Kompost – mikroświat fascynujący i przydatny

• Kompostowanie zmniejsza objętość miejskich odpadów nawet o połowę 
• Tlenek węgla powstały podczas rozkładu bioodpadów jest przydatny w przemyśle
• Naukowcy badali, jakie szczepy bakteryjne produkują tlenek węgla w pryzmach kompostowych
• Najwięcej CO wyprodukowały bakterie z rodzaju Bacillus
• Opublikowane wyniki badań otwierają nowe nisze badawcze

– Nasze badania to temat unikatowy w skali światowej. Dotąd uznawano, że kompostowanie bioodpadów jest już dogłębnie zbadanym procesem. Wykazaliśmy, że może być nową, konkurencyjną ekonomicznie i ekologicznie metodą pozyskiwania tlenku węgla, opartą na naturalnych procesach prowadzonych przez bakterie – mówi dr Karolina Sobieraj z Katedry Biogospodarki Stosowanej UPWr. Jest autorką artykułu „Izolacja i identyfikacja mikroorganizmów produkujących CO z kompostu”, który ukazał się w „Waste Management”, jednym z najbardziej prestiżowych tytułów z dziedziny gospodarki odpadami. Po raz pierwszy opublikowano tam wyniki produkcji gazów przez bakterie wyizolowane z kompostu.

Mezofile i termofile wkraczają do akcji

Kompost – pierwsze skojarzenie to stos opadłych liści i skoszonej trawy, resztki warzyw i owoców, obierki, fusy po kawie i inne domowe bioodpady. Mało dekoracyjne resztki ukryte gdzieś w kącie ogródka. Tymczasem pryzma kompostowa jest fascynującym mikroświatem zasiedlonym przez liczne, nawzajem na siebie oddziałujące bakterie, grzyby i promieniowce. Poprzez swoje enzymy rozkładają całą tę zbędną dla nas materię organiczną: białka, lipidy i węglowodany. To dzięki armii mikroorganizmów, w odpowiedniej temperaturze i wilgotności oraz w obecności tlenu, zachodzi proces, który sprawia, że po kilkunastu tygodniach otrzymujemy doskonały organiczny nawóz. Jest bezpieczny dla roślin i zwierząt, wzbogaca ziemię w próchnicę, poprawia jej strukturę i sprawia, że staje się bardziej żyzna. Kompostowanie to także sposób na zagospodarowanie miejskich odpadów w przemysłowych kompostowniach. Odpady nie są utylizowane, tylko poddane recyrkulacji – ponownie wracają do obiegu, jednak w przydatnej i bezpiecznej formie. Dzięki kompostowaniu ich objętość zmniejsza się nawet o połowę, a efektem końcowym jest kompost stosowany na przykład w miejskich parkach czy dostępny na użytek własny dla okolicznych mieszkańców.

Ten recykling organiczny przebiega w czterech fazach temperaturowych, wraz z którymi zmienia się społeczność zasiedlająca pryzmę kompostową. W pierwszej fazie do akcji wkraczają tzw. primary decomposers, czyli mikroorganizmy mezofilne, które w temperaturze od 25 do 40 stopni Celsjusza rozkładają proste związki organiczne. W drugiej fazie pojawiają się mikroorganizmy termofilne, aktywne w wyższym przedziale temperatur (45-65 st. C), które kontynuują rozkład materii organicznej. Temperatura kompostu może wówczas wzrosnąć nawet do 80 stopni. W fazie wychładzania pojawiają się bakterie i grzyby zdolne do biodegradacji trudniej rozkładalnych związków, np. skrobi. W ostatniej fazie dojrzewania aktywność bakterii zwalnia, w kompoście pozostają związki, które nie są dalej rozkładalne, np. lignina. Efektem całego procesu są nie tylko nawóz i wytworzone ciepło – powstają również gazy, spośród których szczególnie wartościowy jest CO.

Cichy zabójca i cenny związek 

Ten bezbarwny i bezwonny gaz, potocznie określany czadem, jest silnie toksyczny, ponieważ wiąże się z hemoglobiną znacznie szybciej niż tlen. Wdychany przez człowieka, przechodzi do krwiobiegu i blokuje dopływ tlenu, co prowadzi do szybkiego niedotlenienia tkanek i nawet do zgonu. 

– Stąd wziął się czarny PR tlenku węgla jako cichego zabójcy – mówi autorka publikacji. – Tymczasem to związek chemiczny stosowany w wielu gałęziach przemysłu, do produkcji paliw i syntezy związków chemicznych, w metalurgii, hutnictwie, przemyśle farmaceutycznym i spożywczym, a nawet w medycynie. 

Uwalnia się w środowisku naturalnym, na przykład podczas wybuchu wulkanów i pożarów lasów. Jego produkcja zachodzi w glebie, wodzie i atmosferze, a odpowiedzialne są za to między innymi bakterie i grzyby zasiedlające korzenie roślin, rozkład martwych mikroorganizmów czy degradacja materii organicznej przez część promieniowania słonecznego UV. 

Z bioodpadów CO może być wytwarzany przez człowieka w wyniku kontrolowanego procesu termochemicznego, tzw. zgazowania. Ponieważ jednak bioodpady charakteryzują się wysoką wilgotnością – woda może stanowić ponad połowę ich zawartości – przed przystąpieniem do tego procesu niezbędne jest niezwykle energochłonne i przez to kosztowne suszenie. Dodatkowo zgazowanie prowadzi się w wysokich temperaturach sięgających kilkuset stopni Celsjusza, co zwiększa nakłady energetyczne na produkcję CO.

Bardziej konkurencyjnym, ekonomicznie i ekologicznie, sposobem produkcji CO jest wykorzystanie bioodpadów.

– Produkcja tlenku węgla podczas kompostowania bioodpadów nadal jest niszą badawczą. Od lat 90. XX wieku na całym świecie powstało jedynie 37 artykułów na ten temat. Dopiero kilka lat temu dowiedziono, że produkcja CO w kompoście może zachodzić biologicznie, dzięki aktywności mikroorganizmów. Jednak mechanizmy i optymalne warunki do jego wytwarzania nie są jeszcze dokładnie poznane – mówi dr Sobieraj, która sprawdziła, jakie szczepy bakteryjne da się wykorzystać do produkcji tego wartościowego gazu.

Kolonie w kolorze pomarańczowym 

Poszukiwania prowadziła w Rybniku, w nowoczesnej miejskiej kompostowni. 

– Współpracujemy od lat z tym obiektem, który stale wdraża nowe rozwiązania. Stosuje się tam napowietrzanie posadzkowe pryzm kompostowych, oczyszczanie powietrza poprzez biofiltry, wykorzystuje sprzęt nowej generacji, m.in. rozdrabniarki i przesiewacze do kompostu. Cały proces przebiega w zamkniętej hali, żeby ograniczyć emisję gazów do środowiska – opowiada autorka publikacji. 

Bioodpady oraz osady z oczyszczalni ścieków, z których powstanie nawóz, formuje się tam w pryzmy o długości kilkudziesięciu metrów oraz szerokości i wysokości kilku metrów. W jednej z takich pryzm dr Sobieraj za pomocą stalowej sondy i analizatora elektrochemicznego mierzyła poziom CO, O2 i CO2 w różnych miejscach pryzmy, ponieważ stężenie i temperatury gazów różnią się zależnie od wysokości i głębokości w stosie kompostowanych odpadów.

Z obszarów o najniższym oraz najwyższym stężeniu tlenku węgla naukowczyni pobrała próbki kompostu, które trafiły do wrocławskich laboratoriów, gdzie rozpoczęły się poszukiwania bakterii produkujących CO. W badaniach oprócz dr Karoliny Sobieraj i prof. Andrzeja Białowca z Katedry Biogospodarki Stosowanej UPWr brały również udział dr Daria Derkacz oraz prof. Anna Krasowska z Wydziału Biotechnologii Uniwersytetu Wrocławskiego.

Pierwszym etapem badań była izolacja mikroorganizmów z kompostu. Próbki inkubowano na płytkach agarowych z pożywkami hodowlanymi dla bakterii i grzybów, aby sprawdzić która grupa mikroorganizmów zasiedla kompost. 

– W każdym z analizowanych przypadków wyhodowane przez nas mikroorganizmy były skupiskami bakterii. Aby zidentyfikować konkretne szczepy, przeprowadziliśmy izolację DNA – mówi naukowczyni. – Do dalszych badań nad produkcją CO wybraliśmy bakterie na podstawie dwóch kryteriów. Po pierwsze te, które przypominały bakterie z rodzaju Clostridium, bo z literatury wiemy, że potrafią one uwalniać CO do środowiska. Zaintrygowały nas jednak także bakterie o nietypowym kolorze i kształcie: długie, splątane, przypominające literę V, tworzące kolonie o kolorze pomarańczowym. 

Piętnaście wyselekcjonowanych szczepów hodowano na pożywce, a następnie inkubowano w bioreaktorach laboratoryjnych, mierząc poziom wyprodukowanego przez nie CO, CO2 i O2. 

Bacillusy najbardziej wydajne 

Okazało się, że najwięcej tlenku węgla wyprodukowały trzy szczepy: Bacillus paralicheniformis, Bacillus licheniformis i Geobacillus thermodenitrificans. 

Są znane badaczom, jednak do tej pory nie dowiedziono, że potrafią wytwarzać CO w kompoście. Bacillus to bakterie szeroko rozpowszechnione w naturze. Izoluje się je z gleby, wód słodkich oraz słonych, a także z przewodu pokarmowego zwierząt czy z psującej się żywności. Potrafią tworzyć endospory, które pozwalają im przeżyć w środowiskach o niesprzyjających parametrach fizykochemicznych. Odgrywają kluczową rolę w przemyśle enzymatycznym: z ich udziałem powstaje blisko 25 procent światowej produkcji biokatalizatorów. Firmy biotechnologiczne chętnie „zatrudniają” te bakterie ze względu na duże tempo wzrostu. Stosuje się je także do produkcji witamin, antybiotyków i insektycydów. Geobacillus to również bakterie o szybkim tempie wzrostu i zastosowaniu przemysłowym, m.in. do produkcji biopaliw i związków chemicznych.

W publikowanym eksperymencie zwiększonej produkcji CO zawsze towarzyszyły wysoki poziom CO2 i obniżony poziom O2. Zależności pomiędzy stężeniami tych gazów zwróciły uwagę badaczy na to, że do produkcji CO bakterie mogły wykorzystywać dehydrogenazę tlenku węgla (CODH). Enzym ten jest aktywny w obu kierunkach: dzięki niemu bakterie mogą tworzyć CO z CO2 i odwrotnie. Od niedawna wykorzystuje się już ten enzym przy produkcji biowodoru w biorafineriach.

– Jednak aby potwierdzić lub wykluczyć zdolność zidentyfikowanych przez nas bakterii do wytwarzania CO przy wykorzystaniu tego enzymu, potrzebne są dalsze badania laboratoryjne – dodaje dr Sobieraj. – Wiemy już, jakie mikroorganizmy wytwarzają tlenek węgla, ale nadal nie wiemy, jak dokładnie to robią.

Zdolne mikroorganizmy – przyszłość biogospodarki

Badania opublikowane w „Waste Management” to część pracy doktorskiej dr Sobieraj, dotyczącej biologicznej produkcji CO z bioodpadów. Oprócz identyfikacji mikroorganizmów odpowiedzialnych za produkcję tego gazu podczas kompostowania, sprawdzała optymalny dla jego uwalniania poziom napowietrzenia i temperatury. Oceniała także potencjalne ryzyko, na jakie mogą być narażeni pracownicy kompostowni z powodu podwyższonego stężenia CO: 

wystarczy kwadrans przebywania w zamkniętej hali i już mogą oni odczuć pierwsze objawy zatrucia. Autorzy artykułu z Katedry Biogospodarki Stosowanej opracowali procedury, które, wraz z użyciem odpowiednich środków ochrony osobistej, zapewniają pracownikom bezpieczeństwo.

– Wykorzystanie gazowego produktu ubocznego kompostowania i jednoczesne otrzymywanie czegoś więcej niż tylko nawozu organicznego wpisuje się w idee biogospodarki o obiegu zamkniętym. Pozwala gałęziom przemysłu wykorzystującym CO zmniejszyć swój ślad węglowy. Dodatkowo CO2 jest gazem cieplarnianym emitowanym ze stosów kompostu, więc jego konwersja za pomocą enzymu CODH do przydatnego przemysłowo CO jest sensowna ekologicznie – mówi dr Karolina Sobieraj. Za potencjał użytkowy swoich badań, ich konkurencyjność ekonomiczną i ekologiczną otrzymała wyróżnienie w konkursie o stypendium im. Mariana Suskiego za wybitne osiągnięcia w dziedzinach ważnych dla rozwoju Wrocławia w zakresie nauk inżynieryjno-technicznych. 

Narodowe Centrum Nauki przyznało jej środki finansowe na kontynuację badań w projekcie „Wpływ parametrów technologicznych kompostowania bioodpadów na efektywność produkcji tlenku węgla – prekursora produkcji biowodoru” (2022-2025). Rozszerzyła w nim podejmowaną wcześniej tematykę badawczą. W warunkach laboratoryjnych próbuje ustalić najkorzystniejsze dla produkcji CO warunki kompostowania poprzez określenie wpływu temperatury, właściwości bioodpadów, ich wilgotności i nasycenia tlenem na stężenie otrzymywanego gazu. Identyfikuje odpowiedzialne za to bakterie oraz sprawdza geny kodujące enzymy, które wytwarzają CO. Chodzi głównie o dehydrogenazę tlenku węgla, o to, w jakich warunkach ten enzym będzie najbardziej aktywny.

– Dopiero dokładne poznanie bakterii produkujących CO, optymalnych warunków ich wzrostu i mechanizmu uwalniania tego gazu pozwoli na przejście do kolejnego etapu badań: zaszczepiania kompostu przygotowanymi biopreparatami i przeskalowania produkcji gazu na skalę techniczną. Konieczne są dalsze eksperymenty, w skali laboratoryjnej oraz przemysłowej – mówi kierowniczka projektu. 

Podkreśla, że kompostowanie jest głównym sposobem zagospodarowania bioodpadów w Europie. W ubiegłym roku 3800 europejskich kompostowni przetworzyło około 60 procent bioodpadów. Liczba kompostowni w najbliższych latach prawdopodobnie wzrośnie aż do 7600 instalacji. Wiąże się to z wymogami Unii Europejskiej, aby do 2035 roku co najmniej 65 proc. odpadów komunalnych było poddawanych recyklingowi.

– Rosnąca ilość bioodpadów oraz tak duża liczba istniejących i planowanych kompostowni w Europie oznacza wysoki potencjał tych zakładów do wytwarzania nie tylko kompostu, ale także tlenku węgla. Świadczy to o możliwości rozwinięcia metody na skalę przemysłową oraz otrzymywania przychodów – autorka publikacji wylicza możliwości i otwierające się nowe nisze badawcze.

 W obszarze inżynierii środowiska będzie to m.in. analiza wpływu rodzaju frakcji odpadów na efektywność produkcji. W mikrobiologii – analiza współpracy szczepów bakteryjnych wytwarzających CO w kompoście oraz ich aplikacji w procesach biorafineryjnych. Może rozwinąć się także inżynieria mikroorganizmów, do tworzenia biopreparatów bakteryjnych do dozowania na bioodpady w celu zwiększenia produkcji CO.

– Mikroorganizmy stały się w ostatniej dekadzie kluczowe, w związku z pilną potrzebą zastępowania paliw kopalnych i ich pochodnych bardziej zrównoważonymi odpowiednikami. Te niewidoczne gołym okiem drobnoustroje potrafią wytwarzać użyteczne związki i wartościowe materiały podczas przekształcania odpadów i biomasy. To właśnie one będą przyszłością biogospodarki dzięki zdolności do produkcji paliw, energii elektrycznej czy związków chemicznych – dodaje autorka artykułu. 

Aneta Augustyn