Целлюлоза является главной составной частью всякого растительного материала, и синтез ее по своим масштабам превосходит синтез всех других природных соединений. Сохраняющиеся в почве и возвращающиеся в нее растительные остатки на 40–70 % состоят из целлюлозы.
Целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнин, объединяясь в разных пропорциях, образуют лигноцеллюлозный материал, на долю которого приходится основная часть биомассы, остающейся в огромном количестве в виде отходов сельского хозяйства, деревообрабатывающей промышленности и других отраслей хозяйственной деятельности человека. Лигноцеллюлозные материалы можно разделить на три класса:
Основные биополимеры в подстилке растений
Кроме того, микробные механизмы, участвующие в разложении биополимеров, имеют важные применения для биотоплива, такого как целлюлозный этанол. Ткани растений состоят из разнообразных соединений, включая внутриклеточные компоненты и структурные клеточные стенки биополимеров. Неструктурные компоненты растительной подстилки считаются лабильными, тогда как биополимеры требуют специализированных ферментативных систем для разложения.
Организмы, связанные с разложением растительного мусора
Грибы лучше приспособлены к деградации целлюлозы из-за формы их нитчатой формы. Однако целлюлоза является бактериальной адаптацией, позволяющей адгезию к целлюлозе, что приводит к эффективному целлюлилизу. Деградация лигнина преимущественно осуществляется грибами, потому что их мицелия напрямую контактирует с лигноцеллюлозой, и у них более разнообразные ферментативные способности. Грибковое разложение растительных биополимеров классифицируется по трем категориям; мягкой, белой и коричневой гнили, определяемой их относительной деградацией биополимеров.
1. Сами растения, специально выращиваемые для получения целлюлозы, строительных материалов или корма для скота (хлопок, древесина, сено).
2. Растительные отходы, остающиеся после сбора и переработки урожая и после обработки древесины (солома, рисовая шелуха, древесная щепа, опилки и т. д.).
3. Бытовые отходы (использованные бумага, картон и т. д.).
Мягкие грибковые грибы разлагают целлюлозу и гемицеллюлозу, но лигнин не заметно разлагается, а распад часто локализуется. Коричневая гниль похожа на мягкую гниль, но лигнин только модифицируется, а гемицеллюлозы и целлюлоза селективно удаляются, оставляя за собой коричневый остаток, состоящий из окисленного лигнина. Грибы белой гнили способны разлагать биополимеры всей растительной клеточной стенки.
Ферментативное разложение целлюлозы
Ферментативное разложение гемицеллюлозы
Ферментативное разложение лигнина. На первой стадии разложения лигнина образуются ароматические радикалы путем окисления лигнинового полимера. Лакказы и пероксидазы лигнина представляют собой внеклеточные ферменты, участвующие в этом первом этапе. Лакказы непосредственно окисляют фенольные лигниновые единицы, используя молекулярный кислород. Однако фенольные лигниновые единицы содержат менее 10% полимера лигнина, причем нефенольные единицы составляют до 90% полимера.В разложении (минерализации природных биополимеров) участвуют аэробные и анаэробные микроорганизмы-гидролитики, которые синтезируют ферменты, расщепляющие биополимеры до простых сахаров или жирных кислот (в ходе подготовительного метаболизма). Продукты гидролиза могут поступать в клетки гидролитиков и сопутствующих микроорганизмов и метаболизироваться до СО2 и
Пероксидаза лигнина деградирует нефенольные лигниновые единицы, сначала окисляя перекисью водорода, затем окисляя ароматические ядра растворимых лигниновых единиц. Окисленные ароматические радикалы дополнительно участвуют в неферментативных радикальных реакциях, приводящих к расщеплению полимера. В затененных растительных кофейных плантациях обитают разнообразные леса и введенные деревья, которые, в свою очередь, обеспечивают биомассу в виде мертвой древесины, листовой подстилки, растительных и других остатков.
На самом деле здоровье экосистемы кофейных лесов в значительной степени обусловлено наличием гетерогенной популяции деревьев. Большое количество биомассы на полу леса выступает в качестве предшественника в запуске миллионов микробов для проведения сотен биохимических реакций. Роль организмов разлагающих веществ в превращении сырья в обогащенные энергией соединения и в рециркуляцию питательных веществ и их важность в поддержании потока энергии имеет первостепенное значение для поддержания устойчивости и стабильности внутри экосистемы кофе.
Н 2 О Разложение. целлюлозы в аэробных условиях. В хорошо аэри-
руемых почвах целлюлозу разлагают и используют аэробные микроорганизмы (грибы, миксобактерии и другие эубактерии), а в анаэробных условиях - в основном клостридии. В аэробных условиях значительная роль в разложении целлюлозы принадлежит грибам. Они в этом отношении эффективнее бактерий, особенно в кислых почвах и при разложении целлюлозы, инкрустированной лигнином (древесины). Большую роль играют в этом процессе представители двух родов - Fusarium иChaetomium . Целлюлозу расщепляют также
Микроорганизмы жизненно важны для разрушения мертвого и отброшенного органического материала. Журналы древесины, которые накопились на полу кофейного леса, дезинтегрируются и деградируют в соединения, богатые энергией, полезные для других микроорганизмов, благодаря постоянному обеспечению поддержания баланса энергии.
Процесс биоразложения довольно сложный биологически, биохимически и химически. Основная часть растительных остатков состоит из лигноцеллюлоз. Лигнин нелегко разлагаться, тогда как целлюлоза подвергается воздействию множества микроорганизмов. Распад и минерализация целлюлозы не являются прерогативой любой узкой группы микроорганизмов, но участвуют многие разнообразные организмы. Важно отметить, что только отдельные специфические грибы, актиномицеты и бактерии способны разлагать целлюлозу.
Aspergillus fumigatus, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosumи Myrothecium verrucaria. Три послед-
них вида служат тест-организмами для выявления распада целлюло-
зы, а также при испытании средств, применяемых для пропитки различныхматериаловсцельюпредохранитьихотдействия микроорганизмов, разлагающих целлюлозу. Грибы образуют целлюлазы, которые можно выделить из мицелия и из питательной среды.
В процессе разложения распадающийся материал меняет свой цвет на темно-коричневый. Это, в свою очередь, связано с получением темно-окрашенных пигментов, полученных микроорганизмами, разлагающими целлюлозу, что приводит к черному цвету гумуса. Хорошо известно, что древесина является наиболее распространенным органическим материалом на Земле. Древесина изготавливается в процессе фотосинтеза, и то же самое разлагается дыхательными процессами микроорганизмов. Цикл продолжается и продолжается благодаря биосинтетическим и биодекомпозиционным силам, происходящим в природе.
Cytophaga иSporocytophaga - аэробные бактерии, разлагающие целлюлозу. Среди актиномицетов описано лишь немного целлюлозо-
разлагающих видов: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae,
Streptosporangium.
Целлюлолитическиеферментыпредставляютсобойсложныйвнеклеточный ферментативный комплекс, в который входят следующие ферменты:
эндоглюканаза;
Маслянокислое брожение сахаров и крахмала
В этой статье освещаются основополагающие принципы использования кофейных лесов для размещения ряда микроорганизмов, а именно разложения целлюлозы и многих взаимодействий между почвой и другими ассоциативными компонентами лесного массива, что приводит к устойчивости экосистем и устойчивости почв. Мы надеемся упростить процессы в интересах сельского хозяйства.
Целлюлоза может подвергаться химическому или ферментативному гидролизу с образованием растворимых сахаров. Эти сахара, в свою очередь, могут быть использованы микробами при производстве биотоплива, одноцепочечного белка, метана или других продуктов ферментации. На самом деле технология деградации рафинированной целлюлозы очень продвинута для переработки бумаги, картона, койры, опилок и т.д. развивающиеся и слаборазвитые страны, особенно тропические страны, могут выгодно использовать эти недорогие технологии для преобразования различных низкокачественных древесных субстратов в богатые белками продукты для человека потребление.
экзоглюканаза;
экзоглюкозидаза;
целлобиаза.
Гидролизу целлюлозы предшествует адсорбция целлюлолитических ферментов на лигноцеллюлозном субстрате. Адсорбируемость ферментов зависит как от субстрата, так и от вида микроорганизмов. Этим обусловлены основные различия в скорости гидролиза целлюлозы целлюлолитическими комплексами. Наиболее адсорбируемые ферменты грибов Trichoderma viride иTrichoderma reesei , которые в качестве промышленных препаратов используют для гидролиза целлюлозосодержащего сырья.
Целлюлоза представляет собой углевод, состоящий из единиц глюкозы, связанных в длинной линейной цепи бета-связями на атомах углерода 1 и 4 молекулы сахара. Содержание целлюлозы в растениях, травах, кустарниках, травах и деревьях никогда не фиксируется и концентрация изменяется с возрастом и типом растения. Целлюлоза довольно заметна в древесных веществах и в соломе, щетинке и листьях. По мере роста растения концентрация целлюлозы увеличивается. Проще говоря, концентрация может составлять от 15 до 50 процентов.
Разложение древесины является очень важной частью углеродного цикла природы.
- Микробы выполняют сложную задачу в пошаговом процессе.
- Переработка питательных веществ.
- Усвоение органических отходов.
- Обеспечение продуктивности почвы.
Деструкция целлюлозы возможна и в результате окислительных биокаталитических реакций, протекающих с участием пероксида водорода. Эти реакции имеют большое значение при разрушении лигнина такими грибами белой гнили, как Phanerochaete chrysosporium . Аналогичные окислительные реакции выявлены и у других микроорганизмов, разлагающих целлюлозу:Polyporus adustus ,Trichoderma viride ,Myrothecium verrucaria .
Количество, тип и доступность органического вещества определяют размер и популяцию микроорганизмов в почвенной системе. Природа флоры будет варьироваться в зависимости от химического состава субстрата, на который необходимо воздействовать. В зависимости от имеющегося сырья некоторые микробные группы преобладают в течение нескольких дней, а некоторые другие сохраняют высокую популяцию в течение длительных периодов времени. Каждый отдельный организм имеет комплекс ферментов, который позволяет ему окислять определенный набор химических соединений.
Разложение целлюлозы в анаэробных условиях. В анаэробных условиях целлюлозу расщепляют чаще всего мезофильные и термофильные клостридии. Термофильный вид Clostridium thermocellum растет на простых синтетических средах, используя в качестве субстрата целлюлозу или целлобиозу, а в качестве источника азота - соли аммония; глюкозу и многие другие сахара эта бактерия не утилизирует. Продуктами сбраживания целлюлозы являются этанол, уксусная, муравьиная и молочная кислоты, молекулярный водород и
Доступный азот Температура Содержание углеводов Доля лигнина в растительных остатках Аэрация Влажность. С точки зрения фермеров важно понять, что целлюлозные микроорганизмы присутствуют в изобилии на полу кофейного леса. Дикая догадка, что грибы являются основными агентами деградации целлюлозы по сравнению с бактериями и актиномицетной группой. Во время муссонов базидиомицеты особенно заметны в действии на мертвую древесину, ветви и ветви, которые накопились на полу леса.
Грибы, актиномицеты и аэробные или кислородно-любящие бактерии обычно превращают целлюлозу в два основных продукта, а именно: бензоксид и клеточное вещество. В качестве первого шага микроорганизмы, ответственные за разложение целлюлозы, приводят к ферментативному гидролизу сложного полимера. Ферментная система, которая включает в себя группу различных ферментов, коллективно известных как целлюлаза.
СО2 . Вне клеток целлюлоза расщепляется, вероятно, только до целлобиозы. К сходным продуктам приводит сбраживание целлюлозы мезофильным видомClostridium cellobioparum . Длинная палочкаBacillus dissolvens ведет себя подобно упомянутым выше видамCytophaga :клеткиэтойбактериитесноприлегаюткволокнамцеллюлозы и не выделяют в среду целлюлазы.
Смешанные культуры микроорганизмов разлагают целлюлозу быстрее, чем монокультуры, что обусловлено ассимиляцией накапливаемых продуктов разложения и устранением их ингибирующего действия, а также образованием факторов роста или синергизмом ферментных систем симбионтов, например гемицеллюлаз целлюлолитического организма и систем сбраживания пентоз микроорганизма-симбионта. Поскольку расщепление целлюлозы с помощью целлюлолитических микроорганизмов происходит медленно и часто не до конца, в настоящее время активно ведутся работы по созданию с помощью генной инженерии микроорганизмов, обладающих более высокой целлюлазной активностью.
Целлюлаза катализирует превращение нерастворимой целлюлозы в простые водорастворимые моно - или дисахариды. Аэробная микрофлора метаболизирует простые сахара до углекислого газа, и анаэроб превращает их в органические кислоты и спирты. Поскольку микроорганизмы начинают свою работу по разрушению целлюлозы, они также превращают такие элементы, как азот, фосфор и микроэлементы, в формы, которые могут быть использованы растениями. тем самым обеспечивая кофейную экосистему непрерывным источником питательных веществ.
Микробная последовательность также происходит потому, что каждое создание нового вида изменяет окружающую среду. Разложение листьев и другого органического вещества дает богатую верхнюю почву.
- Определение эффективных штаммов микробов для конкретных агро-климатических мест.
- Культивирование же на простых доступных подложках.
- Определение оптимальной среды для каждого вида.
Лигнин разлагают микроорганизмы, относящиеся к лигнолитической группе. Лигнин практически не усваивается при пищеварении у высших животных; в природе его переработкой заняты различные грибы, насекомые, земляные черви и бактерии. Главную роль в этом процессе играют грибы-базидиомицеты. К ним относятся многие грибы, живущие как на живых, так и на мертвых деревьях, а также грибы, разлагающие листовой опад. Среди лигнинолитических грибов есть съедобные (опенок, вешенка, шампиньон).
Микроорганизмы настолько малы, что они имеют очень высокое отношение площади поверхности к объему. Это позволяет им разрушать сложные субстраты в более простые молекулы. Некоторые микробы поглощают свои питательные вещества через их клеточные мембраны, что приводит к высокой скорости метаболизма. Кроме того, большинство микроорганизмов проявляют быструю скорость размножения за короткий промежуток времени, что приводит к значительным изменениям в среде кофе.
Стратегия, которую необходимо принять фермерскому сообществу, состоит в том, чтобы извлечь выгоду из работы и изобилия целлюлозных разлагающихся при разрушении крупных органических молекул в более простые молекулы, которые могут использоваться биотическим сообществом. Это, в свою очередь, приведет к эффективному использованию возобновляемых ресурсов внутри кофейных лесов с помощью микробиологических процессов, а не невозобновляемых традиционных источников. Это откроет новый путь прогрессивного мышления, где фермеры будут меньше зависеть от синтетических удобрений и химических веществ.
Разрушающие древесину базидиомицеты можно разделить на две группы: 1) возбудители бурой гнили превращают древесину в красновато-коричневую массу; они разрушают главным образом целлюлозные и гемицеллюлозные компоненты древесины и не действуют на фенилпропановые полимеры; 2) возбудители белой гнили разрушают древесину с образованием почти белой массы; они действуют в первую очередь на лигнин и почти не затрагивают целлюлозу. К грибам, разрушающим прежде всего лигнин, относятсяPolystictus versicolor и некоторые другие (например,Stereum hirsutum ). Есть также грибы, действующие одновременно на лигнин и целлюлозу; та-
ковы Pleurotus ostreatus, Ganoderma applanatum, Polyporus adustus,
Armillaria mellea . Разрушение древесины чистыми культурами грибов происходит довольно медленно. Способностью к разложению
лигнина обладают также представители некоторых других родов
(Pholiota, Clitocybe, Lenzites, Panus, Poria, Trametesи др.).
Грибы белой гнили - единственная группа микроорганизмов, разлагающих все компоненты растительной массы, что обусловлено синтезом ими большого набора гидролитических и окислительных ферментов, а также высокой проникающей способностью мицелия в субстрат. Вначале грибы белой гнили разрушают лигноуглеводный комплекс, а затем - лигнин и целлюлозу. Грибы белой гнили деполимеризуют полисахариды до простых сахаров, в результате утилизации которых получают дополнительную энергию для расщепления более стойкого лигнина.
Из биодеструкторов лигнина помимо грибов белой гнили выделяют грибы, разлагающие лесную подстилку, в частности грибы-
базидиомицеты Agaricusbisporus(шампиньон), Coprinuscomatus(ко-
принус) (рис. 22), Stropharia (строфария) и др.
Рис. 22. Плодовые тела Coprinus comatus
(фотография предоставлена Т. В. Тепляковой)
Деградация полимерного лигнина происходит под воздействием внеклеточных ферментов - оксидоредуктаз грибов. К данным ферментам в первую очередь относятся лигнинолитические пероксидазы: лигнин-пероксидаза и Mn-пероксидаза, а также внеклеточная оксидаза - лакказа. Кроме того, лигнинолитичекий комплекс грибов
содержит вспомогательные ферменты, в первую очередь производящие перекись водорода для пероксидаз и активные формы кислорода. Сюда включают такие ферменты, как пиранозооксидаза, глюкозооксидаза, глиоксальоксидаза, целлобиозодегидрогеназа.
Частично разлагают лигнин и прокариоты: актиномицеты рода
Streptomyces, бактерии родов Acinetobacter, Aeromonas, Nocardia,
Pseudomonas . Эти микроорганизмы играют важную роль в деградации лигнина в нейтральной и щелочной зонах почвы, в которых лигнинолитические грибы не могут конкурировать с ними. Актиномицеты участвуют в деметилировании ароматических колец молекулы лигнина, окислении боковых цепей и расщеплении эфирных связей. Они переводят лигнин в растворимое состояние, но полностью его не минерализуют. Бактерии минерализуют лигнин в процессах соокисления, кометаболизма, в частности в присутствии глюкозы. Анаэробные микроорганизмы не разрушают лигнин, но анаэробные бактерии родаClostridium способны трансформировать его алифатическую часть.
Основным продуктом разложения лигнина в природе является гумус. Декомпозиция лигнина в естественных условиях происходит в присутствии других элементов растительной ткани - целлюлозы и гемицеллюлозы. В оптимальных условиях некоторые смешанные культуры микроорганизмов расщепляют лигнин на 40–55 % через 15–20 сут. В аэротенке при очистке сточных вод, образующихся в производстве древесно-волокнистых плит, лигнин распадается в течение 3–5 сут.
Промышленный лигнин, например лигносульфонат, биодеградации поддается труднее. Лигносульфонаты - водорастворимые сульфопроизводные лигнина, образующиеся при сульфитном способе делигнификации древесины - представляют собой натриевые соли лигносульфоновых кислот с примесью редуцирующих и минеральных веществ. Лигносульфонаты имеют высокую поверхностную активность, что позволяет использовать их в качестве ПАВ в различных отраслях промышленности. Механизм разрушения технических лигнинов микроорганизмами, в особенности лигносульфонатов и гидролизного лигнина, сложен и до конца невыяснен.
Биодоступность лигнина можно повысить с помощью обработки его, например, озоном, пероксидом водорода или путем воздействия
жесткого излучения. Изучение биодеградации лигнинсодержащих материалов является актуальным в связи с поиском путей внедрения экологически безопасных биотехнологий в процессах делигнификации древесины, отбелки и очистки сточных вод.
5.2. Проблема создания биодеградируемых пластиков
В России ежегодно образуется около 180 млн м3 твердых бытовых отходов, половину которых составляет пищевая упаковка (бумага, металл, картон, стекло, полимерные материалы и т. д.). Из них только 3 % идет на повторную переработку, а остальные сжигаются или вывозятся на свалки. Однако сжигание - это дорогостоящий процесс, приводящий к образованию высокотоксичных, а также супертоксичных (таких как фураны и диоксины) соединений. Кроме того, под полигоны и свалки твердых бытовых отходов ежегодно отчуждается до 10 000 га земель, в том числе и плодородных, изымаемых из сельскохозяйственного оборота. Сроки, необходимые для разложения тароупаковочных материалов в естественных условиях, могут составлять несколько десятилетий.
Деструкторами полимерных соединений, синтетических тканей и пластиков являются прежде всего грибы с высокоактивными внеклеточными гидролазами, фосфатазами и другими ферментами
(Aspergillus ,Penicillium ,Trichoderma ). Полимерные материалы, со-
держащие амидные и эфирные связи (капрон, нейлон, поролон), разрушаются под действием микробных протеиназ. Присутствие в полимерной молекуле простой эфирной связи облегчает расщепление и дальнейшее использование полимера плесневыми грибами. Первичная колонизация пластиков происходит в результате разрастания колоний грибов на поверхности, проникновения мицелия в толщу материала через микротрещины, а затем начинается агрессивное воздействие ферментов и выделяемых кислот на отдельные компоненты пластиков.
К числу полимерных смол, обладающих повышенной стойкостью к деструкции микромицетами и бактериями, относят полиэтилен, полипропилен, полистирол, жесткий поливинилхлорид, полиамид, полиэтилентерофталат. Менее стойки поливинилацетат, поливиниловый спирт, хлорсульфированный полиэтилен. Пластифика-
торы, входящие в состав пластиков, более подвержены биодеградации,таккакявляютсясмесьюэфировфталевойиадипиновойкислот. Основными деструкторами резины, пластиков и других полимерных соединенийвокислительныхусловияхможносчитатьмикроскопиче-
ские грибы родов Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Cladosporium,
Fusarium, а также бактерии родов Pseudomonas, Streptomyces, Bacillus, Arthrobacter. В термофильных условиях некоторые синтетиче-
ские волокна разрушаются Bacillus subtilis, B. mycoides, Aerobacter aerogenesи некоторыми грибами. Есть данные, что в деградации высокомолекулярных полиэтиленов и нейлонов принимают участие грибы, вызывающие белую гниль (Phanerochaete chrysosporium,
Trametes versicolor ). С помощью ферментного комплекса, гидролизующего лигнин, эти микроорганизмы способны разлагать такие полимеры до растворимых олигомеров в условиях лимитации по углероду и азоту.
О процессах биоразрушения полимеров-ксенобиотиков в анаэробных условиях сведений нет. Только полимеры природного происхождения - полигидроксиалканоаты - могут разлагаться микробными сообществами анаэробных илов очистных сооружений.
Разложение традиционных полимерных материалов продолжается десятки и сотни лет, использование же биополимеров приводит к значительному сокращению этих сроков. Термин «биополимеры» включает в себя широкую гамму полимеров, способных при соответствующих условиях разлагаться на безвредные для природы компоненты. Основная идея получения биоразлагаемых пластиков - повторить природные «циклы развития». В их производстве используются обновляемые ресурсы, т. е. вещества, образующиеся в растениях в процессе фотосинтеза. После использования такие материалы могут быть превращены в компост и с помощью микроорганизмов или других природных факторов переработаны в начальные продукты - воду и диоксид углерода. Материалы из биоразлагаемых полимеров по основным свойствам сходны с традиционными пластиками, однако имеют другие технические характеристики и возможности применения благодаря своей особой химической структуре.
Скорость разложения биополимерных материалов зависит от ряда факторов - вида полимера, влажности, температуры, светового воздействия, микробиологической популяции и др. Наиболее высокой способностью к биодеструкции обладают те природные и синтетиче-
ские полимеры, которые содержат химические связи, легко подвергаемые гидролизу. Присутствие заместителей в полимерной цепи часто способствует повышению биодеструкции, зависящей также от степени замещения цепи и длины ее участков между функциональными группами, гибкости макромолекул и т. д.
Следующий фактор, влияющий на стойкость полимеров к биоразложению, - величина их молекул. В то время как мономеры или олигомеры могут легко поражаться микроорганизмами, биополимеры с большой молекулярной массой более устойчивы к их воздействию. Биодеструкцию большинства технических полимеров инициируют процессы небиологического характера, такие как термическое и фотоокисление, термолиз, механическая деградация и т. п. На биодеградацию синтетических полимеров существенно влияет их надмолекулярная структура. Известно, что компактное расположение структурных фрагментов полукристаллических и кристаллических полимеров ограничивает их набухание в воде и препятствует проникновению ферментов в полимерную матрицу. Это затрудняет воздействие ферментов микроорганизмов не только на главную углеродную цепь полимера, но и на биоразрушаемые участки цепи. Кроме того, аморфная часть полимера всегда менее устойчива к биодеструкции, чем кристаллическая.
Современные биополимеры могут быть получены как из возобновляемых природных ресурсов, так и из традиционного сырья - продуктов нефтехимии. В настоящее время в пищевой промышленности широкое распространение получили пленки на основе таких природных биоразлагаемых полимеров, как целлюлоза, хитозан, желатин, полипептиды, казеин и др. Особый интерес вызывает крахмал как наиболее дешевый вид сырья, основным источником промышленного производства которого служат картофель, пшеница, кукуруза, рис, маис и некоторые другие растения.
Например, голландская компания Rodenburg Polymers уже производит биополимеры марки Solanyl на основе крахмала. Сначала их производили из отходов кукурузы, а позднее - из отходов картофеля. По своим физико-механическим характеристикам они близки к полипропилену (ПП) и полистиролу (ПС). В компосте этот биополимер разлагается менее чем за 12 нед, причем время его полного разложения зависит от состава и технологии получения, а также от условий окружающей среды. Во влажной среде при контакте с бактериями или грибками крахмал набухает, избирательно гидролизуется и
увеличивает площадь поверхности всего полимера. Поверхность покрывается крахмальной камедью и глюкозой, присутствие которых способствует образованию перекисей, вызывающих деструкцию полимерных молекул. Образующиеся молекулы с короткой цепью могут ассимилироваться микроорганизмами почвы.
Термопластичные смеси синтетического полимера с крахмалом получают, используя крахмал, пластифицированный глицерином и водой. Смешение компонентов осуществляют в экструдере при температуре около 150 °С, которая обеспечивает хорошую желатинизацию крахмала. Биоразложению материала способствует использование добавок малых количеств прооксидантов, усиливающих биодеградацию за счет окислительного разложения материала в естественных условиях. Примером такой смеси может служить композиция, в состав которой входит полиэтилен, крахмал и растительное масло. Последнее облегчает смешение синтетического и природного полимера при формовании и одновременно играет роль прооксиданта.
Из биоразлагаемой композиции, содержащей 69,8 % полиэтилена (ПЭ), 30 % крахмала и 0,2 % вспенивающего агента, методом формования или раздува получают контейнеры, мешки, различные чашки, подошвы обуви, сумки и т. п.
Экструзией смесей кукурузного крахмала, микрокристаллической целлюлозы и метилцеллюлозы с добавками пластификаторов (полиолов) или без них получают съедобные пленки, предназначенные для защиты пищевых продуктов от потери массы (за счет снижения скорости испарения влаги). Такие пленки, создавая определенный барьер проникновению кислорода и других веществ извне, замедляют процессы порчи пищевых продуктов.
Разработан процесс получения пленок из полиэтилена высокого давления и полипропилена, содержащих до 30 % полигидроксибутирата, который получают из дешевого сырья - мелассы, являющегося отходом процесса производства сахара. Такие пленки, достаточно прочные и эластичные, разлагаются в почве примерно за 6 мес. Повысить величину биодеструкции пленок из полиэтилена можно путем введения в полимер 10–30 массовых % полиэфира.
В качестве наполнителей для создания биоразлагаемых материалов на основе полиолефинов, в том числе вторичных, термопластичных эластомеров и полиуретана также могут быть применены растительные волокона (волокна льна, пеньки, отходы производства льняной нити, волокна из эфиров целлюлозы).
В настоящее время разработаны натуральные смеси Nature-Comp. для получения биоразлагаемых пленок из полиэтилена высокого давления (ПЭВД). В состав таких смесей входят природные наполнители, полимолочная кислота, сополиэфиры, а также специальная добавка, улучшающая совместимость компонентов смеси, которые добавляют в гранулят ПЭВД, придавая им свойство разлагаться под действием микроорганизмов. Пленки из наполненного ПЭВД получают на традиционном экструзионном оборудовании.
Несмотря на достаточно высокую стоимость биополимеров (4,5–8 дол. за 1 кг), такие материалы уверенно завоевывают массовые потребительские рынки, поскольку используемые для их производства обновляемые ресурсы экономически выгоднее нефтепродуктов. Производители заявляют, что при совершенствовании технологии стоимость биоразлагаемых полимеров (БРП) можно уменьшить до 1,5 дол. за килограмм, что открывает большие перспективы для сельского хозяйства, пищевой, химической и полимерной промышленностей.
Разложение целлюлозы осуществляют различные представители бактерий, грибов и простейших. Все эти микроорганизмы называются целлюлозо- литическими . К целлюлозолитическим грибам относятся представители родов Fusarium, Chaetomium и Neocallimastix, а также виды Trichoderma viride, Aspergillus fumigatus, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Myrothecium verrucaria. Разложение целлюлозы осуществляют простейшие родов Diplodinium, Eudiplodinium, Entodinium. К целлюлозолитическим бактериям относятся:
- аэробные,
- анаэробные виды.
Аэробное расщепление целлюлозы осуществляют представители родов Cytophaga, Sporocytophaga, Polyangium, Sporangium, Bacillus, Actinomyces, Alcaligenes, Cellulomonas, Pectobacterium, Erwinia, Microbispora, Pseudomonas, Streptomyces и Thermomonospora. В анаэробных условиях целлюлозу расщепляют представители родов Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fibrobacter, Thermoanaerobacter и Ruminococcus.
Разложение целлюлозы с помощью микроорганизмов проходит в несколько этапов. Ферментная система, осуществляющая разложение целлюлозы до глюкозы, носит название целлюлазного комплекса . В его состав входят по меньшей мере три фермента:
- эндо-β- 1,4-глюканаза,
- экзо-β-1,4-глюканаза,
- β-глюкозидаза.
Процесс расщепления целлюлозы протекает следующим образом: под действием фермента эндо-β-1,4-глюканазы происходит разрыв различных β-1,4-гликозидных связей внутри макромолекулы с образованием больших фрагментов со свободными концами. Затем под влиянием экзо-β-1,4-глюканазы от концов образованных фрагментов отщепляются дисахариды целлобиоза. β-глюкозидаза осуществляет гидролиз целлобиозы с образованием 2 молекул глюкозы. При аэробном разложении целлюлозы глюкоза далее окисляется в основном до СО2 и Н2О. Могут также накапливаться в небольших количествах органические кислоты. При анаэробном распаде целлюлозы первоначальный продукт ее гидролиза – глюкоза подвергается сбраживанию, в результате чего образуются различные органические кислоты (уксусная, молочная, муравьиная, масляная, янтарная), этанол, СО2, Н2. Состав продуктов брожения отличается у разных видов микроорганизмов. Примером анаэробного сбраживания целлюлозы являются микробиологические процессы, которые осуществляются в рубце жвачных животных.
Лигнин является одним из главных компонентов растительных тканей и по степени распространенности считается одним из основных природных высокополимерных органических соединений. По химической структуре это ароматический полимер, мономерными единицами которого являются фенилпропаноиды (n-кумаровый, конифериловый и синаповый спирты, соединенные разнообразными связями). Разрушение лигнина осуществляют, в первую очередь, мицелиальные грибы – возбудители белой гнили (например, базидиомицет Phanerochaete chrysosporium). Они разрушают лигнин с образованием почти белой легкометаболизируемой массы, состоящей из целлюлозы и гемицеллюлозы. Большинство представителей этой группы грибов сапротрофы , но некоторые (например, Armillaria mellea) известны как фитопатогенные . Бактерии менее эффективно разлагают лигнин, но могут переводить его в водорастворимое состояние. Это свойство обнаружено у представителей родов Streptomyces, Pseudomonas, Clostridium, Actinomodura, Thermomonospora и Xanthomonas. Разложение лигнина происходит при участии ферментов пероксидаз лигниназ, которые катализирует восстановление пероксида водорода с образованием в качестве промежуточных продуктов высокореакционноспособных кислородных радикалов.
Пектиновые вещества входят в состав срединных пластинок, образующихся между стенками соседних растительных клеток. Существуют три типа пектиновых веществ:
- протопектин – водонерастворимая составная часть клеточной стенки;
- пектин – водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, содержащий метилэфирные связи;
- пектиновая кислота – водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, свободный от метилэфирных связей.
Микроорганизмы синтезируют следующие ферменты, катализирующие распад пектиновых веществ:
- протопектиназу, осуществляющую разложение протопектина с образованием растворимого пектина;
- пектинэстеразу, гидролизующую метилэфирную связь пектина с образованием пектиновой кислоты и метилового спирта;
- пектиназу (полигалактуроназу), разрушающую связи между отдельными составляющими галактуроновой кислоты, пектина или пектиновой кислоты с образованием свободной D- галактуроновой кислоты.
Способность расщеплять пектиновые вещества присуща многим грибам и бактериям. Из бактерий высокой пектолитической активностью обладают представители рода Bacillus (B. macerans, B. polymyxa), рода Clostridium (С. pectinovorum, C. felsineum, C. pectinolyticum, C. flavum, C. corallinum и др.), рода Pectobacterium (P. carotovorum, P. atrosepticum и др.).
Пектиновые вещества разлагаются под влиянием фитопатогенных грибов Botrytis cinerea и Fusarium oxysporum. Следует отметить, что численность пектолитических микро - организмов в почве чрезвычайно велика (10 5 клеток на 1 г почвы) Микроорганизмы, разлагающие пектиновые вещества, играют важную роль при мочке льна, конопли, джута, канатника, кенафа и других лубоволокнистых растений. Цель этого процесса – отделение пучков целлюлозных волокон от остальных растительных тканей, которые склеены пектиновыми веществами. Пектолитические ферменты, кроме того, используются для различных технических целей (например, для осветления фруктовых и овощных соков).
