CC BY
238
УДК 631.879.42: 631.22.018
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА
В.В. Миронов, доктор технических наук, главный научный сотрудник Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: vniimzh@mail.ru
А.Н. Ножевникова, доктор биологических наук
Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» E-mail: press@inbi.ras.ru
Аннотация. Современные биотехнологии, основанные на жизнедеятельности микроорганизмов, участвующих в биотрансформации органического вещества отходов сельхозпроизводства в экологически чистое удобрение, способны обеспечить сохранение почвенного плодородия, существенно повысить урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность животноводства. В настоящее время в России в качестве удобрения используется не более 25% поступающего от животноводства навоза. Остальное, а это более 150 млн т, ежегодно складируется и хранится не всегда надлежащим образом, нанося вред окружающей среде - органические вещества вымываются и загрязняют почву, грунтовые воды и водоемы. Причиной этого является, в первую очередь, нерешенность технологических и организационно-экономических вопросов переработки и использования навоза. Переработку навоза ведут двумя основными методами биотехнологии: компостированием с получением удобрений и метановым сбраживанием с получением биогаза и удобрений. В то же время основным способом переработки отходов в органическое удобрение для стран с умеренным и холодным климатом является компостирование, которое считается процессом аэробного разложения органического материала. Однако структура компостируемых материалов предполагает наличие анаэробных микро- и макрозон, в которых обитают анаэробные микроорганизмы. Таким образом, разработка ресурсосберегающих биотехнических методов интенсификации аэробно-анаэробных ферментативных процессов твердофазной трансформации сложных органических веществ отходов животноводства с последующим эффективным экологически безопасным использованием биоудобрения способствует обеспечению урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животноводства.
Ключевые слова: биотехнология, переработка навоза, ускоренное компостирование, аэробно-анаэробный режим, почвенное плодородие.
Потребление животного белка - показатель качества рациона питания людей. Животноводство является «поставщиком» животного белка - биологически полноценных продуктов питания для человека - молока и мяса.
Крупный рогатый скот (консументы) расходует на построение своего тела большую часть первичной биомассы, создаваемой продуцентами - зелеными растениями, синтезирующими органические вещества, используя энергию солнца, минеральные вещества, углекислый газ и воду. Из потребляемого корма в навоз переходит около 40% органического вещества, 50% азота, 80% фосфора и 25% калия.
В почве деструкторы (микроорганизмы) достаточно быстро разлагают часть органического вещества навоза до минеральных веществ, которые усваиваются растениями из почвы и сразу участвуют в биокруговороте. Другая же часть органического вещества, аккумулирующая элементы питания растений и порядка п1019 ккал энергии разложения, консервируется в виде гуминовых веществ - новых, более устойчивых форм органических веществ [1].
Таким образом, продуктом деструкции органических веществ является гумус - один из важнейших компонентов биосферы, обеспечивающий ей гомеостазис, устойчивость и продуктивность.
Как один из основных показателей потенциального плодородия почвы, гумус является регулятором расходования элементов питания, а также предотвращает непроизводительные потери питательных веществ от вымывания, образования газообразных продуктов и труднорастворимых минеральных соединений. Гумус усиливает биологическую активность почвы, повышает эффективность использования минеральных удобрений, а также препятствует поступлению тяжелых металлов в растения и грунтовые воды. Уровень гумуса систематически снижается во всех почвенно-климатических зонах. По данным Почвенного института имени В.В. Докучаева, потери гумуса на черноземах за 100 лет составили около 25-30% его запасов. В среднем с 1 га пашни ежегодно теряется около 400-600 кг гумуса, а там, где сильно развиты процессы эрозии, потери гумуса достигают 1 т/га [2].
Органические удобрения из отходов сельского хозяйства являются важным источником гумуса почвы. В животноводстве формируется основная часть сельскохозяйственных отходов - свежий навоз крупного рогатого скота и свиней, накопление которого представляет опасность для окружающей среды.
В настоящее время в России в качестве удобрения используется не более 25% поступающего от животноводства навоза. Остальное, а это более 150 млн т ежегодно, складируется и хранится не всегда надлежащим образом, нанося вред окружающей среде - органические вещества вымываются и загрязняют грунтовые воды и водоемы. Причиной этого является, в первую очередь, нерешенность технологических и организационно-экономических вопросов переработки и использования навоза.
Органические отходы животноводства перерабатываются двумя основными методами биотехнологии: компостированием с получением удобрений и метановым сбраживанием с получением биогаза и удобрений. Метановое сбраживание обеспечивается свойствами анаэробных микроорганизмов переводить органическое вещество из жид-
кой и твердой фазы в газовую. Сбраживание проводят в мезофильных (35-37°С) и умеренно термофильных условиях (50-55°С), последние способствуют ускорению кинетики реакций, что позволяет снизить время удержания сырья в реакторе (Rapport 2008). Термофильные условия также обеспечивают обеззараживание сброженной массы (сокращение количества патогенов), что необходимо для ее дальнейшего сельскохозяйственного использования в качестве биоудобрения (Пахненко 2009, Li et al. 2011).
Однако основным способом переработки отходов в органическое удобрение для стран с умеренным и холодным климатом является компостирование. Компостирование (твердофазная микробиологическая ферментация) -экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности (Forster, Wade, 1990). В процессе компостирования принимает участие множество известных видов бактерий (более 2000) и не менее 50 видов грибов [3].
Особенность микробиологических трансформаций отходов животноводства заключается в том, что большая часть органических веществ расщепляется под действием различных ферментов. Результат - изменение молекулярной структуры трансформируемого субстрата, синтез метаболитов из предшественников, перестройка сложных молекул [4]. Самое главное при этом - удобство и экономичность технологических процессов, для которых не требуется дорогостоящая аппаратура, так как микроорганизмы функционируют в неагрессивных средах, при обычных температурах и давлениях.
Микробная клетка, как основной элемент биотехнологии переработки отходов животноводства, может рассматриваться как биологическая система широкого спектра действия, которая использует доступные для ее метаболических систем вещества, ассимилируя или трансформируя их. Образующиеся органические вещества, в свою очередь, используются другими микроорганизмами.
Научные исследования в области биопереработки отходов можно разделить на две основные категории.
К первой относятся работы, направленные на исследование технологии аэробной и анаэробной ферментации, описание работы лабораторных и полномасштабных биореакторов и биоферментаторов, поиск различных технологических приемов и технических средств интенсификации переработки органических отходов для повышения качества органических удобрений, достижения максимального выхода биогаза или биоводорода (Edelmann et al. 2000, Chanakya et al. 2009, Chen et al. 2010). В этих работах микробиологические аспекты (видовой состав и физиологические особенности функционирования микробного сообщества) обычно не учитываются.
Определение структуры микробных сообществ в ферментируемой массе привлекает внимание инженеров, т.к. понимание особенностей жизнедеятельности микроорганизмов имеет большое значение для повышения эффективности процесса ферментации (Shin et al. 2010). Однако разнообразие микроорганизмов, участвующих в процессе ферментации, и их реакцию в ответ на изменение режимов работы технических средств и условий окружающей среды часто игнорируют из-за слишком сложной микробной экологии, вовлеченной в процесс. В результате процесс ферментации часто рассматривается как «черный ящик» (Short 2005, Supaphol et al. 2011). Основная часть исследований посвящается инженерному проектированию камерных установок для компостирования (Ковалев 2010, Афанасьев 2005, Haug 1993, Giannone 2008), анаэробных биореакторов (Зинченко и Семененко 2015, Ковалев 2012), а также машин для ворошения массы компоста в буртах (Diaz et al. 2005).
Вторая категория исследований посвящена изучению интенсивности микробиологической трансформации, а также изучению качества готовых удобрений и влияния их использования на сохранение плодородия почв. Процесс компостирования возможно интенсифицировать с помощью микробных
препаратов. Микроорганизмы-деструкторы органических отходов сельскохозяйственного производства могут быть выделены и отобраны, в частности, из почвы и сенного настоя (Иванов 2012, Scheuerell and Mahaffee 2002). Предложен биопрепарат для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, включающий смесь живых микробных культур Rhodpseudomonas palustris 100-B, Rhodobacter spheroids 5, Lactobacillus casei 21, Lactobacillus plantamm 51, Lactococcus lactis 47, Saccharomyces cerevisiae 22 (Нечесов и Булгадаева, 2003).
Для приготовления биокомпоста предложен препарат, содержащий микроорганизмы: Lactobacillus plantarum 34, Lactobacillus fer-mentum, 27, Lactococcus lactis AMC, Bacillus cytaseus 21/2/AS, Bacillus cereus РХТУ BT-5, Bacillus subtillis GL (Правдин и Гермашев, 2008). Биоудобрения могут рассматриваться как катализатор микробиологических трансформационных процессов почвы, направленно воздействующий на функционирование почвенного микробоценоза и эффективность гумусообразования (Архипченко и Орлова 2013).
Из ряда работ, выполненных различными исследователями в области определения эффективности компостирования и качества компоста (Sullivan and Miller 2001, Ingham 2001, Рабинович и Ковалев 2003, Brinton 2012), становится очевидным, что параметры, которые могут использоваться в качестве показателей темпов гумификации, «зрелости» и стабильности компостов, составляют две категории.
Показатели первой категории - pH, общее количество органического углерода (TOC), показатель гумификации (HI) и отношение углерода к азоту (C/N) - за время периода компостирования снижаются. Другие химические показатели и параметры гумификации - содержание общего азота (TON), общее содержание экстрагируемого углерода (TEC) и гуминовых кислот (HA), отношение гуминовых кислот к фульвокис-лотам (HA:PhA), степень гумификации (DH), скорость гумификации (HR), показатель зрелости (MI), показатель гумификации (IHP) -
с течением времени увеличиваются. При этом качество компостов стабилизируется.
По мнению исследователя (Tiquia 2010) наиболее информативным и адекватным микробиологическим показателем «зрелости» компоста оказался тест дегидрогеназ-ной активности. В сравнении с другими критериями он оказался более простым, быстрым и дешевым методом, позволяющим проводить мониторинг стабильности и готовности компоста.
В свежем навозе присутствует микрофлора желудочно-кишечного тракта животных, участвующая в гидролизе и дальнейшем расщеплении корма, и содержащая анаэробные микроорганизмы разных физиологических групп: гидролитические, бродильные, син-трофные бактерии и метаногенные археи, а также факультативно-анаэробные микроорганизмы. Все микробные обитатели желудочно-кишечного тракта животных принадлежат к широкому спектру разных филогенетических групп микроорганизмов. При попадании во внешнюю среду навоз обогащается различными аэробными микроорганизмами. В частности аэробные микроскопические грибы обладают мощными гидролитическими ферментами, расщепляющими полимерные соединения, включая лигноцел-люлозу, а также клеточные стенки микроорганизмов.
Стабильность биохимической активности микроорганизмов в навозе зависит от наличия благоприятных условий их жизнедеятельности, наличия субстрата и условий внешней среды. В превращениях субстратов одна реакция следует за другой в строжайшей последовательности, так как продукты реакции предыдущей стадии процесса, как правило, являются субстратом для последующей [4]. Такая четкая преемственность возможна благодаря высокой специфичности ферментов, участвующих в обмене веществ. Условия внешней среды (температура, влажность и др.) в значительной степени формируются с помощью технических средств.
Компостирование традиционно считается процессом аэробного разложения органического материала с выделением значительно-
го количества теплоты. Однако структура компостируемых материалов не только не исключает, но скорее предполагает наличие анаэробных микро- и макрозон, в которых обитают анаэробные микроорганизмы.
Проведенные исследования (Литти Ю.В., Ножевникова А.Н и др. 2013) прикрепленного активного ила из станции очистки сточных вод в поселке Красная поляна (Сочи) показали, что в биопленках активного ила, развивающегося в условиях интенсивной аэрации, присутствуют как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы, составляющие до 30-40% от общей численности микробной популяции активного ила [5].
Более того, авторами выявлено наличие строго анаэробного метаногенного микробного сообщества, способного разлагать органические соединения с образованием летучих жирных кислот и метана, которые далее окисляются аэробными гетеротрофами и ме-танотрофами. Одновременное осуществление аэробной и анаэробной деградации органических загрязнений прикрепленным активным илом позволяет достигать высоких скоростей очистки воды, устойчивости активного ила к меняющимся условиям внешней среды.
Аэробным микроорганизмам требуются как кислород (газообразная фаза), так и вода (жидкая фаза), поэтому существуют очевидные проблемы с достижением баланса между влажностью и содержанием кислорода при компостировании. Соотношение между твердыми частицами, жидкостями и газом в компостной матрице имеет важное значение для поддержания баланса. Полезная концептуальная модель матрицы компоста включает в себя твердые и жидкие агрегаты, окруженные заполненным газом поровым пространством. Так как кислород расходуется, а двуокись углерода производится, необходимо, чтобы газ непрерывно пополнялся. В газонаполненных порах компостов преобладает массоперенос кислорода, в то время как в жидких пленках на компосте кислород транспортируется посредством диффузии. Диффузионный транспорт осуществляется медленно, и этот процесс ограничивает подачу
кислорода даже в хорошо аэрируемых ком-постах (Hamelers, 2001). В компостных частицах концентрация кислорода зависит не только от концентрации в газовой фазе. Она также зависит от скорости потребления кислорода, скорости диффузии и размера частиц. Так как микроорганизмы потребляют много кислорода, только тонкий внешний слой каждой частицы компоста во время активных фаз находится в аэробных условиях. При этом микроорганизмы живут, в основном, в жидкой фазе. При низких концентрациях кислорода в компосте (несколько процентов и менее) скорость аэробного процесса во многом зависит от изменений концентрации кислорода, но это влияние менее выражено при высоких концентрациях кислорода (Beck-Friis и др., 2003).
Баланс между водой и кислородом дополнительно осложняется тем, что газ удаляет воду из пор компоста. Испарение является основным средством охлаждения, и при этом невозможно сохранить то же содержание влаги в течение длительных периодов времени. Относительная влажность в газах активного компоста всегда около 100% из-за высокого содержания воды и большой площади поверхности в матрице компоста. Относительная влажность газа, проходящего через компост, возрастает, когда газ нагревается и вода интенсивно испаряется из компоста. Аэрация, необходимая для охлаждения компоста, обычно больше, чем аэрация, необходимая для подачи кислорода (Хауг, 1993; Ричард & Walker, 1999. (Хауг, 1993).
Таким образом, процесс компостирования, несмотря на использование принудительной или естественной аэрации, является аэробно-анаэробным процессом, так как при влажности компостной смеси около 65%, даже в условиях активной аэрации, образуются анаэробные микрозоны, в которых обитают анаэробные бактерии, продукты жизнедеятельности которых могут служить субстратами для аэробных бактерий и наоборот.
Присутствие в компосте аэробных и анаэробных микроорганизмов обеспечивает стабильность процесса при изменении условий среды. Большинство органических со-
единений, содержащихся в отходах сельского хозяйства, могут эффективно разлагаться как в присутствии кислорода, так и в его отсутствие. Поэтому увеличение вклада анаэробных процессов, не требующих наличия кислорода, с помощью различных микробиологических и технических приемов может представлять собой один из действенных способов снижения затрат на аэрирование компостной смеси и повышение энергетической эффективности процесса компостирования в целом. Интенсификация процесса компостирования возможна путем применения нового поточного способа производства компоста (патент РФ №2291136) и новых энергосберегающих технических средств -машины для приготовления компостов (патенты РФ №№ 2352093, 110587) и вертикальной компостирующей установки (патенты РФ №№63355, 2310631, 71116).
Разрабатываемый технологический процесс переработки органических отходов животноводства (навоз, остатки кормов, солома) заключается в подготовке компостной смеси машиной с рабочими органами в виде лопастных барабанов и агрегатируемой с трактором, внесении биопрепарата, предварительном компостировании смеси в буртах в течение 7-10 суток, высокоскоростной биодеградации легкоразлагаемой части органического вещества компостной смеси в вертикальном биореакторе за 5-7 суток при температуре 60-70°С и последующем созревании биоудобрения в буртах в течение 14-21 суток [6]. Полный цикл производства биоудобрения составляет 26-38 суток. Процесс биотрансформации сложных органических веществ отходов в биоудобрение проводится в аэробно-анаэробном режиме, который поддерживается с помощью различных микробиологических и технических приемов и представляет собой один из действенных способов повышения энергетической эффективности процесса, а также качества биоудобрения.
Биоудобрение, характеризующееся высоким содержанием полезной микрофлоры, доступных элементов питания растений и гумусовых веществ, повышает урожайность
сельскохозяйственных культур, улучшает структуру почвы и является важным источником почвенного плодородия. Так, по исследованиям (Мерзлая и Афанасьев, 1999) использование биокомпоста в дозах 17-35 т/га на горохово-овсяной смеси дает прибавку урожайности от 33,5 до 41,4 ц/га ежегодно в течение трех лет [7]. При этом затраты на внесение снижаются в 1,5-2,0 раза в сравнении с исходным навозом.
Возврат навоза в виде органического удобрения в почву - это обеспечение круговорота веществ в природе и повышение экологической устойчивости агроценоза. В свою очередь, питание растений, обеспеченное плодородием почв, является основным регулируемым фактором, используемым человеком для целенаправленного управления ростом и развитием растений с целью создания высокого урожая хорошего качества.
Таким образом, разработка ресурсосберегающих биотехнических методов интенсификации аэробно-анаэробных ферментативных процессов твердофазной трансформации сложных органических веществ отходов животноводства с последующим эффективным экологически безопасным использованием биоудобрения способствует обеспечению урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животноводства.
Литература:
1. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л.: Наука, 1980. 288 с.
2. Минеев В.Г. Агрохимия. М., 2004. 720 с.
3. Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. Микробиология. М., 2005.
4. Микробиология / О.Д. Сидоренко и др. М., 2009.
5. Обнаружение анаэробных процессов и микроорганизмов в иммобилизованном активном иле станции очистки сточных вод с интенсивной аэрацией / Ю.В. Литти и др. // Микробиология. 2013. Т. 82. №6.
6. Завражнов А.И., Миронов В.В. Система производства органических удобрений ускоренным компостированием навоза // Техника и оборудование для села. 2011. №5.
7. Методические рекомендации по изучению эффективности традиционных и нетрадиционных органических и органоминеральных удобрений / Р.А. Афанасьев и др. М., 1999. 40 с.
Literatura:
1. Aleksandrova L.N. Organicheskoe veshchestvo pochvy i processy ego transformacii. L.: Nauka, 1980. 288 s.
2. Mineev V.G. Agrohimiya. M., 2004. 720 s.
3. Emcev V.T., Mishustin E.N. Mikrobiologiya. M., 2005.
4. Mikrobiologiya / O.D. Sidorenko i dr. M., 2009.
5. Obnaruzhenie anaehrobnyh processov i mikroorganiz-mov v immobilizovannom aktivnom ile stancii ochistki stochnyh vod s intensivnoj aehraciej / YU.V. Litti i dr. // Mikrobiologiya. 2013. T. 82. №6.
6. Zavrazhnov A.I., Mironov V. V. Sistema proizvodstva organicheskih udobrenij uskorennym kompostirovaniem navoza // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2011. №5.
7. Metodicheskie rekomendacii po izucheniyu ehffektiv-nosti tradicionnyh i netradicionnyh organiche-skih i or-ganomineral'nyh udobrenij / R.A. Afanas'ev i dr. M., 1999. 40 s.
THE ORGANIC SUBSTANCE OF LIVESTOCK WASTE TRANSFORMATION'S BIOTECHNOLOGICAL METHODS V.V. Mironov, doctor of technical sciences
All-Russian research institute of animal husbandry mechanization
A.N. Nozhevnikova, doctor of biological sciences
Federal research centre "Fundamental bases of biotechnology"
Abstract. Modern biotechnology, based on the activity of the microorganisms involved in biotransformation of organic substance of agriculture waste into ecologically clean fertilizer, they can ensure the soil fertility conservation, improve crop yields significantly and livestock production. Currently in Russia as fertilizers are used no more than 25% manure coming from livestock. The rest, that is more than 150 million tons annually is stored and stored not already adequately, causing environment harm because of the organic substances are washed out and contaminate the soil, groundwater, and ponds. The reason for this is, primarily, the unsolved of the technological, organizational and economic issues of manure processing and utilization. Manure processing are made by two main biotechnological methods: composting with fertilizers' obtaining and methane fermentation with biogas and fertilizer producing. At the same time, the main method of waste processing into organic fertilizer for moderate and cold climate countries is composting, that is an organic substance's aerobic decomposition process. However, the compostable materials' structure requires the presence of anaerobic micro - and macrozones, that are inhabited by anaerobic microorganisms. Thus, the resource-saving biotechnological methods of intensification of the aerobic-anaerobic fermentative processes of solid-phase transformation of animal waste complex organic substances with next effective use of ecologically safe bio-fertilizers' development contributes to crop yields and livestock production's support.
Keywords: biotechnology, manure processing, rapid composting, aerobic-anaerobic regime, soil fertility.
