Городские свалки всего мира не справляются с растущими объемами твердых коммунальных отходов. Ученые предлагают различные методы их переработки — например, при помощи микроорганизмов можно превращать органические отходы в биогаз, или метан, который может стать отправной точкой в производстве растворителей, резины, аммиака и многих других промышленных компонентов, а также используется как топливо для печей, турбин, водонагревателей, приготовления пищи. Однако со временем выработка метана в биореакторах сильно падает, так как отходы самих микроорганизмов подавляют их рост. Исследователи ФИЦ Биотехнологии РАН в составе международной группы проанализировали, как разные типы электропроводящих материалов могут решить эту проблему. Статья об этом опубликована в научном издании Journal of Environmental Management. Проект выполнен в рамках НЦМУ «Агротехнологии будущего», реализуемого под эгидой национального проекта «Наука и университеты».
Каждый год человечество производит два миллиарда тонн твердых коммунальных отходов. Только в России 2022 году было зафиксировано 45 800 000 тонн. Несмотря на множество существующих методов переработки, 80% таких отходов в нашей стране вывозят на свалку, а часть недобросовестных компаний и вовсе незаконно сбрасывают в окружающую среду. Здесь на помощь могут прийти термофильные бактерии-анаэробы. Так называют микроорганизмы, способные жить и функционировать без кислорода (а иногда даже только при его отсутствии) и при сравнительно высокой температуре – 50-65℃. Их плюс в том, что в таких условиях трудно выжить нежелательным патогенным микроорганизмам. Зато у термофилов, приспособленных жить, к примеру, в горячих источниках, благодаря такой температуре повышена скорость реакций в клетке — в том числе, и скорость нужных человеку химических преобразований.
Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН вместе с коллегами из Москвы, Нижнего Новгорода, а также Индии и Китая изучили возможности таких микроорганизмов по переработке органической части твердых коммунальных отходов.
«Термофильные микроорганизмы, которые могут перерабатывать твердые коммунальные отходы в анаэробных условиях, не требуют огромных биореакторов для культивирования и значительного расхода воды. Несмотря на все эти плюсы, такой метод трудно использовать долго и в крупных масштабах, поскольку в емкости с микроорганизмами из-за их жизнедеятельности быстро накапливаются летучие жирные кислоты, что резко снижает pH, вызывая закисление среды. Это пагубно влияет на рост микроорганизмов и почти полностью подавляет выработку метана», — комментирует ведущий автор работы Юрий Литти, к.б.н., заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН.
Переработка отходов в анаэробных биореакторах основана на слаженной работе микроорганизмов, которые непрерывно передают друг другу электроны. Обычно передача электронов происходит через молекулы-переносчики, такие как водород или муравьиная кислота, но в отдельных случаях этот процесс нарушается. Помочь передаче электронов между представителями разных видов микроорганизмов могут материалы-проводники, которые проводят электрический ток. Внесение таких материалов позволяет восстановить перенос электронов между микроорганизмами. Однако в целях экономической эффективности необходимо, чтобы проводящие материалы не удалялись из биореактора вместе с перерабатываемыми отходами.
Биотехнологи оценили перспективы применения в биопереработке отходов двух видов проводников: на металлической основе (из магнетита) и на основе гранул активированного угля. Чтобы использовать эти материалы много раз подряд, в реакторах их изолировали от твердых органических отходов не проводящим слоем из диатомита. Исследователи также пристально изучили особенности сообщества микроорганизмов, выросших на поверхности этих проводящих материалов.
Оба вида проводящих материалов справились с задачей, позволяя микроорганизмам производить метан даже при накоплении экстремально высоких концентраций летучих жирных кислот — до 28-30 грамма на литр раствора в биореакторе. В то же время в контрольной группе выработка биогаза упала почти до нуля. У каждого из двух выбранных материалов обнаружились свои преимущества. Проводник на основе магнетита позволял получить большее количество метана — 286 миллилитров на грамм органического вещества. Углеродный же давал самую высокую скорость его производства — 26 миллилитров метана на грамм органического вещества в день. В то же время на обоих видах сформировались биопленки из анаэробных бактерий — Ruminiclostridium 1, Clostridia MBA03, Defluviitoga и Lentimicrobiaceae, однако росли они в разных пропорциях, и каждая группа имела свои предпочтения.
«Мы доказали, что пространственное разделение электропроводящего материала и органики в пределах одного реактора позволяет перерабатывать отходы в метан даже при экстремально высоких концентрациях летучих жирных кислот. Лучше всего показали себя реакторы с самым большим количеством проводящих материалов — 66 граммов на килограмм. Такой подход позволит проводить анаэробную переработку отходов с меньшими затратами», — заключает Юрий Литти.