ИСТИНА

Проект посвящен актуальной проблеме поиска путей эффективного снижения газовыделения с действующих и законсервированных свалок. Научной новизной проекта является использование для этой цели уникального природного механизма - способности гуминовых веществ выступать в роли терминального акцептора электрона в анаэробных условиях, что создает возможности для направленной регуляции метаболизма метаногенных сообществ. Для использования данного механизма предполагается синтезировать линейку редокс-производных гуминовых веществ с различными хинонными центрами, что позволит существенно расширить круг микроорганизмов, способных к биовосстановлению ГВ. Помимо редокс-производных будут синтезированы композитные материалы на основе редокс-производных ГВ и феригидрита, что позволит создать системы с рециклингом хинонных фрагментов ГВ. В проекте планируется скрининг редокс-свойств и биокаталитической активности синтезированных систем с использованием как чистых, так и смешанных культур и инокулятов с реальных свалочных грунтов. Будет проведена оценка эволюции микробного сообщества в присутствии редокс-гуминовых производных. Наиболее чувствительные микроорганизмы будут иммобилизованы в матрицах редокс-производных ГВ и композитных материалоах с использованием силсесквиоксановых гуминовых связующих и оценена их способность направленно регулировать метаболизм метаногенных сообществ свалочных грунтов в направлении снижения синтеза метана. Работа будет выполнена на стыке химии, биотехнологии, микробиогии и почвоведения, что обеспечивает ее междисциплинарный характер. До сих пор биокаталитические функции ГВ были только описаны в литературе. Данный проект является первым опытом их применения на практике для создания природоподобной технологии снижения газовыделения со свалок.

The project is devoted to the urgent problem of finding ways to effectively reduce gas emissions from existing and preserved landfills. The scientific novelty of the project is the use of a unique natural mechanism for this purpose - the ability of humic substances to act as a terminal electron acceptor in anaerobic conditions, which creates opportunities for directed regulation of metabolism of methanogenic communities. To use this mechanism, it is supposed to synthesize a number of redox derivatives of humic substances with different quinone centers, which will significantly expand the range of microorganisms capable of bioreduction of humic substances. In addition to redox derivatives, composite materials based on redox derivatives of humic substances and ferihydrite will be synthesized, which will allow to create systems with recycling of quinone fragments of HS. The project implies screening of the redox properties and biocatalytic activity of the synthesized systems using both pure and mixed cultures and inoculated with real landfill the soil. The evolution of the microbial community in the presence of redox-humic derivatives will be evaluated. The most sensitive microorganisms to be immobilized in the matrix of redox-derived humic substances and composite materials using silsesquioxanes humic binding and assessed their ability to directionally regulate the metabolism of methanogenic communities in landfill soils to reduce the synthesis of methane. Work will be performed on knock of chemistry, biotechnology, microbiogy and soil science provides interdisciplinary character. Until now, the biocatalytic functions of HS have been described in the literature. This project is the first experience of their application in practice to create a natural-like technology to reduce gas emission from landfills.

За первый год реализации проекта будут получены следующие результаты: 1. С помощью метода окислительной сополимеризации будет получен набор хинон-обогащенных гуминовых производных с использованием в качестве хиноидного фрагмента восстановленной формы хинонов – гидрохинонов, нафтогидрохинонов, антрагидрохинонов в качестве хиноидного прекурсора и гуминовых веществ леонардита (разновидность бурого угля). Для достижения указанной цели будут проведены исследования, направленные на развитие способа синтеза, который ранее применялся только для получения гуминовых производных с дигидроксибензолами (Перминова и др., патент PCT/RU2016/000265). В результате будет получено не менее 5-7 хинон-обогащенных гуминовых производных с различными хинонными центрами. Синтез гуминовых производных с применением нафтогидрохинонов и антрагидрохинонов будет выполнен впервые. Подобные синтезы в литературе не описаны. 2. Будут получены молекулярные и спектральные характеристики полученных гуминовых редокс-производных методами элементного анализа, спектроскопии ЯМР 13С, гель-хроматографии и УФ-видимой спектрофотометрии. В результате будет получен блок данных по элементному, структурно-групповому и молекулярно-массовому составу гуминовых производных и оптическим свойствам, который будет использован для получения количественных взаимосвязей структура-свойство. 3. Будут исследованы редокс-свойства полученных хинон-обогащенных производных, включая восстановительную емкость данных производных, определение электродного потенциала методом окислительно-восстановительного титрования, оценку обратимости передачи электрона с помощью циклической вольтамперометрии и определения их антиоксидантной емкости с помощью с измерительной системы ABTS•+/ABTS. Измерения будут выполнены как для хинон-модифицированных производных, так и для мономолекулярных гидрохинонов, использованных для введения в структуру ГВ. 4. Будут отработаны условия для получены суспензий феригидрита, стабилизированного в матрице природных ГВ угля, охарактеризована железосодержащая фаза с помощью метода рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии. 5. Будут исследованы и определены эффекты от влияния растворимых форм ГВ и их хинон-обогащенных производных, использованных в определенных концентрациях и условиях для культивирования индивидуальных культур, катализирующих трансформацию различных субстратов на отдельных стадиях метаногенеза, и для культивирования разных по составу метанногенных сообществ на их метаболизм. При этом будут применены культуры и ассоциации клеток, указанные в разделе этого проекта «Предлагаемые подходы и методы исследования» (два природных и не менее двух искусственно составленных на основе ндивидуальных культур сообщества). Подобные исследования будут проведены впервые, равно как и условия для их реализации станут предметом отдельного научного дизайна в этом проекте. Будут выявлены отсновные характеристистики растворимых форм ГВ и их хинон-обогащенных производных на чувствительность к их присутствию разных представителей метаногенного сообщества и роль других факторов (условий культивирования) на проявление этой чувствительности. 6. Будут установлены основные закономерности протекания процессов, составляющих многостадийный метаногенез, в присутствии отобранных вариантов ГВ, при варьировании различных условий, моделирующих мусорные свалки (при разных температурных режимах, химическом составе субстратов, составе клеток микроорганизмов и др.). Будут определены научно обоснованные подходы (последовательность действий и перечень условий) к применению отобранных производных ГВ для целенаправленного управления процессами метаногенеза с целью снижения газовыделения в условиях мусорных свалок при определенном составе метагенных сообществ, а также установлены приемы по модификации этих составов для снижения уровня продуктивности формирующихся биокаталитических систем по метану.

Одним из основных условий достижения поставленной в проекте цели является синтез редокс-производных ГВ с заданными свойствами. Данный блок работ требует углубленного знания химии и подходов к направленной модификации гуминовых веществ. Именно это направление является одним из основных в Лаборатории природных гуминовых систем химического факультета МГУ, возглавляемой руководителем проекта – д.х.н. И.В. Перминовой. В предлагаемом проекте в качестве основы для разработки «зеленого» способа синтеза хинон-производных ГВ будут использованы подходы, разработанные при создании коллекции образцов новолаков и резольных смол на основе ГВ (Perminova et al. 2005). Помимо данных наработок для характеристики производных будут использованы методы структурного анализа, которыми владеют сотрудники лаборатории, а именно: методы элементного анализа, гель-проникающей хроматографии и 13С ЯМР-спектроскопии. Лаборатория ПГС располагает всеми методиками количественного анализа ГВ, многие из которых являются пионерскими разработками коллектива. У исполнителей проекта из Лаборатории биоэкокатализа кафедры энзимологии химического факультета МГУ, возглавляемой д.б.н. Ефременко Е.Н., накоплен большой теоретический, методический и экспериментальный опыт в разработке биокаталитических систем на основе клеток различных микроорганизмов, в том числе метаногенных консорциумов и чистых культур, присутствующих в составе анаэробного ила. У участников проекта имеется глубокое понимание процессов, происходящих с участием основных групп микроорганизмов природных анаэробных консорциумов, которые присутствуют в различных слоях и на разной глубине в свалочных отложениях, знание условий протеканий биохимических реакций, катализируемых ими, что должно позволить эффективно влиять на подавление газовыделения и осуществлять безопасную переработку накопившихся отходов в оптимальных условиях в рамках данного проекта.

Разработан способ подавления метаногенеза, а именно функционирования биокаталитических систем, представляющих собой природные анаэробные консорциумы клеток микроорганизмов, осуществляющих метаногенез, приводящий к накоплению биогаза и метана в его составе. Способ позволяет с высокой скоростью подавить накопление биогаза и одновременно значительно снизить в нём долю метана за счет введения в обрабатываемые среды веществ в концентрациях, оказывающих эффективное комплексное воздействие на клетки, участвующие в метаногенезе, и на синтезируемые ими лактон-содержащие молекулы, регулирующие формирование кворумного ответа и устойчивое функционирование анаэробных биосистем. Способ подавления метаногенеза заключается в применении редокс-производных гуминовых кислот, а именно, модифицированного нафтохиноном гумата калия в сочетании с персульфатом калия, ферментом полигистидинсодержащей органофосфтагидролазы и антимикробным веществом бацитрацином. Способ позволяет снизить скорость накопления биогаза на 65-75% с концентрацией метана, сниженной на 92-100%, и предназначен для применения в различных местах, где обнаруживается метаболическая активность анаэробных метаногенных консорциумов, а именно, в условиях окружающей среды и при необходимости в производственных процессах, направленных на получение биогаза. Способ оригинальный и может быть востребован в РФ и за рубежом.