Переработка ТПО** и ТБО после проведения сепарации ТБО по группам Таким образом, после проведения глубокой сепарации ТБО по фракциям, мы можем получить, как уже упоминалось, следующие виды сырья по данным С. Алексеева (1) за год (в среднем): Смесь пищевых природных материалов (овощные очистки, остатки пищи, кости и т. п. - гниющие пищевые отходы - 59 400 т. Целлюлозное волокно (картон, бумага) - 29 700 т. Древесина - 1 350 т. Стекло - 12 150 т. Железо - 10 800 т. Пластические массы - 6 750 т.
Первые два вида сырья: смесь пищевых природных материалов (гниющие пищевые отходы) и целлюлозное волокно (точнее смесь бумаги и картона) - это главные составные части - основное сырье для получения биомассы-компоста, экологически чистого природного органического удобрения для всех видов почвы. Отходы древесины могут быть переработаны по нескольким вариантам. Если есть соответствующее оборудование, то следует получать ДСП, ДВП материалы по технологиям, изложенным ранее. Если такого оборудования нет, с учетом всех конкретных технико-экономических соображений, можно и нужно древесные отходы после дробления до определенной величины смешивать с первыми двумя видами отходов, т. е. с пищевыми отходами и с дробленым целлюлозным волокном (целлюлозно-бумажные и картонные отходы) и способом экологической биотехнологии получать биомассу-компост по ниже излагаемому способу. Целлюлозное волокно, точнее картон и бумагу, представляющие собой один из видов твердых промышленных отходов**, как более чистые целлюлозосодержащие компоненты разумеется следует перерабатывать химико-технологическим способом в различные товарные продукты: натрийкарбокметилцеллюлозу (NaКМЦ), микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ) и т. п. , но только в том случае, если пригодность технического образца целлюлозного материала (имеется в виду усредненный показатель) к данной химико-технологической переработке дает технически приемлемую реакционную способность этого материала (см. работу (24) стр. 6-7). Если при технологическом опробовании к данной конкретной химико-технологической переработке данный образец целлюлозного материала дает технически неприемлемую реакционную способность (например, значительную мутность, высокое содержание гелеобразных частиц, слабая адгезионная способность для Na-КМЦ), то такой целлюлозный материал, естественно, целесообразнее перерабатывать способом экологической биотехнологии в биомассу вместе с дроблеными отходами древесины и с гниющими пищевыми отходами. Чем же можно объяснить низкую технически неприемлемую реакционную способность целлюлозного материала? Прежде всего наличием большого количества примесей, лигнина и других природных поли- и олигомерных химических спутников. Точно также и отходы древесины, содержащие большое количество лигнина и других природных продуктов не позволят получить даже низкокачественные продукты - Na-КМЦ, МКЦ, оксиэтилцеллюлозу, оксипропил-целлюлозу, метилцеллюлозу, а также многие другие производные целлюлозы в зависимости от реальных конкретных условий и от условий рынка. Из опыта работы зарубежных фирм известно, что для того, чтобы удержаться на плаву в условиях резко меняющейся рыночной экономики, необходимо выпускать очень широкий ассортимент ценных товарных продуктов и работать так, чтобы можно было без существенных материальных затрат переключаться с одного вида выпускаемого продукта на другой в тех же условиях и зачастую на том же оборудовании. Естественно, необходимо иметь возможность приобретать без убытков сырье, и иметь скажем основной вид сырья - целлюлозный материал стабильно. Итак, рассмотрим в деталях экологическую биотехнологию переработки значительной части ТБО (порядка по данным С. Алексеева (1) для средних городов РФ ~67% от общей массы поступающих за год) и части ТПО ряда промышленных предприятий. 5. 1. Переработка пищевых отходов, целлюлозно-бумажных, картонных и древесных отходов способом экологической биотехнологии В состав данной фракции ТБО входят все природные материалы, представляющие собой следующие вещества: Высокомолекулярные полисахариды (целлюлоза (клетчатка), главная составная часть высших растений Planta, содержащаяся в целлюлозно-бумажных, картонных и древесных отходах и ее спутники: амилоза и амилопектин, содержащиеся во многих пищевых отходах растительного происхождения). Олигомерные мономерные природные вещества растительного происхождения. Лигнин - сложное органическое вещество ароматического ряда, содержащееся в древесине и в тканях других высших растений, в целлюлозно-бумажных и картонных отходах, не растворимое в воде, щелочах, кислотах, органических растворителях. Некоторое небольшое количество белков, содержащихся в костях и в других отходах животного происхождения тоже высокомолекулярных соединений, построенных из аминокислот (белок - важнейшее вещество живой клетки, выполняющее многообразные функции). Итак, в состав сырья для получения экологически чистого природного органического удобрения, которое во всем мире используется для любых видов почвы входят все вышеназванные компоненты, которые можно изобразить в следующем виде: Полисахарид целлюлоза по К. С. Минскеру и др. (2)
Белок по А. А. Петрову и др. (3) является сложным высокомолекулярным органическим природным соединением, построенным из остатков аминокислот, соединенных амидными связями, содержит отдельные пептидные звенья , отличающиеся боковыми группами ( R ):
Спутники целлюлозы, пентозаны, пектиновые вещества и другие полисахариды (5). Различные омегомерные сахариды, содержащиеся в растительных материалах, а также моносахариды (монозы): пентозы C5H10O5 и гексозы C6H12O6. Лигнин, представляющий собой аморфный, светло-желто-коричневую массу, термопластичную в воде и нерастворимую в концентрированной серной кислоте. Он для хвойной древесины принадлежит к группе природных [C6C3] - соединений. В противоположность клетчатки молекула лигнина построена из различных С9 - элементов (4). Все эти группы химических соединений: поли-, олиго-, моносахариды, белки, лигнин относятся к природным продуктам, т. е. являются продуктами биосинтеза, происходящего в природе под воздействием солнечной радиации. Следует подчеркнуть, что к данному виду сырья не относится ни один продукт синтетической химии. Все эти продукты биологической химии - биохимии. Итак, разберем подробно способы получения органического природного биохимического экологически чистого удобрения биомассы-компоста. Экологическая биотехнология - это специфическое применение биотехнологии для решения проблемы защиты окружающей природной среды, включая такие как переработка отходов, борьба с загрязнениями и соединение биотехнологических способов с небиологическими технологиями (6). Европейская биотехнологическая федерация определяет биотехнологию как совместное использование биохимии, микробиологии и химической технологии для технологического применения полезных качеств микроорганизмов и культур тканей (7). Каковы же биохимические аспекты экологической биотехнологии? Процесс биологического и биохимического разложения всех вышеупомянутых природных компонентов это сложнейший процесс биоразложения и биодеструкции (6). Основные параметры биотехнологии
Главным параметром биотехнологии является соотношение важных химических элементов углерода С к азоту N в массовых частях. Это соотношение С/N в субстрате (т. е. в общем комплексе природных, органических соединений), подвергающемуся биоразложению должно составлять от 25/1 до 30/1. Если это соотношение не существует, то его необходимо обязательно достигнуть введением того или иного компонента. Например, доказано и экспериментально подтверждено, что при соотношении (6) С/N55/1 достижение этой величины лимитируется процессом аэробного разложения. В течение этой стадии повышение температуры до +80°С и присутствие антимикробных препаратов абиотического происхождения приводит к гибели или инактивации патогенных микроорганизмов таких как Salmonella spp. и вируса, личинок насекомых и семян растений. Т. е. температура биодеградации является индикатором работы системы. Строго регламентируется размер частиц субстрата, подвергаемого биодеградации. Размер частиц составляет по максимальной величине 12, 5 мм для систем с перемешиванием и принудительной аэрации и 50 мм для компостных рядов в случае естественной аэрации. Строго регламентируется влажность массы при биодеградации для аэробного компостирования (т. е. при доступе воздуха) она составляет 50-60%. Регламентируется свободный объем биомассы. Он должен составлять около 30%. Размеры для компостного ряда (для нас более приемлемого) должны составлять следующие величины: а) высота - 1, 5 м, б) ширина - 2, 5 м для биомассы и компостных рядов,
в) длина любая и зависит от площади полигона ТБО или ТП и БО. Порог температуры биоразложения (компостирования) массы является температура +60 - +70°С. Превышение температуры +60 - +70°С, скажем на +10°С, является недопустимым, т. к. происходит гибель значительной части микрофлоры, микрофауны, макрофлоры и макрофауны, и происходит денатурация микробных и грибных ферментов. С одной стороны - при максимальных температурах гибнет опасная патогенная флора, т. е. происходит в значительной степени стерилизация биомассы, но одновременно происходит и гибель полезных представителей микрофлоры, микрофауны, макрофлоры и макрофауны и, кроме того, частично разрушаются ферменты, что в общем нежелательно. Кроме того, при высоких температурах погибают многие паразитические формы фауны в том числе наиболее распространенная гельминтофауна, опасная для человека и многих теплокровных животных. Другая крайность - низкие температуры тормозят процессы биохимического разложения. Поэтому для выбора оптимального температурного режима биотехнологического способа переработки выше названных природных компонентов необходимо в каждом конкретном случае исходить из реальных условий. Если возможно попадание в перерабатываемую массу патогенной флоры и паразитической гельминтофауны, то максимум температуры биодеградации нужно держать на верхнем пределе. Если такой возможности нет (второй вариант менее вероятен), то максимум температуры следует держать на нижнем пределе. Оптимум максимальной температуры биодеградации природных материалов считается +55 - +60°С (6). Доступ кислорода воздуха способствует процессу биодеградации, т. е. должна существовать определенная естественная или искусственная аэрация. При этом аэрация должна быть в пределах 0, 6 - 1, 8 м3 воздуха в сутки на 1 кг летучей части от твердых веществ. В этих условиях должна происходить аэробная биодеградация, т. е. деградация (распад, разрушение) за счет развития аэробных бактерий и других биологических и биохимических факторов. Однако, существует довольно распространенное утверждение, основанное на научных фактах, что на первой стадии биодеградации целесообразно преимущественное развитие анаэробных бактерий или анаэробная биодеградация. Следует заметить, что "чистой" аэробной или "чистой" анаэробной биодеградации практически не существует. Модно говорить лишь об относительном преимущественном развитии тех или других видов бактерий (т. е. бактерий, развивающихся при доступе воздуха - аэробных бактерий и развивающихся без доступа воздуха - анаэробных). Почему в последние годы анаэробная биодеградация природных материалов на первой стадии биодеградации является более предпочтительней. Во-первых, при повышенной влажности (более 50-60%) происходит в наибольшей степени набухание всех целлюлозосодержащих и лигниносодержащих компонентов. А когда достигается повышенное набухание, то уже после этого возможно целесообразно перейти к аэробной биодеградации. Кроме того, в водной среде на первых порах осуществляется лучший транспорт многих биохимических компонентов в том числе грибных и бактериальных ферментов ко всем видам субстрата (веществ биомассы). Следует учесть, что при закладке биомассы на биологическое разложение количество ее в конце процесса снижается на 35-40% от первоначального количества и выделяется ряд органических веществ на промежуточной стадии (в том числе так называемый биогаз, главной составной частью которого является метан CH4). При этом на этой стадии его можно использовать как биотопливо. Однако это потребует дополнительное оборудование и следовательно большие материальные затраты. Без больших затрат можно проводить биодеградацию до получения биомассы (компоста) пригодной в качестве сравнительно недорогого ( по сравнению с навозом) природного экологически чистого органического удобрения, пользующегося повышенным спросом у обывателей, особенно у садоводов и огородников всех разновидностей. Однозначно сделать правильный выбор режима ферментации (аэробной или анаэробной) не всегда представляется возможным. Так Линч показал, что продукты анаэробной ферментации соломы ингибируют рост корней ячменя, в то же время , как при аэробной биодеградации образуются продукты, стимулирующие рост корней ячменя (6). В аэробных условиях солома разрушается быстрее и с меньшим накоплением водо-растворимых органических соединений. При анаэробных условиях накапливается много органических соединений в том числе много уксусной кислоты, образующейся через ацетальдегид, что является нежелательным. Поэтому, эти данные и результаты, полученные нами (аналогичные данным Линча) подтверждают ранее изложенные концепции, заключающиеся в следующем: На первой стадии, по-видимому, более целесообразно сделать так сказать затравку и проводить сначала анаэробное разложение с целью интенсификации транспорта биореагентов (ферментов различного происхождения) и для набухания целлюлозосодержащих и лигниносодержащих субстратов. Практически это означает очень обильное орошение компостного ряда водой в течение 2-3 недель. На второй стадии процесс биодеградации необходимо перевести из анаэробного режима в аэробный для того, чтобы в меньшей степени накапливались органические компоненты, в первую очередь уксусная кислота, и по возможности доводить разложение до конечного стабильного продукта биомассы (с потерей 35-40% от первоначальной массы) и выделения диоксида углерода и воды. Показателем стабильности продукта и завершенности процесса биодеградации, как уже указывалось, есть стабильность температуры биомассы, близкой к температуре окружающей среды. Итак, исходным сырьем для получения биомассы являются полисахариды; олигосахариды и моносахариды, а также лигнин; содержащиеся в пищевых отходах, целлюлозно-бумажных и картонных, а также в древесных отходах. Все это компоненты, дающие углерод - С. Остатки животных отходов: мелкие и крупные кости, рыбные кости - это в основном компоненты дающие азот - N. Все эти животные отходы в значительной мере имеют белковую природу. Соотношение углерода - С к азоту - N в общей массе исходного сырья субстрата, по данным взятым нами из книги М. И. Мягкова и др. (2), составляет от 15 до 18. Это означает, что в исходную массу можно добавлять, после соответствующего подсчета, некоторое количество компонентов дающих углерод. Например, некоторое строго определенное согласно расчета количество дробленых древесных отходов или целлюлозно-бумажных или картонных отходов. Т. е. необходимо в любом случае для правильного ведения процесса довести соотношение C/N до величины 25/1 - 30/1 - главное соотношение для нормального протекания процесса биодеградации, согласно режима экологической биотехнологии. Если не хватает азота, то следует добавить также после соответствующего пересчета определенное количество белкового субстрата или носителя мочевины (и следовательно азота N) навоза (который является одновременно носителем бактериальных ферментов, микрофауны и микрофлоры, что и было показано одним из авторов данной книги несколько раз экспериментально). Таким образом, процесс разложения полисахаридов и одного из важнейших из них целлюлозы как биополимера - продукта биохимии (природного полимера) по Имшенецкому происходит за счет биодеградации с образованием гидролитических фрагментов (8) и моносахаридов. Этот процесс происходит за счет фермента целлюлазы, который продуцируется аэробными и анаэробными бактериями. Почвенные бактерии и грибы - основные агенты, обеспечивающие гидролиз полисахаридов и в частности целлюлозы и ее спутников и их производных. Этот процесс идет через образование гумуса. Образование гумуса, по Имшенецкому в почве связано в первую очередь с разрушением целлюлозы. А гумус, сложнейший органический компонент почвы - основа ее плодородия. Целлюлозные бактерии играют большую роль в создании прочной структуры почвы, столь необходимой для ее плодородия. Основой структуры почвы, по В. Р. Вильямсу (9), является ее структура и в первую очередь комковатость почвы. Почва по В. Р. Вильямсу - производное жизни. В 60-х годах текущего столетия появились так называемые структурообразующие удобрения - вещества, вызывающие агрегирование почвенных частиц тяжелых глинистых, суглинистых, песчаных, супесчаных и других видов почв. В качестве структурообразующих удобрений используются гуминовые соединения и различные производные целлюлозы (10). Однако, высокая цена этих удобрений ограничивает зачастую возможность их применения. Производные целлюлозы (имеется в виду обычные промышленные АЦ, АБЦ, Na-КМЦ и т. п. , не содержащие тяжелых металлов), по данным Института Химии АН Таджикской ССР, являются структурообразователями почвы и не выделяют при их попадании и разложении в почву токсических веществ (11). Как раньше, так и сейчас особенно необходимо усиленно вносить природные органические удобрения, чтобы всеми возможными силами препятствовать разрушению (эрозии) почв, которая наблюдается почти повсеместно. Это наш с Вами, дорогой читатель, прямой гражданский и общечеловеческий долг перед детьми и внуками. Для правильного, осмысленного понимания данного этапа излагаемой работы нам следует рассмотреть вкратце состав почвы (в общих чертах). Итак, по Б. А. Ягодину почвенный слой почвы состоит из трех основных компонентов (12): Твердая фаза почвы, представляющая собой многокомпонентный комплекс конденсированной фазы почвы. Главными компонентами комплекса являются: минеральная часть почвы и органическая часть. Водный раствор Na+; K+: Ca++; Mg++; NH4+; NO3-; SO42-; H2PO4-. Газ (выделение СО2, поглощение О2). Схематично это следует изобразить в следующем виде:
Таким образом выглядит биохимическая и физико-химическая схема составных частей почвы, этот сравнительно тонкий слой поверхности суши, переработанный многогранной деятельностью живых существ. Почвенный слой - это трехфазный слой как уже показано на схеме. Твердые частицы почвенного слоя пронизаны порами и полостями, заполненными частично водными растворами выше упомянутых веществ, частично воздухом, содержащим СО2, О2 (и азот N2). Поэтому почву населяют как мелкие водные, так и воздухо-дышащие организмы. Объем мелких полостей почвы между комочками - важнейшая ее характеристика (комковатость) о чем, в свое время настаивал В. Р. Вильямс. Эти полости в рыхлых почвах могут составлять многие проценты. В плотных несформированных почвах их меньше. В этих порах и на поверхности комочков почвенного слоя обитает огромное множество микроскопических организмов: бактерий многих видов, различных грибов, простейших, крупных червей Annelida, членистоногих. Животные покрупнее прокладывают в почвенном слое ходы сами. Одновременно весь почвенный слой пронизан корнями высших растений (Planta). Глубина почвы определяется глубиной проникновения корней высших растений и деятельностью роющих животных. Обычно глубина почвенного слоя составляет на обрабатываемых сельскохозяйственных землях до 1, 5 м. Но зачастую этот слой может быть значительно меньше. В почвенных полостях всегда содержится воздух, насыщенный водяным паром, состав воздуха обогащен диоксидом углерода СО2 и сравнительно обеднен кислородом О2. Соотношение воздуха с СО2 и воды в виде водного раствора многих компонентов постоянно меняется и зависит от времени года и погодных условий. При этом колебания температуры почвенного слоя очень значительны у поверхности, но постепенно сглаживаются по мере углубления в почву. Основная особенность почвенного слоя - это постоянный динамизм, движение, поступление органических веществ за счет негумифицированных органических высокомолекулярных веществ растительного и животного происхождения, за счет отмирающих корней растений, опадающей листвы (все это источники углерода - С) и разлагающихся отмерших животных (источники азота - N). Почвенный слой - это ценнейший источник энергии для всех животных и растений, для бактерий, грибов всех видов, многих животных. Почвенный слой - это самая насыщенная жизнью среда. Поэтому, качество почвенного слоя, плодородие почвы зависит от общей культуры земледелия, от длительности возделывания земли, от правильного рационального, научно-обоснованного землепользования. Качество почвы зависит от продолжительности возделывания земли и общей культуры землепользования. Пользуясь тем или иным земельным угодьем, человек берет из земли все необходимое для его жизни. А именно, зерно, корнеплоды, много других овощей, ягоды, фрукты и т. д... Т. е. человек берет из земли, из почвы многие органические и неорганические вещества. Поэтому, чтобы не было истощения почвенного слоя земли необходимо регулярно и постоянно вносить в почву примерно то же самое количество органических и неорганических веществ в виде удобрений. Только высокая культура земледелия и высокая культура общего землепользования, заключающаяся в постоянном и регулярном внесении всех необходимых удобрений, в правильно научно-обоснованном соблюдении последовательности возделывания культур, т. е. в правильно организованном севообороте, только весь этот комплекс мер может повышать плодородие почвы. В тоже время варварское, потребительское отношение к земле приводит к обеднению почвенного слоя, деградации почвы и в конечном итоге, в результате бездумного обращения к земле, может привести к эрозии почвы даже очень плодородной и богатой вначале землепользования. Под эрозией почвы понимается процесс разрушения и выноса плодородного слоя водой или ветром и соответственно эрозия называется водной или ветровой эрозией. Необходимо, чтобы процесс разрушения почвенного плодородия шел медленнее процесса восстановления плодородия, а для этого необходимо именно научно-обоснованное землепользование. Поэтому, в течение многих лет, начиная с 1976г. с некоторыми перерывами нами проводились исследования по возможности использования следующих органических материалов природного происхождения для внесения в почву. Нами была исследована возможность внесения следующих компонентов: Твердых целлюлозно-бумажных отходов (ТЦБО) и твердых отходов производства сложных эфиров целлюлозы (ТОПСЭЦ). Твердых производственных отходов древесины (ксилемы) в виде опилок, стружки и дробленой древесной коры, т. е. твердых древесных отходов (ТДО). Волокнистых отходов производства хлопковой целлюлозы, применяемой для производства сложных эфиров целлюлозы для пластмасс. Части твердых бытовых отходов (ТБО), состоящих из отходов бумаги, картона, древесины и пищевых отходов. Было исследовано влияние введения этих материалов на изменение внешнего вида, на изменение структурного вида почвенного слоя, на появление и усиление комковатости исходных бесструктурных глинистых почв. Разумеется ниже описываемые эксперименты не являются этапом проведения экологической биотехнологии, а являются предварительным исследованием. Экспериментально нами было установлено и подтверждены данные других исследователей, что кусочки различных препаратов целлюлозы, а также измельченные до 2-4 см листы бумаги и картона, пищевые отходы, в т. ч. мелкие кости рыбы и птицы измельченные до размера 2-5 см, заложенные в бесструктурную пластовую глинистую почву осенью (сентябрь-октябрь) при влажной погоде, пролежав осень и зиму к весне перегнивают. На месте закладки отходов весной всегда наблюдались колонии диких дождевых червей Annelida и всегда (обычно в конце апреля) образовывались на месте грубой некультивированной, бесструктурной почвы, не содержащей комочков очаги комковатости и одновременно изменялся цвет пластовой глины из коричневого становился более темный. В самом начале первых испытаний вместе с целлюлозными волокнами из бумаги, картона, хлопкового линта закладывались кусочки сложных эфиров древесной и хлопковой целлюлозы (СЭД и ХЦ) с массовой долью связанной уксусной кислоты 50-57%, ацетобутираты целлюлозы для алюнита и пластмасс, ацетофталаты целлюлозы. При этом СЭД и ХЦ имели слабую кислотность (рН 4-5). Размеры СЭД и ХЦ были до 4-5 см по максимуму. В течение трех лет подряд были подтверждены данные Имшенецкого о том, что процесс разложения СЭД и ХЦ идет сравнительно медленно. При этом при наличии в почвенном слое смеси целлюлозы (в виде бумаги, хлопка или картона), а также при наличии в том же месте СЭД и ХЦ всегда наблюдается так называемый диакустический рост. Т. е. всегда идет в первую очередь разрушение немодифицированного химически целлюлозного волокна в виде хлопка, кусочков бумаги и картона и уже после полного исчерпания целлюлозного волокна начинают медленно разрушаться в течение двух иногда трех лет СЭД и ХЦ. Т. е. разрушение СЭД и ХЦ длится очень медленно в течение 2-3 лет, что и подтверждает данные Имшенецкого. Это наблюдается и при раздельном введении целлюлозного волокна и СЭД и ХЦ. Всегда разрушение СЭД и ХЦ длится 2-3 года. Это можно объяснить различными причинами: СЭД и ХЦ имеют более плотную макро- и микроструктуру.
СЭД и ХЦ отличаются от нативной (природной) целлюлозы химическим составом. Иначе говоря, введение кислотного остатка ацила в макромолекулу целлюлозы препятствует биохимическому разложению природного полимера. Процесс разложения СЭД и ХЦ зависит от проникновения биохимических агентов внутрь образцов (8). Биодеградация (компостирование) - это экзотермический процесс биологического и биохимического разложения высокомолекулярных и олигомерных природных веществ и одновременно процесс синтеза ряда низкомолекулярных веществ в том числе ацетальдегида (СН3СНО) и далее уксусной кислоты (СН3СООН), и далее вплоть до образования диоксида углерода СО2 и воды Н2О. Все это нами было подтверждено экспериментально, в т. ч. хроматографически с участием З. А. Беловой. В этом процессе смешанный, точнее комбинированный субстрат подвергается биодеградации и биохимическому, а также биологическому разложению и одновременно происходит синтез под воздействием смешанной популяции микро- и макрофлоры; микро- и макрофауны в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации комбинированный субстрат претерпевает физические и химические превращения и в конечном итоге происходит потеря в весе на 35-40%% и образуется относительно стабильный гумифицированный конечный продукт компост (точнее биомасса). Этот продукт представляет особую ценность как средство улучшающее структуру почвы, точнее придающее почве комковатость. Каковы же микро- и макробиологические аспекты формирования биомассы: Микрофлора: бактерии; актиномиценты, последние интенсивно растут при повышенных температурах; грибы; дрожжи; водоросли; вирусы. Микрофауна - простейшие.
Микрофлора - высшие грибы. Последнее высшие грибы, в т. ч. и шампиньоны мы наблюдали на гниющих кипах хлопка в 1990-1992г. г. , когда проводили предварительные испытания на территории очистных сооружений ВХЗ. Макрофауна - черви, клещи, двуногие, многоножки.
При проведении процесса биодеградации смеси природных материалов принимают участие многие бактерии, более 2 000 и не менее 50 видов грибов (6). Порогом температуры биодеградации служит температура +60 - +70°С (иногда до +75°С в жаркий летний период). Сначала на первом этапе исследования и подтверждения параметров экологической биотехнологии работа проводилась без искусственного введения ферментов (энзимов) в исходное сырье. Затем на втором этапе работы вводились различные, специальным образом подобранные и рекомендованные нам лабораторией углеводов Института биохимии им. А. Н. Баха (М. Л. Рабинович), комбинации целлюлолитических ферментов. Итак, переходя уже к следующему основному этапу разработки способа экологической биотехнологии переработки ТБО наша фракция ТБО, состоящая из пищевых отходов, целлюлозного волокна, отходов дробленой древесины, картона выгружалась на одну из площадок приготовления биомассы (на одну карту). При этом здесь можно исходить из различных исходных предпосылок, а именно. Главное, как уже отмечалось ранее, для приготовления биомассы необходимо соблюдение следующего количественного элементарного состава углерода С к азоту N: С/N = 25/1-30/1. Исходя из этой главнейшей предпосылки необходимо знать, хотя бы на первых порах ориентировочно, это соотношение, а именно, если у нас приготовление биомассы осуществляется из основных фракций ТБО, т. е. из гниющих пищевых отходов (природных материалов), целлюлозного волокна и древесины, то здесь нужно рассчитать содержание всех компонентов так, чтобы это важнейшее соотношение С/N = 25/1-30/1 всегда строго соблюдалось. В качестве носителя азота, донора азота здесь выступают пищевые отходы животного природного происхождения: раздробленные кости рыбы, птицы и животных. Например, по данным, приведенным М. И. Мягковым и др. (13), сделан ориентировочный расчет соотношения С/N. Эти данные приведены в Главе 4. Это соотношение, как уже упоминалось в этой главе, по данным этих авторов 15-18/1. Это означает, что для строго правильного приготовления биомассы нужно ввести дополнительно в исходную смесь С-содержащий компонент - определенное заранее рассчитанное количество отходов растительного происхождения или целлюлозосодержащий компонент. То есть субстрат не содержащий азот N. Если соотношение С/N > 30/1, скажем составляет 40/1, то это значит, что необходимо ввести N-содержащий компонент. В качестве такого N-содержащего компонента могут быть пищевые отходы животного происхождения кости рыбы, птицы или других животных, но только дробленые до размера по максимуму 5 см. Если биомасса приготавливается только из промышленных отходов, содержащих только С-компонент, ну скажем отходы древесины, бумаги и картона, то здесь обязательно необходимо введение N-содержащего компонента, N-содержащего субстрата. В качестве такого субстрата может использоваться любой навоз, содержащий N-компоненты (в том числе мочевину природного происхождения). Однако, поступающий N-содержащий субстрат в виде животного навоза или даже мочи ни в коем случае не должен привносить в биомассу патогенную микрофлору или паразитическую микрофауну (в том числе наиболее широко распространенную гельминтофауну). Это также обязательное и строго выполняемое условие для правильного регламентированного приготовления биомассы. При этом, внесение N-содержащего субстрата из животного организма кроме азота всегда привносит в исходную биомассу широкую гамму ферментов так необходимых для нормального протекания процессов экологической биотехнологии. При внесении мочи из животного организма в исходную массу вместе с N-компонентом привносятся ферменты такие как амилаза (диастаза) и уропепсин (14). Оба эти фермента необходимы для ускорения протекания процессов разложения растительных отходов в том числе и в приусадебных хозяйствах. При этом компоненты навоза, в том числе и растворенный аммиак, оказывают на целлюлозосодержащие материалы как реагенты способствующие их набуханию и в итоге N-содержащий компонент совместно с гаммой ферментов оказывают на С-содержащие агенты (природные материалы) в общей сложности синергическое воздействие, способствующее ускорению процессов биодеградации и формированию гумифицированной биомассы. Экспериментально установлено ускорение процесса анаэробного разложения природных дробленых растительных остатков в 2, 5-3 раза по времени при введении ферментов амилазы и уропепсина из животного организма по сравнению с процессом анаэробного разложения этих же природных материалов без внесения ферментов. Итак, далее на другую площадку (на другую карту) для приготовления биомассы из промышленных отходов, содержащих только С-компонент (в основном) выгружается N-содержащий субстрат. В качестве такого субстрата может использоваться любой навоз. Перед приготовлением биомассы производится дробление исходных компонентов до размеров указанных ранее. Далее после проверки всех расчетов и при полном соблюдении соотношения С/N = 25/1-30/1 производится интенсивное перемешивание всех С- и N-содержащих компонентов, находящихся на первой и второй площадках (картах)1. Перемешивание производится бульдозером. Участки, которые нельзя перемешать техническими средствами перемешиваются вручную. Смешение компонентов производится до полной гомогенизации (однородности). Начало перемешивания и приготовление биомассы лучше всего производить или осенью в конце сентября, в октябре (при плюсовой погоде) или в середине апреля (тоже при плюсовой температуре). Как показали исследования ряда авторов и наши исследования процесс биодеградации протекает по времени весьма различно и в значительной мере зависит от свойств N-субстрата. Нами рассматривались системы с использованием в качестве N-субстрата конского, свиного навоза, навоза кроликов и навоза птицы (кур). Нами были поставлены специальные эксперименты по проверке выше упомянутых основных параметров экологической биотехнологии, указанных в работе (6). Изучено было также влияние вида азотсодержащего компонента (навоза различных домашних животных) на процесс биодеградации и влияние изменения соотношения С/N на ход процесса. Исследовалось влияние размеров кучи с биомассой (длина, высота, ширина). Длина изменялась от 2 до 100 метров; высота от 1 до 4 м; ширина от 2 до 10 м. Экспериментально были подтверждены следующие параметры процесса: Длина ряда биомассы практически не влияет на процесс биодеградации. При низкой высоте (меньше 1, 5 м) кучи биомассы происходит нарушение процесса аэрации (т. е. воздушного вентилирования). При низкой высоте (ниже 1, 5 м) ряд биомассы быстро подсыхает. Происходит нарушение процесса биодеградации. Процесс затягивается по времени. Увеличивается, так называемый, кажущийся индукционный период ферментативного разложения субстратов. Такое изменение высоты кучи для восстановления нормального хода процессов требует дополнительного водного орошения, особенно в засушливый период и увлажнения массы. Обычный температурный режим биодеградации нарушается (15). Температура биодеградации в низком компостном ряду не превышает, как правило +50°С. А это может вызвать неполную естественную стерилизацию патогенной микрофлоры (паразитических клеток Salmonella spp. , Brucеlla abortas, Ascaris suum) и паразитической микрофауны, например, гельминтофауны. Это нами также было подтверждено экспериментально (15). При большой высоте компостного ряда до 4 м происходит нарушение естественной аэрации и процесс разложения также затягивается, увеличивается содержание промежуточных низкомолекулярных веществ в биомассе, что также является недопустимым. Были подтверждены параметры по ширине ряда.
В итоге были еще раз проверены основные параметры биодеградации биомассы по способу экологической биотехнологии. Кроме того было проведено влияние соотношения С/N, влияние аэрации и размера частиц на протекание всех процессов и на свойства готовой биомассы, на завершенность процессов биодеградации. Почему мы несколько раз обращаем внимание на соотношение C/N? Потому, что это главнейший показатель для всего процесса переработки данной категории природных отходов способом экологической биотехнологии в биомассу. Это соотношение C/N = 25/1-30/1 определяет, во-первых, нормальный ход протекания процесса биодеградации и, во-вторых, предопределяет нормальные показатели получаемой биомассы. Установлены следующие сроки биодеградации для различных видов N-субстратов (так называемые сроки ферментации, они колеблются весьма существенно). Под сроками ферментации понимается время (срок) от момента смешения С- и N-компонентов2 до времени внесения готовой биомассы в почву. Для следующих видов навоза сроки ферментации таковы: а) для свиного навоза - 12 месяцев; б) для конского навоза - 5-6 месяцев; в) для кроличьего навоза - 5-6 месяцев; г) для птичьего навоза - 18-20 месяцев; д) для овечьего и козьего навоза - 6-7 месяцев.
Следует обратить внимание, что во всех изложенных вариантах приготовления биомассы нами не вводились искусственно, дополнительно ферменты. Биодеградация органического материала, как описывалось ранее, всегда сопровождается потерей веса до 40% от общей массы. Нами экспериментально было показано, что добавление биомассы в любую почву в любых разумных количествах практически безвредно, но если только в ней отсутствуют тяжелые металлы (Cd, Pb, Hg, Sn, Ag, Au, Cr, Zn, Cu, Ni). Тяжелые металлы, по данным Говориной и Виноградовой, обладают канцерогенными свойствами (т. е. вызывают злокачественные новообразования) и мутагенным действием (т. е. вызывающим вырождение и мутацию живого организма) (16). По данным Черных, чем более растворимы тяжелые металлы, тем сильнее их негативное воздействие на биологическую активность почвенного слоя (17). По данным этих авторов, тяжелые металлы снижают ферментативную активность почвы. Эти тяжелые металлы, как выяснилось, образуют очень стабильные комплексные химические соединения, конкурируют с микроэлементами почвы за естественные хелатообразователи. Косвенное влияние тяжелых металлов выражается в нарушении процессов с участием ферментов, приводящих в конечном итоге к их инактивации (17). Особенно опасен Cd, за содержанием и поведением которого нужно осуществлять постоянный контроль в системе фонового экологического мониторинга. Увеличение содержания Zn в почве снижает поступление Cd в растения. С целью иммобилизации Cd в почвах и предотвращения его поступления в высшие растения рекомендуется проводить операцию известкования почвы, лучше всего осенью во влажную почву до наступления заморозков так, чтобы Ca++ максимально мог проникнуть в почвенный слой. Итак, о втором этапе работы по разработке способа экологической биотехнологии приготовления биомассы излагаются исследования, проведенные по искусственному дополнительному введению ферментов в субстрат, содержащий целлюлозное волокно (для всех видов отходов) СЭД и ХЦ и соответствующее количество N-содержащего компонента в различных комбинациях. В качестве комбинаций ферментов опробовались образцы, предложенные лабораторией углеводов Института биохимии им. А. Н. Баха (А. Н. Клесов, М. Л. Рабинович), о чем упоминалось ранее. Исходя из технико-экономических соображений был выбран комбинированный препарат отечественного производства - целловиридин (содержащий экзоглюкозидазу, эндоглюканазу, целлобиогидролазу, пектиназу). Целловиридин - препарат без наполнителя с активностью по ФБ а пределах 500-2 000 ед/ч. Было установлено оптимальное количество вводимого фермента - 0, 001% от веса исходной биомассы. Известно, что ферменты (энзимы) являются специфическими биокатализаторами, присутствующими во всех живых клетках. Все ферменты подразделяются на две большие группы: Однокомпонентные, состоящие исключительно из белка.
Двухкомпонентные, состоящие из белка и небелковой части, называемой активной группой. Классификация ферментов дается в работе (18) и излагается ниже. 1 класс - Оксидоредуктазы - катализируют окислительно-восстановительные процессы; 2 класс - Трансферазы - катализируют перенос различных функциональных групп, например, метильной (-СН3), карбонильной (-СООН); 3 класс - Гидролазы - катализируют гидролитические реакции (гидролизирующие сложно-эфирные, гликозидные и т. д. связи); 4 класс - Лиазы - вызывают негидролитическое расщепление связей -С-С-; -С-О-; -С-N- (декарбоксилазы); 5 класс - Изомеразы - катализируют процессы изомеризации;
6 класс - Лигазы (синтетазы) - катализируют процессы соединения двух субстратов. Скорость ферментативной реакции зависит от активности фермента, которая выражается в различных единицах. Старой общепринятой единицей активности фермента является стандартная единица Е. Е - это количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкМ субстрата [S] в 1 мин. при оптимальных условиях для данного фермента (t°С; рН, [S]). По последнему международному соглашению 1 единица n-фермента есть такое количество фермента, которое в определенных условиях катализирует превращение субстрата [S] со скоростью 1 мол/с. Эта единица называется катал (1 кат=6·107 стандартных единиц). Удельная активность, есть число единиц активности фермента, приходящихся на 1 мг белка в ферментативном препарате (Е/мг). Удельную активность фермента рекомендуется выражать в кат/кг. Порядок реакции при ферментативном катализе изменяется. При небольших концентрациях субстрата [S] протекает реакция первого порядка (v - скорость процесса; v пропорциональна [S], т. е. скорость процесса пропорциональна концентрации субстрата). При насыщенной концентрации субстрата [S] скорость v не зависит от этой концентрации. Такая реакция характерна для реакции нулевого порядка. При промежуточных концентрациях субстрата [S] мы наблюдаем реакцию смешанного порядка (20). Перед дальнейшем рассмотрении нами ферментативно-каталитических процессов остановимся для правильного понимания на свойствах ферментов, как биокатализаторов. Для ферментов, как и для других чисто химических катализаторов характерен ряд общих свойств: Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из реакции в первоначальном виде. Они не расходуются в процессе катализа. Ферменты не могут возбудить реакций противоречащих законам термодинамики. Они ускоряют только те процессы, которые могут протекать без них. Ферменты не смещают положение равновесия, а лишь ускоряют его достижение. В то же время для ферментов характерны специфические свойства, отличающие их от чисто химических катализаторов, а именно: Все ферменты являются белками по химическому строению;
По сравнению с химическими катализаторами эффективность биокатализаторов-ферментов выше (скорость протекания процесса при участии фермента на несколько порядков выше, чем при участии химических катализаторов); Ферменты обладают в отличие от химических катализаторов узкой специфичностью и избирательностью действия на субстраты. Имеется в виду действие на те вещества, превращение которых они катализируют; Свойства биокатализаторов-ферментов регулируются;
При ферментативных процессах в отличие от неферментативных наблюдаются очень незначительные побочные процессы. То есть для ферментативных процессов характерен почти 100% выход основного вещества - продукта реакции. Это последнее специфическое отличие очень значимо. Практически все химико-технологические процессы протекающие под непосредственным руководством человека и под его контролем всегда дают побочные процессы. Все эти процессы ускоряются химическими катализаторами. Одним из ранее незамеченным побочным процессом и был синтез галоидсодержащих диоксинов (ДО) и диоксиноподобных веществ (ДПВ), которые как оказалось в дальнейшем являются химическим СПИДом нашего времени. Таким образом, невольно приходится констатировать, что все созданное человеком и его уровень знаний окружающего мира далек от познания абсолютной истины, далек от совершенства. Человек, вторгаясь в природное равновесие может по своему незнанию этих законов природы нарушать гармонию закономерностей, которые существуют в природе и тем самым вредить всему живому на земле и в первую очередь себе, не замечая об этом особенно в начале. Итак, для ферментативно-каталитического процесса справедливо уравнение Михаэлиса (19), а именно скорость процесса: где К - константа Михаэлиса-Ментена: V=Vmax/2
Теперь, после некоторого ознакомления с основными началами закономерностей ферментативных процессов вернемся конкретно к нашим системам. Знание этих закономерностей просто необходимо для дальнейшего изложения. Итак, процесс разложения полисахаридных отходов происходит под воздействием различных факторов, в т. ч. под влиянием фермента целлюлазы, который образуется анаэробными и аэробными бактериями. Общая схема ферментативно-каталитического разложения целлюлозно-бумажных и картонных отходов по Клесову - Рабиновичу приводится ниже (21), где Gn - исходный субстрат полисахарид-целлюлоза;
Gn/x - нерастворимые продукты неупорядоченного гидролиза со значением степени полимеризации меньше, чем у исходной целлюлозы; G2 - целлобиоза; G - глюкоза.
Оптимум активности большинства грибных целлюлоз находится в слабокислой области, а именно рН=4, 0-5, 5. При этом некоторые ферменты сохраняют активность в более широком интервале рН. Ферменты из А. niger стабильны при 25°С в интервале рН=1-9 (21). Температурный оптимум активности целлюлолитических ферментов, продуцируемых мезофильными микроорганизмами находится в области +45-+55°С, термофильными +55-+70°С. Большинство грибных целлюлоз инактивируются при более высокой температуре и теряют всю каталитическую активность при +75-+80°С за несколько минут. Следует отметить, что для целлюлозно-бумажных и картонных отходов воздействие микроорганизмов проявляется, очевидно, в клеточной иммобилизации (а именно по методу внедрения (см. рис. 8)) в субстрат.
Рис. 8. Вид клеточной иммобилизации (внедрение). Результаты биостарения твердых отходов производства целлюлозосодержащих материалов являются типичными для всех отходов содержащих целлюлозное волокно (18). Разберем поподробнее процессы биостарения таких материалов: При введении целловиридина, как комбинированного целлюлолитического комплекса в ЦБО при биостарении образуется ряд органических продуктов в частности уксусный альдегид (ацетильдегид), который постепенно окисляется до уксусной кислоты АсОН. Оба вещества были нами обнаружены хроматографически благодаря Н. А. Беловой, которой мы выражаем сердечную благодарность (18). Одновременно происходит снижение рН от нейтрального значения до слабокислой реакции рН=4, 5-4, 0. В случае большого содержания влаги в субстрате это влияние уксусной кислоты весьма ощутимо. Влага, снижая доступ воздуха к субстрату и в частности кислорода, тем самым снижает возможность роста и развития аэробных бактерий и увеличивается возможность развития анаэробных, которые и вызывают существенное уже ощутимое и определяемое хроматографически появление уксусной кислоты в системе и ее влияние на рН субстрата. Анализ полученных данных, приводимых в таблице 5. 1 говорит о том, что процесс биологического разложения ЦБО является не только ферментативно-каталитическим, но и ферментативно-автокаталитическим, последовательным, сложным процессом с определенным периодом индукции, различным для различных субстратов и для различных концентраций фермента (см. таблицу 5. 1). Таблица 5. 1 Вид субстрата
Индукционный период биодеградации (кажущий-ся), дни, месяцы 1. Небеленые рыхлые ватообразные ЦБО без добавок фермента
Несколько месяцев, в зависимости от температуры, влажности, возможности проникновения микрофлоры, микрофауны, макрофлоры, макрофауны 2. Небеленые рыхлые вато-ЦБО + фермент (целловиридин) Два-три дня
3. Небеленые рыхлые ватообразные ЦБО+0, 25% фермента (от опыта 2) фермент-целловиридин Пять-шесть дней 4. СЭЦ + фермент (целловиридин) Семь-восемь дней 5. СЭЦ без добавок фермента
2-2, 5 года, в зависимости от температуры влажности, возможности проникновения микрофлоры, микрофа-уны, макрофлоры, макрофауны На сложность и многостадийность каталитических процессов указывается в теоретической работе Е. М. Попова, И. П. Кашпарова, М. Е. Попова, посвященной разбору общей теории биологического катализа (Е. М. Попов, И. П. Кашпаров, М. Е. Попов, Ж. "Успехи биологической химии", т. XXXIV, 1994, Пущино, РАН, с. 40-83). Авторы данной работы рассматривают ферментативный катализ как один из сложнейших физико-химических явлений живой природы, связанных с проявлением конформационных и электронных аспектов. Согласно представлению данных авторов общая теория биологического катализа исходит из следующих положений: В основе биокатализа лежат представления о структурной организации белковых молекул и принцип согласованности внутримолекулярных взаимодействий валентно-несвязанных атомов. Ферментативные реакции следует рассматривать как специфические реакции, характерные для нелинейных неравновесных процессов. При рассмотрении ферментативного каталитического акта надо исходить из предположения о возможности независимого рассмотрения конформационных и электронных стадий. Нами экспериментально было установлено, что при биодеградации сложных эфиров целлюлозы (точнее сложных эфиров хлопковой и древесной целлюлозы - СЭХ и ДЦ) рН (логарифм концентрации водородных ионов) постепенно растет. Это указано на рис. 9. Это наблюдается до определенного предела. Исходное значение рН СЭД и ХЦ"5, 2,
Рис. 9. Изменение рН и температуры биомассы в процессе биодеградации. т. е. исходный образец, как отход производства (на промежуточной стадии до окончательной промывки, фугования и сушки полимера) был слабокислым. Затем по мере разложения через 80-90 дней рН СЭД и ХЦ становится слабощелочным и равным "8-8, 5. То есть, в процессе ферментативного биоразложения рН СЭД и ХЦ из слабокислой области переходит в слабощелочную область и появляется характерный запах мочи от разлагающегося полимера. Далее в процессе биоразложения рН СЭД и ХЦ примерно через 5 месяцев (150-155 суток) начинает медленно снижаться и это снижение происходит до значения рН близкого к нейтральной среде. Эти специальные исследования, проведенные с дублированием показали, что при биодеградации СЭД и ХЦ (15) происходят следующие процессы: Происходит медленное снижение степени полимеризации исходного полимера (СЭД и ХЦ) (См. работу (15)). Не происходит отщепления ацетильной группы -СН3СО в отличие от термостарения (Сравни работы (15) и (22) в конце главы в списке литературы). Как показали исследования с применением вискозиметрии при биодеградации СЭД и ХЦ происходит снижение молекулярной массы полимера под воздействием комплексного ферментативного целлюлолитического препарата целловиридина. Специальные микробиологические исследования, проведенные с помощью биологического стереоскопического микроскопа МБС-9 (23) показали, что биомасса, приготовленная из ТБО и ЦБО с добавлением фермента целловиридина и без добавок всегда поражена аэробными целлюлозными миксобактериями (Семейство Promyxobacteriaceae, клетки Cytophaga) (по определению Имшенецкого (8)). Эти виды представляют из себя гигантские клетки, различающиеся между собой по длине от 4-6m до 10-12m (см. рис. 10а и б).
Рис. 10 (а и б) Аэробные целлюлозные миксобактерии на фоне биомассы. Семейство Promyxobacteriaceae, клетки Cytophaga (Стереоскопический микроскоп МБС-9): а - биомасса с искусственным введением ферментативного препарата; б - биомасса без введения препарата фермента.
Эти клетки в неокрашенном виде очень отчетливо видны в поле зрения микроскопа благодаря своим движениям. Клетки Cytophaga очень подвижны в обычных условиях комнатной температуры. В них нет заметной зернистости, блестящих или светящихся включений. В поле зрения микроскопа эти клетки делают качательные, сгибательные и колебательные движения. Одни одновременно с этим движением ползут по всей массе смотрового стекла. В процессе движения эти клетки образуют дугу или приобретают форму незамкнутого круга. Было многократно отмечено, что в смеси волокнистых ЦБО без введения N-содержащего компонента и в частности навоза (с добавками и без добавок целловиридина) вегетативные клетки Cytophaga в препаратах субстрата ЦБО при свободном доступе воздуха не были обнаружены. Следовательно, в ЦБО эти клетки могли быть занесены только из азотсодержащего компонента или возможно из почвы. Пробы биомассы были взяты во всех испытаниях с промышленной площадки. При этом было обнаружено и многократно подтверждено, что в биомассе с добавкой фермента количество миксобактерий Cytophaga всегда в 1, 5-2 раза больше по сравнению с биомассой без добавки фермента (См. рис. 10а и б). Следовательно, фермент (точнее комплексный целлюлолитический ферментативный препарат) способствует увеличению количества миксобактерий Cytophaga. Чем это объясняется? Можно полагать, что это связано с тем, что в биомассе с добавкой фермента содержится больше продуктов разложения клетчатки. Поэтому эти клетки Cytophaga при наличии такой более доступной и более нежной пищи, по-видимому, быстрее размножаются. В дальнейшем это было подтверждено экспериментально при длительных наблюдениях за развитием этих видов миксобактерий в наших промышленных образцах, которые отбирались с действующей промышленной площадки. Следует отметить, что при наличии в биомассе различных целлюлозосодержащих субстратов (ЦБО) в первую очередь (при наличии ферментов) разрушаются более доступные субстраты (более мелкие, более пористые, с большим содержанием природной клетчатки). В тоже время СЭД и ХЦ какое-то время консервируются до тех пор, пока не будут использованы другие легко доступные и с большим содержанием целлюлозы субстраты из ЦБО. То есть мы имеем характерный типичный диакустический рост (15). Ферменты, необходимые для утилизации второго субстрата СЭД и ХЦ пребывают некоторое время в репрессивном состоянии до тех пор, пока первый субстрат, как более легкодоступный (волокнистые препараты ЦБО) не будут полностью исчерпаны. Чем это можно объяснить? Это можно в основном двумя факторами: Препараты СЭД и ХЦ хотя и дробленые, тем не менее они имеют более плотную микро- и макроструктуру по сравнению с различными целлюлозными волокнами (ЦБО и т. д. ). Препараты СЭД и ХЦ отличаются от различных целлюлозных волокон и химическим составом, поскольку в процессе синтеза этих производных целлюлозы происходят одновременно два процесса: макромолекулярная реакция, а именно деструкция макромолекул клетчатки и реакция полимераналогичных превращений - превращение целлюлозы в сложный эфир целлюлозы. В связи с наблюдением диакустического роста при биодеградации смеси, содержащей целлюлозное волокно и СЭД и ХЦ с введением комплекса ферментов, интересно вспомнить работы М. М. Кононовой, опубликованные в 1949г. , которая специально культивируя миксобактерии на различных растительных остатках (остатков высших растений), твердо убедилась в том, что при разрушении клетчатки этими бактериями-сапрофитами образуется органическое вещество по составу весьма близкое к гуминовым веществам. Условия экспериментов Кононовой дали возможность судить об участии миксобактерий (к которым принадлежат обнаруженные нами вегетативные клетки Cytophaga) в разложении клетчатки. Следует отметить, что образцы биомассы взяты нами с открытой промышленной площадки по приготовлению биомассы, о чем уже упоминалось, и никаких искусственных дополнительных компонентов туда не вносилось. М. М. Кононова, на основании этих исследований, пришла к выводу, что миксобактерии при разложении клетчатки синтезируют вещество, весьма близкое к почвенному гумусу. Образование слизи, имеющей характер геля, интересен и с другой точки зрения. Бесспорно, что накопление в почве бактериальной слизи оказывает большое влияние на физические свойства почвы. Гумусовые соединения склеивают механические элементы почвенного слоя и создают агрегаты-комочки, которые и придают окультуренному почвенному слою комковатость, о которой так убедительно писал В. Р. Вильямс (9). Эта комковатость и служит показателем формирования гумуса в плодородной почве. Продукты жизнедеятельности бактерий играют значительную роль в возникновении и совершенствовании прочной почвенной структуры. В этом смысле бактерии играют, по-видимому, большее значение, чем грибы. С. В. Виноградский (1952г. ), наблюдая образование слизистой массы при разрушении клетчатки, по существу рассматривал этот "органический гель" как вещество, близкое к почвенному гумусу в силу его физических, физико-химических и биологических свойств. И в частности С. В. Виноградский отмечал, что этот "органический гель" неохотно разрушается другими микроорганизмами и таким образом он весьма стабилен. М. М. Кононова составила схему, показывающую взаимосвязь между содержанием гумуса в почвенном слое и наличием в нем сапрофитных бактерий (т. е. бактерий, способствующих разложению растительных и животных остатков). Чем больше сапрофитных бактерий в почве, тем больше в ней гумуса. Это наблюдалось нами экспериментально многократно. Д. С. Орлова и И. Н. Лозановская (1983г. ) дают гипотетическую вероятную структуру "ядерной части" гумуса.
Как видно, это хотя и гипотетическая вероятная модель "ядерной части" гумуса, все же следует обратить внимание, что она включает цепь сопряженной связи, т. е. чередование одинарной "-" и двойной "=" химической связи. Это чередование прослеживается весьма четко и, по-видимому, такое хотя и предполагаемое строение обуславливает темно-бурую почти черную окраску гумусовых веществ и характеризует сложность, наличие ряда многих функциональных групп. Проверенные нами многократно приемы экологической биотехнологии, затем были испытаны в опытных, опытно-промышленных условиях. Затем внедрены в производство на территории очистных сооружений и действовали в течение трех лет, вплоть до закрытия производства на ВХЗ до 1994г. Далее значительная часть приемов экологической биотехнологии проверялась и уточнялась на территории коллективного сада "Нижнее Сельцо 2". Итак, в результате большой многолетней работы, начатой в 1976 году (с некоторыми перерывами) можно сделать следующие выводы и дать практические рекомендации. Экологическая биотехнология переработки фракции ТБО (пищевые отходы, отходы древесины, целлюлозное волокно в виде бумаги и картона), а также часть ТПО, состоящая из древесных отходов, целлюлозно-бумажных и картонных отходов заключается в строжайшем соблюдении всех нижеприводимых параметров биотехнологии. Она заключается в тщательном и равномерном смешении С-содержащего природного органического компонента, представляющего из себя ТЦБО, ТОСЭД и ХЦ, ТДО, ТБО, содержащие в качестве важнейших компонентов серию полисахаридов (в том числе главный представитель этого класса - целлюлоза, омегосахариды и моносахариды) с N-содержащими органическими природными соединениями (в том числе белками и продуктами их разложения, представляющими для фракции ТБО кости, остатки тканей животных и рыб (белки - носители азота -N)). В случае использования в качестве только С-содержащей фракции (например, ТПО из древесины, бумаги и картона) для правильного приготовления биомассы необходимо внесение N-содержащего компонента в качестве которого служат как уже упоминалось ранее любые формы животного навоза и в том числе мочевина природного происхождения. Здесь, как уже упоминалось ранее, не допускается внесение N-содержащего компонента (навоза) с опасной патогенной микрофлорой и с микрофауной (например, с гельминтофауной). Внесение N-содержащего компонента, кроме азота, всегда сопровождается внесением ряда ферментов так необходимых для протекания нормального процесса экологической биотехнологии. Для ускорения протекания процесса в зависимости от технико-экономических соображений и исходя из рыночной потребности рекомендуется введение комплекса ферментативных целлюлолитических препаратов в биомассу в начале приготовления при условии тщательного перемешивания их в исходной биомассе. Соотношение С-содержащего природного компонента с N-содержащим природным компонентом для всех видов исходного сырья всегда должно строго проверяться и составлять С/N=30/1-25/1. Это главнейшее исходное соотношение для правильного протекания всех процессов биотехнологии. Все компоненты биомассы перед смешением должны подвергаться дроблению до размеров не более 1, 4 см (по максимуму) для систем с перемешиванием и принудительной аэрацией; и до 5 см (по максимуму) для пищевых отходов, для целлюлозно-бумажных и картонных отходов; до 1-2 см для мелких костей при естественной аэрации. Сроки биодеградации для различных N-содержащих компонентов (так называемое время ферментации) (срок от начала смешения компонентов до возможного срока внесения в почву) следующие: для свиного навоза - 12 месяцев, для конского навоза - 5-6 месяцев, для кроличьего навоза - 5-6 месяцев, для птичьего навоза - 18-20 месяцев, для овечьего и козьего навоза - 6-7 месяцев
для пищевой фракции ТБО, хранящейся при соблюдении параметров экологической биотехнологии - 12-13 месяцев. Для всех видов целлюлозосодержащих биологических масс (компостов) при строгом соблюдении элементарного соотношения С/N нами рекомендуется добавлять, как уже упоминалось, при перемешивании комбинированный целлюлолитический ферментативный препарат - целловиридин (содержащий экзоглюкозидазу, эндоглюканазу, целлобиогидролазу, пектиназу) ГЗх по ТУ-64-13-11-87 производства Приволжского биохимического завода, рекомендованный Институтом биохимии А. Н. Баха РАН (лаборатория углеводов, А. А. Клесов, М. Л. Рабинович) и испытанный нами и внедренный в производство в 1991 году. Количество вводимого препарата от 0, 001 до 0, 01% от общего веса биомассы. При добавке ферментативного препарата сроки биодеградации массы значительно сокращаются. Если препарат введен строго гомогенно при интенсивном перемешивании и выдерживании всех параметров экологической биотехнологии, при начальной влажности исходной массы >60% в течение 2-3 недель для лучшего транспорта ферментативного препарата и для большего набухания всех целлюлозосодержащих компонентов, то сроки ферментации сокращаются значительно. Свободный объем в компостном ряду составляет 35-40%. Рекомендуется производить периодическое перелопачивание компостного ряда, но при строгом соблюдении параметров по ширине и высоте ряда, упомянутых ранее. Аэрация воздуха в сутки должна составлять 0, 6-1, 8 м3 на 1 кг массы. При смешивании всех компонентов возможно проведение искусственной аэрации по всей длине ряда. При переработке определенных фракций ТПО и ТБО нельзя допускать попадание тяжелых металлов Cd, Pb. Hg, Cr, Sn, Cu, Ag, Au в больших количествах. Особенно опасен Cd, о чем уже упоминалось. Кроме того, нельзя допускать, чтобы в биомассу попадали даже мелкие куски полимерной пленки, полученной из галоидсодержащих полиолефинов (и в частности недопустимо попадание пленки из поливинилхлорида). Эти компоненты (носители хлора) могут нести следы ДО и ДПВ. Кроме того, и это особенно важно, ни в коем случае нельзя приготавливать биомассу из фракций ТБО или ТПО, содержащих даже в очень небольших количествах отработанные химические источники тока от портативных магнитофонов, радиоприемников, дозиметрических приборов и т. п... Все эти химические источники тока являются потенциальными генераторами образования хлора и соответственно галоидированных ДО и ДПВ - химического СПИДа 20-го века. Поэтому при малейших признаках наличия вышеупомянутых включений в ТБО и ТПО эти поступления могут быть переработаны только в аппаратах системы "Пурвокс" или в электротермическом генераторе при температуре +1200-1400°С в течение не менее 4-7 часов для разрушения ДО и ДПВ. Если температура переработки этих включений ниже, то будет происходить не разрушение галоидированных ДО и ДПВ, а при +800-+900°С их синтез. Так бромсодержащие ДО и ДПВ синтезируются именно при этих температурах. Вот почему важно соблюдение температурных и временных параметров процесса разложения (особенно отработанных химических источников тока) таких отходов. Кроме того носителем галоидированных ДО и ДПВ могут являться целлюлозосодержащие компоненты и особенно те, которые в процессе технологических обработок подвергались химической отбелке хлором и его соединениями. Однако сейчас в виду значительного сокращения, а в некоторых развитых странах и полного исключения хлора из химических технологий получения целлюлозосодержащих продуктов вероятность попадания хлора из бумаги и других ЦБО практически сведена к минимуму (2). Это мы подробно рассмотрим в следующих главах. Нельзя допускать, чтобы в биомассу попадали вместе с бытовыми отходами мертвые ткани и отдельные трупы животных, повязки из больничных учреждений, отходы хирургии, стоматологии и т. п. Нельзя допускать попадания биологических отходов из научно-исследовательских организаций. Нельзя допускать попадания в ТБО радиоактивных отходов всех видов даже в следах. Список литературы:
С. А. Алексеев, Что такое ЦТЗ // Экологический бюллетень "Чистая земля", Спец. выпуск, №1, 1997, с. 1-5. В. И. Манушин, К. С. Никольский, К. С. Минскер, С. В. Колесов, Целлюлоза, сложные эфиры целлюлозы и пластические массы на их основе, Владимир, ЦНТИ, 1996, с. 18, 64, 228. А. А. Петров, Х. В. Бальян, А. Т. Трощенко, Органическая химия, Под ред. чл. корр. АН СССР А. А. Петрова, Изд. 4-е доп. , М. , ВШ, 1981, с. 508, 522-523. П. Каррер, Курс органической химии, Под ред. М. Н. Колосова, ТХИ, Л-д, 1960, с. 548. З. А. Роговин, Основы химии и технологии химических волокон, М. , Химия, 1974, с. 166-192. Экологическая биотехнология, Под ред. К. Ф. Форстера и А. А. Дж. Вейза, Л-д, Химия, Лен. отд. , 1990. В. М. Минеев, Химизация земледелия и природная среда, М. , Агропромиздат, 1990, с. 5. А. А. Имшенецкий, Микробиология целлюлозы, М. , Ин-т микробиологии АН СССР, 1953. В. Р. Вильямс, Почвоведение. Земледелие с основами почвоведения, М. , 1949. Краткая химическая энциклопедия, т. 5, М. , Изд. С. Э. , 1967, с. 331-334. К. М. Махкамов, Х. Ш. Арипов и др. Сб. НИР "Химия, технология и применение целлюлозы и ее производных", Черкассы, Отд. НИИТЭХИМа, 1990, с. 162. Б. А. Ягодин, Агрохимия, 2-е изд. , Агропромиздат, М. , 1989.
М. И. Мягков, Г. М. Алексеев, В. А. Ольшанецкий, Твердые бытовые отходы города, Л-д, Стройиздат, 1978, с. 51, 69. Малая медицинская энциклопедия, Под ред. В. И. Покровского, т. 3, М. , "БФЭ", 1992, с. 489. К. С. Никольский, Е. Б. Захарова и др. , Приготовление компостной смеси и исследование процессов, происходящих в ней, Ж. //"Химия в сельском хозяйстве", №2, 1994, с. 25. В. В. Говорина, С. Б. Виноградов, Влияние тяжелых металлов на ферментативную активность почв, Ж. //"Химизация сельского хозяйства", №3, 1990, с. 87-90. Н. А. Черных, Негативное воздействие тяжелых металлов на почвы, Ж. //"Химизация сельского хозяйства", №1, 1991, с. 40-42. К. С. Никольский, Е. Б. Захарова, В. В. Соколов и др. , Экологическая биотехнология переработки отходов производства целлюлозы и ее сложных эфиров для нужд сельского хозяйства, Сб. НИИТЭХИМ-НИИПМ//"Производство и переработка пластмасс и синтетических смол", №5, 1991, с. 25-38. Н. М. Эмануль, Д. Г. Кнорре, Курс химической кинетики, Изд. 4-е, М. , ВШ, 1984. Основы биохимии, Под ред. А. А. Анисимова, М. , ВШ, 1986, с. 133-177. А. А. Клесов, А. П. Синицын, М. Л. Рабинович, А. Б. Гусаков, А. М. Морозов, Биотехнология ферментативного превращения целлюлозы, Изд. АН СССР, М. , 1988. К. С. Никольский, Л. П. Юзбекова-Рощинская, О некоторых закономерностях старения и стабилизации АУ для пластмасс, Сб. НИИТЭХИМ-НИИПМ //"Производство и переработка пластмасс и синтетических смол", №3, 1989, с. 15-19. К. С. Никольский, В. В. Соколов, Биомасса из отходов производства, Ж. //"Химия в сельском хозяйстве", №3-4, 1993, с. 20-21. М. Т. Примкулов, К. С. Никольский, В. В. Буш, А. С. Худанян, Р. М. Мнацакинян, Технология производства ацетатных нитей и жгута, Ин-т развития профобразования, М. , 1992, с. 64-68, с. 6-7. В. Я. Бытенский, Е. П. Кузнецова, Производство эфиров целлюлозы, Под ред. Н. И. Кленковой, Л-д, Химия, Лен. отд. , 1974, с. 173-175, с. 92-95, с. 160-174. З. А. Роговин, Химия целлюлозы, М. , Химия, 1972, с. 171.
Дхариял Ч. Д. , Жигач К. Ф. , Тимохин И. М. и др. , ЖПХ, т. 39, №7, 1966, с. 1959. Тимохин И. М. , Далабаев У. Д. , Узб. хим. журнал, №5, 1971, с. 99. Дхариял Ч. Д. , Жигач К. Ф. , Тимохин И. М. и др. , ЖПХ, т. 37, 1964, с. 1099. Сноски
Площадки (карты) для С- и N-компонента, поэтому располагаются вблизи друг друга. В нашей книге мы зачастую отождествляем понятие С- или N-компонент с понятием С- или N-субстрат, вкладывая в эти понятия сугубо прикладное значение. В биохимии и биологии под определением субстрат означает питательная среда (преимущественно для микроорганизмов).