Сельскохозяйственная биология, 2018, том 53, № 1, с. 209-217.
(для цитирования)

doi: 10.15389/agrobiology.2018.1.209rus

УДК 628.355:628.385:573.6.086.835:582.663.2

Работа выполнена при финансовой поддержке программы № 3 Президиума РАН и гранта РФФИ № 14-08-31768.

ДОБАВКИ НА ОСНОВЕ АМАРАНТА БАГРЯНОГО (Amaranthus cruentus L.)
ДЛЯ УСИЛЕНИЯ МЕТАНОГЕНЕЗА ПРИ БИОКОНВЕРСИИ
ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ.

С.Т. МИНЗАНОВА¹, В.Ф. МИРОНОВ¹, Д.Е. БЕЛОСТОЦКИЙ¹,
А.З. МИНДУБАЕВ¹, Л.Г. МИРОНОВА¹, М.С. ГИНС², В.К. ГИНС²,
П.Ф. КОНОНКОВ², В.А. МИЛЮКОВ¹

Метановое брожение, или биометаногенез — образование смеси, состоящей приблизительно из 65 % СH₄, 30 % CO₂, 1 % Н₂S и незначительных количеств N₂, O₂, Н₂ и CO, осуществляется в анаэробных условиях многокомпонентным микробным консорциумом. Его особенность заключается в способности конвертировать в биогаз практически все классы органических соединений, бытовые, сельскохозяйственные и некоторые промышленные отходы. Нами впервые проведена оценка влияния добавок на основе амаранта багряного (Amaranthus cruentus L.) на эффективность процесса получения биогаза из органических отходов. Установлено, что оптимизация субстрата по органическому веществу с использованием фитомассы или жома амаранта, полученного после извлечения всех практически ценных веществ, позволяет производить биогаз из осадков сточных вод, решая экологическую проблему обеззараживания и утилизации отходов, а также энергетическую задачу получения дешевого возобновляемого источника топлива. Амарант багряный — высокоурожайная культура, для которой характерно высокое содержание белка. Его биомасса служит промышленно воспроизводимым растительным сырьем. В результате цикла исследований по разработке оригинальных способов получения рутина, растительного белка, пектина на основе A. cruentus нами предложена схема комплексной переработки, включающей экстрактивное извлечение указанных веществ из высушенной фитомассы растения в едином технологическом цикле. Жом амаранта после извлечения всех ценных соединений был предложен в качестве косубстрата для анаэробного сбраживания органических отходов. Влияние добавок амаранта на получение биогаза моделировали в лабораторных условиях, используя в качестве субстрата крупнотоннажный осадок сточных вод (ОСВ) с городских очистных сооружений. Выявлена зависимость эффекта от количества добавки (избыток фитомассы амаранта 74 % и 87 % подавлял метаногенез). Изучение сбраживания ОСВ после фильтр-пресса (влажность 45 %) в мезофильном (37 °С) и термофильном (50 °С) режимах с добавлением жома амаранта показало преимущество термофильного режима (удельный выход биогаза составил 354 мл/г сухого вещества). Кроме того, в присутствии амарантового жома продуктивность биометаногенеза в мезофильном режиме тоже повышалась на 87,0 %, при этом практически отсутствовала лаг-фаза, содержание СH₄ в течение всего эксперимента составляло около 60 %, а удельный выход биогаза достигал 251,9 мл/г сухого вещества, или ∼ 0,25 м³ биогаза из 1 кг сухого вещества органического сырья. С целью поиска активной фракции фитомассы амаранта провели серию экспериментов с экстрактами амаранта при использовании растворителей различной полярности — дихлорметана, 70 % водного этанола и дистиллированной воды. Установлено, что в случае экстрактов CН₂Cl₂ и EtOH лаг-фаза сокращалась до 10 сут, что сопоставимо с действием фитомассы амаранта. Очевидно, в этих экстрактах содержатся компоненты, которые либо подвергаются быстрой деструкции под влиянием сообщества микроорганизмов, превращаясь в биогаз, либо способствуют росту бактерий. При добавлении дихлорметанового экстракта к субстрату происходило наиболее эффективное выделение биогаза, что согласуется с данными литературы. Полученные результаты указывают на экологическую и экономическую целесообразность использования жома амаранта при утилизации органических отходов.

Ключевые слова: Amaranthus cruentus L., амарант, метаногенез, косубстрат, экстракт фитомассы амаранта, биогаз, осадок сточных вод, жом амаранта.

Полный текст

MATERIALS DERIVED FROM Amaranthus cruentus L. USED AS
CO-SUBSTRATES CAN INTENSIFY METHANOGENESIS DURING
BIOCONVERSION OF ORGANIC WASTE

S.T. Minzanova¹, V.F. Mironov¹, D.E. Belostotskii¹, A.Z. Mindubaev¹,
L.G. Mironova¹, M.S. Gins², V.K. Gins², P.F. Kononkov², V.A. Milyukov¹

Methane fermentation (biomethanogenesis) performed by a multicomponent microbial consortium under anaerobic conditions results in a mixture of approximately 65 % СH₄, 30 % CO₂, 1 % Н₂S and minor amounts of N₂, O₂, Н₂ and CO. The peculiarity of biomethanogenesis lies in the ability to convert almost all classes of organic compounds, household, agricultural and some industrial waste into biogas. We were the first to assess the efficiency of the biogas production from organic waste as influenced by various materials derived from amaranth (Amaranthus cruentus L.) which were used as co-substrates. Our findings indicate that optimization of the substrate organic matter composition by using dry phytomass of amaranth plants or amaranth pulp which remains after removing all practically valuable substances makes it possible to produce biogas from sewage sludge. This facilitates solving ecological problems of waste disinfection and utilization, and gives us an alternative, cheap and renewable source for fuel. Cultivated A. cruentus is a high-yielding protein-rich crop. Its biomass serves as a reproducible raw material. In our previous works, we reported the technology for rutin, vegetable protein and pectin production from A. cruentus plants, and suggested a scheme for complex processing which includes extraction of these substances from amaranth dry phytomass in a single technological cycle. The pulp obtained after extraction of all valuable compounds was proposed as a co-substrate for organic waste anaerobic fermentation. We modeled the effect of amaranth-derived substances on biogas production in the laboratory bioreactor using large-tonnage urban sewage sludge as a substrate. It was shown that the doses of the additives affected the process, i.e. the excess of amaranth plant mass (74 % and 87 %) suppressed methanogenesis. The thermophilic (50 °C) fermentation was found to be superior to the mesophilic one (37 °С), with the biogas production of 354 ml per gram of dry matter, when large-tonnage sewage sludge after filter press (45 % humidity) was fermented using amaranth pulp as the co-substrate. Moreover, in the presence of amaranth pulp, the biomethanogenesis under the mesophilic conditions also increased, the lag phase was almost absent, and the СH₄ level throughout the experiment was about 60 %. As a result, the specific biogas yield reached 251.9 ml per gram of dry matter that is equivalent to ∼ 0.25 m³ of the resultant biogas from 1 kg of organic raw material dry matter. In order to search for the active fraction of amaranth phytomass, we used solvents of different polarity, i.e. dichloromethane, 70 % aqueous ethanol and distilled water. It was found that the lag phase reduced to 10 days with the CН₂Cl₂ and EtOH extracts, which was comparable to that in the presence of dry amaranth phytomass. Obviously, these extracts contain components which either undergo rapid destruction by microorganisms able to turn them into biogas, or contribute to bacterial growth. The dichloromethane extract added to the substrate led to the most efficient biogas production, which is consistent with the literature data. Our findings indicate the ecological and economic feasibility of using amaranth pulp for organic waste bioconversion.

Keywords: Amaranthus cruentus L., amaranth, methanogenesis, co-substrate, amaranth phytomass extracts, biogas, sewage sludge, amaranth pulp.