Каждый год люди во всем мире производят миллиарды тонн твердых отходов. Примерно 70% этого мусора оказывается на свалках, где он медленно разлагается. Однако то, что может показаться инертным скоплением бесполезного мусора, на самом деле представляет собой сложную экосистему, изобилующую микробной активностью. Обширные сообщества микроорганизмов питаются отходами, превращая их в побочные продукты, в первую очередь в углекислый газ (CO2) и метан..
Хотя большая часть свалочного метана улавливается и сжигается в факелах, исследователи надеются вместо этого использовать этот ресурс, который можно преобразовать в топливо, электричество или использовать для отопления домов (см. ниже).
В новом исследовании, опубликованном в журнале Applied and Environmental Microbiology, ведущий автор Марк Рейнольдс вместе со своими коллегами из Университета штата Аризона и промышленными предприятиями изучают эти микробные сообщества, процветающие в фильтрате, жидкости, просачивающейся через твердые отходы на свалке.. Они обнаружили, что состав и поведение конкретных микробов, обнаруженных на засушливых свалках, например, в Аризоне, отличаются от аналогичных сообществ в более субтропическом или умеренном климате. Микробный состав также различается в зависимости от возраста свалочных отложений.
Проект был реализован на свалке Солт-Ривер, расположенной в Скоттсдейле, недалеко от кампуса Университета штата Темпе. Ежедневно на объект поступает около 1 600 тонн твердых бытовых отходов.
Твердые отходы: разбивка
Исследование изучает микробный состав фильтрата на уровне экосистемы. Различные условия окружающей среды, по-видимому, влияют на микробные ниши, которые разделены на 143 акра свалки.
«Я думаю о свалке как о большом углеродном буфете для этих микроорганизмов», - говорит Рейнольдс, исследователь из Центра экологической биотехнологии Biodesign Swette. «Наш мусор в основном состоит из бумаги и действительно богат целлюлозой и гемицеллюлозой. Они легко разлагаются в анаэробных (бескислородных) условиях».
Улавливание и использование газов, образующихся на свалках, может помочь снизить опасность, связанную с выбросами на свалках, и предотвратить выброс метана в атмосферу. Кроме того, энергетические проекты, связанные со сбором и переработкой свалочного газа, могут приносить доход и создавать рабочие места в сообществе.
Получив лучшее понимание поведения этих производящих метан микроорганизмов, исследователи надеются улучшить улавливание этого жизненно важного ресурса и, возможно, ограничить утечку метана и CO2 - двух сильнодействующих парниковые газы и ведущие факторы изменения климата - в атмосферу.
«Мы погружаемся в экологическую теорию, чтобы попытаться добраться до источника того, что может управлять структурой организации организмов, производящих метан», - говорит Рейнольдс. Многогранный анализ исследования показывает, что температура и растворенные твердые вещества являются двумя ключевыми параметрами, определяющими их изобилие и разнообразие. Это хорошая новость, потому что эти данные регулярно собираются на свалках, как правило, ежемесячно, и могут обеспечить точную диагностику - явные индикаторы общих тенденций в общем объеме производства метана.
Из мусора в топливо
На свалки твердых бытовых отходов приходилось более 15% выбросов метана в 2019 году, что является третьим по величине источником выбросов метана в мире. Как отмечается в исследовании, выбросы метана со свалок составляют эквивалент миллиарда тонн CO2, или примерно выбросы парниковых газов, производимые почти 22 миллионами автомобилей, которыми управляют в течение года.
Как правило, большая часть метана, выделяемого микроорганизмами на свалке, улавливается в виде биогаза и впоследствии сжигается, превращаясь в CO2. Хотя этот метод ограничивает вредное для климата воздействие самого метана, он является краткосрочным и неадекватным решением проблемы выбросов парниковых газов со свалок.
В дополнение к его неблагоприятному воздействию на климат потерянный метан представляет собой упущенную возможность использовать этот ценный ресурс. По оценкам исследования, примерно пятая часть свалок страны будет подходить для такого сбора и переработки, если удастся преодолеть экономические и другие препятствия..
В настоящее время микроорганизмы, разлагающие твердые бытовые отходы, производят свалочный газ, состоящий примерно на 50% из метана и на 50% из CO2 Понимая тонкую работу этих микроорганизмов, в частности, метаногенных архей, которые являются настоящими рабочими лошадками в цикле производства метана - исследователи надеются увеличить производство метана.
Увеличенный объем метана можно собирать и использовать для производства электроэнергии, углеродно-нейтрального топлива или для обогрева домов. Последний вариант особенно привлекателен, так как не требуется дальнейшей переработки метана. В качестве альтернативы, изменение микробных сообществ потенциально может быть использовано для ограничения выхода метана, где желательно смягчение последствий.
В поисках архей
Свалки представляют собой идеальные условия для детального изучения архей, которые, как известно, сложно культивировать в лаборатории. Примерно 80% разнообразия архей остается в значительной степени неизученным. «Наши лаборатории действительно заинтересованы в метаногенах, потому что тот же самый метаболизм, который они осуществляют в заболоченных местах, что делает их самым высоким источником метана, или вместо желудочно-кишечного тракта человека, они осуществляют на свалках», - говорит Рейнольдс..
Поскольку метаногены являются примитивными одноклеточными организмами, они могут в равной степени использовать растения, пищевые вещества или бумажные изделия. Хотя исследование показало, что концентрации метана на засушливой свалке аналогичны по сравнению с другими свалками, тяжелую работу выполняют разные сообщества метаногенов. Исследование показывает, что микробное поведение также зависит от возраста твердых отходов. Более молодые отходы имеют более высокую температуру по сравнению со старыми отходами и разлагаются по разным режимам. Также было показано, что засушливость сильно влияет на разложение твердых отходов с течением времени.
«Происходит реструктуризация или реорганизация этих микробов засушливого климата на свалках», - говорит Рейнольдс. Будущие исследования будут направлены на прояснение различий в этих сообществах по сравнению с их умеренными и влажными аналогами.
Дальнейшие исследования будут посвящены более подробному изучению микробных сообществ на свалках, а также использованию биостимуляторов или других методов, которые можно использовать для изменения производства метана.