3.1. Микроорганизмы, участвующие в биоконверсии отходов

В природе существует огромное количество микроорганизмов, активно разлагающих целлюлозы до более низкомолекулярных соединений. Представители целлюлолитических видов встречаются среди бактерий, актиномицетов и микромицетов. Более изучены представители грибов Aspergillus и Trichoderma, - продуценты наиболее активных целлюлаз, используемых в промышленных производствах ферментных препаратов.

Среди бактерий наиболее активно разлагают целлюлозу представители рода Clostridium. Особенно термофильные этанологенные анаэробные бактерии C. thermocellus, C. thermohidrosulfuricum. Последний представитель является экстремально термофильным; C. thermocellum - активный целлюлолитик. Они широко распространены в природе и могут быть выделены из почвы, термальных источников, ила, навоза и гниющего органического субстрата.

C. thermocellum - облигатный анаэроб, термофил, развивается в диапазоне (opt.) температур 60-65°С, использует целлюлозу, гемицеллюлозу и целлобиозу с выделением в процессе метаболизма этиловый спирт, уксусную и молочную кислоты, водород и углекислый газ, причем этанол - агрегатное отношение близко к 1:1. Он является самым быстрорастущим целлюлолитическим микроорганизмом, известным на сегодняшний день - время генерации составляет 6-7 ч. В природе C. thermocellum образует обычно устойчивые синантрофные ассоциации с другими бактериями. Они активно расщепляют целлюлозу и сложные субстраты: делигнифицированную целлюлозную пульпу и обработанную паром древесину.

Характерным является, что при культивировании на целлюлозе различных штаммов C. thermocellum, они образуют целлюлазный комплекс, 95% которого является экстрацеллюлярным и состоящим из ферментов, разрушающих целлюлозную и гемицеллюлозную фракции растительных субстратов: эндо-b-глюканазы, экзо-b-глюканазы и экзо-b-глюкозиды (Saraswathu etal. 1993). Однако целлюлазная система C. thermocellum отличается как от грибной (Trichoderma viride или T. reesei), так и от аэробной бонитермальной системы (Cellulomans). Целлюлаза Clostridium разрушает микрокристаллическую целлюлозу вдвое медленнее, чем фермент, например, гриба Seesei (Zeikus, 1982).

Для улучшения продуктивности прямой биоконверсии лигноцеллюлозных субстратов вводят в состав смешанной пульпы целлюлолитических бактерий микроорганизмы с делигнифицирующей способностью. Среди них выделяют: базидиальные грибы бурой и мягкой гнили, вызывающие гниение древесины, грибы белой гнили, способные полностью разрушать лигнин, используя его в качестве единственного источника углерода (Pleurotus, Pycnospurus и др.), представители аскомицетов и несовершенных грибов, а также актиномицеты. Среди бактерий особое внимание привлекают роды Corynebacterium, Pseudomonas, Clebsiella, Fleromonas; последний - разлагал 98% промышленного лигнина за 5 суток (Лобанок и др., 1988).

На сегодняшний день сведения о практике совместного культивирования лигнолитических микроорганизмов с целлюлозоразлагающими отсутствуют. Поэтому отходами биоконверсии целлюлозосодержащего сырья являются лигнин, побочным продуктом - диоксид углерода, который образуется в достаточно большом количестве и может использоваться как товарная форма в сжиженном состоянии. Лигнин, составляющий 10-40% исходного сырья, может быть использован в качестве твердого топлива, структуратора почв, субстрата для культивирования некоторых базидиальных грибов, а также в качестве сырья для производства экологически чистого (незакисленного) фармацевтического адсорбента.

Решающее значение для процесса биоконверсии имеет стадия ферментации. Оптимизируя ее, можно интенсифицировать процесс биоконверсии целлюлозосодержащего сырья, повышая тем самым экономическую эффективность технологии в целом.

Потенциальная сырьевая база для процесса биоконверсии как способа утилизации промышленных целлюлозосодержащих отходов весьма разнообразна. Промышленные целлюлозосодержащие отходы представляют собой комплексные субстраты, в составе которых, наряду с целлюлозой и прочими углеводами, присутствуют вещества ароматического ряда и даже различные токсичные компоненты. Безусловно, это не может не отразиться на ходе утилизации этих субстратов микроорганизмами, не исключено ингибирование развития бактерий некоторыми компонентами сырья. Поэтому при использовании различных целлюлозосодержащих субстратов степень конверсии сырья будет отличаться.