Карабинцева Фармацевтическая технология методички / Экологическая биотехнология

6 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

6.1. Компостирование и биодеградация отходов сельского хозяйства

Многие современные экологические проблемы возникают из-за локального накопления органических отходов, количество которых слишком велико для естественного потенциала биодеградации. Если возможно, эти отходы утилизируют, например, ботва сахарной свеклы и рубленая солома используются как корм для скота. Некоторое количество таких отходов идет на приготовление питательного субстрата для выращивания культур грибов (шампиньонов, вешенок, шиитаке, зимних опят и др.), высококачественного компоста для садов и огородов. Из небольшой части твердых растительных отходов получают топливо.

Компостирование, с одной стороны, позволяет получить ценный продукт,асдругой—являетсяпроцессомочистки,делающимнизко- активные отходы более экологичными для биоценозов. Гумифицированные продукты быстро приходят в равновесие с экосистемой, в которую их внесли, и не вызывают серьезных нарушений в ней, как это бывает при внесении непереработанных твердых отходов.

Компостирование — это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с образованием стабильного гумифицированного конечного продукта. Этот продукт представляет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение, и как средство, улучшающее структуру почвы. Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от городского мусора, представляющего собой смесь ор-

101

ганических и неорганических компонентов, до более гомогенных субстратов, таких как навоз, отходы растениеводства, сырой активный ил и нечистоты.

В естественных условиях процесс биодеградации протекает медленно, на поверхности земли при температуре окружающей среды и

восновном в анаэробных условиях. Естественный процесс разложения может быть ускорен, если перерабатываемый субстрат собрать

вкучи, что позволяет сохранить часть теплоты, выделяющейся при ферментации, и достигнуть более высокой скорости реакции.

Компостирование представляет собой динамический микробный процесс, в котором принимают участие более 2000 видов бактерий и 50 видов грибов. Обычно в начале процесса компостирования преобладают мезофильные микроорганизмы, которые начинают активно размножаться, потребляя легко усвояемый субстрат (рис. 23). Постепенно температура повышается, происходит гибель мезофильных бактерий и грибов и наблюдается рост термофильных бактерий. В течение термофильной фазы наиболее легко разлагаемые субстраты (полисахариды, крахмал, жиры, белки) быстро потребляются, и скорость реакции начинает падать после того, как в нее вовлекаются более устойчивые субстраты. На последующих стадиях численность термофильных бактерий снижается и увеличивается доля актиномицетов. По мере остывания компоста возрастает количество целлюлолитических и лигнинолитических грибов. Компост, остывая, становится доступным для широкого ряда простейших и микрофауны. Почвенные животные осуществляют физическое дробление частиц, перемешивание компонентов компоста, что усиливает дальнейшее потребление микробиотой.

Первые три стадиикомпостирования(мезофильная, термофильная и остывания) протекают очень быстро — за дни или недели. Заключительная стадия — созревание, в течение которой потери массы и тепловыделение малы, длится несколько месяцев. В течение этой стадиипроисходятсложныереакциимеждуостаткамилигнинаизотходов и белками погибших микроорганизмов, приводящие к образованию гуминовых кислот.

При компостировании материала в кучах в условиях естественной аэрации их не следует складывать более 1,5 м в высоту и 2,5 м в ширину, в противном случае диффузия кислорода к центру кучи будет затруднена. В случае применения принудительной аэрации могут быть значительными потери воды, поэтому возникает необходимость

102

ее дополнительного внесения. Это может быть достигнуто добавлением сырого активного ила или других жидких отходов.

Периодическое механическое перемешивание способствует аэрации, диспергированию крупных фрагментов субстрата, что увеличивает удельную поверхность, необходимую для биодеградации. Однакочрезмерноеперемешиваниеприводиткохлаждениюивысыханию компостируемой массы, разрывам мицелия актиномицетов и грибов.

Рис. 23. Стадии процесса компостирования

Смешение низкоактивных отходов типа соломы с отходами жизнедеятельности животных позволяет решать проблему гигиенического удаления последних. При компостировании достигаются температуры, при которых погибают патогенные микроорганизмы, сорняки и их семена.

Компост представляет собой в первую очередь средство для улучшения структуры почвы и в некоторой степени удобрение. Некоторые отходы растениеводства служат для образования силоса. Сущность силосования заключается в том, что в свежей растительной массе, плотно уложенной в непроницаемые для воздуха силосные сооружения, в результате биохимических процессов постепенно нака-

103

пливаются органические кислоты, преимущественно молочная, которые служат консервирующим средством, предохраняя, при определенной концентрации, растительную массу от дальнейшего разложения и порчи. Для приготовления силоса используют специально выращиваемыерастения,атакжеботвукорнеплодов,картофеляибахчевых культур, остатки технических производств (свекловичный жом, хлебная и картофельная барда, картофельная мезга, виноградные выжимки). Микробиота силоса развивается, как правило, из эпифитных микроорганизмов, которые уже присутствуют на поверхности растения. Основными микроорганизмами, участвующими в силосовании, являются молочнокислые бактерии Lactobacillus и Streptococcus. Таким образом, силосование позволяет получить питательный корм для животных, а также избежать значительного поступления растительных отходов в окружающую среду.

6.2. Вермикомпостирование

Одним из нетрадиционных, но перспективных способов утилизации отходов сельского хозяйства является вермикомпостирование, основанное на использовании дождевых червей. Технологиями вермикомпостирования достигается не только трансформация навоза (помета) животных и/или подстилки, соломы, опада листьев и др. в органическое удобрение (биогумус), но и получение сырья в виде массы червей для производства кормовой добавки.

Посредством этих технологий в агробиоценозах обеспечивается частичная реконструкция круговорота веществ, характерного для естественных природных условий. В результате конверсии отходов сельскогохозяйствапопуляциямичервейудаетсясоздатьустойчивые агробиоценозы в состоянии динамического равновесия. Таким образом, вермикомпостирование служит еще одним звеном для формирования замкнутого цикла аграрного производства и включает ресурсосберегающие и экологически чистые технологии.

6.2.1. Вермикультура

Вермикультура — разведение дождевых червей на специальных фермах. Под названием «дождевые черви» объединены семейства крупных почвенных олигохет (класс «малощетинковые» — Oligochaeta (от греч. oligos — мало, chaete — волос). Относятся к

104

подтипу Clitellata — поясковые. У них имеется особая зона сегмен- тов—железистыйпоясок(clitellum),участвующийвспариванииосо- бей и образовании кокона. Параподии отсутствуют. Гермафродиты).

На территории России олигохеты представлены почти исключительно семейством Lumbricidae. Из большого количества существующих видов дождевых червей пригодными для вермикультуры считаются несколько видов: навозный червь Eisenia (E.) foetida; обыкновенный дождевой червь, или большой красный выползок, Lumbricus terrestris; малый красный червь Lumbricus rubellus и несколько других видов. В хозяйствах, занимающихся вермикомпостированием, чаще всего применяется одна линия навозного (дождевого) червя (Eisenia foetida andrei семейства Lumbricidae), так называемый красный калифорнийский червь.

E. foetida характеризуется быстрым ростом: в экспериментальной культуре при плотности заселения 4–16 экземпляров на 300 см3 субстрата биомасса червей колеблется от 4 до 26 г. При выращивании на отходах максимальной скорости роста этот вид достигает к 11-недельному возрасту — биомасса одного червя составляет 650 мг (180 мг в расчете на сухое вещество). К этому же времени относится имаксимальноеколичествооткладываемыхкоконов.Вестественных условиях один червь дает еженедельно 1–2 кокона, из которых через три недели выводится от 2 до 20 червячков (из них выживает примерно 4). В экспериментальной культуре максимальное количество коконов — 70 в год. В оптимальных условиях E. foetida может еженедельно откладывать по 3–4 кокона. Через 3 мес молодь этого вида червей становится половозрелой. Лучше всего червь развивается при температуре субстрата 20–30 °С, влажности 70–80 %, в нейтральной или слабокислой среде и при достаточной аэрации.

Субстратом для разведения червей, кроме растительных остатков, может стать навоз всех видов домашних животных, включая птичий помет, отходы масложиркомбинатов, скотобоен и мясокомбинатов,рыбной,пищевой,сахарной, кожевенной,деревоперерабатывающей, хлопкоочистительной, винокуренной и пивоваренной промышленности, сапропель, осадок сточных вод (активный ил), органическая фракция твердых бытовых отходов, оливковый субстрат и т. д. Также известно использование в качестве субстрата отходов фармацевтической промышленности — мицеллярные отходы рибоксина, тетрациклина и пенициллина.

105

Однако дождевые черви предъявляют определенные требования к субстрату, так как чувствительны к температуре и выделению NH3, H2S, СН4, образующихся в процессе гниения отходов. Допустимый уровень концентрации аммиака в субстрате для вермикомпостирования составляет 0,5 мг/кг субстрата. Более высокий уровень содержания аммиака в субстрате может вызвать гибель дождевых червей, поэтому обязательным условием вермикомпостирования является предварительное хранение навоза животных до стабилизации температур в пределах 18–20 °С и снижения содержания аммиака, сероводорода и метана.

Наиболее предпочтительны для дождевых червей в качестве субстрата вермикомпостирования навоз крупного рогатого скота, свиной и их смесь в соотношении 1 : 1. Менее предпочтителен конский навоз, вследствие быстрого пересыхания и микробиологической обедненности. Наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности и размножения дождевых червей создаются при использовании отходов примерно с 20% содержанием целлюлозы, поэтому рекомендуютвживотноводческиеотходыдобавлятьсолому,древесныеопилки с низким содержанием дубильных веществ, макулатуру и другие целлюлозные остатки. Кроме того, субстраты должны содержать некоторое количество минеральной почвы, которая выполняет механическую функцию при перетирании в кишечнике дождевых червей и необходима для лучшего пищеварения.

Совместное разведение нескольких видов (поликультура) дождевых червей могло бы расширить спектр перерабатываемых субстратов и глубину их переработки, однако исследования в этом направлении пока не дали обнадеживающих результатов. Чрезвычайно перспективным представляется развитие работ в направлении генетики, селекции и подбора наиболее эффективных популяций и генотипов культивируемых видов червей. Почти все биотические характеристики E. foetida, включая устойчивость к тяжелым металлам, могут быть улучшены направленным отбором.

Величина пищевого рациона дождевых червей зависит от питательной ценности корма, гидротермических условий, конкуренции, физиологического состояния животных. Кроме того, у разных видов дождевых червей имеется различная пищевая специализация. В течение одного цикла развития (180 сут) 0,5 кг червей на 1 м2 вырабатывают из одной тонны компоста (при влажности 75 %) 400 кг гумусного удобрения (50 % влажности) (выбросы копролитов червей

106

составляют в среднем примерно 10 кг/м2 в месяц). В естественных условиях они способны за летний период переработать до 1 т/га опада. Заглатывая и смешивая в процессе питания органические остатки с минеральными частицами почвы, переваривая их и обогащая ферментами, биологически активными веществами и микрофлорой, дождевые черви производят копролиты с высоким содержанием гумуса, макро- и микроэлементов. В зрелом вермикомпосте содержание копролитов достигает 70 % .

6.2.2. Технология вермикомпостирования

Всю технологию вермикомпостирования можно условно разделить на три этапа. Первый этап вермикомпостирования заключается в приготовлении органоминеральной компостной смеси. Органические отходы и наполнитель-структурообразователь смешивают и увлажняют до 70–80 %. Для уменьшения времени биоконверсии отходов обязательным условием является их предварительное измельчение. На втором этапе полученные органоминеральные компостные смеси заселяют культурой дождевых червей. Рекомендуемая плотность заселения вермикомпостной смеси составляет 2000 экземпляров на квадратный метр. Оптимальная для вермикомпостирования температура составляет +15...+20 °С. Время компостирования — 1–3месвзависимостиотвидаорганическихотходов.Натретьемэта- пе дождевые черви отделяются от субстрата, вермикомпост высушивается и используется.

При механическом отделении дождевых червей от вермикомпоста при помощи сит большой процент червей травмируется, поэтому чаще используют метод приманок, когда свежие органические отходы размещают в лотках с перфорированным дном на поверхности созревшего вермикомпоста и дождевые черви перемещаются в лотки, после чего отделяются от продукта вермикомпостирования. Для предупреждения покидания дождевыми червями конвертируемых субстратов в период массового размножения, а также на последних этапах вермикомпостирования необходимым условием является добавка небольших порций отходов в указанные периоды. Дополнительные порции органических отходов можно вносить двумя способами: локально или послойно. Обязательное условие успешного вермикомпостирования — необходимость предварительного тестирования органических отходов на токсичность для дождевых червей.

107

При выборе способа вермикомпостирования необходимо учитывать природно-климатические условия региона. Существуют несколько способов вермикомпостирования, применяемых в разных странах.

В странах с мягким климатом распространен способ, при котором вермикомпостную смесь размещают под открытым небом в виде гряд, сверху накрываемых тканью или соломенными щитами для предотвращенияизбыточногооблучениядождевыхчервейультрафиолетовыми лучами. Существует так называемый туннельный метод, когда конвертируемые отходы помещают в невысокие пленочные теплицы. При траншейном способе культивирования дождевых червей необходимо использование дренажного материала (гравий, синтетические гранулы, ветки кустарников и деревьев), которым выстилается дно траншеи.

При культивировании дождевых червей в закрытых помещениях субстрат помещают в виде штабелей либо в ящиках. Ящики могут быть деревянными или пластмассовыми, различного размера. Глубина — не более 60 см. Вермикомпостирование осуществляют с добавлением новой пищи либо без него в течение периода биоконверсии. По мере необходимости вермикомпостную смесь увлажняют, поливая водой. Учитывая способность вермикультуры находиться в активном состоянии в течение всего года, включая зимний период, а также природно-климатические условия региона, наиболее целесообразно культивирование дождевых червей в закрытых помещениях штабельным или ящичным способами. Зимой температуру внутри помещения рекомендуют поддерживать не ниже +10 °С, летом +12…+25 °С, путем создания подпочвенного обогрева. В таких условиях черви могут давать два поколения в год.

6.2.3. Влияние дождевых червей и вермикомпостов на свойства почвы, качество и урожайность растениеводческой продукции

Дождевой червь — один из главнейших создателей плодородного верхнего слоя земли, его считают основным почвообразующим организмом и первичным разрушителем (сапрофагом). В пищевом канале червей происходит не только механическое перетирание и смешиваниемелкоземасорганическимиостатками,ноиихгумификация,при этом грубый перегной превращается в мягкий, переработанный, так

108

называемый копрогенный гумус. Черви обладают уникальной способностью образовывать, мелиорировать и оструктурировать почву, эта функция не дублируется другими животными и никакими агромелиоративными приемами. Заглатывая и смешивая в процессе питания мертвые гниющие органические вещества с минеральными частицами почвы, переваривая их и обогащая собственной микрофлорой, ферментами, витаминами, антибиотиками, регуляторами роста и попутно препятствуя развитию патогенной микрофлоры, черви извергают копролиты, которые и являются вермикомпостом (биогумусом).

Внесение вермикомпостов в почву — эффективный прием улучшения структуры почвы, так как продукты вермикомпостирования оказывают положительное влияние на рост, развитие и продуктивность различных сельскохозяйственных культур в полевых или лабораторных экспериментах. Однако в некоторых исследованиях отмечен как позитивный, так и негативный эффект или отсутствие эффекта в зависимости от типа, дозы или метода внесения вермикомпоста. Такие случаи могут представлять особый интерес, поскольку о них обычно не упоминается в популярных изданиях. Например, показано, что высокие дозы (более 500 мг/кг субстрата) гуминовых кислот, экстрагированных из разных видов вермикомпоста, или полная замена субстрата вермикомпостированным свиным навозом отрицательно влияли на рост помидоров и огурцов. Рост сорго в незначительной степени подавлялся при внесении 20% нестерилизованного вермикомпоста в минеральную почву. Вермикомпост, произведенный из конского, овечьего и коровьего навоза, значительно уменьшал зараженность томатов фитофторой, но вермикомпост на основе канализационных илов не только не уменьшал заражение, но и подавлял рост растений. Таким образом, при всех своих положительных качествах вермикомпост не является универсальным средством, его эффективность зависит от умелого применения.

6.3.Биоудобрения

6.3.1.Азотфиксирующие микроорганизмы и препараты на

их основе

Интенсивное растениеводство обедняет почву, так как значительная доля азота ежегодно выносится из почвы вместе с урожаем. С древних времен для восстановления и улучшения почв существует

109

практика использования бобовых растений, способных в симбиозе с азотфиксирующими микроорганизмами восполнять почвенные запасы азота в результате диазотрофности (усвоения атмосферного азота). Среди азотфиксирующих микроорганизмов имеются как свободноживущие, так и симбиотические.

Свободноживущими облигатными анаэробными азотфиксато-

рами являются представители рода Azotobacteraceae, микроаэрофилами — представители рода Mycobacterium, факультативными анаэ-

робами — Klebsiella pneumoniae, Bacillus (B.) polymyxa, B. macerans.

При отсутствии кислорода в процессе брожения образующийся клетками пируват используется для восстановления азота. К анаэробным азотфиксирующим микроорганизмам относятся Clostridium pasteurianum, C. sporogenes. К азотфиксации способны также некоторые штаммы сульфатредуцирующих бактерий Desulfovibrio, хемо-

литотрофные бактерии Xanthobacter autotrophicus, Alcaligenes latus.

Симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы, которые вступаютвсимбиозсрастениями,могутбытьразделенынатригруппы:

1)внутриклеточные симбионты (Rhizobium, Frankia, Nostoc в сим-

биозе с Gunnera);

2)микроорганизмы, которые находятся внутри растений, но не проникают в их клетки (Anabaena или Nostoc в симбиозе с Azolla; эн-

дофитные бактерии Acetobacter, Azoarcus);

3)ассоциативные диазотрофы, живущие на корнях (Azospirillum,

Flavobacterium).

Наиболее важные симбиотические бактерии-азотфиксаторы — клубеньковые бактерии (Rhizobium, Bradyrizobium, Azorhizobium,

Mesorhizobium, Sinorhizobium), которые взаимодействуют с бобовыми растениями. По отдельности ни бобовые растения, ни клубеньковые бактерии не могут усваивать азот. Сущность симбиотических отношений заключается в выигрыше от сосуществования: микроорганизм транспортирует продукты азотфиксации в клетки (ткани) хозяина, экологический потенциал которого при этом существенно возрастает из-за ослабления зависимости от связанного азота; растение-хозяин предоставляет микросимбионту экологическую нишу (в которую он «уходит» от конкуренции со свободноживущими микроорганизмами), а также покрывает энергетические расходы на азотфиксацию.

110