Inovatīvi micēlija biokompozīti (MB) no augu atlikumu biomasas ar uzlabotām īpašībām ilgtspējīgiem risinājumiem
Projekta apraksts
Projekta ietvaros tiks izstrādāti inovatīvi micēlija biokompozīti (MB) no sēnes micēlija un augu valsts atkritumiem ar uzlabotām fizikāli mehāniskajām un metālu sorbcijas īpašībām, kuri ir konkurētspējīgi ar sintētiskajiem putu materiāliem un tradicionālajiem kompozītmateriāliem. Lauksaimniecības un kokrūpniecības ražošanā veidojas biomasas atkritumi, kuru utilizācijai nepieciešami jauni risinājumi. Sintētiskie siltumizolācijas un iepakojuma materiāli piesārņo vidi, jo nav biodegradējami. Smagie metāli izraisa vides piesārņojumu, un to savākšanā aktuāli ir izmantot jaunus, videi draudzīgus biosorbentus.
MB būs inovatīvs biomateriāls, kas risinās biomasas atkritumu utilizācijas un vides piesārņojuma jautājumus. Projektā paredzētās aktivitātes:
- MB izveide no sēnes micēlija un augu valsts biomasas atkritumiem; procesa optimizācija.
- MB īpašību uzlabošana ar dabīgām vielām (hitīns, suberīnskābe u.c.).
- MB fizikāli mehānisko un biodegradācijas īpašību izvērtējams atbilstībai ekoloģisku izolācijas un iepakojuma materiālu kategorijai.
- Metālu sorbcijas īpašību izvērtējams pielietojumam vides piesārņojuma mazināšanai.
Uzsaukums, aktivitāte: Latvijas Zinātnes Padomes Fundamentālo un lietišķo pētījumu projektu 2023. gada konkurss (LZP FLPP 2023/1)
Projekta īstenošanas gaita
01.01.2024 - Uzsākta projekta īstenošana.
31.03.2024. - Projekta pārskats par periodu 01.01.2024. – 31.03.2024. (1. ceturksnis)
Tiek uzsākta projekta aktivitāšu (WP) īstenošana:
WP2 – Micēlija biokompozītu (MB) izveide
Izveidoti pamata MB paraugi no kviešu salmu un bērza slīpputekļu substrātiem un bazīdijsēnes T. versicolor micēlija. Katram pamatsubstrātam izveidoti četri varianti ar dažādām papildus substrātu kombinācijām. Veiktas MB substrātu granulometriskās un ķīmiskās analīzes (Klāsona lignīns, Kiršnera celuloze, monosaharīdi). Veikta MB mitruma noteikšana audzēšanas starpstadijā un izaudzētos MB paraugos. Noteikta substrātu ūdens absorbcijas kapacitāte. Izstrādāti un optimizēti bazīdijsēnes T. versicolor kultivēšanas parametri, lai iegūtu iespējami augstāku biomasas koncentrāciju inokulātam.
30.06.2024 - Projekta pārskats par periodu 01.04.2024. – 30.06.2024. (2. ceturksnis)
WP 2 - Micēlija biokompozītu (MB) izveide
Noteikts pelnu saturs, veikta Furjē transformācijas infrasarkanā starojuma spektroskopija (FTIR) un elementu CHNS analīze gan substrātos, gan MB. Veikta MB paraugu mikrostruktūras analīze ar skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) metodi. Uzsākta pamata MB kompozīciju, kas satur kviešu salmus un bērza slīpputekļu substrātus, hibridizācija ar dabīgo savienojumu - hitozānu, lai uzlabotu MB fizikāli mehāniskās un metālu sorbcijas īpašības. Šim nolūkam ir veikti T. versicolor augšanas skrīningi barotnēs ar dažādu koncentrāciju hitozāna piedevu. Atlasītas hitozāna koncentrācijas iekļaušanai MB sastāvā un virsmas apstrādei.
WP 3 – MB īpašību izvērtēšana un validēšana
Noteiktas pamata MB kompozīciju, kas satur kviešu salmus un bērza slīpputekļu substrātus, mehāniskās īpašības(spiede, liece), kopā astoņiem MB paraugu variantiem. Uzsākts darbs pie pamata MB kombināciju virsmas laukuma un poru analīzēm, uzņemtas adsorbcijas/ desorbcijas izotermas.
WP 4 – Komunikācija un rezultātu izplatīšana
- Izveidots Komunikācijas un Datu Menedžmenta plāns ARGOS atvērtajā paplašināmā pakalpojumā un ZENODO datu repozitorijā.
Projekta rezultāti ir prezentēti starptautiskā konferencē International Conference for Young Scientists on Biorefinery Technologies and Products BTechPro2024, Rīga, Latvija, 24-26. 04, 2024. M. T. Dzierkale uzstājās ar referātu MYCELIUM-BASED COMPOSITES: A COMPARISON OF MATERIAL PROPERTIES DEPENDING ON THE SUBSTRATE (autori M.T. Dzierkale, I. Irbe, I. Filipova, L. Andze, O. Bikovens, A. Verovkins, D. Cars)
- D. Cars LV KĶI izstrādāja un LU Bioloģijas fakultātē teicami aizstāvēja bakalaura darbu MICĒLIJA BIOKOMPOZĪTU ĶĪMISKĀ SASTĀVA IZMAIŅAS BAZĪDIJSĒNES HIFĀM IEDARBOJOTIES UZ SUBSTRĀTU (darba vadītāja Dr. Ilze Irbe; konsultants Dr. Oskars Bikovens), iegūstot bakalaura grādu bioloģijā.
- M.T. Dzierkale LV KĶI izstrādāja un LU Bioloģijas fakultātē teicami aizstāvēja maģistra darbu MICĒLIJA KOMPOZĪTU SUBSTRĀTA IETEKME UZ TO ĪPAŠĪBĀM (darba vadītāja Dr. Ilze Irbe), iegūstot maģistra grādu bioloģijā.
30.09.2024. - Projekta pārskats par periodu 01.07.2024. – 30.09.2024. (3. ceturksnis)
WP 2 - Micēlija biokompozītu (MB) izveide
Pabeigta pamata MB kompozīciju, kas satur kviešu salmus un bērza slīpputekļu substrātus, hibridizācija ar dabīgo polimēru - hitozānu, lai uzlabotu MB fizikāli mehāniskās un metālu sorbcijas īpašības. Veikta hibridizēto MB paraugu mikrostruktūras analīze ar stereomikroskopijas un SEM metodēm. Vizualizēts hitozāna kristālu izvietojums kompozītos. Secināts, ka hitozāna inkorporēšana slīpputekļu kompozītos līdz 15% koncentrācijai neinhibē sēnes augšanu, bet salmu kompozītos sēnes augšana notiek līdz 4% hitozāna koncentrācijai substrātā.
WP 3 – MB īpašību izvērtēšana un validēšana
MB plātņu virsmas apstrādātas ar diviem un četriem hitozāna pārklājuma slāņiem. Nomērīts pārklājuma kontaktleņķis, lai raksturotu virsmas hidrofobās īpašības. Secināts, ka divslāņu hitozāna pārklājums nodrošina līdzīgu hidrofobitāti kā četri slāņi.
Virsmas laukuma un poru analīzes paradīja, ka pamata MB paraugiem ar slīpputekļu substrātu, bija mazāks īpatnējais virsmas laukums un poru tilpums nekā salmu paraugiem. Lielākais BET virsmas laukums tika konstatēts salmu-III variantam (3.35 m2*g-1), bet lielākais poru tilpums salmu-IV variantam (8.0 cm3*g-1). Hibridizētos MB paraugos, palielinoties hitozāna procentam slīpputekļu kompozītos, BET virsmas laukums un poru tilpums samazinājās, parādot, ka hitozāna pievienošana izveidoja mazāk porainu kompozītmateriāla struktūru. Tikmēr salmu MB paraugi neuzrādīja statistiski nozīmīgu atšķirību starp hitozāna saturu un BET virsmas laukumu.
Veikta pamata MB un hitozāna hibridizēto MB paraugu higroskopisko īpašību noteikšana pēc ASTM C1498-04a: 2016 standarta. Relatīvā mitruma (%) paaugstināšana no 50% – 95% izraisīja pakāpenisku MB paraugu mitruma palielināšanos - slīpputekļu un salmu MB kontroles paraugiem maksimāli sasniedzot 17 – 18%, bet hibridizētiem MB paraugiem - 17% – 30% robežās, atkarībā no kompozīta sastāva un virsmas pārklājumu skaita.
WP 4 - Komunikācija un rezultātu izplatīšana
Projekta rezultāti ir prezentēti starptautiskā konferencē 12th International Mycological Congress (IMC 12), 11-15 August 2024, Maastricht, Netherlands. I. Irbe piedalījās ar stenda referātu ‘’Mycelium biocomposites as eco-friendly insulation materials’’ (autori I. Irbe, M. Kirpluks, I. Filipova, L. Andze, O. Bikovens, A. Verovkins).
28.09.2024 projekta “Sēņu diena novados 2024” ietvaros Sēlijā, Gārsenes pilī notika sēņu un tās materiālu izstāde, kurā tika prezentēti KĶI Celulozes laboratorijā veidotie micēlija kompozīti (foto Zaiga Kaire).
04-06.10.2024 Latvijas Nacionālajā dabas muzejā notika „Lielā sēņu izstāde 2024”, kuras ietvaros pirmo reizi tika demonstrēti KĶI Celulozes laboratorijā veidotie micēlija kompozīti (foto Ilze Irbe).
28.12.2024. - Projekta pārskats par periodu 01.10.2024. – 31.12.2024. (4. ceturksnis)
WP 3 – MB īpašību izvērtēšana un validēšana
Noteiktas hitozāna hibridizēto MB kompozīciju, kas satur kviešu salmus un bērza slīpputekļu substrātus, fizikāli mehāniskās īpašības (blīvums, spiedes un lieces stiprība, elastības modulis), kopā astoņiem MB paraugu variantiem. Lieces stiprību ietekmēja MB kompozīcija un pārklājumu slāņu skaits. Novērots, ka četru slāņu hitozāna pārklājums pārsvarā uzlaboja lieces stiprību, bet ne elastības moduli. Spiedes stiprību un elastības moduli virsmas pārklājums kopumā neuzlaboja.
Ūdens absorbcijas un uzbriešanas tilpumā īpašības kontroles un hibridizētiem MB paraugiem tika analizētas saskaņā ar standartu ASTM D1037: 2012, paraugus 2 un 24 stundas iegremdējot destilētā ūdenī. Konstatēts, ka lielākais ūdens daudzums tiek absorbēts jau pēc 2 stundām, ar nelielu pieaugumu pēc 24 stundām. Novērota tendence, ka salmu MB paraugiem pārklājums samazināja ūdens absorbciju, bet slīpputekļu paraugiem -palielināja. Uzbriešanu tilpumā ietekmēja MB paraugu variants un pārklājumu skaits.
WP 4 - Komunikācija un rezultātu izplatīšana
Iznākusi publikācija: Irbe, I.; Kirpluks, M.; Kampuss, M.; Andze, L.; Milbreta, U.; Filipova, I. 2024. Assessing the Conformity of Mycelium Biocomposites for Ecological Insulation Solutions. Materials, 17, 6111. https://doi.org/10.3390/ma17246111
31.03.2025 - Projekta pārskats par periodu 01.01.2025. – 31.03.2025. (5. ceturksnis)
WP 3 – MB īpašību izvērtēšana un validēšana
Noteikta MB spēja saistīt smagos metālus (Cd, Cr un Cu), kā arī MB porainība kā svarīgs metālu sorbcijas parametrs. Raksturotas MB materiāla funkcionālās grupas ar titrēšanas un FTIR metodēm. Pabeigts kompostēšanas tests. Eksperimenti veikti ar (a) pamata MB paraugiem, kas veidoti no kviešu salmu un bērza slīpputekļu substrātiem un (b) hitozāna hibridizētiem MB paraugiem.
Vislielākais poru virsmas laukums un poru tilpums tika novērots MB paraugiem bez pievienota hitozāna. Konduktometriskā titrēšana, ar kuru noteica fenola, amino un karboksilgrupas, parādīja, ka pievienojot hitozānu, bija vērojama tendence palielināties aminogrupu masas saturam. -OH un -COOH saturs neuzrādīja būtiskas izmaiņas, mainoties hitozāna procentuālajam daudzumam MB paraugos. FTIR spektri parādīja, ka palielinoties hitozāna daudzumam MB paraugos, pieauga absorbcijas maksimums diapazonā, kas raksturīgs N saturošiem savienojumiem. Galvenā atšķirība starp slīpputekļu un salmu micēlija kompozītu FTIR spektriem bija vērojama karbonilgrupu absorbcijas apgabalā.
Smago metālu sorbcijas eksperimenti tika veikti, lai novērtētu gan pamata MB, gan hitozāna hibridizēto MB spēju saistīt smagos metālus. Iegūtie rezultāti parādīja, ka hitozāna pievienošana ir perspektīvs veids, kā uzlabot biosorbenta (MB) smago metālu sorbcijas spēju. Uzņemtas metālu adsorbcijas izotermas. Metālu adsorbcija biokompozītos ievērojami pieauga, palielinoties sākotnējai metālu koncentrācijai, līdz tika sasniegts sorbcijas plato. Maksimālā sorbcijas kapacitāte, atkarībā no MB substrāta, sasniedza Cu(II) 15,9 mg/g, Cd(II) 10,2 mg/g un Cr(III) 6,8 mg/g.
Kā inovācija biosorbentu jomā tika veikta MB modifikācija ar magnētiskām nanodaļiņām (Fe). Magnētiskajam sorbentam ir priekšrocība vielu atdalīšanai no šķīduma ar magnētiskā lauka palīdzību bez papildu centrifugēšanas vai filtrēšanas. Dzelzs daļiņu klātbūtne adsorbentā ir efektīvs instruments metāla jonu atdalīšanai. Iegūto paraugu magnētiskās īpašības tika noteiktas ar vibrācijas paraugu magnetometrijas (VSM) metodi, sadarbībā ar LU Fizikas institūtu. Rezultāti parādīja, ka slīpputekļu MB piemīt magnētiskās īpašības, bet salmu MB tādas neuzrādīja, parādot magnetīta sintēzes īpatnības dažādiem MB.
MB paraugu bioloģiskās noārdīšanās tests tika veikts pēc modificēta Eiropas standarta EN 14045:2003, kas ir paredzēts iepakojuma materiālu sadalīšanās novērtējumam noteiktos kompostēšanas apstākļos. Bioloģiski noārdīto MB paraugu ietekme uz komposta augsnes kvalitāti tika pētīta ar elementanalīzes CHNO metodi, vizuālo novērtējumu un foto dokumentāciju. Eksperimenta noslēgumā, pēc 12 nedēļām, visi MB paraugi bija sadalījusies, izņemot slīpputekļu MB ar 10% un 15% hitozāna piedevu, kā arī salmu MB ar 4% hitozāna piedevu, kuri bija sadalījušies daļēji. Pēc kompostēšanas augsnē bija vērojams būtisks N% satura samazinājums, H% satura pieaugums un paaugstināta C:N attiecība.
WP 4 - Komunikācija un rezultātu izplatīšana
- 25.01.2025. Radio Naba raidījumā par sēnēm "Micēlijs" viesojās LVKĶI Celulozes laboratorijas vadošā pētniece, sēņu eksperte Ilze Irbe. Vairāk: https://naba.lsm.lv/lv/raksts/micelijs/senes-sak-un-uzvar.a202196/
- 14.02.2025 Dienas Bizness. https://www.db.lv/ Rada inovatīvu iepakojamo materiālu. Monta Šķupele, https://www.db.lv/zinas/rada-inovativu-iepakojamo-materialu-520104
- Projekta rezultāti prezentēti Latvijas Universitātes 83. starptautiskajā zinātniskajā konferencē https://konference83.lu.lv/ : 14.02.2025.
- BSc students Pāvels Ļapunovs piedalījās ar mutisko referātu “Cu(II) AND Cd(II) HEAVY METALS SORPTION CAPACITY OF MYCELIUM BIO-COMPOSITES MODIFIED WITH CHITOSAN” (autori P. Ļapunovs, A. Vīksna, M. Bērtiņš, O. Bikovens, I. Irbe)
- 21.02.2025. MSc students Mikus Kampuss piedalījās ar mutisko referātu “Impact of Chitosan on Mycelial Growth of basidiomycete Trametes versicolor” (autori M. Kampuss, I. Irbe).
13.03. 2025. TV3 informatīvais rīta raidījums “900 sekundes” Sižets: Latvijā audzētas piepju micēlija kompozīta granulas iegūst starptautisku atzinību. Vairāk: https://zinas.tv3.lv/zinatne-un-tehnologijas/zinatne/latvija-audzetas-piepju-micelija-kompozita-granulas-iegust-starptautisku-atzinibu/
30.06.2025 - Projekta pārskats par periodu 01.04.2025. – 30.06.2025. (6. ceturksnis)
WP2 – Micēlija biokompozītu (MB) izveide
Izveidoti pamata MB paraugi no bērza slīpputekļu un kviešu salmu substrātiem un bazīdijsēnes T. versicolor micēlija. Katram pamatsubstrātam izveidoti četri varianti ar dažādām papildus substrātu kombinācijām. MB paraugi paredzēti hibridizācijai ar suberīnskābēm, lai uzlabotu kompozītu fizikāli mehāniskās un metālu sorbcijas īpašības.
WP 3 – MB īpašību izvērtēšana un validēšana
Veikta pamata MB kompozīciju, kas satur bērza slīpputekļu substrātus, hibridizācija ar (1) suberīnskābēm un (2) hitozāna/ suberīnskābju maisījumu.
Noteiktas hibridizēto MB kompozīciju, kas satur bērza slīpputekļu substrātu, fizikāli mehāniskās īpašības (blīvums, spiedes un lieces stiprība, elastības modulis), kopā četriem MB paraugu variantiem. Spiedes stiprību un elastības moduli ne suberīnskābju, ne hitozāna/ suberīnskābju maisījums kopumā neuzlaboja. Turpretī, tika panākts ievērojams lieces stiprības un moduļa īpašību uzlabojums, salīdzinot ar neapstrādātiem kontroles paraugiem.
Ūdens absorbcijas un uzbriešanas tilpumā īpašības kontroles un hibridizētiem MB paraugiem tika analizētas saskaņā ar standartu ASTM D1037: 2012, paraugus 2 un 24 stundas iegremdējot destilētā ūdenī.
Konstatēts, ka lielākais ūdens daudzums tiek absorbēts jau pēc 2 stundām, ar nelielu pieaugumu pēc 24 stundām. Neapstrādātiem kontroles MB paraugiem novēroja ūdens absorbciju līdz pat 500%, atkarībā no MB kompozīcijas. Turpretī, suberīnskābju vai hitozāna/ suberīnskābju apstrāde uzlaboja absorbcijas īpašības, samazinot to līdz 250%. Hibridizācija samazināja arī MB paraugu uzbriešanu tilpumā no ~7% kontrolēm līdz 1.5% un zemāk. Tilpuma izmaiņas ietekmēja MB kompozīcija un apstrādes veids.
Uzsākti sagatavošanās eksperimenti, lai noteiktu suberīnskābju hibridizēto MB spēju saistīt smagos metālus (Cd, Cr un Cu). Šim nolūkam, noteikti apstrādāto MB paraugu poru izmēri. Konstatēta ievērojama kopējā poru tilpuma V (0.46
un īpatnējās virsmas laukuma SBET samazināšanās (0.11
atkarībā no MB varianta. Raksturotas hibridizēto MB paraugu funkcionālās grupas ar konduktometriskās titrēšanas un FTIR metodēm. Titrēšana, ar kuru noteica fenola un karboksilgrupas, parādīja, ka pievienojot suberīnskābes, ievērojami palielinās COOH grupu saturs, un attieciģi, kopējais OH grupu saturs (w% > 6)
FTIR spektri apstiprināja karboksilgrupu satura pieaugumu suberīnskābju hibridizētiem MB paraugiem.
WP 4 - Komunikācija un rezultātu izplatīšana
26.04.2025. Pavasara sēņu simpozijs, Nacionālais botāniskais dārzs, Salaspils, Latvija. Rīkotājs Latvijas Mikologu biedrība. Izstādē tika prezentēti KĶI Celulozes laboratorijā veidotie micēlija kompozīti. Par izstādi ziņo vairāki interneta avoti:
- 8.05.2025. Rīga. Projekta rezultāti prezentēti LV KĶI Studentu konferencē. MSc students Mikus Kampuss piedalījās ar mutisko referātu “Hitozāna pārklājums micēlija kompozītu īpašību uzlabošanai” (vad. Dr. biol. Ilze Irbe)
04.06.2025. Latvijas iepakojuma Asociācija (https://www.packaging.lv/lv/) Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūts saņēmis starptautisku “Iepakojuma Ekselences” balvu (“Award for Packaging Excellence”) par iepakojuma projektu – MICĒLIJA KOMPOZĪTA MATERIĀLA GRANULAS iepakotu produktu aizsardzībai (darba autore Dr. Ilze Irbe) Pasaules Iepakojuma organizācijas (World Packaging Organisation) starptautiskajā konkursā “WorldStar for Packaging”. Apbalvošanas ceremonija notika š.g. 30. maijā Milānā (Itālija), iepakojuma izstādes “IPACK-IMA” laikā.
18.06.2025. LV KĶI notiek Pasaules iepakojuma konkursa “Iepakojuma Ekselences” balvas pasniegšana ‘’Micēlija kompozīta iepakojuma projektam’’. Balvu pasniedz Latvijas Iepakojuma asociācijas (LIA) valdes priekšsēdētāja Sandra Muižniece-Brasava un izpilddirektore Nadīna Neimane-Gardoviča
Vairāk: https://kki.lv/aktualitates/ieligosana-ar-glanci
https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:activity:7341127679619776513/
