Минерализация углеродсодержащих отходов

Исключительность мира микроорганизмов состоит в том, что, несмотря на малые размеры, их клетки обладают огромной поверхностью по сравнению с объемом и массой, и это определяет теснейшую связь микроорганизмов со средой обитания. Так, 1 кг живой биомассы кишечной палочки имеет общую площадь поверхности 5000 м². Активность дыхания у бактерий и особенно у плесневых грибов значительно выше, чем у высших организмов. Например, трехдневная культура гриба Aspergillus при 34°С выделяет за 24 часа 682 см³ СО₂, а почки сирени при 15°С — всего 35 см³.

Микробная клетка может рассматриваться как биологическая система широкого спектра действия, пока недоступная для полного понимания всех механизмов ее функционирования, но по своим возможностям далеко превосходящая все технологические системы, сконструированные человеком в XX в. Практическое использование этих созданных природой «биологических машин» чрезвычайно разнообразно.

Микробиологическая трансформация не идет в сравнение с другими способами биотрансформации органических соединений. Сфера возможного использования ферментативной активности микроорганизмов для превращения экзогенных веществ практически беспредельна. Микроорганизмы способны атаковать если не любое, то подавляющее большинство органических соединений. Активное отношение микроорганизмов к химическим компонентам субстрата позволяет использовать неосвоенные элементы среды, включать их в сферу своей жизнедеятельности. Микробная клетка атакует необычные для ее метаболических систем ве­щества. Результатом атаки может быть дальнейшая ассимиляция вещества (если есть в наборе ферментная система) или накопле­ние трансформированного продукта, который, в свою очередь, может быть в дальнейшем с успехом освоен. В любом случае эта активность направлена на освоение среды и имеет преимущества перед макроорганизмами (вермикультура и др.), использующимися в переработке отходов.

Широкий спектр ферментных систем, чрезвычайно высокая адаптивность дают совершенно неожиданный эффект активной жизнедеятельности микроорганизмов в любых субстратах.

Вторичные сельскохозяйственные продукты, в том числе и навоз, используемые для твердофазного выращивания микроорганизмов, условно можно разделить на малопитательные, трудноусваиваемые микроорганизмами субстраты, которые в основном играют структурную роль, и высокопитательные добавки, значительно стимулирующие рост микроорганизмов.

Особенность микробиологических трансформаций отходов заключается в том, что большая часть органических субстратов расщепляется под действием нескольких ферментов (существует более 20 микробиологических процессов превращения органических соединений). Результат — изменение молекулярной структуры трансформируемого субстрата, синтез метаболитов из предшественников, перестройка сложных молекул. Самое главное при этом — удобство и экономичность технологических процессов, для которых не требуется дорогостоящая аппаратура, так как микроорганизмы функционируют в неагрессивных средах, при обычных температурах и давлениях.

Природная экосистема является основным поставщиком рас­тительности, органическое вещество которой по химическим ха­рактеристикам весьма разнообразно и подвержено постоянным изменениям при использовании на корм животным. В пищеварительном тракте животных под влиянием микробной минерализации и спонтанных химических реакций состав органических фракций постоянно изменяется. Причем корм, поедаемый жвачными животными, переваривается иначе, чем животными с однокамерным желудком. Бактерии, населяющие желудок жвачных живот­ных (крупный рогатый скот и лошади), позволяют им усваивать корма, содержащие целлюлозу. В эти корма входит компонент лигнин, который сопутствует целлюлозе в растениях и который плохо переваривается в рубце животного.

В целом корм, содержащий эпифитную микрофлору, в пище­варительном тракте животного дополнительно обогащается разнообразными группами микроорганизмов — аэробами и анаэробами, среди которых присутствуют патогенные бактерии. Микроорганизмы благодаря ферментативным процессам превращают углеводы, как правило, в кислые продукты (уксусную, лимонную и другие кислоты), спирты и газы.

В рубце желудка жвачных животных содержатся анаэробные целлюлозоразрушающие бактерии (10⁹—10¹⁰ клеток в 1 мл рубцовой жидкости), осуществляющие распад полимерных углеводов до ацетата (50—70%), пропионата (17—21%), бутирата (14—20%), молекулярного водорода и метана (всех газов до 700 л в сутки), валерианата и формиата — небольшие количества. С этими продуктами в навоз попадают также микроорганизмы, способные сохранять длительное время патогенность, которая означает потенциальную способность микроорганизма вызывать заболевание.

Токсинообразующие микробы (дифтерийная палочка, возбудители столбняка, газовой гангрены и т.д.) проявляют агрессивность из-за хорошей сохранности токсических белков. Различные патогенные микроорганизмы образуют один, два или более токсинов, которые вызывают летальный исход, дермонекроз (омертвение кожи), гемолиз (растворение крови) и др. Возбудителями заболеваний могут быть гельминты — многоклеточные организмы, во множестве встречающиеся у животных.

В последние годы в инфекционной патологии существенно возросла роль условно патогенных микроорганизмов, проявляющих выраженную устойчивость к большинству известных химиотерапевтических агентов. Особенно это проявляется у животных, поедающих корм при добавлении антибиотиков.

В навозе здоровых животных присутствует многообразие «нор­мальной» микрофлоры, участвующей в анаэробном гидролизе корма: миксобактерии, мезофильные и термофильные клостридии и др. Стабильность химической активности микроорганизмов зависит от условий их пребывания в субстратах. В навозохранилищах или в биоферментерах образуются вещества, часто более токсичные для клетки микроба, чем исходный субстрат. Смешанная же микрофлора начального периода компостирования постепенно селектируется технологическими условиями переработки органических соединений, и к завершению процесса (на определенный день) остаются наиболее активные и устойчивые микроорганизмы, обладающие защитной реакцией.

Физиологический смысл микробиологической трансформации отходов может быть различным в зависимости от вида микроорганизмов и используемого субстрата. Многообразие и полифункциональность ферментных систем микроорганизмов, атакующих необычные для микробной клетки вещества среды, составляют функциональную основу микробиологических превращений разнообразных по химическому составу отходов.

Продукты биотермических превращений отходов могут вступать в дальнейший метаболизм. В результате токсические соединения, обязательно синтезированные в ферментерах, или инактивируются, или, превращаясь в более токсичные соединения, служат селективным средством для определенных таксономических групп микроорганизмов.

Многолетние исследования с широким набором субстратов (навоза, помета, торфа, опилок и др.) показали, что многие микроорганизмы демонстрируют высокую адаптивность и трансформирующую активность при окислении субстратов. Это является для них естественной функцией. Однако к завершению ферментации отходов спектр микроорганизмов сужается, некоторые вновь синтезированные соединения, по-видимому, не способны использоваться широким кругом микроорганизмов в качестве питательного субстрата.

Подобная селекция микроорганизмов ускользает из поля зрения исследователей лишь потому, что в большинстве случаев это проявляется в определенных условиях. Регистрация такого факта затруднена, так как связана с анализом продуктов трансформации в таких сложных микробиологических средах, какими являются биоферментированные отходы. В них часто встречаются соединения сложной химической природы, т.е. искусственно синтезированные. Кроме того, микроорганизмы способны модифицировать субстрат и накапливать определенные продукты. Именно для микробиологической биоконверсии отходов характерны накопление в среде интермедиатов, широкая субстратная специфичность ферментов и разного рода побочные реакции.

Иными словами, биологический смысл микробной трансформации отходов заключается в способности микроорганизмов атаковать самые разнообразные органические вещества, выделять тепловую энергию и синтезировать большой набор своеобразных соединений. Среди них маловероятно наличие высокотоксичных веществ, так как незначительные перестройки молекул под действием микроорганизмов (деметилирование, декарбоксилирование, дезаминирование, гидроксилирование) полностью снимают токсичность соединений для живых микроорганизмов. Кстати, для детоксикации возможно использование микробных препаратов.

Дальнейшее изучение микробиологических превращений фер­ментированных продуктов отходов, по-видимому, еще более расширит рамки применения специализированных микроорганизмов как химических реагентов для обезвреживания стоков промышленных и сельскохозяйственных предприятий.

Биохимической основой трансформации естественных субстратов микроорганизмами является широкий спектр субстратной специфичности ферментов, которые не позволяют соединениям накапливаться в среде.

Выяснение механизмов, контролирующих активность микро­организмов в субстратах, чрезвычайно затруднено, поскольку регуляция метаболизма микробной клетки — очень сложный процесс. В превращениях субстратов одна реакция следует за другой в строжайшей последовательности, так как продукты реакции предыдущей стадии процесса, как правило, являются субстратом для последующей. Такая четкая преемственность возможна благодаря высокой специфичности ферментов, участвующих в обмене веществ.

Особенности деструкции органических субстратов в пищевари­тельном тракте животных. Разложение сложного органического материала в пищеварительной системе животных происходит благодаря кооперации различных трофических групп микроорганизмов. Обычно участвуют: гетеротрофы, или первичные бродильщики, водородокисляющие, ацетатрасщепляющие и др. Они расщепляют углеводы до жирных кислот, сукцината, лактата, пропионата, бутирата и других полезных для организма животных соединений, которые всасываются слизистой оболочкой желудочно-кишечного тракта. В рубце жвачных, масса которого достигает 10—20% от обшей массы животного, формируется сложный многокомпонен­тный микробный ценоз.

Эволюционное развитие рубца как органа, необходимого для предварительной переработки целлюлозы и гемицеллюлоз грубых волокнистых кормов за счет симбиоза с населяющими его мик­роорганизмами. Рубец — это своеобразный природный ферментер, в котором поддерживаются постоянная температура 37—39⁰С, рН 6,5—7,0, постоянно находится и перемешивается органический субстрат и, расщепляясь, поступает в организм животного. За сутки примерно расщепляется до 70—85% сухого вещества корма растительной пищи. Нормальная микрофлора рубца располагается на поверхности слизистой и в рубцовой жидкости. Основными представителями рубцовой микрофлоры являются простейшие (инфузории), бактерии и дрожжи. Число клеток протистов в рубце достигает 200 тыс. в 1 мл, а прокариот — нескольких миллиардов. Общая масса микроорганизмов рубца коровы превышает 30 кг. Бактерии, населяющие рубец, вырабатывают фермент целлюлазу.

При использовании растительной пищи животные расщепляют целлюлозосодержащие клеточные стенки благодаря ферментам микроорганизмов. Животные не способны синтезировать целлюлазы. Поэтому в процессе эволюции возникли симбиозы животных с разными микроорганизмами — продуцентами активных гидролаз, расщепляющих целлюлозосодержащие биополимеры. Выделены аэробные и анаэробные целлюлолитические микроорганизмы, протесты и т.д. Среди прокариот, обладающих выраженной целлюлолитической активностью, — Ruminococcus aldus, R.flavefaciens, Anaerovibrio lipolytica, Micromonospora chalcea и др.

У птиц, питающихся растительной пищей и семенами, в микробных ценозах желудочно-кишечного тракта доминирующей микрофлорой являются молочнокислые бактерии: Lactobacillus acidophilus, L.fermentum, L.delbrueckii, Streptococcus faecalis, Str. faecium. Симбиозы с микроорганизмами обеспечивают полноценное развитие всех животных, а многие бактерии проявляют даже специфический антагонизм в отношении Klebsiella, Mycobacterium, Staphylococcus, Pseudomonas и других патогенов.

Таким образом, микробные ценозы желудочно-кишечного тракта животных составляют трофические цепи, приводящие к расщеплению сложных целлюлозосодержащих соединений грубых кормов до легкоусваиваемых животным мономеров. Особый интерес представляет солома как дешевый продукт растениеводства.

Солома характеризуется невысоким содержанием протеина — как сырого (3—8%), так и перевариваемого (0,5—1,0%), что обусловлено особо прочным строением клеток соломы. Она также бедна липидами (0,5— 1,3%). Содержание минеральных элементов колеблется от 4 до 12%, и в них преобладает окись кремния, в то время как основные макроэлементы (Са, P, Na и др.) содержатся в небольших количествах. Витамины в соломе практически отсутствуют, каротин составляет только 1—7 мг/кг. Содержание питатель­ных веществ, растворяющихся в воде, слабой соляной кислоте, в солодовом экстракте, невелико и в среднем составляет около 10%, из которых третья часть приходится на долю минеральных элементов.

Слабая растворимость питательных веществ, сильная инкрустация целлюлозы и гемецеллюлозы лигнином обусловливают низкую перевариваемость органического вещества соломы. Например, в соломе пшеничной, озимой и яровой, перевариваемость органического вещества колеблется от 42 до 46%, в ржаной — от 43 до 48%, в овсяной — от 48 до 55%. Следовательно, кормовую ценность соломы понижает целлюлоза, на долю которой приходится до 50% сухого вещества. Целлюлоза — главный структурный компонент растительных клеток (клеточных стенок растений), представляет собой линейный неразветвленный полисахарид, элементарные звенья которого являются остатком глюкозы. При полном гидролизе целлюлозы, протекаемом в концентрированных кислотах, образуется D- глюкоза.

Особенностью целлюлозы является наличие длинных и жестких прямоцепочечных молекул. Рентгеноструктурный анализ показал, что молекулы целлюлозы соединены в пучки, или волокна, состоящие из параллельных цепей, имеющих поперечные водородные связи. Эти волокна совершенно не растворимы в воде и имеют правильную, почти кристаллическую упаковку. Они цементируются матриксом, состоящим из трех других полимеров: гемицеллюлозы, пектина и экстенсина (белок с высоким содержанием оксипролина, ковалентно увязанного с целлюлозными волокнами).

Клеточные стенки высших растений можно сравнить с железобетоном, где роль арматуры играют целлюлозные волокна, а роль бетона — матрикс. Кроме прочного расположения целлюлозные волокна по мере созревания растений пропитываются сложным химическим соединением — лигнином, практически не используемом в организме животных. Лигнин соломы, действуя как физический барьер между клеточной оболочкой и ферментом, в значительной степени снижает действие ферментов, влияющих на расщепление целлюлозы.

В природных условиях расщепление целлюлозы происходит под воздействием многочисленных сообществ микроорганизмов, одни из которых вырабатывают ферменты, расщепляющие преимущественно лигнин, другие — целлюлозу и гемицеллюлозу. При ферментативном же гидролизе соломы (в контролируемых условиях) основными получаемыми продуктами являются глюкоза и ксилоза. Их образуется значительно больше при сочетании ферментного и химического гидролиза. Доступ целлюлолитических ферментов к целлюлозе усиливается при ослаблении связи между лигнином и полисахаридами. Поэтому любая подготовка соломы к скармливанию предусматривает ослабление или разрыв связей между инкрустируюшими веществами и внеклеточными полисахаридами, что способствует проникновению ферментов в глубь клетки.