Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

THE USEING OF LIGNINOTSELLYULOZING BIOCATALYTIC PROCESSES FOR INTEGRATED WASTE TREATMENT OF PULP AND PAPER INDUSTRY. FUNDAMENTAL AND APPLIED ASPECTS

Koroleva O.V. 1 Fedorova T.V. 1 Lukina N.V. 2 Tebenkova D.N. 2 Vorobev R.A. 2
1 Bach Institute of Biochemistry RAS
2 Centre for Forest Ecology and Productivity RAS
В обзоре представлен анализ современного состояния использования биокаталитических процессов лигноцеллюлозного действия для переработки отходов целлюлозно-бумажного производства. 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, включая отходы целлюлозно-бумажной промышленности. Рассмотрены возможные направления использования биотехнологий на основе лигнолитических ферментов базидиальных грибов для переработки отходов целлюлозно-бумажной промышленности.
The analysis of the current state of biocatalytic processes using lignocellulosic waste processing steps for the pulp and paper industry. At present, around the world, intensive development of biotechnology-based enzymes lignolytic basidiomycetes as for the treatment of lignocellulosic materials, and for the utilization of lignin-containing waste. Basidiomycetes white-rot pathogens of wood, belong to a small group of microorganisms capable of destroying the lignin, and has a unique system of ligninolytic enzymes, laccase, lignin peroxidase and manganese. It is known that certain higher basidiomycetes destructors timber has a unique mechanism of detoxification as lignin degradation products and xenobiotics. In this regard, basidiomycetes are widely used in industrial waste processing, including waste water and soil.
biocatalytic processes of lignocellulosic actions basidiomycetes
pulp and paper industry

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.