Changes in the microbial consortium during the disposal of aged post-fermentation distillery grain using the aerobic composting method

Yana M. Russkikh; Русских Яна Маратовна; Danil N. Sherstobitov; Шерстобитов Данил Николаевич; Zinaida E. Mashchenko; Мащенко Зинаида Евгеньевна; Vasiliy V. Ermakov; Ермаков Василий Васильевич; Olga V. Tupitsyna; Тупицына Ольга Владимировна

doi:10.22363/2313-2310-2025-33-3-342-351

Изменение микробного консорциума в процессе утилизации застарелой послеспиртовой барды методом аэробного компостирования

Авторы: Русских Я.М.¹, Шерстобитов Д.Н.¹, Мащенко З.Е.¹, Ермаков В.В.¹, Тупицына О.В.¹
Учреждения:
1. Самарский государственный технический университет
Выпуск: Том 33, № 3 (2025)
Страницы: 342-351
Раздел: Промышленная экология
URL: https://journals.rudn.ru/ecology/article/view/45753
DOI: https://doi.org/10.22363/2313-2310-2025-33-3-342-351
EDN: https://elibrary.ru/SWRRHB
ID: 45753

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Оценено изменение консорциума микроорганизмов при утилизации отходов застарелой послеспиртовой барды методом аэробного компостирования в результате использования биопрепарата-нефтедеструктора «Ленойл»® СХП с содержанием микроорганизмами родов Ochrobactrum sp. и Acinetobacter sp. В первоначальном отходе были выделены микроорганизмы родов: Acidothermus sp. , Proteus sp. , Pseudomonas sp. , Bacillus sp. , Escherichia sp. , Staphylococcus sp. и Enterobacter sp. После применения биопрепарата были идентифицированы следующие рода микроорганизмов: Ochrobactrum sp. , Acinetobacter sp. , Pseudomonas sp. , Bacillus sp. , Escherichia sp. , Staphylococcus sp. и Enterobacter sp. Применение биопрепарата способствовало развитию существующих популяций микроорганизмов, а также интродукции новых видов. Использование биопрепарата позволило увеличить количество микроорганизмов, способствующих более эффективному разложению органических соединений и снижению концентрации неорганического азота при утилизации отходов застарелой послеспиртовой барды методом аэробного компостирования.

Ключевые слова

послеспиртовая барда, биоремедиация, утилизация отходов, биопрепараты

Полный текст

Введение Послеспиртовая барда - отход, представляющий собой жидкость (суспензию) светло-коричневого цвета с содержанием сухих веществ - 7-9 %. Зерновая спиртовая барда богата клетчаткой, углеводами, белками и микроэлементами [1]. Образование послеспиртовой барды происходит при производстве этилового спирта на стадии ректификации, которое сопровождается образованием не менее 13 л барды на 1 л этанола. Послеспиртовая барда содержит в составе аминокислоты, растворенные продукты кислого брожения, растительный жир и безазотистые экстрактивные вещества [2]. В составе послеспиртовой барды присутствуют мертвые клетки дрожжей-продуцентов этанола, органические кислоты, витамины, микро- и макроэлементы [3]. Водородный показатель (рН) свежей спиртовой барды составляет 4,9 ед., в состав входят редуцирующие вещества - 0,33 %, сырой протеин - 37,0 %, азот аммонийный - 1200 мг/л, оксид фосфора (V) - 1480 мг/л, калий - 688 мг/л, кальций - 130 мг/л, магний - 300 мг/л и др. [4]. До вступления в силу нормативно-правовых актов, регламентирующих утилизацию послеспиртовой барды на производстве, отходы размещались в земляных накопителях, а после появления требований по переработке таких отходов размещение производилось не санкционировано. Подобная ситуация сложилась во время работы Рождественского спиртового завода, закрытого в 2013 г. по иску Самарской межрайонной прокуратуры. Накопители спиртовой барды расположены на удалении 110 м от ближайшей жилой застройки с. Рождествено, в границах «Национального парка Самарская Лука». Согласно проведенным инженерным изысканиям, площадь нарушенных территорий составила 42 га, а глубина загрязнения геосреды отходами послеспиртовой барды не менее 10 м. Распространение загрязнителей из отходов происходило не только в почву и грунты, но также в подземные и поверхностные воды [5]. В 2024 г. стартовали работы по выемке и обезвреживанию застарелой послеспиртовой барды. Для более быстрого и эффективного обезвреживания отходов была применена технология аэробного компостирования. Работы велись во временных ангарах на месте в непосредственной близости от места размещения отходов. Компостирование отходов проводилось в трапециевидных буртах длиной 100 м, высотой до 2 м, объем каждого бурта составлял порядка 400 м3. Формирование компостной смеси происходило из исходного отхода застарелой спиртовой барды (30-35 % об.), незрелого компоста после 7-10 дней компостирования (30-35 % об.), а также древесных опилок (30-35 % об.). Внесение незрелого компоста на термофильной стадии способствовало более быстрому разогреву компостной массы, а древесные опилки выступали в роли порообразователя для поддержания аэробных условий. В связи с ограниченными сроками производства работ и большим объемом отходов послеспиртовой барды, нуждающимся в утилизации (25 000 м3), было принято решение по внесению биопрепарата «Ленойл»® СХП для дополнительной интенсификации процесса переработки отходов застарелой послеспиртовой барды. «Ленойл»® СХП разработан ЗАО НПП «Биомедхим», защищен патентом РФ 2553540[30]. Отходы застарелой спиртовой барды характеризуются высоким содержанием аммонийного (до 3700 мг/кг) и нитритного (до 37 мг/кг) азота. Использование метода аэробного компостирования при утилизации отходов послеспиртовой барды позволяет интенсифицировать протекание процесса нитрификации, при котором происходит снижение аммонийного и нитритного азота. Кроме того, в процессе компостирования происходит минерализация отходов спиртовой барды, результатом которого является получение органоминерального грунта с низким содержанием органического вещества [6]. Материалы и методы Для анализа эффективности применения «Ленойл»® СХП в качестве биопрепарата для интенсификации процесса компостирования отходов застарелой послеспиртовой барды была проведена качественная оценка микробного консорциума. Для анализа были взяты образцы как необработанной барды, так и барды, подвергнутой обработке бактериальным препаратом «Ленойл»® СХП. Данный препарат включает в себя микроорганизмы, принадлежащие к родам Ochrobactrum sp. и Acinetobacter sp., которые играют ключевую роль в процессе разложения углеводородов по целевому назначению биопрепарата. Микроорганизмы указанных родов известны своей высокой адаптивностью к разнообразным экосистемам и способностью эффективно разлагать углеводороды и прочие органические соединения [7-10]. Использование препарата «Ленойл»® СХП для утилизации отходов застарелой спиртовой барды обосновано тем, что микроорганизмы рода Acinetobacter sp. имеет превосходную способность по снижению концентрации неорганического азота [11-13]. Интеграция родов Ochrobactrum sp. и Acinetobacter sp. в микробный консорциум может ускорить процессы разложения остатков спиртового производства, что имеет весомое значение для снижения экологической нагрузки. Биопрепарат демонстрирует потенциал для биодеструкции нефтепродуктов и углеводородов, а также при очистке сточных вод. Эффективность препарата обусловлена активностью специально отобранных штаммов бактерий, способных эффективно разлагать широкий спектр органических соединений. Использование данного препарата способствует не только улучшению экологической обстановки, но и существенному сокращению расходов на утилизацию отходов и очистку сточных вод по сравнению с традиционными методами [14; 15]. Процесс выделения микроорганизмов из послеспиртовой барды проводился на питательном агаре с последующим культивированием при температурах 30 и 50 °C в течение 24 ч. Для изучения морфологических и физиолого-биохимических характеристик микроорганизмов были применены следующие методы: описание морфологии колоний микроорганизмов на плотной питательной среде, окрашивание по методу Грама, окрашивание по методу Нейссера, окрашивание по методу Циля - Нильсена, окрашивание по методу Дюгида, окрашивание по методу Грэя, окрашивание для выявления включений гликогена и липидов, определение ферментативной активности, включая протеолитическую, каталазную, оксидазную активность и способность к сбраживанию углеводов. Результаты и обсуждение В рамках данного исследования было проведено детальное сравнительное изучение микробного консорциума послеспиртовой барды до и после обработки биопрепаратом. В целях установления родовой принадлежности изолированных культур были применены традиционные микробиологические методы, описанные в справочнике Берджи (табл. 1-3)[31]. Таблица 1. Морфология колоний микроорганизмов, выделенных из послеспиртовой барды Шифр Морфология колоний на плотной питательной среде До обработки A.1.1 Мелкая колония с гладкой поверхностью и изогнутым профилем. Имеет блестящую поверхность белого цвета с ровным краем. Структура однородная, консистенция сметанообразная. Рост колоний на поверхности питательной среды A.1.2 Средняя матовая колония с гладкой изогнутой поверхностью. Структура колонии однородная, консистенция пастообразная, цвет кремовый. Рост колонии наблюдается на поверхности питательной среды C 1.1 Средняя колония неправильной формы. Профиль колонии плоский, имеет блеск. Цвет колонии желто-белый, край волнистый. Структура колонии струйчатая, консистенция пастообразная. Рост колонии наблюдается на поверхности питательной среды C.2.1 Крупная круглая колония с фестончатым краем. Поверхность гладкая, профиль плоский. Колония блестящая, бело-желтого цвета. Структура однородная, консистенция пастообразная, рост колоний на поверхности питательной среды Окончание табл. 1 Шифр Морфология колоний на плотной питательной среде C.3.1 Крупная круглая колония. Поверхность гладкая, профиль плоский. Бело-серого цвета. Структура однородная, консистенция пастообразная. Рост колонии наблюдается на поверхности питательной среды С.3.2 Средняя непрозрачная колония кремово-желтого цвета. Колония гладкая, ровная, выпуклая с четкими краями. Рост колонии наблюдается на поверхности питательной среды C.4.1 Крупная круглая колония с фестончатым краем. Поверхность гладкая, профиль плоский. Матовая, серого-белого цвета. Структура крупнозернистая, консистенция пастообразная, рост на поверхности питательной среды После обработки B.4.1 Крупная матовая колония с гладкой поверхностью. Цвет колонии желто-белый, край неровный. Структура колонии однородная, консистенция пастообразная. Рост колонии на поверхности питательной среды D.1.1 Средняя колония неправильной формы. Профиль колонии плоский, имеет блеск. Цвет колонии желто-белый, край волнистый. Структура колонии струйчатая, консистенция пастообразная. Рост колонии наблюдается на поверхности питательной среды D.2.2 Крупная круглая колония с фестончатым краем. Поверхность гладкая, профиль плоский. Колония блестящая, бело-желтого цвета. Структура однородная, консистенция пастообразная, рост колоний на поверхности питательной среды D.2.3 Крупная круглая колония. Поверхность шероховатая, профиль плоский. Бледно-серого цвета. Структура однородная, консистенция сухая. Рост колонии наблюдается на поверхности питательной среды D.3.1 Крупная круглая колония. Поверхность гладкая, профиль плоский. Бело-серого цвета. Структура однородная, консистенция пастообразная. Рост колонии наблюдается на поверхности питательной среды D.3.2 Средняя непрозрачная колония кремово-желтого цвета. Колония гладкая, ровная, выпуклая с четкими краями. Рост колонии наблюдается на поверхности питательной среды D.4.2 Крупная круглая колония с фестончатым краем. Поверхность гладкая, профиль плоский. Матовая, серовато-белого цвета. Структура крупнозернистая, консистенция пастообразная, рост на поверхности питательной среды Источник: составлено Я.М. Русских по данным: Определитель бактерий Берджи : в 2 томах / Р. Беркли и др.; под ред. Дж. Хоулта ; пер. с англ. под ред. акад. РАН Г. А. Заварзина. 9-е изд. Москва : Мир, 1997. Том 1. 429 с. ; Том 2. 500 с. Таблица 2. Морфологические признаки культур микроорганизмов, выделенных из послеспиртовой барды Шифр Форма клеток Окраска по Граму Наличие жгутиков Наличие спор Наличие включений Гликоген Волютин Липиды Капсулы До обработки A. 1.1 Палочки - - - - - - - A. 1.2 Палочки - + - - - - - C. 1.1 Палочки - + - - + - - C. 2.1 Палочки + + + - - - - C. 3.1 Палочки - + - - - - + С. 3.2 Кокки + - - - - - - C. 4.1 Палочки - + - - - - - После обработки B. 4.1 Палочки - + - - + - - D. 1.1 Палочки - + - - + - - D. 2.2 Палочки + + + - - - - D. 2.3 Палочки - - - - - - - D. 3.1 Палочки - + - - - - + D. 3.2 Кокки + - - - - - - D. 4.2 Палочки - + - - - - - Источник: составлено Я.М. Русских по данным: Определитель бактерий Берджи : в 2 томах / Р. Беркли и др.; под ред. Дж. Хоулта ; пер. с англ. под ред. акад. РАН Г. А. Заварзина. 9-е изд. Москва : Мир, 1997. Том 1. 429 с. ; Том 2. 500 с. Таблица 3. Физиолого-биохимические свойства культур микроорганизмов, выделенных из послеспиртовой барды Code Отношение к температуре Отношение к кислороду Протеолитическая активность Каталазная активность Оксидазная активность Способность к сбраживанию углеводов Род Глюкоза Мальтоза Сахароза Лактоза До обработки A.1.1 Термофилы Аэробы - + + + + + - Acidothermus sp. A.1.2 Термофилы Факультативные анаэробы - + - + + + - Proteus sp. C.1.1 Мезофилы Аэробы + + + - - - - Pseudomonas sp. C.2.1 Мезофилы Факультативные анаэробы + + - + + + + Bacillus sp. C.3.1 Мезофилы Факультативные анаэробы - + - + + + + Escherichia sp. С.3.2 Мезофилы Факультативные анаэробы + + - + + - - Staphylococcus sp. C.4.1 Мезофилы Факультативные анаэробы - + - + + + - Enterobacter sp. После обработки B.4.1 Термофилы Аэробы - - - + - - - Ochrobactrum sp. D.1.1 Мезофилы Аэробы + + + - - - - Pseudomonas sp. D.2.2 Мезофилы Факультативные анаэробы + + - + + + + Bacillus sp. D.2.3 Мезофилы Аэробы - + - + - - - Acinetobacter sp. D.3.1 Мезофилы Факультативные анаэробы - + - + + + + Escherichia sp. D.3.2 Мезофилы Факультативные анаэробы + + - + + - - Staphylococcus sp. D.4.2 Мезофилы Факультативные анаэробы - + - + + + - Enterobacter sp. Источник: составлено Я.М. Русских по данным: Определитель бактерий Берджи : в 2 томах / Р. Беркли и др.; под ред. Дж. Хоулта ; пер. с англ. под ред. акад. РАН Г. А. Заварзина. 9-е изд. Москва : Мир, 1997. Том 1. 429 с. ; Том 2. 500 с. На начальном этапе анализа были идентифицированы следующие рода микроорганизмов: Acidothermus sp., Proteus sp., Pseudomonas sp., Bacillus sp., Escherichia sp., Staphylococcus sp. и Enterobacter sp. После применения биопрепарата в образцах послеспиртовой барды были обнаружены рода бактерий Ochrobactrum sp. и Acinetobacter sp. Эти результаты указывают на то, что использование биопрепарата не только поддерживает существующие популяции микроорганизмов, но и способствует инвазии родов, содержащихся в препарате, что может существенно улучшить функциональные характеристики микробного сообщества в направлении интенсификации микробных процессов и выживаемости. Проведенные исследования демонстрируют, что использование микроорганизмов Ochrobactrum sp. и Acinetobacter sp. обладает потенциалом значительного сокращения временного периода, необходимого для процесса декомпозиции органических соединений [11; 13; 16-18]. Заключение Биопрепарат «Ленойл»® СХП эффективен для улучшения функциональных характеристик микробных сообществ, участвующих в биодеградации органических веществ. Применение препарата в образцах послеспиртовой барды увеличило разнообразие микроорганизмов за счет инвазии новых родов бактерий, таких как Ochrobactrum sp. и Acinetobacter sp. Использование биопрепарата является перспективным подходом для утилизации послеспиртовой барды, поскольку он способствует не только поддержанию существующих популяций микроорганизмов, но и интродукции новых видов, ускоряющих процессы разложения органических отходов. Это снижает экологическую нагрузку при сокращении затрат на утилизацию отходов.