544
Лушпиння рису — один із найпоширеніших сільськогосподарських відходів у світі й водночас один із найважчих для утилізації. Щороку під час виробництва близько 750 мільйонів тонн рису утворюється приблизно 150 мільйонів тонн цього жорсткого захисного шару. Нова робота, опублікована в журналі BMC Environmental Science, показує: якщо поєднати помірне нагрівання, ферменти та коротку ферментацію, звичайні личинки чорної львинки здатні перетворювати значну частину цього відходу на білкову масу та органічне добриво. Про це повідомляє Scienmag.
Лушпиння складається на 50–70% із діоксиду кремнію, на 20–25% з лігніну та на 30–40% із целюлози. Така композиція робить його майже несприйнятливим до біологічного розкладу. У багатьох рисівничих регіонах надлишки просто спалюють, викидаючи в повітря діоксид сірки та дрібний пил, забруднюючи ґрунт і воду важкими металами. Якщо ж лушпиння залишити гнити, воно виділяє метан, потужний парниковий газ.
Чому саме личинки чорної львинки
Команда на чолі з Даніелем Дзепе (Daniel Dzepe) з Міжнародного інституту тропічного сільського господарства в Беніні разом із колегами з AfricaRice, Вагенінгенського університету та Шведського університету сільськогосподарських наук зосередилася на личинках чорної львинки, Hermetia illucens. Ці комахи стали «улюбленцями» колової економіки: вони поїдають органічні відходи й перетворюють їх на білкову біомасу, придатну для кормів, а також залишають по собі фрас — поживний залишок, який працює як органічне добриво.
Однак із волокнистими, лігноцелюлозними матеріалами, як-от лушпиння рису, личинки дають собі раду погано. Лігнін утворює фізичний бар’єр навколо целюлози та геміцелюлози, роблячи такий субстрат майже неперетравним і різко знижуючи ефективність біоконверсії, якщо лушпиння не обробляти.
Чотири варіанти попередньої обробки
Щоб «зламати» цей бар’єр, дослідники розробили чотири стратегії попередньої обробки лушпиння й порівняли їх із необробленим контролем, кожен варіант — у трьох повторах.
- У першому варіанті до змеленого й зволоженого лушпиння додавали ферменти: 1% целюлази, 1% пектинази або їхню суміш загальною концентрацією 1%.
- Другий варіант доповнював це 24-годинною ферментацією при близько 30 °C у прикритих перфорованих контейнерах з аеробними умовами.
- У третьому спочатку нагрівали лушпиння до 100 °C протягом години в скороварці, контрольуючи температуру щупом, а вже потім додавали ферменти.
- Четвертий поєднував усі три кроки — нагрівання, внесення ферментів і подальшу ферментацію.
Жодних спеціально доданих мікроорганізмів для ферментації не використовували, але дослідники зазначають, що власна мікрофлора лушпиння й довкілля, ймовірно, брала участь у гідролізі.
Вибір ферментів спирався на будову рослинних клітинних стінок. Целюлаза — це суміш трьох ферментів, які спільно розщеплюють целюлозу до простих цукрів, доступних для засвоєння личинками. Пектиназа ж атакує пектин — «клей», що скріплює волокна целюлози, й теоретично має полегшувати доступ до поживних речовин.
Як проводився експеримент
На кожен варіант попередньої обробки брали по 300 грамів субстрату та одноразово згодовували його 200 шестиденним личинкам у невеликих пластикових контейнерах. Навантаження становило 1,5 грама субстрату на одну личинку при щільності 0,8 личинки на квадратний сантиметр. Компостування тривало 15 днів при кімнатній температурі.
Дослідників цікавили насамперед ефективність біоконверсії (яка частка твердих речовин переходить у біомасу личинок), ступінь зменшення маси субстрату, приріст маси личинок та їхня виживаність.
Найкращий рецепт: тепло, целюлаза і ферментація
Результати виявилися разючими й дуже залежали від комбінації процедур. Найуспішнішим став варіант, де лушпиння спочатку нагрівали, потім обробляли целюлазою і піддавали добовій ферментації. Такий підхід дав біоконверсію на рівні 34,8% від загальної маси твердих речовин: понад третина перетравної частини лушпиння перетворилася на біомасу личинок.
Нагріте лушпиння, оброблене лише целюлазою без ферментації, забезпечило близько 28% біоконверсії та 92,5% зменшення маси субстрату. Навіть проста добавка целюлази без попереднього нагрівання поліпшувала показники порівняно з контролем: ефективність зросла з менше ніж 5% до 7,9%, а редукція субстрату — з 61 до 71,2%.
Вихід личинок підтвердив цю картину. У варіанті з нагріванням, целюлазою й ферментацією в середньому отримували 39 грамів личинок із однієї порції субстрату проти лише 14 грамів на необробленому лушпинні. Кінцева маса окремих личинок у найкращих режимах сягала 220–240 міліграмів.
Небезпечні побічні ефекти ферментації
Втім, не всі методи були корисними. Ферментація лушпиння без попереднього нагрівання виявилася катастрофічною для комах. Смертність личинок перевищувала 96% у ферментованому лушпинні з доданою целюлазою, з пектиназою та з їхньою сумішшю, а в одному з варіантів усі личинки загинули раніше п’ятого дня.
Автори припускають, що під час ферментації сирого лушпиння утворювалися інгібувальні сполуки, зокрема біогенні аміни, які з’являються при мікробному розщепленні амінокислот. Коли ж лушпиння перед цим нагрівали, смертність різко спадала — у найкращому випадку до менш як 10%. Імовірно, більш повне руйнування органічної матриці під час нагрівання запобігало утворенню токсичних побічних продуктів.
Пектиназа загалом показала себе гірше за целюлазу, а деякі поєднання з нею ще й погіршували виживаність личинок. Це підкреслює, що важлива не лише наявність ферментів, а й їх правильний підбір.
Порівняння з іншими відходами та економіка
У ширшому контексті отримані значення виглядають конкурентними. Наприклад, у попередніх роботах із соломою пшениці паровий вибух при 185 °C та подальший ферментативний гідроліз підняли біоконверсію личинками чорної львинки лише з приблизно 5 до 16%. Інші досліди показували, що нагрівання бананових шкірок під тиском до 120 °C може навіть знизити ефективність через вивільнення фенольних речовин. Режим нагрівання до 100 °C без тиску, застосований у Беніні, очевидно, уникає цієї проблеми для лушпиння рису.
Є й паралелі з роботами, де лужна обробка рисової соломи збільшувала вихід личинок на 32%, а ферментні коктейлі покращували переробку овочевих відходів на 22%, хоча останні, як менш волокнисті, взагалі не потребували попередньої обробки. Склад субстрату, особливо вміст білка та клітковини, залишається ключовим чинником успішності вирощування личинок.
Далі дослідники звернулися до економіки найкращого варіанту обробки, рахуючи на 1 кілограм сирого лушпиння. Вихід склав 0,35 кг личинок і 0,42 кг фрасу з кілограма лушпиння. При ціні личинок 1,50 долара за кілограм і фрасу 0,20 долара сумарні доходи становили 0,61 долара, а витрати на переробку — 0,85 долара, головним чином через ферменти й оплату праці. Отже, чистий результат — збиток у 0,24 долара на кілограм переробленого лушпиння.
Втім, аналіз чутливості показав можливі шляхи виходу в плюс. Підвищення ринкової ціни личинок до 2,50 долара за кілограм збільшило б виручку до 0,96 долара й дало б близько 0,11 долара прибутку. Скорочення витрат на працю наполовину завдяки автоматизації або масштабуванню зменшило б витрати приблизно на 0,25 долара за кілограм, а оптове закупівля або локальне виробництво целюлази могли б істотно здешевити ферментну частину. Автори також очікують, що економія від масштабу додатково знизить собівартість.
Що далі
Дослідження не проголошує технологію готовою до ринку та наголошує на обмеженнях пілотної оцінки, заснованої на низці припущень і локальних цінах у Беніні. Науковці закликають до подальших робіт із використанням інструментальних методів, таких як Фур’є-інфрачервона спектроскопія та високоефективна рідинна хроматографія, щоб безпосередньо відстежувати хімічні й структурні зміни, які попередня обробка вносить у лушпиння, а також до масштабніших випробувань із детальним аналізом ринків.
Попри це, основний висновок досить чіткий: потік відходів, який сьогодні переважно спалюють, забруднюючи повітря й загрожуючи здоров’ю людей, можна з ефективністю майже 35% перетворювати на корм для тварин і добриво. Для рисівничих регіонів, які шукають стійкі рішення з управління відходами, чорна львинка, доповнена правильними хімічними «помічниками», може стати ключем до того, щоб нарешті «перетравити» лушпиння рису.
Тепло і ферментація допомагають личинкам мух перетравлювати лушпиння рису з’явилася спочатку на Цікавості.
