Новый ресурс: возделывание мискантуса как сырья для целлюлозы и производства кормов
Текст: И. Е. Лихенко; С. Ю. Капустянчик; О. М. Поцелуев; Г. Ю. Галицын, Сибирский НИИ растениеводства и селекции — филиал ФГБНУ «ФИЦ Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН»
Сегодня в сельском хозяйстве значительное внимание уделяется биоэнергетическим растениям, среди которых многолетние травы занимают особое место в связи с высокой продуктивностью биомассы и возможностью длительного использования плантаций. Мискантус как новая техническая культура обладает большим соответствующим ресурсом.
В России энергетический потенциал биомассы можно определить как высокий. При этом важными аспектами являются выбор источника сырья, его количество и качество. К одному из самых перспективных ресурсов для промышленного производства в данном отношении, в том числе в нашей стране, относится род многолетних травянистых растений Miscanthus, обладающий потенциальной продуктивностью до 40 т сухой биомассы с гектара.
СТЕПЕНЬ АДАПТАЦИИ
Естественное географическое распространение рассматриваемого рода — умеренные и субтропические зоны на западе до Центральной Индии и на востоке до Полинезии, однако несколько видов было обнаружено в Африке и Северо-Восточной Сибири в бореальной части. Мискантус может произрастать на разных высотах, что свидетельствует о его высоком потенциале приспособления. Также после интродукции данная культура широко адаптирована к различным местам обитания, включая Евразию, Северную и Южную Америку, Новую Зеландию.
В Европе изучаемый вид охарактеризован как многолетнее растение с высокой эффективностью фотосинтеза и секвестирования углерода, способное произрастать на одном месте свыше 20 лет и формировать биомассу с большим количеством целлюлозы. Ранее в Европе и Северной Америке данная культура использовалась в качестве садовых насаждений, в Азии — как источник соломы и корма для животных. Сейчас считается, что мискантус эффективен как биоэнергетическое растение вследствие высокой урожайности и особенностей химического состава биомассы. Одни из первых упоминаний об этом роде на территории бывшего Советского Союза в 1950 году связаны с его оценкой с точки зрения пригодности для использования в кормопроизводстве. Однако, например, в условиях Приобья Новосибирской области ежегодная продуктивность изучаемой культуры достигает всего 12–15 т/га, что прежде всего обусловлено природными условиями территории — недостаточной влажностью почвы в отдельные годы, продолжительными периодами с пониженными температурами и возвратными заморозками.
СТРОЕНИЕ И РАЗВИТИЕ
Вид Miscanthus sacchariflorus, к которому определен отечественный сорт Сорановский, относится к длиннокорневищным травам высотой до 2–2,5 м, имеет прямой жесткий стебель. Листья характеризуются узкой ланцетно-линейной формой до 60 см. Соцветие представляет собой веерообразную метелку длиной до 25 см бледно-фиолетового цвета в начале цветения и бело-серого — в конце. Морфологическое строение подземной части растений данной культуры представлено мочковатой корневой системой со множеством придаточных корней, узлом кущения и видоизмененным побегом — корневищем. Узел и подземные побеги располагаются на глубине 5–20 см от поверхности почвы, а корни размещаются в слое от нескольких сантиметров до 1,5 м. Длиннокорневищное строение подземного побега обеспечивает способность вида к быстрому заселению большой площади при условии отсутствия конкуренции.
Вегетационный период культуры в условиях Новосибирской области имеет определенные особенности. Отрастание побегов начинается поздней весной, цветение наступает в конце августа, а к концу сентября наблюдаются высыхание и отмирание надземной биомассы, связанные с понижением среднесуточной температуры и первыми заморозками. В годы исследований Miscanthus проходил практически полный цикл — достигал генеративной стадии, выметывал соцветия, в которых не происходило образование семян. При анализе видимых морфологических изменений отдельных органов были выделены очевидные фазы: всходы — начало роста междоузлий, кущение, флаговый лист, цветение и отмирание. Продолжительность развития варьируется в зависимости от погодных условий и составляет в среднем от 129 до 136 дней.
КОРМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Сегодня повышенное внимание к рассматриваемому роду связано с тем, что он представляет собой альтернативный, доступный, еще не полностью изученный источник возобновляемой энергии. Данный факт обусловлен различными подходами к переработке биомассы зерновых, в частности плодовых оболочек овса и соломы пшеницы, и технических культур.
Исследование кормовых качеств мискантуса показало их снижение в течение вегетационного периода. По мере прохождения фенофаз в надземной биомассе уменьшается количество протеина и жира и увеличивается содержание клетчатки. Установлено, что ее уровень в растениях для рациона крупного рогатого скота является благоприятным лишь при укосе в конце июня и начале июля. К концу развития концентрация клетчатки заметно превышает оптимальное значение, рекомендуемое для животных, что существенно снижает кормовые качества данной культуры. Содержание обменной энергии (ОЭ) на уровне 9–10 МДж/кг в начале вегетации Miscanthus также свидетельствует о возможности получения в период с конца июня до начала июля подножного корма хорошего качества. Таким образом, в целом отмечается перспективность применения биомассы этой культуры для приготовления силоса и в других целях на ранних стадиях развития по причине жесткости листьев и стеблей. Более того, изучаемый вид Miscanthus sacchariflorus является ценным для проведения селекционных работ, но на территории Новосибирской области данная деятельность с этим растением затруднена, так как его размножение основано исключительно на вегетативном способе.
В СРАВНЕНИИ С ДРЕВЕСИНОЙ
Одним из направлений анализа рода Miscanthus выступает использование его биомассы в качестве сырья для получения целлюлозы, что связано с нарастающей потребностью в бумажной продукции. За рубежом некоторые виды этой культуры применяются как многообещающий материал для соответствующей промышленности. В России также проводятся исследования бумагообразующих свойств образцов целлюлозы, полученных из вида Miscanthus sacchariflorus, и уже была доказана перспективность отечественного сорта Сорановский как источника сырья для отдельных видов бумаги в целлюлозно-бумажной промышленности. Данный сорт был создан в результате популяционно-генетических и селекционных разработок коллекции рода Miscanthus, сформированной в итоге экспедиции сотрудников Сибирского НИИ растениеводства и селекции — филиала ФГБНУ «ФИЦ Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН» на Дальний Восток в 1990-е годы.
Уже существует много работ, посвященных оценке химического состава надземной массы мискантуса, различным способам выделения целлюлозы, ее модификации в простые и сложные эфиры, а также трансформации в преимущественно глюкозные гидролизаты и биоэтанол. В качестве высокотехнологического продукта впервые была получена и описана нанокристаллическая целлюлоза. Особого внимания заслуживает биоэтанол, являющийся приоритетным биотопливом. Его производство основано на использовании быстро возобновляемого целлюлозосодержащего сырья, к которому в том числе относятся и растения рода Miscanthus. Кроме того, в ФГБУН «Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН» была проведена оценка химического состава средней пробы надземной биомассы Miscanthus sacchariflorus, характеризующая качество полученного сырья. Результаты свидетельствовали о высоком содержании целлюлозы и низкой концентрации жировосковой фракции — 53 и 2% соответственно, что в свою очередь обусловливает целесообразность использования этого вида в промышленности для переработки как в целлюлозу, так и в продукты ее химической и биотехнологической трансформации. Более того, мискантус в сравнении с древесиной оказался более дешевым высокоурожайным сырьем с большим экономическим потенциалом возделывания.
С НАУЧНОЙ ТОЧНОСТЬЮ
Помимо сырьевой составляющей, агрофитоценоз Miscanthus обладает фитоэкстракционной особенностью, вследствие чего может использоваться в биоремедиации почв. Растение способно развиваться на сильно загрязненных территориях и поглощать подземной биомассой вредные вещества, формируя вегетативную часть, пригодную для дальнейшего сельскохозяйственного применения. Так, исследования по влиянию засоленных участков на произрастание мискантуса, проведенные в Сибирском НИИ растениеводства и селекции — филиале ФГБНУ «ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН», показали перспективность возделывания данной культуры на территориях с определенным уровнем засоления. Отмечалось, что мелкие остаточные солонцы пригодны для выращивания этого вида, в то время как средние малонатриевые почвы малоблагоприятны для указанных целей.
В Соединенных Штатах и Европе проходили другие исследования, позволившие выявить, что отдельные виды рода Miscanthus — агрессивные растения, которые способны оказать негативное воздействие на окружающую среду. Данный факт связан с тем, что мискантус, будучи интродуцированным видом, может быть инвазивным. Однако большинство сортов этой культуры, используемых для производства биомассы, представлено стерильными гибридами, и сегодня отсутствуют доказательства, что Miscanthus sacchariflorus инвазивен. К тому же практическим опытом подтверждено, что он легко уничтожается после сбора урожая корневищ гербицидами сплошного действия. В целом известно, что инвазивность присуща прежде всего растениям, размножающимся семенами. Изучаемый вид не дает семян в условиях Сибири, тем самым практически исключая риск подобного воздействия. Распространение ползучих корневищ ограничивается стандартными агротехническими приемами, применяемыми для подобных культур: дискованием периметра поля в 1–2 следа. Следует отметить, что проводимые с 2005 года исследования в нашей стране не выявили инвазии мискантуса на граничащих с опытными участками территориях.
Таким образом, на территории Новосибирской области активно исследуются особенности выращивания Miscanthus sacchariflorus, что позволяет создать научные основы формирования нового направления в сельском хозяйстве — организации производства возобновляемого целлюлозосодержащего сырья для промышленной переработки в Сибири на базе рассматриваемой культуры. Сегодня увеличивается культивируемая площадь под мискантус и разрабатываются адаптированные технологии использования его биомассы.