Obsah těkavých mastných kyselin ve vstupních surovinách pro přípravu kompostu

Úvod

Těkavé mastné kyseliny (TMK) vznikají v kompostech lokálně při rozkladu organické hmoty mikrobiální činností za anaerobních a semiaerobních podmínek. Hlavní podíl v zastoupení TMK má kyselina octová a propionová, v nižším množství se tvoří kyseliny máselná, isomáselná, valerová, isovalerová a hexanová. Pokud TMK vznikají ve vyšších koncentracích, mohou vyvolat snížení pH biologického materiálu (pH < 5), a tím inhibici mikrobiální aktivity a zpomalení degradačních procesů. Důsledkem je pomalý rozklad biologických materiálů, stagnace a tvorba nepříjemného zápachu (Adani et al., 2006; Bergersen et al., 2009).

V případě kompostování je výsledný kompost nestabilní a nevyzrálý a při aplikaci do půdy vykazuje známky fytotoxicity. Kompostování obecně není striktně aerobní proces a semianaerobní fermentace může nastat v jakémkoliv místě a okamžiku, např. v důsledku oxidativního stresu. Pokud jsou podmínky opět optimalizovány, inhibice procesů nenastane a kyseliny následně slouží jako lehce využitelný substrát pro další aerobní procesy. Navíc, TMK jsou slabé kyseliny (z hlediska teorie kyselin a zásad) a vzhledem k pufračním schopnostem celého systému, který se projevuje např. chemickou rovnováhou mezi disociovanou a nedisociovanou formou kyselin, není mezi hodnotou pH vybraného substrátu a obsahem TMK přímá korelace. Nízká hodnota pH v tomto ohledu vypovídá pouze o přítomnosti TMK, nikoliv o množství kyselin (Adani et al., 2006).

Ke snížení pH může přispívat i kyselina mléčná. TMK mohou být vneseny do kompostu již v důsledku použití vstupních materiálů, např. biologických odpadů z domácností (o pH 4,5-6), ve kterých mohou tvořit až 25 % sušiny (Adani et al., 2006; Bergenssen et al., 2009).

Pro optimalizaci kompostovacího procesu a úpravu pH na optimální hodnotu se k takovým surovinám při přípravě kompostu přidává vápno nebo jiná neutralizační aditiva. Přítomnost TMK ve vstupech může být vyvolána také hnitím substrátu v důsledku absence aerobní mikrobiální populace za nepříznivých skladovacích podmínek. Počáteční koncentrace TMK ve vstupních surovinách bude vždy dána typem odpadního materiálu, způsobem nakládání s těmito materiály a jejich uchovávání. Cílem práce bylo stanovení obsahu TMK ve vybraných surovinách – ve vzorcích posečené trávy, koňského hnoje, bramborové pasty a pilin, které se běžně používají pro přípravu kompostu. Vzorky substrátů použité pro analýzu byly vždy čerstvé, pouze u vzorku trávy byla provedena analýza ihned po odběru a následně opakována po uskladnění alikvotního podílu trávy po dobu jednoho týdne. Účelem stanovení obsahu kyselin bylo zjištění, v jakém množství jsou kyseliny vnášeny použitými surovinami do kompostované směsi.

Metody a materiály

Testovaný substrát

Těkavé mastné kyseliny byly stanoveny v reálných vzorcích biologicky rozložitelného odpadního materiálu, který je běžně využíván pro základku kompostu. Reprezentativní vzorek každého testovaného substrátu byl odebrán v množství cca 5 kg. Vzorky byly odebrány a zpracovány v souladu s požadavky CEN/TR 15310-2:2006 Characterization of waste. Sampling of waste materials. Guidance on sampling techniques (Raclavská et al., 2010).

Před experimentální analýzou byly vzorky uchovávány v tmavých, těsně uzavřených vzorkovacích láhvích při 4 °C z důvodu minimalizace mikrobiální aktivity. Kromě vzorků trávy byly všechny vzorky pro analýzu zpracovány do 24 hodin po odběru.

Reprezentativní vzorek trávy byl odebrán výše uvedeným postupem na Frýdecké skládce, a.s. Byl rozdělen na tři části. První část (TR) byla použita k okamžité analýze TMK, druhá část (TRM) byla uchovávána v uzavřené nádobě za laboratorních podmínek, třetí část (TRP) byla uchovávána za stejných podmínek na otevřeném prostoru.

Základní údaje k jednotlivým substrátům jsou uvedeny v Tabulce 1. Pro měření vlhkosti substrátů byl použit halogenový analyzátor vlhkosti HG63 (firma Mettler Toledo). Pro měření pH výluhu ze substrátů byl použit pHmetr Inolab pH730 (firma WTW GmbH, Weilheim).

Stanovení TMK

Kyseliny octová, propionová, isomáselná, máselná, isovalerová, valerová a hexanová byly ve výše uvedených substrátech stanoveny metodou plynové chromatografie s plamenovým ionizačním detektorem (GC/FID Agilent Technologies 6890N) za použití nástřiku split/splitless a kolony DB-WAXetr (30 m x 0.25 mm x 0.25 μm).

TMK byly extrahovány z pevné fáze do demineralizové vody (v poměru 1:20) po dobu 24 hodin v tmavých, těsně uzavřených láhvích. Po odstředění alikvotního množství kapalné fáze na centrifuze při 3000 ot/min byl získaný supernatant okyselen kyselinou šťavelovou na pH 2. Vzorky byly filtrovány přes teflonový mikrofiltr (0,45 μm) přímo do chromatografických vialek a ihned analyzovány metodou GC přímým nástřikem vodné fáze pro stanovení koncentrací jednotlivých kyselin.

Pro přípravu standardních roztoků byly použity jednotlivé kyseliny (Sigma Aldrich, čistota ≥ 99%) a methanol (Sigma Aldrich, for HPLC). Všechny vzorky byly měřeny duplicitně. Použitý analytický postup byl řádně validován dle požadavků EN ISO/IEC 17025:2005 a dokumentů doporučených organizací EURACHEM (http://www.eurachem.org/). Detekční limit pro stanovení jednotlivých kyselin byl stanoven na 10 mg.dm^-3. Zjištěná výtěžnost metody byla vyšší než 95 %. Nejistota měření pro jednotlivé kyseliny činila 15 %.

Výsledky a diskuse

Pro určení obsahů jednotlivých TMK, vyjádřených v g.kg^-1 sušiny, bylo analyzováno 10 vzorků biologických odpadních materiálů. Největší podíl mezi stanovenými TMK zaujímala ve všech testovaných substrátech kyselina octová (Obrázek 1), která je mezi TMK hlavním rozkladným produktem degradační aktivity mikroorganismů. Obsah této kyseliny převyšoval obsahy ostatních TMK o jeden až dva řády. Nejvyšší množství kyseliny octové bylo stanoveno ve vzorcích trav TR, TRM a TRP. Nejnižší obsah kyseliny octové byl stanoven v pilinách (PIL), v bramborové pastě (BP) a jednom vzorku koňského hnoje (KH2). Z ostatních kyselin se ve vzorcích vyskytovaly ve zvýšeném množství kyseliny propionová a máselná (Tabulka 2).

Porovnáním jednotlivých substrátů bylo zjištěno, že nejvyšší obsahy TMK byly stanoveny ve vzorcích trav o vysoké vlhkosti 75,6 a 74,7 % (vzorky TR a TRM). Ve vzorcích převládala kyselina octová, dále v nižším množství kyselina propionová a máselná (viz Obrázek 2). Oproti ostatním vzorkům byly v těchto dvou vzorcích identifikovány i vyšší obsahy ostatních kyselin.

Čerstvá tráva byla uskladněna v kontejneru v prostorech skládky a již během doby uskladnění docházelo k degradaci snadno rozložitelných strukturních polysacharidů – celulózy a hemicelulózy. Část vzorku čerstvé trávy byl odebrán a uskladněn po dobu jednoho týdne v uzavřené nádobě za laboratorních podmínek (teplota okolí 24 °C). Poté byl stanoven obsah TMK. Ve srovnání s původním vzorkem došlo ke změnám v obsahu TMK. Obsah kyseliny octové poklesl o 49 %, kyseliny máselné, valerové a hexanové poklesl o zhruba 20 %. V případě kyseliny propionové byl pozorován významný nárůst obsahu o 66 %, a dále se zvýšil obsah kyseliny isomáselné a isovalerové (o 50 % a 2 %).

Vzorek sušené trávy (TRP) byl další podíl původního vzorku čerstvé trávy (TR), který byl sušen rozložený na filtračním papíru po dobu jednoho týdne za laboratorních podmínek. V uvedeném období došlo k poklesu vlhkosti o 34,7 % a v důsledku toho byla snížena mikrobiální degradace organické hmoty. Obsahy kyselin poklesly o 61 %, 45 %, 70 %, 72 %, 57 % a 50 % (kyseliny octová, propionová, máselná, isovalerová, valerová a hexanová). Nejnižší pokles (pouze 8 %) byl sledován u kyseliny isomáselné.

Vzorek bramborové pasty (vlhkost 59,2 %) byl čerstvě odebrán ze skládky, ihned po dovozu producentem. Ve vzorku byly identifikovány především kyseliny octová a propionová. Jejich množství a zároveň obsah vyšších mastných kyselin (C4-C6) ve vzorku byly nízké ve srovnání se vzorky TR a TRM. V případě této suroviny je nutné vzít v úvahu, že škrob, který má ve složení brambor významné zastoupení, je potenciálním zdrojem TMK. Zejména v případě uskladnění odpadní suroviny při vysoké vlhkosti a za nedostatečného provzdušnění. Použitím nevhodně uskladněného substrátu lze vnést do kompostované směsi TMK přímo se surovinou.

Ve vzorku pilin byl stanovený obsah kyselin nejnižší. Ve vzorcích byly identifikovány kyselina octová a propionová, ostatní kyseliny byly přítomné ve velmi nízkých množstvích ve srovnání s ostatními substráty, obsahy kyselin valerové a hexanové byly pod mezí detekce metody.

V práci bylo analyzováno 5 vzorků koňského hnoje (Obrázek 3), které byly získány od různých chovatelů koní. Obsahy TMK v jednom z analyzovaných vzorků (KH2) výrazně převyšovaly obsahy TMK, mimo kyseliny hexanové, stanovené v ostatních vzorcích koňského hnoje. Zvýšené množství kyseliny octové, propionové, máselné a valerové ve srovnání s ostatními vzorky vykazoval i vzorek KH3. Ve vzorku KH5 byl identifikován nepatrně vyšší obsah kyseliny propionové.

Vznikající kyseliny octová, propionová, máselná a isomáselná ve vzorcích biologicky rozložitelného odpadu jsou rozkladnými produkty fermentace snadno rozložitelných stavebních látek - sacharidů, proteinů a lipidů. Kyselina valerová a isovalerová vznikají jako produkty degradace proteinů (Jagadabhi et al., 2010).

Některé bakterie mléčného kvašení mohou produkovat kyseliny reduktivní deaminací jednotlivých aminokyselin, tj. kyselinu octovou z alaninu a glycinu, kyselinu isomáselnou z valinu, kyselinu isovalerovou a valerovou z leucinu, resp. isoleucinu (Allison, 1978; Chu et al., 1996; Massey et al., 1976).

TMK mohou být rovněž tvořeny oxidací a redukcí párových aminokyselin Sticklandovou reakcí (Karlsson et al., 2008).

Kyselina hexanová může být produktem ß-oxidace mastných kyselin. Kyseliny valerová a hexanová mohou vznikat v důsledku rekombinace molekul kyseliny octové a propionové nebo kyseliny octové a máselné za odštěpení molekuly H₂. Tyto reakce mohou být katalyzovány některými bakteriemi střevního traktu přežvýkavců nebo klostridií (Pakarinen et al., 2008).

Ve vzorcích trav je převažující obsah kyseliny octové dán degradací strukturních polysacharidů rostlinného materiálů za účasti enzymů degradujících celulózu a hemicelulózu (Pakarinen et al., 2008). Celulóza a hemicelulóza tvoří až dvě třetiny buněčných stěn (v bezvodém stavu). Kyselina octová také vzniká jako produkt oxidace kyseliny propionové, máselné, isomáselné a isovalerové. Poslední dvě uvedené kyseliny společně s kyselinou valerovou přispívají ke zvýšené koncentraci propionátu (Chu et al., 1996).

Kyselina propionová za anaerobních podmínek nemůže být dále oxidována na acetát představující meziprodukt kompletní oxidace až na CO₂ a H₂O (Chu et al., 1996). Z toho důvodu byl identifikován její zvýšený obsah u vzorku TRM.

Vznik a spotřeba TMK u trávy uskladněné za nepřístupu vzduchu probíhal jiným mechanismem než u trávy uskladněné na vzduchu. Nejnižší obsah TMK byl stanoven v pilinách (vlhkost 40 %). Piliny obsahují vyšší množství ligninu (Tabulka 3), který snižuje dostupnost celulózy a hemicelulózy při enzymatické degradaci a samotný odolává mikrobiálnímu rozkladu, takže není ve fermentačních procesech využitelný. Tvorba TMK v pilinách může být také ovlivněna vlhkostí materiálu. Při vlhkosti substrátu < 76 % jsou kyseliny obsaženy pouze ve stopovém množství (Zavala et al., 2005).

Přítomnost mastných kyselin v čerstvém hnoji je výsledkem činnosti anaerobních bakterií v bachoru a střevním traktu přežvýkavců. Tyto baktérie rozkládají celulózu za vzniku TMK a dalších produktů. Při trávení pak TMK slouží jako zdroj energie, nicméně asimilace těchto látek není 100% efektivní. Část z nich je z těla přežvýkavců vyváděna s výkaly. Další TMK vznikají následnou bakteriální činnosti až po exkreci (Schuman a Mc Calla, 1976).

Obsahy TMK se liší v závislosti na typu hnoje (kejdy), jsou dány způsobem skladování hnoje, typu podestýlky a krmiva. Např. hnůj z výkrmen dobytka obsahuje mnohem vyšší koncentrace kyseliny mléčné, alkoholů a TMK než hnůj prasečí (Miller a Varel, 2003). Vyšší pH v případě těchto substrátů je způsobeno vyšší produkcí NH₃ (Adani et al., 2006). Výsledky studie potvrdily výskyt TMK v substrátech používaných pro přípravu kompostu. V daném případě však obsahy nebyly tak vysoké, aby došlo k významnému snížení pH, a tím k negativnímu ovlivnění degradačních procesů v rané fázi kompostování. V případě použití jednotlivých substrátů bude vždy určujícím faktorem způsob předcházejícího uskladnění použitého substrátu.

Závěr

Zjištěné obsahy těkavých mastných kyselin v analyzovaných vzorcích potvrdily, že v biologickém odpadním materiálu převažuje kyselina octová, v nižším množství pak kyselina propionová a máselná. Nejvyšší obsah TMK, včetně kyseliny octové, byl stanoven ve vzorcích trávy s vyšší hodnotou vlhkostí (> 70 %), nejnižší obsah byl stanoven v pilinách a bramborové pastě.

Vzorky koňských hnojů měly obsah TMK proměnlivý, dva ze vzorků vykazovaly obsahy vyšší. Rozdíly jsou dány jednak typem použitého krmiva a podestýlky a jednak způsobem nakládání s odpadem a jeho uskladněním. Ve vzorcích trav se ukázalo, že při uskladnění vlhkého vzorku za nepřístupu vzduchu se tvoří vyšší množství kyseliny propionové jako konečného produktu mikrobiální degradace. V případě sušené trávy se množství zjištěných TMK významně snížily, zřejmě dochází v důsledku snížení vlhkosti ke zpomalení degradačních pochodů.

Ve vzorcích substrátů byly TMK identifikovány. Ve sledovaných vzorcích jejich výskyt však nezpůsobil významné snížení pH a nedocházelo tak k inhibičním procesům mikrobiální degradace. Velký vliv na výskyt kyselin však bude mít způsob skladování jednotlivých substrátů před použitím pro přípravu kompostů. Při zvýšené vlhkosti a nepřístupu vzduchu lze předpokládat rozvoj anaerobních procesů, jejichž výsledkem je zvýšený obsah TMK.

Podkování

Příspěvek vychází z řešení výzkumného projektu NAZV MZe ČR “QI101C246 Využití fytomasy z trvalých travních porostů a z údržby krajiny” a projektu OP VaVpI ENET CZ.1.05/2.1.00/03.0069.

Literatura

1. Adani, F., Ubbiali, C., Generini P., 2006. The determination of biological stability of composts using the Dynamic Respiration Index: The results of experience after two years. Waste Manage. 26, 41–48.
2. Allison, M. J. Production of branched-chain volatile fatty acids by certain anaerobic bacteria. 1978. Appl. Environ. Microbiol. 35, 872-877.
3. Bergersen, O., Bøen, A. S., Sørheim R., 2009. Strategies to reduce short-chain organic acids and synchronously establish high-rate composting in acidic household waste. Bioresour. Technol. 100, 521–526.
4. Chu, A., Mavinic, D. S., Ramey, W. D., Kelly, H. G. 1996. A biochemical model describing volatile fatty acid metabolism in thermophilic aerobic digestion of wastewater sludge. Water Res. 30, 1759-1770.
5. Howard, R. L., Abotsi, E., Jansen van Rensburg, E. L., Howard, S. 2003. Lignocellulose biotechnology: isuues of bioconversion and enzyme production. Afr. J. Biotechnol. 2, 602-619.
6. Jagadabhi, P. S., Kaparaju, P., Rintala, J., 2010. Effect of micro-aeration and leachate replacement on COD solubilization and VFA production during monodigestion of grass-silage in one-stage leach-bed reactors. Bioresour. Technol. 101, 2818–2824.
7. Karlsson, A., Valllin, L., Ejlertsson, J. Effect of temperature, hydraulic retention time and hydrogen extraction rate on hydrogen production from the fermentation of food industry residues and manure. 2008. Int. J. Hydrog. Energy. 33, 953-962.
8. Massey, L. K., Sokatch, J. R., Conrad, R. S. 1976. Branched-chain amino acid catabolism in bacteria. Bacteriological Rev. 40, 42-54.
9. Miller, D. N., Varel, V. H. 2003. Swine manure composition affects the biochemical origins, composition, and accumulation of odorous compounds. J. Anim. Sci. 81, 2131-2138.
10. Schuman, G. E., Mc Calla, T. M. 1976. Effect of short-chain fatty acids extracted from beef cattle manure on germination and seedling development. Appl. Environ. Microbiol. 31, 655-660.
11. Pakarinen, O., Lehtomäki, A., Rissanen, S., Rintala, J. Storing energy crops for methane production: Effects of solids content and biological additive. 2008. Bioresour. Technol. 99, 7074-7082.
12. Raclavská, H., Juchelková, D., Škrobánková, H., Wiltowski, T., Campen, A., 2010. Conditions for energy generation as an alternative approach to compost utilization. Environ. Technol. V.32, No.4, 407-417.
13. Zavala, M. A. L., Naoyuki, F: Effect of moisture content on the composting process in a biotoilet system. 2005. Compost Sci. Util. 13, 208-216.
14. Eurochem [online]. 2010 [cit. 2010-11-10]. Dostupné z WWW: http://www.eurachem.org/

Tento článek byl převzat v rámci spolupráce s magazínem Agritech Science.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost