МІКРОБІОЛОГІЧНА ПЕРЕРОБКА ОРГАНІЧНИХ ВІДХОДІВ Виконала: студентка 4 курсу, 1 групи факультету захисту рослин, біотехнологій та екології Кузьомко Надія

Вирішення проблеми забруднення навколишнього середовища органічними відходами має бути направлено на виконання двох основних завдань: запобігання і виключення забруднення навколишнього середовища; ефективне використання вдруге перероблених відходів в сільському господарстві (землеробстві, тваринництві). Проблема утилізації відходів сільського господарства, їх ефективного використання - трансконтинентальна проблема.

Біологічна суть мікробної трансформації відходів Біологічна суть мікробної трансформації відходів полягає в здатності мікроорганізмів атакувати найрізноманітніші органічні речовини, виділяти теплову енергію і синтезувати великий набір своєрідних з'єднань. Серед них малоймовірна наявність високотоксичних речовин, так як незначні перебудови молекул під дією мікроорганізмів (деметилювання, декарбоксилирование, дезамінування, гідроксилювання) повністю знімають токсичність сполук для живих мікроорганізмів. Редуценти організми, що отримують необхідні для життєдіяльності речовини за рахунок руйнування залишків мертвих рослин і тварин, що розкладаються, абсорбуючи розчинні органічні сполуки.

Особливість мікробіологічних трансформацій відходів полягає в тому, що велика частина органічних субстратів розщеплюється під дією декількох ферментів. Результат - зміна молекулярної структури трансформованого субстрату, синтез метаболітів з попередників, перебудова складних молекул. Найголовніше при цьому - зручність і економічність технологічних процесів, для яких не потрібна дорога апаратура, так як мікроорганізми функціонують в неагресивних середовищах при звичайних температурах і тисках.

Хімічна активність мікроорганізмів залежить від умов їх культивування (складу поживних субстратів і методів їх подачі, рН, температури, аерації, складу газів, перемішування, окисно-відновних режимів - ОВП та ін.).

Перспективним способом біологічної утилізації відходів тваринництва є культивування на них мікроорганізмів. Для ферментації гною використовують головним чином міцеліальні гриби (твердофазне культивування), а на гнойових стоках здійснюють глибинне культивування бактерій, дріжджів і грибів. Вирощування бактеріальних культур на відходах тваринницьких комплексів не отримало широкого поширення через обмежений застосування бактерій на кормові потреби. Вирощування ж дріжджів дозволяє зробити «облагороджування» стоків (свиноферм і ферм великої рогатої худоби) і отримати дешеві кормові добавки та бактеріальні препарати.

Існує широке коло мікроорганізмів, здатних споживати вторинні продукти сільського господарства і переробної промисловості з утворенням мікробної біомаси. Найперспективнішими є швидкорослі мікроорганізми, здатні засвоювати гідролізовані с/г відходи. Найбільше цим вимогам відповідають міцеліальні гриби і дріжджі. Рідкі і щільні відходи можуть бути трансформовані в кормові препарати збагачені мікробним білком. Концентровані стоки є по суті готовим живильним середовищем для цих мікроорганізмів, так як містять всі необхідні компоненти, включаючи вітаміни і мікроелементи. Дріжджові гриби (дріжджі) мають вигляд овальних клітин. Міцеліальні гриби утворюють розгалужені тонкі нитки (гіфи), що сплітаються в грибницю

У природі існує величезна кількість мікроорганізмів, які активно розкладають целюлози до більш низькомолекулярних сполук. Представники цих видів зустрічаються серед бактерій, актиноміцетів і мікроміцетів. ClostridiumC. thermocellus C. Thermohidrosulfuricum Серед бактерій найбільш активно розкладають целюлозу представники роду Clostridium. Особливо термофільні етанологенні анаеробні бактерії C. thermocellus, C. Thermohidrosulfuricum(екстремально термофільний). Вони широко поширені в природі і можуть бути виділені з грунту, термальних джерел, мулу, гною і гниючого органічного субстрату. Aspergillus Trichoderma Більш вивчені представники грибів Aspergillus і Trichoderma, - продуценти найбільш активних целлюлаз, використовуваних в промислових виробництвах ферментних препаратів.

Clostridium Clostridium thermocellum Aspergillus TrichodermaTrichoderma

C. thermocellum - облігатних анаероб, термофіл, розвивається в діапазоні (opt.) температур ° С, використовує целюлозу, геміцелюлозу і целобіозу з виділенням в процесі метаболізму етиловий спирт, оцтову і молочну кислоти, водень і вуглекислий газ, причому етанол - агрегатний відношення близьке до 1: 1. Він є швидкозростаючим целюлолітичним мікроорганізмом, відомим на сьогоднішній день - час генерації становить 6-7 год. У природі C. thermocellum утворює зазвичай стійкі синтрофні асоціації з іншими бактеріями. Вони активно розщеплюють целюлозу та складні субстрати: делігніфіковану целюлозную пульпу і оброблену паром деревину.

Для поліпшення продуктивності прямої біоконверсії лігноцелюлозних субстратів вводять до складу змішаної пульпи целюлолітичних бактерій мікроорганізми з делігніфікуючою здатністю. Серед них виділяють: базидіальні гриби бурої і м'якої гнилі, що викликають гниття деревини, гриби білої гнилі, здатні повністю руйнувати лігнін, використовуючи його в якості єдиного джерела вуглецю ( Pleurotus, Pycnospurus і ін.), представники аскоміцетів і недосконалих грибів, а також актиноміцети. Серед бактерій особливу увагу привертають роди Corynebacterium, Pseudomonas, Clebsiella, Fleromonas ; останній - розкладав 98% промислового лігніну за 5 діб.

Відходи біоконверсії целюлозовмістної сировини Відходи біоконверсії целюлозовмістної сировини лігнін, побічним продуктом - діоксид вуглецю, який утворюється в досить великій кількості і може використовуватися як товарна форма в зрідженому стані. Лігнін, що становить 10-40% вихідної сировини, може бути використаний в якості твердого палива, структуратори грунтів, субстрату для культивування деяких базидіальних грибів, а також в якості сировини для виробництва екологічного (незакисленого) фармацевтичного адсорбенту.

Вирішальне значення для процесу біоконверсії має стадія ферментації. Промислові целюлозовмістні відходи є комплексними субстратими, в складі яких, поряд з целюлозою й іншими вуглеводами, присутні речовини ароматичного ряду і навіть різні токсичні компоненти. Безумовно, це не може не відбитися на ході утилізації цих субстратів мікроорганізмами, не виключено інгібування розвитку бактерій деякими компонентами сировини. Тому при використанні різних целюлозовмісних субстратів ступінь конверсії сировини буде відрізнятися. Біоконверсія Біоконверсія - процес перетворення одних сполук в інші за участю ферментних систем живих організмів. Особливості біоконверсії: повна деградація субстрату не відбувається, присутні лише незначні його зміни (це пов'язано з обмеженим числом ферментних реакцій, тобто, якщо є кілька субстратів: S1, S2,..., Sn, але є тільки один вид ферменту, то буде йти перетворення тільки одного виду).

Переробка твердих і рідких відходів мікроорганізмами Особливу небезпеку становлять відходи промислового виробництва. Гнойові стоки при відповідній переробці не втрачають своєї значимості як цінне органічне добриво. До того ж, мікробна біотехнологія здатна залучити у виробництво кормових препаратів і добавок величезні маси рідких і щільних відходів АПК рослинного і тваринного походження, які в даний час не використовуються. Найперспективнішими є швидкорослі мікроорганізми, здатні засвоювати негідролізовані с/г відходи у відносно стерильних або повністю нестабільних умовах, в глибинних і поверхневих структурах.

Біологічна утилізація може здійснюватися за такими напрямами: Культивування мікроорганізмів на попередньо обробленому гної (обробка кислотами, лугами, термообробка і т. д.); Культивування на рідкій фракції гною після поділу у відстійниках, цистернах і т. д.; Вирощування міцеліальних грибів на щільній фракції гною; Культивування мікроорганізмів на стічних водах без попередньої обробки.

Для ферментації гною використовують, як правило, міцеліальні гриби родів Aspergillces, Mucor, Trichoderma, Rhizopus, Geotrichum, Micromyces. На рідких фракціях вирощують термофільні бактерії (Lactobacillus, Strepto-bacterium ) і мезофільні ( Streptococcus, Azotobacterium, Pseudomonas ). На стічних водах тваринницьких комплексів вирощують також дріжджі (родів Pichia, Hansenula, Saccharomyces, Candida ) для отримання кормового білка. Наприклад, з 20 т свинячого гною вологістю 80% можна отримати 1 т кормових дріжджів і значна кількість добрив.

При прямій біоконверсії щільних відходів АПК більшу перевагу надають термофільним міксоміцетам. Вони відрізняються множинністю форм ферментів в порівнянні з мезофілами, що робить їх більш адаптивними до зовнішніх термічних умов. Найбільш перспективними продуцентами біомаси і білка можуть виявитися термофільні міксоміцети. Відома можливість вирощування дріжджів роду Candida і на негідролізованному гної. Підвищена ефективність в біосинтезі білка відрізняється у асоціацій дріжджів з міцеліальними грибами і бактеріями, в яких, як правило, гриби і бактерії відіграють головну роль в підготовці субстрату, а дріжджі є основними продуктами мікробної біомаси.

Для глибинного культивування бактерій основою живильного середовища служать фекалії тварин. Вони проходять попередню обробку (розведення, дезодорацію, тепловий вплив). Далі до гною додають органічні поживні речовини (глюкозу, мелясу, метанол), солі і вітаміни і отримують середовища, на яких вирощують термофільні і мезофільні бактерії протягом діб. На відходах свиноферм вирощують дріжджі, які здатні знижувати органічні забруднення в середньому по БПК на 90%. Для обробки стічних вод, що містять свинячий гній, пропонується використовувати фототрофні бактерії роду Rhodopseudomonas capsulata, пропіоново-кислі бактерії та ін. При цьому істотно скорочується вуглець в субстраті, зменшується неприємний запах і знижуються сірковмісні речовини.

Практично всі групи мікроорганізмів можуть бути використані в біотрансформації так званої вторинної с/г сировини. Встановлено високу ефективність використання целюлозолітичних бактерій ( Cellulomonas ) при введенні до складу рослинних силосів спільно з соломою. Перспективна біотрансформації коричневого соку зелених рослин молочнокислими бактеріями ( Lactobacillus ). Ацидофільні бактерії вирощуються на гнойовій рідині з додаванням деяких легкозасвоюваних джерел вуглецю (меляса, метанол, глюкоза). Отримана при цьому біомаса містить до 71,1% сирого білка. Культивування пропіоновокислих бактерій на розбавленому свинячому гної дозволяє отримати білковий препарат з вмістом сирого протеїну 29,6-36,5%.

Дякую за увагу !