TRVALÁ PROSPERITA

2A-2TP1/088

Aplikace poznatků o biochemických cyklech studovaných v kontextu rozkladu polymerních substrátů a jejich kometabolitů.

Dalším  počinem  na poli projektů podporovaných ze státních prostředků bylo řešení výzkumného úkolu na téma "Aplikace poznatků o biogeochemických cyklech studovaných v kontextu rozkladu polymerních substrátů a jejich kometabolitů" podaný  do  programu Výzkumu  a  Vývoje  MPO  Trvalá  prosperita.

Cílem  projektu  bylo  rozšířit spektrum postupů použitelných v oblasti zpracování biologicky obtížně odbouratelných odpadů, které zatěžují prostředí a způsobují nadbytečnou zátěž např. v úložištích komunálního odpadu, v odpadních vodách, zejména potravinářského průmyslu. Projekt by mohl současně nabídnout alternativní postup pro zpracování odpadních zemědělských produktů a v neposlední  řadě je možné výsledky zužitkovat také při dekontaminaci lokalit znečištěných antropogenními polutanty.

Projekt byl zahájen v r. 2007, jeho ukončení se datuje k prosinci 2011.

PODPORA PROJEKTU

Rok 2007
První část etapy byla zaměřena na aktualizace a doplnění informačních zdrojů, vypracování odborné rešerše. Byla provedena revize rešerše, její doplnění aktuálními informacemi autřídění s dosavadním stavem poznání, které bylo nezbytnou podmínkou pro úspěšné naplnění cílů vytčených projektem. Byly částečně přehodnoceny některé priority tak, aby přednostně byly hledány cesty k uspokojení poptávky po řešení problémů souvisejících s aktivním přístupem k eliminaci a transformaci těch sloučenin, které představují aktuální problém v odpadech tvořených matricí biologického původu. Jedná se zejména o zdroje fosforu a dusíku v odpadních vodách, o alternativní zužitkování odpadů na biologické bázi v procesech bioremediace lokalit kontaminovaných persistentními kontaminanty typu chlorovaných uhlovodíků a některé transformace polymerních odpadních materiálů do podoby mikrobiálně produkovaných biosorbentů pro eliminaci iontů toxických kovů. Bylo zjištěno, že řada potenciálně vhodných substrátů je technicky využitelná v případech, podaří-li se naleznout optimální taxon se schopností stát se integrální součástí mikrobiálního konsorcia a disponovat metabolickým systémem, na jehož výstupu je transformovaný polutant utilizovatelný (využitelný kometabolicky) v konkrétním bioremediačním záměru. V druhé části této etapy byl proveden screening taxonů pocházejících z vlastních sbírek výzkumné a vývojové laboratoře EPS, s.r.o. Hlavní náplní této etapy byl tedy monitoring růstové kinetiky vybraných mikrobiálních taxonů pomocí za řízení Bioscreen C z důvodů velkého počtu podmínek zahrnutých experimentálních variant. Experimenty byly navrženy pro dva rozsáhlé soubory odpadních látek polymerní povahy - suroviny sacharidické a lipidické. Vzhledem k tomu, že prokaryotní mikroorganismy nejsou většinou vybaveny enzymy pro rozklad takto velkých molekul, byl proveden primární screening sbírky společnosti EPS, s.r.o. zaměřený na vyhledání vhodnýc heukaryotních taxonů, které by mohly být buď samostatným prvkem zamýšlené technologie. U eukaryotních mikroorganismů navíc lze po čítat i s biodegradačními aktivitami vůči různým druhům antropogenních kontaminantů, ať už organické anebo anorganické povahy, a je si tedy možné představit sled: biologicky rozložitelný odpad plní funkci substrátu pro určitý taxon, který vedle toho disponuje určitým bioremediačním potenciálem nebo syntetizuje produkt, který plní funkci aktivního činitele eliminace polutantu. Nicméně i realizace pouze první dílčí operace může s výhodou vést ke snížení množství biologicky rozložitelných odpadů (BRO), což je aktuálním trendem současných aktivit vedoucích k nápravě stavu životního prostředí. Třetí část etapy byla zaměřena na ověření výsledků získaných při mikrokultivaci. Hlavním cílem této etapy bylo ověřit výsledky získané mikrokultivačními experimenty a shrnout maximum informací a metabolických a fyziologických projevech v systému Erlenmayerova baňka - rotační třepačka. Ve čtvrté fázi byla provedena koordinace projektu. Cílem této etapy bylo zajištění organizačně-technické a ekonomické koordinace programového projektu.

Rok 2008
V první části etapy roku 2008 byla provedena komplexní analýza fenotypu monokoloniových izolátů autochtonní mikroflóry. Pro aboratorní testy byly vybrány zástupci aerobních či fakultativně anaerobních prokaryotních a eukaryotních mikroorganismů získané z materiálů, kde tyto mikroorganismy mohly přijít do styku ať už s nesnadno rozložitelnými bipolymery nebo s jinými látkami zatěžujícími či přímo ohrožujícími životní prostředí (odpadní tuky, ropné látky atd.) a dále byly podrobně studovány sbírkové taxony (8 kmenů). V rámci projektu byla vyhodnocena růstová aktivita mikroorganismů v kapalných prostředích kontaminovaných substráty na bázi celulosy, škrobu, tuků, ropných sloučenin apod. Dále byl proveden jejich morfologický popis. Konkrétně se jednalo o 14 autochtonních kmenů, které prošly preselekcemi s pozitivním výsledkem a 8 sbírkových kmenů, z nichž většina byla vybrána na základě experimentální práce v roce 2007. K dalšímu testování byly vybrány taxony schopné degradovat sacharidické látky. V druhé částí bylo provedeno vytipování oblastí pravdě podobného výskytu mikroflóry s biodegradačním potenciálem vůči polymerním substrátům. Pro izolaci mikroorganismů byla vytipována vhodná místa - např. čistírny odpadních vod (dále jen ČOV), kompostárny, skládky komunálního odpadu atd. Všechna tato místa bývají hojně osídlena mikroorganismy, které přicházejí do styku s nesnadno rozložitelnými látkami, které představují zátěž pro životní prostředí a jsou předmětem zkoumání předkládaného projektu. Ve třetí části byl proveden odběr vzorků vhodných k izolaci hledaných kmenů / konsorcií a jejich zpracování za účelem zisku potenciálně technologicky využitelných mikroorganismů. Na 14-ti vybraných lokalitách byly provedeny odběry matric standardními postupy. Jednalo se dle typu lokality oodběry zemin, vody či kalů z 1 nebo více odběrových míst v množstvích přiměřených pro potřeby jednotlivých izolačních kroků. Při primárních izolacích bylo získáno celkem 65 taxonů. Jednalo se o kultivovatelné heterotrofní mikroorganismy, přičemž obvykle bylo možné vyizolovat z jednoho vzorku cca 2 až 6 rozdílných taxonů, které byly zastoupeny ve vzorcích ve větším množství. V další fázi etapy byly provedeny selekční testy vedoucí k výběru malé skupiny kmenů / konsorcií s nejlepšími předpoklady uplatnit se v zamýšlené technologické aplikaci. Po primárních izolacích tedy následovaly kultivační experimenty v mikrokultivačním zařízení Bioscreen C, kde byly všechny taxony vystaveny selekčnímu tlaku buď polysacharidických nebo lipidických substrátů (jednotlivě) v prostředí kapalného minerálního média BSM neobsahujícího další organické látky. Taxony, které vykázaly za podmínek experimentu reprodukční aktivitu byly považovány za schopné růstu na výše zmiňovaných látkách jako na jediném zdroji uhlíku a energie a byla jim věnována zvýšená pozornost - přechod do fáze terciální izolace, která spočívala v detailním zkoumání v Erlenmeyerových baňkách s BSM a buď s karboxymethylcelulosou (CCM) nebo s nepolárními organickými substráty jako jediným zdrojem uhlíku. V závěrečné fázi projektu byla provedena koordinace projektu. Cílem bylo zajištění organizačně-technické a ekonomické koordinace programového projektu.

Rok 2009
První etapa následu jícího roku 2009 byla zaměřena na návrh modelových, laboratorních systémů pro zpracování kapalných a pevných odpadů. Byly tedy navrženy 3 modelové laboratorní systémy umožňující ověření intenzifikace rozkladných procesů polymerních látek na bázi celulosy v rámci následujících biotechnologií: kompostování, produkce bioplynu z rostlinných materiálů a produkce extracelulárních enzymů. Nad rámec náplně této etapy byly nalezeny také rychlé, jednoduché a levné screeningové testy, které umožní vytipovat pro účely inokulace výše uvedených modelových systémů, nejvhodnější mikroorganismus, příp. mikroorganismy. Další část se zabývala tématem biologičtí činitelé vytipování na základě předchozích dvou etap sloužící jakou inokulační a bioaugmentační materiál pro výše uvedené modelové, laboratorní systémy. V průběhu etapy proběhla selekční zkouška vytipovaných mikroorganismů. Touto finální zkouškou prošly tři mikroorganismy - všechny patřící do skupiny eukaryot. Tyto tři taxony odpovídaly potřebám testování a byly schopny degradovat nativní celulózu za účelem odstraňování odpadních materiálů s jejím obsahem. Ze srovnávacího substrátového testu vyplynulo, že nejsnadněji rozložitelným substrátem na bázi celulosy je papír, následovaný pšeničnou slámou a makovinou. Jako takřka nerozložitelné se jeví měkké dřevo použité ve formě pilin. Z hlediska testovaných mikroorganismů se jako enzymově aktivnější projevily opět eukaryotní taxony, přičemž jejich aktivita vůč i jednotlivým substrátům je střídavá. Třetí fáze měla za úkol intenzifikaci rozkladných procesů odbourávání polymerních látek v rámci uvažovaných systémů. Cílem třetí etapy bylo získání výsledků v navržených laboratorních systémech tak, aby bylo možno tyto výsledky implementovat do provozu v současnosti provozovaných biotechnologií. V souvislosti s řešenou problematikou bylo navrženo provedení detailního průběžného monitoringu procesu biologického rozkladu polymerních materiálů a dále vyhodnocení účinnosti těchto procesů. V další části proběhlo ověření možných kometabolických efektů vyplývajících ze substrátových podobností polymerních látek a některých antropogenních polutantů nepolymerní povahy. Byly provedeny selekční testy u vybraných mikrobiálních taxonů, které posloužily k ověření možnosti kometabolického působení látek ze skupiny polymerů a některých antropogenních polutantů. Byly získány poznatky týkající se zejména oblasti bioremediačních technologií. Poslední část byla zaměřena opět na koordinace projektu.

2010
První fáze projektu pro rok 2010 se zaměřila na optimalizace průběhu rozkladného procesu studiem souvisejících faktorů (chemické, fyzikální, biologické), které ho ovlivňují. V mikrokultivačním zařízení Bioscreen C na karboxymethy lcelulose jako jediném zdroji C a energie byly provedeny experimenty sérií screeningových testů pro vliv pH, teploty atd. Po nalezení nejvhodnějších parametrů byly výsledky ověřeny v ně kterém z laboratorních systémů. Nejprve bylo nutné vyřešit použití směsi nebo jednotlivých, samostatných mikroorganismů. V následujících dvou etapách byl proveden návrh konstrukce modelového zařízení určeného pro pilotní experiment a ověření poznatků získaných v této a předešlých etapách v průběhu pilotního testu, jenž by měl být koncipován systémem podobným vlastní finální realizaci. Návrh zahrnoval ověření laboratorních výsledků ve větším měřítku a za podmínek blížících se realitě jejich budoucího použití včetně experimentálního provedení. V případě předúpravy substrátů určených k anaerobní digesci bylo počítáno s využitím bioplynového fermentoru o objemu 200 l a konstrukce jednotky předúpravy ve formě aerovaného žlabu a proces úpravy bude veden obdobně jako SSF (solid state fermentation). Vzhledem k nutnosti poměrně velkého zařízení pro předúpravu bylo nutno před zahájením samotného pilotního experimentu provést ekonomickou bilanci procesu. Stejně jako v případě kompostování s podpůrnou inokulací celulolytickým i mikroorganismy tak i v případě bioremediačního kompostování s podpůrnou inokulací celulolytickými mikroorganismy určeného k dekontaminaci zemin znečištěných ropnými látkami bylo navrženo provedení procesu v kompostérech o objemu vždy cca 1 m3. V případě podporované bioremediace in situ bylo navrženo použití celulolytického materiálu pro vylehčení kontaminované pevné matrice a zároveň k ověření předpokladu indukce rozkladných enzymů. Provedení těchto experimentů bylo navrženo na lokalitu Litvínov, kde společnost EPS, s.r.o. provozuje bioremediační plochu a je zde všechno potřebné zařízení k provedení a kontrole experimentu. Čtvrtá část zahrnovala verifikaci možných kometabolických efektů vedoucích k odbourávání polutantů nepolymerní povahy v pilotním testu. Kometabolické efekty při bioremediačních procesech byly sledovány pomocí sledu kultivačních screeningových experimentů v mikrokultivačním zařízení Bioscreen C s CMC jako indukčním kosubstrátem s nejvhodnější kombinací taxonů. Po zisku zajímavých výsledků proběhlo jejich ověření provedením laboratorním experimentu v baňkovém uspořádání a v pilotních experimentech. Poslední fáze roku opět zahrnovala koordinaci projektu.



2011
Rokem 2011 vstoupil projekt programu Trvalá prosperita do pátého, tedy závěrečného roku svého řešení. Ze získaných výstupů z předešlých let vyplývá, že potenciál pro aplikaci v praxi by mohlo mít bioremediační kompostování, ale především podporovaná bioremediace ex situ. Cílem poslední etapy byla sumarizace a konečné vyhodnocení všech dosud získaných výstupů, které povedou k vytvoření technologie, která by našla uplatnění zejména v oblasti odpadového hospodářství. Byla tedy provedena studie proveditelnosti - ekonomické výhody a nevýhody navržené technologie. Přestože předmětem této etapy nebyla již žádná experimentální práce, bylo provedeno opakování pilotních testů, které potvrzují účinnost vyvinuté technologie. Byla srovnávána účinnost několika variant, průběžně byly monitorovány základní parametry, které byly potřebné k zajištění co nejlepších podmínek biodegradace, jako jsou vlhkost, koncentrace NEL, počty celkových a degradujících mikroorganismů, respirační aktivita a okolní teplota. Pilotní testy byly doplněny o informace týkající se především podporované bioremediace ex situ, která se jevila jako velmi perspektivní směr. Současně byl proveden srovnávací experiment u bioremediačního kompostování, kdy bylo v jednom uspořádání použito celulolytické inokulum stejně jako v předchozím pilotním testu, v druhém bylo použito inokulum na degradaci ropných látek. Cílem bylo srovnat účinnost odstranění ropných polutantů u obou postupů. V druhé části řešení poslední fáze projektu byla provedena studie proveditelnosti. Na základě získaných dat bylo usouzeno, že eukaryotní taxony (Trichosporon cutaneum, Trichoderma reesei) aplikované pro intenzifikaci rozkladu lignocelulosového materiálu mají velký potenciál pro zamýšlenou technologii. Šanci na praktické využití má bioremediační kompostování, kde se po aplikaci celulolytického inokula předpokládá indukce nespecifických enzymů, které jsou schopny kromě lignocelulos štěpit také substráty typu ropných látek, PAU, TNT, PCB a dalších polutantů. Velmi nadějně se také jeví podporovaná bioremediace ex situ, proto byly ještě doplněny chybějící informace dalšími testy, které byly již nad rámec projektu. Na základě znalosti provozu bioplynové stanice EPS-Nový Dvůr byla zpracována ekonomická studie úpravy substrátu - pšeničné slámy. Byly srovnány provozní náklady, které byly spočítány v rámci ekonomické studie se způsoby prezentovanými v literatuře včetně uvedených provozních nákladů. Bioremediační kompostování - zeminy kontaminované ropnými polutanty - představuje téměř o15 % vyšší účinnost biodegradace než bez aplikace inokula, které může znamenat rychlejší odbourání polutantu přítomného v dekontaminovaných zeminách. Tato varianta bioremediačního kompostování představuje využití stávající kompostárny, kde mohou být dekontaminovány odpady od přítomných polutantů (RU = benzín, nafta, olej, PAU, ClU apod.). Využití kompostu podpořeného aplikací inokulačního materiálu pro bioremediaci zemin na dekontaminačních plochách - využití kompostu v rámci bioremediací ex situ se jeví velmi reálně a perspektivní zejména u málo propustných matric, odpadů např. jílovité kontaminované zeminy. Jedná se o zvýšení účinnosti o 30 %, což může znamenat rychlejší odbourání polutantu přítomného v dekontaminovaných zeminách, do nichž byl účelově aplikován zralý kompost. Zrychlení dekontaminačního procesu může znamenat zvýšení počtu vyčištěných šarží např. během jednoho roku. Tato varianta představuje také využití stávající dekontaminační plochy, kde mohou být dekontaminovány odpady obsahující polutanty. Předúpravu je možno provádět v kapalném submerzním aerobním systému (biofermentor) nebo aerobním biofilmovém systému (silážní žlab). První předúprava byla podrobně testována, dochází zde k intenzivním kontaktům mikroorganismů se substrátem, který skýtá předpoklad zvýšené následné tvorby methanu v bioplynové stanici až o cca 10 %. Tento systém je však náročný na investiční i provozní náklady. Druhá předúprava naopak obnáší menší investiční i provozní náklady, ale také nižší zvýšenou produkci methanu (jen o cca 2,7 %) a tím i nižší předpokládaný zisk. Naše společnost po zvážení všech alternativ preferuje druhou možnost úpravy vzhledem k nižším investičním i provozním nákladům. Využití kompostu v rámci bioremediací ex situ se jeví jako nejvhodnější, kdy lze výrazně urychlit dobu dekontaminace nebo dosáhnout vyšších účinností samotné degradace. Tento projekt byl směřován tak, aby byly přednostně hledány cesty k uspokojení poptávky po řešení problémů souvisejících s aktivním přístupem k eliminaci a transformaci těch sloučenin, které představují aktuální problém v odpadech tvořených matricí biologického původu. Jedná se zejména o alternativní zužitkování odpadů na biologické bázi v procesech bioremediace zemin kontaminovaných ropnými látkami, fenoly, chlorovanými uhlovodíky, PAU. Za tímto účelem byly provedeny fenotypové charakteristiky taxonů s biodegradačním potenciálem z vlastní sbírky i z míst pravděpodobného výskytu, např. kompostárny, řízené skládky komunálního odpadu apod. Velké množství experimentů bylo zajištěno mikrokultivačním zařízením Bioscreen C. Tyto výsledky byly následně konfrontovány s daty získanými v submerzních kultivacích ve větších objemech. Na základě selekčních tlaků, kterým byly taxony vystaveny, byly získány kmeny s velkým potenciálem degradovat látky na bázi polymerů - celulosy a lipidů (oleje, estery vyšších mastných kyselin, přiboudliny, glycerol apod.).

PUBLIKAČNÍ AKTIVITA SOUVISEJÍCÍ S PROJEKTEM
Mikeš J., Siglová M., Minařík M.: Odpady na bázi kompl exních polymerních substrátů jako surovina pro produkci mikrobiálních extracel ulárních látek, které mohou být využity v procesech eliminace iontů toxických kovů. Odpadové fórum, Milovy, 18. - 20. 4. 2007. ISBN 978-80-02-01894-0.

Mikeš J., Siglová M., Minařík M.: Vývoj nových přístupů k transformaci biologicky rozložitelných odpadů. Odpadové fórum 2008, sborník ISBN 978-80-02-02011-0.

Minařík M., Mikeš J., Siglová M.: Využití rostlinné biomasy v anaerobní digesci. Odpadové fórum Aprochem, Milovy, 14. -16. 4. 2008. ISBN 978-80-02-02108-7.

Mikeš J., Siglová M., Minařík M.: Energetické rostliny v anaerobní digesci - vývoj nových přístupů v průběhu biotechnologického zpracování energetických rostlin. Energetické a průmyslové rostliny XIII., Praha, 4. 12. 2008.

Sborník: http://czbiom.cz/data/Upload/PDF/na%20web%20dat.pdf.

Mikeš J., Siglová M., Minařík M., Píštěk V.: Cílená volba vhodného biologického činitele pro rozklad lignocelulosového komplexu. Odpadové fórum, Milovy, 22. - 24. 4. 2009. ISBN 978- 80-02-02108-7.

Mikeš J., Minařík M., Siglová M., Píštěk V.: Lignocelulosové odpady v odpadovém hospodářství a anaerobní digesci. Sanační technologie XII., Uherské Hradiště , 19. - 21. 5. 2009. ISBN 978-80-86832-44-9.

Mikeš J., Siglová M., Minařík M., Píštěk V.: Intenzifikace přeměny lignocelulosového komplexu do podoby substrátu pro anaerobní digesci. Odpadové fórum 2010, Kouty nad Desnou, 21. - 23. 4. 2010. ISBN 978-80-85990-12-6.

Hrdinová J., Jirk ů V., Minařík M., Píštěk V., Kozumplíková M., Jagošová V.: Produkce bioplynu z lignocelulos po biologické předúpravě aerobními celulolytickými mikroorganismy. Sanační technologie XIII., Třeboň , 25. - 27. 5. 2010. ISBN 978-80-86832-51-7.

Mikeš J., Siglová M., Kozumplíková M., Jagošová V., Hrdinová J., Minařík M.: Kometabolický a vyleh č ovací efekt v technologii bioremediačního kompostování. Odpadové fórum, Kouty nad Desnou, 13. - 15. 4. 2011. ISBN 978-80-85990-18-8.

Hrdinová J., Kozumplíková M., Jagošová V., Siglová M., Mikeš J., Minařík M., Píštěk V.: Využití celulolytických mikroorganismů pro intenzifikaci procesu kompostování a bioremediačního kompostování. Sanační technologie XIV., Uherské Hradiště , 24. - 26. 5. 2011. ISBN 978-80-86832-60-9.

Hrdinová J., Kozumplíková M., Jagošová V., Minařík M., Píštěk V.: Biological pre-treatment of lignocellulosic wastes to improve biogas production. IBBS - 15, Vídeň , 19. - 23. 9. 2011.

Hrdinová J., Kozumplíková M., Jagošová V., Siglová M., Mikeš J., Minařík M., Píštěk V.: Kompostování jako ex-situ bioremediační technologie. Inovativní sanační technologie ve výzkumu a praxi IV., Třeboň , 17. - 19. 10. 2011. ISBN 978-80-86832-61-6.

Mikeš J., Siglová M., Minařík M., Píštěk V.: Intenzifikace př em ě ny lignocelulózového komplexu do podoby substrátu pro anaerobní digesci. Biom.cz [online]. 2011-10-12 [cit. 2011-12-13].
Dostupné z WWW: <http://biom.cz/cz/odborne-clanky/intenzifikace-premeny-lignocelulosoveho-komplexu-do-podoby-substratu-pro-anaerobni-digesci>. ISSN: 1801-2655.
ukázat projekt VINTER
VINTER
ukázat projekt KONSOR
KONSOR
ukázat projekt VINIFER
VINIFER
ukázat projekt RYBY
RYBY
ukázat projekt SNIP
SNIP
ukázat projekt LOWINE
LOWINE
ukázat projekt STERIL
STERIL
ukázat projekt BČOV
BČOV
ukázat projekt VMSČV
VMSČV
ukázat projekt TVINK
TVINK
ukázat projekt PESTICIDY
PESTICIDY
ukázat projekt NAKI
NAKI

EPS biotechnology, s.r.o.
web EPS
kde jsme
zavolejte
mapa webu

UKONČENÉ PROJEKTY
ANAREM   ǀ   CARRIER   ǀ   Elektřina   ǀ   Techtool   ǀ   Sanační modul   ǀ   Denitrifikace   ǀ   BioSurfaktant   ǀ   Odsiřování   ǀ   Inokulum   ǀ   Trvalá Prosperita   ǀ   EUREKA