Чёрная львинка — помощница в переработке отходов

Всемирный день переработки отходов отмечается 18 марта. По этому случаю корреспондент «Сусанина» Дмитрий Стрелков решил пообщаться с профессором УдГУ Ириной Леонидовной Бухариной. Недавно она побывала с рабочей поездкой на IV Международном форуме будущих технологий в Москве с проектом «Масштабирование отрасли энтомопереработки органических отходов в циркулярной экономике», руководителем которого она является в рамках программы «Приоритет-2030».

Фото: Ирина Бухарина «ВКонтакте»

— Что такое энтомопереработка органических отходов простыми словами?

— Энтомопереработка — это использование насекомых для переработки органических отходов, то есть отходы используют в кормлении насекомых. Технологическая основа использования свойств и жизнедеятельности насекомых, существующих в природе, делает такие технологии природоподобными. Муха чёрная львинка  (Hermetia illucens) является очень перспективным биологическим видом для данной индустрии.

— Что такое циркулярная экономика, и какую роль играет в её формировании энтомопереработка?

— Циркулярная экономика (цикличная экономика, экономика замкнутого цикла, ЭЗЦ) — модель производства и потребления, которая подразумевает повторное использование, восстановление и переработку существующих материалов и продуктов как можно дольше.

Экономика замкнутого цикла основана на идее максимального использования материалов (отходов) повторно для создания новых товаров.  То, что в традиционной линейной экономике считается отходами, в циклической экономике становится активом или ресурсом. 

Смысл такого подхода очень глубокий, он подразумевает изменение философии или понимания экономики, формирование новых подходов к экономическому развитию. Ряд специалистов считает ЭЗЦ новой «революцией» или новым укладом в развитии экономики и общества. Речь не идёт только о переработке отходов (сейчас именно так многие понимают ЭЦЗ), а о такой организации производства, где, начиная с ресурса/сырья, планируется использование промежуточных продуктов (отходов) в дальнейших этапах производства или для создания новых продуктов, или рассматривается их использование как сырьё для других производств или отраслей экономики.

Это требует согласованности разных отраслей экономики и, безусловно, цифровых ресурсов управления этой системой. Циркулярная экономика работает по принципам природы (отсюда и термин биоэкономика), а основной принцип природы — формирование системы взаимосвязанных циклов.

Энтомопереработка использует насекомых, которые существуют в природе и благодаря своей жизнедеятельности и биохимическим особенностям потребляют органику. Эти свойства насекомых используются для разработки технологий, которые замыкают производственные циклы, перерабатывая отходы, и создают новые важные продукты для разных отраслей экономики.

Таким образом, энтомопереработка органических отходов решает целый ряд государственных задач: развитие экономики замкнутого цикла, развитие природоподобных технологий (биоэкономики), спрос на ценные продукты для АПК страны (продуктовую безопасность и независимость), решение задач климатической повестки (снижение выбросов парниковых газов). Это определяет перспективы развития энтомоиндустрии в нашей стране и в мире.

— Какое влияние энтомопереработка оказывает на уменьшение отходов и сохранение ресурсов?

— Я буду говорить об органических отходах растительного и животного происхождения: это бытовые отходы (ТКО — твёрдые коммунальные отходы) населения и предприятий, в составе которых содержится органика. Это пищевые отходы предприятий питания, отходы супермакетов («просрочка»), отходы овощных баз. Есть также органические отходы у предприятий пищевой промышленности, отходы растениеводства и животноводства АПК. Все эти отходы быстро разлагаются и являются серьёзным источником выброса парниковых газов.

В то же время органика в природе перерабатывается и утилизируется живыми организмами, служит для них источником питания, отсюда и значительный интерес к использованию живых организмов (бактерий, грибов, насекомых) для предотвращения накопления отходов. Но в природе образование органики и её деструкция сбалансированы. Человек внёс изменения в этот баланс, и эти изменения существенны и критичны, отсюда и поиск таких технологий, способов управления живыми организмами, чтобы справиться со сложившимся дисбалансом. Использование насекомых в утилизации — лишь одно из технологических решений, но, на мой взгляд, весьма перспективное и экологически обоснованное.

К вопросу о ресурсах: по прогнозам исследователей, к 2050 году население мира достигнет примерно 9,7 миллиардов человек. Такому населению потребуется около 1250 миллионов тонн мяса и молочных продуктов в год для нормального обеспечения белком животного происхождения при текущих уровнях потребления. Растущий спрос заставит человечество искать альтернативные источники белка, которые смогут заменить или дополнить растительные белки, которые в настоящее время используются в качестве корма для животных (к примеру, чтобы получить 1 кг животного белка требуется примерно 6 кг растительного белка).

Другая сторона неэффективных кормов — вынужденный рост поголовья сельскохозяйственных животных и связанные с ними отходы жизнедеятельности, которые наносят вред окружающей среде и являются источником выброса парниковых газов, влияющих на изменение климата на Земле.

Ещё один аспект рационального использования ресурсов: в мире каждую секунду выбрасывают 51 тонну еды. В год эта цифра достигает пугающей отметки в 1,3 – 1,6 млрд тонн, по данным ФАО (Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН). Большая часть продуктов питания, производимых в мире, теряется в технологической цепочке или выбрасывается. При этом существенная часть затраченных на производство экономических и природных ресурсов (труд, вода, энергия, почва и другие), многие из которых ограничены, тратится впустую. 

Глобальные продовольственные потери оцениваются на уровне $7,5 трлн ежегодно. Специалисты считают, что они дают  8% всех выбросов парниковых газов.

Наша страна не исключение. На Форуме будущих технологий 25-26 февраля в Москве, участником которого мне посчастливилось быть, на одном из информационных стендов была интересная информация: «В России ежегодно образуется 17 млн тонн пищевых отходов, 90 % поступает на полигоны ТКО, в них заключены полезные вещества стоимостью 100 млрд руб».

Какова роль насекомых в теме органических отходов? Конечно, уже используют разные виды и группы насекомых: личинки и куколки мухи чёрной львинки (Hermetia illucens), домашней мухи (Musca domestica), личинки мучного червя (Tenebrio molitor), куколки тутового шелкопряда (Bombyx mori), сверчков (Gryllidae), а также представителей саранчовых и кузнечиков (Acrididae, Tettigoniidae).

Конечно, при разработке технологий энтомоиндустрии учитывают безопасность объекта (чтобы не возникла проблема, «как с борщевиком»), скорость переработки (технологическая возможность управлять этим процессом), особенности/сложность жизненного цикла насекомых, широкая пищевая база («всеядность насекомого»). 

Особенно актуальны, безусловно, экономические показатели, такие как многопродуктовость (возможность получить несколько ценных продуктов, т. е.  показатели биоконверсии сырья в новые ценные продукты) и востребованность этих продуктов на рынке и в разных отраслях экономики  (участие в замыкании производственных циклов); показатели углероднейтральности, то есть баланса выброса парниковых газов (они рассчитываются в СО2- эквиваленте).

Всем этим показателям соответствует технология с применением мухи чёрная львинка. В мировом рейтинге тематика научных публикаций по этой проблеме занимает третье место. Во  многих европейских странах, Китае и Америке вопрос о  применении такой технологии давно решен положительно, акцент  исследований и внедрения направлен на  полную автоматизацию технологии производства, использование в процессе управления насекомыми искусственного интеллекта, селекцию наиболее эффективных популяций насекомых, развитие малых предприятий (модулей) как фактора локального развития сельскохозяйственных территорий по принципу  экономики замкнутого цикла (принцип развития биопоселений), сформированы общие платформы по взаимодействию между странами. На предприятиях, перерабатывающих отходы по этой технологии, производятся кормовые добавки, жиры, косметическая продукция, средства гигиены, корма для домашних животных, органоминеральные удобрения,  субстраты для восстановления нарушенных и загрязненных почв, создания  почвенного покрова, топливные брикеты, лекарства и пищевые добавки для человека. У нас в стране также есть существенный опыт во многих из этих направлений энтомоиндустрии переработки органики вообще, и с помощью мухи чёрная львинка, в частности. Но, тем не менее, система и рынок пока  не сложились.

Во многих странах, например, в Китае, приняты государственные программы, направленные на полную переработку производимой биомассы, то есть всё, что производится/выращивается, должно быть максимально переработано в новые продукты. В Китае уже открыто шесть заводов по биопереработке органических отходов по технологии использования личинки мухи чёрная львинка.

Эти задачи стоят и перед нашей страной, о чём говорилось на Форуме будущих технологий, на решение этих задач направлен национальный проект «Экономика замкнутого цикла». Энтомопереработка органических отходов является одним из важных элементов перехода на экономику замкнутого цикла, где понятие «отходы» становится понятием «сырьё для следующего технологического этапа или производства».

— Какие технологии и методы сегодня наиболее перспективны для масштабирования отрасли энтомопереработки?

— Одним из наиболее эффективных способов биоконверсии/переработки органических отходов является технология использования личинок мухи Hermetia illucens. Личинок можно выращивать на органике как растительного, так и животного происхождения. Содержание белка в сухом веществе личинок в зависимости от субстрата колеблется от 32…40% до 46,5%, и даже до 60%; содержание жиров соответственно: от 13…42% до 45,9%. В составе жира личинок чёрной львинки содержатся обладающие антибактериальными свойствами лауриновая кислота и пептиды, а также витамин Е, регулирующий в организме животных воспроизводительную функцию.

В связи с этим кормовые добавки с личинками мухи чёрная львинка обладают комплексным эффектом (не только, и не столько как источники белка). Выявлено, что в составе личинки содержится меланин, который обладает антибактериальными свойствами.

Многочисленными исследованиями выявлено, что личинки Hermetia illucens могут утилизировать более 50% органического субстрата, превращая его в ценное органическое удобрение. Зоогумус отличается от вермикомпоста повышенным содержанием органических веществ в 1,3 раза, общего азота в сухом веществе в 2 раза, общего фосфора (Р2О5) и калия (К2О). Кроме того, выживаемость патогенных бактерий в зоогумусе снижается на 97%. Есть возможность его использования не только в качестве удобрения, но и в качестве комплексного сорбента для удаления загрязняющих веществ из природных сред.

Разнообразная продукция на основе личинок Hermetia illucens имеет большой потенциал применения: кормовые добавки (для выращивания сельскохозяйственных животных, птиц, рыб); биоконверсия пищевых отходов, навоза крупного рогатого скота, птичьего помёта, отходов переработки сельскохозяйственной продукции (барба, шрот), собственно сельскохозяйственных отходов (соломы, мучки, листьев, оболочек фруктов и овощей), избыточного активного ила, отходов от переработки рыбной промышленности; получение биодизеля, фитостимуляторов, почвогрунтов, антиоксидантов, селективных сред, антибиотиков.

Таким образом, биотехнология с использованием чёрной львинки обладает синергетическим эффектом, решая одновременно несколько задач: экономическую — рентабельный бизнес; экологическую — утилизация органических отходов; продовольственную — получение высококачественных кормовых добавок, а в дальнейшем и пищевых продуктов; социальную — рабочие места в сельской местности; политическую — импортозамещение.

— Есть ли препятствия на пути к этому масштабированию?

— Мы с коллегами считаем, что важным аспектом является масштабирование в пределах аграрных территорий (по месту происхождения отходов), это снизит расходы на транспортировку отходов. Для таких территорий важно разработать экономическую модель, показать замкнутость производственных циклов в конкретном регионе, экономическую эффективность и экологическую значимость.

Например, мы совместно с группой предприятий АПК Алнашского района УР проработали создание такой модели благодаря сотрудничеству и тех НИР, которые финансировались программой «Приоритет-2030», и предприятиями АПК района. При создании модели был проведён анализ объёмов, образующихся отходов растениеводства, потребности в кормовой базе предприятий животноводства, были проанализированы разные технологии и разработаны типовые технологические схемы с учётом особенностей технологии, производительности, ресурсов и наличия отечественного оборудования.

Прошло производственное апробирование использования личинки в рационах кормления животных, использования зоогумуса в выращивании рассады овощей, декоративных растений и лука на перо. Полагаем, что препятствием как раз-таки является отсутствие таких программ/моделей, в связи с чем мы планирует масштабирование такой модели на разные сельскохозяйственные районы и предприятия, образующие органические отходы.

Пока сдерживающим фактором также является автоматизация производства, в технологии используется большой процент физического труда. Отрасль, конечно, зависит и от развития цифровых технологий, автоматизированных систем управления производством и отраслью в целом.

Что касается переработки органики ТКО, существенным препятствием является отсутствие раздельного сбора отходов. На полигонах ТКО невозможно хорошо отделить органические отходы, чтобы иметь возможность их реального биокомпостирования или энтомопереработки.

Необходима разработка государственных мер поддержки предприятий по биопереработке, с одной стороны, и усиление требования внедрения безотходных технологий для производителей, с другой стороны.

Мне лично непонятно, почему, когда отходы накапливаются, речь об экономической выгоде не идёт, а когда мы говорим о технологиях и продуктах переработки отходов — сразу спрашивают: “а какова экономическая выгода?” Такого «перекоса» нельзя допускать, если мы говорим об экологическом благополучии страны и территорий. Отходы надо перерабатывать и, конечно, искать экономически выгодные пути и технологии.

Ещё одна актуальная проблема, на которую особо указал президент РФ на Форуме будущих технологий — это кадры. Нужно в ближайшее время сложить систему подготовки специалистов в области экономики замкнутого цикла — инженеров, которым, помимо технологических компетенций, необходимо иметь дополнительно компетенции в экологии, экономике, цифровых технологиях и управлении.

Также нет пока направлений подготовки, которые специализированы на подготовке кадров по выращиванию насекомых как сельскохозяйственных животных. Для этого необходимо сформировать пакет основных образовательных программ и программ дополнительного образования по траектории СПО – вуз – предприятия.

— Каковы экономические выгоды от внедрения энтомопереработки для бизнеса и общества?

— Они очевидны для общества: предотвращение образования отходов и связанных с этим проблем по деградации почв и выбросам парниковых газов, разумное использование ресурсов. Это востребованные продукты для АПК и других отраслей. Это развитие сельских территорий и регионов на основе принципов экопоселений с экономикой замкнутого цикла. При этом, когда мы делаем расчёт «выгоды», надо ориентироваться не только на экономические показатели от продажи конечных продуктов, но и учитывать такой показатель, как предотвращенный экологический ущерб.

Сравнение финансовых затрат показало, что переработка органических отходов, в том числе и просроченной продукции из торговых точек, путём выращивания личинок чёрной львинки в экологическом и экономическом аспектах выгоднее, чем сжигание и анаэробное сбраживание, и сопоставимо с затратами на компостирование. Также определено, что личинки Hermetia illucens утилизируют пищевые отходы быстрее, чем дождевые черви.

Утилизируя органические отходы, насекомое, в частности муха чёрная львинка, из средства труда превращается в его предмет, далее — в товар (корм животным, медицинские и иные цели).

Энтомотехнология может являться источником прибыли для всех трёх типов технологического предпринимательства: узкого, широкого и смешанного. Смешанный тип, по мнению специалистов, является наиболее предпочтительным, так как позволяет минимизировать первичные затраты.

В России коммерциализация биотехнологии с использованием чёрной львинки идёт с 2015 года и ежегодно нарастает, что подтверждается патентной активностью, но, несмотря на перспективность данного бизнеса, рынок развивается очень медленно.

— Каким вы видите будущее отрасли энтомопереработки в контексте глобальных трендов устойчивого развития?

— Полагаю, что это одно из ключевых направлений в концепции и реализации устойчивого развития. Один из примеров — это роль энтомопереработки в предотвращении и адаптации к изменению климата. Установлено, что в процессе жизнедеятельности личинок мухи чёрная львинка выбросы CH4 и N2O в процессе биоконверсии пищевых отходов составляют 0,38 кг в пересчёте эквивалента СО2 на тонну субстрата, что несоизмеримо меньше количества СО2, выбрасываемого в атмосферу при гниении пищевых органических остатков (96 г/кг отходов), при этом создаются новые продукты для отраслей экономики.

Использование таких уникальных природных объектов и природоподобных технологий — принципиальный подход устойчивого развития, обеспечивающий единство экологического, экономического и социального, разумного использования и сохранения ресурсов для будущих поколений.

— Какие новые исследования и разработки могут повлиять на дальнейшее развитие этой отрасли?

— На мой взгляд, это создание узконацеленных (таргетированных) продуктов для разных видов животных разных направлений использования, а также отраслей растениеводства. Полагаю, что имеет перспективы и использование насекомых как источника белка для человека.

Очень интересен факт высокого содержание меланина в личинке мухи чёрная львинка, которое значительно превосходит ныне используемые источники сырья для его получения. Меланин — вещество, влияющее на иммунитет человека и животных. Перспективно направление поиска у насекомых и синтеза востребованных органических веществ. Для развития этого направления необходимы глубокие биохимические исследования.

Перспективно использование зоогумуса в производстве почв/природоподобных почвенных субстратов. Кстати, в настоящее время мы ведём обмен информацией и определением перспектив сотрудничества с одним из ведущих научно-производственных центров РФ, занимающимся производством «живых почв» из отходов. Надеемся, что мы найдём взаимный интерес.

— Как специалисты УдГУ включены в подобную исследовательскую работу? (Ресурсы, лаборатории, исследовательский штат, работа студентов).

— В Удмуртском государственном университете создана научно-производственная площадка (НПП) по биопереработке органических отходов. Она включает автоматизированный инсектарий (производство яиц и личинок мухи), цех по биопереработке органики и цех по производству продуктов (личинки и зоогумуса). Все отделы имеют современное производственное оборудование.

На площадке работают трое сотрудников. В составе НПП работает учебно-научная лаборатория «Экологические биотехнологии», на базе которой проводятся исследования, апробирование продуктов, биохимические исследования. Существенную помощь в организации работы НПП оказывает Инжиниринговый центр развития передовых технологий УдГУ под руководством Андрея Ковальчука.

НПП является базой для практической подготовки студентов бакалавриата и магистратуры по направлениям подготовки «Природообустройство и водопользование (ПИВ)» и «Техносферная безопасность». В учебные планы направления подготовки «Природообустройство и водопользование» введены учебные курсы «Экономика замкнутого цикла» и «Устойчивое развитие». На базе УНЛ «Экологические биотехнологии» и научно-производственной площадки ежегодно выполняют ВКР по данной теме и в целом по тематике утилизации отходов до 70% студентов выпускников этого направления подготовки. С 2024 года эти структуры стали базой для работы двух аспирантов УдГУ и научных стажировок аспирантов других вузов Республики и соседних регионов.

Построено сотрудничество с предприятиями реального сектора экономики Удмуртии и других регионов, научно-образовательными организациям. Наши партнёры: ООО «Львинка»; ООО «КарелБиоТех»; ООО «Грингурт»; СПССК «Мустанг»; Сельскохозяйственный кооператив «Колхоз «Молодая гвардия» (Алнашский р-н, Удмуртия); Петрозаводский государственный университет; Международный государственный экологический институт им. А. Д. Сахарова Белорусского государственного университета.

За последние два года выполнены НИР по разработке и апробированию инновационных технологий и продуктов переработки органических отходов с предприятиями АПК (реализованы 5 договоров на проведение НИР на общую сумму порядка 1 млн. рублей). Разработано и задекларировано 4 продукта (кормовые добавки для КРС и субстраты для растениеводства и овощеводства). Выполнены НИР по договору с ООО «МИЛКОМ» по возможности утилизации отходов предприятия личинкой мухи чёрная львинка.

На базе тепличного комплекса учебно-научного ботанического сада УдГУ проведены работы по апробированию модели предприятия, работающего на принципах экономики замкнутого цикла в рамках выполнения научно-исследовательской работы «Формирование комплекса методов, способов и технологий замыкания производственных циклов в сфере АПК и эффективных технологий переработки производственных отходов и продовольственных излишков в сфере АПК» (проект «Создание цифровой модели управления технологическими процессами, замыкающими производственные циклы в сфере АПК», реализуемый совместно с ФГБОУ ВО «Государственный университет управления, город Москва).

Иллюстрации к статье сгенерированы при помощи искусственного интеллекта (нейросети).