Биоконверсия пищевых отходов в биологически активные продукты для сельского хозяйства и аквакультуры
|
АННОТАЦИЯ 1
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Состояние изученности вопроса использования высших базидиальных грибов и дождевых червей для биоконверсии отходов сельского хозяйства и пищевых производств
(аналитический обзор литературы) 9
1.1 Основные элементы технологии культивирования высших базидиальных грибов и
перспективы их использования для сельского хозяйства 9
1.2 Перспективы утилизации органических отходов дождевыми червями 18
1.3 Современные тенденции переработки основных побочных продуктов пивоварения 28
2 Объекты и методы исследования 32
2.1 Характеристика объектов исследования 32
2.2 Методы исследования 39
2.2.1 Методика закладки серии экспериментов № 1 «Эффективность переработки пивной дробины базидиальными грибами в условиях лабораторного модельного эксперимента»
40
2.2.2 Методика закладки опыта № 2 «Влияние грибных экстрактов на рост и
выживаемость молоди Карпа Зеркального в условиях лабораторного модельного эксперимента» 40
2.2.3 Методика закладки серии экспериментов № 3 «Эффективность переработки пивной дробины дождевыми червями в условиях лабораторного модельного эксперимента» .... 41
3 Изучение эффективности биоконверсии отходов пивоваренной промышленности с использованием высших базидиальных грибов и компостных дождевых червей 45
3.1 Оценка эффективности переработки отходов пивоварения высшими базидиальными
грибами 45
3.2 Оценка перспективности применения продуктов биоконверсии отходов пивоварения
мицелием высших базидиальных грибов для повышения эффективности аквакультуры 45
3.3 Оценка эффективности переработки пивной дробины дождевыми червями 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 48
ПРИЛОЖЕНИЕ А 56
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 57
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Состояние изученности вопроса использования высших базидиальных грибов и дождевых червей для биоконверсии отходов сельского хозяйства и пищевых производств
(аналитический обзор литературы) 9
1.1 Основные элементы технологии культивирования высших базидиальных грибов и
перспективы их использования для сельского хозяйства 9
1.2 Перспективы утилизации органических отходов дождевыми червями 18
1.3 Современные тенденции переработки основных побочных продуктов пивоварения 28
2 Объекты и методы исследования 32
2.1 Характеристика объектов исследования 32
2.2 Методы исследования 39
2.2.1 Методика закладки серии экспериментов № 1 «Эффективность переработки пивной дробины базидиальными грибами в условиях лабораторного модельного эксперимента»
40
2.2.2 Методика закладки опыта № 2 «Влияние грибных экстрактов на рост и
выживаемость молоди Карпа Зеркального в условиях лабораторного модельного эксперимента» 40
2.2.3 Методика закладки серии экспериментов № 3 «Эффективность переработки пивной дробины дождевыми червями в условиях лабораторного модельного эксперимента» .... 41
3 Изучение эффективности биоконверсии отходов пивоваренной промышленности с использованием высших базидиальных грибов и компостных дождевых червей 45
3.1 Оценка эффективности переработки отходов пивоварения высшими базидиальными
грибами 45
3.2 Оценка перспективности применения продуктов биоконверсии отходов пивоварения
мицелием высших базидиальных грибов для повышения эффективности аквакультуры 45
3.3 Оценка эффективности переработки пивной дробины дождевыми червями 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 48
ПРИЛОЖЕНИЕ А 56
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 57
Актуальными задачами оздоровления окружающей среды являются использование экологически безопасных методов переработки промышленных и сельскохозяйственных отходов, восстановление плодородия почв и т.д. Для утилизации отходов применяют физико-химические методы: сжигание, пиролиз ТБО, ремедиация почв и т.п. Однако при их использовании происходит вторичное загрязнение окружающей среды ксенобиотиками. Кроме того, эти методы имеют высокую энергоемкость и стоимость.
Одним из перспективных направлений оздоровления окружающей среды является экологическая биотехнология, основанная на использовании живых организмов: бактерий, грибов, растений, вермикультуры (дождевых червей). Отличительной чертой агентов биоконверсии является их высокая производительность, специфичность деятельности, пластичность к составу утилизируемых отходов, сравнительно низкая стоимость работ [11].
В данной работе рассматриваются перспективы использования высших базидиальных грибов и дождевых червей при утилизации отходов пивоваренной промышленности для получения биологически активных продуктов, применяемых в сельском хозяйстве и аквакультуре.
Для пивоваренной промышленности РФ одной из главных проблем в сфере рационального использования материальных ресурсов и рециклинга вторичных продуктов АПК является разработка способов утилизации пивной дробины и пивных дрожжей [31].
При брожении пивного сусла в бродильных танках накапливаются пивные дрожжи. Часть этих дрожжей используется в качестве семенных, оставшиеся являются отходом, а при выпуске в прессованном и сухом виде - побочным продуктом производства. Остаточные пивные дрожжи являются хорошим кормовым средством как сами по себе, так и в качестве дополнительного компонента, улучшающего использование питательных веществ в других кормах. На этом положительном свойстве основано благоприятное действие пивных дрожжей при введении их в кормовой рацион. Используется этот продукт в качестве лечебных и питательных препаратов, а также на откорм скоту. Однако использование жидких дрожжей связано с серьезными недостатками: они крайне нестойки при хранении, а применение их в виде целых клеток плохо усваивается организмом [10].
Пивоваренные заводы заинтересованы в продаже пивной дробины, особенно в теплый период года, когда она подвержена интенсивному разложению с массой неблагоприятных эффектов.
Следовательно, пивоваренным заводам экономически невыгодно отправлять пивную дробину на свалку. Остается одно: такие отходы следует перерабатывать самостоятельно или продавать другим организациям. Однако желающих приобрести пивную дробину у пивова-ров мало. Причина - незнание всего потенциального спектра ее применения, слабая техно-логическая оснащенность.
Создавшаяся экологическая ситуация в стране остро требует решения вопроса ути-лизации отходов пивоваренного производства [57].
Другим перспективным направлением применения продуктов биоконверсии пивной дробины может стать аквакультура - одна их наиболее быстро развивающих отечественных отраслей. В производстве аквакультуры в настоящее время используется широкий спектр химических веществ. К ним относятся дезинфицирующие средства, антибиотики, антигельминтные агенты, гормональные препараты. Борьба с болезнями является активной исследовательской областью, в которой особое внимание уделяется поиску альтернативы антибиотикотерапии [37].
Одним из приоритетных направлений развития современных микологии и биотехнологии является использование высших базидиальных грибов для получения биологически активных соединений, в том числе - лекарственных (белков, липидов, полисахаридов, органических кислот, ферментов и витаминов). Многие из этих веществ более фармакологически активны и менее токсичны по сравнению с продуктами химического синтеза [23].
В качестве основного способа решения данных проблем предлагается биоконверсия отходов пивоварения в биологически активные продукты путем культивирования на них мицелия высших базидиальных грибов и дождевых червей. Полученные их мицелиальной биомассы и биомассы дождевых червей экстракты предлагается изучить в качестве источника биологически активных комплексов, перспективных для создания стимуляторов роста растений, а также препаратов-адаптогенов для молоди ценных пород рыбы.
Практическая часть работы была выполнена в Сибирском НИИ сельского хозяйства и торфа - филиале СФНЦА РАН под руководством доктора биологических наук Н. Н. Терещенко. Экспериментальный материал (фактические данные) представляет собой результаты трех серий модельных экспериментов.
Объекты исследования - компостная технологическая линия дождевого червя западносибирской популяции Eisenia fetida (Savigny, 1826), пивная дробина (отход ОАО «Томское пиво») и высшие базидиальные грибы: Вешенка устричная (Pleurotus ostreatus'), Вешенка золотая (Pleurotus citrinopileatus), Вешенка королевская - штамм 1 (Pleurotus
eryngii), Вешенка королевская - штамм 2: Боровик древесный (Pleurotus eryngii), Мейтаке (Grifola frondosa), Опенок мраморный (Hypsizygus marmoreus), Шиитаке (Lentinula edodes).
Предмет исследования - процессы трансформации пивной дробины мицелием высших базидиальных грибов и дождевыми червями.
Цель работы - разработать способы биоконверсии отходов пивоварения в биологически активные продукты при помощи высших базидиальных грибов и вермикультуры.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Провести скрининг различных видов базидиальных грибов на скорость колонизации субстрата, содержащего пивную дробину, для выбора наиболее активных агентов биоконверсии дробины.
2. Изучить влияние различных сочетаний пивной дробины, пивных дрожжей и кизельгура в составе субстрата на скорость роста мицелия базидиальных грибов.
3. Оценить перспективность применения продуктов биоконверсии отходов пивоварения мицелием высших базидиальных грибов для повышения эффективности аквакультуры.
4. Оценить возможность переработки пивной дробины в процессе вермикомпостирования и установить максимальную дозу пивной дробины в составе стартового органического субстрата, не оказывающую негативного влияния на жизнедеятельность дождевых червей и процессы вермикомпостирования.
Защищаемые положения:
1. Разработан способ биоконверсии пивной дробины путем культивирования на ней мицелия базидиальных грибов: наиболее перспективными являются Вешенка устричная, Вешенка золотая, Боровик древесный, Мейтаке и Опенок мраморный, отличающиеся наибольшей скоростью колонизации субстрата.
2. Применение экстрактов из продуктов биоконверсии пивной дробины в качестве жидкой кормовой добавки для аквакультуры обеспечивает снижение смертности молоди рыбы сем. Карповых и способствует повышению веса рыбы.
3. Разработан способ биоконверсии пивной дробины путем ее включения в состав стартового субстрата для вермикультуры, в количествах, не оказывающих негативного влияния на жизнедеятельность дождевых червей и процессы вермикомпостирования.
Результаты экспериментальных исследований опубликованы в сборнике научных трудов по материалам IV Международной научно-практической конференции, 2018 и в научном издании LXVIII ежегодной научной студенческой конференции Биологического института ТГУ 2019 года «Старт в науку».
Выражаю благодарность своему научному руководителю доктору биологических наук, профессору Н. Н. Терещенко за неоценимую помощь, ценные советы и поддержку в процессе написания магистерской диссертации, а также сотрудникам кафедры доцентам О. М. Минаевой, Е. Е Акимовой и Т. И. Зюбановой за помощь в статистической обработке данных.
Одним из перспективных направлений оздоровления окружающей среды является экологическая биотехнология, основанная на использовании живых организмов: бактерий, грибов, растений, вермикультуры (дождевых червей). Отличительной чертой агентов биоконверсии является их высокая производительность, специфичность деятельности, пластичность к составу утилизируемых отходов, сравнительно низкая стоимость работ [11].
В данной работе рассматриваются перспективы использования высших базидиальных грибов и дождевых червей при утилизации отходов пивоваренной промышленности для получения биологически активных продуктов, применяемых в сельском хозяйстве и аквакультуре.
Для пивоваренной промышленности РФ одной из главных проблем в сфере рационального использования материальных ресурсов и рециклинга вторичных продуктов АПК является разработка способов утилизации пивной дробины и пивных дрожжей [31].
При брожении пивного сусла в бродильных танках накапливаются пивные дрожжи. Часть этих дрожжей используется в качестве семенных, оставшиеся являются отходом, а при выпуске в прессованном и сухом виде - побочным продуктом производства. Остаточные пивные дрожжи являются хорошим кормовым средством как сами по себе, так и в качестве дополнительного компонента, улучшающего использование питательных веществ в других кормах. На этом положительном свойстве основано благоприятное действие пивных дрожжей при введении их в кормовой рацион. Используется этот продукт в качестве лечебных и питательных препаратов, а также на откорм скоту. Однако использование жидких дрожжей связано с серьезными недостатками: они крайне нестойки при хранении, а применение их в виде целых клеток плохо усваивается организмом [10].
Пивоваренные заводы заинтересованы в продаже пивной дробины, особенно в теплый период года, когда она подвержена интенсивному разложению с массой неблагоприятных эффектов.
Следовательно, пивоваренным заводам экономически невыгодно отправлять пивную дробину на свалку. Остается одно: такие отходы следует перерабатывать самостоятельно или продавать другим организациям. Однако желающих приобрести пивную дробину у пивова-ров мало. Причина - незнание всего потенциального спектра ее применения, слабая техно-логическая оснащенность.
Создавшаяся экологическая ситуация в стране остро требует решения вопроса ути-лизации отходов пивоваренного производства [57].
Другим перспективным направлением применения продуктов биоконверсии пивной дробины может стать аквакультура - одна их наиболее быстро развивающих отечественных отраслей. В производстве аквакультуры в настоящее время используется широкий спектр химических веществ. К ним относятся дезинфицирующие средства, антибиотики, антигельминтные агенты, гормональные препараты. Борьба с болезнями является активной исследовательской областью, в которой особое внимание уделяется поиску альтернативы антибиотикотерапии [37].
Одним из приоритетных направлений развития современных микологии и биотехнологии является использование высших базидиальных грибов для получения биологически активных соединений, в том числе - лекарственных (белков, липидов, полисахаридов, органических кислот, ферментов и витаминов). Многие из этих веществ более фармакологически активны и менее токсичны по сравнению с продуктами химического синтеза [23].
В качестве основного способа решения данных проблем предлагается биоконверсия отходов пивоварения в биологически активные продукты путем культивирования на них мицелия высших базидиальных грибов и дождевых червей. Полученные их мицелиальной биомассы и биомассы дождевых червей экстракты предлагается изучить в качестве источника биологически активных комплексов, перспективных для создания стимуляторов роста растений, а также препаратов-адаптогенов для молоди ценных пород рыбы.
Практическая часть работы была выполнена в Сибирском НИИ сельского хозяйства и торфа - филиале СФНЦА РАН под руководством доктора биологических наук Н. Н. Терещенко. Экспериментальный материал (фактические данные) представляет собой результаты трех серий модельных экспериментов.
Объекты исследования - компостная технологическая линия дождевого червя западносибирской популяции Eisenia fetida (Savigny, 1826), пивная дробина (отход ОАО «Томское пиво») и высшие базидиальные грибы: Вешенка устричная (Pleurotus ostreatus'), Вешенка золотая (Pleurotus citrinopileatus), Вешенка королевская - штамм 1 (Pleurotus
eryngii), Вешенка королевская - штамм 2: Боровик древесный (Pleurotus eryngii), Мейтаке (Grifola frondosa), Опенок мраморный (Hypsizygus marmoreus), Шиитаке (Lentinula edodes).
Предмет исследования - процессы трансформации пивной дробины мицелием высших базидиальных грибов и дождевыми червями.
Цель работы - разработать способы биоконверсии отходов пивоварения в биологически активные продукты при помощи высших базидиальных грибов и вермикультуры.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Провести скрининг различных видов базидиальных грибов на скорость колонизации субстрата, содержащего пивную дробину, для выбора наиболее активных агентов биоконверсии дробины.
2. Изучить влияние различных сочетаний пивной дробины, пивных дрожжей и кизельгура в составе субстрата на скорость роста мицелия базидиальных грибов.
3. Оценить перспективность применения продуктов биоконверсии отходов пивоварения мицелием высших базидиальных грибов для повышения эффективности аквакультуры.
4. Оценить возможность переработки пивной дробины в процессе вермикомпостирования и установить максимальную дозу пивной дробины в составе стартового органического субстрата, не оказывающую негативного влияния на жизнедеятельность дождевых червей и процессы вермикомпостирования.
Защищаемые положения:
1. Разработан способ биоконверсии пивной дробины путем культивирования на ней мицелия базидиальных грибов: наиболее перспективными являются Вешенка устричная, Вешенка золотая, Боровик древесный, Мейтаке и Опенок мраморный, отличающиеся наибольшей скоростью колонизации субстрата.
2. Применение экстрактов из продуктов биоконверсии пивной дробины в качестве жидкой кормовой добавки для аквакультуры обеспечивает снижение смертности молоди рыбы сем. Карповых и способствует повышению веса рыбы.
3. Разработан способ биоконверсии пивной дробины путем ее включения в состав стартового субстрата для вермикультуры, в количествах, не оказывающих негативного влияния на жизнедеятельность дождевых червей и процессы вермикомпостирования.
Результаты экспериментальных исследований опубликованы в сборнике научных трудов по материалам IV Международной научно-практической конференции, 2018 и в научном издании LXVIII ежегодной научной студенческой конференции Биологического института ТГУ 2019 года «Старт в науку».
Выражаю благодарность своему научному руководителю доктору биологических наук, профессору Н. Н. Терещенко за неоценимую помощь, ценные советы и поддержку в процессе написания магистерской диссертации, а также сотрудникам кафедры доцентам О. М. Минаевой, Е. Е Акимовой и Т. И. Зюбановой за помощь в статистической обработке данных.
Одной из главных проблем отечественной пивоваренной промышленности является отсутствие четкой системы управления отходами. Ежемесячно в технологических циклах пивзаводов образуются значительные количества отходов (пивная дробина, пивные дрожжи, кизельгур и т.п.), что нередко становится причиной загрязнения городских канализационных стоков и неприятных запахов. Данные проблемы обусловливают высокую актуальность разработки экологически безопасных способов утилизации отходов пивоварения.
Результаты исследований, проведенных в рамках рассматриваемой магистерской диссертации, свидетельствуют о целесообразности и перспективности использования высших базидиальных грибов и компостных дождевых червей в качестве агентов биоконверсии отходов пивоваренной промышленности в биологически активные продукты, способные найти широкое применение в сельском хозяйстве и аквакультуре.
Результаты проведенных модельных лабораторных экспериментов позволяют сделать следующие основные выводы:
Результаты исследований, проведенных в рамках рассматриваемой магистерской диссертации, свидетельствуют о целесообразности и перспективности использования высших базидиальных грибов и компостных дождевых червей в качестве агентов биоконверсии отходов пивоваренной промышленности в биологически активные продукты, способные найти широкое применение в сельском хозяйстве и аквакультуре.
Результаты проведенных модельных лабораторных экспериментов позволяют сделать следующие основные выводы:
