Органические отходы животноводства могут загрязнять окружающую среду, а могут стать возобновляемым источником энергии. Сточные воды и навоз можно переработать в биогаз — перспективное топливо для производства электроэнергии и отопления ферм. Исследователи ФИЦ Биотехнологии РАН нашли способ увеличить выработку метана из отходов свиноферм в биореакторе на 45,9%. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах Chemical Engineering Journal.
По оценкам за 2025 год, в России было произведено больше 6 миллионов тонн свинины, что полностью покрывает потребности страны в этой продукции. Одновременно со стабильным ростом сектора увеличивается и количество отходов со свиноферм — навоза и сточных вод. Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН вместе с коллегами из других научных институтов России и Китая изучили один из способов превратить эти отходы из угрозы для окружающей среды в топливо — биогаз.
Переработка отходов с ферм обычно начинается с разделения на твердые и жидкие компоненты: первые можно компостировать, а вторые становятся сырьем для возобновляемого энергоносителя. Биогаз получают при помощи анаэробного сбраживания, во время которого микроорганизмы разлагают органику в бескислородной среде. В итоге образуется смесь метана и углекислого газа (биогаз), а оставшиеся компоненты можно использовать как удобрение. Анаэробное сбраживание — это многоступенчатый процесс: сначала образуются летучие жирные кислоты, потом они перерабатываются в метан и углекислый газ. Микроорганизмы, которые участвуют в процессе на разных этапах, требуют разных условий для роста, поэтому их можно разделить по разным биореакторам, чтобы побочные продукты одних реакций не мешали другим.
«Биотехнологи постоянно ищут способы оптимизировать этот процесс, сделать его быстрее и эффективнее. Например, чтобы микроорганизмы давали больше конечного продукта, можно усилить прямую передачу электронов между бактериями, которые перерабатывают летучие жирные кислоты, и археями, производящими метан. В нашей работе мы испытали несколько материалов, способных стимулировать перенос электронов», — рассказала ведущий автор статьи Елена Журавлева, научный сотрудник лаборатории микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН.
Межвидовой перенос электронов помогает разным микроорганизмам сообща получать энергию из химических реакций, которые они не могли бы запускать и ускорять друг без друга. Передавать электроны от клетки к клетке можно как через специальные структуры и белки, так и через неорганические материалы-проводники. Однако на подложке из таких материалов микроорганизмы образуют сложные колонии в виде биопленки. Такая форма сообщества позволяет перерабатывать летучие жирные кислоты в метан более эффективно, чем если бы те же клетки просто находились в растворе.
Биотехнологи испытали разные типы подложек, чтобы понять, нужны ли для анаэробного сбраживания материалы, которые проводят ток, или же требуется просто субстрат, на котором биопленка может расти. Микроорганизмам в биореакторе «предложили» в качестве проводников углеродный войлок (нетканый материал из углеродных волокон) и сетку из стали, а также их аналоги-изоляторы — войлок из полиэстера и сетку из стекловолокна. В каждом варианте использовались сточные воды со свиноферм с высоким содержанием органики, и особенно летучих жирных кислот.
Лучше всего показал себя углеродный войлок: на нем микроорганизмы при высоких нагрузках производили на 45,9% больше метана, чем в контрольной группе без материала. Метагеномный анализ биопленки, выросшей на углеродном войлоке, показал, что 15,9% микробного сообщества несут гены для внеклеточного переноса электронов. В их числе – археи Methanoculleus и бактерии из типов Bacillota и Chloroflexota. Присутствие таких микроорганизмов, вероятно, одна из ключевых причин повышенной продуктивности реактора. При этом биоплёнка была пронизана множеством пилей – белковых структур для передачи электронов между клетками.
«Углеродный войлок стал не просто лучшим материалом-проводником для передачи электронов. Он стал функциональной основой, на которой сформировалась экосистема микроорганизмов, приспособленная к совместной работе и наиболее эффективному производству метана. Наши результаты помогут оптимизировать переработку отходов животноводства в биореакторе, чтобы получать больше зелёного топлива», — говорит соавтор работы, заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН Юрий Литти.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
