Аннотация

В связи с тем что лесные ресурсы являются трудновозобновляемыми, ведется поиск альтернативных энергетических источников. Мискантус является одним из таких источников энергии. Целью данной работы являлось изучение процесса ферментативного гидролиза предобработанной биомассы мискантуса.
Объектом исследования являлась биомасса мискантуса китайского «Стриктус» (Miscanthus sinensis Strictus). Использовались методы предварительной обработки сырья, ферментативный гидролиз мискантуса, определение остатков моносахаров с помощью МАЛДИ-ТОФ и негидролизованного лигнина методом ЯМР ¹Н спектрометрии.
Установлено, что для предварительной механической обработки биомассы мискантуса рационально применять молотковую дробилку с размером частиц мискантуса 0,2–0,3 мм. При данном виде обработки наблюдается максимальный выход углеводсодержащей биомассы (62,33 ± 1,87 %). Ферментативный гидролиз мискантуса целесообразно проводить с помощью мультиферментной композиции следующего состава: «Целлюлаза Ультра», полученная на основе селекционного штамма Trichoderma reeseii, ксиланаза из Thermomyces lanuginosus и β-глюканаза из Myceliophtorafergusii. Температура ферментации 50 ± 1 °С, продолжительность 72 ± 1 ч. При указанных параметрах конверсия холоцеллюлозы биомассы мискантуса составляет 96,0 ± 4,8 %, выход редуцирующих веществ 97,00 ± 4,85 %.
В результате проведенных исследований научно обоснованы параметры ферментативного гидролиза предобработанной биомассы мискантуса китайского «Стриктус» для получения углеводсодержащих субстратов и последующего их использования для биосинтеза бактериальной целлюлозы. Анализ углеводного состава гидролизатов показал наличие остаточного лигнина, полисахаридов (глюкана и ксилана) и моносахаридов (арабинозы, ксилозы, галактозы, глюкозы и уроновых кислот). Рекомендуется использовать гидролизованный мискантус в качестве возобновляемого и экологически чистого биотоплива.

Ключевые слова

Мискантус, биотопливо, ферментативный гидролиз, предобработка, редуцирующие сахара, негидролизованный лигнин, целлюлоза

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Научно-исследовательская работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) (соглашение № 19-416-390001), а также при поддержке Правительства Калининградской области (соглашение № 14-с/2021).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анисимов А. А., Хохлов Н. Ф., Тараканов И. Г. Мискантус (Miscanthus spp.) в России: возможности и перспективы // Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования. 2016. № 12. С. 3–5.
2. Анисимов А. А., Хохлов Н. Ф., Тараканов И. Г. Особенности фотопериодической регуляции онтогенеза у различных видов мискантуса (Miscanthus spp.) // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2016. № 6. С. 56–72.
3. Байбакова О. В., Скиба Е. А. Биотехнологические аспекты биосинтеза этанола из мискантуса // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2014. Т. 18. № 3. С. 564–571.
4. Buryndin VG, Artyemov АV, Savinovskih АV, Krivonogov PS, Krivonogova АS. Biostability of binder-free wood and plant plastics protected with antiseptics. Foods and Raw Materials. 2022;10(1):148–154. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-1-148-154
5. Ферментолиз целлюлозосодержащих остатков производства фурфурола из отходов растительного сырья / А. А. Вазетдинова [и др.] // Башкирский химический журнал. 2017. Т. 24. № 1. С. 27–31.
6. Gushchina VA, Borisova EN. Growth and development of first year Miscanthus giganteus depending on hydrothermal conditions. Vestnik of Ulyanovsk State Agricultural Academy. 2017;37(1):12–18. (In Russ.). https://doi.org/10.18286/1816-4501-2017-1-12-18
7. Гущина В. А., Кухарев О. Н., Борисова Е. Н. Способы борьбы с сорняками в агроценозах мискантуса гигантского // Нива Поволжья. 2017. Т. 43. № 2. С. 13–18.
8. Budaeva VV, Skiba EA, Baybakova OV, Makarova EI, Orlov SE, Kukhlenko AA, et al. Kinetics of enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials at different concentrations of substrat. Catalysis in Industry. 2015;(5);60–66. (In Russ.). https://doi.org/10.18412/1816-0387-2015-5-60-66
9. Makarova EI, Budaeva VV. Bioconversion of non-food cellulosic biomass. Part 1. Proceedings of UniversitieS. Applied Chemistry and Biotechnology. 2016;6(2):43–50. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/2227-2925-2016-6-2-43-50
10. Особенности роста и развития интродуцента мискантуса гигантского (Miscanthus giganteus) в условиях лесостепи среднего Поволжья / В. А. Гущина [и др.] // Аграрный научный журнал. 2018. № 1. С. 10–13.
11. Dorogina OV, Vasilyeva OYu, Nuzhdina NS, Buglova LV, Gismatulina YuA, Zhmud EV, et al. Resource potential of some species of the genus Miscanthus Anderss. Under conditions of continental climate of West Siberian forest-steppe. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(5);553–559. (In Russ.). https://doi.org/10.18699/VJ18.394
12. Voronova MI, Surov OV, Rubleva NV, Kochkina NE, Prusova SM, Gismatulina YuA, et al. Properties of nanocrystalline cellulose obtained from celluloses of annual plants. Liquid Crystals and their Application. 2017;17(4):97–105. (In Russ.). https://doi.org/10.18083/LCAppl.2017.4.97
13. Kapustyanchik SYu, Yakimenko VN. Miscantus is promising raw material, energy and phytomeliorative crop (literature review). The Journal of Soils and Environment. 2020;3(3). (In Russ.). https://doi.org10.31251/pos.v3i3.126
14. Zapater M, Catterou M, Mary B, Ollier M, Fingar L, Mignot E, et al. A single and robust critical nitrogen dilution curve for Miscanthus × giganteus and Miscanthus sinensis. Bioenergy Research. 2017;10(1):115–128. https://doi.org/10.1007/s12155-016-9781-8
15. Asano K, Ishida M, Ishida M. Effects of inclusion levels of pelleted silvergrass (Miscanthus sinensis Andress.) in the diet on digestibility chewing activity ruminal fermentation and blood metabolites in breeding Japanese Black cows. Animal Science Journal. 2017;88(3):468–475. https://doi.org/10.1111/asj.12665
16. Ashman C, Awty-Carroll D, Mos M, Robson P, Clifton-Brown J. Assessing seed priming sowing date and mulch film to improve the germination and survival of direct-sown Miscanthus sinensis in the United Kingdom. GCB Bioenergy. 2018;10(9):612–627. https://doi.org/10.1111/gcbb.12518
17. Baibakova OV. Effects of the pre-treatment of the miscanthus energy crop on the ethanol yield. Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2018;8(3):79–84. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/2227-2925-2018-8-3-79-84
18. Saletnik B, Zagula G, Bajcar M, Czernicka M, Puchalski C. Biochar and biomass ash as a soil ameliorant: The effect on selected soil properties and yield of giant miscanthus (Miscanthus × giganteus). Energies. 2018;11(10). https://doi.org/10.3390/en11102535
19. Hu Y, Schäfer G, Duplay J, Kuhn NJ. Bioenergy crop induced changes in soil properties: A case study on Miscanthus fields in the Upper Rhine Region. PLoS ONE. 2018;13(7). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0200901
20. Nakajima T, Yamada T, Anzoua KG, Kokubo R, Noborio K. Carbon sequestration and yield performances of Miscanthus × giganteus and Miscanthus sinensis. Carbon Management. 2018;9(4):415–423. https://doi.org/10.1080/17583004.2018.1518106
21. Cayetano RDA, Kim TH. Two-stage processing of Miscanthus giganteus using anhydrous ammonia and hot water for effective xylan recovery and improved enzymatic saccharification. Bioresource Technology. 2018;255:163–170. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.01.135
22. El Achaby M, El Miri N, Hannach H, Gmouh S, Trabadelo V, Aboulkas A, et al. Cellulose nanocrystals from Miscanthus fibers: insights into rheological physico-chemical properties and polymer reinforcing ability. Cellulose. 2018;25(11):6603–6619. https://doi.org/10.1007/s10570-018-2047-1
23. Schäfer J, Sattler M, Iqbal Y, Lewandowski I, Bunzel M. Characterization of Miscanthus cell wall polymers. GCB Bioenergy. 2019;11(1):191–205. https://doi.org/10.1111/gcbb.12538
24. Bilska-Kos A, Panek P, Szulc-Głaz A, Ochodzki P, Cisło A, Zebrowski J. Chilling-induced physiological anatomical and biochemical responses in the leaves of Miscanthus × giganteus and maize (Zea mays L.). Journal of Plant Physiology. 2018;228:178–188. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2018.05.012
25. Li Y-H, Lin H-T, Xiao K-L, Lasek J. Combustion behavior of coal pellets blended with Miscanthus biochar. Energy. 2018;163:180–190. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.08.117
26. Baute K, Van Eerd LL, Robinson DE, Sikkema PH, Mushtaq M, Gilroyed BH. Comparing the biomass yield and biogas potential of Phragmites australis with Miscanthus × giganteus and Panicum virgatum grown in Canada. Energies. 2018;11(9). https://doi.org/10.3390/en11092198
27. Danielewicz D, Dybka-Stępień, Katarzyna;Surma-Ślusarska, B. Processing of Miscanthus × giganteus stalks into various soda and kraft pulps. Part I: Chemical composition, types of cells and pulping effects. Cellulose. 2018;25(11):6731–6744. https://doi.org/10.1007/s10570-018-2023-9
28. Dhungana P, Reichert NA. Development of transformation and regeneration procedures for Miscanthus sinensis. In Vitro Biology Meeting. St. Louis; 2018. p. S49.
29. Tamura K, Uwatoko N, Yamashita H, Fujimori M, Akiyama Y, Shoji A, et al. Discovery of natural interspecific hybrids between Miscanthus sacchariflorus and Miscanthus sinensis in Southern Japan: Morphological characterization genetic structure and origin. Bioenergy Research. 2016;9(1):315–325. https://doi.org/10.1007/s12155-015-9683-1
30. Turner AP, Sama MP, Bryson LS, Montross MD. Effect of stem crushing on the uniaxial bulk compression behaviour of switchgrass and miscanthus. Biosystems Engineering. 2018;175:52–62. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2018.08.007
31. Guo H, Wu Y, Hong C, Chen H, Chen X, Zheng B, et al. Enhancing digestibility of Miscanthus using lignocellulolytic enzyme produced by Bacillus. Bioresource Technology. 2017;245:1008–1015. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.09.034
32. Yoo JH, Seong ES, Ghimire BK, Heo K, Jin X, Yamada T, et al. Establishment of Miscanthus sinensis with decreased lignin biosynthesis by Agrobacterium-mediated transformation using antisense COMT gene. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2018;133(3):359–369. https://doi.org/10.1007/s11240-018-1389-6
33. Guo H, Chen H, Hong C, Jiang D, Zheng B. Exogenous malic acid alleviates cadmium toxicity in Miscanthus sacchariflorus through enhancing photosynthetic capacity and restraining ROS accumulation. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2017;141:119–128. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.03.018
34. Evdokimov IV. Methods for measuring biomass of soil microorganisms. Russian Journal of Ecosystem Ecology. 2018;3(3). (In Russ.). https://doi.org/10.21685/2500-0578-2018-3-5
35. Samson A, Mos M, Najser J, Daroch M, Gallagher J. Gasification of Miscanthus × giganteus pellets in a fixed bed pilot-scale unit. Frontiers in Energy Research. 2018;6. https://doi.org/10.3389/fenrg.2018.00091
36. Gismatulina YuA, Budaeva VV. Chemical composition of five Miscanthus sinensis harvests and nitric-acid cellulose therefrom. Industrial Crops and Products. 2017;109:227–232. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.08.026
37. Гонтаренко С. Н., Лашук С. А. Получение растений Miscanthus sacchariflorus (Maxim.) Hack и Miscanthus sinensis Andersson в культуре in vitro путем непрямого морфогенеза. Plant Varieties Studying and Protection. 2017. Т. 13. № 2. С. 12–19. (На укр.).
38. Hideno A. Thermal degradation behavior of Ball-milled Miscanthus plants and its relationship to enzymatic hydrolysis. Bioresources. 2018;13(3):6383–6395.
39. Mihajlović M, Petrović J, Maletić S, Isakovski MK, Stojanović M, Lopičić Z, et al. Hydrothermal carbonization of Miscanthus × giganteus: Structural and fuel properties of hydrochars and organic profile with the ecotoxicological assessment of the liquid phase. Energy Conversion and Management. 2018;159:254–263. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.01.003
40. Che Kamarludin SN, Jainal MS, Azizan A, Safaai NSM, Daud ARM. Mechanical pretreatment of lignocellulosic biomass for biofuel production. Applied Mechanics and Materials. 2014;625:838–841. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.625.838
41. Mayer-Laigle C, Blanc N, Rajaonarivony RK, Rouau X. Comminution of dry lignocellulosic biomass, a review: Part I. From fundamental mechanisms to milling behaviour. Bioengineering. 2018;5(2). https://doi.org/10.3390/bioengineering5020041
42. Mayer-Laigle C, Rajaonarivony RK, Blanc N, Rouau X. Comminution of dry lignocellulosic biomass: Part II. Technologies, improvement of milling performances, and security issues. Bioengineering. 2018;5(3). https://doi.org/10.3390/bioengineering5030050
43. Moiceanu G, Paraschiv G, Voicu G, Dinca M, Negoita O, Chitoiu M, et al. Energy consumption at size reduction of lignocellulose biomass for bioenergy. Sustainability. 2019;11(9). https://doi.org/10.3390/su11092477
44. Kriger O, Budenkova E, Babich O, Suhih S, Patyukov N, Masyutin Ya, et al. The process of producing bioethanol from delignified cellulose isolated from plants of the miscanthus genus. Bioengineering. 2020;7(2). https://doi.org/10.3390/bioengineering7020061
45. Choi O, Kang B, Cho SK, Park J, Lee Y, Kim W-I, et al. Identification of Pseudomonas syringae pv. syringae causing bacterial leaf blight of Miscanthus sinensis. Journal of Plant Diseases and Protection. 2017;124(1):97–100. https://doi.org/10.1007/s41348-016-0058-4
46. Hoover A, Emerson R, Ray A, Stevens D, Morgan S, Cortez M, et al. Impact of drought on chemical composition and sugar yields from dilute-acid pretreatment and enzymatic hydrolysis of Miscanthus, a tall fescue mixture, and switchgrass. Frontiers in Energy Research. 2018;6. https://doi.org/10.3389/fenrg.2018.00054
47. Kowalczyk-Jusko A. Chemical composition and energetic characteristics of Miscanthus sacchariflorus biomass as used for generation of energy. Przemysl Chemiczny. 2016;95(11):2326–2329. https://doi.org/10.15199/62.2016.11.37
48. Lanzerstorfer C. Chemical composition and properties of ashes from combustion plants using Miscanthus as fuel. Journal of Environmental Sciences. 2017;54:178–183. https://doi.org/10.1016/j.jes.2016.03.032
49. Lanzerstorfer C. Combustion of Miscanthus: Composition of the ash by particle size. Energies. 2019;12(1). https://doi.org/10.3390/en12010178
50. Lee S, Han J, Ro Hee-M. Interpreting the pH-dependent mechanism of simazine sorption to Miscanthus biochar produced at different pyrolysis temperatures for its application to soil. Korean Journal of Chemical Engineering. 2018;35(7):1468–1476. https://doi.org/10.1007/s11814-018-0054-4
51. Schmidt A, Lemaigre S, Ruf T, Delfosse P, Emmerling C. Miscanthus as biogas feedstock: influence of harvest time and stand age on the biochemical methane potential (BMP) of two different growing seasons. Biomass Conversion and Biorefinery. 2018;8(2):245–254. https://doi.org/10.1007/s13399-017-0274-6
52. Dąbkowska K, Alvarado-Morales M, Kuglarz M, Angelidaki I. Miscanthus straw as substrate for biosuccinic acid production: Focusing on pretreatment and downstream processing. Bioresource Technology. 2019;278:82–91. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.01.051
53. Moon Y-H, Lee, J-E, Yu G-D, Song Y-S, Lee Y-H, Kim K-S, et al. Ploidy level and reproductive organ abnormality in interspecific hybrids between tetraploid Miscanthus sacchariflorus and diploid M. sinensis bred from a single cross. Industrial Crops and Products. 2018;116:182–190. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.01.022
54. Brosse N, Dufour A, Meng X, Sun Q, Ragauskas A. Miscanthus: a fast-growing crop for biofuels and chemicals production. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2012;6(5):580–598. https://doi.org/10.1002/bbb.1353
55. Jones MB, Walsh M. Miscanthus: For energy and fibre. Earthscan; 2001. 192 p.
56. Kashcheyeva EI, Mironova GF, Budaeva VV, Khan H. Bioconversion of oat hull and miscanthus cellulose to glucose solutions. Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2019;9(4):654–664. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-4-654-664
57. Gismatulina YuA, Budaeva VV, Sakovich GV. Nitrocellulose synthesis from Miscanthus cellulose. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2018;43(1):96–100. https://doi.org/10.1002/prep.201700210
58. Yang H, Zhang Y, Kato R, Rowan SJ. Preparation of cellulose nanofibers from Miscanthus ×. Giganteus by ammonium persulfate oxidation. Carbohydrate Polymers. 2019;212:30–39. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.02.008
59. Kalinoski RM, Flores HD, Thapa S, Tuegel ER, Bilek MA, Reyes-Mendez EY, et al. Pretreatment of hardwood and Miscanthus with Trametes versicolor for bioenergy conversion and densification strategies. Applied Biochemistry and Biotechnology. 2017;183(4):1401–1413. https://doi.org/10.1007/s12010-017-2507-3
60. Davey CL, Jones LE, Squance M, Purdy SJ, Maddison AL, Cunniff J, et al. Radiation capture and conversion efficiencies of Miscanthus sacchariflorus, M. sinensis and their naturally occurring hybrid M. × giganteus. GCB Bioenergy. 2017;9(2):385–399. https://doi.org/10.1111/gcbb.12331
61. Redcay S, Koirala A, Liu J. Effects of roll and flail conditioning systems on mowing and baling of Miscanthus × giganteus feedstock. Biosystems Engineering. 2018;172:134–143.
62. Sarkar A, Asaeda T, Wang Q, Kaneko Y, Rashid H. Response of Miscanthus sacchariflorus to zinc stress mediated by arbuscular mycorrhizal fungi. Flora. 2017;234:60–68. https://doi.org/10.1016/j.flora.2017.05.011
63. Seibert-Ludwig D, Hahn T, Hirth T, Zibek S. Selection and optimization of a suitable pretreatment method for miscanthus and poplar raw material. GCB Bioenergy. 2019;11(1):171–180. https://doi.org/10.1111/gcbb.12575
64. Grams J, Kwapińska M, Jędrzejczyk M, Rzeźnicka I, Leahy JJ, Ruppert AM. Surface characterization of Miscanthus × giganteus and Willow subjected to torrefaction. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2019;138:231–241. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2018.12.028