СУЩНОСТЬ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ

В объяснение механизма микробиологической ферментации в процессе компостирования внесли свой вклад многие специалисты. Известно, что микроорганизмы в субстрате используют углеводные компоненты конского навоза как источник энергии для усвоения азо­тистых и других веществ, необходимых для создания биомассы. Дан­ные исследований свидетельствуют, что в исходном материале необхо­димо иметь определенное соотношение между углеродом и азотом, но не меньшее значение имеет и качественный состав этих веществ. Напри — 28 Мер, бактерии, с деятельности которых начинается процесс компости­рования, используют растворимые сахара и пектины, а гемицеллюлоза и целлюлоза для них недоступны. Эти вещества усваиваются термофиль­ными актиномицетами и плесенями. Считают, что в исходном материале должно быть достаточное количество легкодоступных углеродных сое­динений, а соотношение углерода и азота должно быть примерно 20 : 1. Путем добавления отходов сахарного производства в процессе компо­стирования можно уменьшить потери углерода и азота в компостируе­мом материале, но при этом необходимо правильно определить, в какой момент и в каких дозах внести эту добавку.

На следующем примере можно показать, как бактерии используют легкорастворимые сахара в качестве источника энергии, необходимого для усвоения неорганического азота. При расщеплении ферментами солей аммония, нитратов и карбамида образуется аммиак. Например, уреаза расщепляет карбамид по следующей схеме:

CO(NH)2 +Н20 С02 + 2NH3

Карбамид вода диоксид аммиак

Углерода

В дальнейшем аммиак используется микроорганизмами для под­держания своей жизнедеятельности.

Избыток растворимых Сахаров в исходном материале нежелате­лен, так как в субстрате из-за недостаточной концентрации аммиака не может быть достигнута оптимальная щелочная реакция. Также нежела­телен и дефицит в исходном материале углеводных энергетических источников, так как в этом случае микроорганизмы усваивают амино­кислоты и белковые вещества. Обычно для поддержания своей жизне­деятельности микроорганизмы используют одну часть азота на каждые 10 частей углерода. Следовательно, если источником энергии служат белки и аминокислоты, то следует ожидать выделения в субстрате зна­чительного количества аммиака. Например, в молекуле глицина (C2NH5O2) содержатся 2 части углерода и 1 часть азота. Следовательно, микроорганизмы из 5 молекул глицина могут получить 10 частей угле­рода и 1 часть азота. Оставшиеся 4 части азота превращаются в аммиак, который не усваивается микроорганизмами.

5C2NH502

10 частей С : 1 часть N + 4 части N (избыток)

I

NH3

Таким образом можно получить "сильноаммиачный" субстрат, который при перебивках из-за выделения аммиака теряет значительную часть азота. Роль азота в микробиологической ферментации изучалась многими исследователями. Некоторые из них установили прямую связь между содержанием азота в субстрате и величиной урожая шампиньо-

29

Нов, другие констатировали одинаковый урожай при содержании азота в субстрате 1,6-2,7% в расчете на сухое вещество. В настоящее время существует мнение, что азот влияет прежде всего на процессы фермен­тации, т. е. на жизнедеятельность микроорганизмов, и в меньшей сте­пени — на урожайность шампиньона.

В зависимости от условий компостирования исходный материал может содержать 1,6-2,5% общего азота в расчете на сухое вещество. При этом большое значение имеет и качественный состав азотистых веществ.

Экономии азота при компостировании, кроме добавки-в субстрат растворимых Сахаров, можно добиться путем подбора азотных добавок. Неорганический азот часто бывает дешевле органического, но он быст­рее и легче расщепляется до аммиака. Высокая концентрация аммиа­ка в компостном бурте иногда может затруднить жизнедеятельность микроорганизмов, тогда как добавки азота в органической форме обес­печивают постепенную отдачу этого азота в процессе ферментации. Такими медленнодействующими добавками являются только органи­ческие азотные добавки, а на практике болгарские грибоводы анало­гичный эффект получают при комбинации карбамида, который легче выделяет аммиак, с аммиачной селитрой.

Свободный аммиак в субстрате можно сохранить ограниченной вентиляцией (большие штабеля), более частыми (механизированными) перебивками и др. Образование бикарбонатов в субстрате также ведет к уменьшению выделения аммиака. Специалисты особое внимание уделяют быстрому фиксированию свободного аммиака в субстрате в период термической обработки.

На рисунке 12 представлена схема микробиологической фермен­тации, при которой из исходных материалов получают готовый суб­страт — селективный питательный субстрат для шампиньона. В начале компостирования развивается мезофильная микрофлора. Она вызы­вает расщепление карбамида и органических азотсодержаїіщх веществ, используя углеводы и освобождая аммиак, но до тех пор, пока кон­центрация аммиака не достигнет токсичной для этой группы микроор­ганизмов. Температура в компостируемом материале постепенно по­вышается, что приводит к гибели мезофильной микрофлоры. Вместе с тем создаются условия для развития термофильных микроорганиз­мов. Они используют образовавшийся аммиак, органические добавки, погибшие микроорганизмы, а также продукты промежуточного об­мена веществ (остатки полисахаридов) и снова синтезируют микробио­логический белок. При этом выделяется аммиак, который или теряется, или вновь ассимилируется микроорганизмами. Для жизнедеятельности микрофлоры необходимо много углеводов, значительная часть кото­рых теряется в виде С02, а вторая часть ассимилируется микроорганиз­мами. В конце процесса компостирования количество пентозанов и клет­чатки заметно снижается, а количество лигнина увеличивается. В пе­Зо

Рис. 12. Схема микробиологической ферментации субстрата (по Герритсу)

Риод компостирования уменьшается количество растворимого азота и увеличивается доля нерастворимого азота, который входит в состав биомассы субстрата и в лигнино-гумусный комплекс.

В то же время количество золы в субстрате остается постоянным, но ее относительное содержание увеличивается из-за уменьшения со­держания органического вещества, израсходованного микроорганизма­ми для поддержания своей жизнедеятельности.

Соломины в субстрате, рассматриваемые под электронным микро­скопом, в конце компостирования теряют свой блеск и покрываются

Аморфным слоем, который состоит из погибших микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. Это аморфное вещество вместе с лиг­нином голландский миколог Геритс назвал лигнино-гумусным комп­лексом, обогащенным азотом (Gerrits et all, 1968). Он не растворяется в кислоте и содержит большое количество органического азота, а также около 40% Сахаров, 12% белка и 4% фенольных соединений. Доказа­тельством, что биомасса субстрата (совокупность живых и мертвых микроорганизмов) является основным источником питания шампиньо­нов, служит то, что около 50 % этой компостной фракции расходуется в первые 28 дней после посева мицелия (Fermor and Wood, 1982). Био­масса субстрата содержит необходимые для питания мицелия органи­ческие и неорганические вещества, а также воду. С помощью своих фер­ментов шампиньон разлагает бактерии и термофильные грибы и исполь­зует их для питания.

Таким образом, компостирование следует прекратить в та время, когда субстрат наиболее богат питательными веществами для шампиньо­на. В противном случае ферментация может постепенно привести к полному превращению органического вещества в С02, Н20, NH3 и ми­неральные соли, и вместо субстрата получим перегнивший навоз.

С помощью этих теоретических основ грибовод лучше разберется в сущности микробиологической ферментации и сможет приготовить из различных исходных материалов высококачественный субстрат.