Kiedy ciekawość dotyczy
ważnych problemów,
nazywa się ją żądzą wiedzy.

Marie von Ebner-Eschenbach, Aforyzmy Eschenbach

Dorastając w małej wsi, otoczonej rozległymi polami uprawnymi, na których prowadzono intensywną produkcję rolną, oraz w pobliżu dużej fermy trzody chlewnej, zmagałem się, jak reszta mieszkańców, z ogromnymi uciążliwościami zapachowymi. Najgorzej było w okresie wiosennym i jesiennym, kiedy to przedsiębiorstwo wykonywało pewien zabieg, pieszczotliwie nazywany przez miejscowych „Operacją ODÓR”. Polegało to na wylewaniu na pola uprawne nazbieranych z półrocznej produkcji zwierzęcej zapasów gnojowicy. Ten płynny nawóz organiczny, powstający przy wielkotowarowej, bezściółkowej hodowli zwierząt, oprócz dobrych właściwości nawozowych jest znany również z niepowtarzalnych „walorów” aromatycznych. Odpowiadające za ten okropny zapach substancje, m.in. indol i skatol, są bardzo lotne, trudne do neutralizacji i zdolne do wnikania w tkaniny i niektóre tworzywa sztuczne. W czasie „Operacji ODÓR” nikt nie wywieszał prania, nikt nie zostawiał samochodów na powietrzu (nie wszyscy mieli garaże), nikt nawet nie otwierał okien. Dłuższe przebywanie na zewnątrz powodowało konieczność natychmiastowego przebrania odzieży wierzchniej i prania w wyższej temperaturze. Warto też wspomnieć, że niektóre substancje odorowe są szkodliwe dla człowieka. Dodatkowo gnojowica, jako mieszanina kału i moczu, zawiera duże ilości bakterii kałowych, a praktycznie wszystkie one są patogenami oportunistycznymi. Oznacza to, że w dogodnych warunkach (np. w stanie osłabienia odporności) mogą wywołać chorobę. Wylewanie gnojowicy na pola w sposób niekontrolowany może powodować skażenia wód gruntowych i gleby.

Patrząc czasami przez okno na zewnątrz, niczym człowiek w filmach science fiction patrzący na toksyczny, zniszczony świat, zastanawiałem się, czy intensywna produkcja zwierzęca musi się wiązać z takimi następstwami. Na szczęście, gdy już chodziłem do szkoły średniej, nadeszła odpowiedź… i ratunek.

Doniesienia o mającej powstać nieopodal biogazowni rolniczej zderzyły się z protestami mieszkańców pobliskich wsi, spowodowanymi strachem przed nieznanym i jeszcze większymi uciążliwościami zapachowymi. Biogazownia jednak powstała i przyniosła same dobre następstwa. Otóż instalacja do produkcji biogazu wykorzystuje kiszonkę z kukurydzy oraz właśnie gnojowicę pochodzącą z fermy trzody chlewnej. Została zaprojektowana tak, aby zużywać całość produkowanego przez gospodarstwo odpadu. Wyprodukowany w ten sposób biogaz od razu zostaje przekonwertowany na energię cieplną i elektryczną. Gdy przyszedł czas na kolejną „Operację ODÓR”, wszyscy byli miło zaskoczeni. Wylewana na pola biomasa przefermentowana przez biogazownię okazała się praktycznie neutralna. Owszem, też generowała pewne zapachy, lecz w porównaniu z surową gnojowicą uciążliwości z tego powodu były nikłe. Znów można było suszyć pranie na świeżym powietrzu, nie martwić się o samochody i otwierać okna.

Firma swoją inwestycją w biogazownię odpowiedziała na moje pytanie. Tak, da się prowadzić dobrą, nieuciążliwą, ekologiczną, intensywną i dochodową produkcję zwierzęcą. To był ostateczny bodziec, który pchnął mnie do decyzji podjęcia studiów na kierunku biotechnologia. Właśnie w ich trakcie odbyłem praktyki studenckie w omawianej biogazowni, poznałem dokładnie proces produkcji biogazu – fermentację metanową – od strony mikrobiologicznej, technicznej i chemicznej. Tam się właśnie dowiedziałem, że w procesie produkcji biogazu indol, skatol i inne związki odorowe w dużej mierze ulegają rozkładowi. Zainteresowanie ekologicznymi rozwiązaniami w rolnictwie, energią odnawialną i biotechnologią przemysłową pozwoliło mi rozwijać się w swojej dziedzinie, nawiązać współpracę z dużym przedsiębiorstwem, napisać dwie prace dyplomowe o przemysłowej produkcji biogazu oraz dostać się na studia doktoranckie. Aktualnie prowadzę badania nad kilkoma biogazowniami rolniczymi spółki, z którą współpracuję. Mają one na celu ulepszenie tego procesu i zwiększenie jego wydajności, lecz podczas pracy dowiaduję się coraz więcej o tej skomplikowanej reakcji.

Każdy z nas produkuje biogaz…

Zaczęło się w starożytnych Chinach, kiedy rolnicy zauważyli, że gaz wydobywający się ze szczelnych zbiorników, w których przechowywano odchody zwierząt i ludzi, bardzo dobrze się pali. Postanowiono to wykorzystać. Rurami doprowadzano gaz do izb mieszkalnych i używano jako paliwa do ogrzewania i gotowania. To właśnie Chińczykom przypisuje się ujarzmienie procesu fermentacji metanowej. Od starożytności właściwie po dziś dzień w Azji jest najwięcej małych, przydomowych biogazowni. Poznanie procesu powstawania biogazu to już jednak historia współczesna. Dopiero w latach 50. XX wieku badania w tej dziedzinie ukształtowały poprawne jego rozumienie. Wiemy, że odpowiadają zań duże społeczności mikroorganizmów, zwane konsorcjami. Przeprowadzają one całe kaskady reakcji, których głównym celem jest rozkład dużych związków organicznych, jakimi są np. cukry złożone, do najmniejszego i najprostszego z węglowodorów – metanu. Najważniejszymi w tym procesie drobnoustrojami są metanogeny, które dosyć długo nazywano bakteriami metanowymi. Okazało się jednak, że te całkiem inne niż wszystkie, bezwzględnie beztlenowe organizmy to wcale nie bakterie, lecz archeony. Jedne z najstarszych ewolucyjnie organizmów jednokomórkowych na świecie. Niektóre z archeonów zdolne są żyć w środowiskach tak ekstremalnych, że żaden inny organizm na Ziemi nie przeżyłby tam nawet sekundy. To one właśnie produkują metan.

Fermentacja metanowa, mimo że prowadzona jest przez organizmy rodem z innego świata, to bardzo powszechny proces. Ma miejsce w układach pokarmowych praktycznie wszystkich ssaków, w tym i u ludzi. Najbardziej intensywnie jednak zachodzi w jednym z przedżołądków przeżuwaczy – żwaczu. Właśnie do żwacza porównywany jest zbiornik fermentacyjny biogazowni rolniczej. Jak do żołądka krowy, tak i do zbiornika fermentacyjnego trafia biomasa roślinna, w przypadku badanej biogazowni – kiszonka kukurydziana. Do tego dodawana jest gnojowica ze względu na dużą zawartość związków azotu oraz to, że jest źródłem metanogenów i innych organizmów biorących udział w całej kaskadzie reakcyjnej. Fermentor – zbiornik, w którym przebiega fermentacja – pozbawiony jest całkowicie tlenu, to główny warunek życia metanogenów. W takich warunkach zachodzi beztlenowy rozkład dużych związków organicznych, jak w przypadku procesu trawienia. Podpatrzenie tego procesu i wykorzystanie go pozwala nam być bardziej przyjaznymi dla środowiska, łagodzić skutki nieuniknionej urbanizacji, oszczędzać energię, a co za tym idzie – również pieniądze.

Fermentacja = sanityzacja

Wiele przedsiębiorstw na świecie, chcąc promować wykorzystywane rozwiązania, uznaje biomasę po fermentacji metanowej za praktycznie niegroźną pod względem mikrobiologicznym, w przeciwieństwie do nawozów nieprzetworzonych. Wiele badań naukowych potwierdza to, że dużo patogenów, groźnych dla zwierząt, ludzi, a nawet roślin, nie przeżywa procesu fermentacji. Trzeba jednak pamiętać, że kał zawiera bardzo duże ilości drobnoustrojów względnie chorobotwórczych – patogenów oportunistycznych. Moje badania wykazały, że są to ilości rzędu kilku milionów komórek w jednym gramie gnojowicy. Takie liczby bakterii to już poważne zagrożenie. Wyobraźmy sobie teraz zakażenie wód gruntowych bakteriami coli, zbyt wolną reakcję służb sanitarnych i dostarczenie takiej wody do domów, zakładów produkcyjnych, szpitali… Praca biogazowni redukuje zagrożenie taką tragedią do minimum.

Wraz ze współpracownikami sprawdziliśmy, jaka jest ilość patogenów oportunistycznych w gnojowicy i w biomasie przefermentowanej. Pobraliśmy próbki bezpośrednio z biogazowni, którą pamiętam z dzieciństwa i przeprowadziliśmy analizy ilościowe bakterii z grupy coli, czyli pałeczek kałowych. Aby wyniki były wiarygodne, metody zostały oparte na zdefiniowanych przez służby sanitarne normach, które pozwalają na jednolitą ocenę i porównywanie wyników różnych badaczy. W hipotezie badawczej przypuszczaliśmy, że redukcja tych bakterii na pewno będzie zauważalna, choćby ze względu na temperaturę procesu. W zbiorniku fermentacyjnym temperatura czasami przekracza 50°C, a w biomasie pofermentacyjnej zanotowano kilkakrotnie 60 stopni. Taka temperatura jest używana do sterylizacji żywności. Nie liczyliśmy jednak, że proces zredukuje liczbę bakterii w tak dużej skali.

W biomasie przefermentowanej, czyli tej, którą teraz wylewa się na pola uprawne, jest o 99,5% mniej bakterii z grupy coli niż w surowej gnojowicy świńskiej. Śmiało można wysunąć wniosek, że biogazownia rolnicza niemal całkowicie niweluje ryzyko zakażeń wywoływanych przez te bakterie na skutek nawożenia pól nawozem organicznym. Widząc, jak skuteczny jest ten proces, postanowiliśmy rozszerzyć nasze badania. Zwiększyliśmy liczbę grup bakterii, których ilość sprawdzamy, postanowiliśmy próbki pobierać cyklicznie, co miesiąc w ciągu jednego roku, aby sprawdzić, czy sanityzacja zawsze przebiega z taką samą skutecznością, czy może jednak wpływa na jej wydajność jakiś parametr prowadzenia procesu albo warunki atmosferyczne. Już na tym etapie zauważyliśmy, że gdy zaistnieją jakieś przeszkody, problemy bądź przerwy techniczne i spada wydajność metanogenezy, to od razu zmniejsza się wydajność sanityzacji biomasy. Liczby mikroorganizmów w biomasie pofermentacyjnej rosną. Może to świadczyć o tym, że same metanogeny na zasadzie antagonizmu wypierają bakterie patogenne. Na szczęście jedna grupa dosyć niebezpiecznych bakterii uznawanych za patogeny oportunistyczne zawsze zostaje zredukowana do liczby, która, jak to się mówi w laboratorium, „leży poniżej progu wykrywalności”. Oznacza to, że bakterii jest tak mało, iż trudno je w ogóle wykryć. Nie można jednak powiedzieć, że nie ma ich wcale. W naturze liczba zero nie istnieje. Mowa tutaj o paciorkowcach z grupy D, zwanych kałowymi lub po prostu enterokokami. Ich nazwa pochodzi od charakterystycznego sposobu układania się komórek bakterii. Przez to, że dzielą się one w jednej płaszczyźnie, tworzą długie łańcuszki – paciorki. Są częstą przyczyną infekcji dróg moczowych, a niektóre szczepy odporne na antybiotyki potrafią być naprawdę groźne. Mogą wywołać ostre zapalenia ogólnoustrojowe, zapalenia stawów, a nawet zgorzele kości. Ich stężenie w gnojowicy waha się w zależności od różnych czynników od kilku do kilkudziesięciu, a czasami nawet kilkuset milionów komórek na jeden gram. Intensywna fermentacja metanowa redukuje tę ilość do wartości niewykrywalnych, a więc też niegroźnych dla otoczenia.

Podsumowując, biogazownia to nie tylko ekologiczna energia i niwelowanie uciążliwości zapachowych, lecz także wydajny sposób utylizacji groźnego dla ludzi i środowiska odpadu, jakim jest gnojowica. Przedsiębiorstwo swoimi biogazowniami zamieniło problematyczny produkt uboczny na tanią, ekologiczną energię, lepszy pod względem dostarczania składników odżywczych nawóz oraz pewność, że otoczenie nie zostanie skażone mikrobiologicznie.

Pecunia non olet

Przystępując do kolejnych analiz, muszę otworzyć pojemniki z pobranymi próbkami gnojowicy i biomasy. Zazwyczaj robimy to pod wyciągiem, lecz i tak da się odczuć pewien dyskomfort przez zmysł powonienia. Przypomina mi to czasy zmagania się z „Operacjami ODÓR” i ciągłym chowaniem się przed niewyobrażalnym smrodem. Gnojowica była poważnym problemem dla nas, mieszkańców, a także dla firmy. Problem ten zamieniono na korzystny dla wszystkich biznes. Przedsiębiorstwo zarabia na produkcji energii, produkuje na dodatek lepszy od gnojowicy nawóz organiczny, a okoliczni mieszkańcy zamiast odoru mają pracę. Wszyscy są zgodni co do tego, że ten pieniądz (już) nie śmierdzi.