повторов лаг-фаза длится примерно 35 дней, а у второго и третьего она сокращена примерно до 15 дней. Следует подчеркнуть, что условия проведения экспериментов совершенно идентичны, т.е. разброс величин имеет чисто статистическую природу. Максимальная продуктивность газообразования соответствует максимальной активности метаболизма микрофлоры осадка.
Как показали наши исследования (Миндубаев и др., 2015a,c), в присутствии фитомассы амаранта лаг-фаза практически не выражена. Это доказывает, что стимуляция амарантом основана именно на сокращении лаг-фазы. В отсутствие фитомассы диаграммы газообразования носят характер правильных гауссовых кривых с одним максимумом, а в опыте наблюдаются по два максимума активности, первый из которых более интенсивный (рис. 3). На общий выход газа амарант не влияет. Вероятнее всего, стимуляция амарантом основана на его питательных свойствах - биомасса данного растения богата белковым азотом, что делает соотношение углерод/азот более благоприятным для метаногенеза (Sambo et al., 1995). Однако, помимо белка амарант богат низкомолекулярными веществами, в частности, флавоноидами (Высочина, 2013), которые, согласно ряду исследований (Broudiscou et al., 2000), могут стимулировать метаногенез. Еще одним из объяснений этих результатов стало предполо-
1/2017
51
° 100
Продолжительность процесса, дни
111111111111111111
7 14 20 27 34 41 47 54 61 69 76 83 90 97 102123132140 Продолжительность процесса, дни
■ Метан ■ Углекислый га з
Белый фосфор с добавлением зеленой массы амаранта. Удельный выход газа 16.0мл/мл субстрата за 148 суток
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Продолжительность процесса, дни
Продолжительность процесса, дни ■ Метан ■ Углекислый газ
н 0
0
Белый фосфор без добавления биомассы амаранта. Удельный выход газа 7.6 мл/мл субстрата за 148 суток
Без белого фосфора и зеленой массы амаранта. Удельный выход газа 13.1 мл/мл субстрата за 148 суток
Рис. 1. Кинетика выделения и изменения состава газа в эксперименте по исследованию влияния зеленой массы амаранта на биодеградацию белого фосфора (Миндубаев и др., 2015а)
жение, что растительные кислые полисахариды пектины образуют комплексные соединения с ионами поливалентных металлов, обеспечивая микрофлору необходимыми для роста элементами (М^апоуа et а1., 2015).
Таким образом, добавляя богатый источник питательных веществ в осадок, можно сокращать
непродуктивную лаг-фазу и ускорять детоксика-цию сточных вод, в том числе и содержащих белый фосфор.
В наших более ранних работах было показано, что зеленая масса растения амарант багряный стимулирует метаногенную микрофлору и было предложено использовать амарант для увеличе-
52
российский журннл им! экологии
Продолжительность процесса, дай -Повтор! -Повтор 2 -Повтор J
Рис. 2. Результаты эксперимента по анаэробному сбраживанию осадка сточных вод
100 90 SO
1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 61 73 79 85 91 97 103 109 115 Продолжительность процесса, дни
Б
so
70 60 ■ 50
1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 109 115 Продоляшельность процесса, дни
Рис. 3. Кинетика выделения газа: контроль (А) и опыт (Б) (Миндубаев и др., 2015Ь)
ния выхода возобновляемого топлива - биогаза. Причем стимулирующим действием обладает не только цельная фитомасса амаранта, но и его жом после экстракции ценных компонентов, использовать который для стимуляции микрофлоры значительно рентабельнее. Очевидно, что стимуляция микрофлоры должна ускорять все микробиологические процессы, в том числе и биодеградацию белого фосфора, что было показано экспериментально. Пока трудно определенно говорить о том, возможно ли практическое применение стимуляции биодеградации ксенобиотиков внесением фитомассы, однако работа имеет теоретическое значение, поскольку объясняет значение подкормки для ускорения данного процесса, а также в очередной раз демонстрирует взаимосвязь между активностью микрофлоры и разложением белого фосфора.
Список литературы
1. Высочина Г.И. Амарант (Amaranthus L.): химический состав и перспективы использования (обзор) // Химия растительного сырья. 2013. №2. С. 5-14.
2. Кононков П.Ф., Гинс В.К, Гинс М.С. Амарант - перспективная культура 21 века. М.: Изд-во Российского ун-та дружбы народов, 1999. 296 с.
3. Миндубаев А.З., Белостоцкий Д.Е., Минзанова С.Т., Миронов В.Ф., Алимова Ф.К, Миронова Л.Г., Коновалов А.И.. Метаногенез: Биохимия, Технология, Применение // Учен. зап. Казан, ун-та. Сер. Естеств. науки. 2010. Т. 152, Кн. 2. С. 178-191.
4. Миндубаев А.З., Волошина А. Д., Горбачук Е.В., Вали-дов Ш.З., Кулик Н.В., Алимова Ф.К., Минзанова С.Т., Миронова Л.Г., Белостоцкий Д.Е., Сапармырадов К.А., Тухбатова Р.И., Яхваров Д.Г. Адаптация микроорганизмов к белому фосфору, как результат направленной селекции. Генетическая идентификация устойчивого аспергилла и метаболическое профилирование стрептомицета А8 // Бутлеровские сообщения. 2015. Т. 44, №12. С.1-28.
5. Миндубаев А.З., Волошина А.Д., Горбачук Е.В., Кулик
H.В., Минзанова С.Т., Миронова Л.Г., Алимова Ф.К., Яхваров Д.Г. Возможность обезвреживания промышленных стоков, содержащих белый фосфор, при помощи микрофлоры // Российский журнал прикладной экологии. 2015. № 3. С. 42-47.
6. Миндубаев А.З., Минзанова С.Т., Миронова Л.Г., Белостоцкий Д.Е., Алимова Ф.К., Яхваров Д.Г. Влияние фито-массы амаранта на скорость биодеградации белого фосфора // Экологический вестник Северного Кавказа. 2015. Т. 11, № 4. С. 73-79.
7. Миндубаев А.З., Минзанова С.Т., Миронова Л.Г., Белостоцкий Д.Е., Алимова Ф.К., Яхваров Д.Г. Действие биомассы амаранта на биодеградацию белого фосфора // Совмещенные посевы полевых культур в севообороте агро-ландшафта / Сб. трудов Междунар. науч. экологической конференции. Краснодар, 2016. С. 68-73.
8. Миндубаев А.З., Минзанова С.Т., Скворцов Е.В., Миронов В.Ф., Зобов В.В., Ахмадуллина Ф.Ю., Миронова Л.Г., Белостоцкий Д.Е., Коновалов А.И. Стимулирующее влияние сухой фитомассы амаранта Amaranthus cruentus на биоме-таногенез в трудноферментируемых субстратах // Вестник Казанского технологического университета. 2009. №4. С. 220-226.
9. Миндубаев А.З., Сапармырадов К.А., Алимова Ф.К. Сравнение антагонистических свойств стрептомицетов из различных биотопов // Российский журнал прикладной экологии. 2016. № 3. С. 28-32.
10. Миндубаев А.З., Сапармырадов К.А., Горбачук Е.В., Панкова А.В. Селекция микроорганизмов на устойчивость к белому фосфору // Российский журнал прикладной экологии. 2016. №2. С. 42-46.
11. Broudiscou L.P., Papon G., Broudiscou A.F. Effects of dry plant extracts on fermentation and methanogenesis in continuous culture of rumen microbes // Animal Feed Science and Technology. 2000. V. 87, №3-4. P. 263-277.
12. Minzanova S.T., Mironov V.F., Vyshtakalyuk A.B., Tsepaeva O.V., Mironova L.G., Mindubaev A.Z., Nizameev
I.R., Kholin K.V., Milyukov V.A. Complexation of pectin with macro- and microelements. Antianemic activity of Na, Fe and Na, Ca, Fe complexes // Carbohydrate Polymers. 2015. V.134. P. 524-533.
13. Sambo A.S., Garba B., Danshehu B.G. Effect of some operating parameters on biogas production rate // Renewable Energy. 1995. V. 6, №3. P. 343-344.
1/2017
53
A.Z. Mindubaev, S.T. Minzanova, L.G. Mironova, D.G. Yakhvarov. The effect of the amaranth green mass on the white phosphorus degradation rate.
Agricultural plants of the Amaranthus L. genus are rich in protein, balanced by amino acid composition, that makes them valuable food and feed raw material. The purpose of the research is to study the influence of amaranth phytomass on the processing of white phosphorus by wastewater sludge (WWS). To reduce the lag phase of WWS microflora growth the
biomass of plant amaranth (A. cruentus L.), which is an effective stimulant of methane fermentation has been added to control and test. The presence of amaranth phytomass in WWS significantly accelerates the process of the microflora adaptation to white phosphorus, which is due, primarily, to its nourishing properties. Long lag phase presented the gassing activation was observed only after 100 days in the experiment without adding amaranth phytomass to WWS.
Keywords: biodegradation; detoxification; white phosphorus; wastewater sludge; methanogenesis; Amaranthus cruentus L.
54
российский журннл лриклнлной экологии
