Состав микробного сообщества пищевых отходов до анаэробного сбраживания

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12703 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Анаэробное сбраживание широко используется для переработки и извлечения пользы из пищевых отходов. Коммерческие предприятия по анаэробному сбраживанию пищевых отходов стремятся повысить эффективность процесса, чтобы обеспечить более высокую производительность. Информация о составе микробных сообществ пищевых отходов до их переработки ограничена, что ограничивает рациональное использование каталитического потенциала микроорганизмов в процессах предварительной обработки. Чтобы восполнить этот пробел в знаниях, бактериальные и грибковые сообщества в образцах пищевых отходов из коммерческого предприятия по анаэробному сбраживанию в течение 3 месяцев характеризовались. Обилие бактериальных генов 16S рРНК было примерно на пять порядков выше, чем обилие последовательности грибкового межгенного спейсера (ITS), что позволяет предположить численное доминирование бактерий над грибами в пищевых отходах до анаэробного переваривания. Представлены доказательства массового размножения бактерий в пищевых отходах при хранении до анаэробного сбраживания. Состав бактериального сообщества со временем меняется, но линии семейства Lactobacillaceae неизменно доминируют. Содержание азота и pH коррелируют с вариациями сообщества. Эти результаты закладывают основу для понимания микробной экологии пищевых отходов и открывают возможности для дальнейшего улучшения производительности анаэробного сбраживания.

В 2017 году во всем мире было произведено 2 миллиарда тонн твердых бытовых отходов. При этом 84% было собрано, и только 15% было переработано1. Примерно 60% этого потока отходов являются органическими2 и могут подвергаться анаэробному переработке для получения энергии. Согласно отчету правительства Австралии об образовании отходов за 2018 год, 87% пищевых отходов было выброшено на свалку, что создало проблемы со свалочным газом и фильтратом. Только 1% пищевых отходов направлялся на предприятия по рекуперации энергии3. Неправильное обращение с органической фракцией бытовых отходов может привести к образованию парниковых газов, свалочного фильтрата и других вредных продуктов в результате неконтролируемого разложения органических отходов4, 5. Свалочный газ и фильтрат вредны для окружающей среды и вызывают проблемы безопасности6, 7. Разработано анаэробное сбраживание (АД) органических отходов может снизить нагрузку на свалки за счет сбора биогаза и питательных веществ из органических отходов. В этом исследовании основное внимание уделяется доле пищевых отходов в потоке органических отходов.

Анаэробное пищеварение основано на микроорганизмах, которые разлагают органические вещества в отсутствие кислорода8. Процесс пищеварения включает четыре стадии (гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез), каждая из которых осуществляется разными группами микроорганизмов. Сложные пищевые матрицы внеклеточно гидролизуются до более простых соединений, затем подкисляются и ацетифицируются, которые затем в конечном итоге ферментируются бактериями до ацетата, углекислого газа и дигидрогена9. Эти продукты затем служат субстратами для производства метана метаногенными архей10. Коммерческие системы анаэробного сбраживания оптимизировались на протяжении десятилетий с упором на более высокие выходы биогаза, более высокое соотношение метана: углекислого газа и более низкие выходы остаточных твердых веществ11. Редко уделялось внимание увеличению производительности варочного котла, несмотря на экономический компромисс, который может предложить увеличенная загрузочная способность12. Это удивительно, учитывая, что большая часть доходов предприятий AD поступает от платежей за вывоз пищевых отходов. Таким образом, увеличение скорости загрузки варочного котла повышает финансовую рентабельность таких предприятий и позволяет отводить больше органических отходов со свалок.

Пища имеет связанное с ней микробное сообщество и очень восприимчива к абиотическому разложению и биоразложению. Гибель начинается, как только пища собирается, обрабатывается или производится. Установки анаэробного сбраживания получают пищевые отходы на ранней стадии разложения от все более активного местного микробного сообщества13. Несмотря на потенциал микробного сообщества, свойственного пищевым отходам, играть роль в последующем анаэробном сбраживании, имеются ограниченные данные о микробном сообществе сырья пищевых отходов (пищевые отходы до анаэробного сбраживания) для предприятий AD. Например, неизвестно разнообразие и однородность бактериальных и грибковых сообществ в пищевых отходах, а также то, как на состав микробного сообщества влияют параметры окружающей среды, такие как pH, содержание воды и содержание элементов. Учитывая, что состав пищевых отходов может различаться, разумно ожидать, что состав микробного сообщества также варьируется, хотя это никогда не исследовалось.