Pasteurization-assisted solid-state bioconversion of Caragana korshinskii residues by Irpex lacteus n6

In den ariden und semiariden Landschaften Nordchinas spielt ein widerstandsfähiger Strauch namens Caragana korshinskii eine entscheidende Rolle beim Zusammenhalten des Bodens und bei der Wiederherstellung fragiler Ökosysteme. Diese Pflanze, die zur Familie der Leguminosen gehört, gedeiht dort, wo kaum andere Pflanzen überleben können, indem sie Trockenheit und Kälte trotzt, während ihre tiefen Wurzeln die Erde gegen Winderosion verankern. Doch wenn diese Strauchlandschaften ausreifen, werden die Pflanzen holzig und zäh, wodurch jedes Jahr eine dicke Schicht an Rückständen aus dem Rückschnitt entsteht. Während Millionen Tonnen dieses Materials jährlich anfallen, wird der Großteil davon einfach verbrannt oder verrottet liegengelassen, was eine verschenkte Gelegenheit darstellt. Die Herausforderung liegt in der Struktur der Pflanze: Ihre Fasern sind in einer starren, ligninreichen Matrix eingeschlossen, die es Tieren erschwert, sie zu verdauen. Um diese zähen Rückstände in nützliches Tierfutter zu verwandeln, suchen Wissenschaftler nach den eigenen Recycelern der Natur: Pilzen. Bestimmte Pilze, insbesondere Weißfäule-Arten, besitzen die einzigartige Fähigkeit, Enzyme abzusondern, die das Lignin abbauen – den Klebstoff, der die Pflanzenfasern zusammenhält – und so effektiv die darin gefangenen Nährstoffe freisetzen. Dieser biologische Prozess bietet eine sanftere, nachhaltigere Alternative zu den harten chemischen Behandlungen, die oft in der Industrie angewendet werden, und könnte dieses Abfallprodukt potenziell in eine wertvolle Ressource für die Viehhaltung verwandeln.

Forscher der Landwirtschaftlichen Universität Innere Mongolei machten sich daran, den perfekten Pilzpartner für diese spezifische Aufgabe zu finden. Sie sammelten elf verschiedene Wildstämme eines Pilzes namens Irpex lacteus aus genau den Lebensräumen, in denen die Sträucher wachsen. Das Ziel war es, zu identifizieren, welcher dieser einheimischen Stämme die zähen Strauchrückstände am besten besiedeln und am effizientesten abbauen kann. Das Team testete zunächst, wie schnell jeder Stamm über ein Bett aus zerkleinertem Strauchmaterial wuchs. Obwohl alle Stämme wuchsen, breiteten sich zwei von ihnen, bezeichnet als n4 und n6, am schnellsten aus und bedeckten die Testoberfläche in nur einer Woche. Um zu verstehen, warum dies geschah, untersuchten die Wissenschaftler die von diesen Pilzen produzierten Enzyme. Sie verwendeten einfache farbverändernde Tests, um zu sehen, wie gut die Pilze verschiedene Teile der Pflanze angreifen konnten. Ein Test maß die Fähigkeit, eine Substanz zu oxidieren, die dem Lignin ähnlich ist, während ein anderer die Fähigkeit prüfte, Zellulose – die wichtigste Strukturfaser in Pflanzen – aufzulösen. Die Ergebnisse zeigten, dass einige Stämme gut in der einen Sache und andere in der anderen waren, aber der Stamm n6 stach als der vielseitigste hervor. Er produzierte die höchsten Mengen der spezifischen Enzyme, die benötigt werden, um sowohl den Ligninkleber als auch die Zellulosefasern zu zerlegen, was ihn zum stärksten Kandidaten für weitere Studien machte.

Nachdem der beste Stamm identifiziert worden war, konzentrierten sich die Forscher darauf, wie man ihn am effektivsten kultiviert. Sie testeten verschiedene Bedingungen, um zu sehen, was dem Pilz beim Gedeihen half, wobei sie mit unterschiedlichen Temperaturen, Säuregraden und Nahrungsquellen experimentierten. Sie fanden heraus, dass der Pilz bei einer warmen Temperatur von 30 Grad Celsius in einer leicht sauren Umgebung am besten wuchs. Was die Nahrung betraf, bevorzugte der Pilz Maltose, eine Art Zucker, und Pepton, ein Nährstoff aus Proteinen, als seine primäre Nahrung. Um genug von diesem Pilz vorzubereiten, um große Mengen an Strauchabfällen zu behandeln, benötigte das Team auch eine Methode, um ihn schnell auf einem körnerbasierten Medium zu züchten. Sie testeten fünf verschiedene Getreidesorten – Buchweizen, Sorghum, Mais, Hirse und Weizen –, um zu sehen, welches das schnellste Wachstum unterstützen würde. Buchweizen erwies sich als klarer Gewinner, da er den Pilz schneller und dichter wachsen ließ als jede der anderen Getreidesorten. Diese Entdeckung lieferte eine praktische Methode zur Produktion der notwendigen Menge an Pilzkultur für das Hauptexperiment.

Die letzte Phase der Studie bestand darin, den Pilz an den eigentlichen Strauchrückständen arbeiten zu lassen. Die Forscher bereiteten das zerkleinerte Pflanzenmaterial auf zwei verschiedene Arten auf, um zu sehen, welche Methode am besten funktionierte. Eine Gruppe von Proben wurde mittels Hochdruckdampf sterilisiert, eine Standardmethode, die alle anderen Mikroorganismen abtötet, aber viel Energie erfordert. Die andere Gruppe wurde pasteurisiert, einer milderen Wärmebehandlung, die konkurrierende Mikroben reduziert, ohne das Material vollständig zu sterilisieren. Beide Gruppen wurden dann mit dem auf Buchweizen gezüchteten I. lacteus n6-Stamm inokuliert und 56 Tage lang fermentiert. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die Proben, die mit der milderen Pasteurisierungsmethode behandelt und anschließend inokuliert worden waren, zeigten die dramatischsten Verbesserungen. Im Vergleich zur unbehandelten, pasteurisierten Kontrollgruppe verzeichnete das fermentierte Material einen signifikanten Rückgang des Fasergehalts. Der Anteil der Neutralätzfaser (NDF), die die gesamte unverdauliche Zellwand repräsentiert, sank um fast 17 Prozent. Die Säureätzfaser (ADF), ein Maß für die noch zäheren, schwerer verdaulichen Bestandteile, sank ebenfalls um etwa 16,5 Prozent. Am beeindruckendsten war, dass das Säureätzlignin, die hartnäckige Komponente, die die Pflanze so schwer verdaulich macht, um fast 50 Prozent reduziert wurde.

Über das bloße Aufbrechen der zähen Fasern hinaus verbesserte der Prozess auch den Nährwert des Futters. Der Gehalt an Rohprotein im behandelten Material stieg von etwa 8 Prozent auf über 12 Prozent an, während die wasserlöslichen Kohlenhydrate, die Tieren schnelle Energie liefern, um mehr als das Fünffache zunahmen. Diese Veränderungen deuten darauf an, dass der Pilz nicht nur die Pflanzenstruktur aufweichte, sondern auch seine eigene Biomasse hinzufügte und so das Endprodukt anreicherte. Die Studie zeigte, dass die Verwendung eines lokal bezogenen Pilzes komb сочетаiert mit einem einfachen Pasteurisierungsschritt eine praktikable Möglichkeit darstellt, diesen reichlich vorhandenen Strauchabfall aufzuwerten. Während die Forschung bestätigt, dass das Material bekömmlicher und nahrhafter wird, merken die Autoren an, dass weitere Tests erforderlich sind, um zu sehen, wie gut Tiere das neue Futter tatsächlich fressen und verwerten. Dennoch bietet die Arbeit eine solide Grundlage, um diesen massiven, untergenutzten Abfallstrom in eine potenzielle Lösung für eine nachhaltige Viehwirtschaft in der Region zu verwandeln.