КСИЛОТРОФНЫЕ БАЗИДАЛЬНЫЕ ГРИБЫ – КАК АКТИВНЫЕ АГЕНТЫ ДЛЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ

XYLOTROPHIC BASIDAL FUNGI - AS ACTIVE AGENTS FOR THE RATIONAL USE OF VEGETABLE WASTE

Arzu Rasul Hasanova

candidate of biological sciences, senior lecturer of Sumgait State University,

Azerbaijan, Baku

Novruz Bunyatova

Candidate of Biological Sciences, Acting Associate Professor of Sumgait State University,

Azerbaijan, Baku

Aida Yarysh Gahramanova

candidate of biological sciences, assistant of Sumgait State University,

Azerbaijan, Baku

АННОТАЦИЯ

Проведенные исследования убедительно показали, что ксилотрофные грибы, особенно их представители, относящиеся к базидиомицетам, обладают всеми необходимыми свойствами для рациональной утилизации растительных отходов, на основе которого была разработана малоотходная комплексная технология, предусматривающая использование растительных отходов и ресурсов по принципу «мало- или безотходной технологии на конкретном этапе».

ABSTRACT

The studies carried out have convincingly shown that xylotrophic fungi, especially their representatives belonging to the basidiomycetes, have all the necessary properties for the rational utilization of plant waste, on the basis of which a low-waste complex technology was developed that provides for the use of plant waste and resources according to the principle of “low- or no-waste technology at a specific stage. "

Ключевые слова: растительные отходы, грибы, биоконверсия, ферменты.

Keywords: vegetable waste, mushrooms, bioconversion, enzymes.

Ежегодно население мира неустанно увеличивается при стабильности территории Земного шара, что способствует возникновению различных проблем[9], одним из которых в настоящее время является дефицит белка[14]. Это связано с тем, что имеющиеся традиционные источники не в силах полностью удовлетворять потребности населения мира. Поэтому, постепенно отслеживается тенденция замены естественной здоровой продукции на быстро производимые, генетически модифицированные продукты питания растительного и животного происхождения. Белки растительного происхождения (например, соевые продукты) при всех их достоинствах, имеют ряд серьезных недостатков (отсутствие отдельных незаменимых аминокислот, наличие ингибиторов синтеза ферментов), что требует дополнительных методов обработки и производственных затрат. Производство белков животного происхождения является дорогостоящим и трудоемким. В погоне за дешевыми и быстро производимыми белковыми продуктами, производитель, увлекаясь достижениями научно-технического прогресса, далеко не всегда действует во благо человеческого здоровья. Поэтому, одним из вариантов решения проблемы по получению полезной белковой продукции является увеличение продуктов микробного(грибного и бактериального) синтеза, так как полученные из них многие продукты по биохимическому составу не уступают аналогичным продуктам животного и растительного происхождения, а по некоторым показателям даже превосходят.

С другой стороны, как известно, ежегодно в процессе фотосинтеза образуется огромное количество зеленой биомассы. По расчетам специалистов, приблизительно 1/10 часть образованного продукта используется для потребности мира в энергии. В результате использования образуется достаточное количество отходов, приведение их в состояние пригодности с точки зрения практической необходимости также является одной из актуальных задач современной науки, в том числе биологической. Так как, образованные в различных областях отходы, в основном либо сжигаются, либо выбрасываются в окружающую среду, результат обеих подходов завершается загрязнением окружающей среды. Следовательно, разработка наиболее эффективных методов утилизации отходов становится необходимой[12-13, 15], с одной стороны - с целью охраны окружающей среды, с другой - для расширения сырьевой базы и удовлетворения потребности населения мира к продуктам разного назначения.

В настоящее время для решения данной проблемы используют разные подходы, из которых наиболее перспективным является биологический способ утилизации[9], прежде всего микробиологический и энзимологический. Так как переработка отходов биологическим способом, в продукт полезный в практических целях, позволила бы не только сберечь первичный материал, расширить в значительной мере сырьевую базу, но и существенно уменьшить загрязнение окружающей среды. Однако, из-за отсутствия соответствующей материально-технической и научной базы, они до сегодняшнего дня не нашли полного и эффективного применения.

В связи с этим целью представленной работы, явилась разработка способов, позволяющих рационально использовать растительные отходы, в соответствии с вышеуказанными задачами.

В качестве продуцента были взяты ксилотрофные грибы (микро- и макромицеты), распространенные в условиях Азербайджана, а в качестве субстрата отходы, образуемые в аграрном секторе Азербайджана, такие, как солома, подсолнечная лузга, кукурузная кочерыжка, свекловичный жом, гребни винограда, обрезки виноградной лозы, использованный чай, пшеничные отруби и др. Работы, связанные с биоконверсией отходов, проводили согласно известному методу [3-8, 10-11], который мы использовали в предыдущих работах [1-2]. 

На первых этапах исследований изучен химический состав и некоторые структурные особенности вышеназванных отходов и полученные результаты показали, что они по исследуемым параметрам (Вода- и спиртоэкстрагируемые фракции, водорастворимые сахара, легко- и трудно-гидролизуемые фракции, лигнин, зола, протеин, индекс кристалличности и др.) между собой существенно отличаются, хотя количество полисахаридов во всех субстратах достаточна и имеющаяся в их составе целлюлоза имеет относительно слабую кристаллическую структуру, что предопределяет перспективность такого типа субстрата для использования в процессе биоконверсии.

В дальнейшем первоначально проведен скрининг около 100 штаммов ксилотрофных грибов, по способности трансформировать отходы в продукт кормового и пищевого назначения. Полученные результаты показали, что штаммовая вариабельность по всем критериям (потеря веса, разложение целлюлозы и лигнина, накопление белка, урожайность, распределение общего урожая по волнам плодоношения и др.), которые использовали для оценки эффективности процесса, в рамках одного рода или вида превышает родовые или видовые различия по этому показателю. Что же касается дереворазрушающей активности, то она у макро- и микромицетов была различной. Если эту разницу выразить в цифрах, тогда становится ясно, что при использовании макромицетов для микробиологической конверсии растительных субстратов, степень конверсии повышается на 1,25-2,1 раза.

Несмотря на обнаруженные отличия, полученные результаты показали, что для биоконверсии отходов в продукт кормового назначения целесообразно использование ксилотрофных грибов, которые по продуктивности и биохимической характеристике превосходят других грибов.

В исследованиях, проведенных в связи с оптимизацией процессов микробиологической конверсии отходов отобранными грибами, во время выбора дополнительного источника азота было установлено, что только NH₄NO₃ во всех случаях стимулирует процессы конверсии растительных отходов, а NaNO₃ - значительно ослабляет разложение целлюлозного компонента и повышает разложение лигнина до 1,2 раза. В остальных случаях дополнительный источник азота влияет на процесс по-разному.

Установлено, что грибы более эффективно трансформируют отходы в обогащенный белком продукт при температуре выращивания 28⁰С, при исходном значении влажности 64-67% и рН среды 5,2-5,6. Однако, реакция грибов на изменение этих параметров разная. Например, изменение исходной влажности субстрата не приводит к изменению индекса ксилолиза. Понижение температуры ниже оптимального 28⁰С сопровождается уменьшением индекса ксилолиза, что соответствует относительно более интенсивному разложению лигнинового компонента.

Изучение химического состава биомассы, полученной в результате микробиологической конверсии, показало, что она является продуктом, не обладающим токсичностью, обогащенный белком, витаминами и др. биологически активными веществами и имеет высокую переваримость (по сравнению с исходным субстратом повышается в 1,7-2,6 раза). Кроме того, количество нуклеиновых кислот в полученном продукте в пределах допустимой нормы и составляет 0,17-0,20% и полученные продукты могут быть использованы в кормовых целях. Анализ аминокислотного состава полученных продуктов показал, что в их составе имеются почти все, в том числе незаменимые аминокислоты. Сравнение этих показателей с эталоном ФАО для кормовых продуктов также показало, что эти продукты характеризуются необходимыми показателями. Кроме того, добавление полученных продуктов в корм скота или птицы способствует повышению целевого продукта (общий объем молока и ее жирность, мясо, яйцо и др.).

Результаты исследований, посвященных, изучению физолого-биохимических и биотехнологических основ ферментативной активности ксилотрофных макромицетов показали, что все исследуемые ксилотрофы проявляют активность гидролитических ферментов, хотя при этом уровень активности конкретного фермента (целлюлаза, ксиланаза, амилаза, пектиназа, протеаза и липаза) сильно варьировал, в зависимости от использованного гриба и субстрата. При изучении активности оксидаз было установлено, что ферментативную активность проявляют только те культуры, которые в природных условиях вызывают белую гниль. У грибов в определенной мере прослеживается связь между активностью гидролазы и оксидазы, и формой отношения к субстрату, на котором он обитает в природных условиях. Кроме того, было определено, что грибы, обладающие высокой активностью фенолоксидазы, характеризуются высоким коэффициентом вариации и относятся к эвритрофным групировкам первого порядка. Тем не менее, между высокой активностью фенолоксидаз и эколо-трофической принадлежности грибов, ясно выраженной зависимости не наблюдается, хотя сапротрофные виды исследуемых ксилотрофных макромицетов характеризуются относительно высокой активностью.

Таким образом, проведенные исследования убедительно показали, что ксилотрофные грибы, особенно их представители, относящиеся к базидиомицетам, обладают всеми необходимыми свойствами для рациональной утилизации растительных отходов, на основе которого была разработана малоотходная комплексная технология, предусматривающая использование растительных отходов и ресурсов по принципу «мало- или безотходной технологии на конкретном этапе».

Список литературы:

1. Гасанова В.Я., Рагимова М.М., Халилова В.Дж., Гахраманова.Х. Ф., Бунятова Л.Н.. Биоконверсия растительных отходов ксилотрофными макромицетами выделенных из экологически разных территорий Азербайджана.//Академический журнал Западного Сибира, 2014, т.10, № 4, с.45-46
2. Гахраманова Ф.Х., Гасанова В.Я., Рагимова М.М., Мурадов П.З., Гасанова А.Р. Роль некоторых фенолоксидаз в разложении лигнинового компонента целлюлозосодержащих субстратов.//Сборник научных трудов "Фундаментальные и прикладные проблемы науки". М:РАН, 2014, с.124-130
3. Ермаков А.И. (под. ред.) Методы биохимических исследований растений, Л.: Колос, 1972, 456 с.
4. Клесов А.А. Ферменты целлюлазного комплекса. Проблемы биоконверсии растительного сырья, М.: Наука, 1986. С. 93-136.
5. Лабораторный практикум по технологии ферментных препаратов. М.:Легкая и пищевая промышленность, 1982, 240 с.
6. Мартынов М.В., Вылегжанина К.А. Рентгенография полимеров. Л.: Химия, 1974, 260с.
7. Методы экспериментальной микологии (Под. ред. Билай В.И.) Киев: Наукова думка, 1982, 500с.
8. Мурадов П.З. и др. Ксилотрофные грибы, как активные деструкторы растительных отходов.//Вестник МГОУ, серия «Естественные науки», 2009, №1, с.109-112.
9. Мурадов П.З. Основы биоконверсии растительных субстратов. Баку: Из-во «Элм», 2003, 114с.
10. Синицын А.П., Гусаков А.В., Черноглазов В.М. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. Москва: Изд-во МГУ, 1995, 220с.
11. Шарков В.И., Куйбина Н.И., Соловьев Ю.П., Павлова Т.А. Количественный анализ растительного сырья. Москва: Лесная промышленность, 1976, 72с.
12. Bing X., Bloemhof J.M., Ramos T.R.P. et al. Research challenges in municipal solid waste logistics management.// Waste Manag., 2016, 48:584–592. 
13.  Gupta N., Yadav K.K., Kumar V. A review on current status of municipal solid waste management in India.// J. Environ. Sci. (China), 2015, 37:206–217.
14. Semba R.D.The Rise and Fall of Protein Malnutrition in Global Health.//Ann Nutr Metab., 2016, 69(2):79-88
15. Vitorino de Souza Melaré A., Montenegro González S., Faceli K., Casadei V. Technologies and decision support systems to aid solid-waste management: A systematic review. Waste Manag. 2017;59:567–584.