Введение. В настоящее время все более широкое применение в промышленности находят биокаталитические процессы с применением различных ферментов и ферментных препаратов. Поиск, дизайн и применение биокатализаторов для использования в различных отраслях промышленности — главные тенденции развития современной биотехнологии. Использование ферментов позволяет создавать экологически привлекательные технологии и минимизировать побочные химические реакции.
По данным статистики, объем продаж технических препаратов ферментов на мировом рынке в 2012 г. составил почти 1,1 биллиона долларов. По прогнозам специалистов, в 2016 г. их оборот составит около 1,7 биллиона долларов. Основными потребителями биокатализаторов являются пищевая промышленность, кормопроизводство, текстильная и целлюлозно-бумажная промышленности.
В целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) и лесоперерабатывающей отрасли используются преимущественно ферменты лигноцеллюлозного действия.
ЦБП по своей специфике является потенциальным источником негативного воздействия на окружающую среду из-за опасных стоков в водоемы и выбросов в атмосферу, а также складирования твердых отходов на специальных площадках.
ЦБП характеризуется наличием широкого спектра всевозможных отходов: кородревесные, обезвоженный осадок сточных вод, зола, известковый шлам, полиэтиленовая и полипропиленовая упаковка, деревянные поддоны, отработанные масла и др. — в целом свыше 50 видов [2]. В России проблема переработки отходов ЦБП является весьма актуальной. По данным государственной статистики за 2012 г., объем отходов производства бумаги составляет 6,1 млн т. К тому же до сих пор для отбелки древесных волокон большинство отечественных целлюлозно-бумажных предприятий использует хлор и его соединения.
Сегодня предложены различные варианты вторичного использования наиболее токсичных твердых отходов ЦБП – активного избыточного ила и скопа. Это анаэробное/аэробное сбраживание, паровое преобразование, влажное окисление, сжигание, компостирование, пиролиз, использование в качестве связующего вещества для получения топливных брикетов, удобрения, в строительстве, корма для животных и птиц. Но, принимая во внимание высокую стоимость, трудоемкость, энергоемкость процесса утилизации, а также порой сомнительную детоксикацию, предложенные технологии утилизации твердых отходов ЦБП не получили широкого распространения.
Способы применения биокаталитических процессов, основанных на конверсии отходов с использованием биокатализаторов лигноцеллюлозного действия и получения продуктов с добавленной стоимостью: экологически чистого биопрепарата, биосубстрата и др., являются в настоящее время наиболее экономически и экологически перспективными приемами утилизации отходов ЦБП.
В настоящее время в России нет опыта комплексной переработки отходов целлюлозно-бумажной промышленности в биологически активный продукт с помощью биокаталитического процесса направленного действия, что делает работу по изучению научных основ биоконверсии твердых отходов ЦБП с использованием биокатализаторов лигноцеллюлозного действия весьма актуальной.
Цель обзора – анализ современного состояния использования биокаталитических процессов лигноцеллюлозного действия для переработки отходов ЦБП.
В настоящее время во всем мире ведется интенсивная разработка биотехнологий на основе лигнолитических ферментов базидиальных грибов как для обработки лигноцеллюлозных материалов, так и для утилизации лигнинсодержащих отходов. Базидиальные грибы, возбудители белой гнили древесины, принадлежат к немногочисленной группе микроорганизмов, способных разрушать лигнин и обладающих уникальной системой лигнолитических ферментов: лакказы, марганец- и лигнинпероксидазы. Известно, что некоторые виды высших базидиальных грибов, деструкторов древесины, обладают уникальными механизмами детоксикации как продуктов деградации лигнина, так и ксенобиотиков. В связи с этим базидиальные грибы нашли широкое применение в переработке техногенных отходов.
Основная экологическая функция ксилотрофных базидиомицетов в природе – разложение лигнина и целлюлозы. Грибы преобразовывают труднорасщепляемые биополимеры в формы, доступные для потребления другим организмам в экологической цепи [10; 12]. Высокий интерес к базидиальным грибам в настоящее время обусловлен, прежде всего, их способностью продуцировать экстрацеллюлярный мультиферментный комплекс, что обуславливает способность этих грибов утилизировать как труднодеградируемые природные полимеры (целлюлоза, лигнин, гуминовые вещества), так и ксенобиотики различных классов [11]. Так как согласно существующим представлениям основная роль в процессах биодеградации природных полимеров и ксенобиотиков базидиомицетами принадлежит внеклеточным ферментам [12], то все большее внимание уделяется исследованию основных ферментов, входящих в состав мультиферментного экстрацеллюлярного комплекса: лакказы, лигнинпероксидазы и Mn-пероксидазы.
На данный момент преимущественная роль в процессах деградации и модификации лигнина принадлежит лакказе и пероксидазам различных типов, а также вспомогательным ферментам, таким как арилалкогольоксидаза, глюкозоксидаза, глиоксальоксидаза и др. (рисунок 1). От эффективности их взаимодействия зависит адаптация гриба к внешним условиям и способность его к деградации древесных субстратов.
Рисунок 1 – Схема биодеградации лигнинцеллюлозы [7]
Lac – лакказа; Lip – лигнин пероксидаза; MnP – марганец пероксидаза; VP – версатил пероксидаза; AAO – арилалкогольоксидаза; GLOX – глиоксальоксидаза; GO – глюкозоксидаза; AAD – арилалкогольдегидрогеназа; QR – хинон редуктаза; LMS – лигнинмодифицирующие системы грибов; H2O2 – пероксид водорода; ˙ OH – гидроксид-радикал
Важным продуктом, образующимся при разложении лигнина и целлюлозы с помощью ферментов базидиальных грибов, являются гуминоподобные (ГПВ) и гуминовые вещества (ГВ), которые представляют собой основной резервуар почвенного углерода. Таким образом, уникальной особенностью функционирования базидиальных грибов в наземных экосистемах является их одновременное участие и в разложении, и в синтезе наиболее устойчивой к деградации фракции почвенного органического вещества – ГВ.
На данный момент наиболее значимыми являются две гипотезы гумификации: теория конденсационной полимеризации, разработанная М.М. Кононовой [3], и теория образования ГВ по механизму окислительного кислотообразования, предложенная Л.Н. Александровой [3]. Следует подчеркнуть, что обе теории в качестве обязательных стадий гумификации включают в себя процессы преобразования органических веществ, приводящие к увеличению молекулярной массы (полимеризация и конденсация). Катализаторами подобных процессов в природе в большинстве случаев выступают ферменты, выделяемые различными микроорганизмами. Данный факт стал основой для биологической теории происхождения ГВ, разработанной В.Р. Вильямсом [1]. По мнению автора, ГВ являются прямым продуктом жизнедеятельности микроорганизмов, прежде всего грибов, которые трансформируют мертвое органическое вещество в ходе получения из него питательных веществ. Было установлено, что многие высшие грибы в ходе своей жизнедеятельности синтезируют меланины – темноокрашенные пигменты, которые по структуре близки к ГВ. Несмотря на то что теория Вильямса не нашла поддержки у современных исследователей, роль грибов и выделяемых ими ферментов в процессе гумификации в настоящее время можно считать достоверно установленной. В работе [4] показано, что под действием лакказ, выделяемых грибами и лишайниками, происходит интенсивная трансформация органических веществ, поступающих из отмерших растений и животных, в ГВ.
Таким образом, роль базидиомицетов в гумификации заключается в продуцировании комплекса ферментов, под действием которых может происходить как разложение, так и синтез ГВ – наиболее устойчивой к деградации фракции почвенного органического вещества, представляющей собой основной резервуар органического углерода в наземных экосистемах.
Проведенный анализ выявил возможность использования биотехнологий на основе лигнолитических ферментов базидиальных грибов для переработки отходов целлюлозно-бумажной промышленности по следующим основным направлениям.
Базидиальные грибы могут использоваться при очистке сточных вод для разложения образующейся на целлюлозно-бумажных комбинатах (ЦБК) пульпы и различных красителей, присутствующих в сточных водах. В частности, штаммы базидиальных грибов нашли применение при обработке сточных вод ЦБК [13] и твердых отходов ЦБК, содержащих хлорорганические ароматические соединения [5].
Наибольший интерес для консервации с использованием базидиальных грибов представляют опилки, кородревесные отходы, щепа ввиду повышенного, по сравнению с другими отходами, содержания лигнина, скоп, активные избыточные илы ввиду наличия в них повышенной концентрации опасных хлорорганических соединений – диоксинов. Для этих отходов базидиомицеты являются универсальным биоконсерватором, обеспечивающим не только деградацию лигнина и целлюлозы, но и диоксинов.
При разработке технологий рекультивации загрязненных земель отходами ЦБП особый интерес к базидиальным грибам вызывается их устойчивостью к присутствию в среде тяжелых металлов, что позволяет использовать эти грибы как для очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, так и при комплексных загрязнениях. Согласно данным, полученным в работе [6], базидиальный гриб T. versicolor обладал высокой устойчивостью к Cd, Zn, Ni, Co, Cr, Mo, Pb, Hg, Sn. Кроме того, поглощение металлов грибами может происходить не только вследствие адсорбционных процессов, как в случае бактерий, но также и благодаря активному транспорту металлов в клетки [8; 9]. Указанные особенности базидиальных грибов делают их перспективными биологическими агентами для очистки загрязненных сред, в частности отходами ЦБП.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, государственный контракт от 19 апреля 2013 г. №14.512.11.0067, в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».
Рецензенты:
Аким Э.Л., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров», г.Санкт-Петербург.
Евдокимова Г.А., д.б.н. профессор, заместитель директора по научной работе ФГБУН «Институт промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН», г.Апатиты.