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

In de aride en semi-aride landschappen van Noord-China speelt een hardvochtige struik, bekend als Caragana korshinskii, een vitale rol bij het vasthouden van de bodem en het herstellen van kwetsbare ecosystemen. Deze plant, een lid van de vlinderbloemenfamilie, gedijt daar waar weinig anderen dat kunnen, omdat hij bestand is tegen droogte en kou terwijl zijn diepe wortels de aarde verankeren tegen winderosie. Echter, naarmals deze struikgewassen rijpen, worden de planten houtachtig en taai, waarbij ze elk jaar een dikke laag snoeiafval ophopen. Hoewel er jaarlijks miljoenen tonnen van dit materiaal worden geproduceerd, wordt het meeste simpelweg verbrand of aan rotting overgelaten, wat een gemiste kans vertegenwoordigt. De uitdaging ligt in de structuur van de plant: de vezels zitten opgesloten in een rigide, lignine-rijke matrix die het voor dieren moeilijk maakt om te verteren. Om dit taaie residu in bruikbaar veevoer te veranderen, kijken wetenschappers naar de eigen recyclers van de natuur: schimmels. Bepaalde schimmels, met name witrot-soorten, bezitten het unieke vermogen om enzymen uit te scheiden die lignine afbreken, de lijm die de plantvezels bij elkaar houdt, waardoor de opgesloten voedingsstoffen effectief worden vrijgemaakt. Dit biologische proces biedt een zachter, duurzamer alternatief voor de harde chemische behandelingen die vaak in de industrie worden gebruikt, en kan dit afvalproduct potentieel transformeren tot een waardevolle hulpbron voor de veehouderij.

Onderzoekers van de Landbouwuniversiteit van Binnen-Mongolië zetten zich in om de perfecte schimmelpartner voor deze specifieke taak te vinden. Ze verzamelden elf verschillende wilde stammen van een schimmel genaamd Irpex lacteus uit precies de habitats waar de struiken groeien. Het doel was om te identificeren welke van deze inheemse stammen het beste het taaie struikresidue kon koloniseren en dit efficiënt kon afbreken. Het team testte eerst hoe snel elke stam zich over een bed van versnipperd struikmateriaal kon verspreiden. Hoewel alle stammen groeiden, breidden twee van hen, aangeduid als n4 en n6, zich het snelst uit en bedekten ze het testoppervlak in slechts één week. Om te begrijpen waarom, onderzochten de wetenschappers de enzymen die deze schimmels produceerden. Ze gebruikten eenvoudige kleurveranderende tests om te zien hoe goed de schimmels verschillende delen van de plant konden aanvallen. Eén test mat de capaciteit om een stof te oxideren die lijkt op lignine, terwijl een andere test de bekwaamheid controleerde om cellulose op te lossen, de belangrijkste structurele vezel in planten. De resultaten lieten zien dat terwijl sommige stammen goed waren in het ene en andere stammen in het andere, stam n6 eruit sprong als de meest veelzijdige. Deze stam produceerde de hoogste niveaus van de specifieke enzymen die nodig zijn om zowel de lignine-lijm als de cellulosevezels af te breken, waardoor het de sterkste kandidaat maakte voor verder onderzoek.

Met de beste stam geïdentificeerd, richtten de onderzoekers zich vervolgens op hoe deze het meest effectief gekweekt kon worden. Ze testten verschillende condities om te zien wat de schimmel hielp te gedijen, waarbij ze experimenteerden met verschillende temperaturen, zuurtegraad en voedingsbronnen. Ze ontdekten dat de schimmel het beste groeide bij een warme temperatuur van 30 graden Celsius in een licht zure omgeving. Wat betreft voeding, gaf de schimmel de voorkeur aan maltose, een type suiker, en peptone, een nutriënt afgeleid van eiwitten, als zijn primaire dieet. Om voldoende van deze schimmel te kweken om grote hoeveelheden struikafval te behandelen, had het team ook een manier nodig om de schimmel snel op een graanbasis medium te laten groeien. Ze testten vijf verschillende granen — boekweit, sorghum, maïs, gierst en tarwe — om te zien welk graan de snelste groei zou ondersteunen. Boekweit bleek de duidelijke winnaar, waardoor de schimmel sneller en dichter kon verspreiden dan op de andere granen. Deze ontdekking bood een praktische methode voor de productie van de benodigde hoeveelheid schimmelstartercultuur voor het hoofdexperiment.

De laatste fase van de studie hield in dat de schimmel aan het werk werd gezet op het eigenlijke struikresidue. De onderzoekers bereidden het versnipperde plantmateriaal op twee verschillende manieren voor om te zien welke methode het beste werkte. Eén groep monsters werd gesteriliseerd met hogedrukstoom, een standaardmethode die alle andere micro-organismen doodt maar aanzienlijke energie vereist. De andere groep werd gepasteuriseerd, een mildere hittebehandeling die concurrerende microben vermindert zonder het materiaal volledig te steriliseren. Beide groepen werden vervolgens geïnoculeerd met de op boekweit gekweekte I. lacteus n6-stam en werden 56 dagen lang gefermenteerd. De resultaten waren opmerkelijk. De monsters die met de mildere pasteurisatiemethode waren behandeld en daarna waren geïnoculeerd met de schimmel, vertoonden de meest dramatische verbeteringen. Vergeleken met de onbehandelde, gepasteuriseerde controlegroep zag het geferementeerde materiaal een significante daling in de vezelinhoud. De hoeveelheid neutraal detergent vezel, die de totale onverteerbare celwand vertegenwoordigt, daalde met bijna 17 procent. De zuur detergent vezel, een maatstaf voor de nog taaiere, minder verteerbare delen, daalde ook met ongeveer 16,5 procent. Het meest indrukwekkend was dat de zuur detergent lignine, de hardnekkige component die de plant zo moeilijk eetbaar maakt, met bijna 50 procent werd verminderd.

Naast het afbreken van de taaie vezels, verbeterde het proces ook de nutritionele waarde van het voer. De hoeveelheid ruw eiwit in het behandelde materiaal steeg van ongeveer 8 procent naar meer dan 12 procent, terwijl de wateroplosbare koolhydraten, die snelle energie aan dieren leveren, meer dan vijfmaal zo groot werden. Deze veranderingen suggereren dat de schimmel niet alleen de plantstructuur heeft verzacht, maar ook zijn eigen biomassa aan het mengsel heeft toegevoegd, waardoor het eindproduct is verrijkt. De studie toonde aan dat het gebruik van een lokaal gewonnen schimmel in combinatie met een eenvoudige pasteurisatiestap een levensvatbare manier is om dit overvloedige struikafval te upgraden. Hoewel het onderzoek bevestigt dat het materiaal verteerbaarder en voedzamer wordt, merken de auteurs op dat verder onderzoek nodig is om te zien hoe goed dieren dit nieuwe voer daadwerkelijk eten en benutten. Desalniettemin vormt dit werk een solide fundament voor het omzetten van een enorme, onderbenutte afvalstroom in een potentiële oplossing voor duurzame veehouderij in de regio.