Аннотация
Большинство стандартизированных тестов на биодеградацию, используемых для оценки конечной биодеградации разлагаемых в окружающей среде полимеров, основаны исключительно на определении чистого количества выделившегося диоксида углерода.
Однако, в аэробных условиях необходимо учитывать, что гетеротрофные микробные консорциумы метаболизируют углеродные субстраты как до диоксида углерода, так и для производства новой клеточной биомассы. Принято считать, что в относительно короткий срок 50% углерода большинства органических субстратов преобразуется в CO2, а оставшийся углерод усваивается в виде биомассы или включается в гумус.
Последнее особенно важно, когда метаболизм органического вещества происходит в почвенной среде.
Была установлена прямая зависимость между содержанием свободной энергии в углеродном субстрате (выраженной как стандартная свободная энергия сгорания) и его склонностью к преобразованию в новую микробную биомассу, а не к минерализации в CO2. Это потенциально может привести к недооценке уровней биодеградации тестовых соединений, особенно когда они состоят из углерода в достаточно низком формальном состоянии окисления и с относительно высоким содержанием свободной энергии.
В настоящей работе рассматривается метаболизм различных углеродных субстратов, особенно в почве, и сравниваются с нашими собственными экспериментальными результатами респирометрических тестов.
Результаты показывают, что преобразование сильно окисленных материалов, таких как обычно используемые референтные материалы, целлюлоза или крахмал, в CO2 может быть значительно переоценено. Добавление глюкозидного материала к почве приводит к значительному увеличению дыхания и сопровождается очень низкой конверсией в биомассу или гуминовые вещества.
Напротив, относительно менее окисленные субстраты метаболизируются медленнее и дают как CO2, так и биомассу в объеме, который может быть значительно недооценен, если использовать глюкозидные материалы в качестве эталона. Необходимость общего баланса углерода, учитывающего как углерод, иммобилизованный в виде биомассы, так и улетучивающийся в виде CO2, должна учитываться в стандартных респирометрических процедурах для оценки биоразлагаемости медленно разлагающихся макромолекул.
Глоссарий
GY - Валовой выход клеточного роста
SB - Количество углерода субстрата, преобразованного в биомассу
SCO2 - Количество углерода субстрата, выделившегося в виде CO2 SMB Биомасса почвенных микроорганизмов
SMB-C - Количество углерода, связанного с биомассой почвенных микроорганизмов
SOM-C - Количество углерода, связанного с органическим веществом почвы
Y - Теоретический урожай роста
Ys - Метаболическая эффективность или урожайность роста
Введение
Растущее развитие биоразлагаемых пластмасс с конца 1980-х годов способствовало инициативам по разработке официальных стандартов и методов лабораторных испытаний для оценки конечного поведения пластмасс в окружающей среде.
Большинство коммерческих биоразлагаемых полимерных материалов предназначены для замены биостабильных пластмасс в сельскохозяйственном применении, в упаковке для пищевых и непищевых продуктов и в одноразовых предметах.
В этой связи почва или компост могут быть наиболее предсказуемой средой, в которой заканчивают свой срок службы экологически разлагаемые пластиковые изделия.
Соответственно, несколько международных, региональных и национальных организаций выпустили стандартные методы испытаний, направленные на моделирование среды компостирования и соответствующей практики. Оценка компостируемости и, следовательно, биоразлагаемости пластиковых изделий в условиях компостирования была проведена и были опубликованы стандартные процедуры испытаний для оценки биоразлагаемости пластмасс в почве.
Все они требуют, чтобы биоразложение испытуемого материала в аэробных условиях определялось как степень преобразования углеродного субстрата в CO2 в результате микробной атаки. Количество выделившегося CO2 количественно сравнивается со значением, достигнутым целлюлозой, которая обычно берется в качестве положительного контроля, при тех же рабочих условиях и времени.
Однако следует признать, что гетеротрофное сообщество почвенных микроорганизмов метаболизирует углеродные субстраты в аэробных условиях как до CO2, так и для производства новой биомассы, в то время как часть углерода преобразуется посредством хемоферментативных реакций в гуминовые вещества.
Принято считать, что в относительно краткосрочной перспективе 50% углерода, содержащегося в большинстве органических субстратов, преобразуется в CO2, а оставшаяся часть усваивается в виде биомассы или преобразуется в гумус. Углерод в этих двух последних формах в конечном итоге минерализуется до CO2, но с меньшей скоростью.
Поэтому определение баланса углерода в тестах на биодеградацию твердых сред представляется довольно сложным из-за трудностей, присущих извлечению и количественному определению частично разложившихся материалов и промежуточных продуктов деградации, а также микробной биомассы и гуминовых веществ из сложных матриц, таких как компост или почва.
В тестах компостирования, проводимых с использованием зрелого компоста в качестве инкубационной среды при относительно высокой температуре в течение нескольких недель инкубации, оценка биодеградации исключительно посредством выделения углекислого газа представляется удовлетворительной для моделирования гетеротрофных микробных процессов, характерных для компостирования. Фактически, микрофлора компоста почти полностью состоит из разлагающих микроорганизмов.
Напротив, необходимо учитывать довольно сложную динамику микробной трансформации углеродных субстратов в почве, особенно когда планируются долгосрочные (1 год и более) испытания на биодеградацию. Как уже отмечалось, содержание углерода в органическом субстрате, метаболизированном до микробной биомассы или гуминовых веществ, также подвержено преобразованию в углекислый газ, причем скорость и степень преобразования зависят от структурных особенностей почвы, материалов и на природу любых дополнительных субстратов.
Помимо физических параметров (например, температуры, влажности и текстуры) инкубационной среды, известно, что химическая природа и концентрация углеродного субстрата могут вызвать значительные изменения в консорциуме почвенных микроорганизмов, тем самым благоприятствуя "автохтонным", также идентифицируемым как гуминоразлагающие виды, или, наоборот, оппортунистическим "зимогенным" микроорганизмам.
Эти два семейства почвенных микроорганизмов характеризуются различной метаболической эффективностью или продуктивностью роста (GY) (YS), которая связана с соотношением между субстратным углеродом, ассимилированным в клетке, и углеродом, окисленным до CO2.
В частности, зимогенные микроорганизмы - это быстрорастущие виды с низкой метаболической эффективностью, не способные утилизировать гуминовые вещества, жизнеспособность которых прекращается при исчерпании углеродного субстрата, что приводит к быстрому обороту биомассы. Следовательно, когда преобладают условно-патогенные виды микроорганизмов, только очень малая часть углерода может быть включена в новую биомассу и предсказуемы большие объемы выделения CO2 с высокой скоростью (низкое значение метаболической эффективности).
Энергетическое содержание углеродного субстрата и метаболическая эффективность
Связь между структурными особенностями углеродных субстратов с низкой молярной массой и эффективностью роста микроорганизмов, инкубируемых на них, была тщательно изучена, в том числе с помощью термодинамических исследований. В частности, оценивались относительно простые закрытые системы, например, представленные жидкими культурами определенных микроорганизмов, питающихся специфическими источниками углерода.
В водной среде гетеротрофные бактерии используют органический субстрат либо как источник углерода, либо как источник энергии, т.е. поступающий углерод запускается в биосинтетический путь путем анаболизма, а также может быть использован для удовлетворения потребности в энергии путем катаболизма.
Поэтому эффективность метаболизма напрямую зависит от клеточной метаболической сети, которая включает взаимосвязанные катаболические и анаболические пути, особенно в условиях субстрат-ограниченных.
Количество углерода, преобразованного в биомассу, пропорционально анаболической активности. Поскольку превращение органического субстрата в CO2 и воду химически идентично сжиганию, хотя и происходит по другому пути, разумно ожидать, что между биологическими процессами и сложностью окисления субстрата, отраженной в его стандартной свободной энергии окисления (DG◦), будет существовать связь.
Так, было установлено, что анаболические процессы и, следовательно, эффективность метаболизма положительно коррелируют с DG◦ углеродного субстрата.
Эта корреляция была недавно подтверждена при изучении соотношения органического углерода, преобразованного в биомассу, и углерода, преобразованного в CO2, в субстрат-ограниченных культурах при питании различными типами органических субстратов.
Экспериментальные данные были оценены и выход роста микроорганизмов (Ys) рассчитан как увеличение концентрации биомассы, деленное на соответствующее снижение концентрации растворенного углерода. В частности, было показано, что Ys пропорционален анаболической активности и обратно пропорционален катаболическим процессам.
Действительно, результаты, полученные при анализе литературных данных по окислительной ассимиляции различных органических субстратов, показали, что как Ys, так и SCO2/SB [отношение углерода, выделившегося в виде CO2 (SCO2), к углероду, преобразованному в биомассу (SB)], заметно изменяются в зависимости от свободной энергии формального состояния окисления субстрата. Было установлено, что эффективность биосинтеза (Ys) изменяется в зависимости от DG◦ в соответствии с сигмоидальной тенденцией, что свидетельствует о различных возможностях усвоения энергии микроорганизмами для разных типов углеродного субстрата.
В присутствии углеродного субстрата с относительно низким содержанием свободной энергии большая часть углерода может быть преобразована в CO2, а энергия, высвобождаемая в результате катаболических реакций, не используется в значительной степени для роста и пролиферации клеток; скорее она используется для поддержания жизнедеятельности бактериальных клеток.
Соответственно, доля свободной энергии, не связанная с ростом клеток, определяется как "энергия поддержания". Было высказано предположение, что передача углерода между катаболизмом и анаболизмом, связанным с поддержанием жизнедеятельности, должна находиться в обратной зависимости от содержания свободной энергии в органическом субстрате.
Поэтому в присутствии источников углерода с высоким числом окисления (низкой свободной энергией окисления) большое количество углерода используется для поддержания функций. Это обеспечивает большое производство углекислого газа (т.е. высокое соотношение SCO2/SB), а не его потребление для целей роста (т.е. низкий Ys и, следовательно, ограниченный рост клеток).
Роль содержания свободной энергии в углеродном субстрате, часто демонстрируемая в метаболической эффективности гетеротрофных микроорганизмов в водной среде и в субстрат-лимитирующих условиях, можно было бы обоснованно ожидать и в почвенной микробной трансформации органических веществ.
С этой целью на основе экспериментальных и теоретических данных была предложена вычислительная модель для определения эффективности использования углерода почвенными микроорганизмами в зависимости от химических и термодинамических параметров добавляемого органического субстрата.
Энергетическое содержание углеродного субстрата и оборот микробной биомассы почвы
Несмотря на проведенные исследования, имеется относительно мало информации о прямой корреляции между урожайностью МСБ и содержанием свободной энергии органических материалов, добавленных в почву, используемую в качестве инкубационной среды.
Тем не менее, было проведено много исследований оборота МСБ и скорости дыхания почвы в результате внесения остатков сельскохозяйственных культур и, в некоторых случаях, отдельных органических соединений. Среди последних глюкоза часто использовалась в качестве модельного субстрата для моделирования оборота углерода в почве.
Была проведена оценка как общей минерализации углерода глюкозой, так и микробной биомассы почвы для определения доли доступного углерода, преобразованного в биомассу клеток, и доли, выделившейся в виде CO2.
В недавнем исследовании сравнивались минерализация и иммобилизация в различных верхних слоях почвы углерода, полученного из сточных вод молочных ферм (DFE) или из глюкозы. Наиболее полная минерализация глюкозы наблюдалась через несколько дней после внесения, как и в других исследованиях аэробной инкубации.
Действительно, в образцах почвы, модифицированных глюкозой, наблюдалось активное увеличение выделения CO2, в то время как высокое содержание азота в DFE вызывало лишь умеренное увеличение дыхания почвы.
Анализ общего органического углерода (TOC), проведенный в течение 6 месяцев инкубации, подтвердил, что минерализация легкодоступного карбона из глюкозы была завершена в течение 7-15 дней, без заметного увеличения углерода микробной биомассы почвы (SMB-C) по сравнению с контролем, за исключением первых нескольких дней инкубации. В отличие от этого, чистая минерализация углерода, связанного с DFE, не превышала 35%, и значительного увеличения SMB-C не наблюдалось. Эти результаты позволяют предположить, что различные углеродные субстраты могут вызывать активность различных микробных популяций в почве. Глюкоза, особенно в высокой концентрации, стимулирует рост условно-патогенных видов, биомасса которых также минерализуется после истощения источника углерода.
Структурные особенности органических соединений могут влиять на скорость оборота МСБ, т.е. на скорость роста и гибели микроорганизмов и, следовательно, на конечную скорость преобразования в CO2 углерода, ранее хранившегося в виде биомассы. В связи с этим, структурная динамика почвенной микробной популяции в ответ на различные добавки углеродных субстратов была исследована с помощью моделей использования субстратов с использованием анализа Biolog и профилей SMB-C.
Желатин, гидроксипролин, целлюлоза, глюкоза и лигнин были включены в образцы почвы, которые периодически анализировались на SMB-C в течение 80 дней. Было показано, что в почвах, модифицированных глюкозой, гидроксипролином и желатином, в течение первых 21 дней увеличивается количество связанного с МСБ углерода по сравнению с контрольной почвой и почвами, модифицированными лигнином и целлюлозой. Однако оборот SMB-C в этом случае также происходил относительно быстро, и количество SMB-C, зарегистрированное через 80 дней, было очень похоже на то, которое было обнаружено в контрольной почве (рис. 1). Соответственно, процент углерода субстрата, направляемого в биомассу, также был довольно низким и преходящим, не превышая 30% в первые недели инкубации и постепенно снижаясь до уровня менее 5% (рис. 2).
Более того, микробное сообщество, исследованное с помощью моделей использования субстратов, показало, что почвы, модифицированные глюкозой, характеризуются микробиальными видами, адаптированными к простым, а не сложным источникам углерода. В противоположном смысле, микробное сообщество почвы, модифицированной лигнином, было близко к контролю как по количеству SMB-C, так и по схеме использования субстратов Biolog, что указывает на преобладание медленно растущей микробной популяции в присутствии субстрата с нелегко усваиваемым углеродом.
Было обнаружено, что гидроксипролин и желатин вызывают наибольшее значение SMB- C и активности Biolog на ранней стадии; гидроксипролин особенно способствовал высокой утилизации полимеров в системе Biolog.
Поэтому относительно быстрый оборот МСБ, вызванный, в частности, добавлением легко усваиваемого углеродного субстрата, приводит к очень ограниченному накоплению углерода субстрата в почве, и то лишь в течение нескольких недель после добавления.
Энергетическое содержание углеродного субстрата и "эффект грунтовки»
Исследования конечной судьбы углеродных субстратов в почве путем определения выделившегося CO2 могут быть дополнительно осложнены побочным эффектом, называемым "эффектом грунтовки". В ряде исследований после добавления тестируемых веществ наблюдалось повышенное высвобождение полученного из почвы углерода в виде CO2 по сравнению с уровнем минерализации, обнаруженным в самой почве, взятой в качестве эталона.
Это явление объясняется взаимодействием между микробной трансформацией добавленного соединения (соединений) и нормальными циклами органического вещества в почве.
Это явление объясняется взаимодействием между микробной трансформацией добавленного соединения (соединений) и нормальными циклами органического вещества в почве.
Неаддитивные взаимодействия приводят к дополнительной минерализации почвенного углерода, вызванной добавлением растительных остатков, мертвых организмов, а также высоко- и низкомолекулярных веществ. Различные фракции органического вещества почвы (например, гуминовые вещества) или микробная биомасса были предложены в качестве основных источников высвобождения углерода.
Термин "эффект грунтовки" был предложен Бингеманном и др.
После открытия Лоэниса, который наблюдал усиленную минерализацию гумуса после добавления в почву свежих органических остатков, также было высказано предположение, что дополнительная минерализация органического вещества почвы, связанного с углеродом (SOM-C), вызывается добавлением органических соединений, склонных к легкому разложению.
Обычно эффект прайминга возникает сразу или вскоре после добавления в почву определенного вещества. Его интенсивность больше в богатой углеродом почве, чем в некоторых бедных почвах, таким образом, увеличивается с количеством добавленных органических веществ или минеральных удобрений. Более того, эффект грунтования не наблюдался в стерильных условиях.
Эффект грунтовки был объяснен как следствие усиленного разложения органического вещества почвы в результате повышенной активности (например, производство ферментов, выделение органических кислот) микроорганизмов после добавления легко разлагаемых веществ. Было также высказано предположение, что он отражает высвобождение углерода непосредственно из мертвой микробной биомассы, особенно после высыхания и повторного увлажнения почвы.
Установлено также, что в гетерогенных почвенных микробных сообществах добавление органических субстратов в низкой концентрации приводит к отбору автохтонных микроорганизмов с изначально высокими коэффициентами продуктивности и, таким образом, к высвобождению лишь небольшой части углерода в виде CO2. И наоборот, большое количество субстрата способствует действию зимогенных микроорганизмов с высокой скоростью роста и низкими коэффициентами выхода, что приводит к установлению эффекта прайминга.
Это поведение было подтверждено в исследовании метаболической эффективности и оборота биомассы почвы в тестах биодеградации, проведенных в аппарате биометра.
Результаты показали, что при низкой концентрации (0,4 lg C глюкозы на почву) было зарегистрировано высокое значение YS (0,66), в то время как при более высокой концентрации (400 lg C глю-козы на почву) YS снизился до 0,47. Также было обнаружено, что глюкоза вызывает эффект прайминга, при этом чистое производство CO2 составило более 100% от теоретического значения.
В тех же исследованиях сравнивалось влияние различных энтальпий сочетания радиомеченых субстратов, таких как гексадекан, бензоат, фруктоза, инозитол, формиат и бис (2-этилгексил) фталат.
Низкие значения YS были также зарегистрированы в присутствии формиата с низкой свободной энергией, который характеризовался очень быстрой и почти полной минерализацией, при этом только 10-15% содержания углерода превращалось в SMB, без какого-либо положительного эффекта прайминга.
Также бензоат, который имеет немного более высокое содержание свободной энергии, чем глюкоза, был быстро (в течение 20 дней) и экстенсивно (70%) минерализован, но не вызвал никакого эффекта прайминга. Минерализация соединений, характеризующихся высоким содержанием свободной энергии, таких как бис(2-этилгексил) фталат и гексадекан, зарегистрированная после 66 дней инкубации, не превышала 40 и 50%, соответственно, не вызывая никакого заметного положительного эффекта грунтовки, подтверждая положительную корреляцию между эффективностью метаболизма и свободной энергией окисления.
Более того, было показано, что текстура почвы может влиять на оборот МСБ, а также на эффект грунтовки через скорость минерализации органического вещества. Прямая корреляция между количеством углерода, преобразованного в биомассу, и содержанием глины в почве была зафиксирована в исследованиях, проведенных на 14C-меченой глюкозе. Чтобы объяснить такое поведение, предполагалось, что скорость распада микробной биомассы в почве с низким содержанием глины выше.
С другой стороны, более ранние исследования предполагали, что глина может вызывать защитное действие по отношению к микробной биомассе, включая микроорганизмы, развившиеся в результате разложения органического вещества. Более того, защищенные микроорганизмы, по-видимому, используют углеродные субстраты с большей эффективностью.
Была обнаружена большая степень минерализации растительных остатков в супесчаной почве по сравнению с высокоглинистой почвой.
Исходя из этих результатов, следует ожидать более высокого уровня эмиссии CO2 в зависимости от текстуры, например, содержания глины в почве, используемой в экспериментах по биодеградации. Рассматривая весь обзор, становится ясно, что степень минерализации (т.е. выделения углекислого газа) из данного углеродного субстрата зависит от различных и взаимодействующих факторов, включая химический состав, микробные консорциумы и текстуру почвы. С точки зрения содержания свободной энергии углеродного субстрата, эти факторы можно суммировать. Поэтому разумно предположить, что при определенных условиях и в присутствии легко усваиваемых соединений общая степень выделения углерода в виде CO2 может быть в некоторой степени завышенным из-за эффектов прайминга.
Баланс массы углерода в присутствии оксо-биоразлагаемых полимеров
В нашей собственной недавней работе мы изучали пути метаболизма углерода для различных углеродсодержащих субстратов как в водной среде, так и в почвенных захоронениях с помощью респирометрических тестов. Распределение углерода субстрата между анаболическим и катаболическим путями оценивалось путем определения валового GY клеток в водной среде, а также чистого SMB в зависимости от добавления субстрата в почвенно-буровых респирометрических тестах. Данные анализировались в сравнении с количеством углерода, выделяемого в виде CO2 (минерализация).
ГГ определяли путем гравиметрического анализа сухой биомассы клеток, деленной на количество органического углерода в субстрате, подвергнутом тесту на биодеградацию. Соответственно, как только жидкие культуры приближались к фазе платина, их центрифугировали, а полученные гранулы промывали дистиллированной водой и высушивали до постоянного веса.
В респирометрических испытаниях в почвенных буртах органический углерод, зафиксированный в почвенной микробной биомассе (SMB-C), оценивался в конце испытаний с использованием процедуры хлорофумигации и экстракции K2SO4.
Чистая эмиссия CO2 (т.е. минерализация) и GY, связанные с метаболизмом водорастворимого полимера [поли(виниловый спирт) марки 99 с 1% винилацетатных единиц (PVA99)] и различных низкомолекулярных комфунтов, оценивались в респирометрических экспериментах по биодеградации, проводимых в минеральной жидкой среде (0.4-0,6 г субстрата/л), в условиях ограниченного субстрата, в присутствии выбранного микробного инокулята.
В частности, схема метаболизма алифатических спиртов, таких как 1-деканол и 2-октанол, сравнивалась с профилем утилизации углерода соединений с более низким содержанием свободной энергии (с углеродом в более высоком среднем состоянии окисления), таких как 3-гидроксимасляная кислота и 2,4-пен-танедиол. Процентное соотношение теоретических суммарных чистых выбросов CO2 испытанных веществ представлено на рис. 3.
Было установлено, что 3-гидроксимасляная кислота с формальным средним числом окисления углерода 0,5 легко метаболизируется, без значительной лаг-фазы, путем обширного катаболического преобразования в CO2. В отличие от этого, другие субстраты показали значительное время индукции (6-10 дней) до начала минерализации.
Общая степень минерализации также значительно отличалась для различных субстратов: самое высокое значение (57 %) было зарегистрировано для культур, питавшихся 3-гидроксимасляной кислотой, а самое низкое (22 %) - для культур, дополненных 2-октанолом (рис. 3). Интересно, что были зарегистрированы взаимодополняющие значения GY.
Например, в случае субстрата 2-октанола усвоение углерода составило 0,61 валового выхода клеток на мг добавленного органического углерода, несмотря на то, что он был минерализован лишь в незначительной степени (22%).
Следует также отметить четкую корреляцию между зарегистрированным значением GY и энтальпией сгорания субстрата, что подтверждает ранее предложенную корреляцию между эффективностью метаболизма и содержанием свободной энергии в субстрате.
Конечная судьба термически окисленных образцов полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) (Mw ≈ 7,5 кД), а также низкомолекулярных углеводородов, с целлюлозой в качестве эталонного материала, была оценена в ходе длительных респирометрических испытаний в почвенных захоронениях (до 30 месяцев). Профили минерализации исследуемых соединений, зарегистрированные в течение 800 дней инкубации, представлены на рис. 4.
Как и ожидалось, материал на основе полисахаридов, целлюлоза, подвергся относительно быстрой минерализации, достигнув высокой конверсии в CO2 (80% или более) в первые 10 месяцев инкубации (рис. 4).
Напротив, метаболизм углеводородоподобных материалов почвенными микроорганизмами требовал длительного индукционного периода, на который также влиял молекулярный вес]. В любом случае, общая степень чистой теоретической эволюции CO2 не превышала 70% даже после 2 лет инкубации (рис. 4). В конце испытаний определение SMB-C в почвенных культурах и холостых образцах проводилось в соответствии с методом хлорофумигационной экстракции, который лежит в основе стандартного метода ISO 14240-2.
Как сообщалось ранее, почвенный метаболизм такого глюкозидоподобного материала, как целлюлоза, не позволяет фиксировать заметное количество углерода в виде микробной биомассы, большая часть его преобразуется в углекислый газ. В частности, в настоящих испытаниях было обнаружено, что SMB-C в почвенных культурах, дополненных целлюлозой, был немного ниже, чем в холостом варианте, что подтверждает стимулирование эффекта грунтовки, включающего, по крайней мере, увеличение оборота SMB.
Напротив, метаболизм углеводородных субстратов, как оказалось, сопровождался значительным преобразованием в SMB-C, составляя 3-9% от усвоенного углерода в присутствии высокомолекулярных образцов с относительно высоким содержанием свободной энергии. Конверсия углерода субстрата в CO2 была заметно ниже для этих соединений, чем для целлюлозы.Теоретический GYs, уже обозначенный как метаболическая эффективность, углеродного субстрата, используемого в респирометрических тестах на захоронение почвы, также оценивался в соответствии с моделью, предложенной Леттау и Кузяковым.
Эти авторы представили корреляцию между энтальпией сгорания и GY с учетом энтальпии образования и сохранения единицы углерода СМБ (-153,3 кДж г-1). Предложенная зависимость в случае органических соединений, содержащих только C, O и H, имеет следующий вид:
Рис. 4 Профиль минерализации углеродных субстратов в респирометрических тестах при захоронении в почве
Выводы
Результаты, полученные в экспериментах по биодеградации различных углеродных субстратов с использованием стандартизированных процедур испытаний как в водной среде, так и в почве, в присутствии гетерогенных микробных популяций, являются фундаментальными данными для всех, кто занимается разработкой и производством полимерных материалов, предназначенных для преобразования в экологичные, биоразлагаемые пластиковые изделия.
Совокупность наших собственных работ и работ других авторов, рассмотренных здесь, показывает, что существуют некоторые доказательства того, что биодеградация в почве углеродных субстратов с низким содержанием свободной энергии (т.е. высоким уровнем окисления), измеряемая только по чистому выделению CO2, может быть в некоторой степени переоценена.
Фактически, было установлено, что эти соединения провоцируют сдвиг консорциума почвенных микроорганизмов в сторону быстрорастущих видов (например, зимогенных), с низкой метаболической эффективностью (т.е. высокой скоростью преобразования углеродного субстрата в CO2). У этих микроорганизмов модели использования углеродных субстратов коррелируют с относительно простыми ферментативными инструментами, что объясняет их почти исключительный метаболизм легко усваиваемых соединений, особенно углеводов и аминокислот, в то время как более сложные С-субстраты не могут быть использованы. Как следствие, как только субстрат (например, глюкоза) потребляется, зимогенные микробные клетки погибают, вызывая тем самым быстрый оборот микробной биомассы, сопровождаемый выделением дополнительного CO2, полученного из клеточного компонента. В результате, за относительно короткое время, добавление глюкозидного материала в почву характеризуется большой степенью дыхания, сопровождаемого очень низкой конверсией в биомассу или гуминовые вещества. Кроме того, индукция дополнительной минерализации органического вещества почвы (т.е. эффект прайминга) глюкозидными материалами может также увеличить уровень дыхания почвы с истощением углерода в почве.
Эти эффекты, которые могут действовать синергетически, могут иметь решающее значение в тестах на биодеградацию, где используются стандартные эталонные материалы, такие как целлюлоза или крахмал. Действительно, этот эффект может привести к потенциальной недооценке уровня биодеградации испытуемых соединений, особенно когда они состоят из атомов углерода в довольно низком формальном состоянии окисления и с относительно высоким содержанием свободной энергии.
В соответствии с этими соображениями, рекомендуется использовать различные эталонные материалы, представляющие различные классы углеродных субстратов в стандартизированных тестах на биодеградацию почвы. Кроме того, учитывая различные взаимодействующие факторы, влияющие на микробную трансформацию углеродных субстратов в почве, в стандартизированных процедурах испытаний следует также учитывать общий углеродный баланс, включающий как биомассу, так и выделение углекислого газа.
