Микробная биопереработка растений - чему мы можем научиться у коровы?
#анаэробное сбраживание #биопереработка #отходы сельскохозяйственных животных #биотехнологические процессы
На протяжении миллиардов лет природа совершенствовала способы утилизации материалов. Подобно хорошей хозяйке, которая экономит столько, сколько может, она знает, как предотвратить переизбыток и недостаток.
Одним из лучших примеров такого бережливого поведения природы является эволюция жвачных животных: такие животные, как олени, козы, коровы и антилопы, разработали уникальную пищеварительную систему, состоящую из четырех различных желудков, чтобы превращать даже самые жесткие травы и листья в питательное молоко, шерсть и белок.
Помните, как в детстве вас умиляла мысль о том, что нужно срыгнуть собственную пищу, чтобы пережевать ее, прежде чем снова проглотить? Так вот, коровы проводят около восьми часов своего дня именно так, помогая тем самым своему микробному сообществу перерабатывать сырую растительную пищу. Поэтому корова является естественным примером консолидированной биопереработки, когда целлюлоза (в растительном материале) гидролизуется и преобразуется в различные продукты в одном сосуде (корове). Так чему же мы можем научиться у природы, а точнее у коров, когда имеем дело с 83 миллионами тонн сельскохозяйственных, муниципальных и фруктовых отходов, производимых в Южной Африке каждый год?
По мнению микробиологов из Университета Стелленбош, концепция биоперерабатывающего завода, основанная на четырехжелудочной пищеварительной системе жвачных животных, может стать ключом к созданию простых и надежных маломасштабных биоперерабатывающих предприятий. Профессор Эмиль ван Зил из Университета Стелленбош, говорит, что за последние несколько десятилетий страны первого мира добились значительного прогресса в разработке капиталоемких и передовых технологий производства биоэтанола из растительного сырья. Тем не менее, пока существует относительно дешевое ископаемое топливо, масштабирование этих технологий остается коммерчески нежизнеспособным.
"Южная Африка и Африка не могут позволить себе огромные капитальные затраты на крупномасштабные заводы по производству целлюлозного этанола и связанные с этим технологические проблемы", - объясняет он. Именно поэтому в недавнем обзоре, опубликованном в журнале Catalysis, авторы предлагают ввести микробиом рубца в процессы анаэробного сбраживания. В настоящее время смешанные анаэробные микробные культуры используются для расщепления органических веществ с получением в основном биогаза, и многие исследования направлены на поиск наиболее эффективных микроорганизмов и определение параметров их оптимального функционирования. Тем не менее, утверждают исследователи, жвачные млекопитающие естественным образом эволюционировали для анаэробного сбраживания растительного материала.
Более того, вместо производства биогаза они предлагают отказаться от этой последней части процесса сбраживания и использовать микробных хозяев для производства важных для промышленности органических кислот, таких как уксусная, пропионовая, масляная, валериановая и капроновая кислоты из сельскохозяйственных отходов. Дрожжевая биотехнология также может быть использована для преобразования яблочной кислоты в виноградных и яблочных выжимках в более ценные молочную, лимонную, фумаровую и янтарную кислоты. Например, текущая стоимость органических кислот может варьировать от 600 долларов США за тонну для уксусной кислоты до более чем 2000 долларов США за тонну для 4-6 карбоновых кислот. С ростом спроса на биопластики органические полимеры, такие как полилактат, достигают стоимости более 3500 долларов США за метрическую тонну.
Профессор Маринда Вильджоен-Блум, одна из соавторов работы, говорит, что хотя применение микробов рубца для переваривания растительного материала не является новой концепцией, воспроизведение сложных взаимодействий, наблюдаемых у жвачных животных, в биореакторе остается сложной задачей.
Наиболее значительными источниками органических отходов в Южной Африке являются жмых сахарного тростника (5,35 млн. тонн), инвазивные растения (11,30 млн. тонн) и фруктовые отходы (1,3 млрд. тонн). Микробиологи из Университета Стелленбош исследуют использование рубца млекопитающих в процессе анаэробного пищеварения для расщепления или разделения органических отходов на исходные строительные блоки, из которых они впоследствии могут быть преобразованы в различные высокоценные продукты - точно так же, как это делает корова, перерабатывая жесткий растительный материал в основные строительные блоки, на которых основывается производство молока.
