КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-76-00011

НазваниеИспользование гидролизованных лигноцеллюлозных остатков для получения биочара и его применение с целью уменьшения содержания металлов в сырье для получения биоэтанола и для бактериальной фитостабилизации загрязненных тяжелыми металлами территорий

РуководительКумар Адарш , кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые словабиочара, Ризобактерии способствующие росту растений, Тяжелые металлы, Лигноцеллюлозная биомасса, Биоэтанол, Фитостабилизация металла, Фиторемедиация

Код ГРНТИ68.01.91, 68.03.07, 62.09.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Постоянное использование невозобновляемого топлива и образование токсичных газообразных выбросов являются серьезной проблемой во всем мире. В настоящее время, чтобы уменьшить зависимость от возобновляемых ресурсов, для производства биотоплива используется лигноцеллюлозная биомасса, которая является наиболее доступным сырьем на Земле. Однако дефицит питательных веществ, плохая структура почвы и потеря микрофлоры наряду с нехваткой земли для выращивания недоходных культур являются еще одной серьезной проблемой. Для улучшения биомассы широко используются различные агрохимикаты, однако они дороги, токсичны и остаются стойкими в почве и, таким образом, отрицательно влияют на почвенную микрофлору и физические и химические свойства почвы. Последовательное использование этих агрохимикатов также увеличивает содержание металлов в растительной биомассе, их последующий перенос в конечные продукты и снижает эффективность агрохимикатов, таким образом, устойчивые к металлам PGPR могут выступать в качестве лучшей альтернативы для борьбы с этими проблемами. Однако эффективность толерантных к металлам PGPR при их исключительном применении может быть ограничено, и, таким образом, иммобилизация этих бактерий на подходящем субстрате может повысить их выживаемость и эффективность в естественных условиях. Биочар - это углеродистый материал с очень большой площадью поверхности, богатый макроэлементами и микроэлементами, высокой способностью накапливать металлы. Он может использоваться как подходящий носитель для иммобилизации бактерий. Пористая природа биочара еще больше увеличивает выживаемость аэробных бактерий. Широко проводились исследования по производству биоугля из лигноцеллюлозной биомассы, однако никаких исследований по использованию ферментативно гидролизованного остатка лигноцеллюлозы для приготовления биочара не проводилось. Его производство путем торрефикации (200-300 ° C) может привести к образованию, очень подходящего для стабилизации металлов и улучшения физических свойств почвы субстрата для ускоренного роста растений, биомасса которых может использоваться для производства биоэтанола. Более того, применение биочара может помочь уменьшить количество примесей (таких как металлы), образующихся во время предварительной обработки сырья, более экономичным способом по сравнению с дорогими смолами. Повторное использование биочара минимизирует потребность в ресурсах и энергии, тем самым делая процесс недорогим и простым для производства биотоплива следующего поколения. Рекультивация растений на участках, загрязненных металлами, путем применения биочара, снижает перенос металла в побеги растений и, таким образом, снижает содержание в них металлов при каждом последующем производстве биочара из ферментно гидролизованных остатков лигноцеллюлозы. Перспектива работы заключается в выделении и идентификации устойчивых к металлам штаммов бактерий, которые после внесения вместе с биочаром, образующимся из растительных отходов, способствуют росту растений. Кроме того, будет решена проблема утилизации отходов, что будет способствовать рациональному использованию природных ресурсов и повышению экономической эффективности производства биомассы. Выращивание биомассы растений с высоким содержанием лигноцеллюлозы на загрязненной металлами почве поможет решить проблему нехватки земли, не вступая в прямую конкуренцию с растениеводством на сельскохозяйственных угодьях. Кроме того, простота хранения, транспортировки и низкая стоимость позволят использовать биоэтанол и биоугля вместо ископаемого топлива и химических удобрений на транспорте и в сельском хозяйстве соответственно.

Ожидаемые результаты
К концу реализации проекта будут получены результаты по стабилизации металлов в почве за счет применения биочара, полученного из остатков лигноцеллюлозной биомассы с добавлением устойчивых к металлам PGPR, снижению накопления металлов в побегах растений (на основании оценки фактора транслокации) и увеличению биомассы растений. Кроме того, в результате меньшего накопления металлов в растении новый полученный из них биочар будет содержать меньше металлов и может быть эффективно использован в качестве адсорбента. После многократного применения биочара металлы в почве будут полностью стабилизованы, и будет произведена чистая биомасса для производства биоэтанола. Будут описаны и проанализированы: биочар из ферментативно гидролизованного остатка лигноцеллюлозы, СЭМ-изображения биочара для понимания его взаимодействия с бактериями, содержание тяжелых металлов в почве и их биодоступность, состав растительной биомассы (сухое вещество, зола, органическое сухое вещество, целлюлоза, гемицеллюлоза, кислотонерастворимый в лигнин). Будет проведен анализ содержания металлов в биомассе растений до и после применения биочара с культурами бактерий. Будет проведена оценка эффективности использования полученного биочара. Научное и социальное значение -Использование химических пестицидов и удобрений для улучшения биомассы растений будет заменено на биочар в комплексе с PGPR. -Применение биочара и PGPR улучшит рост растений и поможет восстановить физические свойства почвы и ее плодородие. -После фитостабилизации биочар, произведенный из растений, выращенных на участках, загрязненных металлами, не будет содержать металлов, следовательно, будет уменьшено неблагоприятное воздействие на экосистему. - Использование остатков лигноцеллюлозной биомассы для приготовления биочара поможет решить проблему утилизации огромных материалов биомассы, что также является важной экологической проблемой. - Проблема нехватки сельскохозяйственных земель будет решена за счет отсутствия прямой конкуренции с растениеводством. - Повторное использование биочара сведет к минимуму потребность в ресурсах и энергии, что сделает процесс недорогим и простым для производства биотоплива следующего поколения. - PGPR могут быть легко культивированы, а биочар произведен в большем объеме для эффективного использования, не создавая особых сложностей при их внедрении в полевых масштабах.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Непрерывное использование невозобновляемых видов топлива и вызываемые ими выбросы токсичных газов порождают серьезные вопросы на глобальном уровне. Наилучший способ свести к минимуму данную проблему — заменить их на устойчивые ресурсы. В настоящее время лигноцеллюлозные культуры, которые являются наиболее распространенным доступным сырьем для производства биотоплива на Земле, используются для снижения этой зависимости. С одной стороны, применение пестицидов и удобрений привело к повышению урожайности, с другой стороны, они загрязнили почву тяжелыми металлами. Растения с высокой лигноцеллюлозной биомассой могут помочь во многих аспектах. Во-первых, они могут иммобилизовать металлы, изолируя их в корнях. Во-вторых, их биомассу можно использовать для приготовления биотоплива, а разлагаемую биомассу после ферментативного гидролиза можно превратить в биочар. Биочар представляет собой углеродистый материал с очень большой площадью поверхности, богатый макро- и микроэлементами, обладающий высокой способностью поглощать металлы. Он также является подходящим носителем для микроорганизмов. Пористая природа биочара значительно повышает выживаемость аэробных бактерий. Для усиления его эффекта на загрязненных металлами территорий, значительную помощь может оказать инокуляция биочара металлотолерантными ростостимулирующими ризобактериями (PGPR). Использованию металлотолерантных PGPR и биочара в синергии для улучшения лигноцеллюлозной биомассы посвящено ограниченное количество исследований. Более того, использование остатков гидролизата лигноцеллюлозной биомассы для получения биочара ранее никогда не изучалось. Кроме того, этот биочар можно дополнительно использовать в процессе ферментации для адсорбции/минимизации содержания металлов в конечном биоэнергетическом продукте. Данное исследование включает изучение влияния PGPR на четыре разновидности Amaranthus sp. (амаранта), которые в дальнейшем могут быть использованы для приготовления биочара методом непрямого пиролиза. Для проведения исследований были выбраны участки вблизи медеплавильного комбината на территории г. Карабаша (Челябинская область, Россия), сильно загрязненной тяжелыми металлами. Для выделения металлотолерантных PGPR были отобраны образцы ризосферой почвы двух доминирующих видов растений Sinapsis alba L. и Trifolium pratense L. Физико-химическое состояние почвы показало дефицит питательных веществ, слабокислые значения рН, плохие физические свойства, а также очень высокие концентрации Cu, Ni, Pb, Cr и Cd, которые превышали допустимые пределы для почвы. Общее бактериальное разнообразие ризосферной почвы было изучено с помощью секвенирования Metagenomic Illumina, которое продемонстрировало, что S. alba обладает более высоким полезным бактериальным разнообразием по сравнению с T. pratense, поэтому ризосферная почва S. alba была выбрана для дальнейшего выделения, идентификации и исследования чистых культур бактерий. Ризосферную почву серийно разбавляли на чашках с агаром с концентрацией меди 200 ppm для выделения устойчивых к металлам ризобактерий. Позже они были испытаны на максимальную устойчивость к металлам, таким как Cu, Pb, Cd, Ni и Cr; и из 25 изолятов 5, которые были способны переносить очень высокие концентрации металлов, были дополнительно проанализированы на PGP-способность и устойчивость к антибиотикам. Все пять изолятов продуцировали индолил-3-уксусную кислоту, солюбилизировали фосфаты кальция, продуцировали сидерофоры и АЦК-дезаминазу и проявляли устойчивость ко многим антибиотикам. Однако штамм SA10f показал наилучшие результаты по большинству PGPR-признаков и устойчивости к антибиотикам. Более того, поскольку только этот штамм продемонстрировал продукцию цианистого водорода, SA10f был признан подходящим для проверки его эффективности в отношении роста растений. Все пять штаммов были предварительно идентифицированы с помощью морфологического теста и окрашивания по Граму, а затем секвенированием гена 16s рРНК методом Сэнгера. Был проведен BLAST анализ, и последовательности были депонированы в генбанк NCBI для получения регистрационных номеров. Четыре разновидности амаранта, A. caudatus L. gibbosus alba, A. caudatus L. f. rubra, A. hypochondriacus L. и A. cruentus L. CV cherginskii выращивали в лотках для рассады. Через 15 дней роста рассаду пересаживали в большие горшки, оставляли расти до созревания при двух обработках, т.е. в контроле и с добавлением PGPR штамма SA10f. Эксперимент был проведен для получения высокой биомассы, которая использовалась на первом этапе производства биочара, чтобы в дальнейшем его использовать вместе с PGPR на второй стадии при выращивании растений, а также для адсорбции металлов из жидких продуктов биотоплива. Было отмечено, что биомасса свежих и сухих растений, длина побегов, количество листьев, площадь листьев, содержание пигментов значительно увеличились у растений, обработанных PGPR штамм SA10f, для всех изученных видов. Однако существенного влияния на содержание пролина по сравнению с контролем не наблюдалось. Максимальной биомассы достигал A. cruentus CV, за которым следовал A. caudatus f. rubra, и оба вида растения показали улучшенные биометрические параметры роста по сравнению с контролем и другими обработанными видами. Таким образом, можно предположить, что A. caudatus f. rubra и A. cruentus CV являются подходящими видами растений для производства более высокой биомассы в присутствии PGPR штамм SA10f. Анализ состава биомассы растений, обработанных PGPR, показал высокое содержание лигнина, сухого вещества и целлюлозы по сравнению с контрольными растениями с зольностью ниже 30%, что подтверждает ее пригодность для использования в качестве сырья для производства биотоплива. Высокая биомасса у всех четырех разновидностей амаранта дает возможность производить биочар путем его пиролиза в специальной реторте. Для этого стебли очищали, разрезали на кусочки размером 1 см, сушили и измельчали в мелкий порошок, который помещали в реторту в небольшие контейнеры из нержавеющей стали. Сухая древесина использовалась в качестве сырья для реторты для двухчасового пиролиза с непрямым нагревом. Реторту охлаждали и получали мелкодисперсный углеродистый биочар. Обнаружено, что биочар имеет щелочную природу, обладает высокой электропроводностью и водоудерживающей способностью. Биодоступное содержание металлов в биочаре было ограниченным/незначительным, ниже уровня токсичности и обнаружено, что он очень богат на содержание углерода и калия. Исследование с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) показало высокопористую структуру всех четырех биочаров, полученных из амаранта, в то время как непиролизные образцы не имеют этой структуры и другие полезные характеристики. В целом ризосферная почва S. alba содержала значительное количество PGPR, и их использование улучшало биомассу растений амаранта за счет улучшения питательного статуса и физико-химических свойств почвы. Кроме того, применение PGPR также повышало содержание лигноцеллюлозы у всех изученных разновидностей амаранта. Биомасса с высоким содержанием лигноцеллюлозы была преобразована в биочар с высоким содержанием углерода (с высокой водоудерживающей способностью, с макро- и микроэлементами и ограниченной биодоступностью тяжелых металлов) с использованием реторты для пиролиза. Биочар является хорошим аккумулятором металлов, и его применение вместе с PGPR может улучшить биомассу растений за счет стабилизации металлов в почве и обеспечит получение сырья для производства биочара следующего поколения. Кроме того, повторное использование гидролизованных отходов биомассы, образующихся во время ферментации, для производства биоэтанола также может предоставить материал для производства биочара. На каждом последующем этапе выращивания уровень загрязнения будет снижаться, что приведет к доступности чистой биомассы для производства в будущем чистого биотоплива.

 

Публикации

1. Адарш Кумар, Григорий Ширяев, Трипти, Мария Малева, Ирина Киселева Сombined application of PGPR and biochar augments ligno-cellulosic biomass production and their tolerance against drought and metals Proceedings of Virtual International Conference “Inerging Trends in Biotecknology & Sustainable Chemistry”, Baba Farid College of Engineering and Technology, Bathinda, India, P. 107 (год публикации - 2022).

2. Борисова Г.Г., Воропаева О.В., Малева М.Г., Ширяев Г.И., Лыкова О.В. Биоудобрение на основе силикатных бактерий повышает продуктивность почв и культурных растений (на примере Brassica juncea (L.) Czern.) Субтропическое и декоративное садоводство, № 80, С. 140-151 (год публикации - 2022).

3. Вишнупрадип Р., Бруно Б. Л., Тадж З., Картик Ч., Чаллабатула Д., Трипти, Кумар А., Фрейтас Х., Раджкумар М. Plant growth promoting bacteria improve growth and phytostabilization potential of Zea mays under chromium and drought stress by altering photosynthetic and antioxidant responses Environmental Technology and Innovation, Vol. 25, 102154 (год публикации - 2022).

4. Кумар А., Ширяев Г.И., Малева М.Г., Борисова Г.Г., Трипти, Давыдова Д.К. Бактериальное биоудобрение на основе биочара снижает окислительный стресс и повышает содержание фенолов у Brassica oleracea при действии меди Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты: материалы докладов XI международного симпозиума (Москва, 11–15 апреля 2022 г). М.: ИФР РАН, 2022. – М.: Издательство «Перо», 2022. – 250 с. – 3,6 Мбайт. [Электронное издание], С. 123 (год публикации - 2022).

5. Трипти, Адарш Кумар, Випин Кумар, Аншумали, Мани Раджкумар Synergism of industrial and agricultural waste as a suitable carrier material for developing potential biofertilizer for sustainable agricultural production of eggplant Horticulturae, V. 8, x (год публикации - 2022).

6. Ширяев Г.И., Малева М.Г., Борисова Г.Г., Кумар А. Параметры роста рапса при добавлении биочара в разных концентрациях Состояние окружающей среды, проблемы экологии и пути их решения : материалы Всерос. науч.-практ. конф. (Усть-Илимск, 20-21 дек. 2021 г.). - Иркутск : Изд. дом БГУ, 2022. - 155 с. - URL: http://lib- catalog.bgu.ru. - Текст: электрон., С. 95-101 (год публикации - 2022).