Změny enzymatické aktivity během vermikompostování

Bc. Hana Záleská

Master's thesis

Changes of enzymatic activity during vermicomposting

Abstract:

Cílem mé diplomové práce bylo zhodnotit změny enzymatické aktivity u čtyř různých enzymů (b-D-glukosidáza, kyselá fosfatáza, arylsulfatáza a lipáza) během vermikompostování čtyř různých bioodpadů (lihovarské výpalky se slámou a senem, biologicky rozložitelný komunální odpad, kal ze sladoven spolu se štěpkou, slámou, jablky, trávou a makovinou a matolina z révy vinné). A dále potvrdit nebo zamítnout hypotézy (hypotéza č. 1: Hodnoty aktivit jednotlivých enzymů se odlišují v závislosti na surovinách, hypotéza č. 2: Nejvyšší hodnoty enzymatické aktivity se vyskytují v čerstvém vermikompostu). Vermikompostování je proces, během kterého dochází činností žížal a mikroorganismů k přeměně organického materiálu na vermikompost. Ten obsahuje vysoce kvalitní humus, růstové hormony a právě také enzymy. Enzymy jsou všudypřítomné, jsou obsaženy v živých i mrtvých buňkách mikroorganismů, v rostlinách nebo rostlinných residuích a v exkrementech půdních živočichů. Hrají v koloběhu živin a při rozkladu organických látek hlavní roli, jelikož vytváří z organických sloučenin jejich anorganické formy, které jsou jednodušeji přístupné pro rostliny. Enzymy jsou rozděleny do šesti hlavních tříd podle typu katalyzované reakce. Všechny námi zkoumané enzymy patří do třídy hydroláz. Jedná se o nejpočetnější třídu enzymů, která katalyzuje hydrolytické štěpení. Dále se enzymy dělí podle místa působení na intracelulární a extracelulární. Námi zkoumané čtyři enzymy patří mezi extracelulární enzymy. Enzymatická aktivita je charakterizována rychlostí přeměny substrátu na reakční produkt. Tato rychlost je závislá na pH prostředí a jeho složení, teplotě, přítomnosti efektorů, množství enzymu a koncentraci substrátu. Její stanovení se nejčastěji provádí spektrofotometrickými nebo fluorescenčními metodami. V našem experimentu byla využita fluorescenční metoda. Každý enzym měl svůj fluorogenní substrát, který byl schopný štěpit. Ze získaných výsledků nebylo možno hypotézy jednoznačně ani potvrdit, ani zamítnout. U každé hypotézy alespoň jeden enzym nebo bioodpad nekoreloval s ostatními. První hypotéza byla potvrzena u b-D-glukosidázy a arylsulfatázy, zatímco u lipázy a kyselé fosfatázy byla zamítnuta. Druhá hypotéza byla potvrzena u kyselé fosfatázy, kde této hypotéze odpovídaly hodnoty u třech bioodpadů. U b-D-glukosidázy byla zamítnuta, zde této hypotéze odpovídaly hodnoty pouze u jednoho bioodpadu. U arylsulfatázy a lipázy hypotézu nešlo ani potvrdit ani zamítnout, jelikož polovina hodnot této hypotéze odpovídala a polovina nikoli. Právě z důvodu velkého množství ovlivňujících faktorů nelze uvést konkrétní hodnoty pro dosažení nejvyšší a nejúčinnější enzymatické aktivity pro zpracovávání bioodpadů. Pokud u jednoho typu bioodpadu bylo docíleno vysokých hodnot enzymatické aktivity, neznamená to, že u druhého typu tomu také tak bude. Přesto však tyto výsledky poukazují na to, že vermikompostování lze považovat jak za ekologickou, tak i ekonomicky výhodnou technologii při zpracování velkého množství bioodpadu.

Abstract:

Aim of this thesis was to evaluate changes in enzymatic activity in four different enzymes (b-D-glukosidase, acid phosphatase, arylsulfatase and lipase), during vermicomposting of four different biowastes (stillage with straw and hay, biodegradable municipal waste, sludge from malting, together with the wood chips, straw, apples, grass and poppy marc and grape marc). And further to confirm or reject the hypothesis (hypothesis no. 1: Activity values of the individual enzymes are different depending on raw materials, hypothesis no. 2: The highest enzymatic activity was found in fresh vermicompost). Vermicomposting is a process, during which activity of earthworms and microorganisms transform organic material into vermicompost. It includes a high quality humus, growth hormones and also enzymes. Enzymes are ubiquitous, they are contained in living and dead cells of microorganisms, plants or plant residues and in excrements of soil animals. They have major role in nutrient cycling and during decomposition of organic substances, because they produces inorganic forms from organic compounds, which are easily accessible to plants. Enzymes are classified into six major classes according to the type of catalyzed reactions. All enzymes, which we examined belong to the class of hydrolases. It is the largest class of enzymes and it catalyzes the hydrolytic cleavage. Furthermore, the enzymes are divided according to the site of action into intracellular and extracellular. All enzymes which we examined belong to extracellular enzymes. The enzymatic activity is characterized by the rate of transformation of substrate into the reaction product. This speed is dependent on the pH and his composition, temperature, presence of effectors, amounts of enzyme and substrate concentration. Its determination is usually performed by spectrophotometric or fluorescent methods. Fluorescent method was used in our experiment. Each enzyme had fluorogenic substrate, which was capable of cleaving. We were unable to confirm or reject our hypothesis from obtained results. In every hypothesis at least at one enzyme or biowaste did not correlate with others. The first hypothesis was confirmed at b-D-glucosidase and arylsulfatase, while at lipase and acid phosphatase the hypothesis was rejected. The second hypothesis was confirmed at acid phosphatase, where three biowastes matched with this hypothesis. At b-D-glucosidase the hypothesis was rejected, because in this case only one biowaste matched with this hypothesis. In case of arylsulfatase and lipase we were not able to confirm nor reject our hypothesis, because one half of our results matched and the other half did not. Because of the large amounts of influencing factors, we can not give specific values for achieving the highest and the most effective enzymatic activity for processing of biowaste. Achieving high levels of enzymatic activity in one type of organic waste, does not mean, that it will be the same at the second type. Nevertheless, these results indicate, that vermicomposting can be considered ecological and also economical technology in processing of large amounts of biowaste.

Keywords

enzymatická aktivita, bioodpad, vermikompostování, biomasa žížal

Keywords

enzymatic activity, biowaste, vermicomposting, earthworm biomass

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 4. 2017

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Aleš Hanč, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / field:
Care of Biosphere / Waste Use and Management