Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

щитами или тюками из соломы, выступающие над поверхностью земли стены утепляют вынутым грунтом. Для стока атмосферных и дренажных вод около силосных сооружений устраивают канавы.

При закладке силоса важно создать анаэробные условия, обеспечить доминирование молочнокислых бактерий (их общее количество должно быть 105–106 кл./г силосной массы). Кроме того, растительное сырье должно содержать много сухих веществ и особенно редуцирующих веществ (сахаров). В районах с умеренным климатом содержание сахаров в растительной массе более низкое, при таких условиях доминируют гетероферментативные молочнокислые бактерии.

На силос закладывают массу с 25–30% сухого вещества. Если содержание СВ < 25%, используются добавки сухих кормов и силосные добавки для достижения хорошей ферментируемости и уменьшения потерь силоса.

Один из вариантов силосования – приготовление сенажа. В этом случае биологическому консервированию в силосных сооружениях подвергается измельченная растительная масса, предварительно подсушенная (подвяленная) с содержанием 35–45% сухого вещества. Относительная сухость, создаваемая в сенаже, замедляет развитие молочнокислых бактерий, а также оказывает губительное влияние на рост нежелательных микроорганизмов. В США получило распространение приготовление специальных силосов – вестлажа и навосажа из смесей различных отходов животноводства и растениеводства, например, из смеси: 57% коровьего навоза и 43% сена; 42% дробленой кукурузы, 12% кукурузного силоса и 40% свиного навоза; 40% навоза крупного рогатого скота, 12% сенной резки и 12% дробленой кукурузы. Такие силосованные отходы скармливаются овцам и козам.

Возможны два способа силосования: холодный и горячий.

Холодный способ силосования более распространен, что объясняется как сравнительной его простотой, так и хорошим качеством получаемого корма. При холодном способе силосования скошенную растительную массу, если нужно, измельчают, укладывают до отказа в кормовместилище, утрамбовывают, сверху как можно плотнее укрывают для изоляции от воздуха. Созревание силоса идет при умеренном повышении температуры, максимум до 40 °С; оптимально при 25–30 °С. Общие потери сухих веществ корма при холодном силосовании не превышают 10–15%.

Горячий способ силосования используется для квашения грубостебельчатых малоценных кормов, которые после обработки при повышенной температуре лучше поедаются скотом. В этом случае сооружение заполняют по частям. Зеленую массу на один-два дня рыхло укладывают слоем около 1–1,5 м. При значительном количестве воздуха в ней начинают развиваться аэробные процессы, сопровождаемые боqльшим выделением тепла, в результате чего температура корма поднимается до 45–50 °С. Затем укладывают второй слой такой же толщины, как и первый, и он, в свою очередь, подвергается разогреванию. Растения, находящиеся внизу и размягченные под влиянием высокой температуры, спрессовываются под тяжестью нового слоя корма, при этом воздух из нижнего слоя силоса удаляется, аэробные процессы в нем прекращаются и температура

снижается. Taк слой за слоем заполняют все силосохранилище. Самый верхний слой корма утрамбовывают и укрывают от доступа воздуха. В связи с тем что силосохранилище при горячем способе силосования обычно делают небольших размеров, на верхний слой силосуемого корма помещают груз. Аэробные процессы приводят к окислению части веществ до CO2 и H2O, что приводит к потере значительного количества питательных веществ корма – до 30% и более, резко уменьшается переваримость белков. Поэтому горячее силосование не может считаться рациональным способом сохранения растительной массы.

Если сухих и редуцирующих веществ мало, силосная масса плохо утрамбована и укрыта и обеспечивается большой доступ кислорода, то рН не падает до значений консервации 4,0–4,2, в силосной массе развиваются энтеробактерии и клостридии, которые утилизируют молочную кислоту, белок, остаточные сахара, что приводит к утрате пищевой ценности силоса. Вместо молочной кислоты может накапливаться масляная, которая слабее, чем молочная. Скармливание такого недоброкачественного силоса коровам, молоко которых идет на сыр, вызывает в сыре подобное маслянокислое брожение.

Если в силосной массе мало молочнокислых бактерий, то при анаэробных условиях могут развиваться дрожжи, образуя этанол и CO2. Потери вещества силоса возрастают, консервация не происходит. Дрожжи могут активно развиваться в аэробных условиях, когда силос открывают для кормления животных. Аэробная порча силоса на поверхности бурта может быть очень быстрой и приводить к полной потере питательности силоса.

При высокой доле в сырье бобовых для достижения необходимого рН потребуется больше молочной кислоты из-за высокой буферной емкости белков бобовых. Поэтому большинство бобовых растений трудно силосуется, ведь в них относительно мало сахара (3–6% сухих веществ) и много белка (20–40% СВ).

Внесение азотных удобрений перед скосом травы может увеличить содержание аммонийного и нитратного азота в травяной массе. При содержании общего азота >100 г/кг трудно достичь значений рН до ингибирующего активность клостридий уровня. Кроме того, за счет нитратредукции

происходит повышение рН до 5,0 и выше, в результате чего начинается развитие клостридий.

О качестве силосованного корма можно судить по составу органических кислот, накопившихся при брожении (табл. 3.20).

Силос хорошего и высокого качества имеет следующий усредненный состав:

Таблица 3.20.

Примерное соотношение кислот в силосе разного качества

Для достижения хорошей ферментируемости и уменьшения потерь силоса часто используют силосные добавки.

Силосные добавки могут быть ингибиторами и стимуляторами ферментации. Ингибиторы – кислотные добавки (серная и смесь серной и соляной кислот, муравьиная, сорбиновая кислоты, смеси органических кислот: муравьиной, уксусной, пропионовой) и консерванты (формальдегид, параформальдегид). Стимуляторы – источники углеводов (патока, барда), молочнокислые бактерии, ферменты.

Кислоты трудно равномерно распределять в толще силосной массы, поэтому часть силоса может иметь повышенную кислотность. Силос с рН < 3,0 неприятен для животных и вызывает ацидоз в рубце (оптимальное значение рН 3,6–4,0). По этой причине использование кислотных добавок не очень эффективно. Кроме того, неорганические кислоты коррозионно агрессивны. Муравьиная кислота слабее неорганических кислот, она понижает значение рН ниже 4,0, если добавлять ее в концентрации, пропорциональной содержанию сухих веществ. Муравьиная кислота обладает антибактериальной активностью за счет сочетания закисляющего действия и бактерицидности самой недиссоциированной кислоты. Она ингибирует рост клостридий, энтеробактерий и некоторых штаммов стрептококков и педиококков. При этом развитие лактобацилл подавляется не полностью. Однако применение муравьиной кислоты не всегда дает устойчивый эффект при силосовании, некоторые дрожжи устойчивы к муравьиной кислоте и иногда начинают активно развиваться при открытии буртов для использования. До 50% муравьиной кислоты может быть потеряно в процессе силосования, что также приводит к плохой консервации силоса. Уксусная и пропионовая кислоты слабее, чем муравьиная, поэтому в качестве консервантов они используются лишь в смеси с последней. Добавление сорбиновой кислоты приводит к подавлению процессов аэробного разложения и эффективно, если существует опасность активного протекания их в силосной массе.

Формальдегид используют в виде 40% раствора (формалина), которым опрыскивают силос. Умеренные добавки формальдегида защищают растительные белки oт микробной атаки. Однако при полевом применении его потери могут быть высоки из-за летучести: в силосных ямах через 100 дней остается только 20% от исходного содержания формальдегида, что приводит к порче

силоса. Использование же повышенных доз формальдегида ухудшает качество

иперевариваемость белков. Свободный формальдегид может переноситься в молоко. Оптимально использование смеси формальдегида и муравьиной или серной кислоты.

Параформальдегид более устойчив и препятствует интенсивному разрушению белков, ингибируя преимущественно маслянокислое брожение, а не всю силосную микрофлору.

Кдобавкам, которые активно стимулируют ферментационные процессы в силосе, относятся патока и барда. Они увеличивают содержание сухих веществ

имолочной кислоты и уменьшают вследствие этого рН. Добавки вносят в количестве 50 г/кг силосной массы. При таких дозах не все доступные углеводы превращаются в молочную кислоту лактобациллами, и к концу ферментации сохраняется довольно высокий остаточный уровень водорастворимых углеводов. Высокое содержание фруктозы в патоке способствует росту гетероферментативных бактерий, что уменьшает количество молочной кислоты в силосе

ивызывает нестабильность молочнокислого брожения.

Наилучшими считаются биологические добавки на основе молочнокислых бактерий и ферментов. Такие добавки способствуют быстрому развитию молочнокислого брожения, доминированию прежде всего гомоферментативных молочнокислых бактерий над местной силосной микрофлорой и поддержанию низкого значения рН в течение всего периода образования и сохранения силоса.

Применение заквасок чистых культур молочнокислых бактерий особенно результативно при силосовании трудносилосуемых растений. Для силосования используют раздельно или совместно штаммы, обладающие значительной ферментативной активностью: Lactobacillus plantarum, L. pentoaceticus, L. pentosus, L. salivarius, Streptococcus lactis diastaticus, S. faecium, Pediоcoccus acidilactis, Propionibacterium shermanii, Enterobacter spp. и др. Эффективны, например, добавки L. plantarum (активный рост при рН < 5,0) совместно с добавками Pedicoccus и Streptococcus spp. (активны при рН от 5,0 до 6,5 – т. е. на ранней стадии силосования) в соотношении 3 : 1. Такие добавки вызывают быстрое падение рН за 24 ч. Этим сохраняется энергетическая и белковая ценность силоса: ингибируется рост Clostridium spp., накопление грибных токсинов и ограничивается рост гетероферментативных бактерий. Хорошие результаты достигаются при использовании препаратов, в состав которых входит S. faecium или S. lactis совместно с лактобациллами. При кормлении животных силосом, приготовленным с использованием этих бактерий, лучше подавляется рост вредных микроорганизмов в кишечном тракте, возрастают привесы.

Закваски молочнокислых бактерий готовят глубинной ферментацией с последующим отделением клеточной массы и ее высушиванием. В качестве питательных сред применимы обезжиренное или гидролизованное молоко, отходы молочной промышленности: подсырная, творожная и казеиновая сыворотки, а также пивная дробина, кислотные или ферментативные гидролизаты солодовых ростков, ржаной и гороховой муки и др. Закваски получают в виде бактериальных концентратов или высушенные. Бактериальный концентрат лактобацилл пастообразной консистенции с остаточной влажностью 70–72% содержит

(0,5–1) · 1011 жизнеспособных клеток в 1 г концентрата. Его хранят при 4–6 °С. Длительное хранение пастообразного концентрата невозможно, его необходимо высушивать или хранить в замороженном виде.

Хорошей питательной средой для размножения культур молочнокислых бактерий, предназначенных для высушивания, является стерильное обезжиренное молоко с повышенным содержанием сухих веществ (до 16%), что достигается добавлением сухого молока и 0,1% лимоннокислого натрия. Процесс размножения бактерий осуществляется без аэрации при температуре 30 °С в течение 12–16 ч для молочнокислых стрептококков и при 40 °С в течение 6 ч для молочнокислых палочек. Затем культуральную жидкость нейтрализуют 20%-м раствором NaOH до исходной кислотности среды. Жидкую закваску высушивают в распылительной сушилке при температуре поступающего воздуха 130–140 °С. В зоне распыления температура не должна превышать 48–50 °С. Остаточная влажность сухой закваски 5–7%. Выживаемость стрептококков при сушке в таких условиях 18–33%, ацидофильных палочек – 7–8%.

Наиболее высокое качество сухих заквасок обеспечивает лиофилизация биомассы с применением специальных защитных сред.

Педиококкиистрептококкименеетребовательныксоставупитательнойсреды, чем лактобациллы, растут в ферментерах до большей плотности, лучше выдерживают лиофилизацию и более стабильны при обычных условиях хранения на ферме, поэтому их получение в промышленных условиях дешевле, чем лактобацилл.

Биологические силосные добавки второго поколения включают кроме молочнокислых бактерий микроорганизмы с амилолитической и целлюлазной активностями, ферменты гидролиза запасных полисахаридов до гексоз и пентоз, которые могут быть усвоены молочнокислыми бактериями. Однако такие добавки не гидролизуют лигнин в условиях силосования. Могут использоваться биологические добавки, которые содержат только ферменты (целловиридин Г3х, целлоконигин П10х и др.). Целлюлолитические и гемоцеллюлолитические ферменты, содержащиеся в этих добавках, превращают запасные полисахариды травы в доступные углеводы, которые затем используются молочнокислыми бактериями, присутствующими в силосе.

3.2.3. Компостирование

Компостирование – экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры

ивлажности.

Впроцессе биодеградации под действием естественной микрофлоры – мезофильных и термофильных бактерий – окисляется до 60% органического вещества, оставшийся органический субстрат претерпевает физические и химические превращения, сопровождающиеся образованием гумифицированного конечного продукта. В ходе компостирования перерабатываемый материал разогревается до температуры 60–80 °С, при которой погибают личинки и куколки

насекомых, нематоды, яйца гельминтов и болезнетворные неспорообразующие микроорганизмы, семена сорных растений. Полученный компост представляет собой сыпучий материал меньшего объема, чем исходный, влажностью 40–50%, стабилизированный по биологическим показателям и претерпевающий лишь медленное разложение, поскольку содержание в нем легкодоступных питательных веществ, используемых большинством микроорганизмов, существенно снижено в результате окисления и минерализации.

С помощью компостирования различные малотоксичные, но загрязняющие окружающую среду органические отходы перерабатываются в более стабильные и/или менее токсичные материалы, лишенные неприятного запаха. Как способ переработки вредных отходов и уменьшения содержания загрязнений компостирование в настоящее время применяют для утилизации и обеззараживания активного ила и осадков очистных сооружений, навоза, помета, переработки твердых бытовых отходов после их предварительной сортировки, для очистки почв и других материалов, загрязненных нефтью, пестицидами, полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), полихлорированными бифенилами (ПХБ) и другими органическими поллютантами.

Компостированием получают ценные для сельского хозяйства органические удобрения и средства, улучшающие структуру почвы. Большое распространение также нашло получение искусственной почвы с помощью компостирования и ее использование в биоинтенсивном земледелии. Компосты могут использоваться для выращивания грибов, в качестве основного удобрения на огородах, садовых участках и т. д. Компостирование – экономичный и рентабельный способ получения энергии из сельскохозяйственных отходов. Тепло, выделяемое при компостировании, можно применять для нагрева воздуха и воды до 50–55 °С и отопления парников.

Компостирование различных отходов в промышленных масштабах наиболее широко применяется в странах Европы и США. Полученные органические удобрения используются при возделовании различных сельскохозяйственных культур, в садоводстве и овощеводстве. В России компостирование применяется в меньших масштабах. На нескольких мусороперерабатывающих заводах твердые бытовые отходы компостируют вместе с осадками сточных вод, при этом из 1 млн т отходов получают в среднем 360 000 т компостов. Затраты на получение таких компостов относительно велики, поскольку ТБО, поступающие на переработку, или уже готовый компост требуется сортировать. Имеется опыт и крупномасштабного полевого компостирования отходов животноводческих ферм (см. рис. 3.19, 3.20).

Выделяют 4 стадии компостирования (рис. 3.18): I – мезофильную, II – термофильную, III – остывание, IV – созревание. Продолжительность стадий I–III несколько суток и недель, стадии IV – несколько месяцев.

На первой стадии начинают развиваться мезофильные микроорганизмы. В результате протекания аэробных процессов окисления органического субстрата тепла выделяется намного больше, чем в ходе анаэробных процессов (в частности, при силосовании), температура внутри компостируемой смеси начинает постепенно повышаться с 10–15 до 30–45 °С. При достижении температуры

40–45 °С наступает вторая стадия компостирования, благоприятная для развития термофилов. Из-за протекания процессов аммонификации и выделения аммиака начинает повышаться pH. В природных условиях термофилы активно развиваются при саморазогревании различных органических субстратов (влажного сена, торфа, зерна, навоза, прелых листьев и т. п.). Условия, благоприятные для развития термофильных бактерий, сохраняются недолго, поэтому подобные бактерии, являясь эфемерами, обычно образуют специализированные покоящиеся клетки – эндоспоры, способные сохраняться в окружающей среде в течение очень долгого времени. Интенсивность обмена у термофилов выше, чем у мезофилов, и при их развитии температура возрастает особенно быстро, достигая максимальных значений 70–80 °С. Грибы и патогенные бактерии, организмы мезофауны, семена сорных растений погибают, термофильные бактерии спорулируют и в таком состоянии сохраняют свою жизнеспособность. На последующей стадии, после потребления легкоразлагаемого субстрата, скорость окисления начинает падать по мере того, как в него вовлекаются более устойчивые субстраты; температуравнутрикомпостируемоймассыпонижается,pHмедленноубывает,но остается щелочным. По мере остывания сначала восстанавливаются популяции спорообразующих бактерий и бактерий-актиномицетов, затем грибов. Развитие актиномицетов сопровождается образованием антибиотиков, которые подавляют многие бактерии, в том числе гнилостные и микобактерии, что способствует, наряду с температурным воздействием, обеззараживанию компостированного материала. На заключительной стадии, созревания, дефицит питательных веществ и смена доминирующей микрофлоры приводят к лизису части микробных клеток, появляются почвенные животные. Оставшиеся органические вещества вовлекаются в сложные реакции между остатками растительных полимеров и продуктами разложения, приводящие к образованию гуминовых кислот.

Наиболее благоприятные условия для разогревания субстрата создаются в рыхлых увлажненных кучах. Тепло, выделяемое в больших кучах, может нагреть массу до 80–90 °С. Протекающие при этом химические реакции могут привести к обугливанию и даже возгоранию массы.

Компостирование проводят в буртах, грядах, кучах, штабелях на открытых площадках (полевое компостирование, рис. 3.19, 3.20), ямах, траншеях с изолированным дном или в специальных емкостях. Возможна также и механизированная переработка (в колодцах, отсеках, туннелях, ангарах, силосах, сбраживателях и барабанах, биореакторах). Поскольку стоимость компоста низка, применяют недорогие, но надежные системы компостирования. Длительность компостирования в таких системах зависит от ряда условий: климата, вида перерабатываемых материалов, степени измельчения и продолжительности хранения компостной массы, влажности, условий аэрации.

Для компостирования важно оптимальное соотношение углерода, азота и фосфора в закладываемой массе. Соотношение углерода к азоту должно находиться в пределах 20 : 1 – 30 : 1. Содержание фосфора должно составлять 0,5–1,0% от СВ компоста. Поэтому для компостирования смешивают различные компоненты. Одни из них богаты азотом и фосфором и содержат легкоразлагающиеся органические соединения (навоз, куриный помет, фекалии, актив-

Примерные соотношения C : N в компостируемых органических отходах:

Смешивают, например, активный ил с ТБО, шлам сточных вод или куриный помет с корой, навоз или птичий помет с торфом в соотношении от 1 : 1 до 1 : 3, осадки сточных вод, ТБО, гидролизный лигнин, торф, сельскохозяйственные отходы и т. д.

Если отношение C : N > 30 : 1, то наблюдаются повышенные потери углерода. Если в перерабатываемом субстрате низкое содержание фосфора и калия, то

Материалы с большим содержанием влаги необходимо смешивать с твердым материалом, сорбирующим влагу, который обеспечит смесь дополнительным углеродом и создаст нужную для аэрации структуру смеси. Лучше всего добавлять торф, солому злаков, щепки, мусор, листья. Торф обладает хорошими поглотительными и антисептическими свойствами, способен удерживать питательные вещества, поглощает выделяющийся аммиак. При использовании кислого торфа в компостную смесь необходимо добавлять мел или известь.

Размеры компостных куч, гряд, штабелей, буртов должны обеспечивать необходимую влажность, температуру и аэрацию внутри компостируемой массы. При высоте менее 1,5 м компостная масса быстро подсыхает, потери тепла существенны, температурный режим биодеградации нарушается. Все это ухудшает компостирование. При высоте компостного ряда более 3–4 м происходит нарушение естественной аэрации, продолжительность компостирования увеличивается, возрастает содержание промежуточных низкомолекулярных веществ биодеградации, качество компоста падает.

В больших кучах температура может достигать 80–90 °С. Слишком высокая температура внутри разогреваемой кучи подавляет рост микроорганизмов: очень немногие виды сохраняют активность при T > 70 °C; скорости биологических процессов и последующего созревания компоста падают. Однако температура свыше 55–60 °C полезна для борьбы с термочувствительными патогенными микроорганизмами. Поэтому оптимальной является температура 55–65 °C, при которой, с одной стороны, гибнет патогенная микрофлора, а с другой – развивается микрофлора, ответственная за деградацию биополимеров. Для поддержания оптимальной температуры организуют испарительное охлаждение с помощью принудительной аэрации.

Аэрация необходима для биоокисления органических веществ, удаления CO2, H2O и теплоты. Естественная аэрация не позволяет создать оптимальные условия для компостирования: время компостирования увеличивается, вследствие чего снижается качество компоста. В таких случаях компостную массу необходимо периодически рыхлить. Потребность в кислороде меняется в течение процесса: она низка в мезофильной стадии, возрастает до максимума в термофильной стадии и минимальна во время остывания и созревания. В механизированных быстрых системах компостирования предусматривается автоматическое регулирование подачи воздуха и орошение в зависимости от температуры и влажности внутри компостной массы.

Вариант организации типичной компостной гряды представлен на рис. 3.21. Аэрация компостируемого материала в такой многослойной гряде осуществляется с помощью вертикальных или проложенных по дну гряды перфорированных труб воздухом под вакуумом или давлением, создаваемым отсосным вентилятором или воздуходувкой (компрессором). Основание ее имеет дренажный сток для отвода избытка влаги.

Штабелиибуртыспринудительнойаэрациейформируютсявысотойдо4–5м. Форма штабеля трапециевидная с шириной поверху 2–30 м. Расход воздуха составляет 0,4–0,9 м3 на 1 м2 штабеля в час при скорости движения воздуха 0,2– 0,4 мм/с.