Введение к работе
Актуальность проблемы. Агропромышленная деятельность человека
является источником большого количества органических отходов,
этрицательно влияющих на экологическую обстановку в природной
среде. В связи с этим, их эффективная обработка является одной из
зажнеиших проблем современной цивилизации. В ряду природоохранных
технологий, анаэробные биологические способы очистки считаются
миболее приемлемыми. В настоящее время перспективные
эиотехнопогические методы анаэробной переработки промышленных и сельскохозяйственных отходов направлены не только на решение іроблемн сохранения экологического равновесия, но также на снижение энергетических затрат на подогрев биогазовых установок. Проведение іроцесса метанового сбраживания различных органических отходов при температуре окружающей среды в условиях активной жизнедеятельности юихротрофных микроорганизмов позволяет успешно совмещать решение саких задач.
Повышенный интерес к изучению деятельности различных
шкроорганизмов, способных развиваться при низких температурах
збъясняется также большой экологической значимостью
пззкотемпературных микробных экосистем в биосфере земли, поскольку шачительная часть земной биосферы имеет низкие среднегодовые температуры.
Микробное сообщество, образующее метан, включает в себя >азличные группы микроорганизмов, тесно связанных между собой трофически (Заварзин, 1986). При сбалансированной работе всех его івеньев метан является конечным продуктом. Однако, при различной >еакции функциональных микробных групп на понижение температуры юзможны изменения в трофической структуре сообщества, а :ледоватепьно в направлении его работы. Выявление особенностей >егуляции низкотемпературного метаногенного сообщества, изучение дазиологии отдельных микроорганизмов, входящих в его трофическую гтруктуру необходимо при прогнозировании поведения сообщества в :олодных природных экосистемах, в частности, находящихся под :ильным антропогенным воздействием. Понимание механизмов регуляции
и адаптации метаногенного сообщества в психрофильных условиях является также необходимой теоретической основой для осуществления низкотемпературных процессов анаэробной биологической очистки и энергетически выгодного получения биогаза.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы было изучение деградации различных органических веществ метаногенными микробными сообществами из двух различных антропогенных экосистем при низкой температуре, выделение наиболее характерных для этих условий психроактивных микроорганизмов, входящих в трофическую структуру исследуемых микробных сообществ.
Конкретные задачи исследования включали:
1. Изучение особенностей функционирования метаногенных
микробных сообществ при пониженной температуре и оценку потенциала
сообществ при разложении различных органических веществ с
образованием метана.
2. Изучение особенностей трофической структуры метаногенных
микробных сообществ, развивающихся при низкой температуре.
3. Выделение и описание психроактивных микроорганизмов,
входящих в трофическую структуру метаногенных сообществ.
Научная новизна работы.
Исследован процесс метаногенной деградации различных органических веществ при низкой температуре. Обнаружено, что изменения в трофической структуре анаэробного микробного сообщества, развивающегося при пониженной температуре приводят к перераспределению в потоках вещества.
Показана исключительно важная роль ацетогенеза и его конкурентоспособность по отношению к метаногенезу при разложении органического вещества низкотемпературным микробным сообществом.
Установлено, что в условиях развивающегося сообщества при низкой температуре гомоацетогены выигрывают конкуренцию у метаногенрв за основные субстраты, в частности водород и диоксид углерода. Низкая активность метаногенов приводит к подавлению синтрофных реакций и накоплению в системе различных органических кислот.
Показано, что низкотемпературный метаногенез происходит с приемлемой скоростью лишь при накоплении достаточного количества метанобразующих архебактерий. В исследованных нами экосистемах, лимитированных сульфатами, именно метаногены способны поддерживать уровень Нг, необходимый для работы синтрофной микрофлоры и обеспечивать сбалансированную работу сообщества.
Выделено и описано 3 новых вида психроактивных микроорганизмов: 2 гомоацетогена, представителей рода Acetobacterium и сахаролитическая бактерия, отнесенная к роду Clostridium.
Практическая значимость исслепования. Получена аклимированная микробная ассоциация, способная сбраживать навоз крупного рогатого скота при бС с образованием метана. Показано, что основным препятствием для проведения процесса при низких температурах является длительный период адаптации микробного сообщества, который устраняется добавлением психроактивной закваски. Исследована активность полученной метаногенной ассоциации в различных температурных условиях. Даны рекомендации по ее получению.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Всесоюзной конференции "Микробиологические процессы при промышленной переработке сельскохозяйственного сырья" . (Пущино, 1990), на б-ом Международном симпозиуме "Анаэробное сбраживание" (Сан-Паулу, Бразилия, 1991), на Всесоюзном симпозиуме "Микробиология охраны биосферы в регионах Урала и Северного Прикаспия" (Оренбург, 1991), на 7-ом Международном симпозиуме "Микробный рост на С1-соединениях" (Варвик, Великобритания, 1992), на 7-ом Международном симпозиуме "Анаэробное сбраживание" (Кейптаун, ЮАР, 1994), на международном совещании "Биологическое и технологическое значение микробной адаптации к экстремальным температурам и давлениям" (Брюссель, Бельгия, 1994) и на международном рабочем совещании EERO "Метаногенез в охране экружающей среды" (Санкт-Петербург, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ (7 статей и 9 тезисов).
Объем и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на страницах машинописного текста, включая 44 рисунка и 10 таблиц. Диссертация состоит из разделов "Введение", "Обзор литературы", "Экспериментальная часть" (включающая главы "Объекты и методы исследования" и "Результаты исследований и их обсуждение"), "Заключение", "Выводы" и "Список литературы" ( наименований).