ТЕРМОФИЛЬНЫЕ АНАЭРОБНЫЕ МИКРОБНЫЕ СООБЩЕСТВА

36
ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 16. ÁÈÎËÎÃÈß. 2012. ¹ 2
ÓÄÊ 579.85:573.6:579.222:579.63
ÒÅÐÌÎÔÈËÜÍÛÅ ÀÍÀÝÐÎÁÍÛÅ ÌÈÊÐÎÁÍÛÅ
ÑÎÎÁÙÅÑÒÂÀ, ÐÀÇËÀÃÀÞÙÈÅ ÖÅËËÞËÎÇÓ
Ñ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅÌ ÌÅÒÀÍÀ (ÁÈÎÃÀÇÀ)
Å.À. Öàâêåëîâà, Ì.À. Åãîðîâà, Å.Â. Ïåòðîâà, À.È. Íåòðóñîâ
(êàôåäðà ìèêðîáèîëîãèè; e-mail: [email protected])
Ðàáîòà ïîñâÿùåíà ïîèñêó àêòèâíûõ àíàýðîáíûõ ìèêðîáíûõ ñîîáùåñòâ, îáðàçóþùèõ
áèîãàç ïðè ðàçëîæåíèè öåëëþëîçû â òåðìîôèëüíûõ óñëîâèÿõ (+55°Ñ). Áûëî èññëåäîâàíî
24 ðàçëè÷íûõ îáðàçöà èç ïðèðîäíûõ è àíòðîïîãåííûõ èñòî÷íèêîâ, ñîäåðæàùèõ èñêîìûå
ìèêðîîðãàíèçìû. Ñ öåëüþ îïòèìèçàöèè óñëîâèé êóëüòèâèðîâàíèÿ áûëà ïîäîáðàíà ïèòàòåëüíàÿ ñðåäà äëÿ ðîñòà è ñåëåêöèè öåëëþëîçîëèòè÷åñêèõ è ìåòàíîãåííûõ ìèêðîîðãàíèçìîâ.
 ïðîöåññå èçó÷åíèÿ äèíàìèêè îáðàçîâàíèÿ áèîãàçà áûëè îòîáðàíû íàèáîëåå ïðîäóêòèâíûå
ñîîáùåñòâà, êîòîðûå ñîõðàíÿëè àêòèâíîñòü íà ïðîòÿæåíèè ïÿòè ïàññàæåé. Ñîñòàâ áèîãàçà
(ìåòàí, óãëåêèñëûé ãàç, âîäîðîä) èññëåäîâàëè ñ ïîìîùüþ ãàçîâîé õðîìàòîãðàôèè. Â öåëîì
ñîäåðæàíèå ìåòàíà â ãàçîâîé ñìåñè äîñòèãàëî 60%. Ìèêðîñêîïè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ ñîîáùåñòâ ïîêàçàëè íàëè÷èå ðàçëè÷íûõ ìîðôîòèïîâ ìèêðîáíûõ êëåòîê, ñîîòíîøåíèå êîòîðûõ
èçìåíÿëîñü ïî ìåðå ñòàáèëèçàöèè ñîîáùåñòâ. Îáñóæäàåòñÿ çíà÷èìîñòü ïðîâîäèìûõ èññëåäîâàíèé ïî òðàíñôîðìàöèè öåëëþëîçû â áèîãàç.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: áèîãàç, ìåòàí, öåëëþëîçà, àíàýðîáíûå ìèêðîáíûå ñîîáùåñòâà, òåðìîôèëüíûå óñëîâèÿ.
Ñîêðàùåíèå çàïàñîâ òðàäèöèîííûõ èñòî÷íèêîâ
ýíåðãèè (íåôòè, óãëÿ, ãàçà è ãîðþ÷èõ ñëàíöåâ), ýêîëîãè÷åñêèå êàòàñòðîôû, ñâÿçàííûå ñ èõ äîáû÷åé è
òðàíñïîðòèðîâêîé, ïðèâîäÿùèå ê ãëîáàëüíûì íàðóøåíèÿì â áàëàíñå ýêîñèñòåìû, à òàêæå ê ÷ðåçìåðíîìó ðàñõîäîâàíèþ ôèíàíñîâûõ ñðåäñòâ íà èñïðàâëåíèå äîïóùåííûõ îøèáîê, îïðåäåëèëè ïîèñêè è
ðàçðàáîòêó ñîâðåìåííûõ áèîòåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, îðèåíòèðîâàííûõ íà àëüòåðíàòèâíûå âîçîáíîâëÿåìûå ñûðüåâûå è ýíåðãåòè÷åñêèå èñòî÷íèêè
[1—3]. Â áèîýíåðãåòèêå èñïîëüçóåòñÿ ïðåæäå âñåãî
òîïëèâî, ïîëó÷åííîå íà îñíîâå òðàíñôîðìàöèè ðÿäà
îðãàíè÷åñêèõ ñóáñòðàòîâ áèîëîãè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ: ïðîäóêöèè è îòõîäîâ ëåñîïîëüçîâàíèÿ è ëåñîïåðåðàáîòêè, îòõîäîâ ñåëüñêîãî õîçÿéñòâà è æèâîòíîâîäñòâà, ðàçëè÷íûõ âèäîâ îðãàíè÷åñêèõ áûòîâûõ
è ïðîìûøëåííûõ îòõîäîâ [4—7]. Òàê, ïîëó÷åíèå âîçîáíîâëÿåìîãî èñòî÷íèêà ýíåðãèè — áèîãàçà (áèîìåòàíà) ïîñðåäñòâîì àíàýðîáíîé ìèêðîáíîé ôåðìåíòàöèè ïðèçíàíî îäíèì èç ñàìûõ ýíåðãåòè÷åñêè
ýôôåêòèâíûõ è ýêîëîãè÷åñêè áåçîïàñíûõ ïóòåé ïðîèçâîäñòâà áèîòîïëèâà. Áèîãàç ñîñòîèò â îñíîâíîì
èç ìåòàíà (55—80% ÑÍ4) è äâóîêèñè óãëåðîäà (20—45%
ÑÎ2) ñ íåêîòîðûìè ñëåäîâûìè êîëè÷åñòâàìè âîäîðîäà è ñåðîâîäîðîäà è íåçíà÷èòåëüíûì ñîäåðæàíèåì àììèàêà, àçîòà, àðîìàòè÷åñêèõ è ãàëîãåííîàðîìàòè÷åñêèõ óãëåâîäîðîäîâ [8—11].  çàâèñèìîñòè
îò ñîäåðæàíèÿ ìåòàíà òåïëîòâîðíàÿ ñïîñîáíîñòü áèîãàçà ñîñòàâëÿåò 4700—6000 êêàë/ì3 [12].
Îäíàêî, íåñìîòðÿ íà òî ÷òî ðåàëèçàöèÿ ìåòàíîâîé ýíåðãåòèêè ñòàíîâèòñÿ â íàøå âðåìÿ âñå áîëåå
àêòóàëüíîé, ïîòåíöèàë òàêèõ ïðîèçâîäñòâ íå èñïîëüçóåòñÿ äîñòàòî÷íî øèðîêî [13]. Ýòî ñâÿçàíî â ïåðâóþ î÷åðåäü ñ òåì, ÷òî ìèêðîáèîëîãè÷åñêèå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â òàêèõ ìèêðîáíûõ ñîîáùåñòâàõ,
äîñòàòî÷íî ñëîæíû è òðåáóþò ïîäðîáíîãî èçó÷åíèÿ
è áîëåå ïîëíîãî ïîíèìàíèÿ. ×àùå âñåãî áèîãàçîâûå
óñòàíîâêè ðàáîòàþò íà îòõîäàõ æèâîòíîâîä÷åñêèõ è
ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûõ ïðîèçâîäñòâ, à òàêæå íà îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâàõ ñòî÷íûõ âîä [14—18]. Öåëüþ
íàñòîÿùåé ðàáîòû áûëî èçó÷åíèå âîçìîæíîñòè ïîëó÷åíèÿ áèîãàçà òåðìîôèëüíûìè (àêòèâíî ôóíêöèîíèðóþùèìè ïðè òåìïåðàòóðå +55°Ñ) ñîîáùåñòâàìè
àíàýðîáíûõ ìèêðîîðãàíèçìîâ, îñóùåñòâëÿþùèìè êîíâåðñèþ öåëëþëîçû â CH4 è CO2. Îñíîâíîé çàäà÷åé
èññëåäîâàíèÿ áûë ïîèñê àêòèâíûõ ìèêðîáíûõ ñîîáùåñòâ, âûäåëåííûõ èç ðÿäà ïðèðîäíûõ ýêîíèø,
è îöåíêà èõ ñïîñîáíîñòè ê ñòàáèëüíîé ïðîäóêöèè
áèîãàçà èç öåëëþëîçû.
Ìàòåðèàëû è ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ
Êóëüòèâèðîâàíèå íàêîïèòåëüíûõ êóëüòóð ñ öåëüþ
âûäåëåíèÿ àêòèâíûõ ñîîáùåñòâ ìèêðîîðãàíèçìîâ—
ïðîäóöåíòîâ áèîãàçà ïðîâîäèëè íà ñðåäå ñëåäóþùåãî ñîñòàâà (ã/ë): K2HPO4 — 1,0; KH2PO4 — 1,0;
NH4Cl — 2,5; MgSO4 · 7H2O — 0,5; CaCl2 · 6H2O —
0,1; NaCl — 0,1; CaCO3 — 1,0; NaHCO3 — 5,0;
äðîææåâîé ýêñòðàêò — 2,0; ïåïòîí — 1,0; ðàñòâîð
ìèêðîýëåìåíòîâ — 1 ìë; ðåçàçóðèí — 0,5 ìã/ë; âîäà
äèñòèëëèðîâàííàÿ — 1000 ìë; ðÍ = 7,0—7,5. Ðàñòâîð ìèêðîýëåìåíòîâ ñîäåðæàë (ìã/ë): ZnCl2 — 70,0;
ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 16. ÁÈÎËÎÃÈß. 2012. ¹ 2
MnCl2 · 4H 2O — 100,0; CoCl2 · 6H 2O — 190,0; H3BO3 —
6,0; Na2MoO4 · 2H2O — 36,0; CuCl2 · 2H2O — 2,0;
NiCl2 · 6H2O — 24,0; Na2WO4 · 2H2O — 15,0;
FeSO4 · 7H2O — 1,0 ã/ë. Ñóëüôàò æåëåçà ïðåäâàðèòåëüíî ðàñòâîðÿëè â 10 ìë 25% HCl; âîäà äèñòèëëèðîâàííàÿ — 990 ìë.  êà÷åñòâå ñóáñòðàòà èñïîëüçîâàëè öåëëþëîçó (ôèëüòðû îáåççîëåííûå ÌÐÒÓ
6-06-2411-65) â êîëè÷åñòâå 15 ã/ë ñðåäû. Ïðåäâàðèòåëüíî öåëëþëîçó íàðåçàëè íà êóñî÷êè 0,5 ñì2.
Äëÿ âûäåëåíèÿ ìèêðîáíûõ ñîîáùåñòâ áûë ïðîèçâåäåí îòáîð îáðàçöîâ ïðîá èç ðàçëè÷íûõ ýêîëîãè÷åñêèõ ïðèðîäíûõ è àíòðîïîãåííûõ íèø (òàáë. 1).
Ïîñåâíîé ìàòåðèàë (30% îò îáùåãî îáúåìà ñðåäû)
âíîñèëè â 30 ìë ïèòàòåëüíîé ñðåäû, ñîäåðæàùåéñÿ âî ôëàêîíàõ íà 100 ìë. Ôëàêîíû ãåðìåòè÷íî
çàêðûâàëè ðåçèíîâîé ïðîáêîé, çàêàòûâàëè àëþìèíèåâûì êîëïà÷êîì è çàìåíÿëè âîçäóøíóþ ãàçîâóþ
ôàçó íà Ar. Êóëüòóðû èíêóáèðîâàëè â òåìíîòå ïðè
òåìïåðàòóðå 55°Ñ (òåðìîôèëüíûå óñëîâèÿ) â òåðìîñòàòå (Binder BD 115, Ãåðìàíèÿ). Õðàíåíèå êóëüòóð îñóùåñòâëÿëè â 25%-ì ãëèöåðîëå â àíàýðîáíûõ
óñëîâèÿõ ïðè –20°Ñ.
Àêòèâíîñòü ìèêðîáíîãî ñîîáùåñòâà îïðåäåëÿëè
ïî ïðèðîñòó ìåòàíà â ãàçîâîé ôàçå è ïî ñòåïåíè
äåñòðóêöèè ñóáñòðàòà. Ïðè ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîì
ðàçëîæåíèè ñóáñòðàòà è îêîí÷àíèè îáðàçîâàíèÿ ãàçîîáðàçíûõ ïðîäóêòîâ âî ôëàêîíàõ îñóùåñòâëÿëè
ïåðåñåâ êóëüòóð â ñâåæóþ ñðåäó. Ïðîäóêòû êóëüòèÒàáëèöà 1
Èñòî÷íèêè ïîñåâíîãî ìàòåðèàëà
¹
Íàçâàíèÿ ìåñòà (èñòî÷íèêà) îòáîðà ïðîá
1
2
3
4
5
6
Êîìïîñòíàÿ êó÷à ¹ 1 (Ìîñêîâñêàÿ îáë.)
Êîìïîñòíàÿ êó÷à ¹ 2 (Ìîñêîâñêàÿ îáë.)
Æîì êðàñíîãî âèíîãðàäà (Äàãåñòàí)
Æîì áåëîãî âèíîãðàäà (Äàãåñòàí)
Ïîìåò êðîëèêà (Ìîñêîâñêàÿ îáë.)
Íàâîç êðóïíîãî ðîãàòîãî ñêîòà (ÊÐÑ) ¹ 1 (Ìîñêîâñêàÿ îáë.)
Íàâîç ÊÐÑ ¹ 2 (Ìîñêîâñêàÿ îáë.)
Ïðîáû èç ïðåñíîâîäíûõ òåðìîôèëüíûõ âîäîåìîâ (ÏÏÒÂ)
Êàì÷àòêè ¹ 21
ÏÏÒ Êàì÷àòêè ¹ 23
ÏÏÒ Êàì÷àòêè ¹ 20
ÏÏÒ Êàì÷àòêè ¹ 22
ÏÏÒ Êàì÷àòêè ¹ 19
ÏÏÒ Êàì÷àòêè ¹ 17
Èëîâûå îòëîæåíèÿ ¹ 1 (Òâåðñêàÿ îáë.)
Äîííûå îñàäêè ïðóäà ¹ 1 (Òâåðñêàÿ îáë.)
Èëîâûå îòëîæåíèÿ ¹ 2 (Òâåðñêàÿ îáë.)
Äîííûå îñàäêè ïðóäà ¹ 2 (Òâåðñêàÿ îáë.)
Èëîâûå îòëîæåíèÿ ¹ 3 (Òâåðñêàÿ îáë.)
Íàâîç çåáðû (Çîîïàðê, Ìîñêâà)
Íàâîç ïîíè (Çîîïàðê, Ìîñêâà)
Íàâîç àíòèëîïû ãíó (Çîîïàðê, Ìîñêâà)
Íàâîç ÷åðíîé àíòèëîïû (Çîîïàðê, Ìîñêâà)
Íàâîç ñëîíà (Çîîïàðê, Ìîñêâà)
Êîïðîëèòû äîæäåâûõ ÷åðâåé (Áîòàíè÷åñêèé ñàä, Ìîñêâà)
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
37
âèðîâàíèÿ îïðåäåëÿëè ñ ïîìîùüþ ìåòîäîâ õðîìàòîãðàôèè. Ñòàáèëüíîñòü âûáðàííûõ ñîîáùåñòâ ïðîâåðÿëè ïóòåì íåîäíîêðàòíûõ ïåðåñåâîâ íà ñâåæóþ
ïèòàòåëüíóþ ñðåäó ñ ñîõðàíåíèåì èñõîäíûõ ïàðàìåòðîâ áèîëîãè÷åñêîé àêòèâíîñòè. Îïðåäåëåíèå êîíöåíòðàöèé ÑÍ4, ÑÎ2 è Í2 îñóùåñòâëÿëè ìåòîäîì
ãàçîâîé õðîìàòîãðàôèè íà õðîìàòîãðàôå Êðèñòàëë
2000 Ì (Õðîìàòýê, ÐÔ), îñíàùåííîì ìèêðîêàïèëëÿðíîé êîëîíêîé FFIP (15 000 ½ 0,5 ìì), ãàç-íîñèòåëü — àðãîí, ðàñõîä 15 ìë/ìèí, äåòåêòîð — ÏÈÄ,
òåìïåðàòóðà äåòåêòîðà 200°Ñ, òåìïåðàòóðíûé ãðàäèåíò â òåðìîñòàòå îò 70 äî 160°Ñ. Ðåçóëüòàòû õðîìàòîãðàôèè îáðàáàòûâàëè ñ ïîìîùüþ ïðîãðàììíîãî
îáåñïå÷åíèÿ Chromatec Analytic 2.5 (ÐÔ).
Àêòèâíîñòü ãàçîîáðàçîâàíèÿ îöåíèâàëè, èçìåðÿÿ èçáûòî÷íîå äàâëåíèå â ãåðìåòè÷íî çàêðûòûõ
ôëàêîíàõ ñ êóëüòèâèðóåìûì ñîîáùåñòâîì. Êîíöåíòðàöèþ èíäèâèäóàëüíîãî ãàçà â ñìåñè îïðåäåëÿëè
ïî ôîðìóëå:
À = (SVãàçà/SVñìåñè) · 100,
ãäå SVãàçà — ñóììàðíûé îáúåì èíäèâèäóàëüíîãî ãàçà,
îïðåäåëÿåìûé ñ ó÷åòîì ïîòåðü ïðè îòáîðå ïðîá äëÿ
õðîìàòîãðàôè÷åñêîãî îïðåäåëåíèÿ ñîñòàâà ãàçîâîé
ñìåñè, SVñìåñè — ñóììàðíûé îáúåì ñìåñè ãàçîâ,
îáðàçîâàâøèõñÿ çà ïåðèîä êóëüòèâèðîâàíèÿ, òàêæå
ñ ó÷åòîì ïîòåðü.
Vãàçà ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ (ð = 1 àòì, t =
= 273,15 Ê = 0°Ñ) îïðåäåëÿëè, èñïîëüçóÿ óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ èäåàëüíîãî ãàçà — óðàâíåíèå Êëàïåéðîíà—Ìåíäåëååâà, óñòàíàâëèâàþùåå çàâèñèìîñòü
ìåæäó äàâëåíèåì, ìîëÿðíûì îáúåìîì è àáñîëþòíîé òåìïåðàòóðîé èäåàëüíîãî ãàçà.  ñëó÷àå ïîñòîÿííîé ìàññû ãàçà óðàâíåíèå ìîæíî çàïèñàòü â âèäå
p · V/Ò = const.
Vãàçà = (p · Vô · Tíó · a)/(píó · T · 100),
ãäå à — êîíöåíòðàöèÿ ãàçà, èçìåðåííàÿ íà õðîìàòîãðàôå (%), ð — äàâëåíèå âî ôëàêîíå (áàð), píó —
äàâëåíèå ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ, Ò — òåìïåðàòóðà êóëüòèâèðîâàíèÿ,Tíó — òåìïåðàòóðà ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ, Vô — îáúåì ãàçîâîé ôàçû âî
ôëàêîíå ñ êóëüòèâèðóåìûì ñîîáùåñòâîì. Èñïîëüçóÿ
ñëåäñòâèå èç çàêîíà Àâîãàäðî (ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ îäèí ìîëü ëþáîãî ãàçà çàíèìàåò îáúåì, ðàâíûé 22,4 ë), ìîæíî îïðåäåëèòü êîëè÷åñòâî âåùåñòâà (ìîëè) ñèíòåçèðîâàííîãî ãàçà n = Vãàçà/22,4.
Äëÿ íàáëþäåíèÿ çà ñîñòàâîì ìèêðîáíûõ ñîîáùåñòâ è èçìåíåíèÿìè, ïðîèñõîäÿùèìè â ïðîöåññå
êóëüòèâèðîâàíèÿ ìèêðîîðãàíèçìîâ, òàêæå èñïîëüçîâàëè îïòè÷åñêèé ìèêðîñêîï Nikon Eclipse Å100
ñ ôîòîíàñàäêîé DS-Fi1 (Nikon, Ãåðìàíèÿ). Äëÿ ýòîãî ãîòîâèëè ôèêñèðîâàííûå îêðàøåííûå ïðåïàðàòû
ñîîáùåñòâ: àëèêâîòó â 100 ìêë îòáèðàëè ñòåðèëüíûì
øïðèöåì, íàíîñèëè íà ïëîùàäü 1,5 ñì2 ïðåäìåòíîãî ñòåêëà, âûñóøèâàëè, òåðìè÷åñêè ôèêñèðîâàëè
38
ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 16. ÁÈÎËÎÃÈß. 2012. ¹ 2
è îêðàøèâàëè âîäíûì ðàñòâîðîì ôóêñèíà â òå÷åíèå
3 ìèí. Ïðåïàðàòû ðàññìàòðèâàëè ïîä èììåðñèîííûì ìàñëîì ïðè óâåëè÷åíèè ½900. Âñå ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëè â òðåõ—ïÿòè ïîâòîðíîñòÿõ.
Ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèå
Îñíîâíîé îñîáåííîñòüþ àíàýðîáíîãî ïðåâðàùåíèÿ öåëëþëîçû â ìåòàí ÿâëÿåòñÿ ñëîæíàÿ ñòðóêòóðà ó÷àñòâóþùèõ â òàêèõ ïðåâðàùåíèÿõ ìèêðîáíûõ ñîîáùåñòâ, ñêëàäûâàþùàÿñÿ â ñâîåîáðàçíóþ
“ïèùåâóþ öåïü”. Ìèêðîáíûå ïîïóëÿöèè, àíàýðîáíî
ïðåîáðàçóþùèå öåëëþëîçó â ìåòàí, òàêñîíîìè÷åñêè ðàçíîîáðàçíû, ðàçëè÷àþòñÿ â ïñèõðîôèëüíûõ,
ìåçîôèëüíûõ è òåðìîôèëüíûõ ìåñòîîáèòàíèÿõ, îäíàêî ïðîâîäÿò â îñíîâíîì îäíè è òå æå ðåàêöèè
[19—21]. Òåñíûå âçàèìîîòíîøåíèÿ âíóòðè ìèêðîáíîãî ñîîáùåñòâà áàçèðóþòñÿ ïðåæäå âñåãî íà ïèùåâûõ ïîòðåáíîñòÿõ, ñêëàäûâàþùèõñÿ âíóòðè öåïè,
êîãäà ïðîäóêòû îäíèõ ïðîöåññîâ ñòàíîâÿòñÿ ñóáñòðàòàìè äëÿ äðóãèõ áåç çíà÷èòåëüíîãî íàêîïëåíèÿ
ïðîìåæóòî÷íûõ ñîåäèíåíèé, ÷àñòî ÿâëÿþùèõñÿ òîêñè÷íûìè äàæå äëÿ îðãàíèçìîâ, èõ ïîòðåáëÿþùèõ,
åñëè èõ êîíöåíòðàöèè ïðåâûñÿò êðèòè÷åñêèå [22].
Ïðè ðàçëîæåíèè öåëëþëîçû ïîñëå äåéñòâèÿ ãèäðîëèòèêîâ è áðîäèëüùèêîâ ñðåäè îñíîâíûõ ïðîäóêòîâ îáíàðóæèâàþòñÿ ëåòó÷èå æèðíûå êèñëîòû (ËÆÊ),
ñïèðòû, âîäîðîä è óãëåêèñëûé ãàç, ñèíòðîôíûå áàêòåðèè ñïîñîáíû ïðåâðàùàòü ËÆÊ è ñïèðòû â àöåòàò, CO2 è H2. Íà çàêëþ÷èòåëüíîì ýòàïå ìåòàíîãåíû
èç ýòèõ ïðîäóêòîâ îáðàçóþò áèîãàç. Ïðè ýòîì áûñòðîå è áåñïðåïÿòñòâåííîå ïðîòåêàíèå îáùåãî ïðîöåññà çàâèñèò îò ýôôåêòèâíîãî óäàëåíèÿ îáðàçóþùåãîñÿ íà ïåðâîé ñòàäèè âîäîðîäà ãèäðîãåíîòðîôíûìè
ìåòàíîãåíàìè — åäèíñòâåííûìè îðãàíèçìàìè ñèñòåìû, ñïîñîáíûìè àíàýðîáíî óäàëÿòü âîäîðîä äëÿ
âîññòàíîâëåíèÿ ÑÎ2 â ìåòàí.
Äëÿ âûäåëåíèÿ àêòèâíûõ ñîîáùåñòâ ìèêðîîðãàíèçìîâ, îáðàçóþùèõ áèîãàç, íàìè áûëè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòû ïî ïîäáîðó îïòèìàëüíîé ñðåäû
êóëüòèâèðîâàíèÿ àíàýðîáíûõ ìèêðîáíûõ êîíñîðöèóìîâ. Òàêæå ó÷èòûâàëè òîò ôàêò, ÷òî âûáðàííàÿ
ñðåäà íå äîëæíà ñîäåðæàòü äîðîãîñòîÿùèõ êîìïîíåíòîâ è áûòü îïòèìàëüíîé äëÿ êóëüòèâèðîâàíèÿ
ìèêðîîðãàíèçìîâ, âûäåëåííûõ èç ðàçëè÷íûõ ýêîëîãè÷åñêèõ íèø. Äëÿ ýòîãî áûëè ïðîàíàëèçèðîâàíû
íåñêîëüêî òèïîâ ïèòàòåëüíûõ ñðåä èçâåñòíîãî ñîñòàâà, èñïîëüçóåìûõ äëÿ âûäåëåíèÿ è êóëüòèâèðîâàíèÿ àíàýðîáíûõ öåëëþëîçîëèòèêîâ è ìåòàíîãåíîâ
[23—26]. Òàêèì îáðàçîì, â êà÷åñòâå óíèâåðñàëüíîé
ïèòàòåëüíîé ñðåäû áûëà ðàçðàáîòàíà ìîäèôèöèðîâàííàÿ ñðåäà, êîòîðàÿ óäîâëåòâîðÿëà áû ïîòðåáíîñòÿì âñåõ îñíîâíûõ ãðóïï ìèêðîîðãàíèçìîâ, îñóùåñòâëÿþùèõ ïðîöåññ ïðåâðàùåíèÿ öåëëþëîçû â ìåòàí: ãèäðîëèòèêîâ, ñèíòðîôîâ è ìåòàíîãåíîâ. Äëÿ
êóëüòèâèðîâàíèÿ ñîîáùåñòâ áûëè âûáðàíû òåðìîôèëüíûå óñëîâèÿ ñ òåìïåðàòóðîé +55°Ñ, òàê êàê
èçâåñòíî, ÷òî ïðåèìóùåñòâàìè òàêîãî ïðîöåññà ïîìèìî îáðàçîâàíèÿ áèîãàçà ÿâëÿþòñÿ áîëåå ïîëíûé
ãèäðîëèç ñóáñòðàòà, îòíîñèòåëüíî íåçíà÷èòåëüíîå îáðàçîâàíèå ìèêðîáíîé áèîìàññû, êîòîðóþ ìîæíî çàòåì èñïîëüçîâàòü äëÿ óäîáðåíèé, à òàêæå âîçìîæíîñòü ñàíèòàðíîé îáðàáîòêè ìàòåðèàëà (óíè÷òîæåíèå
ïàòîãåííûõ ìèêðîîðãàíèçìîâ è ëè÷èíîê ãåëüìèíòîâ), [3, 27—31].
Ñåëåêöèþ è âûäåëåíèå ìèêðîáíûõ ñîîáùåñòâ,
îáðàçóþùèõ ìàêñèìàëüíîå êîëè÷åñòâî ìåòàíà, ïðîâîäèëè íà îñíîâå îöåíêè êîíöåíòðàöèè ìåòàáîëèòîâ (ìåòàí, óãëåêèñëûé ãàç) ñ ïîìîùüþ ãàçîâîé
õðîìàòîãðàôèè. Íåìàëîâàæíûì ôàêòîðîì â áèîòåõíîëîãèè ÿâëÿåòñÿ ñòàáèëüíàÿ àêòèâíîñòü ðàáîòàþùèõ ñîîáùåñòâ ìèêðîîðãàíèçìîâ. Ïîýòîìó êàæäîå
îòîáðàííîå ñîîáùåñòâî ïðîâåðÿëè íà ñîõðàíåíèå
èñõîäíûõ ïàðàìåòðîâ âûõîäà áèîãàçà â òå÷åíèå íåñêîëüêèõ ïåðåñåâîâ. Ïîñêîëüêó ïðîöåññ ìåòàíîãåíåçà ÿâëÿåòñÿ çàêëþ÷èòåëüíûì â öåïî÷êå ïðåâðàùåíèé
îðãàíè÷åñêîãî ñûðüÿ ïîä âîçäåéñòâèåì áèîëîãè÷åñêîé äåñòðóêöèè ìèêðîîðãàíèçìîâ, äëÿ ïîëíîãî
èññëåäîâàíèÿ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ â âûáðàííîì ñîîáùåñòâå, â ðÿäå ñëó÷àåâ òðåáîâàëîñü íå ìåíåå 25 ñóò êóëüòèâèðîâàíèÿ â òå÷åíèå îäíîãî ïàññàæà (ðèñ. 1, 2). Èç 24 èññëåäîâàííûõ êóëüòóð áûëè
îòîáðàíû íàèáîëåå ïðîäóêòèâíûå ñîîáùåñòâà, êîòîðûå áûëè èñïîëüçîâàíû äëÿ ïîñëåäóþùèõ ïåðåñåâîâ (òàáë. 1).
 îñíîâíîì ñîîáùåñòâà, óñïåøíî òðàíñôîðìèðóþùèå öåëëþëîçó â áèîãàç, áûëè âûäåëåíû èç íàâîçà òðàâîÿäíûõ æèâîòíûõ. Âûáðàííûå àíàýðîáíûå
ìèêðîáíûå ñîîáùåñòâà îòëè÷àëèñü âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòüþ êîíâåðñèè öåëëþëîçû â ìåòàí (â ñðåäíåì
îêîëî 15 ììîëüÑÍ4/ã ñóáñòðàòà) è îòëè÷àëèñü óñòîé÷èâûì îáðàçîâàíèåì áèîãàçà íà ïðîòÿæåíèè 5 ïåðåñåâîâ (áîëåå ïîëóãîäà êóëüòèâèðîâàíèÿ). Ïî ìåðå
Ðèñ. 1. Äèíàìèêà îáðàçîâàíèÿ ìåòàíà ñîîáùåñòâàìè ¹ 1—12
(1-é ïàññàæ), âûðàùåííûõ â òåðìîôèëüíûõ óñëîâèÿõ. Äàííûå
ïðåäñòàâëåíû ñðåäíèì àðèôìåòè÷åñêèì èç 3—5 ïîâòîðíîñòåé; âàðèàáåëüíîñòü çíà÷åíèé âíóòðè ýêñïåðèìåíòà íå ïðåâûøàëà 10%
ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 16. ÁÈÎËÎÃÈß. 2012. ¹ 2
Ðèñ. 2. Äèíàìèêà îáðàçîâàíèÿ ìåòàíà ñîîáùåñòâàìè ¹ 13—24
(1-é ïàññàæ), âûðàùåííûõ â òåðìîôèëüíûõ óñëîâèÿõ. Äàííûå
ïðåäñòàâëåíû ñðåäíèì àðèôìåòè÷åñêèì èç 3—5 ïîâòîðíîñòåé; âàðèàáåëüíîñòü çíà÷åíèé âíóòðè ýêñïåðèìåíòà íå ïðåâûøàëà 10%
39
ñòàáèëèçàöèè áîëüøèíñòâà ñîîáùåñòâ ïðîèñõîäèëî
óâåëè÷åíèå ïðîäóêöèè CH4 â ñîñòàâå áèîãàçà (òàáë. 2).
Ñîîáùåñòâà ¹ 1, 2 è 16, êîòîðûå ïîêàçàëè íåçíà÷èòåëüíîå óñèëåíèå îáðàçîâàíèÿ áèîãàçà ïîñëå âòîðîãî ïåðåñåâà, äàëåå íå èçó÷àëèñü. Íà ïðîòÿæåíèè
âñåãî èññëåäîâàíèÿ êóëüòóðû ¹ 23 è ¹ 24 äîñòèãàëè ñâîåãî êîíå÷íîãî çíà÷åíèÿ ïî âûõîäó ìåòàíà
íå ðàíåå, ÷åì ÷åðåç 36—40 äíåé êóëüòèâèðîâàíèÿ
(äàííûå íå ïðåäñòàâëåíû), â òî âðåìÿ êàê äðóãèå
èññëåäîâàííûå ñîîáùåñòâà áîëåå àêòèâíî ïîòðåáëÿëè ñóáñòðàò è ïåðåâîäèëè åãî â ìåòàí çà 18—25 ñóò.
 öåëîì â ïðîöåññå êóëüòèâèðîâàíèÿ íà ìîäèôèöèðîâàííîé ñðåäå ñ èñòî÷íèêîì óãëåðîäà — öåëëþëîçîé — ñîîáùåñòâà âûðàáàòûâàëè äî 60% ìåòàíà,
÷òî óäîâëåòâîðÿåò ñîâðåìåííûì òðåáîâàíèÿì ïî ìèêðîáíîé ïðîäóêöèè áèîãàçà. Ïðè ýòîì ñîäåðæàùèéñÿ
â ãàçîâîé ñìåñè óãëåêèñëûé ãàç, èìåþùèé áèîëîãè÷åñêîå ïðîèñõîæäåíèå, òàêæå ìîæåò íàéòè ïðèìåíåíèå â ïèùåâîé ïðîìûøëåííîñòè (äëÿ âûðàáîòêè
ñóõîãî ëüäà èëè ãàçèðîâàíèÿ íàïèòêîâ). Ñîäåðæàíèå
âîäîðîäà íà êîíåö êóëüòèâèðîâàíèÿ íå ïðåâûøàëî
äåñÿòûõ äîëåé ïðîöåíòà, à â ïîäàâëÿþùåì áîëüøèíñòâå îáðàçöîâ ðàâíÿëîñü íóëþ, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò
î ñáàëàíñèðîâàííîì ïðîöåññå àíàýðîáíîãî ïðåâðàÒàáëèöà 2
Ñâîäíûå äàííûå ïî îáðàçîâàíèþ ìåòàíà ìèêðîáíûìè ñîîáùåñòâàìè
¹ ïðîáû
1-é ïàññàæ
2-é ïàññàæ
3-é ïàññàæ
4-é ïàññàæ
5-é ïàññàæ
27,5
38,8
—
—
—
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
41,2
73,4
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
2,7
4,9
ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
24,7
41,8
—
—
—
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
36,8
46,5
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
2,4
3,1
ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
51,1
39,6
59,7
56,7
53,5
124,9
75,2
249,9
221,6
248,6
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
8,3
5,0
16,7
14,8
16,6
ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
32,4
47,0
34,3
61,5
47,5
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
47,3
153,2
60,3
205,4
158,2
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
3,1
10,2
4,0
13,7
10,5
ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
49,2
51,3
56,6
56,1
56,3
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
219,2
180,7
175,9
128,4
246,3
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
14,6
12,0
11,7
8,6
16,4
ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
43,3
35,2
32,5
59,8
53,9
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
69,4
74,9
67,8
237,2
22,9
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
4,6
5,0
4,5
15,8
16,2
16 ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
26,8
31,0
—
—
—
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
14,7
86,3
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
1,0
5,7
1
2
3
ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
4
6
7
40
ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 16. ÁÈÎËÎÃÈß. 2012. ¹ 2
Îêîí÷àíèå òàáë. 2
¹ ïðîáû
1-é ïàññàæ
2-é ïàññàæ
3-é ïàññàæ
4-é ïàññàæ
5-é ïàññàæ
17 ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
22,5
50,8
52,5
50,1
54,3
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
24,8
187,1
159,4
133,5
271,7
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
1,6
12,5
10,6
8,9
18,2
18 ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
20,7
43,8
59,4
55,2
54,0
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
17,1
84,7
247,9
230,7
247,3
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
1,1
5,6
16,5
15,4
16,5
19 ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
56,1
53,9
55,9
52,9
56,1
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
288,1
256,3
247,5
222,7
172,6
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
19,2
17,1
16,5
14,8
11,5
20 ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
50,7
59,9
57,2
53,2
51,9
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
241,8
229,7
258,2
225,9
167,9
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
16,1
15,3
17,2
15,1
11,2
21 ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
54,5
59,0
55,2
53,6
58,4
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
225,4
258,2
270,3
213,8
233,8
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
15,0
17,2
18,0
14,2
15,6
22 ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
54,8
53,7
53,9
61,5
56,6
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
340,1
251,9
237,3
215,7
200,5
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
22,7
16,8
15,8
14,4
13,4
23 ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
49,3
61,5
55,9
52,6
—
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
206,5
209,6
263,9
252,8
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
13,8
13,9
17,6
16,9
24 ÑÍ4 (ñóììàðíîå ñîäåðæàíèå, %)
59,0
57,9
54,5
47,6
ììîëüÑÍ4/ë ñðåäû
312,6
193,5
213,9
259,3
ììîëüÑÍ4/ã öåëëþëîçû
20,8
12,9
14,3
17,3
—
Ïðèìå÷åíèå. Äàííûå ïðåäñòàâëåíû ñðåäíèì àðèôìåòè÷åñêèì èç 3—5 ïîâòîðíîñòåé; âàðèàáåëüíîñòü çíà÷åíèé âíóòðè ýêñïåðèìåíòà íå ïðåâûøàëà 5—10%.
ùåíèÿ óãëåðîäà â ìåòàí è àêòèâíîé ðàáîòå ñèíòðîôíûõ ìèêðîîðãàíèçìîâ. Õîòÿ öåëëþëîçà è ãåìèöåëëþëîçà ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè êîìïîíåíòàìè
ðàñòèòåëüíîé áèîìàññû, êîòîðûå ïîäâåðãàþòñÿ ìèêðîáíîé òðàíñôîðìàöèè â ìåòàí, ïîëó÷åíèå áèîãàçà
ñ âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòüþ èç ýòèõ ñóáñòðàòîâ ïðåäñòàâëÿåòñÿ çàòðóäíèòåëüíûì [32], ïîñêîëüêó èñõîäíîå
ðàñòèòåëüíîå ñûðüå íåîáõîäèìî ïîäâåðãíóòü ïðåäâàðèòåëüíîé îáðàáîòêå äëÿ òîãî, ÷òîáû ñäåëàòü åãî
äîñòóïíûì äëÿ ìèêðîáíîãî ðàçëîæåíèÿ. Â òî æå
âðåìÿ áóìàãà è êàðòîí, êîòîðûå ñîñòàâëÿþò áîëüøóþ ÷àñòü ãîðîäñêèõ òâåðäûõ îòõîäîâ, ÿâëÿþòñÿ õîðîøèì ìàòåðèàëîì, ïîäâåðãàþùèìñÿ áèîäåãðàäàöèè [33]. Ïðè ýòîì àíàýðîáíûå ñïîñîáû ïåðåðàáîòêè áîëåå ïðåäïî÷òèòåëüíû, òàê êàê êîìïîñòèðîâàíèå
õàðàêòåðèçóåòñÿ î÷åíü äëèòåëüíûì ïåðèîäîì áèîðàñùåïëåíèÿ.
Ðàçëè÷èÿ â ñîñòàâå ìèêðîáíûõ ñîîáùåñòâ êàê
ìåæäó êóëüòóðàìè, âûäåëåííûìè èç ðàçëè÷íûõ èñòî÷íèêîâ, òàê è ìåæäó íà÷àëüíûìè è êîíå÷íûìè
ýòàïàìè (ïàññàæàìè) ñåëåêöèè ñîîáùåñòâ áûëè çàôèêñèðîâàíû ïðè ìèêðîñêîïè÷åñêîì èññëåäîâàíèè
ïðåïàðàòîâ (ðèñ. 3, 4). Òàê, ìèêðîîðãàíèçìû ïðåäñòàâëåíû ðàçëè÷íûìè ôîðìàìè: êîðîòêèìè è äëèííûìè ïàëî÷êàìè, êîêêàìè, ìèêðîîðãàíèçìàìè íåïðàâèëüíîé ôîðìû (èçîãíóòûìè ôîðìàìè), áîëüøèì
êîëè÷åñòâîì ñïîð (ïðåèìóùåñòâåííî êëîñòðèäèàëüíîãî òèïà ñïîðîíîøåíèÿ), ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î ïðèñóòñòâèè Clostridium spp., êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ èçâåñòíûìè àêòèâíûìè öåëëþëîçîëèòèêàìè è èãðàþò îäíó
èç ãëàâåíñòâóþùèõ ðîëåé â àíàýðîáíîì ðàçëîæåíèè
öåëëþëîçû. Èçâåñòíî, ÷òî ìåòàíîãåííîå ñîîáùåñòâî — ýòî òèïè÷íûé ïðèìåð ñèíòðîôèçìà, ãäå ïàðòíåðû ïî÷òè ïîëíîñòüþ çàâèñÿò äðóã îò äðóãà [15].
Òàêèå êîíñîðöèóìû ìîãóò âêëþ÷àòü â ñåáÿ äî 60 ðàçëè÷íûõ âèäîâ áàêòåðèé è àðõåé, ðàçâèâàþùèõñÿ â
àíàýðîáíûõ óñëîâèÿõ, ÷üå âçàèìîäåéñòâèå îñíîâûâàåòñÿ íà òðîôè÷åñêîé âçàèìîñâÿçè, îáìåíå ôàêòîðàìè ðîñòà, âîçäåéñòâèè ôèçèîëîãè÷åñêè àêòèâíûõ
âåùåñòâ [22, 34].
ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 16. ÁÈÎËÎÃÈß. 2012. ¹ 2
41
Ðèñ. 3. Àíàýðîáíîå ñîîáùåñòâî ¹ 3 (4-é ïàññàæ). Ðàçíîáðàçèå
ìîðôîòèïîâ ìèêðîáíûõ êëåòîê, âõîäÿùèõ â ñîîáùåñòâî
Òàêèì îáðàçîì, â äàííîé ðàáîòå áûë ïðîâåäåí
ñêðèíèíã è îòîáðàíû òåðìîôèëüíûå àíàýðîáíûå ìèêðîáíûå ñîîáùåñòâà, ñïîñîáíûå ðàçëàãàòü öåëëþëîçó
ñ îáðàçîâàíèåì áèîãàçà; áûëà ïîäîáðàíà îïòèìàëüíàÿ
ñðåäà êóëüòèâèðîâàíèÿ; ïîñëå îïðåäåëåíèÿ íàèáîëåå ýôôåêòèâíûõ ñîîáùåñòâ — ïðîäóöåíòîâ ìåòàíà
áûëè îòîáðàíû íàèáîëåå ñòàáèëüíûå êîíñîðöèóìû,
ñîõðàíÿþùèå àêòèâíîñòü â òå÷åíèå áîëåå 6 ìåñ. Ìèêðîñêîïè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ ïîçâîëèëè îáíàðóæèòü
ðàçíîîáðàçèå ìèêðîîðãàíèçìîâ, âõîäÿùèõ â ýòè ñîîáùåñòâà. Ïëàíèðóåòñÿ äàëüíåéøåå èçó÷åíèå è èäåíòèôèêàöèÿ âõîäÿùèõ â èññëåäóåìûå ñîîáùåñòâà ìèêðîîðãàíèçìîâ ñ ïðèìåíåíèåì ìåòîäîâ DGGE äëÿ
Ðèñ. 4. Àíàýðîáíîå ñîîáùåñòâî ¹ 4 (1-é ïàññàæ). Ìèêðîáíûå
êëåòêè (â òîì ÷èñëå ñ òåðìèíàëüíûìè ñïîðàìè), îáúåäèíÿþùèåñÿ âîêðóã âîëîêíà öåëëþëîçû
îïðåäåëåíèå âêëàäà êàæäîãî ó÷àñòíèêà ñîîáùåñòâà
â ðàçëîæåíèå öåëëþëîçû ñ îáðàçîâàíèåì ìåòàíà.
* * *
Àâòîðû âûðàæàþò áëàãîäàðíîñòü çà ïðåäîñòàâëåíèå ãðàíòà ÔÖÏ “Íàó÷íûå è íàó÷íî-ïåäàãîãè÷åñêèå
êàäðû èííîâàöèîííîé Ðîññèè” íà 2009—2013 ãîäû;
ÃÊ ¹ Ï2470.
ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ
1. Abelson H.P. Renewable liquid fuels // Science. 1995.
Vol. 268. P. 955.
2. Claassen P.A.M., de Vrije T. Non-thermal production of pure hydrogen from biomass: HYVOLUTION // Int.
J. Hydrogen Energy. 2006. Vol. 31. P. 1416—1423.
3. Boerjesson P., Mattiasson B. Biogas as a resource-efficient vehicle fuel // Trends Biotechnol. 2008. Vol. 26. P. 7—13.
4. Êàëþæíûé Ñ.Â., Äàíèëîâè÷ Ä.À., Íîæåâíèêîâà À.Í.
Àíàýðîáíàÿ áèîëîãè÷åñêàÿ î÷èñòêà ñòî÷íûõ âîä // Èòîãè
íàóêè è òåõíèêè. Ñåð. Áèîòåõíîëîãèÿ. 1991. Ò. 29. 156 c.
5. Íîæåâíèêîâà À.Í., Ëåáåäåâ Â.Ñ., Çàâàðçèí Ã.À.,
Èâàíîâ Ä.Â., Íåêðàñîâà Â.Ê., Ëèôøèö À.Â. Îáðàçîâàíèå,
îêèñëåíèå è ýìèññèÿ áèîãàçà íà îáúåêòàõ çàõîðîíåíèÿ
áûòîâûõ îòõîäîâ // Æóðí. îáù. áèîë. 1993. ¹ 4. Ñ. 168—183.
6. Hall D.O., Scrase J.I. Will biomass be the environmentally friendly fuel of the future? // Biomass and Bioenergy. 1998. Vol. 15. ¹ 4. P. 357—367.
7. Rice W. Hydrogen production from methane hydrate
with sequestering of carbon dioxide // Int. J. Hydrogen Energy. 2006. Vol. 31. P. 1955—1963.
8. Êàëþæíûé Ñ.Â., Ïóçàíêîâ À.Ã., Âàðôîëîìååâ Ñ.Ä.
Áèîãàç: ïðîáëåìû è ðåøåíèÿ // Èòîãè íàóêè è òåõíèêè.
Áèîòåõíîëîãèÿ. 1988. Ò. 21. 177 c.
9. Kapdi S.S., Vijay V.K., Rajesh S.K., Prasad R. Biogas
scrubbing, compression and storage: perspective and prospectus in Indian context // Renew. Energy. 2005. Vol. 30.
P. 1195—1202.
10. Âàñèëîâ Ð.Ã. Ïåðñïåêòèâû ðàçâèòèÿ ïðîèçâîäñòâà
áèîòîïëèâà â Ðîññèè. Ñîîáùåíèå 3: áèîãàç // Âåñòíèê áèîòåõíîëîãèè è ôèçèêî-õèìè÷åñêîé áèîëîãèè èì. Þ.À. Îâ÷èííèêîâà. 2007. Ò. 3. ¹ 3. Ñ. 54—61.
11. Vindis P., Mursec B., Rozman C., Janzekovic M.,
Cus F. Mini digester and biogas production from plant biomass // J. Achiev. Mater. Manuf. Eng. 2009. Vol. 35. P. 191—196.
12. Angelidaki I., Ahring B.K. Thermophilic anaerobic
digestion of livestock wastes: the effect of ammonia // Appl.
Microbiol. Biotechnol. 1993. Vol. 38. P. 560—564.
13. Lübken M., Gehring T., Wichern M. Microbiological fermentation of lignocellulosic biomass: current state and
prospects of mathematical modeling // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010. Vol. 85. P. 1643—1652.
14. Pillay V.L., Townsen B., Buckley C.A. Improving
the performance of anaerobic digesters at wastewater treatment works: The coupled cross-flow microfiltration/digester
process // Wat. Sci. Techn. 1994. Vol. 30. P. 329—337.
15. Schink B. Energetics of syntrophic cooperation in methanogenic degradation // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1997.
Vol. 61. P. 262—280.
16. Chan A.S.K., Parkin T.B. Methane oxidation and
production activity in soils from natural and agricultural ecosystems // J. Environ. Qual. 2001. Vol. 30. P. 1896—1903.
17. Ueno Y., Sasaki D., Fukui H., Haruta S., Ishii M.,
Igarashi Y. Changes in bacterial community during fermentative hydrogen and acid production from organic waste by
42
ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 16. ÁÈÎËÎÃÈß. 2012. ¹ 2
thermophilic anaerobic microflora // J. Appl. Microbiol. 2006.
Vol. 101. P. 331—343.
18. Farhadian M., Borghei M., Umrania V.V. Treatment
of beet sugar wastewater by UAFB bioprocess // Bioresource
Technol. 2007. Vol. 98. P. 3080—3083.
19. Smiti N., Ollivier B., Garcia J.L. Thermophilic degradation of cellulose by a triculture of Clostridium thermocellum, Methanobacterium sp. and Methanosarcina MP //
FEMS Microbiol. Lett. 1986. Vol. 35. P. 93—97.
20. Nozhevnikova A.N., Zepp K., Vazquez F., Zehnder A.J.B., Holliger C. Evidence for the existence of psychrophilic methanogenic communities in anoxic sediments of deep
lakes // Appl. Environ. Microbiol. 2003. Vol. 69. P. 1832—1835.
21. Li T., Mazéas, Sghir A., Leblon G., Bouchez T. Insights into networks of functional microbes catalysing methanization of cellulose under mesophilic conditions // Environm. Microbiol. 2009. Vol. 11. P. 889—904.
22. Çàâàðçèí Ã.À. Ìèêðîáíîå ñîîáùåñòâî â ïðîøëîì
è íàñòîÿùåì // Ìèêðîáèîëîãèÿ. 1989. Ò. 51. Ñ. 3—14.
23. Weimer P.J., Zeikus J.G. One carbon metabolism
in methanogenic bacteria. Cellular characterization and growth
of Methanosarcina barkeri // Arch. Microbiol. 1978. Vol. 119.
P. 49—57.
24. Çâÿãèíöåâ Ä.Ã., Àñååâà È.Â., Áàáüåâà È.Ï., Ìèð÷èíê Ò.Ã. Ìåòîäû ïî÷âåííîé ìèêðîáèîëîãèè è áèîõèìèè. Ì.: Èçä-âî Ìîñê. óí-òà, 1991. 303 ñ.
25. Whitman W.B., Bowen T.L., Boone D.R. The methanogenic bacteria // The Prokaryotes, a handbook of the biology of bacteria / Eds. A. Balows, H.G. Trüper, M. Dworkin,
W. Harder, K.H. Schleifer. NY.: Springer Verlag, 1992. P. 719—767.
26. Asakawa S., Akagawa-Matsushita M., Morii H.,
Koga Y., Hayano K. Characterization of Methanosarcina mazeii TMA isolated from a paddy field soil // Curr. Microbiol. 1995. Vol. 31. P. 34—38.
27. Speece R. Anaerobic biotechnology for industrial wastewaters. Nashville: Archae Press, 1996. P. 29—58.
28. Han Y., Dague R. Laboratory studies on temperature-phased anaerobic digestion of domestic primary sludge //
Water Environment Research. 1997. Vol. 69. 1139—1143.
29. De León C., Jenkins D. Removal of fecal coliforms
by thermophilic anaerobic digestion // Water Science Technology. 2002. Vol. 46. P. 147—152.
30. Sahlström L. A review of survival of pathogenic bacteria in organic waste used in biogas plants // Bioresour Technol. 2003. Vol. 87. P. 161—166.
31. Reusser S., Zelinka G. Laboratory-scale comparison
of anaerobic-digestion alternatives // Water Environment Research. 2004. Vol. 76. P. 360—380.
32. Nishio N., Nakashimada Y. Recent development of
anaerobic digestion processes for energy recovery from wastes // J. of Bioscience and Bioengineering. 2007. Vol. 103.
P. 105—112.
33. Pommier S., Manas L.A., Lefebvre X. Analysis of
the outcome of shredding pretreatment on the anaerobic biodegradability of paper and cardboard materials // Bioresource
Technology. 2010. Vol. 101. P. 463—468.
34. Çàâàðçèí Ã.À. Ýìèññèÿ ìåòàíà ñ òåððèòîðèè Ðîññèè // Ìèêðîáèîëîãèÿ. 1997. Ò. 66. Ñ. 669—673.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ
15.09.10
THERMOPHILIC ANAEROBIC MICROBIAL COMMUNITIES
THAT TRANSORM CELULOSE INTO METHANE (BIOGAS)
E.A. Tsavkelova, M.A. Egorova, E.V. Petrova, A.I. Netrusov
Several anaerobic microbial communities that produce biogas from cellulose were isolated and
examined from 24 different natural and anthropogenic sources. The most active methane producers
have been selected under thermophilic conditions (+55°C). In order to optimize the cultivation
conditions for better growth and development of both cellulosolitics and methanogens, the modified medium has been developed. The most stable microbial consortia maintained their activities
in biogas formation for at least 5 passages. The composition of biogas has been studied by using gas
chromatography. In average, the percentage of methane in produced biogas reached 60%. Microscopy studies of anaerobic microbial communities revealed the presence of morphologically different
cells that varied as community stabilized.
Key words: biogas, methane, cellulose, anaerobic microbial communities, thermophilic conditions.
Ñâåäåíèÿ îá àâòîðàõ
Öàâêåëîâà Åëåíà Àðêàäüåâíà — êàíä. áèîë. íàóê, äîö. êàôåäðû ìèêðîáèîëîãèè áèîëîãè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÌÃÓ. Òåë.: 8-495-939-27-63; e-mail: [email protected]
Åãîðîâà Ìàðèÿ Àíàòîëüåâíà — êàíä. áèîë. íàóê, ñòàðøèé ïðåïîäàâàòåëü êàôåäðû ìèêðîáèîëîãèè
áèîëîãè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÌÃÓ. Òåë.: 8-495-939-42-23; e-mail: [email protected]
Ïåòðîâà Åëåíà Âÿ÷åñëàâîâíà — àñïèðàíòêà êàôåäðû ìèêðîáèîëîãèè áèîëîãè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÌÃÓ. Òåë.: 8-495-939-12-56; e-mail: [email protected]
Íåòðóñîâ Àëåêñàíäð Èâàíîâè÷ — äîêò. áèîë. íàóê, ïðîô., çàâ. êàôåäðîé ìèêðîáèîëîãèè áèîëîãè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÌÃÓ. Òåë.: 8-495-939-27-63; e-mail: [email protected]