Углеродный войлок увеличил выход метана из стоков свинофермы почти на 46%

Сточные воды свиноферм содержат большое количество органических веществ. Их необходимо очищать, но содержащаяся в них органика может служить и сырьём для производства биогаза. Исследователи ФИЦ Биотехнологии РАН вместе с коллегами из России и Китая проверили, можно ли повысить выход метана при переработке таких стоков с помощью материала, помещённого внутрь биореактора.

В опыте лучший результат дал углеродный войлок. При самой высокой испытанной нагрузке на биореактор выход метана оказался на 45,9% выше, чем в контрольном варианте без добавленного материала. Это результат эксперимента в определённых условиях, а не обещание такого же прироста на любой свиноферме. Работа опубликована в журнале Chemical Engineering Journal.

Зачем биореактору углеродный войлок

Переработка отходов начинается с разделения твёрдой и жидкой составляющих. Твёрдую часть можно направлять на компостирование, а насыщенные органикой стоки — на анаэробное сбраживание. В бескислородной среде разные группы микроорганизмов последовательно разлагают вещества: сначала образуются летучие жирные кислоты, затем другие участники процесса превращают продукты их распада в метан и углекислый газ.

Эти микроорганизмы зависят друг от друга. Чтобы производство метана шло эффективнее, исследователи изучают, в частности, передачу электронов между бактериями, перерабатывающими кислоты, и археями, образующими метан. Материал внутри реактора может помочь им сформировать биоплёнку — сообщество клеток, закрепившихся на одной поверхности.

— 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 исследования, научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН Елена Журавлёва.

Учёные сравнили четыре варианта: проводящие ток углеродный войлок и стальную сетку, а также не проводящие ток войлок из полиэстера и сетку из стекловолокна. Это позволило проверить, что важнее для работы биореактора — способность материала проводить электроны или сама поверхность, на которой могут поселиться микроорганизмы. Для всех вариантов использовали сточные воды свинофермы с высоким содержанием органических, в том числе летучих жирных, кислот.

Что показал анализ биоплёнки

На углеродном войлоке сформировалось микробное сообщество, которое лучше справлялось с производством метана при высокой нагрузке. По данным исследователей, 15,9% микроорганизмов в изученной биоплёнке несли гены, связанные с внеклеточной передачей электронов. В сообществе обнаружили метанобразующие археи рода Methanoculleus и бактерии из групп Bacillota и Chloroflexota. Исследователи также наблюдали многочисленные тонкие клеточные структуры, способные участвовать в передаче электронов.

— 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, — пояснил соавтор работы, заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН Юрий Литти.

Полученные данные помогают понять, как устроить биореактор для переработки стоков с высокой органической нагрузкой. Следующий вопрос — работа такой системы в условиях предприятия. Согласно предоставленным исследователями материалам, на свинокомплексе в Рязанской области, откуда брали стоки для опытов, планируется установить пилотную систему очистки. Сроки её монтажа и результаты испытаний пока не сообщаются. Исследование поддержано Российским научным фондом.