Масштаб экологических проблем на планете привел к тому, что мировая экономика постепенно переходит от линейной модели (создание, пользование, захоронение отходов) к модели замкнутого цикла или «циркулярной экономике». Суть этой экономической модели заключается в использовании возобновляемых источников энергии и переработке промышленных отходов для производства новой продукции. По большому счету циркулярную экономику можно сравнить с моделью замкнутой природной системы, в которой продукты жизнедеятельности утилизируются и не создают экологических проблем.
Принимая во внимание важность этого подхода, не удивительно, что изменения не обошли стороной ни одну отрасль промышленности, в том числе производство и потребление грибной продукции. Особенно актуально то, что грибные культуры можно использовать для переработки отходов других отраслей промышленности.
Как грибы могут помочь становлению циркулярной экономики?
Один из крупнотоннажных отходов целого ряда производств — лигноцеллюлозная биомасса. Она представляет собой отходы переработки сельскохозяйственных культур (пшеничная солома, ячменная солома, кукурузная солома, овсяная солома, стебли кукурузы и т.д.) или их побочные продукты (отработанное зерно пивоварения, пульпа сахарной свеклы, пшеничные отруби, рисовые отруби, жмыхи и т.д.). Эти материалы можно подвергать биопереработке для производства биотоплива, которое может послужить альтернативой химическим веществам и топливу из ископаемых ресурсов. Но чтобы полностью реализовывать экономический потенциал лигноцеллюлозной биомассы, все ее структурные составляющие (целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин) должны использоваться в промышленности. Это невозможно без предварительной обработки сырья [1].
С точки зрения экологии, биологическая предварительная обработка лигноцеллюлозной биомассы является более безопасным технологическим процессом, по сравнению с химическими, физическими или термохимическими методами, хоть и занимает больше времени [2]. Помимо экологичности и энергоэффективности, еще одно важное преимущество биологической обработки — отсутствие образования побочных продуктов, особенно фенольных веществ. Это органические вещества, которые могут подавлять последующие процессы ферментации [3].
Эффективным способом предварительной биопереработки лигноцеллюлозы может стать использование грибов, которые вызывают белую гниль древесины, в частности Trametes versicolor (Траметес разноцветный). Гриб выделяет ферменты, которые способны разлагать лигноцеллюлозу с одновременной трансформацией фенольных производных.
Преимущества использования траметеса цветного
Благодаря предварительной обработке траметесом цветным, лигноцеллюлозная биомасса может использоваться для производства продуктов с высокой добавленной стоимостью, в том числе кормов и продуктов питания, и биотоплива. Кроме того, при использовании траметеса образуются богатые лакказой ферментные экстракты, которые могут применяться в биотехнологии и различных природоохранных схемах, в частности очистке сточных вод.
В чем трудности применения траметеса цветного?
К сожалению, применение траметеса в промышленных масштабах осложняется высокой стоимостью и токсичностью окислительно-восстановительных медиаторов. Это органические и неорганические химические вещества, необходимые для реакции окисления нефенольных веществ наиболее известным ферментом траметеса — лакказой.
По этой причине ученые заняты поиском новых, недорогих и менее токсичных медиаторов. На сегодняшний день исследователи рассматривают ряд продуктов разложения лигнина — компонента одревесневших оболочек растительных клеток. Уже известны успешные случаи использования ванилина, полученного из лигнина, в качестве природного медиатора в химических реакциях обработки лигноцеллюлозы, катализируемых лакказой [4]. Возможно, в скором времени грибная промышленность сможет глобально послужить на благо циркулярной экономики и экологии в целом.
Статья подготовлена с использованием материалов Михаила Владимировича Вишневского.
Источники:
- Hassan S.S., Williams G, A., Jaiswala A.K. Emerging technologies for the pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresourсe Technology, 2018, v. 262, pp. 310-318.
- Sindhu R., Binod P., Pandey A. Biological pretreatment of lignocellulosic biomass – An overview. Bioresource Technology, 2016, v. 199, pp. 76–82.
- Vu H.P., Nguyen L.N., Vu M. et al. A comprehensive review on the framework to valorise lignocellulosic biomass as biorefinery feedstocks. Scence of the Total Environment, 2020, v. 743.
- Giacobbe S., Pezzella C., Lettera V. et al. Laccase pretreatment for agrofood wastes valorization. Bioresource Technology, 2018, v. 265, pp. 59–65.