К вопросу о разработке экологически безопасных технологий утилизации отходов животноводства (на примере коневодства)

NovaInfo 134, с.3-4, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Биологические науки
Язык: Русский
Просмотров за месяц: 31
CC BY-NC

Аннотация

Статья посвящена исследованию взаимодействия лигноцеллюлозных субстратов с грибом Aspergillus niger 412 методом ИК-спектроскопии. Обнаружен процесс биотрансформации конской подстилки с накоплением белка. Полученные результаты могут быть положены в основу создания экологически чистой технологии утилизации отходов коневодства.

Ключевые слова

ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ИК-СПЕКТРОСКОПИЯ, БИОТРАНСФОРМАЦИЯ, УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ, ЖИВОТНОВОДСТВО, КОНЕВОДСТВО

Текст научной работы

Методом ИК-спектроскопии было изучено взаимодействие НЛЦС (нативный лигноцеллюлозный субстрат — смесь чистых опилок различных древесных пород, чистая подстилка) с мицелиальным грибом — целлюлозодеструктором Aspergillus niger 412.

НЛЦС был предобработан естественными отходами коневодства (ПЛЦС — пред-обработанный лигноцеллюлозный субстрат — смесь опилок различных древесных пород и перепрелого конского навоза, грязная подстилка). Изменения в ИК-спектрах образцов свидетельствуют о процессе биотрансформации конской подстилки с накоплением белка. Полученные результаты могут быть положены в основу создания экологически чистой технологии утилизации отходов коневодства и коннозаводства.

Грязная конская подстилка образуется в конехозяйствах (конных заводах, ипподромах, конноспортивных секциях и др.) в значительных количествах и подлежит утилизации. При этом возникают экологические проблемы, о которых сообщалось в обзоре [1].

О масштабах образования грязной подстилки свидетельствуют следующие данные: норма расхода подстилки в сутки (в денниках подстилка меняется ежедневно!) для жеребцов-производителей всех заводских пород — 5 кг сухой соломы или 15 кг сухих древесных опилок [2, 3]. Суточная норма расхода подстилки при денниковом содержании заводских кобыл, конематок, а также молодняка после отъема — еще больше — 6 кг сухой соломы или 18 кг сухих древесных опилок [2,3].

В настоящее время проблема утилизации грязной конской подстилки является до конца нерешенной. Преимущества микробиологических способов переработки лигноцеллюлозных субстратов (ЛЦС) по сравнению с экологически опасными способами, такими, как сжигание и запахивание [4], рассматривались нами ранее [5].

Важной характеристикой процесса биотрансформации является степень утилизации субстрата по целлюлозе и лигнину. Однако традиционные биохимические методы для определения этих характеристик являются трудоемкими и требуют значительных временных затрат [6, 7].

Представляется интересным исследовать процесс биотрансформации при помощи физических методов. Так, в работе [8] сообщается о применении рентгеноструктурного анализа (РСА) для изучения строения кристаллической целлюлозы и ее изменений в процессе ферментативного гидролиза.

Нами был использован метод ИК-спектроскопии для определения качественных и количественных изменений в чистой и грязной конской подстилках (НЛЦС и ПЛЦС, соответственно) в процессе её биотрансформации.

Обсуждение экспериментальных результатов

Гидроксо–группы целлюлозы образуют межмолекулярные водородные связи, вследствие чего полосы поглощения ν (-ОН асс.) широкие и сдвинуты в длинноволновую область.

Углекислый газ (О=С=О) — продукт брожения (образец 3) (см. Таблицу 1), а также продукт жизнедеятельности микромицетов (образцы 2,4).

Таблица 1. Основные полосы поглощения в ИК-спектрах ЛЦС и продуктов биоконверсии

№ образца

Наименование образца

ν, см-1

Молекулярный фрагмент

1

НЛЦС

3300

2910

1740

1640

-ОН (асс.)

С-Н

С=О

С=С (аром.)

2

Продукт биоконверсии НЛЦС с микромицетом Aspergillus niger 412

3300

2930

2340

1740

1610

-ОН (асс.)

С-Н

О=С=О (газ.)

С=О

С=С (аром.)

3

ПЛЦС

3390

2930

2340

1680

1600

-NH-(асс.), -ОН (асс.)

наложение полос

С-Н

О=С=О (газ.)

С=О

С=С (аром.)

4

Продукт биоконверсии ПЛЦС с микромицетом Aspergillus niger 412

3390

2940

2340

1740

1600

-NH-(асс.), -ОН (асс.)

наложение полос

С-Н

О=С=О (газ.)

С=О

С=С (аром.)

Анализ ИК-спектров показывает, что во всех случаях в продуктах биоконверсии ЛЦС уменьшилось количество гидроксо-групп. Следовательно, происходит частичная утилизация целлюлозы микромицетами.

В образце 3 (ПЛЦС, грязная подстилка) резко уменьшилось количество С=С (аром.) — связей (уменьшение содержания лигнина) по сравнению с образцами 1 (НЛЦС, чистая подстилка) и 2 (продукт биоконверсии НЛЦС).

В процессе биоконверсии гриб Aspergillus niger 412 «предпочитает» усваивать кислородсодержащие молекулярные фрагменты — их содержание в образце 4 (продукте биоконверсии ПЛЦС) значительно ниже, чем в образце 3.

Также следует отметить, что степень утилизации субстратов в результате биотрансформации составила более 85%. Определение проводили по методу Апдеграффа с использованием антронового реактива [7].

Экспериментальная часть

ИК-спектры образцов (таблетки с КВr) регистрировались на спектрофотометре «ИКС-29», область записи спектров: 4200-400 см-1 .

ЛЦС: НЛЦС взят из конюшни конноспортивной секции Санкт-Петербургского мясокомбината (СПбМК) (г. Санкт-Петербург, стадион СПбМК, Средняя Рогатка, Московское шоссе, д.3); ПЛЦС взят из манежа стадиона СПбМК.

Перед культивированием ЛЦС были простерилизованы в течение 30 мин. при 0,8 атм.

Микроорганизмы: штамм мицелиального гриба Aspergillus niger 412 из коллекции кафедры молекулярной биотехнологии Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Культура поддерживалась на косяках с агаризованной средой Чапека-Докса, содержащей в качестве единственного источника углерода ЛЦС.

Ферментацию осуществляли методом глубинного культивирования в колбах Эрленмейера ёмкостью 750 мл, объём питательной среды в колбах — 100 мл.

Состав среды:

  • калия дигидрофосфат КН2РО4 — 2,0 г/л;
  • аммония нитрат NН43 — 5,0 г/л;
  • магния сульфат, гептагидрат МgSO4.7 H2O — 0,5 г/л;
  • ЛЦС — 2,0 г/л.

Количество посевного материала — 10% по объёму. Температура культивирования +28 °C. Перемешивание проводилось на качалке при 200 об/мин. Время культивирования Aspergillus niger 412 — 96 ч.

После культивирования образцы были отмыты дистиллированной водой и высушены до постоянного веса при 105 °C, измельчены и спрессованы в таблетки с КВr (5 мг сухого вещества на 50 мг КВr) для регистрации ИК-спектров.

Выводы

  1. Метод ИК-спектроскопии позволяет оценить количественные и качественные изменения в чистой и грязной конской подстилках в процессе её биотрансформации;
  2. Предобработка чистой конской подстилки естественными отходами конехозяйств позволяет утилизировать целлюлозу и лигнин, что создает благоприятные предпосылки для разработки экологически безопасных технологий утилизации отходов коневодства и коннозаводства.

Читайте также

Список литературы

  1. Зачиняев Я.В., Русинов В.В., Бобров А.И., Соколов В.Н., Гинак А.И. Экологические проблемы в коневодстве и коннозаводстве // Сер.: Актуальн. вопр. хим. науки и технол., экологии в химич. пром-ти.- М.: НИИТЭХИМ, 1992. –Вып. 8.- 24 с.
  2. Справочник по коневодству/ Н.В. Анашина, Ю.П. Гусев, В.С. Ковешников и др.; Сост. Ю.П. Гусев.- М.: Колос, 1983. — С. 34, 38.
  3. Гуревич Д.Я., Рогалев Г.Т. Словарь — справочник по коневодству и конному спорту. — М.: Росагропромиздат,1991. — С. 151-152.
  4. Biddelstone A.I., Gray K.R., Day C.A. Composting and straw decomposting // Environmental Biotechnology / Eds. C.F. Forster, D.A.J. Wase. — Chichester: Ellis Horwood Ltd., 1987.- P. 135-175.
  5. Ерёмкина С.А., Соколов В.Н., Зачиняев Я.В., Гинак А.И. Способ утилизации целлюлозосодержащих отходов путём биотрансформации // Сер.: Охрана окружающей среды.- М.: НИИТЭХИМ, 1991.- Вып.6.- С. 7-13.
  6. Горкина Н.Б., Гуревич Г.А., Фихте Б.А. Количественное определение биомассы целлюлолитического гриба Aspergillus terreus 17p в смеси с нерастворимым целлюлозосодержащим субстратом // Прикл. биохим. и микробиол. — 1982. — Т. 18, Вып. 4.- С. 567-572.
  7. Updegraff D.M. Semimicro determination of cellulose in biological materials // Anal. Biochem.- 1969.- V. 32, № 3.- P. 420 — 424.
  8. Lee S.B., Кim I.H. Structural properties of cellulose and cellulose reaction mechanism // Biotechnol. аnd Bioeng.- 1983.- V. 25, N 1. — P. 33-51.

Цитировать

Зачиняев, Я.В. К вопросу о разработке экологически безопасных технологий утилизации отходов животноводства (на примере коневодства) / Я.В. Зачиняев, А.В. Зачиняева. — Текст : электронный // NovaInfo, 2022. — № 134. — С. 3-4. — URL: https://novainfo.ru/article/19439 (дата обращения: 01.12.2022).

Поделиться