Штамм Pediococcus pentosaceus для переработки органических отходов и препарат на его основе
PEDIOCOCCUS PENTOSACEUS STRAIN FOR PROCESSING ORGANIC WASTES AND A PREPARATION BASED THEREON

Область техники
Изобретение относится к области биотехнологии, микробиологии, сельскому хозяйству, пищевой и перерабатывающей промышленности, ветеринарной микробиологии и охране окружающей среды и может быть использовано при переработке органических отходов, а также в получении на их основе удобрений.
Уровень техники
Переработка органических отходов является актуальной проблемой для экологии. Для утилизации органических отходов применяют химические, физические и биологические способы переработки. Один из биологических способов переработки органических отходов предусматривает использование культур микроорганизмов. Применение культур микроорганизмов способствует деструкции органических отходов, а также накоплению полезных веществ (продуктов метаболизма микроорганизмов), например, стимулирующих рост растений.
Известны препараты «Байкал-ЭМ1» и Восток-ЭМ1» на основе комплекса микроорганизмов для переработки органических отходов (Сухамера С.А. ЭМ-технология – биотехнология XXI века. Сборник материалов по практическому применению препарата «Байкал ЭМ-1»/ Алматы. 2006. С.11.; Северина В.Я. Биопрепарат «Восток-ЭМ1». Теория и практика. / Владивосток. 2009. С.9-11.). В их состав входит комплекс различных видов микроорганизмов, способных ускорять переработку углеродсодержащих органических отходов. Препараты «Байкал-ЭМ1» и «Восток-ЭМ1» представляют собой жидкую суспензию клеток микроорганизмов.
(tm)
Известны сухие препараты аналогичного назначения, например, «Микрозим КОМПОСТ ТРИТ», «ВОДОГРАЙ», описание которых приводится на сайтах компаний-поставщиков или производителей.
Одним из способов переработки органических отходов является компостирование. Классический процесс компостирования занимает 40-60 дней, и одним из важных вопросов является его ускорение. Наиболее распространенные препараты для компостирования содержат бактерии Bacillus sp., Pseudomonas sp. и др., грибы, которые относят к условно-патогенным (третий класс патогенности) (СП 1.2.731-99 Безопасность работы с микроорганизмами III-IV групп патогенности и гельминтами).
(tm)
Препараты «Байкал-ЭМ1», «Восток-ЭМ1», «Микрозим КОМПОСТ ТРИТ», «ВОДОГРАЙ», которые также используют в качестве активаторов компостирования, являются многокомпонентными, содержащими различные виды микроорганизмов. Получение многокомпонентных препаратов трудоемко: для их производства вначале необходимо нарабатывать несколько различных видов микроорганизмов отдельно, затем их смешивать при строгом соблюдении количественного соотношения каждого из них для исключения потери свойств препарата - как смеси видов и штаммов микроорганизмов.
Для переработки органических отходов, а также для ускорения компостирования можно использовать молочнокислые бактерии, так как эти виды микроорганизмов не патогенны для человека и животных. Молочнокислые бактерии способны подавлять рост патогенных организмов, также некоторые виды обладают способностью к деструкции органических отходов, что позволяет использовать культуры микроорганизмов для получения эффективных удобрений на основе органических отходов. Способность молочнокислых микроорганизмов подавлять рост патогенных организмов позволяет использовать их для переработки биогенных отходов, которые загрязняют окружающую среду и представляют опасность для человека.
На основе молочнокислых микроорганизмов можно получать препараты, включающие один вид бактерий, которые обеспечивают переработку органических отходов, а также имеют упрощенный процесс получения препарата и позволяют получить препарат как в жидкой, так и сухой форме, имеющий длительные сроки хранения и обеспечивающий ускорение переработки органических отходов, в том числе компостирования.
Для переработки больших объемов органических отходов необходимо большое количество препарата. Поэтому удобнее использовать препараты микроорганизмов, объемы которых можно несложно масштабировать на месте переработки отхода (применения), т.е., например, имея 1 литр жидкого, или 1 кг сухого препарата получать из него большее количество, хотя бы в 10 раз, по известному принципу размножения микроорганизмов в жидких средах в соотношении посевная культура: среда - 1:10 по объему. Кроме того, известно, что лучшая равномерность обработки отходов препаратами для компостирования достигается при опрыскивании суспензиями клеток, т.е. жидкими, а не сухими препаратами. Следовательно, при наличии сухой формы препарата удобнее получать на месте жидкий.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является получение штамма молочнокислого микроорганизма, позволяющего осуществлять переработку биогенных органических отходов, а также препарата на его основе, быстро и легко масштабируемого на месте применения, который можно использовать как в жидкой, так и сухой форме, а также разработка способа получения препарата на основе штамма бактерий, обеспечивающего получение препарата в короткие сроки.
Задача решается путем получения нового штамма бактерий Pediococcus pentosaceus 3L для переработки биогенных органических отходов.
Штамм Pediococcus pentosaceus 3L депонирован в Ведомственной коллекции полезных микроорганизмов сельскохозяйственного назначения ВНИИСХМ под номером RCAM04480.
В некоторых частных вариантах изобретения биогенные органические отходы представляют собой: отходы животноводства, отходы птицеводства, осадки сточных вод, твердые коммунальные отходы, отходы растениеводства и/или отходы лесоперерабатывающей промышленности.
В некоторых вариантах изобретения задача решается путем разработки препарата для переработки биогенных органических отходов, включающим штамм бактерий Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480.
3
В некоторых частных вариантах изобретения содержание штамма бактерий Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480 составляет не менее 10клеток/мл.
В некоторых частных вариантах изобретения препарат выполнен в сухой или жидкой форме.
В некоторых частных вариантах изобретения препарат дополнительно включает пшеничные отруби, ячменные отруби, ржаные отруби, рисовые отруби, лузгу подсолнечника, шелуху риса и/или шелуху овсяную.
3
В некоторых вариантах изобретения задача решается путем разработки способа получения препарата для переработки органических отходов, при этом способ включает культивирование штамма Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480 в среде и условиях, благоприятных для его роста, до достижения концентрации не менее 10клеток/мл.
В некоторых частных вариантах изобретения способ дополнительно включает высушивание и измельчение в порошок препарата.
В некоторых частных вариантах изобретения среда включает пшеничные отруби, ячменные отруби, ржаные отруби, рисовые отруби, лузгу подсолнечника, шелуху риса и/или шелуху овсяную.
В некоторых частных вариантах изобретения среда дополнительно включает патоку.
В некоторых частных вариантах изобретения культивирование бактерий штамма Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480 осуществляют в жидкой среде, включающей свекловичную патоку.
В некоторых частных вариантах изобретения культивирование включает: засев жидкой культурой штамма бактерий Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480 среды в соотношении среда:культура 10:1 – 100:1 (масса:объем), выдерживание при 50-55ºС – 6-24 часа, затем охлаждение массы до 37-50ºС и выдерживание не менее 24 часов.
В некоторых частных вариантах изобретения среда имеет влажность не менее 50%.
В некоторых частных вариантах изобретения способ дополнительно включает периодическое перемешивание.
В некоторых частных вариантах изобретения способ дополнительно включает высушивание полученной массы штамма бактерий Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480 на отрубях до влажности не более 15% и измельчение в порошок.
В результате осуществления изобретения достигаются следующие технические результаты:
- получен штамм бактерий Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480, позволяющий осуществлять эффективную переработку биогенных органических отходов;
- получен штамм бактерий и препарат, которые можно использовать для переработки, а также обезвреживания широкого спектра биогенных органических отходов;
- получен штамм бактерий и препарат, ускоряющий процесс переработки биогенных органических отходов;
- получен препарат на основе штамма бактерий, который можно использовать как в сухой, так и в жидкой форме с возможностью увеличения объемов препарата в несколько раз на месте применения, а также имеющий длительные сроки хранения;
- разработан способ получения препарата на основе штамма бактерий Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480, позволяющий получать препарат в короткие сроки, а также являющийся нетрудоемким и имеющий невысокую стоимость;
- возможность получения при переработке биогенных органических отходов с использованием штамма бактерий и препарата на их основе высокоэффективных удобрений (в том числе с высоким содержанием азота);
- возможность использования штамма и препарата на основе штамма для переработки биогенных органических отходов методом компостирования.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на получение эффективного штамма бактерий для переработки органических отходов и препарата на основе штамма бактерий, а также на разработку способа получения препарата на основе штамма бактерий.
Штамм бактерий Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480 был выделен из корма для животных с использованием селективной среды.
Штамм бактерий Pediococcus pentosaceus 3L был идентифицирован до вида по культурально-морфологическим признакам, а также с использованием метода секвенирования части последовательности нуклеотидов гена 16S рРНК, депонирован в Ведомственной коллекции полезных микроорганизмов сельскохозяйственного назначения ВНИИСХМ под номером RCAM04480.
о
Описание штамма. Термофильный штамм молочнокислых бактерий P. pentosaceus 3L RCAM04480 имеет типичные для этого вида физиолого-морфологические признаки. Клетки грамположительные сферической формы (кокки), размером 1-2 мкм, расположены попарно или отдельно. В мазках могут быть объединены в группы различной формы. Неподвижны. На твердых питательных средах образует мелкие выпуклые колонии круглой формы с ровными краями, беловато-кремового или бежевого цвета, диаметром 1-2 мм. Поверхность колоний гладкая. Хорошо растет на богатых углеводсодержащих средах. Выдерживает культивирование в жидких и на твердых средах при температуре до 55С.
Штамм не является патогенным и не несет искусственных генетических конструкций.
Штамм P. pentosaceus 3L RCAM04480 используется при переработке органических отходов, обеспечивая их деструкцию, а также обезвреживание патогенных организмов путем подавления их размножения и роста. Штамм P. pentosaceus 3L RCAM04480 способен выступать как активный деструктор органических отходов благодаря наличию ферментных систем, воздействующих на органические вещества (например, целлюлозу, белки, липиды и их производные). Также штамм P. pentosaceus 3L RCAM04480 способствует подавлению патогенных организмов, например, образуя молочную кислоту и противомикробные вещества (бактериоцины). Под патогенными организмами в данном случае понимаются, например, кишечная палочка, сальмонеллы и другие микроорганизмы.
С помощью штамма бактерий и препарата на его основе можно перерабатывать различные виды органических отходов, например, биогенные отходы. В качестве биогенных отходов, но не ограничиваясь ими, могут выступать: отходы сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности (навоз животных, помет птицы, целые тушки и части их от мертвых животных и птицы, жмыхи фруктов, ягод, овощей, каныга и др.), растительные отходы, отходы лесоперерабатывающей промышленности, осадки сточных вод, твердые коммунальные отходы. С использованием штамма и препарата на его основе можно перерабатывать перечисленные отходы в твердом и жидком виде, как по отдельности, так и в комбинации друг с другом, так как известно, что основу всех биогенных отходов составляют в совокупности или по отдельности белки, углеводы и липиды, которые могут использоваться в качестве источников углерода и/или азота - питательной среды для культивирования этого и других видов молочнокислых бактерий.
Полученный штамм и препарат на его основе можно использовать для переработки отходов с использованием различных технологий, в частном случае, штамм и препарат можно использовать для переработки отходов методом компостирования.
Полученный штамм и препарат позволяет существенно ускорить процесс переработки органических отходов. В частном случае, при переработке биогенных органических отходов методом компостирования, процесс переработки отходов можно осуществлять в течение не более 10 суток.
В ходе переработки биогенных отходов, в частном случае отходов животноводства (навоз животных) и/или отходов птицеводства (помет птиц), получают эффективное органическое удобрение соответствующее ГОСТ Р 53117-2008, безопасное по санитарно-гигиеническим показателям.
В ходе переработки органических отходов для получения органического удобрения с помощью штамма бактерий и препарата на его основе, исключаются существенные потери азота.
Органические отходы можно перерабатывать как с помощью чистой культуры штамма бактерий P. pentosaceus 3L RCAM04480, так и с помощью препарата на основе штамма бактерий.
В зависимости от задач, поставленных при переработке отходов и видов отходов, препарат может содержать различное количество клеток штамма бактерий, а также препарат на основе штамма может использоваться и быть выполненным как в сухой, так в жидкой форме.
Препарат на основе штамма бактерий P. pentosaceus 3L RCAM04480 может включать один или несколько дополнительных компонентов, положительно влияющих на свойства препарата. Дополнительные компоненты могут быть выбраны (но не ограничиваются ими) из растительных отходов, например, таких как: пшеничные отруби, ячменные отруби, ржаные отруби, рисовые отруби, лузга подсолнечника, шелуха риса, шелуха овсяная. Также препарат может включать дополнительно патоку, например, свекловичную патоку.
Заявленный способ получения препарата включает, но не ограничивается этими этапами: культивирование штамма бактерий P. pentosaceus 3L RCAM04480 в среде и условиях, благоприятных для его роста. В частных случаях способ получения может дополнительно включать этап высушивания и/или измельчения в порошок. В ходе получения препарата может также варьировать среда культивирования, в качестве благоприятных для роста компонентов среда может включать источники углерода. При этом среда может быть как жидкой, так и твердой. Культивирование бактерий для получения препарата можно осуществлять как на стандартных средах, так и на средах, включающих, например, растительные отходы. В частных случаях изобретения среда может включать: пшеничные отруби, ячменные отруби, ржаные отруби, рисовые отруби, лузгу подсолнечника, шелуху риса и/или шелуху овсяную (или их комбинацию). Также среда может дополнительно включать патоку, например, свекловичную патоку.
В частных случаях культивирование штамма бактерий P. pentosaceus 3L RCAM04480 осуществляют в жидкой среде, содержащей пшеничные отруби, ячменные отруби, ржаные отруби, рисовые отруби, лузгу подсолнечника, шелуху риса и/или шелуху овсяную, а также свекловичную патоку. Данный способ можно использовать как один из способов получения жидкого препарата.
Также в частном случае культивирование бактерий включает следующие стадии: засев культурой штамма бактерий P. pentosaceus 3L RCAM04480 среды и выдержку. Среда для культивирования бактерий, в частных случаях, может включать пшеничные отруби, ячменные отруби, ржаные отруби, рисовые отруби, лузгу подсолнечника, шелуху риса и/или шелуху овсяную. Также в частном случае культивирование дополнительно включает периодическое перемешивание.
Изобретение осуществляют следующим образом.
В одном из вариантов осуществления изобретения штамм Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480 и/или препарат на его основе может использоваться для переработки отходов сельского хозяйства (навоз животных, помет птицы, целые тушки и части их мертвых животных и птицы), перерабатывающей и пищевой промышленности (жмыхи фруктов, ягод, овощей, жир-содержащие отходы, каныга), растительных отходов (лузга, шелуха, отруби), отходов лесоперерабатывающей промышленности, осадков сточных вод, твердых коммунальных отходов методом компостирования.
3
В частном случае реализации изобретения препарат на основе штамма бактерий содержит не менее 10клеток/мл или не менее 1% от массы сухого препарата.
Способ получения препарата осуществляли следующим образом. Культивирование штамма бактерий P. pentosaceus 3L RCAM04480 осуществляли в жидкой среде, включающей отруби, патоку (например, свекловичную патоку), воду в соотношении, оптимальном для размножения клеток, в процессе культивирования получали жидкую культуру штамма бактерий. Жидкую культуру штамма, полученную данным способом, в частном случае использовали как готовый препарат, выполненный в жидкой форме.
о
о
Еще в одном варианте получение препарата осуществляют следующим образом. Культивирование штамма бактерий P. pentosaceus 3L RCAM04480 осуществляют в асептических условиях в среде, включающей: пшеничные отруби, ячменные отруби, ржаные отруби, рисовые отруби, лузгу подсолнечника, шелуху риса и/или шелуху овсяную (или их комбинацию) с влажностью не менее 50%; среду культивирования засевают жидкой культурой штамма бактерий P. pentosaceus 3L RCAM04480 в соотношении 10:1 - 100:1 (масса:объем); выдерживают при температуре 50-55С – 6-24 часа, затем массу охлаждают до 37-50С и выдерживают культуру в течение не менее 24 часов, периодически перемешивая. Также в частном случае культивирование дополнительно включает периодическое перемешивание, при этом перемешивание осуществляется как при засеве, так и при выдержке. После завершения процесса культивирования массу штамма бактерий P. pentosaceus 3L RCAM04480 высушивают до влажности не более 15% и размалывают до однородного порошка. Данный способ получения в частном случае используется для получения препарата, выполненного в сухой форме.
Препарат, полученный по описанному выше способу, можно масштабировать на месте применения следующим образом: для получения рабочего раствора готовят среду, включающую отруби, патоку и воду и смешивают с сухим препаратом в емкости (при этом масса препарата составляет 1-2% от массы среды), перемешивают и выдерживают при периодическом перемешивании. Полученный рабочий раствор используют для компостирования биогенных органических отходов.
Следует понимать, что эти и все приведенные в материалах заявки примеры не являются ограничивающими и приведены только для иллюстрации настоящего изобретения.
Пример 1. Способ получения препарата на основе штамма
о
о
Исходную культуру Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480 асептически засевают в стерилизованную питательную среду, автоклавированную при температуре 120С, давлении 1 атм. 20 минут, содержащую 10 г пшеничных отрубей, 20 г свекловичной патоки в 1 л дистиллированной воды. Соотношение исходной жидкой культуры к питательной среде 1:10 по объему. Культуру бактерий выращивают в асептических условиях при 40-45С, перемешивая 2 раза в сутки. Получают жидкую культуру с титром клеток от 100 миллионов до 1 миллиарда в 1 мл.
о
о
о
о
К сухим пшеничным отрубям добавляют дистиллированную воду до влажности массы 50-55%, автоклавируют при температуре 120С и давлении 1 атм. 20 минут. Затем отруби остужают до 55С и в асептических условиях добавляют жидкую культуру бактерий Pediococcus pentosaceus 3L RCAM04480 в соотношении отруби:культура 100:1 (масса сухих отрубей, г: культура, мл). Массу перемешивают и выдерживают при 55С 24 часа. Затем массу охлаждают до 50-45С и выращивают культуру бактерий 2-3 суток, периодически перемешивая, до появления кисловатого запаха. После этого полученную массу бактерий высушивают в асептических условиях до влажности не более 15% и размалывают до однородного порошка.
Пример 2. Приготовление рабочего раствора препарата (увеличение объема препарата на месте и активизация бактерий) для переработки органических отходов
о
8
Питательную среду, содержащую отруби пшеничные, свекловичную патоку и воду в соотношении по массе 1:2:100, стерилизуют кипячением в течение 20 минут. Сухой препарат засыпают в чистую емкость с плотно закрывающейся крышкой и добавляют такой объем теплой (40±3С) питательной среды, чтобы масса препарата к массе среды составляла 1-2%. Суспензию хорошо перемешивают, емкость плотно закрывают крышкой и выдерживают препарат не менее трех суток при указанной температуре, перемешивая 2 раза в сутки. О степени готовности судят по достижению рН среды 3,5±0,5 и/или  кисловатому запаху. После этого препарат перемешивают, отстаивают не менее одного часа, сливают жидкость с культурой клеток над осадком в чистую емкость. Анализ количества бактерий в препарате показал их содержание не менее 1х10 клеток в 1 мл, что соответствует по концентрации, например, препарату «Восток-ЭМ1» (Северина В.Я., 2009).
о
Для обработки помета используют 1-2 литра препарата на 1 тонну отходов, например, следующим образом: 350 кг подстилочного куриного помета влажностью 49% (с использованием в качестве подстилки опилок) опрыскивают 0,7 л жидкого препарата, полученного из сухой формы описанным выше способом, разбавленного в 10 л питьевой воды. Затем засыпают в ящик размером 1,2х1,2 м, высотой стенок 0,3 м и складывают в бурт в виде пирамиды. Через 2 дня температура массы отходов в бурте повышается до 55С и более. Помет быстро ворошат, вновь формируя из него бурт. Показатели полученного через 10 дней продукта (компоста) приведены в таблице 1. Как видно, по большинству агрохимических характеристик компост, полученный обработкой отходов препаратом, полученным по заявленному способу, не только не уступает компосту, полученному с использованием многокомпонентного жидкого препарата «Восток-ЭМ1» на основе молочнокислых бактерий (Северина В.Я., 2009.), но и превосходит его.
Полученный компост можно использовать в качестве органического удобрения, так как он содержит питательные элементы в количестве, не менее чем указанные в ГОСТ Р 53117-2008, и безопасен по санитарно-гигиеническим показателям (табл. 2).
* Примечание – не обнаружено
Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные эксперименты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.