Переработка твердых и жидких отходов микроорганизмами

Особую опасность представляют отходы промышленного производства. Навозные стоки при соответствующей переработке не потеряли свою значимость как ценное органическое удобрение. К тому же, микробная биотехнология способна вовлечь в производство кормовых препаратов и добавок огромные массы жидких и плотных отходов АПК растительного и животного происхождения, которые в настоящее время не используются. Самыми перспективными являются быстрорастущие микроорганизмы, способные усваивать негидролизованные сельскохозяйственные отходы в относительно стерильных или полностью нестабильных условиях, в глубинных и поверхностных структурах.

Ведущая роль в процессе переработки органических отходов принадлежит микроорганизмам. В зависимости от вида и качества отходов в них присутствуют определенные доминирующие группы бактерий, которые и определяют выбор технологии утилизации. Одним из возможных способов утилизации жидких навозных стоков является их биологическая переработка, включающая получение технических и кормовых микробных препаратов. Это позволяет быстро и эффективно перерабатывать значительные количества отходов. Биологическая утилизация может осуществляться по следующим направлениям:

— культивирование микроорганизмов на предварительно обработанном навозе (обработка кислотами, щелочами, термообработка и т. д.);

— культивирование на жидкой фракции навоза после разделения в отстойниках, цистернах и т. д.;

— выращивание мицелиальных грибов на плотной фракции навоза;

— культивирование микроорганизмов на сточных водах без предварительной обработки.

Для ферментации навоза используют, как правило, мицелиальные грибы родов Aspergillces, Mucor, Trichoderma, Rhizopus, Geotrichum, Micromyces. На жидких фракциях выращивают бактерии термофильные (Lactobacillus, Strepto-bacterium) и мезофильные (Streptococcus, Azotobacterium, Pseudomonas). Ферментацию проводят при 30...38°С в течение 7...14 сут. Подобные способы получения кормовых препаратов из навоза разработаны в Японии, Великобритании, США и других странах. На сточных водах животноводческих комплексов выращивают также дрожжи (родов Pichia, Hansenula, Saccharomyces, Candida) для получения кормового белка.

Например, из 20 т свиного навоза влажностью 80% можно получить 1 т кормовых дрожжей и значительное количество удобрений.

Применяют твердофазное культивирование грибов на твердом навозе, с добавлением к свежим свиным фекалиям отрубей пшеницы, риса и др. Известен способ получения кормового белка на целлюлозном субстрате с добавлением навоза в качестве источника минеральных элементов. Питательная ценность этого препарата сравнима со стандартами ФАО. Однако твердофазное культивирование непригодно для навозных стоков.

Целлюлозная, и в особенности целлюлозно-лигниновая, активность микроскопических грибов обеспечивает возможность их использования для прямой биоконверсии лигноцеллюлозных отходов агропромышленного комплекса. Грибы могут культивироваться и на жидких средах, содержащих лигко-целлюлозный компонент. Твердофазная ферментация отходов с использованием грибов широко распространена в Европе и США. Грибы выращивают на гидролизованном твердом осадке навоза, смешанном с резанной соломой, любой твердой целлюлозосодержащей среде с добавлением навоза или минеральных удобрений, а быстрорастущие штаммы фузариев -на разных целлюлозо-лигнинсодержащих отходах.

При прямой биоконверсии плотных отходов АПК большее преимущество отдается термофильным миксомицетам. Они отличаются множественностью форм ферментов по сравнению с мезофиллами, что делает их более адаптивными к внешним термическим условиям. Наиболее перспективными продуцентами биомассы и белка могут оказаться термофильные миксомицеты, обладающие к тому же способностью расти в необычных условиях кислотности среды, например, в сильно щелочной среде. При этом создаются избирательные условия для роста грибка, ингибируются бактерии и другая микрофлора, позволяющая рост грибных культур.

Биотрансформация растительного сырья дрожжеподобными грибами, имеющими короткую лаг-фазу, обладающими комплексом гидролитических ферментов и более стабильным ростом в условиях микробных сообществ, перспективна в относительно стерильных или даже нестерильных условиях (Минеладзе, 1987). Известна возможность выращивания дрожжей рода Candida и на негидролизованном навозе. В результате процесса ферментации образуется продукт, который можно использовать в качестве добавки к корму. Повышенная эффективность в биосинтезе белка отличается у ассоциаций дрожжей с мицелиальными грибами и бактериями, в которых, как правило, грибы и бактерии играют главную роль в подготовке субстрата, а дрожжи являются основными продуктами микробной биомассы. Сократить себестоимость производства белковых препаратов из отходов можно исключив дорогостоящий кислотный гидролиз.

Для глубинного культивирования бактерий основой питательной среды служат фекалии животных. Они проходят предварительную обработку (разбавление, дезодорацию, тепловое воздействие). Далее к навозу добавляют органические питательные вещества (глюкозу, мелассу, метанол), соли и витамины и получают среды, на которых выращивают термофильные и мезофильные бактерии в течение 7...14 сут.

На отходах свиноферм выращивают дрожжи, которые способны снижать органические загрязнения в среднем по БПК на 90%. Рекомендуется также культивировать бактерии и микроводоросли, способные к быстрой минерализации субстрата. Для обработки сточных вод, содержащих свиной навоз, предлагается использовать фототрофные бактерии рода Rhodopseudomonas capsulata, пропионово-кислые бактерии и др. При этом существенно сокращается углерод в субстрате, уменьшается неприятный запах и снижаются серосодержащие вещества.

Практически все группы микроорганизмов (бактерии, грибы, актиномицеты, дрожжи) могут быть использованы е большей или меньшей эффективностью в биотрансформации так называемого вторичного сельскохозяйственного сырья. Установлена высокая эффективность использования целлюлозолитических бактерий (Cellulomonas) при введении в состав растительных силосов совместно с соломой. Перспективна биотрансформация коричневого сока зеленых растений молочнокислыми бактериями (Lactobacillus) с целью стабилизации белковых веществ сока, обогащения его органическими кислотами и пробиотическими свойствами (Рамишеце и др., 1987). Ацидофильные бактерии выращиваются на навозной жиже с добавлением некоторых легкоусваиваемых источников углерода (меласса, метанол, глюкоза). Получаемая при этом биомасса содержит до 71,1% сырого белка. Культивирование пропионовокислых бактерий на разбавленном свином навозе позволяет получить белковый препарат с содержанием сырого протеина 29,6-36,5%. При добавлении к разбавленному свиному навозу молочной сыворотки после ферментации пропионовокислых бактерий при температуре 20-30 С в течение 42-48 часов можно получить препарат, обогащенный белком и содержащий в тоже время значительное количество витамина В₁₂.

Следует отметить, что наиболее интенсивно процесс протеинизации вторичного сельскохозяйственного сырья идет при активном перемешивании, аэрации, повышенной температуре и использовании термофильных бактерий в качестве продуктов и обогатителей конечного продукта. Однако такая интенсификация процесса биотрансформации сырья сопровождается активной аэрацией, перемешиванием, которые неизбежно требуют значительных затрат на его реализацию.

Существует еще один способ утилизации сельскохозяйственных отходов путем выращивания бактерий в анаэробных условиях с получением биогаза и плотного остатка как ценного органического удобрения.

Обработка разжиженных отходов (1-4% сухого остатка) анаэробной ферментацией с производством биогаза становится реальной только при сгущении жидких экскрементов седиментацией. Высокая степень сгущения исходного навоза позволяет повысить энергетический коэффициент анаэробной переработки.

Микробиологические трансформации предпочтительнее химических или физических процессов в силу осуществления одновременно совокупности реакций в естественных условиях. Кроме того, микроорганизмы способны модифицировать субстрат и использовать неосвоенные элементы среды. В результате широкого спектра субстратной специфичности их ферментов микроорганизмы имеют преимущества перед макроорганизмами и техническими способами переработки органических субстратов. Нельзя забывать также, что микробиологическая трансформация перерабатываемых субстратов решает важнейшую задачу преобразования энергии микроорганизмов и «отходов» в необходимые человеку продукты.